DE102022101537A1

DE102022101537A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Lebensdauerinformation für eine Lötstelle einer elektronischen Baugruppe

Info

Publication number: DE102022101537A1
Application number: DE102022101537.8A
Authority: DE
Inventors: Pascal Schirmer; Peter SCHREIVOGEL; Benjamin Kammermeier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (200) zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf eine voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle (113) einer elektronischen Baugruppe (102) beschrieben. Die Vorrichtung (200) ist eingerichtet, anhand einer Zuordnungseinheit (201) und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern (212) zur Beschreibung einer thermischen Belastung der Lötstelle (113) einen Arbeitswert (213) zu ermitteln. Die Vorrichtung (200) ist ferner eingerichtet, anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells (202) für Lötstellen (113), das von dem ermittelten Arbeitswert (213) abhängt, Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle (113) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die darauf ausgerichtet sind, Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle einer (leistungs-) elektronischen Baugruppe zu ermitteln.
Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst einen Wechselrichter, der ausgebildet ist, auf Basis eines Gleichstroms aus einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs einen Wechselstrom für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu generieren. Der Wechselrichter umfasst (leistungs-) elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren, die elektrisch leitend über Lötstellen mit einer Leiterplatte des Wechselrichters verbunden sind.
Während des Betriebs des Fahrzeugs sind die einzelnen Lötstellen des Wechselrichters mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt, die zu einer Schädigung einer Lötstelle und somit zu einem Ausfall des Wechselrichters führen können.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in effizienter und präziser Weise Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle einer elektronischen Baugruppe zu ermitteln, insbesondere um basierend auf der Lebensdauerinformation eine elektronische Baugruppe mit einer ausreichend hohen, voraussichtlichen, Lebensdauer entwickeln zu können.
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche und/oder mittlere Lebensdauer einer Lötstelle einer (leistungs-) elektronischen Baugruppe beschrieben. Die Baugruppe kann ein Wechselrichter sein. Ferner kann die Lötstelle ausgebildet sein, ein (leistungselektronisches) Schaltelement, etwa einen Transistor, der Baugruppe elektrisch leitend mit einer Leiterplatte der Baugruppe zu verbinden. Die Lötstelle kann während des Betriebs der Baugruppe (thermischen) Belastungszyklen ausgesetzt sein. Dabei können im Rahmen eines Belastungszyklus ein bestimmter Temperaturhub ΔT und/oder eine bestimmte maximale Temperatur T_m der Lötstelle bewirkt werden.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, anhand einer (im Vorfeld empirisch ermittelten) Zuordnungseinheit und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern zur Beschreibung der thermischen Belastung der Lötstelle (während eines Belastungszyklus) einen Arbeitswert zu ermitteln. Dabei kann der Arbeitswert z.B. die Kriechenergie der Lötstelle bei einem (thermischen) Betriebszyklus der Lötstelle und/oder der Baugruppe anzeigen.
Die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter können die thermische Belastung der Lötstelle im Rahmen eines (einzigen) Betriebszyklus der Baugruppe und/oder der Lötstelle beschreiben. Die im Rahmen des Verfahrens ermittelte Lebensdauerinformation kann dann die voraussichtliche und/oder mittlere Anzahl N_f von Betriebszyklen der Baugruppe und/oder der Lötstelle bis zu einer Schädigung der Lötstelle anzeigen.
Beispielhafte Belastungs-Parameter sind: der auf die Lötstelle wirkende Temperaturhub ΔT während eines (einzigen) Betriebszyklus der Baugruppe und/oder der Lötstelle; und/oder eine maximale Temperatur T_m der Lötstelle bei einem (einzigen) Betriebszyklus der Baugruppe und/oder der Lötstelle; und/oder eine Zeitdauer t_on, für die die Lötstelle während eines (einzigen) Betriebszyklus der Baugruppe und/oder der Lötstelle die maximale Temperatur T_m aufweist.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells für Lötstellen, das von dem ermittelten Arbeitswert abhängt, Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle zu ermitteln. Das Lebensdauer-Modell kann eine Exponentialfunktion aufweisen. Die Basis der Exponentialfunktion kann dabei von dem Arbeitswert abhängen oder dem Arbeitswert entsprechen. Der Exponent β der Exponentialfunktion kann ein von dem Material der Lötstelle abhängiger Beschleunigungsfaktor sein.
