DE102021203058A1 - Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Lötverbindung - Google Patents

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    • H05K3/3442Leadless components having edge contacts, e.g. leadless chip capacitors, chip carriers

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Lötverbindung (1) zwischen einer Leiterplatte (13) und einem insbesondere zweipoligen elektrischen Bauelement (3), das an Lötstellen (9) auf Leiterplatten-Kontakte (11), insbesondere Kupferpads, einer Leiterplatte (13) verlötet ist, wobei zumindest eine Lötstelle (9) in einer SMT-Technologie realisiert ist, bei der eine, der Leiterplatte (13) zugewandte Bauelement-Unterseite (17) über Lotmaterial mit dem Leiterplatten-Kontakt (11) verbunden ist, so dass die Bauelement-Unterseite (17) unter Zwischenlage einer Lotschicht (19) über eine Lotspalthöhe von dem Leiterplatten-Kontakt (11) beabstandet ist, und wobei die Lötstelle (9) aufgrund von betriebsbedingten Belastungen, etwa thermomechanischer Belastung, Vibrationsbelastung und/oder Stoßbelastung, beschädigbar ist. Erfindungsgemäß weist die Überwachungsvorrichtung eine Sensoreinrichtung (25) auf, mittels der eine aktuelle Schichtdicke (d) direkt oder indirekt als eine Messgröße (h) erfassbar ist. Auf der Grundlage der erfassten Messgröße (h) ist ein aktueller Schädigungsgrad (S1, S2, S3) der Lötstelle (9) bestimmbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Lötverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung einer solchen Lötverbindung nach Anspruch 10.
  • Bei einer SMT-Fertigung (SMT = Surface Mount Technology) können Kontaktstellen einer Leiterplatte (das heißt Kupferpads) mit einer Lötpaste bedruckt werden. Anschließend kann das zu lötende elektrische Bauelement auf den mit der Lötpaste bedruckten Leiterplatten-Kontaktstellen platziert werden und die Anordnung in einen Lötofen transferiert werden. Im Lötofen schmilzt die Lötpaste auf, wodurch das entstehende Lot an den jeweiligen Lötstellen jeweils eine feste elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Bauelement und dem korrespondierenden Leiterplatten-Kontaktstellen bildet.
  • In einer gattungsgemäßen Lötstelle ist eine, der Leiterplatte zugewandte Bauelement-Unterseite über Lotmaterial mit der Leiterplatten-Kontaktstelle verbunden. Die Bauelement-Unterseite ist daher unter Zwischenlage einer Lotschicht über eine Lotspalthöhe (auch Standoffhöhe genannt) von der Leiterplatten-Kontaktstelle beabstandet. Diese materialdünne Lotschicht kann seitlich nach außen in einen materialstärkeren Lotmeniskus übergehen, der an der Bauelement-Seite hochgezogen ist und diese benetzt.
  • Aufgrund von betriebsbedingten Belastungen, etwa thermomechanischer Belastung, Vibrationsbelastung und/oder Stoßbelastung, kann die Lötstelle beschädigt werden. Insbesondere beim Einsatz in einer sicherheitsrelevanten Fahrzeug-Elektronik (wie zum Beispiel Sensorik beim autonomen Fahren oder Fahrerassistenzsysteme oder steer-by-wire-Systeme) ist die Betriebssicherheit des elektrischen Bauelements von essentieller Bedeutung.
  • Um die Betriebssicherheit des elektrischen Bauelements zu gewährleisten, ist eine gattungsgemäße Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, mittels der die Lötstelle überwachbar ist. Zur Bestimmung der Schädigung einer Lötverbindung werden im Stand der Technik unterschiedliche Prognoseverfahren verwendet, die auf mathematischen Modellen beruhen.
