Analysen der Lotermüdung an montierten Testbaugruppen unter Thermowechselbeanspruchungen

Abstract:
In der Automobilelektronik sind Zuverlässigkeitstests und Zuverlässigkeitsprognosen durch den Einsatz von Elektronik in sicherheitsrelevanten Bereichen, die auf autonomes Fahren abzielen, von weiter zunehmenden Interesse. Die Erfahrung zeigt, dass der Ausfall in diesen Anwendungen durch die Einbau- und Gehäusesituation beeinflusst werden kann., die besonders relevant sind für Steuergeräte in rauen Umgebungen, in denen Schutz vor Feuchte, Medieneinflüssen und Vibration erfolgt und das Gehäuse häufig Entwärmungsfunktionen übernimmt. Im Projekt TRACE wurden daher Zuverlässigkeitsuntersuchungen an kombinierten Sensor/ASIC-Systemen in QFN-Gehäusen, die keine Standard Automobilelektronik (AE)-Komponenten sind, unter Montagebedingungen durchgeführt. Neue Testaufbauten wurden konstruiert, um die Auswirkungen der Montage zu untersuchen. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation wurden diese Belastungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Spannung in den Lötverbindungen analysiert. Erste vereinfachte Simulationen im Zusammenhang mit den charakteristischen AE-T-Zyklen -40/125 °C zeigten sehr signifikante Auswirkungen der Montage auf die Lotermüdung. Diese prognostizierten frühen Ausfälle wurden auch in Temperaturzyklustests festgestellt, wobei teilweise geringere Ausfallzykelzahlen erreicht wurden als erwartet. Mittels einer ebenfalls neuentwickelten optischen Verformungsmesstechnik wurden daher sowohl in-plane Dehnungszustände als auch out-of-plane Verwölbungszustande der Boards unter Temperatureinfluss gemessen. Bei Messungen nach verschiedenen Zykluszuständen hat sich gezeigt, dass die Boards ein bisher unbekanntes sehr komplexes Verformungsverhalten zeigen, nämlich nichtelastische Streckungen, teilweise bei hohen Temperaturen wieder relaxierend, sowie zyklusabhängige Änderungen effektiver CTEs. Gleitbewegungen in den Fixationspunkten konnten ebenfalls detektiert werden. Darüber hinaus zeigten die Aufbauten deutliche transiente Temperaturgradienten (Board/Heatsink), abhängig von der Heiz-/Kühlrate der Tests, die zunächst in den Simulationen nicht berücksichtigt worden waren. Bei Berücksichtigung der gekoppelten transienten thermisch-mechanischen Felder können weitere deutliche Beanspruchungseffekte in der Simulation gefunden werden, die sowohl hinsichtlich der Testdurchführung als auch möglicher Testbeschleunigungen von Interesse sind. Die Fehlerdetektion erfolgte mittels elektrischer on-line Messung, aber auch die mikrostrukturellen Ermüdungsvorgänge wurden in Schliff- und EBSD-Analysen verfolgt.