Aufgabenstellungen für Studienarbeiten

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Untersuchung des Materialverhaltens polymerer Werkstoffe für den Einsatz in elektronischen Systemen
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Untersuchung des Materialverhaltens polymerer Werkstoffe für den Einsatz in elektronischen Systemen
Zielstellung
Messgerät, typische Probe und Messergebnis einer DMA-Analyse

Moderne elektronische Systeme werden in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt und sind dabei zum Teil sehr starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dennoch erwartet der Anwender eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Um diese zu gewährleisten, muss bei der Entwicklung der Elektroniksysteme das thermo-mechanische Verhalten der eingesetzten Werkstoffe genau bekannt sein. Zum Einen, um Anhand von werkstoffbezogenen Kenngrößen eine Materialauswahl treffen zu können und zum Anderen, um einen optimalen Systementwurf mit Hilfe von z. B. Finiten-Element-Simulationen zu erarbeiten. Nach dem aktuellen Stand wird für polymere Werkstoffe ein zwar temperaturabhängiges, aber nur lineares mechanisches Verhalten berücksichtigt. Es ist jedoch bekannt, dass bei größeren Verformungen ein nichtlineares mechanisches Verhalten auftreten kann. In dieser Arbeit soll daher untersucht werden, welche vorhandene Charakterisierungsmethode eingesetzt werden sollte, um dieses Verhalten zu erfassen, wie man das erfasste Verhalten in FEM-Simulationen überträgt und welche Verbesserungen bei der Berechnung zu erzielen sind. Zu beachten ist, dass heutzutage Polymere mit und ohne Füll- bzw. Verstärkungspartikeln usw. eingesetzt werden und dass die Verarbeitungsbedingungen (u. a. Aushärtetemperatur) einen signifikanten Einfluss auf das Verformungsverhalten der Polymere ausüben.

Teilaufgaben
  • Recherche zum Stand der Technik und Forschung zur messtechnischen Erfassung des linearen und nichtlinearen mechanischen Verhaltens von Polymeren in der Elektronik
  • Entwicklung von Messkonzepten für die Erfassung des nichtlinearen Materialverhaltens
  • Entwurf, Herstellung und Qualitätsprüfung von Proben für die mechanische Charakterisierung an einem ausgewählten polymeren Werkstoff (z. B. FR4)
  • Durchführung und Auswertung von Messungen zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens
  • Prüfung der Überführung der Messergebnisse in Materialmodelle für die FEM
  • Diskussion und Dokumentation der erreichten Ergebnisse
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Bock

Betreuung
Dr.-Ing.
Karsten Meier
Tel.:
(0351) 463 36594
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Prozessentwicklung für die Herstellung von Through-Mold-Vias für den Aufbau von System-in-Package-Modulen
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Prozessentwicklung für die Herstellung von Through-Mold-Vias für den Aufbau von System-in-Package-Modulen
Zielstellung
Visualisierung eines SiP-Moduls mit Through-Mold-Vias

Die voranschreitende Miniaturisierung und Funktionsintegration hat in der zur Entwicklung der Package-Technologie „System-in-Package“ geführt. Bei dieser werden sowohl aktive als auch passive Bauelemente in einem Package integriert. Eine mögliche Aufbauform ist die Variante Package-on-Package, bei der mindestens zwei Module aufeinander montiert werden. Dies erfordert die Erzeugung von Durchkontaktierungen durch Vergussmassen hindurch. Dafür sind verschiedene Lösungswege zur technologischen Umsetzung vorstellbar.

Zielstellung dieser Studienarbeit soll daher zunächst die theoretische Gegenüberstellung der technologischen Möglichkeiten zur Umsetzung einer elektrischen Verbindung durch eine Vergussmasse hindurch sein. Nach Auswahl einer bevorzugten Lösungsvariante ist eine Prozessentwicklung durchzuführen. Diese muss die folgenden Prozessschritte umfassen: Erzeugen einer durchgehenden Öffnung, Abscheiden einer durchgehend elektrisch leitfähigen Schicht, ggf. vollständiges Füllen der Öffnung sowie Anbindung der Durchkontaktierung an beidseitig vorhandene Leiter- bzw. Kontaktstrukturen. Nach erfolgreicher Erzeugung von Durchkontaktierungen ist deren elektrische Leitfähigkeit nachzuweisen.

