Technology Characterization & Reliability Simulation

(TRS)

Zuverlässigkeit - Fraunhofer IZM
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen und Technologien zu gewährleisten ist eine notwendige, aber auch komplexe Aufgabe. Die Anwendung von Simulationsmodellen, die auf validen Charakterisierungsdaten beruhen, kann helfen, den Aufwand zu reduzieren sowie zusätzliche Erkenntnisse zu gewinnen, die zur Erhöhung der Zuverlässigkeit beitragen.

Die Gruppe entwickelt und verwendet Modellezur Bewertung der Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten und Baugruppen. In diesem Zusammenhang werden thermische und thermo-mechanische Degradationseffekte betrachtet. Die Grundlage für diese Modelle bilden realitätsnahe Werkstoffeigenschaften, die selbst ermittelt werden. Außerdem werden die Modelle durch spezielle Verformungs- und Spannungsmessungen validiert. So wird es möglich, vertrauenswürdige Modelle für neue Technologien zu entwickeln, für die bislang noch kein Modell besteht.

Aktuelle Forschungsthemen umfassen: Verzugsvorhersage in FO-WLP, FO-PLP und in PCB eingebetteten Gehäusen; Zuverlässigkeit und Alterung von RF-Gehäusen und -Materialien; fortgeschrittene Schadensmodellierung in Verbindungstechnologien der Leistungselektronik; Zuverlässigkeit von Substraten und Via-Technologien.
 

Materialcharakterisierung und Entwicklung von Zuverlässigkeitsmodellen

Image - Deformation eines EMC verkapselten Wafers (EMC verkapselt) nach der Prozessierung für das FO-WLP Packaging
© Fraunhofer IZM

Die Entwicklung neuer Systemintegrationstechnologien erfordert die Optimierung der Zuverlässigkeit. Wesentliche Einflussfaktoren auf die Zuverlässigkeit sind die verwendeten Materialien, deren thermomechanische Eigenschaften und die Einsatzbedingungen. Die Optimierung kann mit den Modellen und dem Material-Know-how unterstützt werden, die wir in diesem Forschungsbereich entwickeln. So wird ein Physics-of-Failure -Ansatz angewendet und Zuverlässigkeitsrisiken können durch Design (Design for Reliability - DfR) gemindert werden. Dies hilft unseren Partnern, komplexe Zuverlässigkeitsprobleme zu vermeiden und zu lösen, insbesondere bei Technologien, die neu sind und für die nur begrenzte Erfahrungen vorliegen.

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Zuverlässigkeit: Simulation, Test und Optimierung

© Fraunhofer IZM
Material Simulation

Der Forschungsschwerpunkt „Zuverlässigkeit: Simulation, Test und Optimierung“ umfasst die Entwicklung und Anwendung experimenteller und simulativer Methoden, die ein „Design for Reliability“ ermöglichen. Die Grundlage bilden Lebensdauermodelle, die in beschleunigten Lebensdauertests ermittelt werden.

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Thermisches Management

image - Thermisches Management
© Fraunhofer IZM

Die erhöhten Verlustleistungen und Verlustleistungsdichten von mikroelektronischen Bauteilen, Leistungsmodulen und LED-Beleuchtungssystemen stellen eine der wichtigsten Herausforderungen für das Design dar: Die entstehende Wärme muss zuverlässig gespreizt und abgeführt werden, damit die Systeme zuverlässig und langlebig funktionieren. Das Arbeitsgebiet „Thermisches Management“ umfasst die Aufgabe, Methoden zu entwickeln, bereitzustellen und anzuwenden, um diese Problemstellungen innovativ und effizient zu lösen.

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Zuverlässigkeitsbewertung elektronischer Systeme

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Die Absicherung der Zuverlässigkeit beginnt in frühen Entwurfsphasen des Entwicklungsprozesses eines Systems. Bestehende Systeme lassen sich auf Basis statistischer Verfahren optimieren.

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Zuverlässigkeitsbewertung mit FEM

teaser image - Zuverlässigkeitsbewertung mit FEM
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Um Schwachstellen im Design (frühzeitig) festzustellen oder um die optimale Geometrie unter Berücksichtigung externer Belastungen abzuleiten, werden Finite Elemente (FE) Simulationen angewandt. Mittels sogenannten Multi-Physik-Simulationen können z.B. thermo-mechanische, elektro-thermische, und elektro-mechanische Kopplungen berücksichtigt werden. Zusätzlich kann die feuchte Diffusion und Quellung berechnet werden. Mit Modellen zum Werkstoffversagen erfolgt dann eine Bewertung der Beanspruchungsgrenzen bzw. die Berechnung der Lebensdauer.

