Fehleranalyse bei Leiterplatten-Durchkontaktierungen: Ursachen, Prüfverfahren und Prävention

In der modernen Elektronik gehören Durchkontaktierungen zu den wichtigsten Strukturen auf einer Leiterplatte.

Ob zur Verbindung von Stromebenen, Signalschichten oder Erdungsnetzen – Durchkontaktierungen bilden die elektrischen Leitwege, die die Funktionalität mehrschichtiger Leiterplatten ermöglichen.

Wenn eine Durchkontaktierung ausfällt, kann die Ursache schwer zu diagnostizieren sein. Im Gegensatz zu offensichtlichen Bauteilausfällen verursachen Defekte an Durchkontaktierungen oft sporadische Probleme, die nur bei Temperaturschwankungen, Vibrationen oder im Langzeitbetrieb auftreten.

Das Verständnis der Ausfallmechanismen ist für die Verbesserung der Zuverlässigkeit von Leiterplatten von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Anwendungen der Automobil-, Industrie-, Luft- und Raumfahrt- sowie der Leistungselektronik.

Was ist eine Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte?

Eine Durchkontaktierung ist ein metallisiertes Loch, das verschiedene Schichten einer Leiterplatte elektrisch miteinander verbindet.

Zu den gängigen Arten von Durchführungen gehören:

• Durchkontaktierungen
• Blinde Durchkontaktierungen
• Vergrabene Durchkontaktierungen
• Mikrobohrungen

Diese Strukturen ermöglichen die Übertragung von Signalen und Strom zwischen den Schichten und ermöglichen gleichzeitig immer komplexere Leiterplattenkonstruktionen.

Weiterführende Literatur: Leitfaden zur HDI-Leiterplattentechnologie

Warum die Zuverlässigkeit von Via wichtig ist

Moderne elektronische Systeme können Tausende von Durchkontaktierungen enthalten.

Ein einziges defektes Durchkontaktierungsloch kann folgende Probleme verursachen:

• Offene Stromkreise
• Lückenhafte elektrische Verbindungen
• Kommunikationsstörungen
• Stromausfälle
• Vollständiger Ausfall des Produkts

Mit zunehmender Schichtenanzahl wird die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen zu einem der wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer von Leiterplatten beeinflussen.

Interner Link: Anbieter von Mehrschicht-Leiterplatten

Häufige Ursachen für Ausfälle von Leiterplatten-Durchkontaktierungen

Fassspalten

Risse im Lauf gehören zu den am häufigsten auftretenden Defekten.

Die Kupferbeschichtung an der Innenwand der Bohrung weist aufgrund mechanischer oder thermischer Beanspruchung Risse auf.

Zu den häufigsten Ursachen gehören:

• Thermisches Zyklieren
• Übermäßige Ausdehnung der Z-Achse
• Unzureichende Schichtdicke
• Materialinkompatibilität

Risse im Bohrloch treten häufig erst nach langjährigem Einsatz im Feld auf und nicht unmittelbar nach der Förderung.

Eckenrisse

An den Stellen, an denen der Durchkontaktierungszylinder auf die inneren Kupferpads trifft, kommt es zu Rissen in den Ecken.

An diesen Stellen entstehen Spannungskonzentrationen während:

• Reflow-Löten
• Thermoschock
• Aus- und Wiedereinschalten

Wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen führt schließlich zu einer Ermüdung des Kupfers.

Über die Trennung

Eine Via-Trennung tritt auf, wenn das plattierte Kupfer den Kontakt zum Pad der inneren Schicht verliert.

Mögliche Ursachen sind:

• Mangelhafte Bohrqualität
• Fehlerhafte Registrierung
• Unzureichende Beschichtung
• Laminierungsfehler

Dieser Fehler führt häufig zu unregelmäßigen elektrischen Störungen.

Weiterführende Literatur: Ursachen und Vorbeugung von Delamination bei Leiterplatten

Beschichtungsfehler

Hohlräume entstehen, wenn beim Galvanisieren nicht die gesamte Durchkontaktierungsstruktur vollständig mit Kupfer beschichtet wird.

Zu den häufigsten Ursachen gehören:

• Verunreinigung
• Unzureichende Kontrolle der chemischen Zusammensetzung
• Schlechte Zirkulation der Lösung
• Unzureichende Prozessüberwachung

Selbst kleine Hohlräume können die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen erheblich beeinträchtigen.

Ausfall von Microvias

Auf HDI-Leiterplatten kommen häufig lasergestanzte Mikrovias zum Einsatz.

Zu den häufigsten Fehlern bei Microvias gehören:

• Durch Knacken
• Unvollständige Kupferfüllung
• Trennung der Schnittstellen
• Ermüdung durch gestapelte Durchkontaktierungen

Mit steigenden Betriebstemperaturen gewinnt die Zuverlässigkeit von Microvias zunehmend an Bedeutung.

Interner Link: Anbieter von HDI-Leiterplatten

Grundursachen für Ausfälle von PCB-Durchkontaktierungen

Unterschiedliche Wärmeausdehnung

Verschiedene Leiterplattenmaterialien dehnen sich unterschiedlich stark aus.

Zu den wichtigsten Materialien gehören:

• Kupfer
• Harzsysteme
• Glasfaserverstärkung

Wiederholte Ausdehnung und Kontraktion führen zu mechanischer Beanspruchung innerhalb der Durchkontaktierungsstruktur.

