Fehler- und Schadensanalytik an Steckverbindern Dr. Olaf Günnewig SGS INSTITUT FRESENIUS GmbH Joseph-von-Fraunhofer-Str. 13 44227 Dortmund
Die Ausgangssituation Vor 50 Jahren Heute Boeing VC-137B (707-120/SAM 970) Air Force One Airbus A380 Quelle: Airbus VW Käfer VW Phaeton Quelle: Bertrandt SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 2
Die Ausgangssituation Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Steckverbindern Kennzahlen VW Phaeton - 65 vernetzte Steuergeräte - Elektrikumfang: 11.136 Teile - 2110 Leitungen - Gesamtlänge: 3,86 km - Gewicht des Kabelbaums: 64 kg - Fahrzeug der Oberklasse mit typischerweise ~3000 Steckverbindern Quelle: Volkswagen Quelle: Bertrandt Einhaltung und Konstanz der genauen Höhe des elektrischen Durchgangswiderstandes SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 3
Die Ausgangssituation Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Steckverbindern Kennzahlen Airbus A380 DSMS A380 Quelle: DIEHL - >1000 Steuergeräte in Avionik - 40.300 Steckverbinder - Gesamtlänge: 530 km Avionik A380 Quelle: DIEHL Quelle: FAZ Quelle: THALES Avionik A380 Einhaltung und Konstanz der genauen Höhe des elektrischen Durchgangswiderstandes SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 4
Die Ausgangssituation Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Steckverbindern Einhaltung und Konstanz der genauen Höhe des Durchgangswiderstandes vor dem Hintergrund: - Steckhäufigkeit / Langzeiteinsatz - geringe Spannungen (mv) und Ströme (µa) - wechselnde Temperaturen und Feuchtigkeiten - verschiede Schadstoffe und Schadstoffkonzentrationen - Einwirkungen mechanischer Schwingungen und Stöße SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 5
Die Ausgangssituation Qualifizierung von Steckverbindern vor dem Hintergrund des geplanten Einsatzes z.b. IEC 601076-4-1xx SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 6
Die Ausgangssituation Ist die Qualifizierung ausreichend um Schadensfälle vollständig zu vermeiden? Im Allgemeinen: Nein Eine Qualifizierung bezieht sich auf die Komponente vor der Massenproduktion - Keine Überwachung der Serienproduktion (z.b. Golden Sample -Problem, kürzere Taktzeiten, Werkzeugverschleiß usw.) Die Qualifizierung bezieht sich nur auf eine Komponente eines komplexen Systems - Komponenten- bzw. Systemeinflüsse werden unzureichend abgebildet Im Rahmen der Qualifizierung erfolgt i. d. R. keine detaillierte Bewertung - Schwachstellen, die nicht unmittelbar zum Ausfall führen, werden nicht entdeckt Durch die Qualifizierung werden Langzeiteffekte häufig nicht reproduziert - z.b. Migrations-/Diffusionsphänomene, Abweichung Simulation Realität SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 7
Die Ausgangssituation Ausfallursachen für Steckverbinder Ausbildung von widerstandserhöhenden Schichten auf den Kontaktflächen - Korrosion - Reiboxidation (Fretting, infolge Vibration / Verschiebung im µm-bereich, z.b. Zinnoberflächen) - thermische Oxidation / intermetallische Phasenbildung (beides: erhöhte Umgebungstemperatur) - Kontamination aus der Umgebung oder aus der Komponente selbst Beschichtungsabtrag in den Kontaktzonen - Schichtdefekte durch mechanischen Verschleiß (Vibration) oder Steckvorgänge (Kontaktgeometrie) - Schädigung / Veränderung der Beschichtung infolge Temperatur (Diffusion) Mechanische / Herstellungsbedingte Eigenschaften des Kontaktsystems - Abbau der Kontaktnormalkraft durch thermische Spannungsrelaxation (z.b. Cu-Be-Legierungen) - Abheben von Kontaktlamellen infolge Vibration - Geometrie / Qualität der Crimpverbinder Bleifreies Löten / RoHS - Ausbildung von Whiskern bei Verwendung von Reinzinn SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 8
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten Moderne Automotive- und Aerospace-Elektronik teilweise sehr kleine Spannungen - Testspannungen im Airbag-Pfad: ~30 mv Spannungen unterhalb Lichtbogengrenzspannung oder Schmelzspannung - Ausgangsspannungen Abgassensorik: 0,2-1,1 V keine Reinigung der Kontakte über Lichtbögen - Analoge Eingangsspannungen ELAC: 0-5 V dünnste Fremdschichten wirken widerstandserhöhend (> 20 nm) Oberflächenanalytische Verfahren notwendig! SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 9
