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Innovation Messtechnik 2017

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Örtlich hochaufgelöste Messung von Magnetfeldern

Thomas Wiesner

In bestimmten Anwendungsgebieten der Leistungselektronik sind Halbleiterbauelemente einer zyklischen thermischen Belastung ausgesetzt. Diese führt aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffzienten zu einem mechanischen Dauerfestigkeitsproblem der Bondverbindungen, welches einen wesentlichen Aspekt für Lebensdauer und Ausfallsicherheit darstellt.

Als Teil des COMET K-Projektes micromat "Reliability and lifetime of material interconnects in electronics" wurde in dieser Diplomarbeit die Möglichkeit untersucht, die Detektion von Rissen in Bondverbindungen auf Basis einer Magnetfeldmessung durchzuführen, um die systematische Prüfung von Bondverbindungen zu vereinfachen.
Anhand von theoretischen Überlegungen wurden Möglichkeiten für Rückschlüsse von der Magnetfeldgeometrie auf die Stromverteilung bzw. Geometrie des Testobjektes untersucht. Weiters wurden die bei der Skalierung eines Magnetfeldproblems gültigen Ähnlichkeitsgesetze hergeleitet.

Drei leicht erhältliche Magnetfeldsensoren wurden auf ihre Eignung für die örtlich hochaufgelöste Erfassung von Magnetfeldern untersucht. Abbildung 1 zeigt als Beispiel das Messergebnis einer bestromten Leiterbahn einer Lochrasterplatine, welches mit dem Sensor MAG3110 von Freescale aufgenommen wurde.

Mithilfe von Open-Source FEM-Simulationen wurden an einem vereinfachten Modell der Bondverbindung die durch einen Riss verursachten Veränderungen des Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse wurden bezüglich der messtechnischen Auswertung beurteilt und ein Messkonzept entwickelt, welches mittels einer Sensorspule um die Bondverbindung Abweichungen vom intakten Zustand erfasst. Anschließend folgten genauere Untersuchungen des Konzeptes mit der kommerziellen FEM-Software Comsol Multiphysics.

Zum Abschluss wurde das Konzept an einem Labormodell im Maßstab 31.25:1, bei dem ein Riss kontrolliert simulierbar ist, erprobt. Das Labormodell, dessen mittlerer Teil in Abbildung 2 dargestellt ist, bestätigte die Funktion des Messkonzeptes sowie die Messbarkeit der auftretenden Sensorspannungen im 100nV-Bereich.

Abbildung 1: Die Vertikalkomponente des Magnetfeldes eines Lochrasterstreifens. Der Strom fließt von rechts nach links.

Abbildung 1: Die Vertikalkomponente des Magnetfeldes eines Lochrasterstreifens. Der Strom fließt von rechts nach links.

Abbildung 2: Der zentrale Teil des Labormodells. In der Mitte befindet sich der Zapfen, welcher die Bondstelle nachbildet. Die Klebung der Sensorspulen ist ebenfall sichtbar.

Abbildung 2: Der zentrale Teil des Labormodells. In der Mitte befindet sich der Zapfen, welcher die Bondstelle nachbildet. Die Klebung der Sensorspulen ist ebenfall sichtbar.

Keywords: Magnetfeldmessung, Bondverbindung, Magnetfeldsensoren, Magnetfeldsimulation, FEM, Ähnlichkeitsgesetze, micromat, Risserfassung

20. Jänner 2012

Sperre der Arbeit ab 26. Jänner 2012 für die Dauer von 5 Jahren.