Leiterplattenausfälle

Der folgende Bericht basiert auszugsweise und in grober Form auf einer bisher unveröffentlichten Studie im Auftrag eines Automobilherstellers, in der die Gründe der stetig steigenden Leiterplattenausfälle untersucht wurden.

Seit Umstellung der Leiterplatten auf bleifreie Oberflächen sind die Ausfälle sprunghaft angestiegen.

Ein Multilayer, oder durchkontaktierte Leiterplatte die bei der Auslieferung noch in Ordnung war, kann sogar bei kurzzeitigem Betrieb schon ausfallen.

Noch schlimmer sind dann die Langzeitausfälle vor allem bei rauen

Betriebsbedingungen. Das liegt in der Regel nicht an den Leiterbahnen, sondern an den durchkontaktierten Bohrungen, die Ober- und Unterseite sowie die Innenlagen bei Multilayern elektrisch verbinden. Die Metallisierung der Bohrungen erfolgt auf galvanischem Weg. Hierbei wird die Lochwand der Bohrungen je nach Anforderung mit ca. 20 -30µm Kupfer beschichtet. Da sich das reine Kupfer nur sehr schwer löten lässt, wird dieses noch veredelt. Dies geschieht heute überwiegend auf chemischem Weg mit chem. Silber, chem. Nickel-Gold, oder chem. Zinn.

Damit nun diese chemische Schicht auch haftet, müssen die Kupferflächen aufgeraut werden. Das geschieht in einem chemischen Anätzbad. Da die Kupferhülsen in den Bohrungen bedingt durch die Glasfaserstruktur schon eine raue Oberfläche haben greift hier das Ätzmittel besonders stark. Außerdem ist die Kupferstärke nicht gleichmäßig dick, sondern nimmt zur Mitte der Bohrungen hin ab. Dieses ist auch abhängig von der gesamten Leiterplattenstärke. Es kann gewissermaßen dazu führen, dass nach dem Anätzen nur noch ein Hauch Kupfer in den Bohrungen verbleibt. Ganz fatal wird es, wenn chemische Veredelung fehlgeschlagen ist und wiederholt werden muss.

Dies geschieht gerade bei chem. Zinn recht häufig. Man kann sich nun vorstellen. was von den ohnehin dünnen Kupferhülsen in den Bohrungen nach zweimaligem Anätzen noch übrig bleibt. Dadurch ist praktisch ein späterer Ausfall schon vorprogrammiert.

Ein weiterer Grund für die häufigen Ausfälle ist auf die heute sehr weit verbreitete chem. Zinnoberfläche zurück zu führen. Dieses Zinn bildet auf Kupfer keine Sperrschicht und reagiert praktisch schon sofort nach der Beschichtung. Das Zinn diffundiert in das Kupfer und bildet eine Oxidschicht. Deswegen versucht man das Kupfer mit einer Nanometallschicht zu schützen. Dadurch lässt sich der Diffusionsprozess über für eine Zeit verzögern. Oft ist aber die Nanometallschicht besonders an den rauen Hülsenwänden der Bohrungen nicht geschlossen, sodass hier die Diffundierung beginnt. Hat dieser Prozess einmal begonnen ist er auch nicht mehr zu stoppen, bis die komplette Fläche in eine Oxidschicht umgewandelt ist. Diese Schicht ist absolut nicht mehr lötbar. Wenn die Oxidierung im Innern der Bohrung schon begonnen hat, lässt sich zwar das Bauteil oben und unten noch gut verlöten, es hat aber keine richtig leitende Verbindung mehr mit der inneren Hülse.

Die Oxidierung wächst sogar weiter nach außen bis das komplette Lötpad umgewandelt ist und die Verbindung aufreißt. Somit ist die Schaltung an dieser Stelle defekt. Oft sind von der Oxidierung nur einzelne Pads betroffen was allerdings schon zum Versagen der Schaltung ausreicht. Feuchtigkeit und wechselnde Temperaturen beschleunigen den Diffusions- und Oxidierungsprozess ganz erheblich und führt zu zeitweise thermisch bedingten Ausfällen.