Teilaufgaben
  • Recherche, Bewertung und Auswahl von Technologien zur Erzeugung von Through-Mold-Vias (TMV)im Zusammenhang mit SiP-Packages
  • Entwicklung eines TMV-Prozesses inkl. der Bestimmung von Prozessfenstern
  • Erzeugung von TMV anhand des entwickelten Prozesses
  • Nachweis der elektrischen Funktion der erzeugten TMV
  • Diskussion und Dokumentation der erreichten Ergebnisse
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. habil. T. Zerna

Betreuung
Dr.-Ing.
Karsten Meier
Tel.:
(0351) 463 36594
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Zuverlässigkeit von Fanout-Packages bei der Anwendung im Automobilbereich
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Zuverlässigkeit von Fanout-Packages bei der Anwendung im Automobilbereich
Zielstellung
Schnittdarstellung eines Package-on-Package bestehend aus drei Modulen

Bei der Entwicklung neuer integrierter elektronischer Systeme werden vermehrt Fanout (FO) Packages für 5G- und Radaranwendungen im Automobilbereich eingesetzt. Mehrere Module können hierbei als Package-on-Package (PoP) Fertigungstechnologie übereinander angeordnet werden. Für den Einsatz im Automobilbereich ist die Zuverlässigkeit der FO-Packages besonders bedeutsam. Bei Neuentwicklungen ist es daher erforderlich die einzelnen Teilsysteme und das Gesamtsystem vorzeitig so zu gestalten und auszulegen, dass diese den rauen Zuverlässigkeitsanforderungen im Automobilbereich genügen.

Die Zielstellung der Arbeit soll sein, Empfehlungen für die Neuentwicklung von FO-Packages für PoP-Anwendungen zu erarbeiten. Dazu sind geeignete Probekörper basierend auf der FO-Technologie zu entwickeln und herzustellen. In beschleunigten Alterungstests soll das Verhalten der FO-Probekörper unter verschiedenen Belastungsszenarien analysiert werden.

Teilaufgaben
  • Literaturrecherche zu FO-Packages und -Verbindungstechnologien, sowie zu deren Zuverlässigkeit.
  • Entwicklung eines Konzeptes für die Herstellung geeigneter Probekörper zur Verbindungstechnologie, Planung der Experimente und Bewertungsmethoden.
  • Herstellung der Proben und Durchführung der Versuche.
  • Auswertung der Versuche und Bewertung der Ergebnisse.
  • Dokumentation der Ergebnisse und Diskussion im Kontext der Literaturrecherche.
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Bock

Betreuung
Dr.-Ing.
Karsten Meier
Tel.:
(0351) 463 36594
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Entwicklung eines Online-Messsystems für kombinierte Vibrations- und Temperaturexperimente
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Entwicklung eines Online-Messsystems für kombinierte Vibrations- und Temperaturexperimente
Zielstellung
Testaufbau für Vibrationsversuche bei veränderlichen Temperaturen

Die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen unter kombinierten mechanischen und thermischen Belastungen ist besonders für Automotive-Anwendungen bedeutsam. Aktuell werden dazu Untersuchungen durchgeführt, welche jedoch nur mit starren Randbedingungen umgesetzt werden. Dies lässt eine detaillierte Bestimmung von Schädigungsabläufen nur begrenzt zu. Um diese Situation zu verbessern sind Messmöglichkeiten erforderlich, welche eine online-Überwachung der Probekörper ermöglichen. Zunächst scheinen dafür elektrische Messungen geeignet, da diese zerstörungsfrei und flexibel gegenüber der konstruktiven und thermischen Ausführung des Experiments sind. Zielstellung der Arbeit ist daher die Entwicklung eines Messsystems zur online-Überwachung von elektrischen Widerständen während eines Vibrationsexperiments bei konstanter oder veränderlicher Temperatur. Das Messsystem muss in der Lage sein geringe Widerstandsabweichungen mehrerer Probekörper bei hoher Änderungsgeschwindigkeit zu erfassen. Temperaturänderungen dürfen dabei das Messergebnis nicht verfälschen. Um die Menge der aufgezeichneten Daten zu begrenzen ist die Umsetzung einer Ereigniserkennung zu prüfen.