  • Beispielhaft kann die Finite-Elemente-Methode (Simulation) und ein Temperaturwechseltest (Experiment) zusammengeführt werden. Für die Bestimmung eines tatsächlichen Schädigungsgrads muss eine einzelne, bestimmte Lötstelle zerstörungsbehaftet analysiert werden, um anhand eines Querschliffs den Schädigungsgrad zu bestimmen. Zudem ist bekannt, ein radioskopisches Verfahren für eine zerstörungsfreie Ermittlung des Schädigungsgrads zu nutzen, welches Verfahren jedoch zeit- , kosten- und bauraumintensiv ist.
  • Aus der DE 10 2015 217 182 A1 ist eine Anlage und ein Verfahren zur Lötstellenüberprüfung bekannt. Aus der DE 10 2013 206 927 A1 ist ein Verfahren zur Inspektion des Zustands der Benetzung mit Lot bekannt. Aus der DE 11 2011 104 732 T5 ist ein weiteres Lötstelleninspektionsverfahren bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Lötverbindung bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise sowie zerstörungsfrei eine Schädigung der Lötverbindung detektiert.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung geht von einer Lötverbindung zwischen einem insbesondere zweipoligen elektrischen Bauelement und einer Leiterplatte aus. Das Bauelement ist an Lötstellen mittels SMT-Technologie auf Kontaktstellen (das heißt Kupferpads) der Leiterplatte verlötet. In zumindest einer der Lötstellen ist eine, der Leiterplatte zugewandte Bauelement-Unterseite über Lotmaterial mit dem Leiterplatten-Kontakt verbunden. Die Bauelement-Unterseite ist daher unter Zwischenlage einer Lotschicht über eine Lotspalthöhe von dem Leiterplatten-Kontakt beabstandet. Die Lötstelle kann aufgrund von betriebsbedingten Belastungen, zum Beispiel thermomechanischen Belastung, Vibrationsbelastung und/oder Stoßbelastung, beschädigt werden.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Lotmaterial aufgrund betriebsbedingter Belastungen im Laufe der Betriebsdauer einer Gefügeänderung bzw. einer plastischen Verformung unterliegt. Diese führt zu einer Versprödung und/oder zu einer Rissbildung. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine solche Gefügeänderung im Lotmaterial mit einer Änderung der Schichtdicke der zwischen der Bauelement-Unterseite und dem Leiterplatten-Kontakt befindlichen Lotschicht einhergeht. Insbesondere wurde erkannt, dass es mit fortlaufender Schädigung der Lotschicht zu einer Erhöhung der Schichtdicke kommt. Speziell bei einer thermomechanischen Wechselbelastung können sich im Bauteilverbund, bestehend aus Bauelement, aus Leiterplatten-Kontakten und aus der Leiterplatte, mechanische Spannungen auf- und abbauen, und zwar aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Komponenten. Solche mechanischen Spannungen werden vom Lotmaterial zumindest teilweise unter plastischer Verformung ausgeglichen, wodurch es im Laufe der Betriebsdauer zu einer Schädigung der Lötstelle kommt.
  • Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Überwachungsvorrichtung eine Sensoreinrichtung auf, mittels der eine aktuelle Schichtdicke zwischen der Bauelement-Unterseite und dem Leiterplatten-Kontakt befindlichen Lotschicht direkt oder indirekt als eine Messgröße erfasst wird. Auf der Grundlage der erfassten Messgröße kann die Überwachungsvorrichtung einen aktuellen Schädigungsgrad der Lötstelle bestimmen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gesamthöhe des zweipoligen Bauelements initial und nach einer bestimmten Belastung bestimmt. Aus der Höhendifferenz dieser beiden Werte lässt sich ein Rückschluss auf den Schädigungsgrad der Lötverbindungsstellen ziehen. Die Veränderung der Höhe findet im Mikrometerbereich statt.
  • Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrads der Lötverbindungen durch eine Höhendifferenzmessung. Die Höhe kann hierbei durch Laser, Streifenprojektion, kapazitive Sensoren, Wirbelstromsensoren oder dergleichen gemessen werden. Wichtig ist, dass nach Produktion der Elektronik die initiale Höhe des Bauelements auf die Baugruppe aufgebracht wird (Data Matrix Code (DMC) oder andere Informationsspeicherung). Kommt ein Fahrzeug nach einigen Jahren zurück in die Werkstatt, kann die Höhe der elektronischen Bauelemente erneut gemessen und mit dem Initial-Wert (nachfolgend auch als Referenzwert bezeichnet) verglichen werden. Anhand der Höhendifferenz kann nun entschieden werden, ob die Elektronik getauscht werden muss oder nicht.
  • Bei besonders sicherheitsrelevanten Elementen kann ein kapazitiver Sensor sogar dauerhaft die Höhe des Bauelements bestimmen. Erreicht die Höhenveränderung eine definierte kritische Grenze, kann eine Warnung erfolgen.
  • Über die Erfassung des Höhenunterschieds wird ein Rückschluss auf den Schädigungsgrad der Lötverbindungsstelle gezogen. Dabei wird der Effekt der Höhenveränderung mit zunehmendem Schädigungsgrad bei der Beurteilung des Zustands der Lötverbindungsstellen genutzt. Ein solches Verfahren zur Ermittlung der initialen und postalen Höhe zur Berechnung der Differenz und Rückschluss auf die Schädigung eröffnet einen großen Vorteil in der Bewertung des Elektronikzustands.
  • Der Effekt kann mit einer optischen Vermessung mittelts Streifenprojektion ermittelt werden. Um die Qualität der Höhendaten jedoch zu verbessern, ist eine Messmethode mit Laser-Profilometrie bevorzugt. Diese berührungslose Messmethode besitzt eine hohe Auflösung (ca. 2 µm) und kann jede Art von Oberflächen vermessen (auch reflektierende oder schwarze Oberflächen).
  • Diese Messtechnik eignet sich auf jeden Fall für die Einzelmessung der Elektronikkomponenten, die zum Beispiel bei der Inspektion des Fahrzeugs durchgeführt wird. Durch eine passende Installation des Sensors und einem aus dem Elektronikbauraum herausgeführten Zubehör, kann diese Technik auch für die dauerhafte Messung/Kontrolle umgesetzt werden.
  • Eine zum Beispiel im Kundendienstfall in der Werkstatt durchgeführte Einzelmessung kann wie folgt durchgeführt werden: So kann die Höhe des elektrischen Bauelements initial im unbelasteten Zustand mit einem Handgerät oder mit einem in der Produktionslinie integrierten Messmittel mittels Laser-Profilometrie gemessen werden. Die initialen Daten werden über einen Code auf der Baugruppe vermerkt. In der Nutzungsphase setzt der Ermüdungsprozess der Lötstellen ein. Es kommt zur Schädigung der Lötverbindung. Kommt das Fahrzeug zur Inspektion, wird die Höhe des Bauelements erneut mit einem Handgerät mittels Laster-Profilometrie von einem Werkstattmitarbeiter gemessen. Aus der Höhendifferenz zwischen initialem und aktuellem Höhenwert lässt sich die Schädigung der Lötstellen ableiten. Dagegen kann eine dauerhafte Messung/Kontrolle wie folgt durchgeführt werden: Auf dem als sicherheitsrelevant bewerteten Bereich der Elektronik wird dauerhaft ein Sensor verbaut, der mittels Laser-Profilometrie die Höhe des Bauelements überwacht. Das Zubehör muss aus Platzgründen aus dem Elektronikbauraum nach außen geführt werden. In engmaschigen Abständen wir die Höhe ermittelt und mit dem Initialwert verglichen. Wird eine Grenze überschritten, wird ein Warnsignal ausgelöst.
  • Zur Höhenmessung kann beispielhaft ein Ultraschallsensor, ein taktiles Verfahren, eine Streifenprojektion/Lichtgitter, ein optische Distanzsensor, ein kapazitiver Sensor, ein Wirbelstromsensor und/oder ein induktiver Abstandsensor eingesetzt werden.
