Senkbohrungen in Leiterplatten

Die Montage einer Leiterplatte ist nicht so einfach wie das Festschrauben. Besonders heutzutage nicht. Moderne Geräte sind kompakt. Sie sind gestapelt, geschichtet und dicht verschlossen. Daher kann jedes hervorstehende Bauteil – wie beispielsweise ein Schraubenkopf – das gesamte Design durcheinanderbringen.

Hier kommen PCB-Senkungen ins Spiel. Sie sehen nicht nach viel aus. Nur ein breiterer, flacher Abschnitt am oberen Ende eines Lochs. Sie lösen jedoch echte mechanische und elektrische Probleme. Und in vielen Geräten sind sie absolut unverzichtbar.

Wenn Sie eine Platine für die Produktion entwerfen und diese sicher montieren müssen, sollten Sie die Funktionsweise einer Senkbohrung genau kennen. Was ist also eine Senkbohrung? Und warum ist sie so wichtig?

Lassen Sie es uns aufschlüsseln.

Was ist eine PCB-Senkbohrung?

Beginnen wir mit den Grundlagen. Eine Senkung ist eine zylindrische Vertiefung mit flachem Boden. Sie wird am oberen Ende eines Lochs gebohrt, damit Befestigungsköpfe – wie Innensechskantschrauben oder Bolzen – bündig mit der Oberfläche abschließen. So steht nichts hervor.

In der Leiterplattentechnik ist eine Senkbohrung eine Modifikation einer Standard-Montagebohrung. Sie ist oben breiter und hat eine präzise Tiefe, sodass der Schraubenkopf perfekt hineinpasst.

Und hier ist der Grund dafür: Eine Leiterplatte (PCB) ist nicht sehr dick – bei Standardplatten normalerweise 1.6 mm. Das lässt wenig Spielraum für Fehler. Wenn die Schraube auch nur ein wenig herausragt, kann das Probleme verursachen. Sie könnte gegen ein Gehäuse, ein anderes Teil oder sogar eine darüberliegende zweite Leiterplatte drücken.

Eine Senkbohrung löst dieses Problem. Sie erzeugt eine kleine Vertiefung, in der der Schraubenkopf bündig sitzt. So steht nichts hervor und das Brett bleibt stabil. Und nein, man kann nicht einfach ein größeres Loch bohren und hoffen, dass es funktioniert. Das schwächt das Material und bietet der Schraube keinen ausreichenden Halt.

Was ist das Senksymbol?

Auf technischen Zeichnungen muss alles kristallklar sein. Kein Raum für Vermutungen. Hier kommen Symbole ins Spiel.

Das Symbol für die Senkung sieht folgendermaßen aus:

Es folgen zwei Dimensionen:

•  Der Durchmesser der Senkung.

•  Die Tiefe der Senkung.

Beispiel:

Dabei handelt es sich um eine Senkung mit 6.5 mm Durchmesser und 3.0 mm Tiefe. Dieses Symbol finden Sie üblicherweise in technischen Zeichnungen, insbesondere in Fertigungsunterlagen, die Leiterplatten oder Gehäuse enthalten.

Warum ist das Symbol wichtig? Weil ein Missverständnis in dieser Phase zu einer falschen Lochgröße, einer fehlerhaften Installation oder einer Beschädigung der Platine führen kann. Das kann kostspielig sein. Oder sogar katastrophal, wenn die Platine Teil eines kritischen Systems ist.

Warum werden PCB-Senkungen verwendet?

Hier stellt sich die Frage: Warum nicht einfach normale Löcher verwenden? Warum überhaupt Senkbohrungen? Die Sache ist die: In Leiterplattenbaugruppen ist der Platz knapp. Und selbst winzige Designdetails können später große Probleme verursachen.

Lassen Sie uns die Hauptgründe für die Bedeutung von Senkbohrungen durchgehen.

1. Unterputzmontage

Das ist der große Vorteil. Senkbohrungen ermöglichen es, Schrauben bündig oder sogar leicht vertieft in der Leiterplatte zu platzieren. Das bedeutet: keine hervorstehenden Befestigungselemente. Keine Beeinträchtigung des Gehäuses. Keine Kratzer auf den inneren Gehäuseoberflächen.

Bei kleinen Geräten wie Smartwatches, Wearables oder medizinischen Geräten gibt es buchstäblich keinen zusätzlichen Platz. Eine 1-mm-Beule kann das Design ruinieren.

2. Sicheres Stapeln

Viele moderne Baugruppen verwenden mehrere übereinander geschichtete Leiterplatten. Abstandshalter, Distanzstücke oder Pfosten trennen sie voneinander. Die Platinen werden oft mit Schrauben zusammengehalten.

