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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines spannungsrissminimierten Layouts eines Schaltungsträgers, wie er insbesondere als Bestandteil einer Leistungselektronik im Rahmen der E-Mobilität dient. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Schaltungsträger bekannt, die eine aus Keramik bestehende, zentrale Schicht aufweisen, die beiderseits mit jeweils einer Kupferschicht überdeckt ist. Auf der einen Seite des Schaltungsträgers bzw. auf der Kupferschicht sind unter Zwischenlage einer Lotschicht elektronische Bauelemente angeordnet, wobei die Kupferschicht gleichzeitig entsprechende Leiterbahnen zur Ausbildung einer elektronischen Schaltung aufweisen. Die Verbindung der Bauelemente über die Lotschicht erfolgt üblicherweise durch einen automatisierten Lötprozess, beispielsweise im Rahmen einer Reflow-Lötung. Bei der thermischen Beanspruchung der einen Seite des Schaltungsträgers, die mit den Bauelementen verbunden wird, kommt es durch den Lötprozess zu thermomechanischen Spannungen, die sich ggf. erst nach einer gewissen Lebensdauer bzw. Betriebsdauer in Spannungsrissen und damit im worst-case zu einem Ausfall des Schaltungsträgers führen. Daher ist es bereits bekannt, das Layout des Schaltungsträgers derart auszubilden, dass auf der den Bauelementen abgewandten Seite des Schaltungsträgers die (andere) Kupferschicht mit einer Entlastungsstruktur versehen wird. Eine derartige Entlastungsstruktur umfasst typischerweise Aussparungen bzw. Vertiefungen in der Kupferschicht, die den angesprochenen thermomechanischen Spannungen auf der den Bauelementen zugewandten Seite des Schaltungsträgers entgegenwirken. Das Anordnen bzw. die Ausbildung derartiger Entlastungsstrukturen erfolgt einerseits typischerweise dadurch, dass der mit dem Layout befasste Entwickler/in aus Erfahrungswerten entsprechende Entlastungselemente der Entlastungsstruktur vorsieht, und dass andererseits im Rahmen von Lebensdauerexperimenten an Prototypen des Schaltungsträgers überprüft wird, ob eine derartige Entlastungsstruktur die entsprechende Zuverlässigkeit über die Lebensdauer des Schaltungsträgers aufweist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet, dass eine qualitativ hochwertige Ausbildung der Entlastungsstruktur ein hohes Know-how sowie umfangreiche Tests benötigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung eines spannungsrissoptimierten Layouts eines Schaltungsträgers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es rechnerbasierte und somit automatisierte Methoden verwendet, um eine hohe Sicherheit bzw. eine Zuverlässigkeit einer Entlastungsstruktur zu ermöglichen. Insbesondere lassen sich dadurch beispielsweise auch ansonsten erforderliche Tests zur Gewährleistung der Sicherheit der Entlastungsstruktur abkürzen bzw. minimieren. Das Verfahren ist somit grundsätzlich unabhängig von ggf. vorhandenen Erfahrungswerten (Know-how) einsetzbar und damit auch einfach reproduzierbar.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Entlastungsstruktur durch ein nummerisches Simulationsverfahren zur generieren, derart, dass im Rahmen eines Iterationsverfahrens die Entlastungsstruktur nummerisch solange optimiert wird, bis die im Rahmen des Simulationsverfahrens berechneten (thermomechanischen) Spannungen an dem Schaltungsträger durch einen Lötprozess in dem relevanten Bereich unter einem kritischen Wert liegen.