  • Die obigen Sensortypen sind nachfolgend im Hinblick auf Anwendungstauglichkeit beurteilt: So kann der Einsatz eines Ultraschallsensors im Hinblick auf Genauigkeitsanforderungen problematisch sein, wobei der Messabstand zu Schwierigkeiten bei der kontinuierlichen Messung führt. Beim Einsatz eines taktilen Verfahrens kann ein Antasten zu Beschädigung der Bauelemente führen. Ein kontinuierlicher Verbau ist aufgrund der Messapparaturgröße nicht umsetzbar. Der Einsatz einer Streifenprojektion/eines Lichtgitters kann ebenfalls im Hinblick auf Genauigkeitsanforderungen problematisch sein. Zudem ist die Streifenprojektion/Lichtgitter temperaturanfällig. Ein kontinuierlicher Verbau ist aufgrund der Messapparaturgröße nicht umsetzbar. Optische Distanzsensoren sind ebenfalls temperaturanfällig. Ein kontinuierlicher Verbau ist aufgrund der Messapparaturgröße und -abstand auch hier nicht ohne weiteres umsetzbar. Kapazitive Sensoren besitzen eine hohe Auflösung bis in den Nanometerbereich. Die Voraussetzung einer sauberen und trockenen Umgebung, um eine optimale Messung zu ermöglichen, passt sehr gut mit den Anforderungen an den Elektronikbauraum zusammen. Die flexible Passform ist sowohl für die Einzelmessung als auch für den kontinuierlichen Verbau geeignet. Allerdings gibt es auch bei dieser Messmethode eine gewisse Grenze der notwendigen Leitfähigkeit der Messoberfläche. Die isolierenden Eigenschaften von Materialien auf elektronischen Baugruppen könnten für diese Art der Messung nicht geeignet sein. Die Messleistung eines Wirbelstromsensors wird beeinträchtigt, wenn metallische Elemente zu nahe aneinander liegen. Da sich auf einer elektronischen Baugruppe viele verschiedene metallische Elemente befinden (Stecker, Spulen, Lötungen, Drähte) scheint diese Messtechnik nicht ohne weiteres umsetzbar. Außerdem erkennt diese Methode keine Nicht-Leiter. Es müsste eine zusätzliche leitende Schicht auf den Messbereich aufgetragen werden. Ein induktiver Abstandssensor reagiert nur auf metallische Oberflächen. Es müsste daher eine zusätzliche leitende Schicht auf den Messbereich aufgetragen werden.
  • Nachfolgend sind wesentliche Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben. So kann im Hinblick auf eine einfache Messgrößen-Verfassung auf eine direkte Erfassung der Schichtdicke der Lotschicht verzichtet werden. Anstelle dessen kann als Messgröße eine Profilhöhe zwischen der Leiterplatten-Oberfläche und einem außenseitig am Bauelement festgelegten Messpunkt dienen. Besonders bevorzugt ist die Messgröße eine Gesamthöhe zwischen der Leiterplatten-Oberfläche und einer Bauelement-Oberseite.
  • In einer technischen Umsetzung kann die Überwachungsvorrichtung eine Datenbank aufweisen. In der Datenbank wird der erfassten, aktuellen Messgröße abzüglich des Referenzwertes oder einem damit korrelierenden Wert ein Schädigungsgrad der Lötstelle zugeordnet. Zudem kann die Überwachungsvorrichtung einen Bewertungs-Baustein aufweisen, mit dem der Schädigungsgrad der Lötstelle bewertbar ist. Je nach Schädigungsgrad kann die Überwachungsvorrichtung ein Signal erzeugen, das auf einen Reparaturbedarf oder einen Austausch-Bedarf der Elektronik hinweist.
