Die Richtlinie IPC-TM-650 definiert Verwölbung und Verwindung.

Verwölbung (Nutzen oder Leiterplatte): Die Abweichung von der Ebenheit einer Leiterplatte, die durch eine annähernd zylindrische oder kugelförmige Krümmung gekennzeichnet ist, so dass bei einem rechteckigen Produkt die vier Ecken in derselben Ebene liegen.”

Verwindung: Die Verformung einer rechteckigen Leiterplatte oder eines Nutzens, die parallel zu einer Diagonale über ihre Oberfläche verläuft, so dass eine der Ecken der Platte nicht in der Ebene liegt, in der die anderen drei Ecken liegen.”

Diese Definitionen gelten für Nutzen oder einzelne Leiterplatten. Wir verwenden hier den Begriff “Leiterplatte” für Nutzen.


A26-DE-Verwölbung und Verwindung-diagram

Verwölbung und Verwindung einer Leiterplatte gegen eine Bezugsebene


Der IPC legt in der IPC-6012 auch die Akzeptanzkriterien fest: “Maximale Biegung und Verdrehung von 0,75% für Leiterplatten mit SMD-Bauteilen und 1,5% für alle anderen Leiterplatten”. In der Richtlinie ist hinzugefügt, dass die “Endprodukte” in “gelieferter Form” bewertet werden sollten. Das bedeutet, dass die Messungen für die Annahmekriterien nach Abschluss aller Herstellungs- und Montageschritte durchgeführt werden. Für kompliziertere Fälle, wie z.B. für unregelmäßig geformte Leiterplatten, schlägt die IPC AABUS vor: wie zwischen Kunde und Lieferant vereinbart.

Warum ist die Planarität von Leiterplatten wichtig ist

Bei der Herstellung kann jede Abweichung der Planarität Bestückungsfehler bei der Bauteilemontage veursachen.
Bei der Bauteilebestückung ist die Ebenheit der Leiterplatte wichtig für das exakte Auftragen der Lotpaste, den automatischen Transport der Leiterplatte in der Fertigungslinie und die Montage der Bauteile. Man kann sich leicht vorstellen, dass jede Verzerrung, wie z.B. eine Verwölbung oder Verdrehung der Leiterplatte kleine, aber folgenschwere Ausrichtungsfehler verursacht, wenn wir winzige Bauteile der Baugröße 0402 löten wollen. Oder die Leiterplatte könnte sich in einem Transportband oder einer Be- oder Entladevorrichtung verfangen und die Linie blockieren.

In der Montage könnten Verwölbung und Verwindung den Einbau der Leiterplatte in ein Gehäuse oder das Anbringen von Befestigungselementen wie Schrauben erschweren oder in extremen Fällen sogar unmöglich machen.


A26-DE-Messen des Bogens gegen eine flache Bezugsebene-diagram

Messen des Bogens gegen eine flache Bezugsebene mit einer Fühlerlehre (Metallstreifen mit definierten Dicken)

Verwölbung und Verwindung messen

Die folgenden Verfahren und Berechnungen basieren auf IPC-TM-650.

Um die Verwölbung zu messen, müssen wir zunächst den maximal zulässigen Abstand für die Länge und Breite der zu messenden Leiterplatte berechnen:

  • RL = L x B / 100
  • RW = W x B / 100

Dabei sind RL and RW die maximalen Wölbungsabstände für L und W, die Länge und Breite der Leiterplatte, und B ist der maximal zulässige Wölbungsanteil. Angenommen, unsere Leiterplatte ist 200 x 300 mm (L x B) groß und hat SMD-Bauteile (B = 0,75%), dann haben wir:

RL = 200 x 0,75 / 100 = 1,5 mm
RW = 300 x 0,75 / 100 = 2,25 mm

In diesem Fall sollte der maximale Abstand zwischen dem schlechtesten Punkt des Bogens und der Bezugsebene, auf der die Leiterplatte gemessen wird, weniger als 1,5 bzw. 2,25 mm entlang der Längs- bzw. Breitenkante betragen. Wenn wir nun den Prozentsatz der gemessenen Wölbung ermitteln wollen, können wir die Formel umstellen. Nehmen wir an, dass der gemessene Bogenabstand in der Länge 1,4 mm beträgt, so ergibt sich

BL-MEASURED = RL-MEASURED / L * 100 = 1,4 / 200 * 100 = 0,7%


A26-DE-Messen des Bogens gegen eine flache Bezugsebene-diagram

Messen des Bogens gegen eine flache Bezugsebene mit einer Fühlerlehre


Die Messung des maximalen Abstands der Verdrehung ist ähnlich, aber in diesem Fall verwenden wir die diagonale Länge:

