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Basismaterialien für recyclebare Leiterplatten
Da bislang bestückte Leiterplatten nach Ende ihrer Lebensdauer bekanntermaßen sehr schwer recyclebar sind, beschäftigen sich viele Forschungseinrichtungen seit einiger Zeit damit, Basismaterialien zu entwickeln, die das Recycling vereinfachen bzw. überhaupt ermöglichen. Dies verdeutlichen die Technologiebeiträge der April- und Maiausgabe. Offen bleibt, wie diese im Labor durchgeführten Technologien in die industrielle Praxis überführt werden können.
April – Neue Methode zur Herstellung recyclebarer starrer Leiterplatten
Die interessante Forschungsarbeit verschiedener Universitäten aus Kasachstan mit praktikablen Verfahren und Technologien zur Vermeidung von Leiterplattenabfällen und zur Wiederverwertung der Ausgangsmaterialien und Bauteile ist unseres Erachtens sehr lesenswert.
Beschrieben wird ein Verfahren, mit dem Leiterplatten mit Polymeren auf der Basis von Polymilchsäure (PLA) als Bindemittel hergestellt werden. Die PLA ersetzt die bekanntermaßen umweltschädlichen Harze in konventionellen Basismaterialien. Es wird gezeigt, wie eine doppelseitige Leiterplatte gefertigt und bestückt wird. Alle elektrisch relevanten Eigenschaften des neuartigen Basismaterials werden mit denen von FR 2 und FR 4 verglichen. Die Ergebnisse lassen sich sehen, denn die wichtigsten Charakteristika unterscheiden sich nur geringfügig. Experimente zeigten, dass die bestückte Platine auf PLA-Basis in ihre ursprünglichen Komponenten zerlegt werden kann und damit 95 % des Gewichtes der Rohstoffe und 100 % der elektronischen Komponenten zurückgewonnen wurden.
Mai – Der ‚Glänzende Lackporling' als Substratmaterial für flexible Leiterplatten
In diesem Beitrag steht nicht das Recyceln starrer Leiterplatten, sondern flexibler Leiterplatten im Fokus. Anstelle von normalerweise eingesetzten Polyester- oder Polyimidfolien als Basismaterial untersucht ein österreichisches Forschungsteam den Gebrauch speziell gezüchteter Myzelhäute eines Pilzes, des Glänzenden Lackporlings. Beschrieben wird nicht nur das Züchten der Myzelhäute, sondern auch das Aufbringen und Strukturieren der Kupferleiterbahnen. Vorteil ist, dass sich das Basismaterial unter bestimmten Bedingungen am Ende des Lebenszyklus' der Leiterplatte biologisch abbauen lässt und die metallischen Leiterbahnen und elektronischen Bauteile wiederverwendet werden können.
Resilienz von Lieferketten
Dieser Beitrag ist für alle Unternehmen interessant, die Risiken in störanfälligen Lieferketten minimieren wollen.
Februar – Resilienz in transnationalen Lieferketten
Inga Carry und Meike Schulze von der Stiftung Wissenschaft und Politik beschäftigen sich mit der erheblichen Störanfälligkeit der weltweit verzahnten und komplexen Lieferketten. Sie beschreiben u. a. die Risiken in der Halbleiterindustrie sowohl beim wichtigsten Rohstoff, dem Silicium, als auch bei Halbleiterbauelementen, und stellen dar, wie neben der Diversifizierung von Bezugsquellen eines Unternehmens auch Transparenz und Nachhaltigkeit im menschenrechtlichen und im umweltbezogenen Sinn die Lieferketten resilienter machen können. Auch gehen die Wissenschaftlerinnen auf entsprechende nationale und EU-Gesetze sowie Gesetzesinitiativen ein. Sie belegen, dass Unternehmen durch Nachhaltigkeit und Transparenz bestehende Abhängigkeiten und potentielle Risiken identifizieren und Abhilfe schaffen können.