  • In der oben erwähnten Datenbank können Wertepaare hinterlegt sein, die in einer Versuchsreihe empirisch ermittelt worden sind. In der Versuchsreihe können in Versuchs-Lötstellen, die unterschiedliche betriebsbedingte Schädigungsgrade aufweisen, die jeweils zugeordnete Versuchs-Messgröße bestimmt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Datenbank ein Differenz-Baustein signaltechnisch vorgeschaltet. Im Differenz-Baustein kann eine Differenz aus der aktuellen Messgröße und einem Referenzwert ermittelt werden. Der Referenzwert kann wiederum in einer Initialmessung bestimmt werden. In der Initialmessung wird die Messgröße in einem beschädigungsfreien Lötstellen-Zustand erfasst und bildet den Referenzwert. Der beschädigungsfreie Lötstellen-Zustand ergibt sich insbesondere unmittelbar nach der Herstellung der Lötstelle beziehungsweise zu einem Zeitpunkt, bevor die Lötstelle einer betriebsbedingten Belastung ausgesetzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann mittels der Überwachungsvorrichtung ein Schädigungsfortschrift über die Betriebsdauer ermittelt werden. Die Ermittlung des Schädigungsfortschrittes kann durch Einzelmessungen erfolgen. Diese werden diskontinuierlich bzw. intervallweise (etwa im Kundendienstfall des Fahrzeugs) durchgeführt. Anstelle dessen kann eine permanente Überwachung der Lötstelle über die Betriebsdauer hinweg erfolgen. In diesem Fall kann die Messgröße während der Betriebsdauer kontinuierlich erfasst werden.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 in einem grob schematischen Blockschaltdiagramm eine Überwachungsvorrichtung mitzugeordneter Lötverbindung;
    • 2 bis 5 jeweils die Lötverbindung in unterschiedlichen Beschädigungszuständen.
  • In der 1 ist eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Lötverbindung 1 grob schematisch angedeutet. Die Lötverbindung 1 weist ein zweipoliges elektrisches Bauelement 3, mit zwei Anschlüssen auf, die jeweils an einer Lötstelle 9 mit einem zugeordneten Leiterplatten-Kontakt 11 verbunden sind. Die beiden Leiterplatten-Kontakte 11 sind auf der Leiterplatte 13 aufgebrachte Kupferpads, die seitlich von einem Lötstopplack 15 begrenzt sind. In der 1 ist das elektrische Bauelement 3 mit SMT-Technologie mit den Leiterplatten-Kontakten 11 verlötet. Demnach ist eine, der Leiterplatte 13 zugewandte Bauelement-Unterseite 17 über Lotmaterial mit dem jeweiligen Leiterplatten-Kontakt 11 verbunden, so dass die Bauelement-Unterseite 17 unter Zwischenlage einer Lotschicht 19 über eine Lotspalthöhe von jeweiligen Leiterplatten-Kontakt 11 beabstandet ist. Die Lotspalt- oder auch Standoffhöhe entspricht der Schichtdicke d der Lotschicht 19. Die materialdünne Lotschicht 19 geht seitlich nach außen in einen materialstärkeren Lotmeniskus 21 über, der an der jeweiligen Bauelement-Seite 23 hochgezogen ist und diese benetzt.
  • Insbesondere thermomechanische Wechselbelastungen führen in der Lötverbindung 1, bestehend aus dem elektrischen Bauelement 3, den Leiterplatten-Kontakten 11 und der Leiterplatte 13, zu mechanischen Spannungen, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauelements 3 und der Leiterplatte 13 beziehungsweise der Leiterplatten-Kontakte 11. Solche mechanischen Spannungen werden vom Lotmaterial unter plastischer Verformung zumindest teilweise ausgeglichen. Im Laufe der Betriebsdauer führt dies jedoch zu einer Gefügeänderung im Lotmaterial, die eine Versprödung und/oder eine Rissbildung bewirken kann, wodurch die Lötstelle 9 beschädigt werden kann.