In einem bevorzugten Beispiel umfasst, insbesondre ist, das analytische Lebensdauer-Modell ein Coffin-Manson basiertes Modell. Das analytische Lebensdauer-Modell kann dabei folgenden mathematischen Term umfassen ${(W_{a c c}^{c r})}^{β}$
wobei $W_{a c c}^{c r}$
der Arbeitswert ist.
Es wird somit die Verwendung einer (empirische ermittelten) Zuordnungseinheit beschrieben, um in effizienter und präziser Weise den Arbeitswert für ein analytisches Lebensdauer-Modell zu ermitteln. Es wird somit ermöglicht, die Lebensdauerinformation in effizienter und präziser Weise zu ermitteln. So kann der Entwicklungsaufwand von Baugruppen wesentlich reduziert werden. Ferner kann es so ermöglicht werden, Lebensdauerinformation während des Betriebs eines Geräts zu ermitteln, das die elektronische Baugruppe und die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass die Baugruppe, insbesondere die Lötstelle der Baugruppe, in Abhängigkeit von der ermittelten Lebensdauerinformation hergestellt und/oder angepasst wird. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, die Lebensdauerinformation für unterschiedlichen Geometrien der Lötstelle und/oder der Umgebung der Lötstelle zu ermitteln. Es kann dann, auf Basis der jeweils ermittelten Lebensdauerinformation, eine Geometrie der Lötstelle und/oder der Umgebung der Lötstelle ausgewählt werden, durch die eine bestimmte Ziel-Lebensdauer der Lötstelle erreicht wird. So kann eine besonders effiziente Entwicklung von zuverlässigen Baugruppen ermöglicht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, Werte von ein oder mehreren Lötstellen-Parametern zu ermitteln, durch die die Geometrie der Lötstelle und/oder die Geometrie der Umgebung der Lötstelle beschrieben wird. Beispielhafte Lötstellen-Parameter sind: der Durchmesser der Lötstelle, die Höhe und/oder Breite der Lötstelle; der Abstand der Lötstelle zu einem benachbarten Bauelement; die Anordnung der Lötstelle relativ zu dem Bauelement, zu dem die Lötstelle gehört; etc.
Der Arbeitswert kann dann unter Verwendung der Zuordnungseinheit auf Basis der Werte der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter ermittelt werden. So kann die Genauigkeit der ermittelten Lebensdauerinformation weiter erhöht werden. Ferner kann so die Anpassung der Geometrie der Lötstelle und/oder der Umgebung der Lötstelle ermöglicht werden, mit dem Ziel die Lebensdauer der Lötstelle zu erhöhen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Lötstelle einer bestimmten Lötstellen-Geometrie aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, vordefinierten, Lötstellen-Geometrien zuzuordnen. Dies kann insbesondere auf Basis von Werten der ein oder mehreren Lötstellen-Parametern erfolgen. Es kann somit eine begrenzte Anzahl von (gemittelten) Lötstellen-Geometrien definiert werden. Dabei kann eine Sensitivitätsanalyse verwendet werden, um eine möglichst kleine Anzahl von relevanten, unterschiedlichen, Lötstellen-Geometrien zu ermitteln.
Die Lötstelle, für die die Lebensdauerinformation ermittelt werden soll, kann somit einer bestimmten Lötstellen-Geometrie der vordefinierten Lötstellen-Geometrien zugeordnet werden. Ferner kann der Arbeitswert unter Verwendung einer Lötstellen-Geometrie-spezifischen Zuordnungseinheit ermittelt werden, die an die Lötstellen-Geometrie angepasst ist, der die Lötstelle zugeordnet wurde.
