Studentische Arbeiten

Aufgabenstellung

Die Leistungselektronik zählt zu den Schlüsseltechnologien in schnell wachsen-den Bereichen wie der Elektromobilität und der erneuerbaren Energien. Wie in vielen Technologiebereichen wird auch in der Leistungselektronik das Ziel verfolgt, Bauteile kleiner, leichter und gleichzeitig leistungsfähiger zu gestalten.
3-dimensionale Schaltungsträger wie MID‘s (Molded Interconnect Devices) haben dies-bezüglich viele Vorteile. Zum einen besitzen sie das Potenzial zur weiteren System-Miniaturisierung und Funktionsintegration. Zum anderen kann die Teilevielfalt eines Systems reduziert und die Wärmeabfuhr individuell optimiert werden. Dadurch sind noch ressourcen-schonendere, leichtere und kompaktere Bauweisen möglich.

Die Stromtragfähigkeit von MID’s ist auf-grund der dünnen Leiterstrukturen begrenzt und steht einem Einsatz in der Leistungs-elektronik bisher im Weg. Es bedarf deshalb neuer Ansätze um die Vorteile der MID-Technologie für die Leis-tungselektronik zu erschließen.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Methoden zum partiellen Anbringen von Leiterstruktu-ren auf MID aus Keramik experimentell untersucht und weiterentwickelt werden. Die Verfahren sollen an die Dickschichttechnologie, wie dem DCB-Prozess, bei dem Kupfer mit Keramik verbunden wird, angelehnt werden. Ein Teil der Arbeiten ist dabei die Konzeption, die Konstruktion und der Aufbau von verschiedenen Demonstratoren auf Keramik-MID-Basis. Diese sollen dann in einem ersten Schritt auf ihre Geometrie und ihre mechanische Stabilität der Verbindungsstelle untersucht werden.

Einzeltätigkeiten

• Konzeption und Aufbau von De-monstratoren (Keramik-MID + Lei-terstruktur mit hoher Stromtragfähigkeit)
• Entwicklung eines Sinterprozesses
• Charakterisierung der Verbindungs-stelle (CT + Metallographie)
• Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse
• Dokumentation der Arbeit

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:
Kai Werum
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84826
E-Mail: Kai.Werum@Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung

Wie in vielen Technologiebereichen wird auch in der Leistungselektronik das Ziel verfolgt, Bauteile kleiner, leichter und gleichzeitig leistungsfähiger zu gestalten. 3-dimensionale Schaltungsträger wie MID‘s (Molded Interconnect Devices) haben diesbezüglich viele Vorteile. Zum einen besitzen sie das Potenzial zur weiteren Systemminiaturisierung und Funktionsintegration. Zum anderen kann die Teilevielfalt eines Systems reduziert und die Wärmeabfuhr individuell optimiert werden.

Neben MID auf Thermoplastbasis sind es neuerdings auch duroplastische und keramische Substratmaterialien die entwickelt wurden und für die Leistungselektronik interessant sind. Mit kleineren Leistungsmodulen und höherer Leistungsdichte steigen allerdings gleichzeitig die Anforderungen an die Aufbau- & Verbindungstechnik (AVT). Ein wichtiges Kriterium für die Materialauswahl und die AVT ist die thermische Performance.  die Berechnung des transienten Temperaturverhaltens der Halbleiter für ein gegebenes Verlustleistungsprofil kann bspw. durch Zth- Kurven ermittelt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen WBG-Leistungshalbleiter, auf neuartigenräumlichen Substraten transient thermisch gemessen werden. Ein Teil der Arbeiten ist dabei die Konzeption, die Auslegung, die Konstruktion und der Aufbau von Probekörpern mit modernen AVTTechnologien wie Lötverfahren, Silbersintern oder auch Semi-Sintern.

Die studentische Arbeit wird in Kooperation zwischen Hahn-Schickard und dem ILH betreut.

Einzeltätigkeiten

• Aufbau von Probekörpern
• Durchführung von Zth-Untersuchungen
• Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse
• Dokumentation der Arbeit

Beginn ab sofort.

