Abschätzung der Zyklenfestigkeit von elektrischen Durchkontaktierungen thermisch beanspruchter Leiterplatten mit Hilfe experimenteller und simulativer Methoden

Abstract:
Die gegenwärtigen Entwicklungen von mehrlagigen Leiterplatten als elektromechanisches Verbindungselement zeigen eine deutliche Zunahme der Packungsdichte bei zunehmender Miniaturisierung der einzelnen Komponenten. Damit ist eine extreme Herausforderung an die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbunden. Um die Zuverlässigkeit von entsprechend designten Leiterplatten in dem jeweiligen Temperaturbereich für die jeweilige Anwendung optimieren zu können, sind umfassende Kennnisse vom elektrischen, thermischen und mechanischen Werkstoffverhalten erforderlich. In diesem Beitrag wird der Fokus auf die mechanische Charakterisierung relevanter Werkstoffeigenschaften, wie das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Kupfer-Durchkontaktierungen gelegt. So werden mit Hilfe der instrumentierten Härteprüfung im Nanobereich (Nanoindentation) in Cu-Hülsen lokale Werkstoffkennwerte, wie Modul und Fließgrenze bestimmt. Im Weiteren werden Ergebnisse aus der EBSD-Analyse vorgestellt und strukturelle Änderungen der Cu- Qualitäten in der Cu-Hülse diskutiert, die ursächlich für eine veränderte Zyklenfestigkeit verantwortlich sein können. Die experimentell ermittelten Ergebnisse werden FE-Simulationswerkzeugen zugeführt. Neben der Einbindung der mechanischen Werkstoffparameter erfolgt die FE-Modellierung zusätzlich unter Berücksichtigung von Geometrieparametern. Dadurch konnten vorhanden FE-Modelle angepasst bzw. modifiziert werden. In Kombination der experimentellen und simulativen Ergebnisse erfolgt eine Sensitivitätsanalyse zum Einfluss der ermittelten Werkstoffparameter auf die Zyklenfestigkeit von Cu-Durchkontaktierungen. Dadurch lassen sich im Vorfeld der Fertigung die Grenzen der Beanspruchungen von Leiterplatten frühzeitig aufzeigen.