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten Detektor für Elektronen: Topographie / Material - Hohe laterale Auflösung (< 5 nm) - Hohe Schärfentiefe - Präzise Messung von Längen - SE-Detektor: Topographiekontrast - BSE-Detektor: Materialkontrast Detektor für Röntgenstrahlung: EDX-Analyse - Laterale und vertikale Auflösung: 0,1...1 µm - Laterales Element-Mapping, vertikale Elementprofile (letztere nur am Querschliff) - Nachweisgrenze: etwa 0,1 at.-% - Detektierbare Elemente: B / C bis U - Semiquantitative Analyse Rasterelektronenmikroskop Wehnelt-Zylinder Kondensor Objektiv Ablenkspule Detektor für Röntgenstrah- Elektronen lung Detektor Objekt Detektor für durchgehende Elektronen SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 10
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten TOF-SIMS: - Desorption charakteristischer Fragmente aus den obersten Atomlagen der Probe (Elemente, Ionen, Moleküle, Fragmente von Molekülen) - Chemischer Aufbau der Oberfläche und Bestimmung der lateralen Element- und Molekülverteilung ( chemical mapping ) - Nachweis aller Elemente und Isotope sowie organischer Verbindung im Spurenbereich - Hohe laterale und vertikale Auflösung - Laterale Auflösung: < 1 µm - Vertikale Auflösung: 0,5 2 nm - Nachweisgrenze: ppb ppm primäres Ion: Ar,Ga,Cs, Au-Cluster, 10-30keV technische Oberfläche beliebiger Festkörper Elemente, Moleküle Fragmente von Molekülen SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 11
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten XPS: - Elektronenspektrometrisches Verfahren mit Röntgenanregung - Photoelektronen sind die Informationsträger - Die XPS-Analyse liefert die qualitative und quantitative Materialzusammensetzung sowie den Nachweis der chemischen Bindung - Laterale Auflösung: 10 µm.. 3 mm Oberfläche 2p Röntgenanregung (h * n ) 3/2 Photoelektronen d = 4 100 Å - Tiefenauflösung: 0,5 3 nm 1/2 - Nachweisgrenze: ca. 0,1 At.-% 2s - Quantifizierung: gut (Empfindlichkeitsfaktoren) 1s - Elementnachweis: Z 3 - Tiefenprofile: ja 1 µm Probe SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 12
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten AES: - Anregung mit Elektronen - Messung der Energieverteilung der aus dem Festkörper austretenden Augerelektronen - Laterale Auflösung: ca. 30 nm Sekundärelektronen Rückgestreute Elektronen Probenoberfläche Primärelektronen-Strahl Auger-Elektronen 4-50 Å Z > 3 Charakteristische Röntgenstrahlen Z 4 - Tiefenauflösung: 0,5... 3 nm - Nachweisgrenze: 0,5... 5 at% < 1-3 µm Anregungsvolumen - Quantifizierung: ja - Nachweisbare Elemente: Z 3 - Tiefenprofil: ja 0 Si 100 1 µm O 500 Kinetische Energie (ev) SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 13
Widerstandserhöhende Fremdschichten Analytische Verfahren zum Nachweis von Fremdschichten auf Kontakten AES XPS TOF-SIMS Anregung Elektronen Röntgenstrahlen Ionen Messprinzip Energieverteilung der Augerelektronen Energieverteilung der Photoelektronen Masse und Ladung der Sekundärionen Nachweistiefe / Tiefenauflösung 0,5 nm - 5 nm 0,5 bis max. 10 nm 0,5 nm Nachweisempfindlichkeit ca. 0,5 5 A% ca. 0,1-2 A% 10 9-10 12 at/cm 2 Laterale Auflösung 10 nm 10 bis 30 µm 0,5 µm Aussagen zur chemischen Beschaffenheit Nur bedingt Gut (chemical shift) Sehr gut (lange Molekülketten) Quantifizierbarkeit Empfindlichkeitsfaktoren (eingeschränkte Genauigkeit) Nachweis Z 3 Empfindlichkeitsfaktoren (relativ genau -> f.p.m) Nachweis Z 3 Standards, für bekannte Materialien Empfindlichkeitsfaktoren Tiefenprofile Ja Ja, bis ca. 10 nm auch winkelaufgelöst Ja für flache Profile, chemische Information geht verloren SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 14