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Thermal Management

µ fragt nach: Komplexe Begriffe – einfach erklärt
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Aktuelle Trends der Elektrifizierung, Miniaturisierung und Erhöhung von Schaltfrequenzen führen dazu, das ein sorgfältiges Thermisches Management erforderlich ist, um den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, auch wenn hohe Verlustleistungen, hohen Wärmestromdichten und hohe Umgebungstemperaturen auftreten. Mittels numerische Simulation kann das thermische Verhalten kostengünstig und vielseitig analysiert werden.

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Mechanische und thermische Werkstoffcharakterisierung

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Genaue Materialdaten sind die Basis eines zuverlässigen Produkts. Die Eigenschaften eines Materials zu verstehen, das Verständnis für das Zusammenspiel von Herstellungsprozess, Stress, und Ausfallmechanismen, ermöglichen die Verbesserung von Prozess und Produkt.

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Methoden zur Strukturbestimmung

Mikrostruktuelle Analyse von lokalen Strukturbereichen und Defekten

image teaser riss im bump
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Für den Einsatz von hochzuverlässigen Bauelemente befassen sich zahlreiche Methoden mit der Korrelation zwischen der Mikrostruktur und den Eigenschaften von Werkstoffen. Dabei ist die Analyse der Struktur wichtig für das Grundverständnis werkstoffphysikalischer Zusammenhänge und trägt zur Weiterentwicklung von elektronischen Bauteilen der nächsten Generation bei.

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Verformungsanalyse

Deformationsanalysen von Werkstoffen, Substraten, Komponenten und Baugruppen

image teaser Si-Wafer
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Zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten sind Kenntnisse zum Verhalten unter Einsatzbedingungen erforderlich. Es können dabei Verformungen von kompletten Baugruppen oder nur von Teilen des Systems wie Werkstoffen und Substraten auftreten.
Die Deformationen in der Betrachtungsebene und senkrecht zu ihr können für Werkstoffproben bei äußeren Belastungen oder inneren Verspannungen untersucht werden.

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TeSiMat

Bewertungs- und Testsystem zur Sicherung der Zuverlässigkeit von Materialverbunden der Mikro- und Nanoelektronik

Thematischer Schwerpunkte

  • Bereitstellung einer Tool-Plattform zur schnellen Zuverlässigkeitsprognose
  • Designoptimierung für den Einsatz fortgeschrittener Technologien im Mikro-Nano-Übergangsbereich
  • Zuverlässigkeitsoptimierung von Produkten
  • Einsatz neuester Nanomesstechniken in Verbindung zur Nanosimulation

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Unabhängiges Testprogramm zur Bewertung der Lebensdauer von Konsumgütern

PROMPT

Gegen Elektroschrott ist im Mai 2019 das EU-Projekt PROMPT an den Start gegangen: Ziel ist es, ein unabhängiges Testprogramm zur Bewertung der Lebensdauer von Konsumgütern zu erstellen.

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Micro Materials Testing Lab

Für eine erfolgreiche Optimierung der Zuverlässigkeit von komplexen Systemen im Mikro/Nano-Bereich sind werkstoffseitig Kenntnisse vom Versagensverhalten bzw. Kenntnisse zur Schädigungsentwicklung erforderlich.

Um das Verformungs-, Schädigungs- und Bruchverhalten von Werkstoffen und deren Verbünden exakt beschreiben zu können, werden Untersuchungen zu den Belastungen unter den entsprechenden Einsatzbedingungen angeboten.

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Hochleistungsrechner ermöglicht weitreichende Zuverlässigkeitsanalysen

Erhöhte Anforderungen an die Robustheit und Lebensdauer elektronischer Produkte in Verbindung mit kürzeren Innovationszyklen bedürfen Entwicklungsmethoden, die in kurzer Zeit die notwendige Systemkomplexität abbilden, bewerten und Optimierungspotentiale aufzeigen. Der Einsatz von Simulationsmodellen bietet hier die Möglichkeit, Zusammen¬hänge sichtbar zu machen, die auf experimentellem Wege nur mit sehr großem Aufwand zu erzielen sind.

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Hochleistungsrechner ermöglicht weitreichende Zuverlässigkeitsanalysen
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Thermal and Environmental Analysis Lab

Wir bieten Ihnen thermische Untersuchungen aus zwei Richtungen an – der des Werkstoffes und der des Systems. Um thermische Interface-Materialien (TIM) charakterisieren zu können, entstand ein Arbeitsplatz zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten und thermischen Widerständen in Abhängigkeit der Anpresskraft. Die bildgebende Infrarot-Messtechnik erlaubt es, berührungslos Temperaturen und Fehler in Systemen, Baugruppen oder Bauteilen zu detektieren.

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