  • In den 2 bis 5 ist die Lötverbindung 1, bestehend aus elektrischem Bauelement 3, Leiterplatten-Kontakten 11 und Leiterplatte 13, in unterschiedlichen Betriebszuständen angedeutet: Gemäß der 2 ist die Lötverbindung 1 in einem beschädigungsfreien Fertigungszustand F unmittelbar nach Erzeugung der Lötstelle 9 gezeigt, das heißt die Lötstelle 9 liegt ohne betriebsbedingte Schädigung vor. Anhand der 3 bis 5 ist der Schädigungsfortschritt veranschaulicht, der sich im Laufe der Betriebsdauer ergibt, sofern die Lötverbindung 1 thermomechanischen Wechselbelastungen ausgesetzt ist. Demnach stellt ich im Laufe des Betriebs in der Lötstelle 9 zunächst ein geringfügiger Schädigungsgrad S1 ( 3) ein, bei dem in der Gefügestruktur des Lotmaterials Mikrorisse 35 gebildet sind. Bei weiterer Wechselbelastung stellt sich in der Lötstelle 9 ein mittlerer Schädigungsgrad S2 (4) ein, bei dem bereits größere Materialrisse 37 im Lotmaterial gebildet sind. Bei weiterer Wechselbelastung stellt sich ein hoher Schädigungsgrad S3 (5) ein, bei dem die Gefahr besteht, dass die Lötstelle 9 aufreißt.
  • Der Kern der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass eine fortschreitende Belastung der Lötstelle 9 mit einer Erhöhung der Schichtdicke d der Lotschicht 19 einhergeht. So ergibt sich bei einem Schädigungsgrad S1 (3) eine Schichtdicke d1 bzw. eine Bauelement-Höhe h1, die um eine Höhendifferenz Δh1 größer ist als die Bauelement-Höhe h0 bzw. die Schichtdicke d0 im beschädigungsfreien Fertigungszustand F (2). Im Schädigungsgrad S2 (4) ergibt sich eine Schichtdicke d2 bzw. eine Bauelement-Höhe h2, die um eine weitere Höhendifferenz Δh2 größer ist als die Bauelement-Höhe h0 bzw. die Schichtdicke d0 im beschädigungsfreien Fertigungszustand F (2). In gleicher Weise ergibt sich im Schädigungsgrad S3 (5) eine Schichtdicke d3 bzw. eine Bauelement-Höhe h3, die um eine Höhendifferenz Δh3 größer ist als die Bauelement-Höhe h0 bzw. die Schichtdicke d0 im beschädigungsfreien Fertigungszustand F (2). Die Höhendifferenzen Δh1, Δh2, Δh3 werden dabei ab einer gewissen, definierbaren Beanspruchungshöhe mit steigendem Schädigungsgrad größer.
  • Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung nutzt diese Erkenntnis, wie nachfolgend anhand der 1 beschreiben wird. In der 1 prüft die Überwachungsvorrichtung beispielhaft eine Lötstelle 9, die einen mittleren Schädigungsgrad S2 gemäß der 4 aufweist. Demnach ist die Schichtdicke d2 der Lotschicht 19 bzw. die Bauelement-Höhe h2, um eine Höhendifferenz Δh2 größer als die Bauelement-Höhe h0 bzw. die Schichtdicke d0 im beschädigungsfreien Fertigungszustand F (2).
  • Die Überwachungsvorrichtung weist einen Lasersensor 25 auf, mit dem die Lötstelle 9 optisch erfassbar ist. Da die Schichtdicke d2 der Lotschicht 19 von außen zerstörungsfrei nicht ohne weiteres optisch detektierbar ist, wird in der 1 auf eine direkte optische Erfassung der Schichtdicke d2 der Lotschicht 19 verzichtet. Anstelle dessen erfasst der Lasersensor 25 als Messgröße die mit der Schichtdicke d2 der Lotschicht 19 korrelierende Bauelement-Höhe h2 zwischen der Leiterplatten-Oberfläche und einer Bauelement-Oberseite 27.