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Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Erfindung ein Verfahren vorschlägt, bei dem eine rechnerisch optimierte Entlastungsstruktur generiert wird. Dies schafft die Voraussetzung dafür, dass die generierte Entlastungsstruktur mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit auch die gewünschte Zuverlässigkeit über die Lebensdauer des Schaltungsträgers aufweist.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen schlägt es daher das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung eines spannungsrissminimierten Layouts eines Schaltungsträgers vor, dass mittels eines nummerischen Simulationsverfahrens die Entlastungsstruktur des Schaltungsträgers berechnet wird, indem die thermomechanische Belastung beim Verbinden wenigstens eines Bauelements mit dem Schaltungsträger bei einem Lötprozess unter Berücksichtigung der Entlastungsstruktur simuliert wird, wobei die Entlastungsstruktur solange hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder Anordnung verändert wird, bis das Simulationsverfahren eine einen Grenzwert unterschreitende thermomechanische Belastung durch den Lötprozess im Bereich des mit dem Schaltungsträger verbundenen wenigstens einen Bauelements ergibt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung eines spannungsrissminimierten Layouts eines Schaltungsträgers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn nicht nur eine mit Blick auf einen (einzigen) Lötprozess optimierte Entlastungsstruktur generiert wird, sondern ausgehend von einer aktuell für einen Lötprozess generierten Entlastungsstruktur auch nochmals wenigstens ein zurückliegender Lötprozess dahingehend untersucht wird, ob die für den zurückliegenden Lötprozess generierte Entlastungsstruktur mit Blick auf die für einen nachfolgenden Lötprozess optimierte Entlastungsstruktur weiterhin den Anforderungen hinsichtlich der Einhaltung der thermomechanischen Spannungen genügt. Dies vor dem Hintergrund, dass eine nachfolgend generierte Entlastungsstruktur auch Auswirkungen an anderer Stelle der Entlastungsstruktur haben kann, auch an der anderen Stelle der Lötprozess bereits stattgefunden hat.
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Aus den oben beschriebenen Zusammenhängen ist es daher besonders vorteilhaft, dass für jeden, einen Lötprozess aufweisenden Fertigungsschritt das Simulationsverfahren durchgeführt wird, und dass das Simulationsverfahren für wenigstens einen, einem aktuellen Lötprozess zeitlich vorhergehenden Lötprozess das Simulationsverfahren nochmals unter Berücksichtigung der aktuellen Entlastungsstruktur durchgeführt wird, wobei beim Auftreten von den Grenzwert überschreitenden thermomechanischen Spannungen bei dem vorhergehenden Lötprozess mit der aktuellen Entastungsstruktur die aktuelle Entlastungsstruktur mittels des Simulationsverfahrens solange modifiziert wird, bis sowohl der wenigstens eine vorhergehende, als auch der aktuelle Lötprozess den Grenzwert unterschreitende thermomechanische Spannungen an dem Schaltungsträger durch die Entlastungsstruktur ergibt.
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Ganz besonders bevorzugt ist es in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags vorgesehen, dass die Überprüfung des Einflusses einer aktuellen Entlastungsstruktur auf vorhergehende Lötprozesse auf alle vorhergehenden Lötprozesse angewandt wird. Dadurch ist gewährleistet, dass vom ersten bis zum letzten Lötprozess, bei dem infolge des Lötprozesses thermomechanische Spannungen auftreten, diese mit Blick auf eine optimierte Entlastungsstruktur unkritisch sind.
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Alternativ hierzu kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass das Verfahren nur für einen Teil der vorhergehenden Lötprozesse durchgeführt wird. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn (rein beispielhaft) aufgrund eines relativ großen Abstandes von Bauelementen, die bei aufeinanderfolgenden bzw. zeitlich voneinander unabhängigen Fertigungsprozessen mit dem Schaltungsträger verbunden werden, ausgeschlossen ist, dass eine aktuelle optimierte Entlastungsstruktur einen Einfluss auf den Bereich der Entlastungsstruktur in einem vorhergehenden Lötprozess hat. Weiterhin können Erfahrungswerte, die Art bzw. Größe von Bauelementen o.ä. dazu führen, dass es nicht erforderlich ist, das Simulationsverfahren auf alle vorhergehenden Fertigungsprozesse anzuwenden. Auch können im Rahmen einer Kl-Lösung selbstlernende Verfahren genutzt werden, um eine Optimierung des Vorgehens hinsichtlich der Anwendung der Simulationsverfahren auf einzelne Lötprozesse zu ermöglichen.
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Weiterhin ist es insbesondere vorgesehen, dass die Lötprozesse nur auf einer Seite des Schaltungsträgers durchgeführt werden.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere für Schaltungsträger, die eine zentrale Schicht aus Keramik aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten von einer Kupferschicht überdeckt ist.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Entlastungsstruktur außer Deckung bzw. nicht fluchtend mit den Bauelementen auf der anderen Seite des Schaltungsträgers angeordnet bzw. ausgebildet wird.
