Von 20 % Ausfallrate auf null: warum eine vergessene 24h Trocknung Leiterplatten retten kann

20 % Ausfallrate. Mit dem Latein am Ende. Alles probiert.

Der Anruf

Es ist abends, als der Entwicklungsleiter eines ausländischen Brushless Motor Controller Herstellers mit eigener Inhouse Produktion anruft. Am nächsten Morgen muss er zur Krisensitzung bei der Geschäftsleitung antraben. Etwa zwei Drittel der defekten Geräte fallen schon beim ersten Burn-in aus, ein Drittel beim Kunden im Feld. Jahresvolumen mehrere 100’000 Stück.

Bei dieser Stückzahl sind das 20’000 Ausfälle pro Jahr: Material, Bestückung, Test, Versand, Reklamationsabwicklung (RMA), Reputationsschaden. Im konkreten Fall hatten sie Via Strukturen verstärkt, Bauteilchargen untersucht, Lieferanten verglichen, Reflowprofile durchgemessen. Wochen Arbeit, kleine Verbesserungen, kein Durchbruch. Die Frist bis zur Sitzung am nächsten Morgen rückt näher.

Die naheliegende Hypothese und warum sie falsch war

Das Design ist kompakt. Der Aluminiumkühlkörper ist als Rahmen um die Platine gestaltet, und die Leiterplatte ist mit Wärmeleitkleber ganzflächig in diesem Rahmen verklebt, ohne Schrauben, ohne Klemmen. Das Basismaterial der Leiterplatte ist FR4, das gängige Glasfaser-Epoxid Laminat. FR4 selbst ist ein schlechter Wärmeleiter (etwa 0,3 W/mK gegenüber rund 200 W/mK von Aluminium), die Wärmeabfuhr muss also zwingend über die geklebte Berührungsfläche zum Rahmen laufen. Hohe Stromdichten, hohe Schaltflanken, enge thermische Kopplung. Dazu kommen feine Strukturen im Strommessbereich: kleine Vias und enge Leiterabstände rund um die Shunt- und Stromsensorpfade, wo Genauigkeit gegen Layoutdichte kämpft. Pikant ist, dass diese feinen Vias genau in der Mitte der Leiterplatte sitzen, dort wo bei einer ringsherum verklebten Platine die thermomechanischen Kräfte des Rahmens vermutlich zusammenlaufen. Genau dieser Bereich ist sicherheitskritisch, denn ohne präzise Strommessung funktioniert weder die feldorientierte Regelung noch die Überstromabschaltung. Schon kleine Leckströme oder driftende Isolationswiderstände machen den Control Loop instabil oder lösen Fehlabschaltungen aus.

Naheliegender Verdacht: thermomechanischer Stress. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen FR4 (~14 ppm/K in der Ebene, 300 ppm/K in Z-Richtung oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g) und Aluminiumrahmen (~24 ppm/K), Kleber dazwischen. Mit jedem thermischen Zyklus zerren die Materialien aneinander. Rissbildung, Mikrobrüche an den Vias, Lotermüdung, das übliche Lehrbuch.

Die erste Massnahme war konsequenterweise eine Via Verstärkung: grössere Bohrdurchmesser im kritischen Bereich, dickere Kupfergalvanik, teils Filled and Capped Vias unter den Power Pads. Lehrbuchantwort auf Lehrbuchhypothese. Es brachte messbar, aber wenig. Die Ausfallrate sank um wenige Prozentpunkte, blieb aber im zweistelligen Bereich. Das war der Hinweis, dass die Diagnose nicht stimmen konnte.

Wir haben die ersten Stunden mit dieser Hypothese gearbeitet. Bis wir die Statistik der Ausfälle nach Zeitpunkt ordneten.

