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Verwindung und Verwölbung bei Leiterplatten

by Jan Pedersen, Director of Technology

Verwindung und Verwölbung (engl. bow and twist) sind zwei Arten von Verformungen, die bei Leiterplatten auftreten können. Bei einer Verwölbung handelt es sich um eine nach oben oder unten gerichtete Kurve im mittleren Teil der Leiterplatte. Man kann sich das wie eine leichte Beule oder einen Bogen in der Mitte der Leiterplatte vorstellen. Verwindung bedeutet, dass eine Ecke höher oder tiefer liegt als die anderen Ecken der Leiterplatte.

Die Entwicklung neuer Bauteile hat immer wieder als Katalysator gewirkt und die Leiterplattentechnologie zu neuen Bestrebungen angetrieben. Kleinere und feinere Grundflächen von SMT-Bauteilen stellen die Leiterplattenhersteller vor die Herausforderung, eine hohe Schaltungsdichte, höhere Leiterbildgenauigkeit und verbesserte Oberflächenebenheit zu erreichen. Manchmal wird die Leiterplatte selbst zu einem SMT-Bauteil, das auf eine größere Leiterplatte gelötet werden soll, was die Anforderungen weiter verschärft.

Die Anforderungen an die Bauteile oder die Tatsache, dass die Leiterplatte selbst zu einem SMT-Bauteil wird, führen zu der Herausforderung, sowohl die Ebenheit zu verbessern als auch Verwindung und Verwölbung während oder nach der Montage zu vermeiden. Diese Herausforderung hat uns dazu veranlasst, das “Bow and Twist Management” einzuführen.

Wie bereits erwähnt, bezieht sich “Bow and Twist” im Zusammenhang mit der Herstellung von Leiterplatten (PCB) auf zwei Arten von Verformungen, die bei einer Leiterplatte auftreten können.

Sowohl Verwindung als auch Verwölbung können sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit einer Leiterplatte auswirken, so dass die Hersteller ihre Leiterplatten möglichst perfekt plan herstellen wollen.

PCB bow and twist illustration | NCAb Group
Verwindung und Verwölbung gegen eine plane Bezugsebene.

Die Entwicklung von HDI-Leiterplatten und die Verwendung immer kleinerer SMT-Komponenten haben zu erheblichen Herausforderungen bei der Bewältigung von Verwindung und Verwölbung in Leiterplatten geführt. In diesem Blog werden die Ursachen für intrinsische und extrinsische Verwindung und Verwölbung untersucht, verschiedene Faktoren, die zu diesen Problemen beitragen, umrissen und Einblicke in Strategien zur Verbesserung der Ebenheit und der Gesamtleistung von Leiterplatten gegeben.

Verwindung und Verwölbung verstehen – Intrinsische und extrinsische Verwindung und Verwölbung

Das Konzept der Verwindung und Verwölbung von Leiterplatten umfasst intrinsische und extrinsische Faktoren, die sich auf die Ebenheit und Leistung der Leiterplatte auswirken.

Wir können die Ursachen für Verwindung und Verwölbung in zwei Gruppen unterteilen: Intrinsische und extrinsische Verwindung und Verwölbung. Intrinsische Verwindungen und Verwölbungen wurden vor oder während der Laminierungsschritte in die Leiterplatte eingebracht, und es gibt keine Korrekturmaßnahmen mit dauerhafter Wirkung. Extrinsische Verformung und Verdrehung wurden nach der Aushärtung des Laminats verursacht, und es können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden.

Es gibt verschiedene Gründe für extrinsische und intrinsische Verwindung und Verwölbung. Im Folgenden sind einige Beispiele aufgeführt, die zeigen, wie Produktion, Layout und Zusammensetzung sowie äußere Kräfte und Prozesse die Anfälligkeit einer Platte für Verwindung und Verwölbung beeinflussen können:

Produktionsbedingte, intrinsische Gründe:

  • Störung der Laminierpresse
  • Kreuzverlegung von Prepreg oder Innenlagen – Kett- und Schussrichtung müssen übereinstimmen
  • Falscher Lagenaufbau des Glasgewebes (Prepreg oder Kerne)
  • Fehlende oder zusätzliche Lage Prepreg
  • Verzerrung des Gewebes (Kerne oder Prepreg)
  • Nicht voll ausgehärtete Innenlagen

Konstruktionsbedingte intrinsische Gründe:

  • Asymmetrischer Aufbau (Prepreg und/oder Kerne)
  • Unausgewogene Kupferverteilung
    • Lage zu Lage
    • Innerhalb der Lagen
  • Kernaufbau
  • Die Kupferverteilung im Nutzenrand entspricht nicht den einzelnen Lagen.

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Das Design des Kupferrasters im Nutzenrand sollte die Kupferverteilung der einzelnen Lagen nachbilden. Wenn der Nutzenrand eine perfekte Kupferverteilung aufweist, verhält er sich anders als die Leiterplatte und kann Spannungen verursachen, insbesondere wenn die Leiterplatte vom Nutzenrand getrennt wird.