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Zuletzt ist es von Vorteil, wenn die Entlastungsstruktur durch Ausbilden mehrerer Vertiefungen erzeugt wird, die von einer äußeren Begrenzung des Schaltungsträgers ausgehen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildeten Schaltungsträgers, der als Bestandteil einer Leistungselektronik im Rahmen der E-Mobilität dient.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Datenprogramm, mit einem Algorithmus, der dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Teilbereich eines Schaltungsträgers in einem Querschnitt,
- 2 ein Layout an einem Schaltungsträger mit einer Entlastungsstruktur in einer Draufsicht,
- 3 das Layout des Schaltungsträgers gemäß 2 während eines Simulationsverfahrens mit einer Darstellung von thermomechanischen Spannungen bzw. Verformungen und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Simulationsverfahrens, bei dem Bauelemente im Rahmen von drei zeitlich aufeinanderfolgender Lötprozessen mit einem Schaltungsträger verbunden werden.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Schaltungsträger 10 dargestellt, der insbesondere als Bestandteil einer Leistungselektronik im Rahmen der E-Mobilität dient. Der Schaltungsträger 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel 3-lagig ausgebildet und weist eine zentrale, aus Keramik bestehende (mittlere) Schicht 12 auf, die auf ihrer Oberseite von einer ersten, aus Kupfer bestehenden Schicht 14 und an ihrer Unterseite von einer zweiten, ebenfalls aus Kupfer bestehenden Schicht 16 überdeckt ist. Die mittlere Schicht 12 und die beiden Schichten 14, 16 weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
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Über Lotschichten 19 sind eine Vielzahl von insbesondere elektronischen Bauelementen 18 mit der (oberen) ersten Schicht 14 verbunden, wobei in der 1 der Einfachheit halber lediglich ein Bauelement 18 und eine Lotschicht 19 dargestellt sind. Weiterhin bildet die erste Schicht 14 ein Layout einer Schaltung in Form von Leiterbahnen o.ä. Strukturen aus, um eine elektrische Kontaktierung der Bauelemente 18 zu ermöglichen. Beispielhaft ist ein Draht 20 eingezeichnet, der das Bauelement 18 mit einem Teilbereich bzw. einer Leiterbahn der oberen Schicht 14 verbindet. Seitlich des Bauelements 18 weist die Schicht 14 darüber hinaus in üblicher Art und Weise freigelegte Bereiche 22, 23 auf, sodass über den unterhalb des Bauelements 18 angeordneten Bereich der Schicht 14 beispielsweise eine Massekontaktierung des Bauelements 18 möglich ist.
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Die untere Schicht 16 weist eine Entlastungsstruktur 25 auf, die dazu dient, beim Ausbilden der Verbindung wenigstens eines Bauelements 18 mit der Schicht 14 während eines Lötprozesses entstehende thermomechanische Spannungen aufgrund ungleichmäßiger Erwärmung der beiden Schichten 14, 16 des Schaltungsträgers 10 mit einer dabei stattfindenden Verformung des Schaltungsträgers 10 zu reduzieren. Beispielhaft weist die Entlastungsstruktur 25 entsprechend der 1 außer Deckung bzw. nicht fluchtend mit dem Bauelement 18 ausgebildete Vertiefungen 26, 27 auf. Die Vertiefungen 26, 27 werden beim Layout des Schaltungsträgers 10, d.h. bei der Strukturierung der beiden Schichten 14, 16 berücksichtigt. Die Vertiefungen 26, 27 werden bevorzugt bereits beim Ausbilden der Schicht 16 berücksichtigt, oder alternativ aus der Schicht 16 durch abtragende Verfahren erzeugt.
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In der 2 ist ein Schaltungsträger 10a dargestellt, der in etwa eine quadratische Grundfläche bzw. eine quadratische Umrandung 28 aufweist. Auf der Oberseite 29 des Schaltungsträgers 10a sind vier rechteckförmige Bereiche 30 schraffiert eingezeichnet, in denen nicht dargestellte Bauelemente 18 angeordnet werden können. Weiterhin ist eine Leiterbahnstruktur 32 erkennbar, über die beispielsweise die (nicht dargestellten) Bauelemente 18 mit der Oberseite 29 des Schaltungsträgers 10a kontaktiert werden können. An der Unterseite des Schaltungsträgers 10a ist die Entlastungsstruktur 25a ausgebildet.