Digitale Zwillinge
Ein weiteres Schwerpunktthema unserer Forschungsrubrik war der Einsatz sogenannter Digitaler Zwillinge – virtuelle Spiegelbilder eines realen Objektes oder eines realen Prozesses. Ihren praktischen Einsatz und den Forschungsstand in bestimmten Teilbereichen behandeln folgende Beiträge:
August – Einsatz digitaler Zwillinge bei der galvanischen Verkupferung von Leiterplatten
Die Autorin Dr.-Ing. Agnieszka Franczak ist bei einem Anbieter computergestützter Ingenieursdienstleistungen beschäftigt und schildert überzeugend die Vorteile hinsichtlich Qualität und Wirtschaftlichkeit beim Einsatz eines Digitalen Zwillings bei der galvanischen Verkupferung von Leiterplatten. Dazu werden alle relevanten Daten von Sensoren, Geräten und anderen Quellen gesammelt, um ein digitales Modell zu erstellen. Die Autorin erläutert den in der Leiterplattentechnik üblichen Galvanisierungsprozess und beschreibt, wie dafür ein digitaler Zwilling entsteht und welche Daten in diesen einfließen. Sowohl die Analyse als auch die Prozessoptimierung erfolgen in einer Computerumgebung. Für die sich anschließende Gestaltung des realen Galvanisierungsprozesses bringt dies ehebliche Vorteile hinsichtlich der Qualität der Leiterplatten und der Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Kenntnisreich geht die Autorin auf das Leiterplattendesign hinsichtlich der Kupferbalance ein und zeigt, wie sich mit einem digitalen Kupferbalancetool das Design optimieren lässt.
November – Digitaler Zwilling für zuverlässigere Elektronik
In der Novemberausgabe geht es um Digitale Zwillinge, die komplexe physikalische Systeme simulieren, z. B. elektronische Baugruppen für die Automobil- und Bahntechnik. Mit der Simulationstechnik lässt sich der Lebenszyklus verlängern. Die digitalen Zwillinge werden zur Überwachung des Zuverlässigkeitsverhaltens verwendet, indem ein digitaler Fingerabdruck erstellt wird, der proaktiv auf alterungsbedingten Verschleiß reagiert. Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration haben ein Simulationskonzept entwickelt, das neue Ansätze für eine Multidomän-Systemmodellierung zur Bewertung des Degradationsverhaltens eines Systems im Feld unter externen Belastungen aufzeigt. Die Forscher verwenden zur Demonstration eine Brückengleichrichterschaltung, bei welcher die Sperrschichttemperatur als Hauptstressor betrachtet wird. Die Schaltung wird einem Einsatzprofil unterzogen, das externen thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt wird. Der ausführlich erläuterte Ansatz lässt sich auf komplexe Systeme anwenden, bei denen mehr als zwei Domänen (z. B. thermomechanische und elektrische) gekoppelt werden müssen. Dazu lassen sich verschiedene Softwaretools oder Simulationsmodelle koppeln, um einen vollständigen digitalen Zwilling des komplexen physikalischen Systems zu erzeugen.
Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen
Gleich drei Technologiebeiträge widmeten sich einem Thema, das als Dauerbrenner gilt: Die Verbesserung der Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen, besonders in sicherheitsrelevanten Bereichen.
Juni – Dynamische Topografiemessung an Komponenten, Substraten und Modulen
In der Juniausgabe schildern Oliver Albrecht und Thomas Zerna als Wissenschaftler der TU Dresden, wie man mittels einer Topografiemessung an Komponenten und elektronischen Baugruppen frühzeitig Fehlerursachen aufgrund von thermischer Verformung der Baugruppen erkennen kann. Ursache für die Verformungen sind die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der in einer Baugruppe vorkommenden Materialien. Die Wissenschaftler beschreiben die zugrundeliegenden Messprinzipien, insbesondere das virtuelle Moiré-Verfahren bzw. die Streifenprojektion. Geschildert werden der typische Ablauf einer kompletten Untersuchung und Möglichkeiten zur Auswertung der Messergebnisse. An drei Beispielen (BGA mit Head-in-Pillow-Fehlern, DCB-Substrate, Antennenmodul) diskutieren die Forscher die Messergebnisse.
Die Untersuchungen zeigen nach Ansicht der Forscher, dass die Topografiemessung eine geeignete Methode zur Diagnose von Fehlerursachen darstellt, aber auch für vorbeugende Untersuchungen zum Erkennen potentieller Produktionsfehler geeignet ist.
September – Schnelle Prüfmethode für Zuverlässigkeitstests von Lotverbindungen
Ein Forschungsthema am Institut für Chemische Technologie der TU Wien ist die Entwicklung eines neuen Prüfverfahrens für Lötstellen in mehrschichtigen elektronischen Baugruppen. Mit ihm lassen sich Zuverlässigkeitstests in wesentlich kürzerer Zeit durchführen, als dies bisher möglich gewesen ist. Beschrieben wird ein hochfrequentes zyklisches Biegeprüfsystem, mit dem die Lebensdauer der Lötstellen in kurzer Zeit bestimmt werden kann. Dadurch kann die Prüfdauer von einigen Monaten auf wenige Stunden reduziert werden. Da das Prüfsystem mit einem Laser-Doppler-Vibrometrie-Tool ausgerüstet ist, lassen sich auch Rissbildungen und Delaminationen erkennen.