Externe Gründe, die mit der äußeren Einflüssen zusammenhängen:

  • Mechanische Verformung
  • Handhabung
  • Hitze während der Aushärtung der Lötstoppmaske oder der Beschriftung.
  • HASL-Verfahren
  • Leiterplattenbestückung

Testverfahren zu Verwindung und Verwölbung

Der Leiterplattenhersteller muss während des Produktionsprozesses Tests durchführen, um intrinsische Verwindung und Verwölbung zu verhindern. Wenn die Leiterplatte mit übermäßiger Verwindung und Verwölbung beim Kunden eintrifft, ist es wichtig zu prüfen, ob die Grundursache intrinsisch oder extrinsisch ist. Wir empfehlen das nachfolgende Verfahren:

  1. Messen Sie Verwindung und Verwölbung nach IPC TM650 2.4.22
  2. Backen Sie die Leiterplatten 20 Minuten lang bei einer Temperatur, die 10 Grad über der Tg des Materials liegt. Legen Sie diese dabei flach nebeneinander, ohne sie zu drücken oder zu berühren.
  3. Lassen Sie die Leiterplatten bei geschlossener Ofentür um 1 Grad pro Minute auf Raumtemperatur abkühlen.
  4. Messen Sie die Verwindung und Verwölbung erneut nach IPC TM650 2.4.22
  5. Das Delta von Verwindung und Verwölbung ist nun der Grad der intrinsischen und extrinsischen Mischung.
    • Wenn die Leiterplatten völlig flach werden, ist die Ursache rein extrinsisch.
    • Wenn die Leiterplatten gleich bleiben, ist die Ursache rein intrinsisch.
    • Alles dazwischen ist eine Mischung.

Verwindung und Verwölbung verbessern

Wenn wir uns mit Verwindungs- und Verwölbungsproblemen befassen, die über die normalen Toleranzen hinausgehen, müssen wir die zugrundeliegenden Ursachen untersuchen und sowohl Design- als auch Produktionsaspekte, die sich auf die Qualität auswirken könnten, feinabstimmen. Zunächst müssen wir sicherstellen, dass alle relevanten Produktionsprozesse in Ordnung sind. Anschließend müssen wir mögliche Verbesserungen im Produktionsprozess prüfen, die die Ergebnisse über die normalen Erwartungen hinaus steigern könnten.

Laminierungsprozess

Der Laminierungsprozess wird in der Regel so abgestimmt, dass er kosteneffizient ist und dennoch die vorgegebenen Toleranzen einhält. Der Presszyklus kann durch verlängerte Prozesszeiten verbessert werden, um eine bessere Qualität zu erzielen.

Illustration einer Laminieranlage. Beim Laminierungsprozess wird eine Kombination aus spezifischer Temperatur und Druck für eine bestimmte Zeit eingesetzt, damit das Harz im Prepreg zerfließt und die Schichten miteinander verbindet und eine starre Multilayer-Platte entsteht.

Prepreg und Innenkerne

Die Auswahl des Prepregs ist ein Kompromiss zwischen den Spezifikationen des Kunden und der optimalen Wahl für beste Ergebnisse. Um eine bessere Stabilität zu erreichen, muss der Aufbau 100 % symmetrisch sein und die robustesten Prepregs und Kernkonstruktionen gewählt werden. Das Ergebnis wird sich im Regelfall auf die Impedanz auswirken, die somit vorab neu berechnet werden muss.

Kupferverteilung

Die Kupferverteilung muss innerhalb jeder Lage optimiert und innerhalb des Aufbaus aufeinander abgestimmt werden. Der Aufbau muss symmetrisch sein, und alle Lagenpaare auf jeder Seite des Aufbauzentrums sollten die gleiche Kupferstärke aufweisen.

Bereiche mit niedrigem Verpressdruck

Viele Designs mit einer hohen Lagenzahl haben die Tendenz zu Niederdruckbereichen. Dies kann durch das Hinzufügen von Dummy-Pads oder kreuzschraffiertem Kupfer vermieden werden.

Geteilte Masseflächen

Viele Leiterplattendesigns haben sogenannte geteilte Masseflächen, die als Biegeindikator dienen können, insbesondere dann, wenn das gleiche Leiterbild in mehr als einer Lage durch den Aufbau hindurch vorhanden ist.

Nutzenränder

Der Nutzenrand ist vielleicht die am meisten vernachlässigte Ursache für Verwindung und Verwölbung. Für die Zuverlässigkeit der Leiterplatte ist es wichtig, dass das Kupferbild auf jeder Lage des Nutzenrands dem Kupferbild der Leiterplatte selbst entspricht.

Die Steuerung von Verwindung und Verwölbung zur Leistungsoptimierung ist eine komplexe Aufgabe, die alle zuvor genannten Aspekte umfasst. Um herauszufinden, welche Maßnahmen die gewünschte Wirkung erzielen, sind möglicherweise mehrere Probeläufe erforderlich. Außerdem können während des Löt- und Bestückungsprozesses verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die Ebenheit der Leiterplatte zu verbessern.

Mit der Unterstützung unserer erfahrenen Fabriken verfügen wir über das nötige Fachwissen und die Kenntnisse Sie auf dem Weg zu besseren Ergebnissen zu begleiten. Wenn Sie Hilfe benötigen, wenden Sie sich bitte an Ihren zuständigen Vertriebsmitarbeiter, der die Unterstützung durch einen unserer Techniker koordinieren wird.

PCB design guidelines | NCAB Group

PCB-Design-Richtlinien

Machen Sie von Anfang an alles richtig mit unseren Design Rules für das PCB-Design. Um zu verhindern, dass direkt zu Beginn etwas schief geht, haben wir unsere Design Rules als Checkliste zusammengestellt.