Degradation of the electrical performance of Printed Circuit Boards (PCBs) after cyclic thermo-mechanical loading

Titel in Übersetzung: Einfluss von zyklischen thermischen Lasten auf die elektrische Leistungsfähigkeit von Leiterplatten

Klaus Fellner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

51 Downloads (Pure)

Abstract

Wird eine Leiterplatte wechselnden Temperaturen ausgesetzt, entstehen mechanische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien. Da die Leiterbahnen selbst aus Kupfer bestehen, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Charakterisierung dünner Kupferschichten. Die mechanischen Eigenschaften dieser Kupferschichten werden in zyklischen Vierpunkt-Biegetests und in zyklischen Zug-Druck-Tests charakterisiert, da das Verhalten der Kupferschichten bei wechselnder Zug- und Druckbelastung bestimmt werden muss. Prüfkörper für die Vierpunkt-Biegetests werden durch Aufkleben von dünnen Kupferschichten auf beide Seiten einer Silikonplatte hergestellt. Das Silikon wird in Zug- und Scherversuchen sowie in biaxialen Tests charakterisiert, um Eingangsdaten für ein hyperelastisches Materialmodell zu sammeln. Prüfkörper für die zyklischen Zug-Druck-Tests werden in einem Formpressverfahren hergestellt. Vier Schichten aus glasfaserverstärktem Epoxidharz und fünf Schichten aus Kupfer werden verpresst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vierpunkt-Biegetests aufgrund der Hyperelastizität des Silikons nur für kleine Dehnungen anwendbar sind. Die zyklischen Zug-Druck-Tests können erfolgreich eingesetzt werden, um Dehnungen bis zu einem Prozent aufzubringen. Daher werden diese Tests bei unterschiedlichen Temperaturen und R-Verhältnissen durchgeführt. Die erhaltene Materialantwort wird mit Hilfe des "Nichtlinearen isotropen / kinematischen Verfestigungsmodells", welches in der Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Software Abaqus zur Verfügung steht, modelliert. Es ist zur Simulation des zyklischen plastischen Materialverhaltens von Metallen geeignet. Für jeden Lastfall wird der optimale Parametersatz in einem Optimierungsverfahren bestimmt. Auf Basis der bekannten Parametersätze der einzelnen Lastfälle wird die Kalibrierung eines "Nichtlinearen isotropen/kinematischen Verfestigungsmodells" für alle Temperaturen und R-Verhältnisse durchgeführt. Kinematische Verfestigungsparameter werden in einem Optimierungsprozess aus den hysteretischen Kraft-Dehnungskurven der zyklischen Zug-Druck-Tests bestimmt. Aus den Hysteresen einzelner Zyklen werden inkrementell Kurven der Fließspannung über der plastischen Dehnung konstruiert. Aus diesen werden die isotropen Verfestigungsparameter abgeleitet. Diese hängen jedoch vom R-Verhältnis ab. Daher werden unterschiedliche Ansätze zur Modellierung dieser Abhängigkeit evaluiert. Da diese Ansätze aber zur Simulation dehnungsgesteuerter Versuche entwickelt wurden, die experimentellen Daten aber aus kraftgesteuerten Versuchen stammen, wird eine phänomenologische Formulierung entwickelt. Diese verwendet die beobachtete Mittelspannungsabhängigkeit der plastischen Materialeigenschaften und wird daher als "Modell der mittleren Rückspannung" bezeichnet. Die Ergebnisse von Krümmungsmessungen während thermischer Belastung werden zur Modellvalidierung verwendet. Die experimentellen Ergebnisse und die numerischen Vorhersagen stimmen gut überein. Verschiedene Leiterplattendesigns werden im „Interconnection Stress Test“ (IST) geprüft. Bei den Tests werden Leiterplatten thermisch zwischen zwei Extremen zykliert. Der elektrische Widerstand wird während dieser Versuche mitgemessen. Erhöht sich der Widerstand um mehr als 10% des Ausgangswertes, so wird der Test abgebrochen. Die Leiterplattenstrukturen werden in Abaqus modelliert. Die so berechneten Spannungs- und Dehnungszustände dienen als Basis für ein Porenwachstumsmodell. Anschließend werden elektrische FEA durchgeführt, um eine Korrelation zwischen dem Porenvolumenanteil in den verschiedenen Leiterplattenstrukturen und der elektrischen Widerstandserhöhung zu erhalten. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen, um Parameter zu bestimmen. Die berechnete Verteilung des Porenvolumenanteils wird mit Schliffbildern von getesteten Leiterpl
Titel in ÜbersetzungEinfluss von zyklischen thermischen Lasten auf die elektrische Leistungsfähigkeit von Leiterplatten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pinter, Gerald Gerhard, Beurteiler B (intern)
  • Fuchs, Peter Filipp, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2015

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 16-12-2020

Schlagwörter

  • Kupfer
  • dünne Schichten
  • Vier-Punkt-Biegetest
  • Zug-Druck-Test
  • Leiterplatte
  • zyklische mechanische Eigenschaften
  • isotrope Verfestigung
  • kinematische Verfestigung
  • Dehnungsbereichsabhängigkeit
  • Mittelspannungsabhängigkeit
  • zyklische thermische Belastungen
  • zyklische Plastizität
  • Porenwachstum
  • entkoppelte mechanisch-elektrische Simulation

Dieses zitieren