Zustandsüberwachung mit Monitorstrukturen

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1 Zustandsüberwachung mit Monitorstrukturen Fraunhofer IZM, Berlin Seite 1

2 Motivation zur Zustandsüberwachung Beurteilung des Zustands / der Zuverlässigkeit eines benutzten Systems Intelligente Wiederverwendung elektronischer Systeme Zustandsüberwachung unterstützt Wiederverwendung als Ersatzteilmanagementstrategie in der Automobilindustrie ReECar Beurteilung des Zustands / der Zuverlässigkeit eines Systems im Einsatz Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer Vorausschauende Instandhaltung / Verbesserung der Gesamtsystemverfügbarkeit Sicherheit Analyse des Systemverhaltens im Feldeinsatz Seite 2

3 Motivation zur Zustandsüberwachung Definition Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) Vorgang der Überwachung von Parametern, die den Zustand eines Systems beschreiben, so dass aus einer signifikanten Änderung auf die Entstehung eines Ausfalls geschlossen werden kann Probleme der Lebensdauerprognose mittels Finiter Elemente Analyse und Lebensdauermodellen: Lebensdauerprognose beschränkt auf vereinfachte Laborbedingungen (z.b. Temperaturwechsel zwischen -40 C to 125 C) Statistische Streuung bleibt unberücksichtigt (nur mit Erfahrungswerten abzudecken) Schwierige Korrelation zwischen Labor- und Feldbedingungen (z.b. mit dem Norris-Landzberg-Modell) Keine Lebensdauerprognose, wenn Feldbedingungen unbekannt Seite 3

4 Inhalt Nachhaltigkeit elektronischer Systeme Ansätze der Zustandsüberwachung Parameter Test Life Cycle Unit Zustandsindikatoren Ein Zustandsindikator für Elektronik in Umgebungen mit Temperaturwechseln Konzept Technische Umsetzung Experimentelle Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Seite 4

5 Sustainability of Electronic Systems kurz lang Lebenszyklus Optimierung Instandhaltung / Reparatur unterstützt durch Zustandsüberwachung Optimierung der Umweltauswirkungen bezüglich der Produktion kurz Lebensdauer Optimierung der Umweltauswirkungen bezüglich der Nutzungsphase Optimierung Wiederverwendung unterstützt durch Zustandsüberwachung lang Seite 5

6 Ansätze der Zustandsüberwachung Parameter Test Zustandsindikator (Canary Principle) Life Cycle Unit Belastung Sensor Belastung Monitor- Struktur Belastung Sensor System Systemmodell System Überwachung System Ausfallmodell Parameteränderung Zustandsbewertung Zustandsbewertung Parameteränderung Zustandsbewertung Parameteränderung Ausfall Ausfall Zustandsindikator Ausfall Seite 6

7 Zustandsindikatoren Zustandsbewertung Zustandsindikator Theory / Experiment Monitor- Struktur Überwachung Ausfallmodelle müssen verstanden werden Material- und Lebensdauermodelle müssen verfügbar sein Ein technologisch skalierbar Sensitivitätsparameter muss gefunden werden Statistische Streuung muss berücksichtigt werden Seite 7

8 Ein Zustandsindikator für Elektronik in Umgebungen mit Temperaturwechseln - Konzept Temperaturwechsel: Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Bauteil relevant Cu Si SnAg L 0 FR-4 High Temp Low Temp Dehnung (Abschätzung): Lebensdauermodell: Coffin Manson (SnAg3.5) Idee: 1 1 L0 ε = γ PWB die 3 3 2h ( Δ ) Nf = ε pl ( α α ) ΔT (Shang 2007) Variation L 0 Variation Lebensdauer Eckert, Tetzner Seite 8 Monitor Struktur Chip A Chip B Chip C Länge L µm 1500 µm 800 µm Lebensdauer (T-Zyklen) ~2000 ~4500 ~12000

9 Entwurf / Virtual Prototyping Modellierung der Geometrie der Lotverbindung (Surface Evolver minimiert Oberflächenenergie iterativ) Half-Solder Mask Defined (HSMD) Non-Solder Mask Defined (NSMD) Eingangsgrößen: -Oberflächenspannung (SnAg3.5) -Dichte (SnAg3.5) -Gravitation -Chipgewicht (pro Bump) -Pad-Geometrie (technologisch Herstellungstoleranz) Aber: Höhe der Lotverbindung ist ein Indikator für die Zuverlässigkeit Eckert, Tetzner Seite 9