Ihr Ansprechpartner am ILH:
Dominik Koch
Dominik.koch@ilh.uni-stuttgart.de

Ihr Ansprechpartner Hahn-Schickard / IFM:
Kai Werum
kai.werum@Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung:

Der Trend in der Mikroelektronik geht hin zu immer größeren Packungsdichten und kleineren Systemen. Insbesondere IC-Packages wurden immer weiter miniaturisiert und es wurden immer neue Kontaktierungsmethoden entwickelt. Eine besonders flächeneffiziente Kontaktierungsmethode ist das Ball-Grid-Array (BGA). BGA erlauben es, Chip-Packages bei einer großen Anzahl von Kontakten mit der darunter liegenden Leiterplatte zu verbinden.

Eine Methode zur Miniaturisierung von Systemen sind 3D Aufbautechniken wie die LDS-MID Technologie, bei der spritzgegossene Kunststoffträger mit einem Laser strukturiert und aktiviert werden und dann üblicherweise eine selektive Cu/Ni/Au Metallisierung erhalten.

Der Aufbau von BGA auf LDS-MID stellt eine Herausforderung dar, da lediglich 2 Schaltungslagen zur Entflechtung zur Verfügung stehen und der normalerweise beim Löten von BGA auf Leiterplatten eingesetzte Lötstopplack in der Regel nicht vorhanden ist.

 Aufgabe für den/die Studierende/n:

Der/die Studierende soll nun im Rahmen dieser Studienarbeit Untersuchungen durchführen, in wie weit sich BGAs beim heutigen Stand der Technik auf LDS-MID löten lassen. Dazu soll zum Beginn eine Einarbeitung in die LDS-MID Technologie sowie in die Aufbautechnik von BGA erfolgen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse und der verfügbaren Design-Rules werden dann Ansätze zur möglichen Prozessführung beim Löten von BGAs auf LDS-MID erarbeitet. Darauf aufbauend wird ein Versuchsplan erstellt. Nach der Erstellung von Layouts und Testsubstraten erfolgen Lötversuche von BGAs auf LDS-MID.

Die aufgelöteten BGAs werden dann z.B. anhand von Querschliffen, Röntgenaufnahmen und elektrischen Messungen untersucht.

Einzeltätigkeiten

• Einarbeitung in die Eigenschaften von BGAs und LDS-MID Technik
• Versuchsplanung
• Analyse der möglichen Prozessführung auf Basis der Design-Regeln von LDS-MID und versch. BGAs
• Durchführung von Versuchen zum Aufbringen von Lötstopplack und zum Löten von BGAs auf LDS-MID
• Inspektion der gelöteten BGAs durch elektrische Vermessung, CT-Aufnahmen und Querschliffe
• Dokumentation der Arbeit

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:

MSc. Marius Wolf
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84345
E-Mail: Marius.Wolf@Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung:

3D Aufbautechniken wie die LDS-MID Technologie, bei der spritzgegossene Kunststoffträger mit einem Laser strukturiert und aktiviert werden und dann üblicherweise eine CU/Ni/Au Metallisierung erhalten, ermöglichen gegenüber der Leiterplattentechnik eine deutliche Miniaturisierung und Funktionsintegration. Jedoch bildet das Prototyping von LDS-MID immer noch eine Engstelle in der Entwicklung neuer LDS-MIDs. Da der 3D-Druck in vielerlei Hinsicht nicht die notwendigen Toleranzen im Hinblick auf Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erreicht, sind vereinfachte Alternativen zum Spritzguss notwendig. Eine solche Alternative ist das Compression Molding (CM), bei dem ein Halbzeug in eine Form eingelegt wird und dann in einer Heißpresse umgeformt wird. Im Zuge dieser Studienarbeit soll nun ein solcher Compression Molding Prozess für hochtemperaturbeständige LDS-Materialien entwickelt werden und mit anderen Prozessen verglichen werden.