Durch die Verwendung einer begrenzten Anzahl von (gemittelten) Lötstellen-Geometrien kann die Recheneffizienz der Ermittlung von Lebensdauerinformation weiter erhöht werden, ohne die Genauigkeit der ermittelten Lebensdauerinformation wesentlich zu beeinträchtigen.
Die Zuordnungseinheit kann im Vorfeld auf Basis einer Vielzahl von Simulationen und/oder Experimenten ermittelt worden sein. Die Zuordnungseinheit kann z.B. eine Zuordnungs-Tabelle umfassen, die ausgebildet ist, unterschiedlichen Kombination von Werten der ein oder mehreren Belastungs-Parameter jeweils einen Arbeitswert zuzuordnen. Alternativ oder ergänzend kann die Zuordnungseinheit ein maschinell-angelerntes neuronales Netzwerk umfassen, das ausgebildet ist, an einer Eingangs-Schicht die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter aufzunehmen und an einer Ausgangs-Schicht den Arbeitswert bereitzustellen. So kann in effizienter Weise eine Zuordnungseinheit zur Ermittlung von präzisen Arbeitswerten bereitgestellt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, ein oder mehrere Modell-Parameter, insbesondere einen Skalierungsfaktor, des Lebensdauer-Modells statistisch zu variieren, um die Lebensdauerinformation zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend können die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter statistisch variiert werden, um die Lebensdauerinformation zu ermitteln. So kann die Güte der ermittelten Lebensdauerinformation weiter erhöht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in entsprechender Weise Lebensdauerinformation in Bezug auf die jeweilige Lebensdauer von mehreren unterschiedlichen Lötstellen der Baugruppe zu ermitteln.
Die Vorrichtung kann Teil eines Geräts (z.B. eines Fahrzeugs) sein, das die elektronische Baugruppe umfasst. Die Geometrie der Lötstelle und/oder der Umgebung der Lötstelle ist in einem solchen Fall typischerweise festgelegt. Folglich liegen typischerweise definierte Werte der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter vor. Es kann somit eine spezifische Zuordnungseinheit (für die jeweils vorliegende Lötstellen-Geometrie) in der Vorrichtung verwendet werden.
Während des Betriebs des Geräts können jeweils Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter ermittelt werden (z.B. für eine Sequenz von Betriebszyklen während des Betriebs des Geräts). Es kann dann anhand der Vorrichtung (z.B. jeweils im Anschluss an einen Betriebszyklus) jeweils aktualisierte Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche und/oder verbliebene Lebensdauer der ein oder mehreren Lötstellen der Baugruppe ermittelt werden. Das Gerät kann dann in Abhängigkeit von der jeweils aktualisierten Lebensdauerinformation betrieben werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit von der jeweils aktualisierten Lebensdauerinformation ein Hinweis an einen Nutzer des Geräts ausgegeben werden, z.B. um dem Nutzer anzuzeigen, dass eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit für eine Schädigung einer Lötstelle und/oder für einen Ausfall der Baugruppe vorliegt, und/oder dass die Baugruppe ausgetauscht werden sollte. So kann der Zuverlässigkeit eines Geräts in effizienter Weise erhöht werden.
Die Vorrichtung kann somit eingerichtet sein, zu bewirken, dass ein Gerät (etwa ein Fahrzeug), in dem die elektronische Baugruppe verbaut ist, in Abhängigkeit von der ermittelten Lebensdauerinformation betrieben wird. Insbesondere kann dabei bewirkt werden, dass (in Abhängigkeit von der Lebensdauerinformation) über eine Benutzerschnittstelle des Geräts ein Hinweis an einen Nutzer des Geräts ausgegeben wird. Alternativ oder ergänzend kann ggf. in Abhängigkeit von der Lebensdauerinformation ein Betriebsstopp des Geräts bewirkt werden (um die Betriebssicherheit des Geräts zu erhöhen).
