Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme

Modellierung und Simulation

Die Qualität von elektronischen Bauteilen beinhaltet vor allem Aspekte der Zuverlässigkeit, Robustheit und Nachhaltigkeit. Intelligente Mikrosystemanwendungen aus den verschiedensten Bereichen wie Transport, Kommunikation, Energie, Fertigung sowie Sicherheit unterliegen ständig wachsenden Anforderungen an die Qualität. Die Arbeitsgruppe Modellierung und Simulation unterstützt Entwicklungsprozesse in diesen Bereichen durch wissenschaftliches und multidisziplinäres Wissen, Techniken und Werkzeuge der Modellierung und Simulation, um die Ressourceneffizienz, die geforderten Sicherheitsaspekte, die Funktionalität und die Rentabilität der Systeme zu erreichen. Insbesondere die große Bandbreite an Zuverlässigkeitsthemen, die in diesen schnell wachsenden Bereichen auftreten, erfordert eine enge Interaktion zwischen theoretischer Modellierung, numerischer Berechnung und experimenteller Validierung. Die Verbindung von Materialmodellgenerierung, Bruch- und Schädigungsmechanik, Zuverlässigkeitsbewertung und -optimierung unter Zuhilfenahme des virtuellen Prototypings ist der Schlüssel zur Überwindung von Zuverlässigkeitsproblemen in der Mikroelektronik.

Dabei kommt einer exakten Beschreibung des Materialverhaltens unter dem Aspekt fortschreitender Miniaturisierung eine wesentliche Bedeutung zu. Adäquate Materialmodelle für den Mikrobereich werden daher kontinuierlich entwickelt und verbessert. Über die Simulation der Deformations- und Spannungszustände hinaus werden mittels Bruch- und Schädigungsmechanik Fehlermodi in elektronischen und mikrosystemtechnischen Komponenten analysiert sowie mögliche Ausfälle prognostiziert. Für die Zuverlässigkeitsbewertung und -optimierung liegt bereits ein großer Erfahrungsschatz vor, der auf Basis neuer Projekte ständig angereichert wird. Virtuelles Prototyping basierend auf neuesten Simulationstechnologien kommt dazu als intelligentes und effizientes Werkzeug umfassend bei der Produktentwicklung am Fraunhofer ENAS zur Anwendung.

Ausgestattet mit eigener Hochleistungsrechentechnik und einem umfangreichen Pool aus High-fidelity-Software ist das Fraunhofer ENAS in der Lage, Zuverlässigkeitsanalysen im Nano- und Mikrobereich von der BEoL- bis zur Boardebene anzubieten:

  • Numerischer Berechnung und experimentelle Validierung  von Deformations- und Spannungszuständen
  • Materialmodellgenerierung (speziell auch für den Mikrobereich)
  • Bruch- und Schädigungsmechanik und zugehörige Kriterien
  • Zuverlässigkeitsbewertung und -optimierung: Analyse von Fehlermodi und Ausfallprognose
  • Virtuelles Prototyping in der Produktentwicklung

Überblick Leistungsangebot

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Die Ziele der Materiamodellgenerierung sind adäquate Materialmodelle und -parameter für die numerische Simulation zur Beschreibung des Materialverhaltens unter dem Aspekt fortschreitender Miniaturisierung.

Die Anwendung ist die Beschreibung des Materialverhaltens im Nano- und Mikrobereich zur Analyse von Fehlermodi in elektronischen und mikrosystemtechnischen Komponenten mittels Simulation von Deformations- und Spannungszuständen, Bruch- und Schädigungsmechanik sowie die Prognostik möglicher Ausfälle für die Zuverlässigkeitsbewertung und -optimierung.

Folgende Methoden kommen hierbei zum Einsatz:

  • Python- und APDL-Scripting, Optislang (DoE)
  • Parameterextraktion aus dedizierten Experimenten
  • Bestimmung der Temperatur- und Deformationsgeschwindigkeitsabhängigkeiten von Materialparametern für nichtlineare Materialmodelle
  • Ermittlung von Bruchparametern aus makro- und mikroskopischen Versuchen (Bulk- und Interfacebruch)
  • Co-Simulation von Belastungsexperimenten zur Parameterextraktion mit DoE und Optimierung

Verwendete Geräte/Software:

