Dr.-Ing. Markus Rauch Automotive Electronics

Transkript

1 Zuverlässiges Design von Aluminiumdickdrahtbonds bei Temperaturwechselbelastung von Steuergeräten mit Gehäusen aus glasfaserverstärktem Kunststoff am Beispiel ESP 1 Dr.-Ing. Markus Rauch markus.rauch@de.bosch.com

2 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Das Elektronische Stabilitätsprogramm ESP Funktion und Aufbau Hydroaggregat Steuergerät Deckel Gehäuse Hydroaggregat: einerseits Bremskraft unterbrechen (z.b. bei ABS-Manöver), andererseits aktiv Bremskraft gezielt an den einzelnen Rädern aufbauen Elektronisches Steuergerät: Vielzahl an Sensorsignalen (Lenkradwinkel, Beschleunigung, Drehrate, Raddrehzahl, Fahrpedal, Vordruck, etc.) bewerten und die Magnetventile des Hydroaggregats steuern sowie über Motorsteuergerät (Motordrehmoment) den Schlupf der Antriebsräder ändern 3

4 Typische Belastungen von Kfz-Steuergeräten Aggresive Stoffe - Kraftstoffe -Öl - Spritzwasser - Salznebel - Ozon Staub und Sand bis 2 kg/m 3 Alkalische Reinigungsmittel Temperaturwechsel - 40 C bis C Schüttelbelastung bis 100-Fache Erdbeschleunigung 4

5 Verbindungstechnik Aluminiumdickdrahtbond Bondland Bond Bondland d = μm Diffusionsschweißung Fehlerbild: Heelbruch Mechanik-Teil: Stecker, Magnetspulen, Aluminiumplatte für Entwär-mung, usw. aus PBT-GF 30, Stahl und Cu-Legierungen Elektronische Schaltung: Hybridbauweise auf LTCC *) -Substrat, welche sich bei motornahem Anbau durch eine hohe Robustheit auszeichnet Unter Temperaturbelastung unterschiedliche Wärmeausdehnung von Mechanik und elektronischer Schaltung Die Verbindung zwischen Schaltung und Steuergerätemechanik wird mit Hilfe von Aluminiumdickdrahtbonds über Diffusionsschweißung der jeweiligen Bondheels auf den Bondlands realisiert 5 *) LTCC = Low Temperature Cofired Ceramic

6 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 6

7 Berücksichtigung Faserorientierung bei PBT Die Genauigkeit der errechneten Bondbelastung hängt von der Güte der berechneten thermischen Verformung des Steuergeräts ab Problem: Verwendung kurzfaserverstärkter Thermoplaste, wobei mit geforderter Genauigkeit die Übertragung von Prozesssimulationsergebnissen auf Strukturmechaniksimulation nicht immer gegeben ist Lösung: Makroskopische Einteilung in Bereiche ähnlicher Orientierung Spritzgusssimulation Faserorientierung in x-z-ebene FE-Modell (Strukturmechanik) Einteilung Geometrie in Bereiche gleicher Faserorientierung Deckelfläche (zylindrisches KOS) Faserorientierung in x-y-ebene z y x Deckelrand (kartesisches KOS) 7

8 Anpassung lokaler Materialparameter Über Optimierung der orthotropen Materialparameter in den einzelnen Geometriebereichen wird gemessene Verformung durch Berechnung möglichst gut angenähert Verformungsmessung Optimierungsergebnis: Materialkennwerte, die die reale Verformung bestmöglich beschreiben Berechnung der Abweichung von berechneter und gemessener Verformung in x-,y- und z- Richtung (Summe der Fehlerquadrate) Minimierung der Summe der Fehlerquadrate Summe der Fehlerquadrate Optimierung Thermomech. Berechnung Veränderung der Materialkennwerte für unterschiedliche Bereiche 8

9 Berücksichtigung der Glasübergangstemperatur Die thermische Verformung wird für Deckel und vormontiertes Gehäuse (inkl. Aluminiumhauptgrundplatte) optimiert Die Werkstoffparameter sind temperaturabhängig und nichtlinear (aufgrund von Glasübergangstemperatur T g ) Anpassung an gemessene Verformung bei mehreren Temperaturen notwendig (z.b. -40 C, 50 C, 90 C, 120 C) Deutlich größten Einfluss haben thermische Wärmeausdehnungskoeffizienten, E-Moduln von untergeordneter Bedeutung Werkstoffparameter x-richtung y-richtung z-richtung T min RT T g T max 9

10 Berechnungsablauf zur thermischen Verformung Durch Klebeprozess von Deckel und Gehäuse Berechnungsschritte: ist Steuergerät bei RT vorgespannt Step 5 1. Aufbringen des Deckelgewichts und Aufheizen auf Kleberaushärtetemperatur 2. Schrauben kraftgeregelt anziehen T, E, pi T=T härten T=T max 3. Schrauben in aktueller Verlängerung festlegen Kleberelemente deaktivieren E=E fest 4. Kleberelemente aktivieren, pi=pimax Kleberdehnungstensor auf Null setzen und E-Modul auf ausgehärteten Zustand setzen T=RT 5. Abkühlen auf RT E=E flüssig 6. Abkühlen auf T pi=0 MPa min 7. Aufheizen auf T max T=T min 8. Aufbringen des Innendrucks Loadstep 10

