Ist Ihr Lieblingsgerät schon einmal plötzlich nicht mehr funktionsfähig? Das liegt möglicherweise an einem Kurzschluss in der Leiterplatte. Von Smartphones bis hin zu Haushaltsgeräten – bei den meisten elektronischen Geräten ist das der Fall!
Berichten der Electrical Safety Foundation International (ESFI) zufolge verursachen elektrische Probleme, darunter Kurzschlüsse, in den USA jährlich etwa 51,000 Hausbrände. Solche Probleme gefährden sowohl unsere Sicherheit als auch unseren Komfort und machen dieses Problem ernster, als wir denken.
Um Ihnen das zu ersparen, erklären wir Ihnen die Grundlagen von PCB-Kurzschlüssen. In diesem Leitfaden untersuchen wir die Ursachen des Kurzschlusses und wie Sie ihn finden. Darüber hinaus bieten wir Ihnen Expertenrat und leicht verständliche Lösungen, um diese Probleme zu beheben und zu vermeiden. Los geht‘s!
Was ist ein PCB-Kurzschluss?
Ein PCB-Kurzschluss ist eine versehentliche Verbindung zwischen zwei oder mehr Punkten auf einer Leiterplatte. Ein Kurzschluss entsteht in der Regel, wenn die Punkte nicht elektrisch verbunden sind.
Nun, es beruht nur teilweise darauf. Es kann auch verschiedene andere Gründe haben. Zum Beispiel Fehler bei der Herstellung, Designprobleme, körperliche Schäden oder nicht richtig funktionierende Teile.
Zum besseren Verständnis folgt hier eine Aufschlüsselung dessen, was genau bei einem PCB-Kurzschluss passiert:
1. Unbeabsichtigte Verbindung: Eine Leiterplatte besteht aus verschiedenen elektronischen Bauteilen und Kupferbahnen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Werden diese Bahnen versehentlich verbunden, entsteht ein neuer Strompfad, was zu einem Kurzschluss führt.
2. Übermäßiger Stromfluss: Ein Kurzschluss führt oft zu einem drastischen Anstieg des elektrischen Stromflusses. Da der kurzgeschlossene Pfad nur einen sehr geringen Widerstand bietet, umgeht der Strom seinen üblichen Weg und verursacht einen Stromstoß durch die kurzgeschlossene Verbindung.
3. Überhitzung: Dies ist einer der häufigsten Gründe. Lokale Überhitzung aufgrund des erhöhten Stromflusses kann Bauteile beschädigen. Manchmal wird die Leiterplatte selbst beschädigt oder es besteht in extremen Fällen Brandgefahr.
4. Gerätestörung: Fehlfunktionen oder der komplette Geräteausfall sind häufige Folgen von PCB-Kurzschlüssen. Beispielsweise führt ein Kurzschluss auf der Hauptplatine eines Computers zu unerwarteten Abschaltungen oder Fehlermeldungen.
5. Durchgebrannte Sicherungen: Viele Geräte verfügen über Schutzfunktionen wie Sicherungen, die einen übermäßigen Stromfluss verhindern. Fließt zu viel Strom durch den Stromkreis, verhindert die Sicherung weitere Schäden, indem sie durchbrennt und den Stromkreis unterbricht.
Anzeichen für PCB-Kurzschlüsse
Wenn Sie sich fragen, welche Anzeichen auf einen Kurzschluss auf Ihrer Leiterplatte hindeuten, sind Sie hier richtig. In diesem Abschnitt sehen wir uns einige der ersten Anzeichen an, die auf einen Kurzschluss auf der Leiterplatte folgen. Das frühzeitige Erkennen dieser Anzeichen kann helfen, das Problem schnell zu diagnostizieren und zu beheben. Lassen Sie uns also näher darauf eingehen.
1. Brennen oder Verfärbung: Wenn Sie bei genauerem Hinsehen feststellen, dass die Leiterplatte aufgrund lokaler Erhitzung und Beschädigung verbrannte oder verfärbte Stellen aufweist, müssen Sie bedenken, dass dies eines der ersten Anzeichen für einen Kurzschluss ist.