Zu hohe Montagetemperaturen

Bleifreie Lötverfahren überschreiten in der Regel:

245°C–260°C

Wiederholte thermische Belastung beschleunigt die Ermüdung von Kupfer und den Verschleiß von Durchkontaktierungen.

Interner Link: PCB-Verformung und Reflow-Verformung

Unzureichende Kupferdicke

Eine dünne Beschichtung verringert die Ermüdungsfestigkeit erheblich.

Branchenstandards schreiben in der Regel eine Mindestbeschichtungsdicke vor, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Eine unzureichende Prozesssteuerung kann folgende Folgen haben:

• Schwach über Fässer
• Verminderte Strombelastbarkeit
• Erhöhte Rissanfälligkeit

Mangelhafte Qualität des Leiterplattenmaterials

Laminate minderer Qualität weisen häufig folgende Merkmale auf:

• Hohe Feuchtigkeitsaufnahme
• Erhöhte Expansionsraten
• Verminderte strukturelle Stabilität

Diese Faktoren verstärken sich durch die Anhäufung von Stress.

Fehlerhaftes Leiterplatten-Design

Zu den gestalterischen Aspekten gehören:

• Übermäßige Seitenverhältnisse
• Zu kleine Ringstücke
• Thermische Zonen mit hoher Dichte
• Mangelhafte Stapelplanung

Die Konstruktionsoptimierung ist oft die kostengünstigste Maßnahme zur Verbesserung der Zuverlässigkeit.

So erkennen Sie Fehler an Leiterplatten-Vias

Querschnittsanalyse

Die Querschnittsprüfung ist nach wie vor die effektivste Methode zur Fehleranalyse.

Ingenieure können Folgendes erkennen:

• Risse im Lauf
• Hohlräume
• Trennungsfehler
• Probleme mit der Kupferdicke

Mikroschnittuntersuchung

Die Mikroschnittanalyse liefert detaillierte Einblicke in:

• Qualität der Lochwand
• Kupferverteilung
• Ebenenverbindungen

Diese Methode wird bei Qualifizierungsprüfungen häufig angewendet.

Röntgenprüfung

Röntgensysteme können Folgendes aufdecken:

• Versteckte Hohlräume
• Probleme bei der Registrierung
• Strukturelle Anomalien

ohne die Platine zu beschädigen.

Thermische Belastungsprüfung

Thermische Belastungstests beschleunigen Ausfallmechanismen durch wiederholte Temperaturwechsel.

Beispiele hierfür sind:

• Thermoschock
• Reflow-Simulation
• Prüfungen in Klimakammern

So beugen Sie Ausfällen bei Leiterplatten-Durchkontaktierungen vor

Verbesserung der Bohrlochwandvorbereitung

Vor der Beschichtung sollten Hersteller Folgendes sicherstellen:

• Korrektes Desmear
• Oberflächen reinigen
• Ausreichende Rauheit

Dadurch wird die Haftung des Kupfers verbessert.

Verbesserung der Qualität der Verkupferung

Stabile Galvanisierungsprozesse sollten Folgendes gewährleisten:

• Gleichmäßige Dicke
• Gleichmäßige Kornstruktur
• Geringe Fehlerquote

Eine bessere Beschichtung verbessert direkt die Ermüdungslebensdauer.

Optimierung des Leiterplatten-Schichtaufbaus

Ausgewogene Mehrschichtstrukturen verringern die mechanische Belastung.

Zu den bewährten Verfahren gehören:

• Symmetrische Stapel
• Kontrollierte Dielektrikumsdicke
• Gleichmäßige Kupferverteilung

Interner Link: PCB-Herstellungsprozess

Wählen Sie geeignete Materialien aus

Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen erfordern häufig:

• Laminate mit hoher Glasübergangstemperatur
• Materialien mit niedrigem CTE
• Substrate in Automobilqualität

Zuverlässigkeitsprüfungen durchführen

Die Qualifizierungsprüfungen sollten Folgendes umfassen:

• Thermisches Zyklieren
• IST-Prüfung
• Überprüfung des Querschnitts
• Beschleunigte Lebensdauerprüfung

Diese Methoden tragen dazu bei, versteckte Defekte an den Leitungen vor der Freigabe zur Produktion zu erkennen.

Branchen, die am stärksten von Durchkontaktierungsfehlern betroffen sind

Kfz-Elektronik

Erfahrung im Bereich Fahrzeugelektronik:

• Ständige Vibration
• Thermisches Zyklieren
• Anforderungen an eine lange Lebensdauer

Telekommunikationsgeräte

Leiterplatten mit hoher Dichte sind für die Signalübertragung auf Tausende von Durchkontaktierungen angewiesen.

Leistungselektronik

Anwendungen mit hohen Stromstärken verursachen erhebliche thermische Belastungen.

Weiterführende Literatur: Leistungselektronik-Leiterplattenentwurf für Elektrofahrzeuge

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Aufgrund der rauen Einsatzbedingungen sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit extrem hoch.

FAQ

Schlussfolgerung

Ausfälle von Durchkontaktierungen gehören zu den größten Zuverlässigkeitsproblemen bei mehrschichtigen Leiterplatten.

Zu den häufigen Ausfallursachen gehören:

• Risse im Lauf
• Eckenrisse
• Durch Trennung
• Beschichtungsfehler
• Ermüdung von Microvias

Durch eine sorgfältige Konstruktion, die richtige Materialauswahl, Prozesskontrolle und Zuverlässigkeitsprüfungen können Hersteller die Leistung erheblich verbessern und die Lebensdauer ihrer Produkte verlängern.