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

Lebensdauerbestimmung von Mikro- und Nanosystemen

Die Lebensdauer- und Stresstests stellen eine essentielle Methode zur quantitativen und qualitativen Zuverlässigkeitsbewertung von Komponenten und Systemen dar. Zum einen ermöglichen die experimentellen Tests eine statistische Bewertung des Bauteilausfalls unter den vordefinierten Bedingungen, zum anderen ermöglichen sie die Ermittlung der Fehlermechanismen und Schädigungsbereiche innerhalb der Schadensanalyse. Damit ist es beispielsweise im Rahmen einer Technologie- bzw. Produktqualifizierung möglich, Aussagen über die Eignung einer konkreten Technologie (einschließlich der verwendeten Prozessparameter sowie Materialien) zu treffen bzw. die Einhaltung der geforderten Spezifikationen eines Produktes nachzuweisen.

Am Fraunhofer ENAS werden zahlreiche Lebensdauertests angeboten. Dazu gehören:

1. Mechanische Tests:

  • Vibrationstest
  • Mechanische Schocktests

2. Auslagerungen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen:

  • Feuchteauslagerung
  • Hochtemperaturauslagerung
  • UV-Auslagerung (Fluoreszenzalterung)

3. Temperaturwechseltests:

  • Temperaturwechsel und -schock
  • Power Cycling
  • Langzeit-/Dauertests

4. Zuverlässigkeitstests unter kombinierter Belastung

5. Elektrische und elektromagnetische Funktionsmessungen:

  • Monitoring von elektrischen Größen (mittlere Frequenz)
  • Hochfrequenzmessung

Alle Tests können sowohl einzeln als Dienstleistung als auch in Kombination mit umfangreichen Fehleranalysen bzw. Simulationstechniken angeboten werden, um die zugrundeliegende Fehlerphysik tiefgründig untersuchen zu können. Darüber hinaus können je nach Beschaffenheit und Funktion der Proben während der Lebensdauer- und Stresstests elektrische Messwerte (z.B. elektrischer Widerstand, Kapazität) überwacht werden. Dies kann entweder als Ex-situ-Messung in definierten Intervallen oder kontinuierlich als In-situ-Messung realisiert werden, wozu diverse Messsysteme und Eventdetektoren zur Verfügung stehen.

 

Leistungsangebot

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mechanische Tests für die Schwingungsprüfung

Schwingungsprüfer mit Temperatur- und Feuchtekammer
Schwingungsprüfung

Mit der zunehmenden Integration elektronischer Komponenten in allen Lebensbereichen, insbesondere auch bei Automotivanwendungen und in sicherheitsrelevanten Bereichen werden Zuverlässigkeitsbewertungen und Lebensdauervorhersagen zu einem bedeutenden Faktor bei der Produktentwicklung und Produktbewertung. Die in-situ-Beobachtung des Schwingungs- und Schädigungsverhaltens ist die Grundlage für Lebensdaueranalysen und Ausfallstatistiken. Die Schwingprüfanlage zur Zuverlässigkeitsuntersuchung kann gleichzeitig als Schwingungs-, Klima- und Temperaturwechsel-Belastung genutzt werden. Die Kombination aus Klimasystems, Schwingungsmesssystem, elektrischer und optischer in-situ-Messungen bildet eine Einheit, die die Voraussetzung für eine umfassende lokale und globale Schadensanalyse und Bauteilbewertung ist. Bei Bedarf sind die Komponenten auch separat bzw. in Kombination mit anderer Gerätetechnik nutzbar. Gleichzeitig bilden derartige experimentelle Untersuchungen die Grundlage für die Verifizierung und Weiterentwicklung numerischer Modelle zur Zuverlässigkeitsbewertung. Mittels Computertomographie kann eine Lokalisierung der Ausfallstellen bestimmt werden und eine gezielte metallographische Präparation erfolgen.

Anwendung

  • Zuverlässigkeitsuntersuchungen an elektronischen Komponenten in Kombination Temperatur/Feuchte/Schwingung
  • Auslagerung und Lebensdaueranalyse
  • Elektrische und optische In-situ-Messung der Bauteile während der Messung
  • Langzeittest zur beschleunigten Probenalterung

 

Auslagerung unter verschiedenen Umweltbedingungen

Beispiel für Schwingung mit Temperaturverlauf

Für die Zuverlässigkeitsbewertung mikroelektronischer und mikromechanischer Komponenten sind experimentelle Untersuchungen zur Schadensanalyse die Basis für realistische Lebensdauervorhersagen. Durch Temperaturschock-, Temperaturwechsel- und Klimabelastungen, auch im Hochtemperaturbereich, kann die beschleunigte Alterung an elektronischen Bauteilen nach Vorgaben der Industrie und Forschung umgesetzt werden.

Mittels in-situ Messungen von Widerständen während des Zyklens direkt am Bauteil, können die genauen Ausfallzeitpunkte ermittelt werden. Diese Erfassen die Widerstandsänderungen beim Wechsel von Warm- zur Kaltkammer und bestimmen das Ausfallverhalten der einzelnen Bauteile (Drift- oder Sprungausfall).

