Vl-gk 01 Einfuehrung

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Elektronische Baugruppen in allen Bereichen des Lebens

BAUELEMENTE

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

ISOLIERENDER TRÄGER

ELEKTRISCHE VERDRAHTUNG

LEITERPLATTE

ELEKTRONISCHE BAUGRUPPE + BEDIENELEMENTE, ANZEIGEELEMENTE, SENSOREN, AKTOREN, SCHNITTSTELLEN ELEKTRONISCHES GERÄT

Definitionen / Begriffe Gerät: Ein Gerät it ein kompaktes technisches System, das einem Benutzer gestattet, einen technischen Prozess gezielt ablaufen zu lassen.

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Technisches System: Ein technisches System stellt eine Anordnung von technischen Gebilden dar, die durch klare Grenzen abgegrenzt ist. Dabei werden die Grenzen nur durch Eingangsund Ausgangsgrößen überschritten. Ein technisches System lässt sich in Teilsysteme untergliedern (vgl. DIN 19226). Technischer Prozess: Ein technischer Prozess besteht in der Umformung, der Verknüpfung und/oder dem Transport von Materie, Energie und/oder Informationen (vgl. DIN 19223). Eingangs- und Ausgangsgrößen: Die Eingangs- und Ausgangsgrößen eines Gerätes bzw. eines technischen Systems oder von Teilsystemen sind entsprechend Materie, Energie und Signal. Es findet ein Informationsfluss, Energiefluss oder Stofffluss statt.

Definitionen / Begriffe Energietechnik: Dominierend ist ein Energie- bzw. Leistungsumsatz. Die Güte des Umsatzes wird durch das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsgrößen angegeben (Wirkungsgrad). Beispiele: Stromversorgungsbaugruppen, Baugruppen zur Wärmeerzeugung, Baugruppen zur Kälteerzeugung, Lichtquellen u.a.

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Produktions- und Verfahrenstechnik: Dominierend ist ein Stoffumsatz (Stückzahl, Massestrom). Die Güte des Hauptumsatzes wird durch das Verhältnis von Stoffmengen gekennzeichnet (z.B. Veredlungsgrad, Trenngrad, Ausbeute) Beispiele: Reinigungsgeräte, Mixgeräte, Ätzanlagen, Entwicklungsanlagen, Kopierer u.a. Gerätetechnik: Dominierend ist der Signalumsatz (Informationsmenge, Informationsfluss). Die Güte stellt das Verhältnis zweier Signalgrößen dar (Störabstand, Bandbreite). Beispiele: Fernseh- und Rundfunkgeräte, Telefone, Handys, Camcorder, Computer, Modems u.a. Je nach Primat des Informations-, Stoff- oder Energieflusses ist eine Einteilung in Hauptverarbeitungs- und Nebenverarbeitungsfunktionen sinnvoll. Nebenverarbeitungsfunktionen dienen im allgemeinen der Aufrechterhaltung der Hauptverarbeitungsfunktion.

Aufbau informationsverarbeitender Geräte Funktion:

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Struktur:

Benutzer Anzeigeelemente Kommunikationsschnittstelle

Benutzerschnittstelle

Kommunikationsschnittstelle

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Bedienelemente

Steuerung / Regelung

Prozessschnittstelle Sensorik

Aktorik Prozess

MESSGERÄT: Benutzer Anzeigeelemente Digitalanzeige z.B. IEC 625 Kommunikationsschnittstelle

Benutzerschnittstelle

z.B. IEC 625 Kommunikationsschnittstelle

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

MessbereichsBedienelemente schalter

Messverstärker A/D-Wandler Steuerung / -Regelung

Prozessschnittstelle Sensorik Messfühler

Aktorik Prozess

RUNDFUNKEMPFÄNGER: Benutzer Anzeigeelemente Frequenzanzeige Kommunikationsschnittstelle Audio – Out (Chinch)

Benutzerschnittstelle

AUX - Eingang Kommunikationsschnittstelle

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Senderwahl, Bedienelemente Lautstärkeregler

Tuner / Verstärker Steuerung / Regelung

Prozessschnittstelle Sensorik Antenne

Aktorik Prozess

CAMCORDER: Benutzer Anzeigeelemente Monitor / Sucher Kommunikationsschnittstelle DV – Out / RGB / Audio

Benutzerschnittstelle

DV – In Kommunikationsschnittstelle

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Record, Play, Bedienelemente FF, REW-Tasten

Videoprozessor, Coder, Decoder, Steuerung / Regelung Laufwerkssteuerung

Prozessschnittstelle Bandlaufwerk, Aktorik Zoom

Sensorik CCD-Chip Prozess

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Einführung – Begriff Zuverlässigkeit

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Zuverlässigkeit ist einer der zeitbezogenen Aspekte der Qualität. (aus DIN EN ISO 8402: 08.95)