11 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 11

12 Ermittlung der Belastung einzelner Bonds Gemessenes, klassiertes und überhöhtes htes Temperaturbelastungs- kollektiv des Steuergeräts ts Verformungsberechnung des Steuergerätes tes (Ver- schiebungen in globalem KOS) Relativverschiebung zwischen Bondlands (Transformiert in lokale Bondkoordinaten) Temperatur T min T max log Lastwechselzahl Lastwechselzahl n n Min X Z Y Gesamtverformung Max Bondpadrelativverschiebung Bondpadrelativverschiebung Bondpadrelativverschiebung Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n Bondpadrelativverschiebung Bondpadrelativverschiebung Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n Aus einem Temperaturlastkollektiv für das Steuergerät wird für jeden Bond ein Verschiebungsbelastungskollektiv ermittelt 12

13 Berechnung der lokalen Bondbeanspruchung Äußere Belastung des einzelnen Bonds durch Verschiebung der Bondpads in lokalem KOS Abbildung der Bondgeometrie und des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens Berechnung des lokalen Beanspruchungskollektivs (z.b. platische Dehnung) 20 Bondlandverschiebung Delta X' Delta Y' Delta Z' log Lastwechselzahl n n Spannung Delta X Delta Y Delta Z zyklisch stabilisierte Fließkurve 0 0,1 0,2 0,3 Dehnung Plastische Dehnung pl log Lastwechselzahl n n Ergebnis: durch FE-Simulation wird lokale Beanspruchungskollektiv für die Bonds im Steuergerät aus der globalen Temperaturbelastung abgeleitet 13

14 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 14

15 Ermittlung der lokalen Beanspruchbarkeit Belastbarkeit wird experimentell in mechanischen Schwingversuchen an Bonds bestimmt Problem: Extra Wöhlerkurve für jede Bondvariante notwendig Lösung: FE-Berechnungen liefern durch einen geeigneten Schadensparameter S pl eine geometrieunabhängige Beanspruchbarkeit Äußere Belastung des einzelnen Bonds durch Verschiebung der Bondpads in lokalem KOS Abbildung der Bondgeometrie und des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens Berechnung des lokalen Beanspruchungskollektivs (z.b. plastische Dehnung) S pl pl W 5 mm W pl C (N C 2 Verschiebung 1 63% ) Lastwechselzahl n Lastwechselzahl n Die zur Ableitung der geometrieunabhängigen Beanspruchbarkeit verwendeten Bondvarianten 15

16 Schadensparameter S pl Zuverlässigkeitsgestaltung eines Bonds beim ESP Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Über lineare Schadensakkumulation wird die Schadenssumme D für das lokale Beanspruchungskollektiv im Bond ermittelt Durch Vergleich mit aus Betriebsfestigkeitsversuch (variable Amplituden) ermittelter charakteristischer Schadenssumme und statistischer Auswertung kann die Zuverlässigkeit bzw. Unzuverlässigkeit (Ausfallwahrscheinlichkeit) bestimmt werden D i ni N i Unzuverlässigkeit 99 % 90 % 63 % 50 % 10 % 1 % 0,1 % P A1 n 1 log Lastwechselzahl n 2 N 1 N 2 n Lastwechselzahl n % , Bezogene Schadenssumme DD/D char 16

17 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 17

18 Zuverlässigkeitsgestaltung eines Bonds beim ESP Sensitivitätsanalyse des betrachteten Bonds Wirksamste Einflussgrößen auf die lokale Beanspruchung ( Spl): Loophöhe, der Abstand des Loopmaximums und der Winkel W2 zum niedrigeren Bondland Abstand_Loopmax Loophöhe Abstand_Loopmax Loophöhe / mm nd x / m a st ma b A op Lo Loophöhe Abstand_Loopmax W2 W2 R1 R1 m R2 R2 W1 W1 plastischer Schadensparameter Spl 2 W plastischer Schadensparameter Spl Loophöhe W1 R1 R2 0 0,2Korrelationskoeffizient 0,4 0,6 0,8 Quadratischer Q d ti h K l ti k ffi i t 18 Loophöhe / mm W 2 /

19 Optimierung der Bondgeometrie Mittels evolutionärem Algorithmus wird die Bondgeometrie hinsichtlich Lebensdauer (mechanische Zuverlässigkeit gegen Ermüdung) optimiert Die Zuverlässigkeit bei dem zu Grunde gelegten überhöhten Erprobungslastkollektiv lässt sich dadurch beim betrachteten Bond um ca. den Faktor 40 steigern Schadensparameter S pl Optimierungsverlauf Geometrievariante Unzuverlässigkeit 99 % 90 % 63 % 50 % 10 % 1 % 0,1 % P A2 P A1 1 % , Bezogene Schadenssumme D/D cha Schadensparameter Max Min 19

20 Übersicht Einleitung Thermische Verformung des Steuergeräts Beanspruchungskollektiv des Bonds Zuverlässigkeitsbewertung des Bonds Optimierung der Bondgeometrie hinsichtlich Zuverlässigkeit Zusammenfassung und Ausblick 20

21 Zuverlässigkeitsgestaltung eines Bonds bei ESP Zusammenfassung und Ausblick Durch Finite Elemente Berechnung wird die äußere Temperaturbelastung auf die lokale Beanspruchung einzelner Aufbau- und Verbindungselemente übertragen (hier am Beispiel Aluminiumdickdrahtbonds) Durch eine geometrieunabhängige Beanspruchbarkeit kann dadurch eine beliebige Geometrie des betrachteten Designelements hinsichtlich Zuverlässigkeit bewertet werden Die Optimierung der Geometrie ist dadurch möglich und zeigt eine deutliche Verbesserung Durch Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der thermischen Verformung mittels Kopplung von Spritzgusssimulation und Strukturmechanik kann in Zukunft auch das Gehäuse so optimiert werden, dass dadurch die Belastung auf die Aufbau- und Verbindungstechnik gesenkt und damit die Zuverlässigkeit weiter gesteigert werden kann 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22