thi_forschungsbericht_2017

78 Werkstoff- und Oberflächentechnik
Entwicklung eines Simulationsmodells von
Lötnähten zur Beschreibung und Validierung des
Hochtemperaturverhaltens von Lotwerkstoffen
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Tetzlaff
Technische Entwicklung im Fahrzeugund
Maschinenbau
Prof. Dr.-Ing. Manuela Waltz
Technische Mechanik und
Mehrkörpersysteme
Prof. Ulrich Tetzlaff und Prof. Manuela Waltz forschen im Kompetenzfeld
Werkstoff- und Oberflächentechnik am Thema Zuverlässigkeit von Lotwerkstoffen
für elektronische Komponenten. Eine besondere Bedeutung
erfährt dieses Thema, da Lotverbindungen in Fahrzeugen immer kleiner und
vielfältiger ausgeführt werden, wodurch unabhängig von der Antriebsart das
Ausfallrisiko steigt. Gleichzeitig fand in den letzten Jahren eine Verkürzung
der Entwicklungsdauer statt, wodurch sich reine Komponentenversuche
nicht mehr als zielführend erweisen, da für jede Änderung des Designs aufwändige
Qualifikationen notwendig werden.
Die THI entwickelte ein Verfahren, Werkstoffkennwerte für die Simulation
von Elektronikkomponenten mit Hilfe von Laborproben zu bestimmen.
Die mit Hilfe von Kriech- und Wöhlerversuchen ermittelten Kennwerte finden
Verwendung in einem Kriech- und Schwingfestigkeitsmodell, die wiederum
FE-Modelle speisen, um das Bauteilverhalten vorherzusagen 1,2 .
a) Haigh Diagramm mit der Verwendung der FKM-Richtlinie; b) Wechselverformungskurve bei
unterschiedlichen Temperaturen; c) Einfluss der Mikrostruktur auf die Rissinitiierung
Development of a simulation model of solder
joints for the description and validation of the
high-temperature behaviour of solder materials
Prof. Dr. Ulrich Tetzlaff and Prof. Dr. Manuela Waltz are
researching the topic of reliability of solder materials for
electronic components in the field of materials science.
This topic is of particular importance as solder joints
in the vehicles are becoming smaller and more varied,
which means that the risk of failure increases regardless
of the type of drive. At the same time, the development
period has been shortened in recent years, which means
that exclusively component tests prove to be no longer
important, since complex component tests are necessary
for every change in design.
THI developed a method to determine the material
parameters for the simulation of solder joints using
laboratory samples. The characteristic values were determined
with creep and fatigue tests for the use in different
models, which feed FE models to predict the component
behaviour 1,2 .
Von besonderem Interesse ist das Ermüdungsverhalten bei hohen
Zyklenzahlen (HCF), da Vibrationen in den Fahrzeugen zu ähnlichen Belastungen
führen. Dabei spielt neben der Untersuchung unterschiedlicher
Lastamplituden und Mittelspannungen auch die Auswirkung unterschiedlicher
Temperaturen und Kerben eine erhebliche Rolle. Eine Beschreibung der
Erkenntnisse über die FKM-Richtlinie für Anwendungen in der Mikroelektronik
wird vorgeschlagen (Abb. a). Aufgrund mikroplastischer und thermisch
aktivierten Prozesse finden während der Anwendung mikrostrukturelle
Vorgänge wie das zyklische Kriechen statt, die die Rissinitiierung beeinflussen
(Abb. a und b). Die Analyse zeigt, dass durch die Subkornbildung
die Rissausbreitung interkristallin verläuft und sich durch Ausscheidungen
verzögert (Abb. c). Die beschriebenen Ergebnisse münden in eine immer
genauere Modellierung des Werkstoff-und Komponentenverhaltens ein und
treiben die Werkstoffentwicklung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit voran.
Referenzen:
1
J. Thambi, U. Tetzlaff, A. Schiessl, K.-D. Lang, M. Waltz, High cycle fatigue behaviour and
generalized fatigue model development of lead-free solder alloy based on local stress
approach, Microelectronics Reliability 66, (2016).
2
J. Thambi, A. Schiessl, M. Waltz, K.-D. Lang, U. Tetzlaff, Modified constitutive creep laws with
micro-mechanical modelling of Pb-free solder alloys, Journal of Electronic Packaging, accepted.