Simulation of the packaging process of embedded components in printed circuit boards

Titel in Übersetzung: Nummerische Simulation des Herstellprozesses von Leiterplatten mit eingebetteten Bauteilen

Katerina Macurova

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die kritischen Schritte des Einbettungsprozesses, der bei der Herstellung von hochintegrierten Leiterplatten (PCBs – printed circuit boards) verwendet wird, zu untersuchen. Mithilfe des Einbettungsprozesses, kann beim Einbau elektronischer Bauteile (z.B. Siliziumchips) in Leiterplatten eine Verringerung der Baugröße und somit auch der Kosten und eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit erreicht werden. Die kritischen Verfahrensschritte bei der Einbettung von elektronischen Bauteilen sind (i) die Anbringung bzw. Vormontage, (ii) die Zusammenführung und (iii) die Laminierung der Bauteilpakete. Ein weiteres Ziel ist es die Zuverlässigkeit während des Temperaturzyklus zu bewerten und Möglichkeiten zu finden um die Lebensdauer der PCB-Systeme zu erhöhen. In Bezug auf die Anbringung des Chips, wird der Fokus auf die Klebeverbindung gelegt. Im Speziellen auf die Entwicklung der Schichtstärke des Klebers in Abhängigkeit von der Kraft und Haltezeit bei der Bauteilmontage. Die Lösung wird mit einer analytischen Methode dem Squeeze-Flow-Verfahren und einer numerischen Methode der Strömungsdynamik (CFD - computational fluid dynamics) erreicht. Bei der Zusammenführung und dem Laminierungsprozess, werden die Spannungen und Verwerfungen des Laminat-Chips, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Klebe- und Epoxidharz-Polymerisation bei erhöhten Temperaturen auftreten, analysiert. Besondere Aufmerksamkeit wird während der Phasentransformation auf die Ableitung der Volums-Schrumpfung gelegt, welche eine Hauptbelastung auf die Polymerstruktur darstellt. Der Spannungs-Dehnungs-Zustand der zusammengesetzten Struktur wird sowohl analytisch, mit (i) der klassischen Laminattheorie und (ii) dem Grenzflächenmodell, sowie numerisch durch eine Finite-Elemente-Analyse untersucht. Das komplexe Verbundpaket mit Prepregs (eine Glasgewebestruktur vorimprägniert mit Epoxidharz) wird numerisch mit der Finite-Elemente-Analyse analysiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf den orthotropen Eigenschaften der Prepregs, die auf Grundlagen von gewebten Verbundwerkstoffen analytisch homogenisiert werden. Der Verzug der zusammengebauten und laminierten Pakete werden experimentell durch ein Röntgenbeugungsverfahren (Rocking-Curve-Technik) gemessen. Der Krümmungsradius zeigt dabei eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und gemessenen Werten. Schließlich wird die Zuverlässigkeit einer Funktionsleiterplatte, die Kupfer Vias und Leiterbahnen besitzt, numerisch unter Temperaturwechselbelastung untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Modell erstellt um kritische Vias innerhalb des Pakets zu identifizieren. Die Lebensdauer eines Pakets mit den Fehlern in den kritischen Vias wird mittels analytischer Ansätze für die Ermüdung bei geringer Lastspielzahl bewertet. Als Ergebnis dieser Untersuchung werden numerische und analytische Werkzeuge für die Simulation der Spannungs-Dehnungs-Situation während des Einbettungsprozesses entwickelt. Die Zuverlässigkeit der PCBs wird unter Berücksichtigung der Materialeinflüsse und der geometrischen Parameter untersucht. Schließlich wurden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet um die Zuverlässigkeit des gesamten Einbettungsprozesses für künftigen Leiterplattensysteme zu verbessern.
Titel in ÜbersetzungNummerische Simulation des Herstellprozesses von Leiterplatten mit eingebetteten Bauteilen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
  • Pinter, Gerald Gerhard, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2015

Bibliographische Notiz

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