Die Entwickler zeigen an verschieden Beispielen – Hochtemperatur-Bleilotlegierungen, Vergleich bleifreier und bleihaltiger Lote, Transient Liquid Phase (TLP)– und Ag-Sinterverbindungen – die Anwendbarkeit der Prüfmethode hinsichtlich der Zuverlässigkeitsbewertung.
Das von Golta Khatibi und Thomas Walter beschriebene Verfahren eignet sich für die schnelle Bewertung und das Screening von Lotmaterialien, für klassische, hochbleihaltige und bleifreie Lote sowie für Sinter- und TLP-Verbindungen.
Oktober – Lebensdauerprognose von IGBT-Modulen in kürzester Zeit
Auch im Oktoberbeitrag ging es darum, Zuverlässigkeitsprüfungen und damit Lebensdauerprognosen in sehr kurzer Zeit durchzuführen – hier allerdings für Drahtbondverbindungen in IGBT-Modulen (Insulated Bipolar Transistors). In dem Beitrag wird von Forschern der TU Wien und der FH Burgenland eine Methode für den direkten Vergleich der Drahtbonddegeneration durch den mechanischen BAMFIT-Test und das beschleunigte Power-Cycling beschrieben. Ziel war es, die Restlebensdauer in kürzester Zeit zu bestimmen und eine zuverlässige Lebensdauerprognose abzugeben. So kann verhindert werden, dass IGBT-Module während des Betriebes überraschend ausfallen und schwere Folgeschäden verursacht werden.
Derzeitige Standardmethode ist das Power-Cycling. Häufig wird jedoch aufgrund unzureichender Annahmen z. B. das Risswachstum nicht berücksichtigt. Auch werden Lebensdauerprognosen getroffen, die weit von den Testergebnissen abweichen. Daher wählen die Forscher mit dem Einsatz eines BAMFIT- (Bondtec Accelerated Mechanical Fatigue Interconnnection) -Tests einen völlig neuen Ansatz. Das Prüfsystem ist mit einem speziellen Resonanztesttool ausgerüstet, das lokale zyklische Scherspannungen an der Verbindungsstelle induziert. So werden thermomechanische Belastungen während des Schaltvorganges nachgebildet. Durch eine hohe mechanische Prüffrequenz werden hohe Beschleunigungen erreicht, sodass die Lebensdauerkurven in sehr kurzer Zeit erstellt werden können.
Weiterhin werden Vergleichsstudien zum Degradationsverhalten von Al-Drahtbonds unter beschleunigter thermischer und mechanischer Belastung beschrieben. Dazu wurde das Risswachstumsverhalten von Al-Drahtbonds während der Wechselbelastung bis zum Ausfall mit der BAMFIT-Methode und herkömmlich beschleunigten Power-Cycling-Tests untersucht. Die Forscher zeigen, dass die so ermittelten Risswachstumskurven zur Lebensdauermodellierung und für Lebensdauervorhersagen bei geringem Zeitaufwand geeignet sind.
Künstliche Intelligenz in der Elektronikfertigung
Dezember – Entwicklung einer KI-basierten Prozessoptimierung in einer vertrauenswürdigen verteilten Fertigung
Forscher der Technischen Universität Berlin und des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) berichten über ein gemeinsames Projekt, in welchem verteilt an unterschiedlichen Fertigungsstandorten der Ablauf von der heterogenen Erfassung von Prozess- und Sensordaten bis zur KI-gestützten Analyse und Optimierung des Fertigungsprozesses dargestellt werden kann. Es wird von den Forschern beschrieben, wie eine vollständige prozessbegleitende Datenerfassung gewährleistet wird und welche Voraussetzungen geschaffen werden müssen, damit die einheitliche Prozessdatenaufnahme und -auswertung von unterschiedlichen Unternehmen mit eigenen (IT-)Infrastrukturen möglich ist.
Die Autoren stellen von ihnen entwickelte Konzepte für verteilte Fertigungsszenarien von sicherheitsrelevanten elektronischen Baugruppen vor. Dazu gehören zum einen eine Infrastruktur zur vertrauenswürdigen Erfassung von Fertigungsdaten und Methoden zum maschinellen Lernen zur Verbesserung der Produktqualität auf Basis dieser Daten, zum anderen eine Chain-of-Trust-Methode, die in der Lage ist, eine vertrauenswürdige Fertigung nicht nur in einer Fabrik, sondern auch in einer komplexeren Prozesskette zu gewährleisten.