2. Brandgeruch: Ein Kurzschluss lässt sich leicht an einem stechenden Brandgeruch erkennen, der dem Geruch von verbranntem Kunststoff ähnelt. Dieser Geruch entsteht durch die Hitze, die beim Kurzschluss entsteht.
3. Inkonsistente Funktionalität: Bei einem Kurzschluss auf der Leiterplatte kommt es häufig zu Fehlfunktionen oder ungewöhnlichem Verhalten der Geräte. Beispielsweise kann ein Gerät, das sich spontan ein- und ausschaltet oder unvorhersehbar auf Benutzerbefehle reagiert, auf einen Kurzschluss hinweisen.
Das Erkennen der Anzeichen eines PCB-Kurzschlusses ist aus verschiedenen Gründen äußerst wichtig. In erster Linie geht es um die Sicherheit. Kurzschlüsse können zu elektrischen Bränden oder Schäden an elektronischen Geräten führen und so das Wohlbefinden von Personen und Eigentum gefährden.
Darüber hinaus ist eine frühzeitige Erkennung entscheidend für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Funktionalität elektronischer Geräte. Nicht behobene Kurzschlüsse können zu Fehlfunktionen, unerwarteten Abschaltungen oder sogar zum Totalausfall führen, wichtige Betriebsabläufe stören und erhebliche Kosten verursachen.
So finden Sie einen Kurzschluss auf einer Leiterplatte
Nachdem Sie nun wissen, was genau ein PCB-Kurzschluss ist und welche Anzeichen er aufweist, wollen wir uns nun damit befassen, wie Sie ihn finden. Als Faustregel gilt, dass das Erkennen von Kurzschlüssen auf einer Leiterplatte kein Standardtest ist, der beim Testen von Prototypenplatinen durchgeführt wird.
Wenn Ihr Leiterplattenfertigungs- und -montageservice In-Circuit- oder Durchgangsprüfungen durchgeführt hat, hat er in der Regel die Konnektivität der Leiterplatte anhand der aus Ihren Designdateien abgeleiteten Netzliste bestätigt. Daher werden unbeabsichtigte Kurzschlüsse möglicherweise erst später sichtbar, wenn Sie die Platine einschalten und ihre Leistung beobachten.
Die Überprüfung einer Leiterplatte auf Kurzschlüsse kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sie erfolgt häufig über die Schnellmessung von Eingangs-/Ausgangspunkten (I/O) oder Stromnetzen.
Hier sind einige der wichtigsten Methoden zum Auffinden von Kurzschlüssen:
1. Sichtprüfung
Physische Schäden lassen sich durch genaue Sichtprüfung leicht erkennen. Optische Hinweise wie Brandflecken, Farbveränderungen oder defekte Teile können Aufschluss über einen möglichen Kurzschluss geben. So geht's:
● Richten Sie für die Sichtprüfung einen gut beleuchteten und sauberen Arbeitsplatz ein. Eine gute Beleuchtung ist für die Untersuchung kleiner Details entscheidend.
● Sicherheit geht vor! Trennen Sie unbedingt die Stromversorgung der Leiterplatte und des Geräts, in dem sie sich befindet.
● Untersuchen Sie die gesamte Oberfläche der Leiterplatte und achten Sie dabei besonders auf Ungewöhnliches, wie dunkle Bereiche (Brandflecken), verfärbte Stellen (oft braun oder schwarz) und alle Komponenten, die physisch beschädigt aussehen.
● Sie können auch eine Lupe oder ein Mikroskop verwenden, um detaillierte Schäden zu untersuchen und so nach winzigen oder feinen Rissen zu suchen.
● Wenn Ihre Leiterplatte mehrere Schichten hat, sollten Sie die inneren Schichten anhand von Durchkontaktierungen oder offenen Punkten überprüfen.
Durch eine Sichtprüfung können Sie physische Anzeichen eines Kurzschlusses erkennen, insbesondere wenn die Platine nicht richtig funktioniert.