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Die gestrichelt dargestellte Entlastungsstruktur 25a weist beispielhaft mehrere, von einer ersten, in der Darstellung der 2 unteren Kante 33 der Umrandung 28 ausgehende, parallel zueinander angeordnete und geradlinig ausgebildete erste Vertiefungen 34 auf. Insbesondere erkennt man, dass die ersten Vertiefungen 34 in einem Abstand a von den (unteren) Bereichen 30 für die Bauelemente 18 enden, d.h. außer Deckung bzw. nicht fluchtend mit den Bereichen 30 angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Entlastungsstruktur 25a von gegenüberliegenden Kanten 35, 36 der Umrandung 28 ausgehende zweite Vertiefungen 37, die ähnlich der ersten Vertiefungen 34 ausgebildet sind, sowie zwei dritte Vertiefungen 38, die jeweils mehrere, geradlinig ausgebildete und in einem Winkel zueinander angeordnete Abschnitte aufweisen. Zuletzt ist eine von einer der Kante 33 gegenüberliegenden Kante 39 der Umrandung 28 ausgehende, eine geringere Länge als die Vertiefungen 34, 37 aufweisende vierte Vertiefung 40 vorgesehen.
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Typischerweise werden beim Vorhandensein mehrerer bzw. einer Vielzahl von Bauelementen 18 diese in zeitlich aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten bzw. Lötprozessen mit der Oberseite 29 bzw. der oberen Schicht 14 des Schaltungsträgers 10, 10a verbunden. Bei jedem dieser Fertigungsschritte bzw. der Lötprozesse entstehen thermomechanische Spannungen S in dem Schaltungsträger 10, 10a aufgrund einer Verformung des Schaltungsträgers 10, 10a senkrecht zur Ebene des Schaltungsträgers 10, 10a, deren Größe mittels an sich aus dem Stand der Technik bekannter nummerischer Simulationsverfahren berechnet werden können. Insbesondere sollen diese thermomechanischen Spannungen S einen bestimmten Grenzwert GW nicht überschreiten, um sicherzustellen, dass der Schaltungsträger 10, 10a bzw. dessen Schaltung beim Einsatz bzw. Betrieb über die Lebensdauer betrachtet die geforderte Zuverlässigkeit aufweist, und insbesondere Spannungsrisse im Übergangsbereich von der mittleren Schicht 12 zur oberen Schicht 14 zu vermeiden.
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In der 3 ist das Ergebnis eines derartigen nummerischen Simulationsprozesses an dem Schaltungsträger 10a bei einem simulierten Lötprozess beim Verbinden von Bauelementen 18 in den Bereichen 30 dargestellt. Insbesondere erkennt man acht, in der Darstellung der 3 durch Trennlinien voreinander getrennte Zonen A bis H, wobei in den Zonen A bis H unterschiedlich starke, senkrecht zur Zeichenebene der 3 verlaufende Verformungen des Schaltungsträgers 10a mit damit verbundene thermomechanischen Spannungen S auftreten, wobei die Zone A den Bereich einer größten Verformung, und die Zone H den Bereich einer kleinsten Verformung kennzeichnet. Insbesondere erkennt man auch, dass in den Zonen G und H, wo beispielsweise die in den Bereichen 30 angeordneten Bauelemente 18 (nicht dargestellt) mit den Leiterbahnen bzw. mit der oberen Schicht 14 kontaktiert werden, der Schaltungsträger 10a die geringsten Verformungen aufweist, und dass darüber hinaus die thermomechanischen Spannungen S zumindest in den funktionsrelevanten Zonen A bis H den Grenzwert GW unterschreiten. Dies ist das Ergebnis der beispielhaft vorgesehenen Entlastungsstruktur 25a.
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Wie bereits erwähnt, erfordert die Bestückung eines Schaltungsträgers 10, 10a mit Bauelementen 18 üblicherweise eine Vielzahl bzw. mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Fertigungsschritte bzw. Lötprozesse. Wesentlich dabei ist, dass es für die Zuverlässigkeit des Schaltungsträgers 10, 10a nicht ausreichend ist, lediglich die während eines Fertigungsschritts bzw. eines Lötprozesses auftretenden thermomechanischen Spannungen S bzw. Belastungen mittels des nummerischen Simulationsverfahrens zu berechnen, sondern auch die Auswirkungen eines zeitlich nachfolgenden weiteren Fertigungsschritts bzw. Lötprozesses in einem anderen Bereich des Schaltungsträgers 10, 10a auf die Entlastungsstruktur 25, 25a, welche mit Blick wenigstens einen vorhergehenden Fertigungsschritt bzw. Lötprozess optimiert wurde. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass jeder Fertigungsschritt bzw. Lötprozess eine Auswirkung auf die Optimierung einer bereits in einem anderen Bereich vorgesehenen Entlastungsstruktur 25, 25a aufweisen kann, welche mit Blick auf bereits mit dem Schaltungsträger 10, 10a verbundene Bauelemente 18 ausgebildet wurde.
