Das Kupfer um die Bohrung ist keine Unterlegscheibe

Der Streit, fair wiedergegeben

Die erste ist ein eigenständiger Grund, und zwar ein guter; nichts im Folgenden widerspricht ihr. Die beiden anderen sehen wie ein Widerspruch aus und sind keiner, denn sie sprechen über zwei verschiedene Größen. Eine dieser Größen ist reine Rechnung, also fangen wir dort an.

Lastverteilung ist eine Frage der Steifigkeit, und die Steifigkeit geht mit der dritten Potenz

Eine Unterlegscheibe verteilt die Last, weil sie biegesteif genug ist, um die Kraft vom Kopf nach außen zu tragen, bevor der Werkstoff darunter nachgibt. Die Biegesteifigkeit je Breiteneinheit geht mit E × t³, und die dritte Potenz entscheidet diesen Streit. Nehmen wir Kupfer mit rund 117 GPa auf einer 1,6 mm dicken Platte mit rund 20 GPa:

Beim konkret genannten Mechanismus, der Lastverteilung nach Art einer Unterlegscheibe, hat die Gegenrede also recht, und zwar um vier Größenordnungen. Das ist kein knapper Fall, den die Erfahrung kippen könnte. Es ist die dritte Potenz.

Worum es bei der Beobachtung stattdessen gehen könnte

Wer sagte, das Kupfer helfe, beschrieb kein Experiment zur Biegesteifigkeit. Ohne Pad liegt der Schraubenkopf auf Lötstopplack über ausgehärtetem Harz auf. Mit Pad liegt er auf weichgeglühtem Kupfer. Ob die eine Oberfläche das Anziehen eines Kopfes besser übersteht als die andere, ist eine Frage des Kontakts und der Oberfläche, keine der Lastverteilung, und beides wird verwechselt, weil beide mit den Worten „die Platte wird beschädigt“ enden.

Wir haben keine Messung gefunden, die wir für die eine oder andere Seite zitieren würden; diese Seite sagt Ihnen daher weder, dass das Pad hilft, noch, dass es nicht hilft. Sie sagt aber, dass es in dem Streit nie zweimal um dieselbe Größe ging, und deshalb konnte keine Seite die andere überzeugen.

Die Zahl, nach der im Thread niemand griff

Geht es um die Sorge, dass die Schraube das Laminat beschädigt, ist die maßgebliche Größe die Fläche, auf der der Kopf tatsächlich aufliegt. Nach derselben Methode, die diese Website auch an anderer Stelle verwendet: der genormte Mindestdurchmesser der Kopfauflage gegenüber einer Durchgangsbohrung nach ISO 273:

Ein ganzer M3-Kopf liegt auf rund elf Quadratmillimetern auf. Das ist die gesamte Kontaktfläche, über die die Klemmkraft die Platte erreicht, und deshalb verändert eine Unterlegscheibe die Lage, eine Folie dagegen nicht.

Und die Normen beantworten die gestellte Frage bereits. Es gibt drei Reihen flacher Scheiben, und die große Reihe existiert, wie diese Website sie früher beschrieben hat, für weiche Werkstoffe und übergroße Bohrungen und reicht bis etwa zum Dreifachen des Nenndurchmessers. Ein Laminat ist ein weicher Werkstoff. Welche Scheibenreihe auf die Zeichnung gehört ist eine Entscheidung mit einer Antwort, und die Antwort ist keine Kupferfläche.

Zwei Ergänzungen, bevor das auf eine Platine kommt

• Ist das Pad angeschlossen, ist das eine andere Konstruktion. Eine Metallschraube durch ein geerdetes Pad in einen Metall-Abstandsbolzen ist ein gewollter Strompfad, keine Dekoration, und sollte bewusst so gezeichnet statt übernommen werden. Was eine isolierende Scheibe auf der elektrischen Seite bewirkt und welchen der beiden Abstände sie verändert, steht unter Kriechstrecke, nicht Luftstrecke
• Eine Unterlegscheibe ändert die Verbindung; sie ist kein Zubehör. Sie verändert die Klemmlänge, die Flächen im Kraftfluss und die Reibung, und genau das wird übersprungen. Werkstoff und Härteklasse der Scheibe zählen hier mehr als ihr Durchmesser, denn eine Scheibe, die weicher ist als die Teile, zwischen denen sie liegt, verformt sich einfach, und die berechnete Fläche ist weg

Die allgemeine Form des Problems mit weichem Grundwerkstoff, bei dem der Werkstoff und nicht das Verbindungselement die Grenze setzt, behandelt Schrauben in Kunststoff; die Methode für die Auflageflächen oben ist ausgeführt in Der Kopf ist kleiner, als Sie denken.

Welche Scheibe Sie verwenden dürfen, ist enger gefasst, als es aussieht, und nur eine der drei Normen für flache Scheiben sagt, wofür eine Scheibe da ist. Die breiteste ist zugleich die weichste und ist nicht für Festigkeitsklassen über 6.8 eingestuft.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 3: Kopf. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Schützt Kupfer um eine Schraubenbohrung die Leiterplatte?

