Eine Frage der Stabilität - Leiterplatten erfolgreich testen mit Dehnungsmessstreifen von HBM

Ganz gleich, ob in Autos, Nutzfahrzeugen oder Smartphones − Leiterplatten von elektronischen Komponenten müssen viel aushalten, wenn sie mobil im Einsatz sind. Schon durch minimale Risse kann die gesamte Elektronik ausfallen. Damit das nicht passiert, testen die Hersteller die mechanische Stabilität der Leiterplatten. Dehnungsmessstreifen von HBM liefern dabei exakte Ergebnisse.

“Dehnungswerte sind die einzigen Parameter, die aussagekräftig in Bezug auf die Stressbelastung von Leiterplatten sind.” Christof Salcher, Produktmanager, HBM

Autos fahren über Kopfsteinpflaster, Nutzfahrzeuge über holprige Baustellen. Im Sommer sind sie Hitze, im Winter Frost ausgesetzt. Das stellt hohe Anforderungen an die einzelnen Komponenten der Produkte wie die Leiterplatten. Sie sind das Kernstück der elektronischen Baugruppen. Durch Vibrationen und thermische Verformungen können kleine Risse zwischen Platte und aufgebrachtem Bauteil entstehen – und damit zu einem Ausfall führen. Deshalb messen Konstrukteure bei der Entwicklung eines Prototyps den Einfluss von mechanischen Belastungen ganz genau. So können sie sicherstellen, dass die Leiterplatten bis zur Belastungsgrenze einwandfrei funktionieren und auch im Produktionsprozess keinen Schaden nehmen.

Autos und Nutzfahrzeuge sind nur ein Einsatzgebiet, in dem die Messung von mechanischen Belastungen sinnvoll ist, auch Züge oder Laptops sind permanent Erschütterungen ausgesetzt. „Grundsätzlich besteht an jeder Verbindung zwischen Leiterplatte und aufgebrachten Bauteil die Gefahr von Brüchen und Rissen“, erklärt Christof Salcher, Produktmanager bei HBM. Und das kann teuer werden, beispielsweise weil die Elektronik in einem Auto durch einen kleinen Riss nicht mehr funktioniert. So fordern Automobilhersteller zunehmend von ihren Zulieferern, die mechanische Stabilität der Leiterplatten nachzuweisen. „Dehnungswerte sind die einzigen Parameter, die aussagekräftig in Bezug auf die Stressbelastung von Leiterplatten sind. Diese lassen sich mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen messen, die dafür direkt auf der Leiterplatte aufgebracht werden“, so Salcher.

Auf einer Leiterplatte applizierte Dehnungsmessstreifen

Bleifrei aber empfindlicher

Doch die Anforderungen an diese Tests sind gestiegen. Ein Faktor dafür ist die Umstellung auf bleifreies Lot. Denn eine Richtlinie der Europäischen Gemeinschaft verbietet die Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS). Darunter fällt auch Blei, das zuvor häufig für Lötverbindungen zwischen Platte und Bauteil eingesetzt wurde. Die bleifreie Lösung ist empfindlicher für mechanische Einflüsse und bricht schneller. Ein anderer Faktor, der die Anforderungen an die Tests erhöht, ist der vermehrte Einsatz von kompakteren Bauteilen wie den Ball Grid Arrays (BGA). Sie lassen mehr Anschlüsse als ein herkömmliches Surface-Mounted Device (SMD) zu. Aber: Im Gegensatz zu den Lötverbindungen, die SMDs und Platte verbinden, sind die Kontakte der BGAs steifer – mechanische Spannungen, die auf die Leiterplatte einwirken, übertragen sich stärker.

“Deshalb muss speziell bei der Herstellung von einem neuen Produkt der gesamte Prozess in der realen Produktionsumgebung messtechnisch begleitet werden.” Bernd Wolf, Projektingenieur, HBM

Verschiedene Standards

Für die Messungen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) wurden auch durch diese neuen Anforderungen verschiedene Standards entwickelt (z. B. IPC/JEDEG-9702). Sie beschreiben unter anderem wo, wie und womit gemessen werden muss. Viele Unternehmen haben zudem nach ihren eigenen Erfahrungen bestimmte Prüfverfahren entwickelt. Dabei geht es um die Belastungen im späteren Einsatz und die Einflüsse während des Produktionsprozesses. „Deshalb muss speziell bei der Herstellung von einem neuen Produkt der gesamte Prozess in der realen Produktionsumgebung messtechnisch begleitet werden“, erklärt Bernd Wolf, Projektingenieur bei HBM. „Die Dehnung wird an den Stellen gemessen, an denen Bauteile sind, bei denen die Gefahr besteht, dass diese zerstört werden.“

HBM bietet die komplette Messkette für solche Aufgaben – vom Dehnungsmessstreifen über den Messverstärker QuantumX MX1615 bis zur Software catman®AP zur Datenerfassung und -analyse. Unterschiedliche Messaufgaben und Rahmenbedingungen erfordern dabei den Einsatz unterschiedlicher DMS. Dafür bietet HBM ein breites Angebot: So verfügen beispielsweise die Rosetten des Typs RY über drei Messgitter, die auf unterschiedliche Geometrien, Abmessungen und Nennwiderstände angepasst werden können. Außerdem stehen sie in Temperaturgängen angepasst auf Stahl, Aluminium oder nach Kundenwunsch zur Verfügung.

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