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L. Musiejovsky:
"Simulationsmethoden zur Untersuchung von thermischen Problemen im Packaging elektronischer Bauelemente";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): J. Nicolics; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2001.

Ständig steigende Verlustleistungsdichten in elektronischen Bauelementen und Baugruppen erfordern ein effizientes thermisches Management. Um die Anzahl der zur thermischen Charakterisierung nötigen Experimente zu reduzieren, werden vielfach Computersimulationen eingesetzt. Kommerziell erhältliche Software-Programme erfordern jedoch einen hohen Aufwand zur Erstellung und Änderung der Modelle. Die Implementierung spezieller Randbedingungen und die Berücksichtigung zeitlicher und temperaturabhängiger Änderungen von Werkstoffparametern und Wärmequellen ist oftmals nur mit hohem Aufwand bzw. gar nicht möglich.

Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Dissertation spezielle Simulationsmethoden zur Behandlung von Problemen aus dem Bereich des elektronischen Packagings erarbeitet. Zur stationären thermischen Charakterisierung elektronischer Bauelemente wurde ein Simulationswerkzeug erarbeitet, das auf einer neuen und effizienten Strategie zur Modellerstellung und einem Gleichungslöser beruht, der auf einem Verfahren der sukzessiven Überrelaxation (successive overrelaxation, SOR) basiert.

Zur Analyse transienter thermischer Vorgänge wurden flexible Modelle mit Hilfe der Finite-Differenzen-Methode erstellt und am Beispiel des Laserlötens von Bauteilen für die Oberflächenmontage angewandt. Die Bedeutung der rasch veränderlichen Temperaturverteilung für die Lötstellenqualität wird an Hand des Studiums der Grenzflächentemperaturen und metallographischer Untersuchungen gezeigt.

Die Simulationsergebnisse wurden jeweils den experimentell ermittelten gegenübergestellt. Zur Messung der Grenzflächentemperaturen wurde eine Methode erarbeitet, die auf miniaturisierten Thermoelementen beruht. Zur Nutzung dieser Kenntnisse in einem industriellen Laserlötverfahren wurden Oberflächentemperaturen von Lötstellen berührungslos mittels Infrarotsensoren gemessen.

Ferner wurden Vorteile und Einschränkungen der Modelle diskutiert und in einem Ausblick Vorschläge für weiterführende Forschungsarbeiten präsentiert.

Due to increasing power loss density in electronic components and assemblies an efficient thermal management is essential to minimize the influence of thermomechanically induced stress and thermal load. Frequently thermal simulation tools are applied to reduce the number of experiments needed for thermal analyses. However, using commercially available software packages high effort is necessary for maintenance and for generating the thermal models. Moreover, temperature dependent material properties, temperature dependent boundary conditions or temperature and time dependent loss power densities are often difficult or in some cases even impossible to implement.

According to these restrictions the target of this thesis is the development of thermal simulation methods especially designed for applications in electronic packaging. For steady-state thermal characterization of semiconductor components a simulation method based on a new strategy for model creation including a new solver using a successive overrelaxation method (SOR-method) was developed.

For the analysis of transient thermal processes flexible models using the finite-difference method were developed and applied on the example of laser soldering of surface mounted components. Investigations of connections between the interface temperature and resulting metallographic properties demonstrate the importance of the rapidly changing temperature for the quality of the solder joints.

The simulation results are compared with those obtained from experiments. For measuring the interface temperature a method based on miniaturized thermocouples was developed. Moreover, surface temperatures of solder joints were measured contactless with infrared detectors in order to apply the know-how for an industrial laser soldering process. Advantages and limits of the respective models are discussed. Finally, suggestions for further investigations are presented.