Zuverlässigkeitsanalyse von gekapselten Bauelementen in der 3D-Leiterplattenintegration
Robert Schwerz, Thomas Zerna
Die Arbeit präsentiert eine Zuverlässigkeitsanalyse an neuartigen eingebetteten Komponenten im Vergleich zur Oberflächenmontagetechnik. Der gewählte Analyseansatz basiert auf beschleunigter Alterung zum Verständnis der realen Schädigung bei thermo-mechanischer Belastung, sowie Finite-Elemente-Simulationen, um die Bewertung der mechanischen Spannungs- und Dehnungsverteilungen unter Lastbedingungen zu ermöglichen. Dazu wurde eine repräsentative Einbettungstechnologie angewendet, um Chip-Widerstände und Chip-Kondensatoren in den Leiterplattenkern zu integrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Herstellungsprozess zur Einbettung bereits erhebliche Spannungen in die Baugruppe einbringt. Zur numerischen Bewertung der Aufbauvarianten wurden parametrisierte Simulationsmodelle abgeleitet und anschließend mittels Deformationsanalyse auf Basis der digitalen Bildkorrelation verifiziert. Für diese Aufgabe wurde ein Versuchsaufbau konzipiert und konstruiert, um die thermisch induzierten Verformungen im Mikrometerbereich einzubringen und zu vermessen. Hierbei konnte die Simulationsgenauigkeit insbesondere durch die Berücksichtigung der Eigenspannungen nach dem Herstellungsprozess und den viskoelastischen Materialeigenschaften des Matrixpolymers gesteigert werden. In den Analysen zeigte sich ein signifikant geändertes Schädigungsverhalten der eingebetteten Bauteile im Vergleich zu denen der Oberflächenmontage. Dabei wiesen die gekapselten Lötkontakte eine reduzierte Rissausbreitung, trotz deutlich höherer plastischer Verformung, auf und erreichten in der Folge höhere Lebensdauern. Als Ursache für die verzögerte Rissausbreitung wurde der, in den Lötstellen kompressiv wirkende, isotrope Spannungszustand identifiziert. Die Arbeit zeigt eine Möglichkeit auf, um die derzeit existierenden kriechdehnungsbasierten Lebensdauermodellansätze an eingebettete Komponenten anzupassen und die Zuverlässigkeit dieser neuartigen Aufbauten mittels Finite-Elemente-Simulationen zukünftig zu optimieren.
