Micro Materials Center

Ihr Partner für Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten

Micro Materials Center

Ihr Partner für die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten

Micro Materials Center

Ihr Partner für die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten

Micro Materials Center

Zuverlässigkeit

Einflüsse auf die Zuverlässigkeit

Das Fraunhofer ENAS widmet sich den komplexen Herausforderungen der Zuverlässigkeit von neuen Lösungen auf dem Gebiet der Elektronik- und Smart-Systems-Integration. Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung ist das Micro Materials Center (MMC) des Fraunhofer ENAS in Europa einer der wichtigsten Treiber der Methodenentwicklung und ein kompetenter Anbieter von F&E-Dienstleistungen. Im Bereich der Zuverlässigkeitsforschung kombinieren die Mitarbeiter der Abteilungen MMC, Advanced System Engineering und Multi Device Integration folgende Gebiete:  

 

 

  1. Strategien für die umfassende Zuverlässigkeitsprüfung und Analyse mit minimalem Aufwang
  2. Beschleunigung der Zuverlässigkeitsbewertung durch virtuelle Techniken auf Basis numerischer Simulation
  3. Verhinderung des unerwarteten Funktionsausfalls durch prädiktive Eigenüberwachung (Health Management, Self-Diagnosis)

Dabei wird das wechselseitige Zusammenspiel aller Ebenen (Werkstoff, Prozess, Bauteil, System und Einsatz) bei Analyse und Optimierung der Zuverlässigkeit umfassend erforscht und einbezogen (Bild).

 

Das rasante Wachsen des Internet der Dinge (IoT) und umwälzende Neuerungen auf den Gebieten

  • der Mobilität hin zum automatischen Fahren und zur Elektromobilität aber auch in der Avionik,
  • der Fabrik-Automatisierung zur Gestaltung und Umsetzung der Strategie 'Industrie 4.0',
  • der Energiewende mit neuartigen Lösungen zur dezentralisierten Energieerzeugung,
  • der Infrastruktur für die Energie- und Medienverteilung (smart Grid) sowie zur umfassenden Vernetzung aller Bereiche des öffentlichen Lebens (smart City) und vielen anderen Gebieten wie z.B. Gesundheit, Freizeit und Kommunikation

beflügelt das Entstehen neuer Integrationstechnologien für die Smart Systems stark.

Auswirkung Zuverlässigkeit

Sie erlaubt eine kontinuierliche Zunahme der Komplexität der realisierten Funktionalität, der Anzahl integrierter Komponenten und der eingesetzten Werkstoffsysteme. Dabei werden steigende Anforderungen an die Umwelt- und Betriebsbedingungen, unter denen sie eingesetzt werden können, und an die funktionale Sicherheit bzw. Systemverfügbarkeit gestellt. Dennoch ist eine Verminderung der benötigen Ressourcen bei der Entwicklungszeit und bei den Produktionskosten nötig, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Jeder Einzeltrend erhöht das Ausfallrisiko für die neuen Komponenten und Systeme. Ihr tatsächlich simultanes Auftreten bei hoher Dynamik ergibt eine bis dato beispiellose Steigerung im Forschungsbedarf zu neuen Methoden für die Sicherung der notwendigen Zuverlässigkeit (Bild).

 

Eine wichtige Kernkompetenz des Fraunhofer ENAS ist die Forschung auf dem Bereich der thermomechanischen Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten und Systeme. Die Zuverlässigkeitsbeurteilung hat in ihrer zeitlichen Entwicklung verschiedene Stadien durchlebt. Diese bauen auch heute noch auf einander auf. Sie geben einen Überblick über die Entwicklungsfelder mit denen sich die Kernkompetenz beschäftigt.

Die erste Generation beschäftig sich mit der Zuverlässigkeitspraxis, das bedeutet mit Tests nach vorgegebenen Standards und Normen. Diese sind oftmals jedoch unzureichend und zu global ausgelegt, um genaue Aussagen über das Verhalten von komplexen Komponenten und Systemen treffen zu können. Die heutige Technik benötigt somit neue Ansätze für eine präzise Abschätzung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Physikalisch werden in diesem Bereich der Zuverlässigkeitsuntersuchung versteckte Mängel, welche zu Frühausfällen führen können, ermittelt sowie der Verschleiß und altersbedingte Ausfälle bei normaler Nutzung beurteilt. Grundlage sind dafür sind die gute technische Ausstattung der Gruppe Analytik und Charakterisierung sowie das personelle Knowhow. Standardisierte Testmethoden und Auswerteroutinen kommen innerhalb vieler Projekte ebenso wie als Dienstleistung zur Anwendung. Zur Auslegung neuer Komponenten wird bei der Simulation auf ein Sicherheitsfaktorkonzept zurückgegriffen.

Die Analyse spezifischer Betriebsbelastungen, des Verhaltens und der Belastbarkeit der eingesetzten Werkstoffe und Strukturen sowie der resultierenden Degradations- und Ausfallmechanismen wird auch Physics of Failure genannt und entspricht der zweiten Generation der Zuverlässigkeitsbeurteilung. Sie ist ebenfalls ein Teil der Analytik und Charakterisierung. Die Herausforderung besteht in der Abbildung der multimodalen Beanspruchung, deren die Komponenten und Bauteile in der Herstellung sowie im Betrieb ausgesetzt sind sowie in der Heterogenität und Komplexität des Aufbaus elektronischer Komponenten und Systeme. Es ist eine globalere Betrachtung der Zusammenhänge in Form einer Multifeld- oder Multiscalenanalyse notwendig, um die Systeme ganzheitlich beschreiben, verstehen und beurteilen zu können. Aktuelle Arbeiten auf diesem Gebiet laufen innerhalb der Gruppe Lebensdauermodellierung im Bereich Leistungselektronik und Harsh Environment.

Die dritte Generation der thermomechanischen Zuverlässigkeit ist die Eigenüberwachung der Elektronik durch neue und vorhandene Sensoren. Mithilfe individueller Triggerpunkte sollen Degradationsprozesse in konkreten Elektroniksystemen sowie eine Restlebensdauerabschätzung des Systems möglich gemacht werden. Angewendet werden soll dieser Ansatz als Frühwarnindikator zum Beispiel in der Automobilindustrie sowie im Health Score. Eine Aufgabe der Modellierungs- und Simulationsgruppe besteht darin diese neuen Ansätze auf den Weg zu bringen.

 

Die Kernkompetenz "Reliability of Components" fokusiert ihre Forschungsarbeiten auf die Lebensdauerbestimmung, die Analytik und Charakterisierung sowie Modellierung und Simulation.