Teilaufgaben
  • Entwicklung eines schnellen, hochauflösenden Widerstandsmesssystems
  • Weiterentwicklung vorhandener Probekörper für die Online-Widerstandsmessung
  • Aufbau und Inbetriebnahme des Messsystems einschließlich Validierung
  • Durchführung eines Demonstrationsversuchs mit Vibration bei veränderlicher Temperatur
  • Diskussion und Dokumentation der erreichten Ergebnisse
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Bock

Betreuung
Dr.-Ing.
Karsten Meier
Tel.:
(0351) 463 36594
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Machbarkeitsstudie zur Lötbarkeit von bleifreien Lotlegierungen mit stark erhöhtem Anteil zulegierter Elemente
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Machbarkeitsstudie zur Lötbarkeit von bleifreien Lotlegierungen mit stark erhöhtem Anteil zulegierter Elemente
Zielstellung
Bleifreie SnAgCu-Lotlegierungen mit erhöhtem Ag- und Cu-Gehalt: links: SnCu3.0 Lotbump auf einem Cu-Substrat; rechts: Intermetallische Phasen in Lotlegierungen mit erhöhter Zulegierung.

Bleifreie SnAgCu-Lotlegierungen für die Fertigung elektronischer Baugruppen weisen typischerweise einem Sn-Gehalt von ca. 95 wt.% oder mehr auf. Mit zunehmendem Anteil der Legierungselemente Ag und Cu steigt auch der Anteil primärer intermetallischer Verbindungen im Lotkontakt. Diese besitzen eine höhere Schmelztemperatur und andere mechanische Eigenschaften im Vergleich zum Basismaterial Sn. Dies wird meist als Zuverlässigkeitsrisiko eingeschätzt. Dennoch gibt es auch Anwendungen, welche einen erhöhten Anteil intermetallischer Phasen, mit Hinsicht auf erhöhte Einsatztemperaturen, fordern. Während dazu meist Ansätze wie Sintern oder das Zumischen reiner Materialien (z.B. Cu-Kugeln in Lotpaste) genutzt werden, soll diese Arbeit den Einsatz von Legierung mit hohem Zulegierungsanteil (ähnlich hoch bleihaltiger Lotlegierungen) erproben.

Ziel dieser Arbeit soll es sein, zu überprüfen bis zu welchem Cu-Gehalt solche Legierungen noch prozessierbar bzw. lötbar sind. Weiterhin soll der Anteil die intermetallischen Phasen nach dem Löten überprüft werden, um einzuschätzen inwieweit dies für Leistungselektronikanwendungen anwendbar ist.

Teilaufgaben
  • Literaturrecherche zur Legierungsherstellung und zum Einsatz von Lotlegierungen mit erhöhtem Ag- und Cu Gehalt.
  • Herstellung geeigneter Lotlegierungen mit erhöhtem Anteil zulegierter Elemente (Ag, Cu).
  • Herstellung geeigneter Probekörper und Lotformteile für die Lötversuche.
  • Durchführen von Lötversuchen und Analyse der Verbindungen.
  • Diskussion der Ergebnisse und Machbarkeitsbewertung.
Hochschullehrer

