Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Thermische Simulation von Wellen- und Selektivlötprozessen zur Optimierung des Leiterplattendesigns und der Anlagenparameter für IPC-konforme Kontaktierung von THT-Bauelementen (SiWOLAK)

* Forschungsziel

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen sowohl das Leiterplattendesign als auch Prozessparameter der Wellen- und Selektivlötverfahren für die gesicherte Verarbeitung von anspruchsvollen Baugruppen aus Leistungselektronik nach Abnahmekriterien der IPC-610 untersucht werden. Basis der Evaluation sind simulationsgestützte Modelle zur rechnergestützten Analyse der Wechselwirkungen aus Leiterplattendesign, Bauelementspektrum und Anlagen- / Prozessparameter der zu untersuchenden Wellen- und Selektivlötprozesse.

* Wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Das Forschungsvorhaben soll hierbei signifikante Unterstützung leisten. Dabei soll zunächst die Prüfbarkeit des Leiterplattendesigns hinsichtlich kritischer Positionen erarbeitet werden. Weiterhin soll die Zeit zur Anlagenparametrierung und zur Herstellung von Versuchslötungen durch eine optimierte Prozessführung deutlich reduziert werden. Insofern ergibt sich für EMS und KMU die Möglichkeit, die im Vorhaben erlangten Ergebnisse aufzugreifen und bei Kundenanfragen eine schnellere Abschätzung hinsichtlich der Verarbeitbarkeit treffen bzw. Empfehlungen hinsichtlich des Leiterplattendesigns und der Anlagentechnik geben zu können.

* Transfer und beabsichtigte Umsetzung der Forschungsergebnisse

Die erarbeiteten Ergebnisse werden sowohl über den Projektbegleitenden Ausschuss als auch über den Lehrstuhl FAPS in die Praxis transferiert: Präsentation der Forschungsergebnisse im Projektbegleitenden Ausschuss und Wissensaustausch mit Industrievertretern, die an einer direkten Anwendung der Ergebnisse interessiert sind; Veröffentlichungen in nationalen und internationalen Zeitschriften und auf Kongressen / Veranstaltung von Fachseminaren; Nutzung der Ergebnisse durch die Mitglieder der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS; Aufnahme der gewonnen Ergebnisse in den Lehrbetrieb zur Ausbildung der Studenten; Nutzung in Beratungsgesprächen des Lehrstuhls mit weiteren Industriepartnern, v. a. KMU

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt Siwolak wurden experimentelle, numerische und analytische Modelle zur computergestützten Beurteilung von THT-Lötstellendesigns entwickelt und validiert. Zudem wurde ein Excel-Tool entwickelt mit welchem die thermischen Eigenschaften des Lagenaufbaus einer konfigurierten Lötstelle hinsichtlich der Lötbarkeit vorab beurteilt werden kann.

Mit den statistischen Versuchsplänen wurden kritische Designparameter untersucht und Kennzahlen ermittelt, welche kritisch für den Lotdurchstieg sind und Designempfehlungen zur Anbindung von Kupferlagen an die Kupferhülse herausgearbeitet.

Unter den drei iterativ getesteten und verbesserten Simulationsansätzen hat sich des Multiphysics-Simulationsmodell als am solidesten herausgestellt. Dieser ist jedoch in der Handhabbarkeit und durch hohe Lizenzkosten kaum für den breiten Einsatz geeignet.

Das Analytische Modell, welches auch als Excel-Siwolak-Tool umgesetzt wurde bietet die Möglichkeit lizenzkostenfrei und in kurzer Zeit anwenderfreundlich und ohne Vorkenntnisse eine Abschätzung zur Lötbarkeit eines Lötstellendesigns zu erzeugen. Damit kann die Lösung auch in KMU zu einer Verbesserung der Wettbewerbssituation beitragen.

Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial des Einsatzes von Modellen in der Leiterplattenentwicklung zur Reduktion von Designschleifen, Fertigungsproblemen und Ausschuss sowie Verkürzung der Time-to-Market.