2. Wärmebildgebung
Bei der Wärmebildgebung werden Temperaturschwankungen visualisiert, um potenzielle Kurzschlüsse auf Leiterplatten (PCBs) zu finden.
So können Sie mithilfe der Wärmebildgebung Kurzschlüsse auf Leiterplatten erkennen:
● Besorgen Sie sich eine Infrarotkamera, auch Wärmebildkamera genannt. Diese Geräte erfassen und zeigen Temperaturschwankungen auf der Leiterplattenoberfläche an.
● Schalten Sie die Wärmebildkamera ein und warten Sie, bis sie eine stabile Betriebstemperatur erreicht hat.
● Wenn die Leiterplatte nicht mit Strom versorgt wird, nehmen Sie mit Ihrer Kamera Wärmebilder auf. Diese können Sie später mit denen der defekten Leiterplatte vergleichen.
● Schalten Sie Ihre Leiterplatte ein und erfassen Sie Bilder in Echtzeit. Achten Sie besonders auf Bereiche, in denen Sie aufgrund früherer Beobachtungen oder Tests einen Kurzschluss vermuten.
● Vergleichen Sie die Echtzeit-Wärmebilder mit den Basisbildern, die bei ausgeschalteter Leiterplatte aufgenommen wurden. Untersuchen Sie die Fotos genau auf deutlich wärmere Stellen, sogenannte „Hotspots“, als die umliegenden Teile oder Leiterbahnen.
● Analysieren Sie die Wärmebilder auf Hotspots. Dies sind Bereiche, die deutlich wärmer erscheinen als die umgebenden Komponenten oder Leiterbahnen.
● Vergleichen Sie die Echtzeit-Wärmebilder mit den Basisbildern, die aufgenommen wurden, als die Leiterplatte ausgeschaltet war.
3. Röntgeninspektion
Bei mehrschichtigen Leiterplatten reicht eine Sichtprüfung möglicherweise nicht aus, um den Kurzschluss zu finden. In solchen Fällen kann eine Röntgenprüfung helfen, mögliche Ursachen zu identifizieren.
Bei dieser Methode wird Röntgentechnologie eingesetzt, um durch die Schichten einer Leiterplatte zu sehen und mögliche Probleme zu finden, ohne die Platine auseinanderzunehmen.
● Bevor Sie beginnen, überprüfen Sie die Röntgenprüfausrüstung, einschließlich Röntgengenerator und digitalem Detektor, um sicherzustellen, dass sie richtig eingerichtet ist und funktioniert.
● Halten Sie beim Umgang mit Röntgengeräten strenge Sicherheitsprotokolle ein, um eine Strahlenbelastung zu vermeiden.
● Legen Sie die Leiterplatte auf die Inspektionsplattform, um sie aus verschiedenen Winkeln zu betrachten. Auf diese Weise erhalten Sie einen vollständigen Überblick über die inneren Schichten.
● Starten Sie den Röntgenprozess, indem Sie die Röntgenstrahlen durch die Leiterplatte leiten. Dadurch entsteht aufgrund unterschiedlicher Materialdichte ein Kontrast in den Röntgenbildern.
● Ein digitaler Detektor hilft dabei, Röntgenbilder aus mehreren Winkeln aufzunehmen und so eine detaillierte Ansicht der inneren Struktur der Leiterplatte zu erhalten.
● Analysieren Sie die Röntgenbilder und suchen Sie nach unbeabsichtigten Verbindungen oder Brücken zwischen leitfähigen Spuren oder Schichten, um Kurzschlüsse zu finden.
4. Zerstörende Prüfung
Wenn die vorherigen Methoden keine Ergebnisse liefern, müssen Sie zur letzten Option wechseln und Ihre Platine physisch ausbauen, um mögliche Schäden zu finden. Im Gegensatz zu zerstörungsfreien Prüfmethoden, die darauf abzielen, Probleme zu identifizieren, ohne die Leiterplatte zu beschädigen, erfordert die zerstörende Prüfung die Demontage der Leiterplatte, um auf ihre internen Komponenten zuzugreifen und Tests durchzuführen, die die Platine irreversibel verändern oder beschädigen können.
