Characterization of the viscoelastic material properties of FR-4 materials

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

Abstract

Leiterplatten (PCBs) sind Träger für elektronische Bauteile und von entscheidender Bedeutung, da sie der mechanischen Struktur und elektrischen Verbindung elektronischer Geräte dienen. Die Nachfrage nach kleineren, leichteren Geräten hat zur Entwicklung von mehrlagigen Leiterplatten (MLB) aus FR-4-Materialien geführt, die für ihre hervorragenden Eigenschaften bekannt sind. Jedoch stellen extreme Umgebungsbedingungen eine Herausforderung dar, sowie auch thermisch bedingte Spannungen beeinträchtigen die Zuverlässigkeit von MLBs. Diese Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens von FR-4-Materialien mittels zuverlässiger und zeiteffizienter Methoden. Das Ziel ist die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften von zwei verschiedenen FR-4-Harzmaterialien unter der Verwendung von beschleunigten Kriechversuchen. Eine Testmethodik basierend auf thermo-mechanischen Tests und Kurzzeit-Kriechversuchen, gekoppelt mit polymerphysikalischen Extrapolationsprinzipien, wurde etabliert. Experimentelle Ansätze umfassten die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) bei verschiedenen Frequenzen und Temperaturen, wobei zeitabhängige Masterkurven gemäß dem Zeit-Temperatur-Superposition erstellt wurden. Zusätzlich wurden Kurzzeit-Zugkriechversuche bei unterschiedlichen Temperaturen und Belastungsstufen unter Verwendung der digitalen Bildkorrelation (DIC) durchgeführt, wobei Kriechmodul-Masterkurven bis zu 1000 Stunden nach der Step-Stress-Method (SSM) erstellt wurden. Für eine reproduzierbare und benutzerunabhängige Auswertung der DMA-Ergebnisse wurden spezielle Auswertungsprogramme unter Verwendung der Programmiersprache Python entwickelt. Diese ermöglichen die automatisierte Generierung von Master-Kurven für die viskoelastischen Kennwertfunktionen. Der Vergleich der Experimente liefert Einblicke in die Zuverlässigkeit der einzelnen Testmethoden und gewährleistet eine aussagekräftige Charakterisierung des viskoelastischen Verhaltens über einen langen Zeitraum. Insbesondere wurde gezeigt, dass die entwickelte Test- und Auswertungsmethode, basierend auf temperatur- und frequenzabhängigen DMA-Messungen, ein nützliches Werkzeug für die effiziente Erzeugung von Kriechmodul-Master-Kurven ist. Die zusätzliche Ermittlung der grundlegenden Materialeigenschaften wie die Glasübergangstemperatur (Tg), der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) und die mechanischen Kurzzeiteigenschaften lieferte eine umfassende Charakterisierung der anwendungsrelevanten Eigenschaften für die beiden untersuchten FR 4-Harze. Die entwickelte Testmethode in Kombination mit automatisierten Auswertungsroutine bietet einen zeiteffizienten Ansatz zur Abschätzung des langfristigen viskoelastischen Verhaltens und unterstützt die effiziente Materialauswahl und Produktentwicklung.

Details

Titel in ÜbersetzungCharakterisierung der viskoelastischen Materialeigenschaften von FR-4 Materialien
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung22 März 2024
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2024