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Main Title: Untersuchung der Linearität elektrischer Verbindungen zur frühzeitigen Erkennung von Degradationen
Translated Title: Investigation of the lineararity of electrical contracts for degradation detection in electronics
Author(s): Krüger, Michael
Advisor(s): Lang, Klaus-Dieter
Reichl, Herbert
Referee(s): Lang, Klaus-Dieter
Bock, Karlheinz
Reichl, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12752
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11552
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Abstract: An die Zuverlässigkeit elektronischer Systeme werden immer höhere Anforderungen gestellt, um kostenintensive Ausfälle und Stillstandszeiten zu minimieren. Besonders in sicherheitsrelevanten Bereichen wie Flugzeugen, Zügen oder im Automobil, aber auch in komplexen Produktionsanlagen dürfen keinesfalls Ausfälle oder Störungen den Betrieb beeinträchtigen oder unterbrechen. Ausfallanalysen zeigen, dass häufig elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Subsystemen bzw. Systemkomponenten eine unüberwachte Schwachstelle darstellen, die durch Querschnittsverringerung ein elektrisches, thermisches und mechanisches Versagen herbeiführt. Oft scheitert eine Überwachung an der schlechten Zugänglichkeit bzw. dem dadurch erhöhten Messaufwand. In dieser Arbeit wird die Linearität elektrischer Verbindungen untersucht, um ein Messverfahren zur frühzeitigen Erkennung von bevorstehenden Ausfällen in elektrisch leitfähigen Verbindungen zu entwickeln. Die entwickelte Methodik kann angewandt werden, um während des Betriebes den Zustand eines elektrischen Systems zu erfassen und bei einer Schwellwertüberschreitung entsprechenden Handlungsbedarf an die zustandsbasierte Wartung oder den vorbeugenden Austausch von Systemkomponenten aufzuzeigen. Im Vordergrund der Arbeit steht der Entwurf und die Implementierung eines leistungsfähigen Messverfahrens, welches in der Lage ist, kleinste Querschnittseinengungen in elektrischen Leitern messtechnisch mit höherer Empfindlichkeit, im Vergleich zu etablierten Methoden, zu erfassen. Nach der Diskussion geeigneter physikalischer Phänomene zur Messung von Querschnittseinengungen bzw. Rissen wird die thermisch induzierte Nichtlinearität des spezifischen elektrischen Widerstandes und deren Auswirkung auf die elektrische Linearität als geeigneter Zustandsparameter identifiziert. Ein analytisches Modell dieser Nichtlinearität wird aufgestellt und der Einfluss der Parameter Abmessungen, Stromstärke und Frequenz analysiert. Eine Aufteilung der Messsignalanteile zwischen den intakten und degradierten Abschnitten des überwachten Signalpfades wird indirekt über die Stromdichte erreicht. Ausschlaggebend für die Selektivität ist die transiente Temperaturdifferenz zwischen den intakten und degradierten Leiterabschnitten bei Wechselsignalanregung. Das aufgestellte analytische Modell wird nachfolgend in ein Simulationsmodell zur effizienten Parameteranalyse komplexer Leiterstrukturen weiterentwickelt. Die praktische Umsetzung des Messverfahrens wird an einer Mikrostreifenleitung mit diskreten Querschnittseinengungen und an einer Flip-Chip Lotverbindung unter Scherbelastung bei erhöhter Umgebungstemeratur demonstriert. Für die Messung werden Wechselstromsignale zur Erzeugung der thermisch induzierten Nichtlinearitäten genutzt. Als Messsignal werden dann die Verzerrungen auf bestimmten, durch das jeweilige System und Messsignal vorgegebenen Frequenzen erfasst und ausgewertet. Die Auswertung im Frequenzbereich findet mit einem Lock-in-Voltmeter als extrem schmalbandiges Filter statt. Das vorgestellte Verfahren wird als "Interconnect Distortion by electrical stimulation" (Verzerrungsmessung mit elektrischer Anregung) (IDe) benannt. Im Vergleich zur herkömmlichen Widerstandsmessung können mit dem entwickelten Verfahren Ausfälle schon nach etwa der Hälfte der Lebensdauer bei ähnlichem Messaufwand festgestellt werden. Zum ersten Mal ist es damit möglich, einen sinnvollen Reaktionsvorsprung vor Versagen der elektrischen Verbindung zu erzielen bzw. Testzeiten bei gleichbleibender Genauigkeit drastisch zu reduzieren. Das Messverfahren wird in der Arbeit im Hinblick auf die Anwendung in Bereichen ohne die Ausnutzung thermisch generierter Nichtlinearitäten verallgemeinert. Somit können auch rein mechanisch angeregte Verbindungen (z.B. unter Vibrationsbelastung) untersucht bzw. das Werkstoffverhalten unter Belastung analysiert werden. Diese Abwandlung des Messverfahrens wird als "Interconnect Distortion by mechanical stimulation" (Verzerrungsmessung mit mechanischer Anregung) (IDm) beschrieben. Es wird weiterhin die Annahme verteilter Quellen von Nichtlinearitäten entlang eines elektrisch leitenden Pfades experimentell bestätigt und durch das entwickelte Modell erklärt. Das in dieser Arbeit erfolgreich umgesetzte Messverfahren stellt einen Beitrag zur Zuverlässigkeitsanalyse und -steigerung elektrischer Systeme durch Parametermessung dar. Es ist damit erstmals möglich, unabhängig vom verwendeten Werkstoff, applizierter Belastungsart und -dauer sowie Umwelteinflüssen den Zustand einer elektrischen Verbindung zu erfassen und als wichtige Information in Entwicklung, Test, Qualifikation und Betrieb elektrischer oder elektromechanischer Systeme bereitzustellen. Darüber hinaus kann die Wiederverwendung von Systemkomponenten durch eine genaue Zustandsanalyse mit garantierten Restlaufzeiten eine nachhaltige Ersatzteilstrategie darstellen.
