Entwicklung eines spannungssensitiven Bauelements als Packaging-Äquivalent in der Oberflächenmontage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde erstmalig eine Methode entwickelt, den realen auf ein SMD-Chip-Bauelement wirkenden Belastungszustand messbar abzubilden. Insbesondere die Berücksichtigung des charakteristischen Verhaltens der Fügestelle und somit die Berücksichtigung layoutspezifischer Faktoren, wie dem Paddesign, und technologischen Faktoren, wie Fügematerial und ggf. auftretende Phasengrenzschichten, eröffnen neue Möglichkeiten der wissenschaftlichen Betrachtung. Dies stellt eine fundamentale Verbesserung der bisherigen Methoden dar und bietet einen ganzheitlichen Analyseansatz. Durch die erstmalige Kombination der beiden bisher separat betrachteten Methoden der DMS-basierten experimentellen Spannungsanalyse auf der einen Seite und der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens miniaturisierter Fügestellen auf der anderen Seite werden Messungen im unveränderten mechanischen System der bestückten Leiterplatte unter Berücksichtigung der spezifischen Charakteristik einer Fügeverbindung ermöglicht. Es konnten weitere Ansatzpunkte für eine Weiterentwicklung in industrienahen Forschungsinitiativen angeregt werden. Zunächst gilt es, den Fertigungsprozess der S³MD-Bauelemente weiter zu optimieren. Insbesondere bei der Wahl des Substratmaterials für die kapazitive Bauform ist aufgrund der aufgetretenen Brüche eine Entwicklung zwingend notwendig. Des Weiteren muss die Methode der Prozessvalidierung für einen Gebrauch nach industriellen Maßstäben erweitert werden. Dazu ist es notwendig, die vorgestellten Bauelemente für die maschinelle Bestückung zu verifizieren. Die Bauteile müssen in gerichteter Ordnung gegurtet werden, um dann eine Verarbeitung in automatisierten Bestückungslinien zu ermöglichen. Auch werden weitere Arbeiten zum mechanischen Verhalten der Fügestellen angestrebt. So wurde in verschiedenen Forschungsvorhaben gezeigt, dass bei einer immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung und der damit einhergehenden Reduzierung der Werkstoffvolumina insbesondere in Lotverbindungen Effekte auftreten, welche signifikanten Einfluss auf die Schadensmechanismen haben. Es wurde gezeigt, dass insbesondere der Anteil der intermetallischen Phasen am Gesamtlotvolumen weiter ansteigt und für das mechanische Verhalten der Fügestelle nicht mehr zu vernachlässigen ist. Die Ausgestaltung der intermetallischen Phase ist im hohen Maße abhängig von den verwendeten Materialien und dem durchlaufenen Temperaturprofil während des Lötprozesses. Darüber hinaus unterliegt die Ausbildung der Grenzfläche einer gewissen stochastischen Komponente. Insbesondere für die FE-Modellierung entsteht dabei das Problem einer technologieund prozessabhängigen und somit unzureichend bekannten Materialcharakteristik, die darüber hinaus direkt den Ort des Schadenseintrags betrifft. Hier können experimentelle Messwerte der über die Fügestelle auf ein Bauteil übertragenen mechanischen Belastung einen essenziellen Beitrag für Rückschlüsse auf die reale Materialcharakteristik der Fügestelle leisten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013): S3MD, Stress Sensitive Surface Mounted Devices for in-situ monitoring of mechanical processes in PCB manufacturing. In: IEEE SENSORS 2013 - Proceedings
Majcherek, S.; Hirsch, S.; Schmidt, B.
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(2015): MEMS-basierte experimentelle Spannungsanalyse zur Prozessqualifikation in der Elektronikfertigung am Beispiel von keramischen Vielschichtkondensatoren. 1. Aufl. Göttingen: Sierke Verlag
Majcherek, Sören
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(2015): Silicon based in-situ measurement system for flex loads on MLCCs in PCB manufacturing chain. In: Sensors and Actuators A: Physical 233, S. 267–274
Majcherek, S.; Aman, A.; Hirsch, S.; Schmidt, B.