Die Untersuchung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer thermisch hochbelasteter und thermisch hochbelastbarer Baugruppen insbesondere der Leistungselektronik ist ein hochaktueller Aufgabenbereich.

Unter dem Aspekt der verstärkten Nutzung regenerativer Energien und den Entwicklungen auf dem Gebiet der Elektromobilität stellen sich neue Anforderungen an die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der in diesem Bereich eingesetzten Werkstoffe, Werkstoffverbunde und Verbindungstechniken. So werden für die Hochtemperaturanwendungen neuartige Lotwerkstoffe mit Schmelztemperaturen bis in den Bereich von 450°C entwickelt. Gleichzeitig müssen die dazu passenden Werkstoffe, Werkstoffverbunde und Konstruktionselemente diesen Hochtemperaturanforderungen genügen. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften dieser neuen Werkstoffe sind jedoch noch weitgehend unbekannt.

Zur Ermittlung der entsprechenden Kennwerte sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen erforderlich.  Um Aussagen zu Lebensdauer und Zuverlässigkeit derartigen Komponenten zu erhalten,  müssen (analog zu den in der Mikroelektronik üblichen Prüfmethoden) Untersuchungen zum thermischen Verhalten der einzelnen Komponenten und Verbunde durchgeführt werden. Erst mit entsprechenden experimentellen Daten gelingt es dann auch realistische numerische Modelle für Simulationen zum Hochtemperaturverhalten entsprechender Komponenten zu erstellen. 

 

Anwendungen

  • Zuverlässigkeitsuntersuchungen an mikroelektronischen Bauelementen nach Vorgaben
  • Beschleunigte Alterung durch Temperaturschockbelastung
  • Sekundenschnelle Temperaturwechsel
  • Langzeituntersuchungen
  • Optische Bilderfassung von Schädigungen durch Temperatureinfluss
  • Lokalisierung der Ausfallstellen mittels Computertomographie und gezielte metallographische Präparation

 

© Fraunhofer ENAS

Langzeit-/ Dauertests

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Power Cycling

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Temperaturwechsel- und Schock

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Mess- und Prüfsystem für thermo-mechanische Zuverlässigkeitsuntersuchungen
Anbindung Schwingungssystem

Mit der zunehmenden Integration elektronischer Komponenten in allen Lebensbereichen, insbesondere auch bei Automotivanwendungen und in sicherheitsrelevanten Bereichen, werden Zuverlässigkeitsbewertungen und Lebensdauervorhersagen zu einem bedeutenden Faktor bei der Produktentwicklung und Produktbewertung.

Das vorhandene Klimasystem und die Schwingprüfanlage dienen der Zuverlässigkeitsuntersuchung an Bauteilen unter gleichzeitiger Schwingungs-, Klima- und Temperaturwechsel-Belastung. Die Online-Überwachung der elektrischen Kennwerte ist die Grundlage für Lebensdaueranalysen und Ausfallstatistiken. Durch die technischen Voraussetzungen zur Integration optischer Beobachtungstechniken sind die Möglichkeiten zur in-situ-Beobachtung des Schwingungs- und Schädigungsverhaltens der Bauteile vorhanden. Die Kombination aus Klimaschrank, Schwingungsmesssystem, elektrischer und optischer in-situ-Messungen bildet eine Einheit, die die Voraussetzung für eine umfassende lokale und globale Schadensanalyse und Bauteilbewertung ist. Bei Bedarf sind die Komponenten auch separat bzw. in Kombination mit anderer Gerätetechnik nutzbar. Gleichzeitig bilden derartige experimentelle Untersuchungen die Grundlage für die Verifizierung und Weiterentwicklung numerischer Modelle zur Zuverlässigkeitsbewertung.

Anwendungen:

  • Zuverlässigkeitsuntersuchungen an elektronischen Bauelementen in Kombination Temperatur / Feuchte / Schwingung
  • Auslagerung und Lebensdaueranalyse mit gleichzeitiger Funktionsprüfung
  • Frequenzganganalyse von MEMS

Technische Spezifikation:

  • Klimakammer:
    • Volumen Klimakammer: 600 l / Volumen Zusatzkammer (Schwingungssystem): 80 l
    • Temperaturbereich: -60 bis 180°C
    • Feuchtebereich: 10% bis 95%
    • Max. Temperaturänderungsrate: 4 K/min
    • Max. Probengewicht: 35 kg
    • Beobachtungsfenster für optionale, optische Messungen
  • Schwingungssystem:
    • Sinus 7,5 kN / Rauschen 6,75 kNeff  / Schock 15,0 kN
    • Verschiebung: +/- 26,0 mm
    • Frequenzbereich: 1 Hz bis 3 kHz
    • Max. Probengewicht: 5,5 kg
  • In-situ-Messtechnik:
    • Widerstandsmessgeräte mit 180 bzw. 200 Kanälen (4-Leiter-Messtechnick
    • Event-Detektor (192 Kanäle; einstellbarer Widerstandsschwellwert: 100 bis 5000 Ohm; Min. Eventdetektion: 200 ns,)
    • Zusätzliche, externe Beschaltung (Strom, Spannung, …) möglich