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Zur Optimierung eines spannungsrissminimierten Layouts der Entlastungsstruktur 25, 25a wird daher beispielhaft nachfolgend für den Fall von drei zeitlich aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten bzw. Lötprozessen, bei denen jeweils wenigstens ein Bauelement 18 mit dem Schaltungsträger 10, 10a verbunden wird, auf das Ablaufdiagramm entsprechend der 4 verwiesen:
- Entsprechend der 4 erfolgt in einem ersten Schritt 101 aufgrund von Erfahrungswerten, bestimmten Vorgaben (z.B. Mindestabstände von Bauelementen 18 zu einer Entlastungsstruktur 25, 25a) usw. das Definieren einer (ersten) Entlastungsstruktur 25, 25a am Schaltungsträger 10, 10a. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 102 das nummerische Simulationsverfahren auf den ersten Fertigungsschritt bzw. Lötprozess mit der (ersten) Entlastungsstruktur 25, 25a angewandt.
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Ergibt in einem dritten Schritt 103 die Überprüfung, dass in dem Bereich, in dem Bauelemente 18 beim ersten Lötprozess mit dem Schaltungsträger 10, 10a verbunden werden, zu große thermomechanische Spannungen S, d.h. einen Grenzwert GW überschreitende thermomechanische Spannungen S auftreten, so wird in den ersten Schritt 101 zurückgeführt, um eine modifizierte (erste) Entlastungsstruktur 25, 25a zu generieren.
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Dies erfolgt solange, bis in dem dritten Schritt 103 mit der ersten (modifizierten) Entlastungsstruktur 25, 25a beim ersten Lötprozess thermomechanische Spannungen S auftreten, die unterhalb des angesprochenen Grenzwertes GW liegen. Ist dies der Fall, wird in einem vierten Schritt 104 das nummerische Simulationsverfahren anschließend auf den zweiten Fertigungsschritt bzw. Lötprozess angewandt.
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In einem fünften Schritt 105 wird überprüft, ob eine gegebenenfalls bereits modifizierte erste Entlastungsstruktur 25, 25a sowohl in dem Bereich, in dem im zweiten Lötprozess Bauelemente 18 mit dem Schaltungsträgers 10, 10a verbunden werden, als auch in dem Bereich, in dem durch den ersten Lötprozess Bauelemente 18 mit dem Schaltungsträger 10, 10a bereits verbunden worden sind, thermomechanische Spannungen S erzielt werden, die unterhalb des Grenzwerts GW liegen. Ist dies nicht der Fall, wird ebenfalls in den ersten Schritt 101 zurückgeführt, um eine modifizierte (zweite) Entlastungsstruktur 25, 25a zu generieren, die bei beiden Lötprozessen einen den Grenzwert GW unterschreitende thermomechanische Spannungen S ermöglicht.
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Sobald dies erfolgt ist, erfolgt in einem sechsten Schritt 106 die Anwendung des nummerischen Simulationsverfahrens auf den beispielhaft dritten und letzten Lötprozess. Auch hier wird in einem siebten Schritt 107 überprüft, ob die Entlastungsstruktur 25, 25a nicht nur mit Blick auf den dritten Lötprozess, sondern auch rückwirkend mit Blick auf den ersten und zweiten Lötprozess den Grenzwert GW unterschreitende thermomechanische Spannungen S im Schaltungsträger 10, 10a erzeugen. Ist dies nicht der Fall, wird in den Schritt 101 zurückgeführt, um eine modifizierte Entlastungsstruktur 25, 25a zu generieren und mit dieser (modifizierten) Entlastungsstruktur 25, 25a nochmals alle drei Fertigungsschritte bzw. Lötprozesse zu simulieren. Dies erfolgt solange, bis alle Fertigungsschritte bzw. Lötprozesse thermomechanische Spannungen S an dem Schaltungsträger 10, 10a ergeben, die unkritisch bzw. unterhalb des Grenzwerts GW liegen. Ist dies der Fall, endet das Berechnungsverfahren in einem Schritt 108.
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Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt werden bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
