Characterization and Simulation of the Deformation and Failure Behavior of Printed Circuit Boards (PCB)

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein systematischer Ansatz zur Lebensdauerabschätzung von Leiterplatten unter Impactbelastung gezeigt. Während aktuelle Ansätze auf standardisierten Falltests ganzer Leiterplatten beruhen, wurde versucht eine alternative Methode basierend auf Finite Elemente (FE) Simulationen zu entwickeln. Ziel dabei war die notwendigen Experimente auf Leiterplattenebene, die teuer und zeitaufwendig sind, zu reduzieren. Um jedoch einen Falltest zu simulieren, müssen die Randbedingungen des Experiments und das Verhalten der modellierten Materialen bekannt sein. Deswegen wurde eine detaillierte Analyse des Falltests und der eingesetzten Materialien durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Simulationsmodell erstellt. Die Simulationen wurden mit den Experimenten abgeglichen um das Modell zu evaluieren. Dabei wurde eine weitgehend gute Übereinstimmung gefunden, aber im Hinblick auf einige wichtige Parameter zeigte sich, dass die komplexen Randbedingungen des Falltests in der Simulation nicht vollständig richtig abgebildet werden konnten. Deswegen, und wegen anderer Nachteile des Falltests, wurde im nächsten Schritt ein Ersatztest, ein zyklischer Leiterplattenbiegeversuch, entwickelt. Die Tests wurden anhand von sechs Testleiterplatten verglichen. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung bei den Ergebnissen, wodurch die Korrelation der beiden Tests gezeigt und bestätigt werden konnte. Die wichtigsten Vorteile des zyklischen Biegeversuchs waren, dass er schneller durchzuführen, weniger sensibel auf Bedienereinflüsse, besser adaptierbar und leichter in einer Simulation modellierbar war. Der zyklische Biegeversuch konnte ohne weitere Probleme in einer Simulation umgesetzt werden. Um die Simulation jedoch in einer Lebensdauerabschätzung zu verwenden, mussten simulierte Belastungsparameter mit den entsprechenden Fehlerzeiten korreliert werden. Um die lokalen Bedingungen zu simulieren, musste das Materialverhalten der Einzelschichten (alle untersuchten Leiterplatten waren Vielschichtleiterplatten) charakterisiert werden. Das anisotrope Materialverhalten der isolierenden (glasfasergewebeverstärktes Epoxidharz) und leitenden (Kupfer Struktur/Epoxidharz Verbund) Leiterplattenschichten wurde durch eine Kombination von experimentellen Versuchen und mikromechanischen Ansätzen bestimmt. Des Weiteren, weil neben dem Deformationsverhalten auch das Schädigungsverhalten von Bedeutung war, wurden bruchmechanische Ansätze verwendet und evaluiert. Kohäsivzonenmodelle, verwendbar um Bruchinitierung und Bruchwachstum in einer Simulation zu beschreiben, wurden für die isolierenden Schichten für Belastungen in der Ebenen und aus der Ebene bestimmt. Mit Hilfe der bestimmten Materialdaten wurde ein Simulationsmodell des zyklischen Biegeversuches dazu verwendet lokale Belastungsparameter zu bestimmen. Um schließlich eine Lebensdauerabschätzung durchzuführen, wurden die lokalen Belastungsparameter mit den Ergebnissen aus den zyklischen Biegeversuchen korreliert. Sogenannte charakteristische Fehlerkurven, welche den entsprechenden Zusammenhang beschreiben, wurden durch die Durchführung von zyklischen Biegeversuchen bei unterschiedlichen vorgegebenen Amplituden ermittelt. Dabei wurde ein gewünschter Bereich von lokalen Belastungsbedingungen mit der sich dadurch jeweils ergebenden Lebensdauer assoziiert. Dadurch wurde die Vorhersage der zu erwartenden Lebensdauer von unbekannten Leiterplattentypen in Bezug auf den berücksichtigten Fehlermodus ermöglicht. Eine exemplarische Lebensdauerabschätzung wurde anhand von drei Leiterplatten durchgeführt und eine sehr gute Vorhersagequalität konnte gezeigt werden. Die gezeigte Methodik repräsentiert ein wertvolles Werkzeug zur Auslegung und Optimierung von Leiterplatten. Da nur die Analyse eines einzelnen Leiterplattentyps notwendig ist, um eine charakteristische Fehlerkurven zu erstellen, ist die Methode schnell und einfach

Details

Titel in ÜbersetzungCharakterisierung und Simulation des Deformations- und Schädigungsverhaltens von Leiterplatten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2012