Aber hier liegt der Haken: Wenn der Schraubenkopf der unteren Platine hervorsteht, kann die obere Platine nicht flach aufliegen. Senkbohrungen lösen dieses Problem, indem sie den Schraubenkopf in der Platine verbergen. So kann die obere Leiterplatte direkt aufliegen, sodass alles sauber und eben bleibt.

3. Erdung und EMI-Kontrolle

Dieser Punkt ist etwas komplexer, aber wichtig. Manche Designs verwenden metallische Abstandshalter und Schrauben nicht nur zur Befestigung, sondern auch zur elektrischen Erdung. In diesen Fällen ist ein gleichmäßiger, fester Metall-Metall-Kontakt erforderlich.

Eine Senkbohrung schafft Abhilfe. Sie sorgt dafür, dass der Schraubenkopf fest gegen eine Kupfer-Erdungsplatte oder einen Montagering gedrückt wird. Das sorgt für eine zuverlässige Erdung und eine bessere elektromagnetische Abschirmung.

Eine schlechte Erdung führt zu elektromagnetischen Störungen. Das bedeutet Störungen, fehlgeschlagene Tests und teure Nacharbeiten.

4. Vibrationsfestigkeit

Bei Leiterplatten in der Automobil- oder Industrieindustrie sind Vibrationen ein ernstes Problem. Befestigungselemente müssen daher fest sitzen. Ein bündig in einer Senkung sitzender Schraubenkopf verteilt die Last gleichmäßig. Er reduziert Bewegungen und verringert so das Risiko mechanischer Ausfälle.

5. Saubere Ästhetik

Manchmal geht es auch um die Optik. Bei hochwertiger Unterhaltungselektronik – denken Sie an Smartphones oder Tablets – wird das Innenleben oft mit Blick auf die Ästhetik entworfen. Sogar die Platzierung und Tiefe der Schrauben wird sorgfältig gewählt.

Senkbohrungen sorgen für eine nahtlose Innenstruktur. Das ist besonders bei High-End-Produkten wichtiger, als man denkt.

Anwendungen von PCB-Senkern

Hier sind einige Beispiele aus der Praxis, wo Sie Senkbohrungen auf Leiterplatten finden:

•  Unterhaltungselektronik: Geräte wie Smartphones oder Tablets verwenden häufig gestapelte Platinenlayouts. Schrauben mit Senkbohrungen sorgen dafür, dass die Schichten fest und sicher miteinander verbunden bleiben.

•  Industrielle Ausrüstung: Maschinen rütteln stark. Deshalb kommen vibrationsfeste Halterungen zum Einsatz. Senkbohrungen sorgen dafür, dass Schrauben auch bei ständiger Bewegung fest und sicher sitzen.

•  Automobilelektronik: Autos sind Hitze, Kälte, Stößen und Erschütterungen ausgesetzt. Lose Teile haben keinen Platz. Senkbohrungen sorgen für einen festen Sitz der Leiterplatten. So reduzieren sie die Belastung langfristig.

•  Medizinische Geräte: Präzision ist entscheidend. Senkbohrungen ermöglichen eine präzise Montage in kompakten Gehäusen.

•  Luft- und Raumfahrtsysteme: Jedes Gramm und jeder Millimeter zählt. Eine bündige Montage ist ein Muss.

Designüberlegungen für PCB-Senkungen

Das Entwerfen einer Senkbohrung ist nicht schwer. Es muss jedoch präzise sein. Eine falsche Bewegung – zu tief, zu weit oder außermittig – kann die Platine schwächen oder die Baugruppe zerstören.

Folgendes ist zu beachten:

1. Brettstärke

Nicht alle Leiterplatten sind gleich. Die meisten sind 1.6 mm dick, insbesondere bei Standardausführungen. Leistungsplatinen sind jedoch tendenziell dicker. Flex-Starr-Designs? Oft dünner.

Achten Sie darauf, dass die Senkungstiefe nicht zu groß ist. Wenn die Vertiefung zu nahe an einer Kupferschicht liegt, können Leiterbahnen freigelegt oder die mechanische Festigkeit verringert werden.

Faustregel:

Lassen Sie zwischen der Unterseite der Senkung und der nächsten Kupferschicht oder Bohrung mindestens 0.3 mm frei.

2. Lochbeschichtung

Nicht alle Befestigungslöcher sind beschichtet. Wenn Ihre Senkung zu einem beschichteten Durchgangsloch führt, ist das kein Problem – denken Sie aber daran, dass die Beschichtung die Dicke erhöht.

