Master-, Bachelor-, Studien- und Diplomarbeiten

Untersuchungen zur Aussagekraft beschleunigter Temperaturwechseltests für gelötete Chipwiderstände auf MID

      
Viertelmodell eines Chipwiderstandes
Weibull-Verteilung für die Lebensdauer gelöteter Flipchips auf FR4 (Quelle: Abschlussbericht IGF-Vorhaben 303ZBG ZUMIKROSYS)

Während des Entwurfs und der Qualifizierung von Elektro-nikbaugruppen kommt der Zuverlässigkeitsbewertung eine hohe Aufmerksamkeit zu. Hierbei werden die Baugruppen beschleunigten Alterungstests unterzogen, um Aussagen zur Lebensdauer im Betrieb ableiten zu können. Ein wichtiger Test zur Beurteilung der Langzeit-zuverlässigkeit von Lötverbindungen ist der Temperatur-wechseltest nach IPC-9701 bzw. JESD22-A104, der zum Versagen der Lötverbindungen durch Kriechen führt. Die genannten Vorschriften wurden ursprünglich zur Prüfung leiterplattenbasierter Aufbauten konzipiert. Laut IPC-9701 ist ein beschleunigter Test nur sinnvoll sofern die maximale Temperatur Tmax kleiner als die Glasübergangstemperatur Tg des Substrats gewählt wird. Ansonsten besteht die Möglichkeit, dass Fehlermechanismen im Test auftreten, die im Betrieb nicht vorkommen. Spritzgegossene Schaltungsträger (MID) mit thermoplastischen Substratmaterialien besitzen eine materialabhängige Tg die häufig kleiner als die von Leiterplatten ist. Daher kann es vorkommen, dass zur Qualifizierung ein Test gefordert ist, bei dem die Tg des Substrats überschritten wird obwohl dies im Betrieb nicht der Fall wäre. In diesem Fall kann das Testergebnis nicht mehr auf die Betriebsbedingungen übertragen werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher eine Aussage zur Übertragbarkeit beschleunigter Temperaturwechseltests auf Betriebsbedingungen im Feld für gelötete Chipwider-stände auf MID zu treffen. Hierzu soll die prognostizierte Lebensdauer parametrisierter Simulationsmodelle unter verschiedenen Betriebs- und Testbedingungen im FEM-Programm ANSYS ausgewertet werden. Im Anschluss soll anhand der resultierenden Weibull-Verteilungen zur Ausfallwahrscheinlichkeit eine Aussage getroffen werden, für welche Betriebsbedingungen die Ergebnisse des Tests übertragen werden dürfen.

Untersuchungen zur Sensitivität numerischer Lebensdauerprognosen gelöteter Chips in Abhängigkeit der Geometriemodellkomplexität

Elektrische Schaltungen für Sensoren und Aktoren werden meist auf Leiterplatten aus glasfaserverstärkten Epoxidharzlaminaten aufgebaut. In den letzten Jahren haben sich neben diesen Leiterplatten spritzgegossene Schaltungträger (Molded Interconnect Devices, MID) aufgrund ihrer flexiblen Einsatz- und ihrer dreidimensionalen Gestaltungsmöglichkeiten etabliert. Die Schaltungen werden mit gelöteten SMD (Surface Mounted Devices) aufgebaut, welche unterschiedliche Eigenschaften wie z. B. Baugröße, Bauart, Bauteiltoleranz und Ausformung der Kontaktierungsstelle besitzen. Diese Eigenschaften beeinflussen den mechanischen Spannungszustand der Komponente und wirken sich auf die Lebensdauer der Lötverbindung aus. Für die Vorentwicklung von elektro-nischen Baugruppen stehen für die Baugruppensimulation häufig keine realen Aufbauten zur Verfügung, nach denen eine realitätsgetreue Geometrie(z.B. durch Querschliffe) modelliert werden kann. Vereinfachte Geometrien beschleunigen zwar die Berechnung, können jedoch zu einem Fehler in der prognostizierten Baugruppenbelastung führen.
Ziel der Diplomarbeit ist es daher numerische Untersuchungen zu Geometriemodellen unterschiedlicher Komplexität am Beispiel auf MID gelöteter Chipwiderstände unterschiedlicher Baugröße mit dem Finite-Elemente-Programm ANSYS® Workbench™ durchzuführen. Basierend hierauf soll die Sensitivität der mechanischen Kenngrößen im Bauteil sowie der Lötstellenlebensdauer auf das gewählte Geometriemodell untersucht werden, um die Aussagekraft von Analysen unterschiedlicher Komplexität der Geometrie zu bewerten.

Untersuchungen der Langzeitzuverlässigkeit von LDS-Leiterbahnen unter Wechselbelastung

Beispiel für einen Dauerschwingversuchsaufbau
(Quelle: ISD, Uni Stuttgart)

LDS-Leiterbahnen auf Radarsensor für die adap-
tive Geschwindigkeitskontrolle (Quelle: HARTING Mitronics, Continental, Iskra Automobiltechnik)

Der serientaugliche Einsatz von laserdirektstrukturierten spritzgegossenen Schaltungsträgern (LDS-MID) unterliegt einem kontinuierlichen Wachstum. In der Automobil- oder Automatisierungstechnik setzt sich diese Technologie aufgrund ihrer herausragenden Vorteile wie z. B. Funktionsintegration und 3D-fähigen Schaltungslayouts bei Neu- und Weiterentwicklungen unterschiedlicher Produkte durch. Gleichzeitig werden durch die härteren Umgebungsbedingungen neue Anforderungen an LDS-MID gestellt, die nähere Untersuchungen benötigen.

Eine dieser Anforderungen ist die Langzeitzuverlässigkeit der Leiterbahnen. Diese hängt von fertigungs-, material- oder betriebstechnischen Faktoren ab. Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss der betriebsbedingten, mechanischen Schwingungen auf die Zuverlässigkeit von LDS-Leiterbahnen zu untersuchen. Dafür werden basierend auf einer statistischen Versuchsplanung (DoE) experimentelle Dauerschwingversuche an verschiedenen Prüflingen durchgeführt. Die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse sollen später zur numerischen Modellbildung des Ausfallverhaltens mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet werden. Die Arbeit kann mit Schwerpunkt auf dem experimentellen Teil oder der Modellbildung ausgelegt werden.

Konzeption und Auslegung eines kapazitiven Drehwinkelsensors

Am HSG-IMAT wurden verschiedene kapazitive Sensoren (Neigungswinkel-
sensor, Kuppelneigungssensor, Drucksensor, Kraftsensor) entwickelt. Zur Auswertung kam der Kapazität-Spannung-Wandler (CDC) AD7746 zum Einsatz.
Im Verlauf der Arbeit soll nun ein kapazitiver Drehwinkelsensor konzipiert, ausgelegt und ein Prototyp aufgebaut werden, um die Funktionalität nachzuweisen. Dabei soll wiederum der CDC zum Einsatz kommen. Dafür stehen die Erfahrungen der bisherigen kapazitiven Sensoren zur Verfügung.