Fraunhofer-Institut für Elektronische NanosystemeKombinierte experimentell-numerische Methoden für die thermo-mechanische Systemzuverlässigkeit
Der Einsatz von Elektronik unter rauen Umgebungsbedingungen nimmt immer noch zu. Ein großes Problem der Zuverlässigkeit ist die Ermüdung der Lötverbindungen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Consumer-Komponenten in den Automobilbereich gelangen. Fragen der Lotermüdung hinsichtlich der Unterschiede im Ermüdungsverhalten bei standardmäßigen freistehenden Leiterplattenprüfungen und den Auswirkungen der Leiterplattenmontage wurden bisher selten analysiert.
Es wurde eine Methodik entwickelt, die Mess- und Simulationstechniken für eine verbesserte Zuverlässigkeitsbewertung auf Systemebene kombiniert. Dabei wird ein optisches Multisensor-Messverfahren angewandt, das in der Lage ist, präzise Verformungsmessungen von Komponenten- bis Leiterplattenlevel durchzuführen, auch bei Montage in elektronischen Steuergeräten. Die Methodik wurde an Testaufbauten demonstriert, bei denen die lokalen Verwölbungs- und In-plane-Dehnungseffekte bis auf Komponentenebene (Sensorsysteme in Gehäusen) analysiert werden. Die Komponentenbelastungen der »Dritten Ebene« stammen entweder aus dem Aufschrauben auf Aluminiumplatten oder aus Vier-Punkt-Biegebeanspruchungen, siehe Abb. 1. Mit Hilfe der FE-Simulation wurden die Verformungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Spannungen in Lötverbindungen analysiert. Aufgrund der Montage wurde ein dramatischer Abfall der Lotermüdungslebensdauer von bis zu mehreren hundert Prozent beobachtet.