Die Herstellung sicherheitsrelevanter elektronischer Baugruppen erfolgt heute in der Regel in einer Produktionsstätte, die vollständig auf dieses spezifische System mit all seinen technologischen Auswirkungen abgestimmt ist.
Kosteneffizienter könnte eben die erwähnte dezentrale Fertigung sein, bei dem das erforderliche Fachwissen an mehreren Produktionsstandorten benötigt wird, um ein vergleichbares Ergebnis zu erzielen.
Einsatz und Herstellung von dreidimensionaler Elektronik
März – Gezielte Steuerung von Umformprozessen dreidimensionaler bestückter und bedruckter Folien.
Beschrieben wird ein Forschungsvorhaben (Fraunhofer IZM und IVV mit Industriepartnern), um neue Verfahren zur gezielten Steuerung des Umformprozesses dreidimensionaler bestückter und bedruckter Folien zu entwickeln. So werden u. a. Fragen zur Thermoform- bzw. Dehnbarkeit gedruckter elektrischer Leiter beantwortet oder welche Verfahren zur Steuerung der Umformung des strukturierten und bestückten Halbzeuges geeignet sind. Die Wissenschaftler gehen auf die Material- und Komponentenauswahl ein, auf den erforderlichen Erwärmungs- und Umformprozess sowie auf die Zuverlässigkeit der hergestellten elektronischen Komponenten. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sind vielversprechend, denn die beschriebene Technologie führt zu einer größeren Designfreiheit hinsichtlich Form, Lage und Positionierung der Bauteile. Vor allem zeigen die Ergebnisse, dass die Entwicklung einer thermoform- und spritzgusskompatiblen Aufbau- und Verbindungstechnik, basierend auf elektrisch leitfähigen Klebstoffen und konventionellen SMD-Montageverfahren, möglich ist.
Druckglasdurchführungen für Sensoren
Januar – Herstellung von Druckglasdurchführungen für Sensoren mittels Laser
Eine Druckglasdurchführung stellt eine hermetisch abgeschlossene Schnittstelle zwischen Sensoreinheit und Sensorelektronik dar. Derzeit werden Durchführungen in einem Ofenprozess hergestellt, in dem Glaskörper, Fassung und Kontakte auf die Schmelztemperatur des Glases (oberhalb 400 °C) erhitzt werden. Da dieser Prozess für temperaturempfindliche elektronische Komponenten sehr problematisch ist, wurde in einem Projekt mit einem Industriepartner und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ein laserbasiertes Verfahren entwickelt, in welchem der Laser als fokussierbare Wärmequelle genutzt wird. Der Artikel beschreibt, welche Wege die Projektpartner gegangen sind, um den Laserstrahl so zu fokussieren, dass der Glaskörper zum Schmelzen gebracht wird, ohne die Elektronik zu beschädigen. Der Leser erfährt auch, welche Parameter den Prozess beeinflussen und welche Vorbehandlung erforderlich ist. Untersuchungen zeigen, dass mit dem Laserverfahren heliumdichte Druckglasdurchführungen hergestellt werden können. Abschließend werden Eigenschaften der Druckglasdurchführungen, die im Ofenprozess und mittels Lasertechnologie gefertigt wurden, miteinander verglichen.
Online: https://www.leuze-verlag.de/fachzeitschriften/plus/item/6029-laser-statt-ofenprozess
Detektion chemischer Verunreinigungen in Reinräumen
Juli – Detektionssysteme mit elektrochemisch aktiven Oberflächen
Gloria Lanzinger vom Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie zeigt, wie sich Funktionsschichten auf Basis intrinsisch leitender Polymere entwickeln lassen. Diese Polymere sind wesentlicher Bestandteil von Durchbruchsdetektoren mit elektrochemisch aktiven Oberflächen zur Detektion von chemischen Verunreinigungen, insbesondere von Ammoniak und Formaldehyd in Reinräumen. Verschiedene leitfähige Polymere werden untersucht. Auch behandelt der Beitrag, welche Substrate sich eignen und wie die Abscheidungsbedingungen sein müssen. Untersucht werden die Eigenschaften der mittels potentiostatischer und potentiodynamischer Abscheidung hergestellten Schichten. Gezeigt wird, dass sich leitfähige Polymere auf verschiedenen Substraten mittels unterschiedlicher Strommodulation abscheiden lassen. Die besten Ergebnisse erzielen die potentiodynamisch abgeschiedenen Proben. Sie konnten z. B. die Ammoniakkonzentration ähnlich gut detektieren wie herkömmliche Sensoren.