Was die Statistik wirklich zeigte

Beim genauen Hinsehen war auffällig, dass ein erheblicher Teil der Defekte bereits vor dem ersten Burn-in auftrat, direkt nach dem Reflow im elektrischen End of Line Test. Thermomechanische Alterung kann eine frische Platine nicht beschädigt haben. Hier passierte etwas während der Bestückung selbst.

Das verschob den Verdacht schlagartig: nicht der Betrieb war das Problem, sondern die Verarbeitung.

Der entscheidende Befund: mehrere Lieferanten, gleiche Quote

Was die Analyse besonders aufschlussreich machte: Der Auftraggeber bezog seine Leiterplatten, wie bei dieser Stückzahl üblich, parallel von mehreren PCB Häusern. Unterschiedliche Werke, unterschiedliche Länder, unterschiedliche Prozesse, unterschiedliche Endoberflächen, unterschiedliche Lose, unterschiedliche Lagerketten.

Die naheliegende Erwartung wäre: ein Lieferant hat schlechtere Qualität, dort konzentrieren sich die Ausfälle. So macht man’s normalerweise. Man sortiert nach Quelle, findet den schwarzen Peter, wechselt den Lieferanten, Problem gelöst.

Wir haben es getan. Und das Ergebnis war:

Alle Lieferanten zeigten praktisch dieselbe Ausfallquote, rund 20 %, mit nur geringer Streuung dazwischen.

Das war der eigentliche Augenöffner. Wenn drei oder vier unabhängige PCB Hersteller mit unterschiedlichen Prozessen alle auf ähnliche Werte kommen, dann liegt das Problem mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht beim PCB Hersteller. Es liegt in etwas, das allen Lieferungen gemeinsam ist, und das ist üblicherweise das, was nach der PCB Lieferung passiert: Transport, Lagerung, Bestückungsvorbereitung. Mit anderen Worten: der Prozess auf der eigenen Bestückungslinie.

Diese Erkenntnis hat den Fall in unter einer halben Stunde Diagnosegespräch umgekrempelt. Aus “wir suchen den schlechten Lieferanten” wurde “wir haben einen systemischen Prozessfehler im eigenen Haus”.

Die wahre Ursache: Feuchtigkeit im Laminat

FR4 ist hygroskopisch. Das Glasfaser-Epoxid Komposit zieht aus normaler Hallenluft Wasser, durch offene Bohrkanten, durch Vias, durch Mikrorisse im Lötstopplack. Bei 23 °C und 50 % rF gleicht sich eine ungeschützte Leiterplatte in zwei bis drei Tagen auf ihren Sättigungsgehalt aus. Die Würth Applikationsnote zur Physik der Feuchte bringt die Diffusionsmechanik und die typischen Sättigungskurven gut auf den Punkt, inklusive der Tatsache, dass die Auslagerung um Grössenordnungen länger dauert als die Aufnahme.

Was das im Reflow bedeutet, ist eine simple Physikrechnung:

• Bei ~100 °C beginnt eingeschlossenes Wasser sich auszudehnen.
• Bei 220–260 °C im bleifreien Reflow erzeugt es mehr als 25 bar Dampfdruck in eingeschlossenen Hohlräumen.
• Wenn das Laminat den Druck nicht mehr halten kann, entstehen Mikrodelaminationen, der Popcorn-Effekt.

Die Folgen treten teils sofort sichtbar auf (Blasenbildung, sichtbare Delaminationen, Lötbrücken durch verschobene Bauteile), teils erst Wochen oder Monate später im Feld:

• Conductive Anodic Filament (CAF): Kupferionen wandern entlang der Glasfaser-Harz-Grenzfläche durch das Restwasser, getrieben von der angelegten Gleichspannung, und bilden langsam einen leitenden Pfad. Ergebnis: schleichende Abnahme des Isolationswiderstands, intermittente Kurzschlüsse, am Ende Totalausfall.
• Rissfortschritt an Via Säulen: Mikrodelamination wächst unter Temperaturwechseln weiter.
• Korrosion unter dem Lötstopplack: eingeschlossene Feuchtigkeit greift Kupferspuren an.