  • ANSYS/APDL
  • ABAQUS/Python
  • Optislang
  • Isight

Zur konservativen Beurteilung der Stabilität gegenüber etwaiger Rissausbreitung oder Komplettausfall infolge von Bruchvorgängen stehen verschiedene Konzepte bereit (anwendbar in ebenen, quasiebenen, axialsymmetrischen und vollständig räumlichen Modellen):

  • Energiefreisetzungsrate (ERR), die beschreibt welche elastische Energie bei einem kleinen infinitesimalen Rissfortschritt freigesetzt wird (Griffith),
  • Der Spannungsintensitätsfaktor (für verschiedene Rissöffnungsmoden), der das singuläre Spannungsfeld vor der Rissspitze bewertet (eine konventionelle Auswertung der lokalen Spannungen macht ja dort keinen Sinn, weil Netzdichteabhängig),
  • Integrale Bruchkenngrößen wie das J-Integral, die ähnlich wie die Energiefreisetzungsrate an einem Integrationspfad rings um die Rissspitze (aber weit genug entfernt, um die in natura ja nicht vorhandene Spannungssingularität zu meiden) die bei einer infinitesimalen Rissverlängerung darstellt, welche elastische Energie durch diese Kontur hindurch nach außen verloren geht.
  • Die virtuelle Rissschliessungstechnik (VCCT, Irvin), die in ihrer Anpassung an die FEM (Rybicki, Kanninen) die Energiefreisetzungsrate liefert.
  • Das C*-Integral, dass herangezogen werden kann zur Beurteilung, ob ein sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitender Riss seinen Fortschritt beschleunigt oder nicht,
  • Die Separation der Parameter entsprechend der möglichen Rissöffnungsmoden,
  • Die Ermittlung der wahrscheinlichen Rissausbreitungsrichtung.

Neben den üblicherweise erforderlichen Daten zur Modellgeometrie, zur Belastung und Belastungsgeschichte, Randbedingungen, Temperatur, Kontakt und Materialdaten müssen dann in enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber auch die bruchmechanischen Kenngrößen – Bruchzähigkeiten - der relevanten Materialien bereitgestellt werden, es sei denn, genau diese zu ermitteln, wäre der Zweck der Untersuchungen.

Zur konservativen Beurteilung der Stabilität gegenüber etwaiger Rissausbreitung oder Komplettausfall infolge von Bruchvorgängen stehen verschiedene Konzepte bereit (anwendbar in ebenen, quasiebenen, axialsymmetrischen und vollständig räumlichen Modellen):

Energiefreisetzungsrate (ERR), die beschreibt welche elastische Energie bei einem kleinen infinitesimalen Rissfortschritt freigesetzt wird (Griffith),

Der Spannungsintensitätsfaktor (für verschiedene Rissöffnungsmoden), der das singuläre Spannungsfeld vor der Rissspitze bewertet (eine konventionelle Auswertung der lokalen Spannungen macht ja dort keinen Sinn, weil Netzdichteabhängig),

Integrale Bruchkenngrößen wie das J-Integral, die ähnlich wie die Energiefreisetzungsrate an einem Integrationspfad rings um die Rissspitze (aber weit genug entfernt, um die in natura ja nicht vorhandene Spannungssingularität zu meiden) die bei einer infinitesimalen Rissverlängerung darstellt, welche elastische Energie durch diese Kontur hindurch nach außen verloren geht.

Die virtuelle Rissschliessungstechnik (VCCT, Irvin), die in ihrer Anpassung an die FEM (Rybicki, Kanninen) die Energiefreisetzungsrate liefert.

Das C*-Integral, dass herangezogen werden kann zur Beurteilung, ob ein sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitender Riss seinen Fortschritt beschleunigt oder nicht,

  • Die Separation der Parameter entsprechend der möglichen Rissöffnungsmoden,
  • Die Ermittlung der wahrscheinlichen Rissausbreitungsrichtung.

Neben den üblicherweise erforderlichen Daten zur Modellgeometrie, zur Belastung und Belastungsgeschichte, Randbedingungen, Temperatur, Kontakt und Materialdaten müssen dann in enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber auch die bruchmechanischen Kenngrößen – Bruchzähigkeiten - der relevanten Materialien bereitgestellt werden, es sei denn, genau diese zu ermitteln, wäre der Zweck der Untersuchungen.

 

elektronisch, thermisch, mechanische Feldkopplung

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Simulation dynamisches Verhalten

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