Nicht durch Lastverteilung, also nicht über den Mechanismus, der meist behauptet wird. Die Biegesteifigkeit geht mit der dritten Potenz der Dicke; 35 Mikrometer Ein-Unzen-Kupfer auf einer 1,6 mm dicken Platte tragen daher etwa sechs Tausendstel Prozent zu ihrer Biegesteifigkeit bei, und das Kupfer müsste rund 0,9 mm dick sein, um mit der Platte gleichzuziehen. Ob es für Oberflächenschäden einen Unterschied macht, dass der Kopf auf Kupfer statt auf Lötstopplack über Harz aufliegt, ist eine eigene Frage, und dazu haben wir keine Messung gefunden, die wir zitieren würden.

Auf wie viel Fläche liegt ein kleiner Schraubenkopf tatsächlich auf?

Auf weniger, als man erwartet. Mit dem genormten Mindestdurchmesser der Kopfauflage eines M3, 5,07 mm, gegenüber einer mittleren Durchgangsbohrung nach ISO 273 von 3,4 mm ergibt sich eine Auflagefläche von etwa 11 Quadratmillimetern. Das ist die gesamte Fläche, über die die Klemmkraft die Platte erreicht; deshalb ändert eine Scheibe das Bild und eine Folie nicht.

Welche Scheibe gehört unter eine Schraube auf einem Laminat?

Flache Scheiben gibt es in drei Außendurchmesser-Reihen, und die große Reihe existiert für weiche Werkstoffe und übergroße Bohrungen und reicht bis etwa zum Dreifachen des Nenndurchmessers. Bei M3 ist das etwa das Fünffache der Auflagefläche des bloßen Kopfes. Geben Sie sie mit der Normnummer statt mit einem Maß an, und geben Sie auch Werkstoff und Härteklasse an, denn eine Scheibe, die weicher ist als ihre Nachbarteile, verformt sich und gibt die Fläche wieder her.

Gibt es dann überhaupt einen guten Grund, das Kupfer stehen zu lassen?

Ja, und die am höchsten bewertete Antwort im Ausgangsthread nennt einen, der nichts mit Mechanik zu tun hat: Es markiert, wo das Loch hinkommt. Ist das Pad mit einer Fläche verbunden, ist es außerdem ein bewusster elektrischer Pfad über Schraube und Abstandsbolzen, also eine Konstruktionsentscheidung, die gezeichnet und nicht von einer Voreinstellung übernommen werden sollte. Keines von beiden ist die Behauptung der Lastverteilung.

Warum klangen beide Seiten des Streits richtig?

Weil sie nicht über dieselbe Größe stritten. Die eine sprach von Lastverteilung, einer Frage der Biegesteifigkeit, die durch die dritte Potenz der Dicke entschieden ist. Die andere sprach davon, was an der Oberfläche geschieht, die der Kopf berührt, also von einer Kontaktfrage. Beide enden im Satz „die Platte wird beschädigt“, und deshalb konnte der Streit laufen, ohne dass eine Seite bei ihrem eigenen Mechanismus falsch lag.

Quellen

• ISO 14579:2011 — Zylinderschrauben mit Innensechsrund; Tabelle 1, aus der der oben verwendete Mindestdurchmesser der Kopfauflage stammt
• r/AskElectronics — der Ausgangsthread mit der Unterlegscheiben-These, der Gegenrede und der Antwort über Theorie gegen Erfahrung

Der Steifigkeitsvergleich ist eine eigene Rechnung und lässt sich aus zwei Elastizitätsmoduln und zwei Dicken nachvollziehen. Diese Moduln sind typische Werte, keine Normwerte: Kupfer bei etwa 117 GPa und ein Glas-Epoxid-Laminat bei etwa 20 GPa in der Ebene; Laminateigenschaften schwanken je nach Typ, Gewebe und Richtung erheblich. Das Ergebnis reagiert darauf nicht, denn das Verhältnis beträgt vier Größenordnungen, und der Modul müsste um einen Faktor von Tausenden falsch sein, um es zu ändern. Die Kupferauflagen sind eine Handelskonvention, keine Norm. Der Durchmesser der Kopfauflage von 5,07 mm für M3 stammt aus ISO 14579 Tabelle 1, gelesen in der öffentlich zugänglichen Vorschau; die Durchgangsbohrung von 3,4 mm ist ISO 273 mittel, wie auf unserer früheren Seite tabelliert. Der Wert für die große Scheibenreihe ist ein Näherungswert: Er folgt aus der Beschreibung dieser Reihe als etwa das Dreifache des Nenndurchmessers, nicht aus einem tabellierten Außendurchmesser, und auf einer Zeichnung sollte die Normnummer stehen, nicht diese Schätzung. Hier werden keine Laminatfestigkeit, keine Druckgrenze und keine Glasübergangstemperatur genannt, weil wir dafür keine zitierfähige Quelle haben; aus demselben Grund bezieht diese Seite keine Position dazu, ob ein Pad die von ihm bedeckte Oberfläche schützt.