Das erklärt beide Ausfallphasen: die unmittelbaren Defekte beim Burn-in (Delamination, Popcorn) und die späteren Feldausfälle (CAF, Risswachstum).

Die Lösung: banal und wirksam

Wir haben vor jeder Bestückungsserie ein Trocknungsregime eingeführt:

• 24 Stunden bei 105 °C im Konvektionsofen.
• Nach dem Trocknen: Bestückung innerhalb von max. 4 Stunden oder Lagerung im Trockenschrank bei ≤ 10 % rF.
• Leiterplatten in versiegelten MBB Beuteln (Moisture Barrier Bag) mit Trocknungsindikator vom Hersteller anfordern.

Ergebnis: Die Ausfallrate sank von 20 % auf praktisch 0 %.

Nicht 19 %. Nicht 5 %. Auf null Komma irgendwas. Das gesamte Phänomen, sowohl die Burn-in Ausfälle als auch die Feldrückläufer, verschwand, sobald die Leiterplatten getrocknet ins Bestückungssystem gingen.

Eingeschweisst heisst nicht trocken

Eine versiegelte MBB Verpackung bedeutet nicht automatisch trockene Boards. Bei vielen Herstellern liegen die Platinen zwischen Endkontrolle und Versand Stunden bis Tage in der normalen Hallenluft, bevor sie eingeschweisst werden. Sind sie in diesem Zustand bereits gesättigt, konserviert der Beutel nur noch den Feuchtigkeitsgehalt im Laminat. Beim Bestücker geht das Board dann ohne Trocknungslauf direkt in den Reflow. In Regionen mit hoher Hallenfeuchte ohne Klimatisierung verkürzt sich dieses Sättigungsfenster zusätzlich.

Praktische Konsequenz: ein Feuchteindikator (HIC) im Beutel ist Pflicht, nicht Komfort. Im Wareneingang die HIC ablesen, dokumentieren, und Lieferungen über dem Schwellenwert wie unverpackte Ware behandeln: Trockenschrank, Trocknungslauf vor der Bestückung.

Warum dieses Problem so oft übersehen wird

Die Empfehlung steht in IPC-1601 (“Printed Board Handling and Storage Guidelines”) und ist seit Jahren Stand der Technik. Trotzdem passiert in der Realität Folgendes:

1. Keine Vorgabe, keine Trocknung. PCB Hersteller machen meist keine konkreten Trocknungsangaben, und der Bestücker trocknet nicht, was er nicht muss. In der Mehrzahl der Fälle geht es auch ohne, und ein Trocknungslauf kostet einen ganzen Tag Ofenbelegung.

2. Die Ausfälle treten verzögert auf. Wenn ein Drittel der defekten Boards erst Wochen später im Feld ausfällt, ist die Verknüpfung zur Bestückungslosgrösse statistisch verwischt. Die Korrelation zur Lagerzeit der Leiterplatten erst recht.

3. Andere Hypothesen sind sexier. Wer “thermomechanischer Stress” sagt, klingt nach Fachwissen. Wer “habt ihr die Leiterplatten getrocknet?” fragt, klingt nach Putzkolonne. Das verschiebt die Reihenfolge der Diagnose.

Was die IPC-1601 tatsächlich empfiehlt

Die Norm staffelt die Trocknung nach Lagerzeit und Verpackungszustand:

Lagerzeit seit Fertigung	Verpackungszustand	Empfohlene Trocknung
< 2 Monate, MBB versiegelt	bei < 30 °C / < 60 % rF	1 h bei 120 ± 5 °C
2–6 Monate	normale Hallenlagerung	2 h bei 120 ± 5 °C
6–12 Monate	normale Hallenlagerung	4 h bei 120 ± 5 °C

Wichtig: Die Norm spricht von einer unteren Grenze. In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei kritischen Designs (Multilayer ≥ 6 Lagen, dichte Via Muster, kompakte Power Designs) deutlich längere Trocknungen sinnvoll sind. Unser Regime von 24 h bei 105 °C ist konservativ, aber risikoarm: längere Trocknung bei niedrigerer Temperatur reduziert die thermische Vorbelastung und ist mit den meisten Endoberflächen (HASL, ENIG, Immersion Tin) verträglich.