Aufgabe für den Studenten:

Der/die Studierende soll sich im Rahmen dieser Arbeit in die LDS-MID Technologie sowie die Kunststoffverarbeitung einarbeiten. An die Planung der Arbeiten/Untersuchungen soll der/die Studierende ein Werkzeug für das Compression Molding konstruieren und aufbauen. Unter Verwendung einer Heißpresse soll der/die Studierende dann die Prozessführung für verschiedene LDS-Werkstoffe entwickeln. Die nach der Prozessentwicklung vorliegenden Bauteile sollen dann hinsichtlich verschiedener Eigenschaften untersucht werden. Zum einen sollen die mechanischen Eigenschaften wie z.B. Zugfestigkeit, Maßhaltigkeit, Füllstoffverteilung und minimal erreichbare Wandstärken untersucht werden. Zum anderen sollen die Bauteile einem LDS-Screening unterzogen werden.

Einzeltätigkeiten

• Einarbeitung in die LDS-MID Technik und die Kunststoffverarbeitung
• Planung der Studienarbeit und Erstellung eines Versuchsplanes
• Konstruktion eines CM-Werkzeuges
• CM-Prozessentwicklung für verschiedene LDS-Werkstoffe
• Analyse der Bauteile im Vergleich zu anderen Prozessen (Injection Molding, Injection Compression Molding) hinsichtlich Zugfestigkeit, Maßhaltigkeit, Verzug und Schwund, Füllstoffverteilung, lokal erreichbare minimale Wandstärken und Prozesskompatibilität zum LDS-MID Prozess
• Dokumentation der Arbeit

Ihr Ansprechpartner bei Hahn-Schickard:

MSc. Marius Wolf
Allmandring 9 b
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-84345
E-Mail: Marius.Wolf@Hahn-Schickard.de

Aufgabenstellung

Leiterplattenbasierte Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Designflexibilität aus. Hierbei ist die Leiterplatte nicht länger nur Träger von Sensorelementen und Sensoren, sondern wird selbst zum Teil des Sensorelements. Zahlreiche Beispiele wie einachsige und zweiachsige Neigungssensoren oder Drucksensoren bestehen aus aufgelöteten Elementen auf einer Leiterplatte, um kapazitive Sensoren zu realisieren. Ein Element, eine Membran, eine Kuppel oder ähnliches, wird während der Bestückung zusammen mit der kapazitiven Ausleseelektronik bestückt und anschließend dem Lötprozess zugeführt. Dabei ist es notwendig, dass die Elemente, die mit den Elektroden auf der Leiterplatte das kapazitive Sensorelement bilden, zueinander möglichst zentriert sind. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Vorzentrierung beim Bestücken erfolgt oder eine Lötvorrichtung zum Einsatz kommt. Noch besser ist jedoch eine Selbstzentrierung des Elementes während des Lötvorgangs. Daher soll im Rahmen der Arbeit die Literatur hierzu recherchiert und experimentelle Versuche durchgeführt werden. Mit Hilfe evolutionärer Suchalgorithmen soll darüber hinaus, sofern keine Literatur hierfür bekannt ist, eine analytische Beschreibung für die Selbstzentrierung gefunden werden.

Einzeltätigkeiten

• Einarbeitung und Recherche zum Thema
• Versuchsplanung und Evaluierung von geeigneten Geometrieparametern
• Konstruktion von zylindrischen und hohlzylindrischen Testkörpern aus Kupfer und / oder Messing
• Erstellung eines geeigneten Leiterplattendesigns
• Vorbehandlung oder Oberflächenveredelung der Testkörper
• Bestimmung der Flächeninhalte und Oberflächeneigenschaften der Lötfläche wie Rauheit und/oder Benetzungswinkel
• Durchführung von Lötversuchen mit Standardlötprofil
• Messen der Exzentrizität der gelöteten Testkörper auf der Leiterplatte unter dem Mikroskop
• Durchführung einer evolutionären Suche z.B. mit Eureqa für eine analytische Beschreibung des Systems
• Dokumentation der Ergebnisse in einem Abschlussbericht

Beginn: Januar 2021

Durch unsere enge Kooperation mit Hahn-Schickard vermitteln wir auch weitere Studentische Arbeiten an die Standorte Hahn-Schickard Villingen-Schwenningen und Hahn-Schickard Freiburg. Die Angebote finden Sie auf der Homepage von Hahn-Schickard im Bereich Jobs und Karriere.