Eine typische Via-Wandstärke beträgt 25–50 µm. Die Senkung wird dadurch nicht wesentlich beeinflusst, es sei denn, der Durchmesser ist sehr klein. Dennoch muss Ihr Hersteller wissen, ob es sich um ein plattiertes oder unplattiertes Loch handelt, insbesondere beim Auftragen der Oberflächenveredelung oder beim Reinigen der Kavität.

3. Materialstärke

FR-4 ist zwar stabil, besteht aber dennoch aus Fiberglas und Epoxidharz. Wenn der Schraubenkopf zu viel Druck ausübt, kann er die Platte zerdrücken.

Senkbohrungen reduzieren das Material über dem Schraubenkopf. Dadurch kann die Platine im Bereich der Befestigungslöcher brüchiger werden. Um dies zu beheben, enthalten viele Designs eine Metallscheibe oder ein Kupferpolster unter der Schraube, um die Kraft zu verteilen.

Bei einigen Anwendungen mit hoher Beanspruchung verwenden Konstrukteure mechanische Einsätze – Metallhülsen, die die Senkbohrung verstärken.

4. Werkzeugtoleranz

Zum Bohren von Senkbohrungen sind spezielle Werkzeuggrößen erforderlich. Sie können nicht davon ausgehen, dass Ihr Hersteller alle Bohrerdurchmesser vorrätig hat.

Bevor Sie das Design finalisieren, prüfen Sie die Möglichkeiten Ihrer Leiterplattenfertigung. Die meisten arbeiten mit festen Werkzeugsätzen – oft in 0.05-mm-Schritten. Wenn Ihre Senkung beispielsweise 3.73 mm breit ist, wird sie aufgerundet oder abgerundet. Das kann bei der Montage zu Passungsfehlern führen.

5. Oberflächenbeschaffenheit

Dies wird oft übersehen. Wenn die Schraube Teil eines Erdungspfades ist, benötigen Sie Metallkontakt. Das bedeutet, dass sich in der Senkung keine Lötstoppmaske befindet. Andernfalls wirkt die Maske wie ein Isolator.

Geben Sie in Ihren Fertigungsnotizen den Maskenabstand um die Senkbohrung an. Verwenden Sie am besten einen Kupferring oder ein ringförmiges Pad, um einwandfreien Kontakt und Leitfähigkeit zu gewährleisten.

Senkbohrer vs. Kegelsenker – Hauptunterschied

Senkbohrungen werden oft mit Kegelsenkern verwechselt. Sie klingen zwar ähnlich, sind aber nicht dasselbe. Wir klären das auf.

Bei Leiterplatten sind Senkungen häufiger anzutreffen. Insbesondere wenn Designer flache Schraubenköpfe wünschen. Senkungen sind selten, kommen aber in Sonderfällen vor – meist bei der Verwendung von Flachkopfschrauben aus ästhetischen Gründen oder bei der Konstruktion von Gehäusen mit konischen Eintrittspunkten.

Es gibt auch einen mechanischen Unterschied. Senkbohrungen konzentrieren die Spannung am Rand des Schraubenkopfes, was bei dünnem Material zu Rissen in der Leiterplatte führen kann. Senkbohrungen verteilen die Belastung gleichmäßig und eignen sich daher besser für zerbrechliche oder mehrschichtige Baugruppen.

Wählen Sie im Zweifelsfall für Leiterplattenanwendungen eine Senkbohrung. Sie ist sicherer, einfacher zu bearbeiten und bietet mehr Flexibilität bei der Hardwareauswahl.

Fazit

Senkbohrungen werden selten beachtet. Dabei lösen sie echte Probleme. Sie erleichtern die Montage Ihrer Platinen. Außerdem sorgen sie für einen sicheren Sitz der Komponenten und verhindern Kollisionen mit Gehäusen. Manchmal verbessern sie auch die Erdung und Abschirmung.

Wenn Sie eine Platte entwerfen, die präzise gestapelt, umschlossen oder montiert werden muss, vergessen Sie nicht die Senkbohrung.

Denken Sie daran, in Ihren technischen Zeichnungen das richtige Symbol zu verwenden. Geben Sie außerdem die genaue Tiefe und den Durchmesser an. Achten Sie auf die Dicke und Materialstärke der Leiterplatte. Kommunizieren Sie außerdem klar mit Ihrem PCB-Team. Es ist zwar ein kleines Detail, aber beim PCB-Design machen kleine Details oft den größten Unterschied.

Benötigen Sie Hilfe bei Fertigungszeichnungen oder Leiterplattenstapeln? Beachten Sie immer die DFM-Richtlinien (Design for Manufacturability) Ihres Herstellers.