Increasingly higher demands are made upon the reliability of electronic systems to avoid costly breakdown and downtime. Safe operation is mandatory particularly in key areas such as airplanes, trains or automobile. Neither failures nor disruptions should influence safe and continuous operation. Failure analysis shows that often electrical connections between individual subsystems or system components are an unsupervised weak point, leading through reduction of cross-sections in conductive paths to electrical, thermal and mechanical failures. Often, monitoring fails because of poor accessibility or the need for high measurement effort. In this work the linearity of electrical interconnections is investigated in terms of developing a measuring method for early detection of impending failures in electrically conductive compounds. This methodology can be applied during the operation in order to get qualified indication to the condition-based maintenance or preventive replacement of system components. The focus of the work lies on the design and implementation of an efficient method, which is able to measure even smallest cross-sectional narrowing in electrical conductors. After discussing suitable physical phenomena to measure cross-sectional constrictions or cracks, thermally induced non-linearity of the electrical resistivity is identified as suitable parameter for condition monitoring. An analytical model is set up that includes non-linear conductance behavior of electrical contacts and enables the analysis of parameters like dimension, current and frequency. The measurement signal can be divided by the applied current density into two parts, characterizing the intact and degraded areas of the conductive signal path. Transient temperature difference between the two areas during the measurement enables a high sensitivity. The established analytical model is developed into an efficient simulation model for parameter analysis of complex conductive paths. Practical implementation of the measurement method is demonstrated on micro-strip lines with discrete cross-sectional constrictions and a flip-chip solder joint under shear loading at raised temperatures. Alternating current signals are generated, amplified and used for the generation of thermally induced non-linearities. As measurement signal amplitudes at system-predetermined frequencies are evaluated. The analysis in the frequency domain is done by a lock-in voltmeter as narrow-band filter. The method presented is named Interconnect Distortion by electrical stimulation (IDe). Compared to conventional resistance measurement, defects can be measured after about half of the lifetime at similar measurement effort and costs. For the first time it is now possible to generate a meaningful prognostic distance of the impending failure or reduce testing times in development and qualification of electrical interconnections, respectively. The measurement procedure can be used additionally in areas without thermally generated non-linearities. Thus, purely mechanically excited systems, e.g. in vibration loading, can be examined or the behavior of materials analyzed. This modification is described as Interconnect Distortion by mechanical stimulation (IDm). Furthermore, distributed sources of non-linearity along conductive paths are experimentally confirmed and explained by the developed model. This successful implemented measurement technique provides a contribution to reliability analysis and improvement of electrical systems by parameter measurement. It is thus possible for the first time to gain information about electrical contacts independently from materials, load and duration of loads. This could be the starting-point for improvements in development, testing, qualification and operation of electrical and electro-mechanical systems. Moreover, the reuse of system components by known and guaranteed remaining lifetimes could represent a new spare part strategy.
Subject(s): Nichtlinearität
Degradationen
Messverfahren
Parametermessung
thermisches Modell
non-linearity
early detection
measurement
thermal model
Issue Date: 2021
Date Available: 13-Apr-2021
Exam Date: 16-Feb-2021
Language Code: de
DDC Class: 600 Technik, Technologie
TU Affiliation(s): Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik » Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik
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