Entwicklung einer Pro-aktiven Lötstellengeometrie-unabhängigen Lebensdauersimulation für bleifrei Lote

Der technologische Fortschritt im Bereich der Elektromobilität setzt hohe Anforderungen hinsichtlich der lokalen thermischen und mechanischen Belastbarkeit in elektronischen Steuergeräten voraus. Der Lotwerkstoff, der die Verbindung zwischen den elektronischen Bauelementen gewährleistet wird dabei stark beansprucht. Die resultierende Lotalterung kann sich oft als ausschlaggebend für die Langzeitstabilität eines Steuergeräts erweisen. Aus diesem Grund werden im Rahmen der Auslegung und Produktfreigabe vermehrt Methoden zur Abschätzung der Betriebszuverlässigkeit und im Speziellen der Lötstellenzuverlässigkeit eingesetzt. Da gängige analytische Berechnungsmethoden und Regelwerken stark eingeschränkt sind, werden in den letzten Jahren numerische Finite Elemente (FE) Simulationen zur Lebensdauerprognose herangezogen. Erst dadurch können die Auswirkungen der komplexen Lötstellengeometrien und der lokalen Belastungszustände berücksichtigt werden. Allerdings, stellt die Beschreibung der viskoplastischen Verformung, Ermüdung und Kriechschädigung von Loten immer noch eine Herausforderung dar. Im vorliegenden Beitrag wird ein schädigungsmechanischer Ansatz vorgestellt, der das Verformungs- und Alterungsverhalten von bleifreien Loten unter zyklischer Ermüdung bis zum Anriss beschreiben kann. Der Vorteil der darauf aufbauenden FE-Methodik besteht in der Integration der Schädigungsberechnung in die FE-Werkstoffmodellierung. Dadurch kann der Schädigungszustand der Lötstelle unter der Auswirkung der lokalen Beanspruchung und Belastungshistorie abgebildet werden. Der hier vorgestellte FE-Simulationsansatz stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung einer pro-aktiven Lebensdauervorhersage dar, die für die automotive Elektronik spezifischen Belastungsprofilen und Lötstellengeometrien behandeln kann.