10 Virtual Prototyping mit Finite Elemente Analyse Implementierung der idealen Geometrie in parametrisiertem FE- Modell Verwendung eines vereinfachten Viertelmodells (Symmetrie) Berechnung der akkumulierten äquivalenten Kriechdehnung im Bereich der Rissbildung dε C = 3 C1 2 exp dt kt Lebensdauerberechnung mit Coffin-Manson-Modell für SnAg3.5: N C ( ) 4 C σ acc Δε Cr (Wiese 2004 ) acc c acc 1,429 f = Θ( Δε Cr ) = 7.03( Δε Cr ) FR-4 acc 1 Δε = Δ acc Cr ε, V (Shang 2007) Si Cr i V i NSMD: Non-Soldermask-Defined HSMD: Half-Soldermask-Defined Eckert Seite 10

11 Sensitivitätsanalyse technologischer Fabrikationstoleranzen Wichtige Toleranzen für die Zuverlässigkeitsbewertung Pad-Größe Lotvolumen Untersuchung NSMD-Pads Ideale Werte für 100 µm Flip-Chip-Technologie Pad +20% Vol. -20% Pad +20% Pad +20% Vol. +20% Vol. -20% Pad -20% Vol. -20% Pad-Größe: 100µm Lotvolumen: 7x 10-4 mm³ Pad -20% Vol. +20% Pad - 20% Vol. +20% Eckert, Tetzner Seite 11

12 Sensitivitätsanalyse technologischer Fabrikationstoleranzen - 20 % Pad-Größe + 20 % + 20 % Lotvolumen -20% Eckert, Tetzner Seite 12

13 Sensitivitätsanalyse : Ergebnisse Berechnete Lebensdauer [Zyklen] Berechnete Lebensdauer [Zyklen] Chip A Chip B Chip C 0 Chip A Chip B Chip C Variation Pad-Größe Variation Lotvolumen Eckert, Tetzner Seite 13

14 Technologische Realisierung Non-Solder Mask Defined (NSMD) Pad-Größe: 100µm / 120µm (Microvia-in-Pad) Festes Lotvolumen (7x 10-4 mm³) Nur Chip A Half-Solder Mask Defined (HSMD) Pad-Größe : 80 / 100 / 120µm für Chip A Pad-Größe : 100µm für Chip A, B und C Festes Lotvolumen ( 7x 10-4 mm³) Chip A, Pad-Variation Chip A, B, C, feste Pad-Größe NSMD Surface- Evolver-Model Eckert, Tetzner Querschliff FEA Nach Experiment ( C) Seite 14

15 Versuchsergebnisse Virtual Prototyping Anderer Risspfad Sensitivitätsanalyse (Chip A) Vergleich Chip A, B, C (HSMD 100 µm Pads) Eckert, Tetzner Seite 15

16 Überwachung Monitor Struktur Überwachung Zustandsbewertung Zustandsindikator Keithley 4-Draht-Widerstandsmessung + Kontinuierliche Überwachung - Hoher Energieaufwand - Messung temperaturabhängig Event-Detektor Anatech + einfache Implementierung + Niedriger Energieaufwand durch zyklische Abfrage + Messung nicht temperaturabhängig Seite 16

17 Überwachung Monitor Struktur Überwachung Zustandsbewertung Zustandsindikator Fraunhofer IZM Event Detektor Prototyp 8-Kanal-Messung Max. Leistungsaufnahme 0,5 W Zuverlässiges Design Weitere Miniaturisierung möglich Seite 17

18 Ausblick Prototyp für Automotive Anwendungen Monitorstruktur: Temperaturwechsel Dummy ECU Integration Ausfallart: Unterbrechung Position mit hohem-δt Ausfallsensorik (6-Kanal Event Detektor) Ziel: Informationen über das Systemverhalten in der Nutzung Monitorstruktur und Ausfallsensorik Feldbeanspruchungen und Lebensdauerindikator Seite 18

19 Zusammenfassung und Ausblick Monitorstrukturen für Lotermüdung wurden aufgebaut und getestet Statistische Streuung muss und kann im Entwurf berücksichtigt werden Zustandsbestimmung unterstützt nachhaltige Strategien hinsichtlich Wiederverwendung Ausblick Aktuellen Arbeiten: Ausfallverhalten und Test bei kombinierten Beanspruchungen Vibration, Temperatur, Elektromigration Optimierte Ausfallsensorik Messung des Zustands Life Cycle Units Electronics Condition Monitoring Lab Seite 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen, Vorschläge, Diskussion Seite 20

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