Leiterplatten-Design So steigern Sie die Haltekraft von Lötverbindungen

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Bei einem fahrbaren Medizintechnik-Gerät löste sich der Steckverbinder der Stromversorgung von der Platine. In diesem Design-Tipp erkläre ich Ihnen, wie Sie dieses Problem ohne merkliche Mehrkosten lösen können

Ein Hersteller eines fahrbaren Medizingeräts hatte das Problem, dass sich der Steckverbinder der Stromversorgung immer wieder von der Platine löste. Der Grund: Der von ihm verwendete Netzanschluss (DC Power Jack) war in der obersten Geräteeinheit angebracht (Bild 1). Sowohl das daran angeschlossene Kabel als auch alle Kabel der darunterliegenden Mess- und Analysemodule wurden auf der Geräterückseite zusammengeführt und in einem Strang nach unten geführt.

Das Gewicht dieser freischwingenden Masse wirkte schließlich wie ein Hebel auf die DC-Buchse, welche dieser auftretenden Kraft nicht standhalten konnte. Allerdings löste sich dadurch nicht der Steckverbindung von der Lötstelle, sondern die Lötpads der Leiterplatte.

Bildergalerie

Um die auf den Buchse einwirkende Kraft zu verringern, wäre die einfachste Lösung gewesen, die Stromversorgungseinheit weiter unten im Gerät zu platzieren. Aus Design-technischen Gründen war dies jedoch keine Option. Da sich auch das Gewicht des Kabelstrangs nicht reduzieren ließ, musste ein Weg gefunden werden, die Haltekraft der Lötstelle zu erhöhen.

Zunächst ermittelten die Ingenieure von Würth Elek­tronik die Abreißkraft, die notwendig ist, um die DC-Netzbuchse im Original-Layout von der Leiterplatte zu lösen. Ein Zugversuch simulierte hierbei die Hebelwirkung auf den DC-Steckverbinder, woraus sich eine Abreißkraft von 167,8 N ergab.

Schwachstelle Verbindungsmaterial

Das Verbindungsmaterial als Schwachstelle zu vermuten war naheliegend, da auch Lötpasten Qualitätsschwankungen unterliegen können. Tatsächlich erhöhte die Bestückung mittels SMT-Kleber die Abreißkraft auf ca. 600 N. Betrachtet man den Verlauf der Zugbelastung jedoch genauer, zeigt sich, dass lediglich der Kleber zu einem späteren Zeitpunkt bricht. Die Lötstelle aber reißt beim gleichen Kraftaufwand wie beim Original-Layout. Eine elektrische Anbindung ist bereits ab diesem Zeitpunkt nicht mehr gegeben.

Da ein Materialwechsel nicht zum gewünschten Erfolg führte, wurde in der nächsten Versuchsreihe untersucht, ob ein Austausch der Bestückungstechnologie die mechanische Stabilität der Verbindung erhöhen konnte. Sämtliche Versuche mit aufgekupferten Durchkontaktierungen sowohl neben (163,6 N), am Rande (154,7 N bei vier Vias am Pad / 127,9 N bei acht Vias am Pad) und auch im Lötpad (145,7 N) lieferten durchweg schlechtere Ergebnisse im Zugversuch. Durchgangsbohrungen auf der Platine und die zugehörigen Innenbeschichtungen hätten darüber hinaus für den Hersteller auch zusätzliche Kosten für jede Leiterplatte verursacht.

Lötfläche vergrößern

Und so blieb nur noch die Möglichkeit, die Lötfläche zu vergrößern. Genauer gesagt: den Umfang des Lötpads. Mehrere kleine Kreise zum Lötpad hinzuzufügen, hatte trotz der Erhöhung auf acht Kontaktpunkte nur einen geringen Effekt einer Stabilitätsverbesserung: Mit 205,3 N war die Abreißkraft nur etwas höher als die des Original-Layouts.

Nicht nur, dass die kleinen Kreise den Gesamtumfang des Pads nur geringfügig vergrößerten. Sie eliminierten auch nicht die rechtwinkligen Außenecken des Lötpads, die allgemein als Schwachstelle bei der SMT-Bestückung bekannt sind. Genau diese Eckpunkte nahmen die Ingenieure nun als Mittelpunkt für insgesamt vier Kreise, die dem ursprünglichen Lötpad hinzugefügt wurden (Bilder 2 und 3).

Mit dem so deutlich erhöhten Gesamtumfang des Pads mussten beim Zugversuch mindestens 233,1 N aufgebracht werden, um den DC Power Jack von der Platine zu lösen.

Diesen Vorschlag für das Leiterplatten-Design hat der Kunde am Ende auch übernommen. Nicht nur, weil die um fast 40 Prozent höhere Haltekraft für das Gewicht des Kabelstrangs ausreichend ist. Vor allem auch, weil die Lösung nur eine einmalige, einfache Änderung der Leiterplatte sowie der Leiterplattenschablone erfordert, die ohne gravierende Mehrkosten realisiert werden kann. (kr)

* Andreas Aigner ist Applikationsingenieur bei Würth Elektronik EiSos in Waldenburg.

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