Elektromagnetische und thermomechanische Charakterisierung und Zuverlässigkeitsbewertung

Systemische und Langzeit-Effekte auf die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen für die Mobilität der Zukunft

© Fraunhofer ENAS
Verteilungsstruktur lokaler Verwölbungen auf einer montierten Leiterplatte mit Steuereinheiten eines Automobils unter thermischer Belastung.
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Charakteristische Rissbildung in SAC-Lötstellen nach acht Jahren Zykluszeit.

Angesichts der sehr hohen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen, die für die Entwicklung elektronischer Systeme in Anwendungen Richtung autonomes Fahren von besonderer Bedeutung sind, kann ein erneutes Interesse an der Zuverlässigkeitsanalyse und -vorhersage für elektronische Verbindungen festgestellt werden. Ein Schwerpunkt ist die Beständigkeit von bleifreien Lötverbindungen.

Theoretische Modellierung ist weit verbreitet, um Risiken von thermo-mechanisch induziertem Versagen in elektronischen Systemen zu bewerten. Die Komplexität der Modelle ist jedoch sowohl in Bezug auf die Systemgeometrie, z. B. komplett montierte Einheiten, als auch in Bezug auf die Bewertungskriterien, die häufig Systemwirkungen nicht berücksichtigen, noch begrenzt. Daher wurde eine Methodik entwickelt, die Mess- und Simulationstechniken kombiniert, um die Zuverlässigkeitsbewertung auf Bord- und Systemebene zu verbessern. Es wurde ein optisches Multisensor-Messsystem entwickelt, das in der Lage ist, präzise Deformationsmessungen von Platinen in elektronischen Steuergeräten (ECUs) von globaler bis lokaler Ebene durchzuführen. Die hohe Präzision, die über der von bisher verwendeten Lösungen liegt, ermöglicht insbesondere die Messung von Bauteilverformungen bis in den Nanometerbereich unter Systembelastungsbedingungen. Zusätzlich erlauben Software-Tools die Bestimmung abgeleiteter Größen wie Dehnungen, lokale Krümmungen und lokale Verzugsradien. Letzteres kann als Input für FE-Simulationen verwendet werden.

Eine weitere Herausforderung von allgemeinem Interesse ist ein Missionsprofil-Transformationsprozess bis hin zu relevanten mechanischen, thermischen und elektrischen Schnittstellen betroffener Komponenten. Die Qualität und Präzision der Beschleunigungsmodelle muss auch bei Lötstellen neu untersucht werden. Um die theoretischen Modelle zu kalibrieren, wird seit mehr als acht Jahren ein typischer thermischer Feld-Zyklus-Test mit langsamen Temperaturschwankungen (20 / 90 °C) und einer relativ langen Verweilzeit (6 h) durchgeführt. Die linke untere Abbildung zeigt die Rissbildung von SAC-Lötstellen nach acht Jahren Zykluszeit.