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Polymerverkapselung mechatronischer Systeme

Charakterisierung durch eingebettete Faser Bragg Gitter Sensoren
Polymer encapsulation of mechatronic systems - characterization by embedded fibre bragg gratings
 
: Schreier-Alt, T.

:
Fulltext (PDF; )

Berlin, 2007, 167 pp.
Berlin, TU, Diss., 2006
URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15404
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IZM ()
Faseroptik; numerische Simulation; Polymer

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.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-63438.html