Lebensdauerprognose thermisch-mechanisch beanspruchter Lötkontakte bei Überlagerung mit quasistatisch aufgebrachten Biegelasten

Abstract

Im Zuge des Transformationsprozesses in der Automobilindustrie hin zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs steigen die Anforderungen an verkürzte Entwicklungszeiten für elektronische Baugruppen. Dabei kommt es aufgrund deren Einbausituation zu teils komplexen thermisch induzierten Verwölbungszuständen, wodurch zusätzliche mechanische Belastungen auf die Lötstellenverbindung der Komponenten einwirken. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Prüfstand entwickelt, welcher die Erprobung solcher Lötverbindungen unter zyklischer 3-Punkt-Biegung in Kombination mit einer Temperaturwechselbelastung ermöglicht. Konkret wird dabei das Versagen von Kondensator-Lötkontakten in Abhängigkeit der Belastungshöhe bei Variation der Lötstellengeometrie sowie des Bauteilherstellers untersucht. Bauelemente mit kleinerem Lötvolumen zeigen kürzere Lebensdauern, wobei sich unabhängig der Größe des Lötkontaktes analytische Lebensdauergesetze zur Beschreibung des Ausfallverhaltens ergeben. Ein Wechsel des Bauteilherstellers wirkt sich ebenfalls signifikant auf die Lötstellenlebensdauer der Komponenten aus. Zur Beschreibung der Ausfalldaten wird ein Lebensdauermodell entwickelt, mit welchem sich in Abhängigkeit der äußeren Belastung die ertragbaren Lastwechsel für beliebige Ausfallwahrscheinlichkeiten prognostizieren lassen. Weiterhin werden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um den Schädigungseintrag in das Lötvolumen unter den gegebenen Versuchsrandbedingungen zu quantifizieren.

In the course of the transformation process in the automotive industry towards the electrification of the powertrain, the requirements for shorter development times for electronic assemblies are increasing. Due to their mounting situation, complex thermally-induced warping conditions occur in some cases, whereby additional mechanical loads act on the solder joint connection of the components. For this reason, a test rig is being developed, which enables the testing of such soldered joints under cyclic 3-point bending in combination with thermal cycling. The failure of capacitor solder contacts is investigated as a function of the load level with variation of the solder joint geometry and the component manufacturer. Components with a smaller solder volume show shorter lifetimes, whereby analytical lifetime laws for describing the failure behavior are obtained regardless of the size of the solder contact. A change of component manufacturer also has a significant effect on the solder joint lifetime. In order to describe the failure data, a lifetime model is developed with which predicts the tolerable load changes for any failure probabilities depending on the external load. Finite element simulations are also carried out in order to quantify the damage to the soldering volume under the given test boundary conditions.