  • Neben dem Lasersensor 27 weist die Überwachungsvorrichtung einen Differenz-Baustein 29, eine Datenbank 31 sowie einen Bewertungs-Baustein 33 auf. Im Differenz-Baustein 29 wird gemäß der 1 aus der erfassten Bauelement-Höhe h2 und einem Referenzwert h0 eine Höhendifferenz Δh1 ermittelt. Der Referenzwert h0 entspricht der Bauelement-Höhe, die im Rahmen einer Initialmessung im noch beschädigungsfreien Zustand F (2) der Lötstelle 9 erfasst worden ist. Die Höhendifferenz Δh2 wird in die Datenbank 31 eingelesen. In der Datenbank 31 wird der eingelesenen Höhendifferenz Δh2 ein damit korrespondierender Beschädigungsgrad S2 der Lötstelle 9 zugeordnet. Beispielhaft entspricht der Beschädigungsgrad S2 (3) einer mittleren Beschädigung der Lötstelle 9., in der lediglich einige Mikrorisse 35 im Lotmaterial vorhanden sind, die jedoch die Funktionsfähigkeit der Lötverbindung 1 noch nicht beeinträchtigen.
  • Der der Höhendifferenz Δh2 zugeordnete Beschädigungsgrad S2 wird in den Bewertungs-Baustein 33 ausgelesen. Im Bewertungs-Baustein 33 wird auf der Grundlage des aktuellen Beschädigungsgrad S2 sowie gegebenenfalls auf der Grundlage weiterer Betriebsparameter 35 ein Hinweissignal generiert, das auf eine Reparaturbedarf oder einen Austausch-Bedarf des der Elektronik hinweist.
  • In der Datenbank 31 sind Wertepaare hinterlegt, die in einer Versuchsreihe empirisch ermittelt worden sind. In der Versuchsreihe sind Versuchs-Lötstellen mit unterschiedlichen betriebsbedingten Schädigungsgraden untersucht worden. Zu jeder Versuchs-Lötstelle ist die jeweils zugeordnete Versuchs-Messgröße erfasst worden und mit dem jeweiligen Schädigungsgrad verknüpft worden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Lötverbindung
    3
    elektrisches Bauelement
    5, 7
    Bauelement-Anschlüsse
    9
    Lötstellen
    11
    Leiterplatten-Kontakte
    13
    Leiterplatte
    15
    Lötstopplack
    17
    Bauelement-Unterseite
    19
    Lotschicht
    21
    Lotmeniskus
    23
    Bauelement-Seite
    25
    Sensoreinrichtung
    27
    Bauelement-Oberseite
    29
    Differenz-Baustein
    31
    Datenbank
    33
    Bewertungs-Baustein
    35
    Mikrorisse
    37
    größere Risse
    S1 bis S3
    Schädigungsgrade
    d
    Lotschichtdicke
    Δh
    Höhendifferenz
    h
    Bauelement-Höhe
    h0
    Referenzwert
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015217182 A1 [0007]
    • DE 102013206927 A1 [0007]
    • DE 112011104732 T5 [0007]

Claims (10)

  1. Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Lötverbindung (1) zwischen einer Leiterplatte (13) und einem insbesondere zweipoligen elektrischen Bauelement (3), das an Lötstellen (9) auf Leiterplatten-Kontakte (11), insbesondere Kupferpads, einer Leiterplatte (13) verlötet ist, wobei zumindest eine Lötstelle (9) in einer SMT-Technologie realisiert ist, bei der eine, der Leiterplatte (13) zugewandte Bauelement-Unterseite (17) über Lotmaterial mit dem Leiterplatten-Kontakt (11) verbunden ist, so dass die Bauelement-Unterseite (17) unter Zwischenlage einer Lotschicht (19) über eine Lotspalthöhe von dem Leiterplatten-Kontakt (11) beabstandet ist, und wobei die Lötstelle (9) aufgrund von betriebsbedingten Belastungen, etwa thermomechanischer Belastung, Vibrationsbelastung und/oder Stoßbelastung, beschädigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Schädigungsgrads (S1, S2, S3) der Lötstelle (9) die Überwachungsvorrichtung eine Sensoreinrichtung (25) aufweist, mittels der eine aktuelle Schichtdicke (d) direkt oder indirekt als eine Messgröße (h) erfassbar ist, und dass auf der Grundlage der erfassten Messgröße (h) ein aktueller Schädigungsgrad (S1, S2, S3) der Lötstelle (9) bestimmbar ist.