Der Hauptzweck der zerstörenden Prüfung besteht darin, den genauen Ort und die Ursache eines Kurzschlusses zu ermitteln, vor allem wenn andere zerstörungsfreie Methoden wie Sichtprüfung oder Wärmebildgebung keine eindeutigen Ergebnisse geliefert haben.
Für diesen Test entfernen Sie zunächst jedes Bauteil einzeln und führen Multimetertests an den freiliegenden Pads durch. Dies ist eine intensive Testform und sollte nur als letztes Mittel eingesetzt werden, wenn alle anderen Optionen ausgeschöpft wurden. Sobald der Kurzschluss identifiziert und das fehlerhafte Bauteil lokalisiert ist, kann es ausgetauscht oder repariert werden, um das Problem zu beheben.
Mithilfe einer zerstörenden Prüfung können Sie feststellen, welche Komponenten defekt sind und den Kurzschluss verursachen. Obwohl die Multimeterprüfung möglicherweise nicht alle Probleme eines Elements erkennt, ist sie eine hervorragende Methode, um die problematische Komponente zu finden und auszutauschen, um zukünftige Kurzschlüsse zu vermeiden.
Was verursacht Kurzschlüsse in Leiterplatten
Hier sind einige der häufigsten Gründe, die einen Kurzschluss auf der Leiterplatte verursachen.
1. Externe Kontamination
Kurzschlüsse entstehen häufig durch äußere Verunreinigungen nach längerem Betrieb in der vorgesehenen Umgebung einer Platine. Es ist auch möglich, dass eine Platine während der Montage mit Substanzen in Kontakt kommt, die aufgrund eines Kurzschlusses versagen. Zu den Ursachen für Kurzschlüsse gehören:
● Unzureichende Reinigung, auch durch Flussmittelrückstände
● Die Ansammlung von Salzen nach Kontakt mit Wasser
● Kontakt mit leitfähigem Staub oder Metallfragmenten
● Wachstum von Kupferdendriten zwischen eng beieinander liegenden Leitern
Das Abschirmen einer Leiterplatte vor Feuchtigkeit und Schmutz durch die Unterbringung in einem wasserdichten Gehäuse schützt sie möglicherweise nicht vor Kurzschlüssen durch No-Clean-Flussmittelrückstände. Diese Rückstände besitzen eine gewisse Leitfähigkeit und können mit der Zeit an Leitfähigkeit zunehmen.
2. Internes CAF-Wachstum
Das Wachstum von leitfähigem anodischem Filament (CAF) ist eine häufige Ursache für Kurzschlüsse in Leiterplatten. Dies liegt daran, dass nach der Herstellung der Leiterplatte normalerweise keine Verunreinigungen in das Innere der Leiterplatte gelangen. Elektrochemische Reaktionen in den inneren Schichten können jedoch Kurzschlüsse verursachen. Kurz gesagt handelt es sich um ein Phänomen, das in den inneren Schichten einer Leiterplatte auftritt und zu unbeabsichtigten Verbindungen zwischen Leiterbahnen oder Schichten führen kann.
Im Laufe der Zeit führen elektrochemische Reaktionen in den inneren Schichten der Leiterplatte, die oft durch Faktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur und elektrische Vorspannung beeinflusst werden, zur Bildung leitfähiger anodischer Filamente. Diese Filamente stellen winzige Leiterbahnen dar, die die Glasfaserbündel im Leiterplattenlaminat verbinden.
Um CAF-bedingte Kurzschlüsse zu vermeiden, müssen Sie daher verschiedene Maßnahmen ergreifen, um das Vorhandensein leitfähiger Verunreinigungen zu minimieren, eine ordnungsgemäße Isolierung sicherzustellen und Leiterplatten so zu gestalten, dass die Wahrscheinlichkeit einer Filamentbildung verringert wird. Diese Vorsichtsmaßnahmen sind unerlässlich, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit elektronischer Geräte und Systeme zu verbessern.
