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Mess- und Simulationsverfahren

Lebensdauerbetrachtungen unter mechanischer Belastung

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Herleitung eines Lebensdauermodells

Die Zuverlässigkeitsbetrachtung durch Simulation und Messtechnik findet in zwei aufeinander aufbauenden Schritten statt (Bild 1). Im ersten Schritt wird ein Bauteil unter definierten Messbedingungen in einem Lastwechselprüfstand untersucht und die für ein Lebensdauermodell nach Coffin Manson benötigten Parameter ermittelt. Anhand einer FEM-Simulation werden dann die plastischen Dehnungen ermittelt, die in dem Bauteil während der Messung aufgetreten sind. Dadurch kann ein Lebensdauermodell hergeleitet werden, das nur noch von den plastischen Dehnungen im Bauteil abhängt.

Der erste Schritt bildet die Grundlage für ein validiertes Modell, mit dem im zweiten Schritt virtuelle Prototypen durch FEM-Simulationen untersucht werden können. Durch die Simulation ist jetzt nämlich für beliebige Randbedingungen und auch abweichende Geometrien (z.B. mit anderen Bonddraht-Geometrien) die plastische Dehnung ermittelbar.

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Mit dieser plastischen Dehnung lässt sich dann die Lebensdauer für andere Einsatzbedingungen oder für Design-Varianten bestimmen. Eine typische Anwendung dieses Vorgehens ist die Bestimmung der Lebensdauer einer Diode bei kleinen Temperaturhüben.

Um ein Lebensdauermodell empirisch zu erstellen, muss die Diode bis zu ihrem definierten Ausfallkriterium gestresst werden. Gerade bei kleinen Temperaturhüben ergibt sich damit eine nicht mehr praxisrelevante Messdauer für die Lebensdaueruntersuchung. Eine Möglichkeit ist dann das Lebensdauermodell für plastische Dehnungen für beschleunigte Messparameter zu verifizieren und anschließend durch Simulation für kleinere Temperaturhübe die Lebensdauer zu berechnen.

Da die Simulationszeit nur von den eingesetzten Berechnungsressourcen abhängt, können Lebensdauerabschätzungen, die normalerweise Monate dauern würden, in wenigen Tagen durchgeführt werden.

Zur Messung von thermischen und elektrischen Eigenschaften in einem aktiven Lastwechseltest wird das Bauteil unter einer bestimmten Regelstrategie so lange gestresst, bis ein definierter Grenzwert, zum Beispiel in der Flussspannung bei einer Diode, überschritten ist.

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