Widerstandserhöhende Fremdschichten Charakterisierung von Verunreinigungen auf Kontaktflächen Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 15
Widerstandserhöhende Fremdschichten Charakterisierung von Verunreinigungen auf Kontaktflächen Rasterelektronenmikroskopie: Element - Maps Silikonquelle: Einzelleiterabdichtung SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 16
Widerstandserhöhende Fremdschichten Charakterisierung von Verunreinigungen auf Kontaktflächen SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 17
Widerstandserhöhende Fremdschichten Ausfall elektrischer Kontakte durch SiOx-Bildung über Silikon-Degradation REM Kohlenstoff Sauerstoff Silicium Zeitaufgelöste Sekundärionen-Massenspektroskopie (TOF-SIMS) SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 18
Widerstandserhöhende Fremdschichten Ausfall von Airbag-Kontakten durch Polymerisation organischer Schichten SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 19
Widerstandserhöhende Fremdschichten Migration einer Vergussmasse bewirkt erhöhten elektrischen Übergangswiderstand SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 20
Widerstandserhöhende Fremdschichten Chemische Reaktion einer Vergussmasse mit einem Crimpöl Migrationsversuch: Auf ein hochreines Silberblech werden Crimpöl und Vergussmasse in einem Abstand von ca. 15 mm aufgebracht. Nach Aushärten der Vergussmasse werden elektrische Messungen des kraftabhängigen Übergangswiderstandes (dry circuit) durchgeführt. Es zeigen sich deutlich erhöhte Übergangswiderstände in der Vermischungszone Ursache für den Ausfall der Steckverbinder SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 21
Beschichtungsabtrag in den Kontaktzonen Mechanischer Durchrieb eines Silberkontaktes SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 22
Beschichtungsabtrag in den Kontaktzonen Mechanischer Durchrieb eines Silberkontaktes SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 23
Beschichtungsabtrag in den Kontaktzonen Mechanischer Durchrieb eines Goldkontaktes SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 24
Kurzschlüsse infolge von Elektromigration Ursache für den Abbrand einer Baugruppe im Steckerbereich SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 25
Kurzschlüsse infolge von Elektromigration Ursache für die Bildung leitfähiger Beläge auf einem Stanzgitter Schritt 1: Schadensanalyse Schritt 2: Chemische Analytik der Beläge Cu 2 S: S aus ABS Additiv Schritt 4: Auslagerung in Klimakammer Schritt 3: Cu 2 S Bildungstheorie SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 26
Whisker-Bildung Bildung und Wachstum von Whiskern (Sn- und Ag-beschichtete Oberflächen) SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 27
Whisker-Bildung Whisker-Bildung an Kontakten eines Stecksockels SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 28
Crimpverbinder SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 29
Crimpverbinder SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 30
Zusammenfassung Technischer Fortschritt und wachsende Kundenanforderungen führen zu hoch-komplexen Lösungen in vielen Industriebereichen. In Verbindung mit Zeit-, Kosten- und Marktdruck wachsen die Risiken für technische Probleme. In einigen Fällen, insbesondere wenn sicherheitsrelevante Systeme betroffen sind, müssen Rückrufaktionen ausgelöst werden, die hohe Kosten und Imageverluste nach sich ziehen. SGS, als Ihr kompetenter, diskreter und unabhängiger Partner in der Schadensanalytik und Prävention testet Ihre Produkte auf Herz und Nieren, bevor Ausfälle im Feldeinsatz auftreten können. SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 31
KONTAKT Dr. Olaf Günnewig CTS Automotive SGS INSTITUT FRESENIUS GmbH Joseph-von-Fraunhofer-Str. 13 44227 Dortmund Telefon +49 (0)231 9742-7303 Fax +49 (0)231 9742-7349 E-Mail olaf.guennewig@sgs.com SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH 2012 All rights reserved - SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 32
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