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Iuliana Panchenko

Betreuung
Dr.-Ing.
Maik Müller
Tel.:
(0351) 463 33172
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Materialanalyse von 3D-Druckpolymeren
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Materialanalyse von 3D-Druckpolymeren
Zielstellung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung von Materialparametern, wie z.B. des dynamisch-mechanischen Verhaltens, und die Untersuchung der Haftfestigkeit von Metallen und deren Haftvermittlern auf 3D-Druckpolymeren. Anhand einer Literaturrecherche sollen Technologien zur Optimierung der Haftfestigkeit sowie der Materialzusammensetzung von UV-vernetzenden Druckpolymeren entwickelt werden. Darauf folgend sind Testvehikel zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und der Haftfestigkeit zu entwerfen und herzustellen. Anhand der gewonnen Ergebnisse aus der Probencharakterisierung sollen Vorschläge zur Prozess- und Materialoptimierung entwickelt werden.
Mit einer Materialanalyse können Prozesse in der Herstellung von 3D-gedruckten elektronischen Baugruppen verbessert werden und ermöglichen einen Einblick in die Materialzusammensetzung. Bis auf wenige Ausnahmen ist die Zusammensetzung von 3D-Druckpolymeren nicht zugänglich und nur wenig dokumentiert. Durch deren genaue Kenntnis könnten jedoch Eigenschaften wie die Haftfestigkeit von Metallen und somit die Zuverlässigkeit des gesamten Systems verbessert werden.

Teilaufgaben
  • Literaturrecherche zur mechanischen Charakterisierung, zur Optimierung der Haftfestigkeit des 3D-Druckpolymers sowie dessen Zusammensetzung
  • Versuchsplanung und Entwurf von Testvehikeln
  • Herstellung von Testvehikeln, deren Charakterisierung und Auswertung
  • Vorschläge zur Optimierung des Prozesses und des Materials
  • Dokumentation der Ergebnisse und Teilaufgaben
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karlheinz Bock

Betreuung
Dipl.-Ing.
Tobias Tiedje
Tel.:
(0351) 463 32132
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Finite-Elemente-Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse von 3D-gedruckten elektronischen Baugruppen
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Finite-Elemente-Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse von 3D-gedruckten elektronischen Baugruppen
Zielstellung
Netzmodell eines gelötetetn SMD-Bauelements auf einer Leiterplatte

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die statisch-thermische Beanspruchung zwischen der Umverdrahtungsschicht und dem Bauelementanschluss sowie die Beanspruchung hin zum Trägermaterial für unterschiedliche SMD-Bauelemente zu simulieren. Über eine Recherche der Materialdaten soll eine Modellbildung der Komponente realisiert werden. Anhand der Ergebnisse der FEM sollen Maximalspannungen lokalisiert und mit typischen Schadensbildern (z.B. Risse, Delaminationen) verglichen werden. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse und einer vorhandenen Zuverlässigkeitsuntersuchung sollen zudem die Parameter eines Lebensdauermodells abgeleitet werden.

Mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode kann ein thermomechanisches Modell für 3D-gedruckte elektronische Baugruppen erstellt werden. Dies ermöglicht, kritische Stellen in der Baugruppe zu identifizieren, die Lebensdauer der Baugruppe abzuschätzen und eine Optimierung an Material- und Designparametern vorzunehmen.

Teilaufgaben
  • Literaturrecherche zu Materialdaten und dem Umgang mit dem Simulationsprogramms
    ANSYS
  • Entwurf des FEM-Modells
  • Vergleich mit Schadensbildern und Entwicklung des Lebensdauermodells
  • Dokumentation der Ergebnisse und Teilaufgaben
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karlheinz Bock

Betreuung
Dipl.-Ing.
Tobias Tiedje
Tel.:
(0351) 463 32132
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Charakterisierung und Verbesserung einer Vorrichtung zur Messung der Erstarrungstemperatur von Lotlegierungen durch IR-Thermographie
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Charakterisierung und Verbesserung einer Vorrichtung zur Messung der Erstarrungstemperatur von Lotlegierungen durch IR-Thermographie
Zielstellung
Messaufbau zur Unterkühlungsmessung mit IR-Thermographie: (links) schematischer Aufbau (CAD); (mitte) Messanordnung mit IR-Kamera und Hitzeschild; (rechts) IR-Abbildung des Messsubstrats und exothermer Temperaturverlauf einer Lotkugel beim Erstarren.