3. Schmutzige/große Lötpastenschablonen und Fehlausrichtung
Bei der Herstellung einer Leiterplatte wird Lötpaste auf Bauteil-Pads und -Lötlöcher aufgetragen. Anschließend wird das Design in eine Wellen-/Reflow-Lötanlage eingelegt, wodurch die Lötpaste schmilzt und die elektrische Verbindung zwischen den Bauteilen und der Leiterplatte hergestellt wird. Eine Fehlausrichtung beim Auftragen der Lötpaste auf einen Bauteilanschluss kann einen Kurzschluss zwischen zwei Anschlüssen eines Bauteils verursachen. Die Fehlausrichtung kann dazu führen, dass Anschlüsse benachbarte Pads verbinden oder das Lot eine Brücke zwischen zwei Anschlüssen bildet.
Die Größe des PCB-Pads stimmt möglicherweise mit der Schablone überein, die zum Auftragen der Lötpaste verwendet wird und über Öffnungen verfügt. Sind die Öffnungen zu groß, können sich die Lötpaste und die daraus resultierenden Verbindungen über mehrere Pads verteilen. Sind sie zu klein, erreichen die Lötverbindungen die Anschlüsse möglicherweise nicht durchgehend, was zu einer schwachen Verbindung führt. Möglicherweise besteht eine Diskrepanz zwischen der Padgröße im Footprint und der Größe der Bauteilanschlüsse.
4. Nicht erkannte Designfehler
In manchen Fällen kann ein Konstruktionsfehler einen Kurzschluss verursachen. Ohne eine gründliche PCB-Designprüfung vor der Produktion können die fertigen Leiterplattenbaugruppen (PCBAs) einen Kurzschluss aufweisen und nicht wie vorgesehen funktionieren.
Zusätzlich gibt es eine Netzliste, die die Verbindungen zwischen den Komponenten einer elektronischen Schaltung auflistet. Eine Nichtübereinstimmung in der Netzliste kann zu einem Kurzschluss oder anderen Problemen auf der Leiterplatte führen. Diese Fehlfunktion kann bei einer technischen Überprüfung mithilfe einer CAM-Anwendung in Gerber-Dateien identifiziert werden.
Sollte die CAM-Abteilung ein Problem feststellen, sendet sie Ihnen das Projekt mit detaillierten Angaben zu den zu korrigierenden Punkten zurück. Dies könnte eine Anpassung der Konstruktionsdateien zur Behebung des Fehlers beinhalten.
So verhindern Sie einen PCB-Kurzschluss
Die Vermeidung von Kurzschlüssen auf Leiterplatten (PCBs) ist für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit elektronischer Geräte unerlässlich. Hier sind verschiedene vorbeugende Maßnahmen, um das Risiko von Kurzschlüssen zu minimieren:
1. Isolationstechniken: Verwenden Sie Isolationstechniken wie Isolationsschlitze oder -gräben, um Hochspannungs- und Niederspannungskomponenten oder -spuren auf der Leiterplatte physisch zu trennen und so das Risiko von Kurzschlüssen aufgrund von Spannungsunterschieden zu verringern.
2. Design Rule Checking (DRC): Implementieren Sie eine Software zur Überprüfung von Designregeln, die Designbeschränkungen durchsetzt und sicherstellt, dass Mindestabstände und Abstandsanforderungen eingehalten werden, um unbeabsichtigte Verbindungen zu verhindern.
3. Automatisierte optische Inspektion (AOI): Setzen Sie AOI-Systeme zur Prüfung von Leiterplatten während und nach der Bestückung ein. Diese Systeme nutzen Kameras und Bildverarbeitung, um Lötfehler zu erkennen, darunter auch Lötbrücken, die Kurzschlüsse verursachen können.
4. Steuerbare Strombegrenzung: Integrieren Sie strombegrenzende Komponenten, beispielsweise Widerstände, in Reihe mit kritischen Leiterbahnen, um den Strom im Fehlerfall zu begrenzen und so das Risiko von Kurzschlüssen zu verringern.
5. Thermischer Überlastschutz: Integrieren Sie thermische Schutzvorrichtungen wie Thermoschalter oder Sicherungen, die den Stromkreis trennen, wenn die Temperatur einen sicheren Schwellenwert überschreitet, und so eine Überhitzung und mögliche Kurzschlüsse verhindern.