R = 2 * D * T / 100

Dabei ist D die Diagonale der Leiterplatte und T die maximal zulässige Verdrehung in Prozent. Der Faktor 2 verdoppelt den zulässigen Abstand, da wir eine der Ecken einschränken.
Mit den gleichen Parametern, die wir zur Berechnung der Wölbung verwendet haben, ergibt sich also:

R = 2 * √(2002 + 3002) * 0,75 / 100 = 5,4 mm

Um den Prozentsatz einer Messung zu ermitteln, gehen wir wie folgt vor:

TMEASURED = RMEASURED * 100 / 2 / D

Bei einer gemessenen Verdrehung von 4 mm erhalten wir also:

TMEASURED = 4 * 100 / 2 / √(2002 + 3002) = 0,55%

Damit diese Methode genau ist, müssen drei der vier Ecken der Leiterplatte die Bezugsebene berühren, wobei nur eine von ihnen physisch gedrückt wird. Kann dies nicht erreicht werden, beschreibt IPC-TM-650 eine komplexere “Schiedsrichter-Methode”, die man verwenden kann.


A26-bow-and-twist-thickness-measuring-tool-set

Mit der Fühlerlehre lässt sich die Höhe von Zwischenräumen ermitteln

Verwölbung und Verwindung der Leiterplatte minimieren

Verzug entsteht durch ein Ungleichgewicht oder eine Asymmetrie der Materialien, wenn der Stapel erhitzt und abgekühlt wird (während des Pressens, Ätzens, Galvanisierens, Ätzens, Auftragens der Lötstoppmaske usw.). Für diese Art von Ungleichgewicht gibt es zwei Hauptursachen. Erstens, wenn die Kupferverteilung auf der Leiterplatte nicht gut ist, und zweitens, wenn die Leiterplattenschichten nicht symmetrisch – in Anzahl und Dicke – über und unter der horizontalen Mitte der Leiterplatte liegen. In beiden Fällen schrumpfen und dehnen sich die Materialien unterschiedlich schnell aus, was zu Krümmungen und Verdrehungen führt.

Um diese Probleme zu vermeiden, sollte das Kupfer so gleichmäßig wie möglich auf allen Lagen verteilt sein. Im Zweifelsfall ist es immer eine gute Idee, den Leiterplattenhersteller zu befragen, ob diese Verteilung für die Fertigung geeignet ist. Wenn es für die Anwendung nicht entscheidend ist, sollten Designer immer einen symmetrischen Lagenaufbau sowohl in der Anzahl als auch in der Dicke wählen (außer natürlich bei einlagigen Leiterplatten).


A26-Bow-on-a-PCB

Messung der Verwölbung auf einer Leiterplatte

Schließlich sind auch die vom Hersteller verwendeten Materialien und Fertigungsprozesse entscheidend, um Verdrehungen so klein wie möglich zu halten. Geeignete Basismaterialien sollten für jeden Aufbau aus einer Quelle stammen. Die fertiger sollten horizontale Öfen verwenden und die Leiterplatten auf einer horizontalen Fläche abkühlen lassen. Zudem sollten die Fertiger in der Lage sein, die Leiterplatten bei Bedarf korrekt zu richten (durch langsames Erhitzen und Abkühlen der Leiterplatten unter Gewicht). Während der Montage sollten die Leiterplatten trocken sein, und Wärmeschocks müssen durch die Verwendung geeigneter Lötprofile vermieden werden.

Messung der Verwölbung und Verwindung bei Eurocircuits

Bei der Messung von Verwölbungen und Verwindungen folgen wir den oben beschriebenen Methoden und halten uns an die zulässigen Toleranzen, wie sie im Dokument IPC-TM-650 definiert sind.

Alle von uns gelieferten Leiterplatten sind in jeder Hinsicht symmetrisch in Bezug auf die horizontale Mitte (mit Ausnahme der von Natur aus asymmetrischen einlagigen Platten). Die in unserem PCB Visualizer integrierte Galvano-Simulation kann die Kupferverteilung auf der Leiterplatte anzeigen. Anhand dieser Informationen kann der Designer die Kupferverteilung ausbalancieren. So lassen sich mögliche Verbiegungen und Verdrehungen klein halten. Darüber hinaus haben wir unsere Fertigungsprozesse und -verfahren optimiert, um Verwölbungen und Verwindungen so gering wie möglich zu halten.