Simulationsbasierte Optimierung eines Messstandes zur optischen Vermessung von thermo-mechanischen Verformungen

Der Einsatz von virtuellen Auswertewerkzeugen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) ist im Bereich der Elektronik bereits weit verbreitet. Auf der Baugruppenebene sind die Geometrien und Materialzusammensetzungen dieser Modelle oft sehr komplex und überwiegend nichtlinear. Für die Absicherung der Aussagekraft der Simulationsmodelle ist immer ein Vergleich der Rechenergebnisse mit experimentellen Messungen ratsam. Diese Validierung erlaubt die Beurteilung der Modellqualität, gibt Aufschluss über Grenzen von Werkstoffmodellen und steigert damit die Glaubwürdigkeit der Berechnungsergebnisse. Eine Möglichkeit zur experimentellen Verifikation bietet die optische Vermessung der Deformationen und Auswertung durch die digitale Bildkorrelation. In diesem Beitrag wird ein optischer Messaufbau vorgestellt, der speziell zur Messung des thermo-mechanischen Verformungsfeldes an Strukturen von Elektronik und deren AVT ausgerichtet wurde. Die Genauigkeitsvorgabe des Messaufbaus richtet sich danach, um Verformungen im Bereich von wenigen Mikrometern in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 160 °C zu erkennen. Das physikalische Verständnis zur transienten Durchwärmung der Prüflinge ist maßgeblich für die Genauigkeit der zu ermittelnden Deformationsfelder. Die Auslegung des Experimentes wurde durch numerische Strömungssimulation (CFD) begleitet, um ein gutes Verständnis der Strömungsmechanik mit der transienten Thermo-mechanik des Prüflings zu verknüpfen. Basierend auf den Simulationsergebnissen und Vermessungen von Probekörpern wurden Maßnahmen abgeleitet und umgesetzt, die zur Erreichung der hohen Messgenauigkeit führen. Anhand eines vereinfachten Prüfkörpers wurde der Validierungsprozess exemplarisch durchgeführt. Es handelt sich um eine vereinfachte Deformationsstruktur, bestehend aus zwei Werkstoffen, mit dessen Hilfe temperaturangeregt Zug- und Druckkräfte als auch Scherkräfte eingeleitet werden können. Als Anwendungsbeispiel dient die gegenwärtige Entwicklung von Dickkupferstrukturen mit polymerbasierten Isolationsstrukturen für die Leistungselektronik. Es werden am Prüfling die Deformationsfelder im Übergang von Polymer zum Kupfer unter verschiedenen mechanischen Lasteinwirkungen näher betrachtet.

Virtuelles Prototyping mit Einsatz der Finiten Elemente Methode (FEM) durchdringt derzeit stark die Elektronikentwicklung. Auf Baugruppenebene finden zunehmend komplexere Aufbauten (3D Aufbauformen) mit vielfältigen Materialien Platz, die zudem häufig nichtlineare temperaturabhängige und zeitabhängige Verhaltensweisen zeigen. Gerade hohe Temperaturlasten auf die Elektronik können zu kritischen thermo-mechanischen Beanspruchungen führen. Zur Senkung der Risiken sind FEM-Modelle geeignet. Sie sie müssen kalibriert bzw. verifiziert vorliegen, um die Vertrauenswürdigkeit in die Berechnungsergebnisse herzustellen. Das Paper zeigt einen optischen Messaufbau, der mittels Deformationsanalyse unter Temperaturrampe, in der Lage ist die Verifizierung zu ermöglichen. Für den Messstand wird die spezifische thermische und optische Charakterisierung gezeigt. Das Strömungs- und Wärmeausbreitungsverhalten innerhalb der T-Kammer ist mittels der CFD Strömungssimulation und transienter Temperaturmessungen verstanden, angepasst und optimiert worden. Anschließen konnten die Homogenität der Prüflingsdurchwärmung im Bereich gezeigt werden. Der optischen Strahlengang und dessen Ungestörtheit durch Luftbrechungseffekte wurde optimiert. Damit sind die messtechnischen Voraussetzungen erfüllt, um eine mikrometergenaue Deformationsmessung bei konkreten Temperaturzuständen durchzuführen und ein Verifikationswerkzeug für FE-Modelle liegt vor. In einer ersten Anwendungsmessung konnte der Abgleich eines FE-Modells zur realen Verformung gezeigt werden.