  2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf eine einfache Messgrößen-Erfassung die Sensoreinrichtung (25) die Schichtdicke (d) nicht direkt erfasst, sondern die Sensoreinrichtung (25) als Messgröße (h) eine Profilhöhe zwischen der Leiterplatten-Oberfläche und einem außenseitig am Bauelement (3) festgelegten Messpunkt erfasst, insbesondere eine Bauelement-Höhe zwischen der Leiterplatten-Oberfläche und einer Bauelement-Oberseite (27).
  3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung eine Datenbank (31) aufweist, die der erfassten Messgröße (h) oder einem korrelierenden Wert (Δh) einen Schädigungsgrad (S1, S2, S3) der Lötstelle (9) zuordnet, und dass insbesondere die Überwachungsvorrichtung einen Bewertungs-Baustein (33) aufweist, der den der Lötstelle (9) zugeordneten Schädigungsgrad (S1, S2, S3) bewertet.
  4. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenbank (31) Wertepaare hinterlegt sind, die in einer Versuchsreihe empirisch ermittelt werden, in der bei Versuchs-Lötstellen, die unterschiedliche betriebsbedingte Schädigungsgrade aufweisen, die jeweils zugeordnete Versuchs-Messgröße oder ein damit korrelierender Wert bestimmt wird.
  5. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbank (31) ein Differenz-Baustein (29) signaltechnisch vorgeschaltet ist, in dem eine Differenz (Δh) aus aktueller Messgröße (h) und einen Referenzwert (ho) ermittelbar ist.
  6. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (h0) der Messgröße (h) entspricht, die bei einer Initialmessung in einem beschädigungsfreien Zustand (F) der Lötstelle (9) vorliegt, insbesondere in einem Fertigungszustand unmittelbar nach Erzeugung der Lötstelle (9).
  7. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial aufgrund betriebsbedingter Belastungen im Laufe der Betriebsdauer einer Gefügeänderung beziehungsweise einer plastischen Verformung unterworfen ist, die eine Versprödung und/oder eine Rissbildung bewirkt, und dass insbesondere die Gefügeänderung mit einer Änderung der Schichtdicke (d) einhergeht, insbesondere mit einer Erhöhung der Schichtdicke (d) einhergeht.
  8. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer thermomechanischen Wechselbelastung sich im Bauteilverbund aus Bauelement (3), Leiterplatten-Kontakten (11) und Leiterplatte (13) mechanische Spannungen auf- und abbauen, und zwar aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauelements (3), der Leiterplatten-Kontakte (11) und der Leiterplatte (13), und dass insbesondere das Lotmaterial unter plastischer Verformung die mechanischen Spannungen zumindest teilweise ausgleicht, wodurch sich im Laufe der Betriebsdauer eine Schädigung der Lötstelle (9) ergibt.
  9. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Überwachungsvorrichtung ein Schädigungsfortschritt über die Betriebsdauer hinweg ermittelbar ist, und dass insbesondere zur Ermittlung des Schädigungsfortschrittes Einzelmessungen erfolgen, in denen die Messgrößen (h) diskontinuierlich beziehungsweise intervallweise (zum Beispiel bei einem Fahrzeug-Kundendienst) ausgewertet werden, oder dass eine permanente Überwachung der Lötstelle (9) erfolgt, in der die Messgröße (h) kontinuierlich während der Betriebsdauer erfassbar ist.
  10. Verfahren zur Überwachung einer Lötverbindung (1) mittels einer Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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