Ausnahme OSP: Organic Solderability Preservatives degradieren bei Temperaturen über 105 °C. Wer OSP beschichtete Leiterplatten einsetzt, muss die Trocknung kürzer (≤ 2 h) oder bei niedrigerer Temperatur durchführen, oder besser auf eine andere Oberfläche wechseln.

Empfohlenes Vorgehen

• Beschaffung: MBB Verpackung mit Humidity Indicator Card (HIC) und Trocknungsmittel explizit bestellen, Fertigungsdatum auf jedem Karton verlangen.
• Wareneingang: HIC ablesen und dokumentieren, auffällige Lieferungen direkt in den Trockenschrank.
• Vor der Bestückung: Trocknungszeit nach IPC-1601 einhalten, maximal 4 Stunden zwischen Ofen und Reflow, Restmengen zurück in MBB oder Trockenschrank.

Was dieser Fall für andere Hersteller bedeutet

Wenn Sie ein kompaktes Power Design haben, mehrlagig, mit thermischer Verklebung, und Ihre Ausfallrate liegt über 5 %, dann lohnt es sich, bevor Sie thermomechanischen Stress, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oder Bauteilqualität untersuchen, zuerst diese Frage zu klären:

“Werden unsere Leiterplatten vor der Bestückung gemäss IPC-1601 getrocknet, und können wir das mit einem Ofenprotokoll belegen?”

Solange die Qualität der Lieferung stimmt, gibt es keinen Grund, dem Bestücker den Prozess vorzuschreiben. Sobald aber Ausfälle auftreten, lohnt der Blick in die Protokolle, vom Trocknungsofen über das Reflowprofil bis zum Endtest. Schriftliche Vorgaben zu Trocknung, Lagerung und Testtiefe helfen in solchen Fällen, machen die Produktion aber teurer. Eine pragmatische Mischung ist: vertrauen, stichprobenweise Ofenprotokolle anfordern, und bei Auffälligkeiten den Prozess gemeinsam mit dem Bestücker durchgehen, statt einzelne Schritte einseitig zu reglementieren.

Warum eine externe Sicht oft hilft

Das Team hatte Statistik gesammelt und Massnahmen ergriffen, war aber bereits tief im Wald mit den vielen Bäumen. In solchen Situationen ist es manchmal hilfreich, eine externe, unbelastete Person beizuziehen. Im konkreten Fall genügte es, die vorhandenen Ausfalldaten nach einer anderen Achse zu sortieren: nach Zeitpunkt des Ausfalls statt nach Lieferant. Die Tabelle existierte schon, sie war nur nie unter dieser Brille gelesen worden.

Quellen und weiterführende Literatur

• IPC-1601A — Printed Board Handling and Storage Guidelines (IPC, 2014)
• Würth Elektronik — Application Note: Physik der Feuchte (Moisture Physics in PCBs)
• Sierra Circuits — IPC-1601A: PCB Handling and Storage Guidelines
• PCBSync — PCB Baking: Complete Guide to Temperature, Time & IPC-1601 Standards
• ZVEI — Recommendations/Comments on IPC-1601 (2021)
• Saturn Electronics — PCB Pre-Baking and Delamination
• ResearchGate — Analysis of Catastrophic Field Failures Due to CAF Formation
• Isola — Conductive Anodic Filament Growth Failure (Tarun Amla)
• IPC-9691 — Guideline for the Use of the IST Test for Conductor and Insulator Reliability
• IPC/JEDEC J-STD-033 — Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices

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