Tombstoning (Grabsteineffekt): Ursachen, Erkennung und Vorbeugung

Tombstoning (Grabsteineffekt), auch Manhattan-Effekt oder Drawbridging genannt, ist ein Reflow-Fehler, bei dem sich ein kleines zweipoliges Chipbauteil, meist ein Widerstand oder Kondensator, von einem Pad abhebt und sich auf seinem anderen Ende aufstellt. Der angehobene Anschluss hat keine Lötverbindung, sodass der Stromkreis offen ist, obwohl das Bauteil scheinbar auf der Leiterplatte sitzt.

Was verursacht Tombstoning?

Tombstoning entsteht, wenn das Lot an einem Ende eines Chips schmilzt und benetzt, bevor das Lot am anderen Ende so weit ist. Die Oberflächenspannung der geschmolzenen Seite zieht an ihrem Anschluss, und bei einem leichten Bauteil wie einem 0402- oder 0201-Chip (Zollmaße) reicht dieser Zug aus, um das Bauteil aufzurichten. Alles, was die beiden Enden ungleich macht, kann den Effekt auslösen:

• Lotpaste: ungleiches Pastenvolumen auf den beiden Pads oder ein versetztes Depot, sodass ein Anschluss in mehr Paste sitzt als der andere.
• Schablone: asymmetrische Öffnungen oder eine teilweise verstopfte Öffnung, die einem Pad zu wenig Paste liefert.
• Reflow-Profil: eine schnelle Aufheizrate durch den Schmelzpunkt, sodass ein Ende deutlich früher Liquidus erreicht als das andere, und keine Haltezone (Soak), um die Temperaturen auf der Leiterplatte anzugleichen.
• Bestückung: ein X- oder Y-Versatz in Richtung eines Pads oder geringe Bestückkraft, sodass das Bauteil auf der Paste liegt, statt in sie eingedrückt zu sein.
• Bauteil- und Paddesign: ein Pad, das ohne Wärmefalle (Thermal Relief) an eine große Kupferfläche angebunden ist, ein Via in nur einem Pad, ungleiche Padgrößen oder ein für die Anschlusslänge zu großer Padabstand. Schlechte Lötbarkeit an einem Anschluss hat dieselbe Wirkung.

Tombstoning ist eng verwandt mit Bauteilversatz und Verdrehung: Dasselbe Ungleichgewicht, das einen Chip aufrichtet, zieht ihn oft einfach nur zur Seite.

Wie wird Tombstoning erkannt?

Die manuelle Sichtprüfung findet ein vollständig aufgestelltes 0603-Bauteil leicht, ein teilweise angehobenes 0201-Bauteil ist ohne Vergrößerung aber schwer zu erkennen.

Die SPI kann keinen „Grabstein“ sehen, misst aber die häufigste Ursache: ein Ungleichgewicht bei Volumen oder Fläche zwischen den beiden Pads eines Chips. Das Verfolgen der Pad-zu-Pad-Balance bei kleinen passiven Bauteilen ist eine der nützlichsten SPI-Prüfungen für diesen Fehler.

Die 2D-AOI erkennt einen aufgestellten Chip an einer veränderten Körperfläche, einem freien Pad an einem Ende und einer ungewöhnlichen Reflexion des aufgerichteten Anschlusses. Ein nur wenige Grad angehobenes Bauteil ist im Draufsichtbild schwerer zu beurteilen. Die 3D-AOI misst die Höhe, sodass ein angehobenes Ende zu einer gemessenen Stufe wird statt zu einer Ableitung aus Schattierungen. Die AXI wird selten benötigt, da Tombstoning von oben sichtbar ist.

Im Prüfumfang von DaoAI gehört Tombstoning zu Punkt 02, Bestückung, Ausrichtung & Polarität, zusammen mit Billboarding (ein auf der Seite liegender Chip) und X/Y-Versatz. Die KI-gestützte automatische Programmierung nimmt Tombstoning in die Bauteilprüfungen auf, die sie aus einem Golden Board (Referenzbaugruppe) erzeugt, sodass kleine passive Bauteile abgedeckt sind, ohne jedes Gehäuse von Hand einzulernen. Auf den 3D-Maschinen von DaoAI misst Punkt 04 zusätzlich die Bauteilhöhe und erkennt abgehobene oder verkippte Bauteilkörper.

So verhindern Sie Tombstoning

Tombstoning ist ein Gleichgewichtsproblem: Beide Enden des Chips brauchen dieselbe Paste, dieselbe Wärme und dasselbe Timing. Tritt es wiederholt an denselben Referenzbezeichnern auf, prüfen Sie zuerst Paddesign und Profil.

Manche Linien beobachten beim Reflow unter Stickstoff mehr Tombstoning an sehr kleinen Chips, weil die Benetzung schneller erfolgt und Ungleichgewichte weniger verzeiht. Ist der Fehler nach einer Umstellung auf Stickstoff aufgetreten, testen Sie das Profil in beiden Atmosphären.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Warum heißt Tombstoning auch Manhattan-Effekt?

Eine Leiterplatte mit vielen aufgestellten Chips sieht aus wie eine Skyline aus Hochhäusern, daher der Name Manhattan-Effekt. Er wird auch Drawbridging (Zugbrückeneffekt) genannt, weil sich das Bauteil wie eine Zugbrücke an einem Ende hebt.

Welche Bauteile neigen am stärksten zu Tombstoning?

Kleine, leichte zweipolige Chips wie Widerstände und Kondensatoren der Baugrößen 0402, 0201 und 01005 sind am anfälligsten. Wegen ihrer geringen Masse kann die Oberflächenspannung an einem Anschluss das Bauteil leicht überwiegen.

Was ist der Unterschied zwischen Tombstoning und Billboarding?

Ein Chip mit Tombstoning steht aufrecht auf einem Ende, mit einem Anschluss neben seinem Pad. Ein Chip mit Billboarding liegt auf seiner Längsseite, sodass möglicherweise beide Anschlüsse gelötet sind, das Bauteil aber um 90° auf die Kante gedreht ist.

Kann eine AOI einen teilweise angehobenen Chip erkennen?

Eine 2D-AOI erkennt ihn, sobald die Abhebung das Bild ausreichend verändert, etwa ein freies Pad zeigt oder die Körperkontur verändert. Eine 3D-AOI misst den Höhenunterschied zwischen den beiden Enden direkt, wodurch sich kleine Abhebungen leichter bestätigen lassen.