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer (insbesondere die voraussichtliche (mittlere) Anzahl von thermischen Betriebszyklen) einer Lötstelle einer elektronischen Baugruppe (z.B. eines Wechselrichters) beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, anhand einer Zuordnungseinheit und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern zur Beschreibung der thermischen Belastung der Lötstelle (im Rahmen eines thermischen Belastungszyklus), eines Arbeitswertes. Dabei kann der Arbeitswert die Kriechenergie der Lötstelle bei (genau) einem thermischen Betriebszyklus der Lötstelle und/oder der Baugruppe anzeigen.
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells (insbesondere anhand eines Coffin-Manson basierten Modells), das von dem ermittelten Arbeitswert abhängt, von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle. Der Arbeitswert kann dabei die Basis für eine Exponentialfunktion des Lebensdauer-Modells bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1a ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Wechselrichter als Beispiel für eine elektronische Baugruppe;
1b eine beispielhafte Baugruppe mit Bauelementen, die über Lötstellen auf einer Leiterplatte angeordnet sind;
2 eine beispielhafte Vorrichtung zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und präzisen Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle einer elektronischen Baugruppe. In diesem Zusammenhang zeigt 1a ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einem elektrischen Energiespeicher 101, der ausgebildet ist, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine 103 des Fahrzeugs 100 zu speichern. Das Fahrzeug 100 umfasst einen Wechselrichter 102, als Beispiel für eine elektronische Baugruppe, der ausgebildet ist, die Antriebsmaschine 103 anhand von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 101 zu betreiben.
1b zeigt eine beispielhafte elektronische Baugruppe 102 mit einer Leiterplatte 111 auf der ein oder mehrere elektronische Bauelemente 112 (z.B. Transistoren) angeordnet sind, die jeweils über ein oder mehrere Lötstellen 113 elektrisch leitend und ggf. auch mechanisch mit der Leiterplatte 111 verbunden sind.
Während des Betriebs ist die Baugruppe 102 und insbesondere eine Lötstelle 113 der Baugruppe 102 mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt, durch die (zumindest mit der Zeit) eine Schädigung der Lötstelle 113 hervorgerufen werden kann. Der Zeitraum und/oder die Anzahl von (thermischen) Betriebszyklen von dem Betriebsbeginn der Baugruppe 102 und der Lötstelle 113 bis zu der Schädigung der Lötstelle 113 kann als Lebensdauer der Lötstelle 113 bezeichnet werden.
Die Belastung einer Lötstelle 113 (während eines thermischen Betriebszyklus) kann durch ein oder mehrere Belastungs-Parameter beschrieben werden. Beispielhafte Belastungs-Parameter sind:

• das Ausmaß eines thermischen Hubs (ΔT), dem die Lötstelle 113 (während eines Betriebszyklus) ausgesetzt ist;
• eine maximale Temperatur (T_m), der die Lötstelle 113 (während eines Betriebszyklus) ausgesetzt ist; und/oder
• eine Zeitdauer (t_on), der die Lötstelle 113 (während eines Betriebszyklus) der maximalen Temperatur ausgesetzt ist.

Ferner können eine Lötstelle 113 und/oder eine Baugruppe 102 bestimmte (geometrische und/oder räumliche) Eigenschaften aufweisen, die einen Einfluss auf die Lebensdauer der Lötstelle 113 haben können. Diese Eigenschaften können als Lötstellen-Parameter bezeichnet werden. Beispielhafte Lötstellen-Parameter sind:

• eine Geometrie der Lötstelle 113 (z.B. eine Breite, ein Durchmesser, eine Höhe, etc.); und/oder
• eine Geometrie des direkten Umfelds der Lötstelle 113 (z.B. der minimale Abstand zu einer anderen Lötstelle 113 und/oder zu einem anderen Bauelement 112, die Platzierung der Lötstelle 113 relativ zu dem Bauelement 112 der Lötstelle 113, eine Anbindung der Lötstelle 113 an eine Kühlung der Baugruppe 102, etc.).

Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle 113 kann anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells ermittelt werden. Das Lebensdauer-Modell kann eine analytische Formel mit einer oder mehreren Formel-Parametern aufweisen. Werte für die ein oder mehreren Formel-Parameter, die zur Ermittlung der Lebensdauerinformation für eine bestimmte Lötstelle 113 zu verwenden sind, können durch Simulationen und/oder auf Basis der Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parametern und/oder der ein oder mehreren Lötstellen-Parametern der bestimmten Lötstelle 113 ermittelt werden. Die Ermittlung der Werte für die ein oder mehreren Formel-Parameter (insbesondere eines Arbeitswertes durch den die Kriechenergie einer Lötstelle 113 bei einem Betriebszyklus beschrieben wird) ist dabei typischerweise mit einem relativ hohen Berechnungsaufwand verbunden, wodurch ein relativ hoher Entwicklungsaufwand von Baugruppen 102 bewirkt wird.
Ein beispielhaftes Lebensdauer-Modell ist ein sogenanntes Coffin-Manson basiertes Modell, das z.B. in Schubert, A., Dudek, R., Auerswald, E., Gollhardt, A., Michel, B., & Reichl, H. (2003, May). Fatigue life models for SnAgCu and SnPb solder joints evaluated by experiments and simulation. In Electronic components and technology conference (pp. 603-610). IEEE; 1999 beschrieben wird. Der Inhalt dieses Artikels wird per Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen.
Das Coffin-Manson basierte Modell kann folgende Form aufweisen, $N_{ƒ} = A \cdot {(W_{a c c}^{c r})}^{β}$
wobei A ein Skalierungsfaktor ist; wobei β ein Beschleunigungsfaktor ist, der von dem Material der Lötstelle 113 (insbesondere von der Zusammensetzung des Lötzinnes der Lötstelle 113) abhängt, und wobei $W_{a c c}^{c r}$
ein Arbeitswert ist, der auf Basis der Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter und/oder auf Basis der Werte der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter (insbesondere auf Basis der Geometrie der Lötstelle 113 und/oder der Umgebung der Lötstelle 113) ermittelt werden kann. Der Arbeitswert kann die Kriechenergie der Lötstelle 113 bei einem (thermischen) Betriebszyklus der Lötstelle 113 anzeigen. N_f zeigt eine voraussichtliche (mittlere) Anzahl von (thermischen) Betriebszyklen (insbesondere Erwärmungszyklen) der Lötstelle 113 bis zu einer Schädigung der Lötstelle 113 an.
2 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 200 zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle 113. Die Vorrichtung 200 umfasst eine im Vorfeld empirische angelernte Zuordnungseinheit 201, die eingerichtet ist, auf Basis von Werten von ein oder mehreren Lötstellen-Parametern 211 und/oder auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern 212 den Arbeitswert 213 für das analytische Lebensdauer-Modell 202 zu ermitteln. Der Arbeitswert 213 kann dann in Zusammenhang mit Werten von ein oder mehreren Modell-Parametern 214 verwendet werden, um anhand des Lebensdauer-Modells 202 einen Lebensdauerwert 215 zu ermitteln. Der Lebensdauerwert 215 kann z.B. der voraussichtlichen Anzahl N_f von Betriebszyklen entsprechen. Die ein oder mehreren Modell-Parameter 214 können den o.g. Parametern A und/oder β entsprechen.
In einer Variationseinheit 202 können die Werte der ein oder mehrere Modell-Parameter 214 variiert werden, um die Auswirkungen von Änderungen der Werte der ein oder mehreren Modell-Parameter 214 auf den Lebensdauerwert 215 zu analysieren. Basierend darauf kann dann ein effektiver Lebensdauerwert 216 ermittelt werden (z.B. als Mittelwert der Lebensdauerwerte 215 für unterschiedliche Werte der ein oder mehreren Modell-Parameter 214). Die ein oder mehreren Lebensdauerwerte 215 und/oder der effektive Lebensdauerwert 216 können als Lebensdauerinformation bereitgestellt werden.
