Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1587
Main Title: Polymerverkapselung mechatronischer Systeme - Charakterisierung durch eingebettete Faser Bragg Gitter Sensoren
Translated Title: Polymer Encapsulation of mechatronic Systems - Characterization by embedded Fibre Bragg Gratings
Author(s): Schreier-Alt, Thomas
Advisor(s): Reichl, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Faseroptische Sensorik und numerische Simulation ergänzen sich in besonderer Weise, um Herstellung und Funktion mikroelektronischer und mechatronischer Systeme zu charakterisieren. Besondere Bedeutung in der Aufbau- und Verbindungstechnik kommt der Polymerverkapselung zu, da die einzelnen Subsysteme hier zu einem physikalisch eng gekoppelten Gesamtsystem gefasst werden. Die korrekte Beschreibung dieses Prozesses stellt die Grundlage für alle folgenden Zuverlässigkeitsanalysen dar. Beispielsweise überlagern sich fertigungsinduzierte Spannungen mit den Belastungen im Feldeinsatz und beeinflussen Funktionsweise, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden entwickelt, thermo-mechanische Belastungen in Polymeren mit faseroptischen Bragg Gittern zu erfassen und numerisch in Relation zum Prozessablauf zu stellen. Das theoretische Verhalten von Faser Bragg Gittern unter komplexen mechanischen und thermischen Lastzuständen wird in grundlegenden Experimenten verifiziert. Hierzu werden idealisierte Testaufbauten realisiert, mit denen eine Kalibrierung erfolgt und die Wechselwirkung zwischen Faser und Polymermatrix untersucht wird. Die Generalisierung der gewonnenen Zusammenhänge mit Hilfe der numerischen Simulation ermöglicht die Ableitung einer Entscheidungsmatrix zum optimierten Einsatz von Fasersensoren in mechatronischen Systemen und Fertigungsprozessen. Aus analytischen und numerischen Betrachtungen kann insbesondere abgeleitet werden, dass durch spezielle Polymerumhüllungen der Glasfaser Scherspannungen zwischen Faser und Matrix verringert und definiert ins Innere des Sensors verlagert werden können. Diese Vorgehensweise ermöglich erstmalig die Dehnungsmessung mit Faser Bragg Gittern, die ohne verfälschende zusätzliche Befestigungen direkt in das Polymer eingebettet sind. Die Verwendung eines zweilagigen Fasermantels außerhalb des Bragg Gitters führt durch einen weichen, inneren Mantel zur vollständigen Entkopplung von Polymer und Faser. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht den Aufbau eines Sensornetzwerks, das die umgebende Matrix minimal beeinflusst und auch in schwer zugänglichen Bereichen mikromechatronischer Systeme eingesetzt werden kann. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird die Entstehung von Polymerisations-spannungen innerhalb mechatronischer Baugruppen untersucht und Unterschiede zum idealisierten Laborexperiment aufgezeigt. Des Weiteren wird die Belastung von elektronischen Bauteilen beim Transfer Molding aufgezeichnet und mittels numerischer Simulation verifiziert. Die experimentellen Grenzen faseroptischer Dehnungsmessung werden bestimmt, wie sie beispielsweise durch eine reduzierte mechanische Kopplung zwischen Faser und Polymermatrix gegeben sind. Hieraus wird der neuartige Ansatz entwickelt, entmantelte Faser Bragg Gitter zur Vorhersage von Delaminationen in Polymer-Chip Verbünden einzusetzen. Die Scherspannungen zwischen Glasoberfläche und Polymer begünstigen eine Delaminationen, die aufgrund des niedrigeren thermischen Ausdehnungs-koeffizienten der Glasfaser (0,55 ppm/K) gegenüber dem Siliziumchip (2,8 ppm/K) zuerst zwischen Polymer und Glasfaser auftreten sollte. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer durchgehenden Fehlerfrüherkennung mittels Faser Bragg Gittern, beginnend bei der Produktion, über Qualitätstests zum Feldeinsatz führend. Es wird weiter ein Leitfaden zur Kopplung der Verkapselungssimulation mit der struktur-mechanischen Simulation sowie der durchgängigen faseroptischen Messwerterfassung entwickelt. Die Vorhersage zentraler physikalischer Parameter durch eine Verkapselungssimulation mit anschließender Übergabe dieser Daten an ein struktur-mechanisches FEM-Programm ermöglicht es, über die Belastungen im Verkapselungs-prozess hinaus zentrale Parameter für Zuverlässigkeitsmodelle bereitzustellen. Hierzu gehört die Vorhersage der räumlichen Variation orthotroper Materialdaten wie dem Elastizitätsmodul, der Querkontraktionszahl und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die innerhalb dieser Arbeit entwickelten Methoden und Erkenntnisse stellen somit die Grundlage dar für eine Weiterentwicklung der Zuverlässigkeitsprognose von mikro-elektronischen und mechatronischen Systemen im Hinblick auf die Einbeziehung des Verkapselungsprozesses.