Häufig gestellte Fragen zu PCB-Kurzschlüssen
1. Was ist ein PCB-Kurzschluss?
Ein PCB-Kurzschluss ist eine unbeabsichtigte und fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehr leitfähigen Elementen auf einer Leiterplatte (PCB). Diese Verbindung kann den normalen Stromfluss unterbrechen und möglicherweise zu Fehlfunktionen oder Schäden in der elektronischen Schaltung führen.
2. Wie behebt man einen Kurzschluss auf Leiterplatten?
Um einen Kurzschluss auf einer Leiterplatte zu beheben, müssen Sie die Stelle des Kurzschlusses identifizieren und entsprechende Korrekturmaßnahmen ergreifen. Dies kann das Nachlöten oder Ersetzen beschädigter Komponenten, die Reparatur unterbrochener Leiterbahnen oder die Isolierung des Kurzschlussbereichs mit Isoliermaterialien oder -techniken umfassen. Die jeweilige Reparaturmethode hängt von Art und Ausmaß des Kurzschlusses ab.
3. Wie erkenne ich, ob meine Leiterplatte kurzgeschlossen ist?
Um festzustellen, ob eine Leiterplatte einen Kurzschluss aufweist, können Sie mit einem Multimeter eine Durchgangsprüfung durchführen. Stellen Sie das Multimeter auf Durchgangs- oder Widerstandsmodus und prüfen Sie beim Prüfen verschiedener Punkte auf der Leiterplatte auf niedrigen Widerstand oder einen Signalton. Ein niedriger Widerstand oder ein Signalton weisen auf einen Kurzschluss hin. Auch eine Sichtprüfung und Wärmebildgebung können helfen, Kurzschlüsse zu identifizieren.
4. So finden Sie die fehlerhaften Komponenten auf einer Leiterplatte
Das Auffinden fehlerhafter Bauteile auf einer Leiterplatte erfordert einen systematischen Fehlersuchprozess. Überprüfen Sie die Leiterplatte zunächst visuell auf physische Schäden, verbrannte Bauteile oder sichtbare Defekte. Verwenden Sie ein Multimeter, um Durchgang und Widerstand der Bauteile zu prüfen. In manchen Fällen kann die Wärmebildgebung helfen, überhitzte Bauteile zu identifizieren. Schaltpläne und Datenblätter sind wertvolle Hilfsmittel zur Bauteilidentifizierung und -prüfung. Der Austausch oder die Überarbeitung des fehlerhaften Bauteils ist oft die Lösung zur Behebung des Problems.
Fazit
Kurzschlüsse auf Leiterplatten sind mehr als nur technische Störungen; sie können unseren Alltag stören und die Sicherheit gefährden. Daher ist es für eine schnelle Diagnose und Behebung unerlässlich, die ersten Anzeichen eines Kurzschlusses, wie z. B. Verbrennungen oder Verfärbungen, zu erkennen.
Sobald Sie das Problem gefunden haben, können Sichtprüfungen und fortschrittliche Techniken wie Wärmebildgebung und Röntgeninspektion Ihnen helfen, die Problembereiche zu lokalisieren. Darüber hinaus ist es für die Prävention ebenso wichtig, die häufigsten Ursachen für PCB-Kurzschlüsse zu verstehen. So können beispielsweise Techniken wie Isolierung und Designregelprüfung sowie fortschrittliche Prozesse wie die automatisierte optische Inspektion dazu beitragen, das Risiko zu minimieren.
In einer Welt, in der elektronische Geräte ein fester Bestandteil unseres Alltags sind, hilft uns das Wissen über die Funktionsweise von Kurzschlüssen, die Zuverlässigkeit unserer Geräte zu gewährleisten und Sicherheitsstandards einzuhalten. Ob Experte auf diesem Gebiet oder einfach nur neugierig: Informiert und wachsam zu bleiben ist der Schlüssel zur Vermeidung von PCB-Kurzschlüssen und für den reibungslosen und sicheren Betrieb unserer Geräte.