Die Zuordnungseinheit 201 kann eine Zuordnungs- und/oder Look-Up-Tabelle umfassen, die für unterschiedliche Kombinationen von Werten der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter 211 und/oder der ein oder mehreren Belastungs-Parameter 212 jeweils einen Arbeitswert 213 anzeigt. Alternativ oder ergänzend kann die Zuordnungseinheit 201 ein maschinell-erlerntes, künstliches, neuronales Netzwerk umfassen.
Die Zuordnungseinheit 201 kann im Vorfeld auf Basis von Trainingsdaten angelernt worden sein. Dabei können die Trainingsdaten eine Vielzahl von Trainings-Datensätzen (z.B. 1000 oder mehr, oder 10000 oder mehr) umfassen. Ein Trainings-Datensatz kann jeweils einerseits eine bestimmte Kombination aus Werten der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter 211 und/oder der ein oder mehreren Belastungs-Parameter 212 und andererseits den dazu passenden Arbeitswert 213 umfassen. Die Arbeitswerte 213 für die einzelnen Trainings-Datensätze können analytisch und/oder experimentell und/oder durch Simulationen ermittelt werden.
Zur Reduzierung der Anzahl von Belastungs-Parametern 212 und/oder der Anzahl von Lötstellen-Parametern 211 kann im Vorfeld eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden, um die ein oder mehreren Belastungs-Parameter 212 und/oder die ein oder mehreren Lötstellen-Parameter 211 zu identifizieren, die einen wesentlichen Einfluss auf den Arbeitswert 213 haben, und/oder um die ein oder mehreren Belastungs-Parameter 212 und/oder die ein oder mehreren Lötstellen-Parameter 211 zu identifizieren, die keinen wesentlichen Einfluss auf den Arbeitswert 213 haben. Letztere Gruppe von Parametern 212, 211 kann dann von der Ermittlung der Lebensdauerinformation anhand der in 2 dargestellten Vorrichtung 200 ausgeschlossen werden. So kann der Rechenaufwand zur Ermittlung der Lebensdauerinformation weiter reduziert werden.
Es kann insbesondere eine Verallgemeinerung der möglichen Geometrien von Lötstellen 113 basierend auf einer Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden. Es können dann gemittelte Geometrien für eine bestimmte Anzahl M von möglichen Konstellationen bzw. Lötstellen-Geometrien ermittelt werden. Es können somit im Vorfeld eine begrenzte Anzahl M von unterschiedlichen, möglichen Geometrien von Lötstellen 113 und Lötstellen-Umgebungen ermittelt werden. Für jede der M möglichen Geometrien kann dann jeweils eine Zuordnungseinheit 201 bereitgestellt werden. Die einzelnen Zuordnungseinheiten 201 nehmen dann nur noch die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter 212 auf.
Alternativ kann für die M möglichen Geometrien jeweils eine Kombination von (ggf. gemittelten) Werten der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter 211 an die Zuordnungseinheit 201 übergeben werden.
Ferner kann zumindest eine Zuordnungseinheit 201 (etwa eine auf einer Look-Up-Table basierte Mapping Funktion) ermittelt werden. Die Zuordnungseinheit 201 kann dabei basierend auf einem mehrteiligen Simulationszyklus ermittelt werden. Der Simulationszyklus kann in einem ersten Teil den Lötprozess und die Montage eines Bauelements 112, in einem zweiten Teil die Relaxation und in einem dritten Teil die Belastung der jeweiligen Lötstelle 113 umfassen. Dabei können als Belastungs-Parameter 211 ΔT, T_m und/oder t_on berücksichtigt werden. Insbesondere können die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter 211 im Rahmen des Simulationszyklus variiert werden, um die Zuordnungseinheit 201 zu ermitteln.