Nach DIN 40041 und 40042 ist Zuverlässigkeit „die Fähigkeit einer Einheit, denjenigen durch den Verwendungszweck bedingten Anforderungen zu genügen, die an das Verhalten ihrer Eigenschaften während einer gegebenen Zeitdauer gestellt sind.“

Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeit = Qualität (Zeit)

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

f(t)

Ausfallwahrscheinlichkeit Funktionswahrscheinlichkeit Ausfallwahrscheinlichkeitsdichte Ausfallrate

f (t ) λ (t ) = R (t )

nA nO n − nA R (t ) = O nO F (t ) =

dF f (t ) = dt

n

λ gesamt = λ1 + λ 2 + λ3 + ..... + λ n = ∑ λi i =1

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Zuverlässigkeitsprüfung

Typischer Verhalten der Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen IPC-SM-785

Anforderungen an Elektronik-Baugruppen Parameter

Consumer

Industrial

Automotive

Temperaturbereich

0°C bis +40°C

-10°C bis +70°C

-40 bis +85 / 125 /155 / ..°C

1 - 3 Jahre

5 - 10 Jahre

10 - 15 Jahre

Vibration

vernachlässigbar

0 - 1000 Hz

0 - 2000 Hz

Beschleunigung

vernachlässigbar

50 m/s2

500 m/s2

kaum

Umwelt

Fahrzeug und Umwelt

vernachlässigbar

Umwelt

0 % r. F. bis Watfähigkeit

< 10 %

<1%

Ziel: Null-Fehler-Rate!

Dokumentation des Ausfallverhaltens

nein

bedingt

Ja

Langzeitversorgung

nein

bedingt (bis 5 Jahre)

MobiloLife: bis 30 Jahre

Betriebsdauer

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Chemische Einflüsse Feuchte Tolerierte Feldausfallmenge

Quelle: W. Kempe, DaimlerChrysler

Zuverlässigkeitsprüfung Beispiele für Verbindungs-Eigenschaften bei der Verwendung in Mikrosystemen:

System mit bekannte Anforderungen

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

mechanische Eigenschaften Festigkeit (zum Fixieren von Bauelementen, Übertragen von Kräften oder als "Sollbruchstelle") elektrische Eigenschaften ohmscher Widerstand, Dämpfung, Güte thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit (Verlustwärme) optische Eigenschaften optische Dämpfung (Lichtwellenleiter) Glanz (Inspizierbarkeit)

natürliche oder simulierte Beanspruchung T

t Funktionsprüfung Fehlererkennung

Temperaturwechselprüfung

Zuverlässigkeitsprüfung

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

K. Halser QPZ/IZM

Lötverbindungen nach Temperaturwechseltests

Carol Handwerker et al. (NIST), SMTA - Chicago 2003

Weilbull-Diagramm zur Bewertung von Ausfällen von Weichlötverbindungen

Skalierung - Struktur Beispiel: Array-Bauelemente mit Lot-Balls

1,2 mm

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

30 mm 6 mm Ball-Grid-Array (BGA)

Chip-Size-Package (CSP) Flip Chip (FC)

Einführung – Zuverlässigkeitsprüfung Vibrationsprüfung von elektronischen Baugruppen

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Erfassung elektrischer Ausfälle während der Prüfung 500 TW

SnAgCu

I

II

III

IIIa

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

2g

5g

10g

15g

15g

15g

15g

15g

20g

20g

30g

3min 3min 3min 3min 15min 15min 45min 60min 15min 60min

60min

CR1206 P-TQFP (D3) SIMID 1210 SIMID 0603 TO263-7 (S19) SO (D8) CR0603 CR2512 CR2010

Messplatz, Fa. Bosch

Miniaturisierung

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Weitere Miniaturisierung mit kleineren Bauelementen und Verbindungsstrukturen sowie eingebetteten Bauelementen

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Skalierung - Struktur

Poren in Lötverbindungen mit 800 µm Balls (BGA), SnAgCu-Lot auf NiP/Au-Oberfläche

Poren in Lötverbindungen mit 350 µm Balls (CSP), SnAgCuLot auf Cu-Oberfläche

Entwicklungen in der Mikrosystemtechnik

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

Miniaturisierung von Bauelementen und Fügeverbindungen

elektro-chemische Komponenten (z.B. Gassensor)

Integration von Bauelementen auf dem Substrat

elektro-optische Komponenten (z.B. Kamera)

elektro-mechanische Komponenten (z.B. Beschleunigungssensor)

elektro-optische Komponenten (z.B. Spiegel)

Einführung - Anforderungen an Mikrosysteme

Gerätekonstruktion / Prof. M. Nowottnick

+ Beschleunigung + Vibration + Korrosion

Fahrerraum:

85°C

Motorraum:

125..165°C

am Motor:

140...165°C

Fahrwerk/Bremse:

250°C