Der als Unterkühlung bezeichnete Unterschied zwischen Schmelz- und Erstarrungstemperatur ist ein entscheidender Einflussfaktor auf die beim Erstarren entstehende Mikrostruktur. Für weiterführende Zuverlässigkeitsbetrachtungen ist es daher von großem Interesse eine Korrelation zwischen Mikrostruktur und Erstarrungstemperatur herzustellen. Am IAVT wurde dazu bereits eine Vielzahl von Untersuchungen mit Hilfe von Infrarot-Thermographiemessungen durchgeführt. Für genauere Messungen wurde der ursprüngliche Versuchsaufbau bereits signifikant verbessert. Eine Evaluation des neuen Aufbaus konnte aber bisher nicht durchgeführt werden.

Ziel dieser Arbeit soll es daher sein, den derzeitigen Messaufbau zu analysieren, um weitere Verbesserungen abzuleiten und zu implementieren. Nach dem erneuten Aufbau der Vorrichtung, soll diese gewissenhaft kalibriert und seine Messgenauigkeit evaluiert werden. Abschließend soll die Funktionsfähigkeit durch ein initiales Experiment nachgewiesen werden.

Teilaufgaben
  • Literaturrecherche zu Unterkühlungsmessungen an Lotkontakten
  • Analyse des verbesserten Aufbaus und Ableiten von notwendigen Verbesserungen
  • Umsetzen der Verbesserungen
  • Aufbau und Kalibrierung des Messaufbaus
  • Nachweis der Funktionsfähigkeit des Messaufbaus
Hochschullehrer

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Iuliana Panchenko

Betreuung
Dr.-Ing.
Maik Müller
Tel.:
(0351) 463 33172
Bearbeitungsbeginn
ab sofort
Technologiebewertung für flexible Baugruppen auf Basis der Integrationsdichte
Aufgabenstellung für eine Studienarbeit
Technologiebewertung für flexible Baugruppen auf Basis der Integrationsdichte
Zielstellung

Die Steigerung der Integrationsdichte und die Miniaturisierung von Elektronik und damit der Elektronikkomponenten stehen nach wie vor im Fokus zahlreicher Aufgabenstellungen. Innovative Technologien (3D-Druck, Ink-Jet, etc.) ermöglichen sehr flache und mechanisch flexible Aufbauten. Diese können im Bedarfsfall zusätzlich noch mit bekannten Aufbau- und Verbindungstechniken ergänzt werden. Hinsichtlich der Funktionalität variiert auch die Integrationsdichte solcher Baugruppen, welche z. B. von einfachen Smart Cards bis hin zu komplexeren E-Paper inklusive Sensorik reichen kann.

In Abhängigkeit der Integrationsdichte sollen verfügbare Technologien eingeordnet und bewertet werden. Dazu sind entsprechende Demonstratoren mit den verfügbaren Technologien herzustellen, welche für nachfolgende Zuverlässigkeitsuntersuchungen geeignet sind. Im zweiten Schritt sollen die angewandten Technologien weitestgehend auf einem Demonstrator vereinigt werden.

Teilaufgaben
  • Literatur- und Patentrecherche zu Technologien für unterschiedliche Integrationsdichten.
  • Bewertung und Abgrenzung der Technologien hinsichtlich der Integrationsdichte.
  • Entwurf und Aufbau ausgewählter Demonstratoren mittels geeigneter Technologien.
  • Erarbeitung eines Konzepts zur heterogenen Integration der verschiedenen Technologien auf einem Demonstrator.
  • Initiale Bewertung hinsichtlich der Tauglichkeit mit Bezug auf Materialpaarungen, Zuverlässigkeit, Produktionsaufwand.
Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Zerna

Betreuung
Dipl.-Ing.
Daniel Ernst
Tel.:
(0351) 463 36941
Bearbeitungsbeginn
nach Absprache