Des Weiteren kann eine Coffin-Manson basierte Berechnung der Schädigungszyklen 215 bis zum Ausfall der jeweiligen Lötstelle 113 durchgeführt werden. Außerdem kann eine statistische Variation der ein oder mehreren Modell-Parameter des Coffin-Manson basierten Modells bewirkt werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 300 zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle 113 einer elektronischen Baugruppe 102. Das Verfahren 300 kann im Rahmen der Entwicklung der Baugruppe 102 angewendet werden, z.B. um eine geeignete Geometrie der Lötstelle 113 und/oder der Umgebung der Lötstelle 113 zu ermitteln, durch die eine bestimmte Ziel-Lebensdauer erreicht werden kann. Das Verfahren 300 ermöglicht somit eine besonders effiziente Entwicklung von zuverlässigen elektronischen Baugruppen 102.
Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301, anhand einer (im Vorfeld durch Simulationen und/oder experimentell ermittelte) Zuordnungseinheit 201 und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern 212 zur Beschreibung der thermischen Belastung der Lötstelle 113, eines Arbeitswertes 213. Der Arbeitswert 213 kann dabei die Kriechdehnung und/oder die Kriechenergiedichte und/oder die Kriechenergie bei einem (thermischen) Betriebszyklus der Lötstelle 113 und/oder der Baugruppe 102 anzeigen. Es kann somit eine im Vorfeld ermittelte (empirische) Zuordnungseinheit 201 verwendet werden, um in recheneffizienter Weise den Arbeitswert 213 (insbesondere die Kriechdehnung und/oder die Kriechenergiedichte und/oder die Kriechenergie bei einem Betriebszyklus) der zu untersuchenden Lötstelle 113 zu ermitteln.
Das Verfahren 300 umfasst ferner das Ermitteln 302, anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells 202 für Lötstellen 113 (insbesondere anhand eines Coffin-Manson basierten Modells), das von dem ermittelten Arbeitswert 213 abhängt, von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle 113. Die Lebensdauerinformation kann dabei die voraussichtliche Anzahl von (thermischen) Betriebszyklen der Lötstelle 113 bis zu einer Schädigung der Lötstelle 113 anzeigen.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche (ggf. mittlere) Lebensdauer einer Lötstelle 113 in effizienter und präziser Weise ermittelt werden. So kann der Entwicklungsaufwand für eine elektronische Baugruppe 102 reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (200) zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf eine voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle (113) einer elektronischen Baugruppe (102); wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, - anhand einer Zuordnungseinheit (201) und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern (212) zur Beschreibung einer thermischen Belastung der Lötstelle (113) einen Arbeitswert (213) zu ermitteln; wobei der Arbeitswert (213) insbesondere eine Kriechenergie der Lötstelle (113) bei einem thermischen Betriebszyklus der Lötstelle (113) und/oder der Baugruppe (102) anzeigt; und - anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells (202) für Lötstellen (113), das von dem ermittelten Arbeitswert (213) abhängt, Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle (113) zu ermitteln.
Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, wobei - die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter (212) die thermische Belastung der Lötstelle (113) im Rahmen eines Betriebszyklus der Baugruppe (102) und/oder der Lötstelle (113) beschreiben; und - die Lebensdauerinformation eine voraussichtliche Anzahl N_f von Betriebszyklen der Baugruppe (102) und/oder der Lötstelle (113) bis zu einer Schädigung der Lötstelle (113) anzeigt.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Belastungs-Parameter (212) umfassen, - einen auf die Lötstelle (113) wirkenden Temperaturhub ΔT während eines Betriebszyklus der Baugruppe (102) und/oder der Lötstelle (113); und/oder - eine maximale Temperatur T_m der Lötstelle (113) bei einem Betriebszyklus der Baugruppe (102) und/oder der Lötstelle (113); und/oder - eine Zeitdauer t_on, für die die Lötstelle (113) während eines Betriebszyklus der Baugruppe (102) und/oder der Lötstelle (113) die maximale Temperatur T_m aufweist.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, - Werte von ein oder mehreren Lötstellen-Parametern (211) zu ermitteln, durch die eine Geometrie der Lötstelle (113) und/oder eine Geometrie einer Umgebung der Lötstelle (113) beschrieben wird; und - den Arbeitswert (213) unter Verwendung der Zuordnungseinheit (201) auf Basis der Werte der ein oder mehreren Lötstellen-Parameter (211) zu ermitteln.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, - die Lötstelle (113) einer Lötstellen-Geometrie aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, vordefinierten, Lötstellen-Geometrien zuzuordnen, insbesondere auf Basis von Werten von ein oder mehreren Lötstellen-Parametern (211), durch die eine Geometrie der Lötstelle (113) und/oder eine Geometrie einer Umgebung der Lötstelle (113) beschrieben wird; und - den Arbeitswert (213) unter Verwendung einer Lötstellen-Geometrie-spezifischen Zuordnungseinheit (201) zu ermitteln, die an die Lötstellen-Geometrie angepasst ist, der die Lötstelle (113) zugeordnet wurde.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Zuordnungseinheit (201) eine Zuordnungs-Tabelle umfasst, die ausgebildet ist, unterschiedlichen Kombination von Werten der ein oder mehreren Belastungs-Parameter (212) jeweils einen Arbeitswert (213) zuzuordnen; und/oder - die Zuordnungseinheit (201) ein maschinell-angelerntes neuronales Netzwerk umfasst, das ausgebildet ist, an einer Eingangs-Schicht die Werte der ein oder mehreren Belastungs-Parameter (212) aufzunehmen und an einer Ausgangs-Schicht den Arbeitswert (213) bereitzustellen.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuordnungseinheit (201) im Vorfeld auf Basis einer Vielzahl von Simulationen und/oder Experimenten ermittelt wurde.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das analytische Lebensdauer-Modell (202) ein Coffin-Manson basiertes Modell umfasst; und/oder - das analytische Lebensdauer-Modell (202) folgenden mathematischen Term umfasst ${(W_{a c c}^{c r})}^{β}$
wobei $W_{a c c}^{c r}$
der Arbeitswert (213) ist und wobei β ein von einem Material der Lötstelle (113) abhängiger Beschleunigungsfaktor ist.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, ein oder mehrere Modell-Parameter (214), insbesondere einen Skalierungsfaktor, des Lebensdauer-Modells (202) statistisch zu variieren, um die Lebensdauerinformation zu ermitteln.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, zu bewirken, dass die Baugruppe (102), insbesondere die Lötstelle (113) der Baugruppe (102), in Abhängigkeit von der ermittelten Lebensdauerinformation hergestellt und/oder angepasst wird.
Vorrichtung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) eingerichtet ist, zu bewirken, dass ein Gerät (100), in dem die elektronische Baugruppe (102) verbaut ist, in Abhängigkeit von der ermittelten Lebensdauerinformation betrieben wird.
Verfahren (300) zur Ermittlung von Lebensdauerinformation in Bezug auf eine voraussichtliche Lebensdauer einer Lötstelle (113) einer elektronischen Baugruppe (102); wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301), anhand einer Zuordnungseinheit (201) und auf Basis von Werten von ein oder mehreren Belastungs-Parametern (212) zur Beschreibung einer thermischen Belastung der Lötstelle (113), eines Arbeitswertes (213); wobei der Arbeitswert (213) insbesondere eine Kriechenergie der Lötstelle (113) bei einem thermischen Betriebszyklus der Lötstelle (113) und/oder der Baugruppe (102) anzeigt; und - Ermitteln (302), anhand eines analytischen Lebensdauer-Modells (202) für Lötstellen (113), das von dem ermittelten Arbeitswert (213) abhängt, von Lebensdauerinformation in Bezug auf die voraussichtliche Lebensdauer der Lötstelle (113).