Fiber optic sensors and numerical simulation can complement one another in an outstanding way in order to characterize production processes and functionality of microelectronic and mechatronic systems. Within system assembly and integration the process of polymer encapsulation is of particular importance, because the individual sub-systems will be mounted as a physically coupled unity. The correct characterization of this manufacturing process should be the initial point for all further quality and reliability analyses and simulations: Process induced stresses and warpage interfere with strains resulting from field service, process tolerances have an influence on functionality, reliability and lifetime of the system. Within this thesis methods are developed to measure thermo-mechanical strains within polymers by means of fiber Bragg grating sensors and to verify them analytically and numerically with regard to the production process. Theoretical models on the behavior of fiber Bragg gratings during complex mechanical and thermal loads will be verified by basic experiments. These idealized tests enable the calibration of the equipment and enable investigations on the interaction between fiber and polymer matrix. The generalization of these results by numerical simulations allows the compilation of a decision matrix that optimizes the use of fiber optic sensors within mechatronic systems and manufacturing processes. Analytically and numerically can be derived that a special polymer fiber jacket enables the reduction of shear stresses between glass fiber and matrix and to shift them well-defined into the inner part of the sensor. This new approach enables for the first time the use of glass fibers embedded directly into polymers without further fixations. The soft inner coating of double layered jackets enables a de-coupling between polymer and fiber outside the sensor region and ensures minimum influence of the sensor on the measurement object. Additionally the mechanical flexibility of the fiber is preserved. This enables the set-up of a minimal invasive fiber optic sensor network which can be used in areas difficult to reach. With the derived insights the origin of polymerization stresses within mechatronic assemblies have been investigated and differences to idealized experiments within laboratory are discussed. Additionally, strains on electronic parts during transfer molding are measured and verified by numerical simulations. The discussion of physical conditions for delaminations between fiber and polymer leads to the limits of using fiber Bragg gratings for structural health monitoring in polymer-chip systems. Hereby the new approach will be generated to use decoated fibers for prediction of delaminations. High shear stresses between glass surface and polymer support a delamination at this interface because the coefficient of thermal expansion of the glass fiber (0,5 ppm/K) is lower than that of silicon (2,8 ppm/K). This effect leads to structural health and condition monitoring without interruption, starting during production up to quality tests and real life service. This thesis comprises a guideline for coupling the simulation of polymer flow and structural simulations with fiber optic measurements. The data transfer of physical parameters arising from polymer encapsulation simulations to a thermo-mechanical FEA program makes it possible to supply not only strains during encapsulation but also geometrical and material information like pre-stress and warpage of the part which is of special importance for reliability prediction. Also the spatial variation of orthotropic material parameters like Young’s modulus, Poisson’s ratio and CTE can be predicted. The methods and insights developed within this thesis can be the basis for an enhanced reliability characterization of microelectronic and mechatronic systems regarding polymer encapsulation processes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15404
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1884
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1587
Exam Date: 6-Dec-2006
Issue Date: 27-Apr-2007
Date Available: 27-Apr-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Dehnungsmessung
Faser Bragg Gitter
Faseroptik
Polymerisation
Verkapselung
Encapsulation
Fibre Bragg grating
Fibre optic
Polymerization
Strain monitoring
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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