DE10114230A1

DE10114230A1 - Verfahren und Anordnung zur Detektion von Kondensationen

Info

Publication number: DE10114230A1
Application number: DE10114230A
Authority: DE
Inventors: Olaf Bauernfeind; Barbara March; Arndt Steinke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik De GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: DE10114230C2

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die an kritischen Positionen einer Oberfläche sowohl eine Betauung sowohl qualitativ als auch quantitativ ohne zeitliche Verzögerung nachzuweisen vermögen. Insbesondere soll der quantitative Nachweis der Kondensation in einem Bereich von 0,1 mum bis 1000 mum ermöglicht werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass ein unmittelbar auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) in Bereichen hoher Wärmeleitfähigkeit angeordneter Betauungssensor (1) durch Auswertung seiner Streufeldkapazität Wassertropfen (3) einer Größe zwischen 0,1 und 1000 mum erfasst und ein wassermassenabhängiges Signal liefert und dass aus dem wassermassenabhängigen Signal die Gesamtkondensationsmenge auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) ermittelt wird und dass ein die Streufeldkapazität ermittelnder Betauungssensor (1) unmittelbar auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) in einem Bereich hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, dass der Betauungssensor (1) gegenüber dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Masse aufweist, dass die Elektroden der Betauungssensoren (1) interdigital angeordnet sind und dass der Abstand zwischen den Elektroden der Betauungssensoren (1) annähernd konstant ist und zwischen 0,1 und 1000 mum beträgt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion der Kondensation an Oberflächen durch Auswertung der Änderung der Dielektrizitäts konstante im Streufeld eines Kondensators.

Die Erfindung wird vorzugsweise zur qualitativen und quantitativen Ermittlung der Betauung von Leiterplatten in Kraftfahrzeugen angewendet. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Ermittlung der Betauung von Leiterplatten sowohl bei Betauungssimulationen als auch im Betriebszustand.

Infolge von Kondensation auf elektronischen Bauteilen auftretende Korrosion von Oberflächen, Leiterbahnen und Chipmetallisierungen kann Ausfallmechanismen verursachen. Betauung in Kombination mit Verunreinigung in Bereichen unter schiedlicher Spannungspotentiale führt durch elektrochemische Migration zu Dentridenwachstum; dieser Materialtransport kann zwischen zwei Lötpunkten elektrischer Kurzschluss und somit einen Totalausfall elektronischer Baugruppen verursachen. Betauung in Kombination mit Verunreinigung kann weiterhin ein Absenken des Oberflächenwiderstandes auf Leiterplatten und somit zu sporadi schen Funktionsstörungen an hochohmigen Schaltkreisen führen. Diese Fehlerme chanismen treten insbesondere bei ungeschützten oder schlecht lackierten Leiterplatten auf.

Betauungstests von Bauelementen und Baugruppen dienen der Aufdeckung von die Zuverlässigkeit betreffenden Schwachstellen und spielen deshalb im Rahmen von Qualitäts- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen eine wesentliche Rolle, um Schwachstellen bereits in der Entwicklungsphase aufzudecken. Üblicherweise werden Betauungen im Rahmen von Simulationen durchgeführt, wobei die bekannten Verfahren keine quantitativen Aussagen über den Betauungsgrad liefern und unter ungünstigen räumlichen Bedingungen infolge von Temperaturunter schieden, Luftwechsel sowie Unterschieden der relativen Feuchte selbst unzuver lässige qualitative Aussagen über die Kondensation liefern.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Anordnungen zur Detek tion der Kondensation auf elektrischen oder elektronischen Bauteilen bekannt.

Nach DE 197 08 053 A1 sind ein Verfahren und eine Sensoranordnung zur Detek tion der Kondensation an Oberflächen durch Auswertung der Änderung der Dielektrizitätskonstante im Streufeld eines Kondensators bekannt, wobei am Kondensator die Temperatur mit einem elektrischen Widerstandssensor gemessen wird, wobei durch die Anordnung einer Schicht, die gezielt Kondensationskeime enthält, erzielt wird, dass bei der Abkühlung der Anordnung bereits einige Kelvin vor dem Erreichen des Taupunktes ein detektierbarer Wasserfilm gebildet wird, der an der Anordnung ein auswertbares Signal erzeugt.

Nachteilig ist dabei, dass zwar eine bevorstehende Betauung detektiert werden kann, die tatsächliche Betauung der zu prüfenden Oberfläche jedoch nicht gemes sen werden kann. Insbesondere ist es nicht möglich, die Tauwassermenge auf der zu prüfenden Oberfläche quantitativ zu ermitteln.

Weiterhin sind unter THB oder HAST beschleunigende Feuchtetests bekannt, die zur Überprüfung und Bestimmung der Empfindlichkeit elektronischer Bauteile gegenüber Feuchte durchgeführt werden.

Nachteilig ist dabei, dass diese Tests nicht zur Kondensationsmessung geeignet sind, da eine Betauung der Prüflinge nicht erfolgt.

Weiterhin ist eine Simulation der Kondensation mit Hilfe von Klimaschränken bekannt. Dabei wird die Luft im Prüfraum durch ein heizbares Wasserbad tempe riert. Eine Betauung soll dabei erreicht werden, indem die Wasserbadtemperatur mit einem Gradienten, dessen Wert empirisch ermittelt werden muss, erhöht wird und die Temperatur des Prüflings der gesättigten Lufttemperatur nachhinkt.

Nachteilig ist dabei, dass das Nachhinken und damit die Kondensation von der Wärmekapazität des Prüflings abhängig ist. Außerdem ist die Einhaltung einer definierten Kondensatwassermenge auf dem Prüfling nicht möglich, da eine Regel größe nicht verfügbar ist.

Ein weiterhin bekannter, beim Japanese Automotiv Standard (JASO) beinhalteter Kondensationstest sieht vor, zu testende Baugruppen bei -5°C über zwei Stunden zu lagern und diese anschließend in eine Klimakammer mit +35°C und einer relativen Luftfeuchte von 85% umzulagern. Die Taupunkttemperatur liegt dabei bei +32,1°C, also wesentlich über der Prüfkörpertemperatur. Deshalb geht man davon aus, dass die gesamte Baugruppe betauen müsste.

Nachteilig ist dabei, dass die tatsächliche Betauung von mehreren unberücksichtig ten Faktoren, wie z. B. den geometrischen Bedingungen, dem zur Verfügung stehenden Raum über der Leiterplatte, den Zutrittsbedingungen der Außenluft an die Baugruppe, der Wärmekapazität der Baugruppe, der Geschwindigkeit der Umlagerung sowie von Klimaverfälschungen beim Öffnen der Simulationskammer abhängig ist. Infolge der genannten Faktoren kann sich eine nur differenzierte oder sogar keine Betauung einstellen.

Außerdem sind im Stand der Technik Kondensationsmessungen mit optischen Meßmethoden bekannt.

Nachteilig ist dabei, dass Strahler- und Empfänger-Baugruppen zu groß für die Platzierung in kleinen Baugruppen sind. Außerdem kann es durch die Betauung der Strahlerbauelemente zu einer Meßsignalverfälschung kommen. Die alternative Verwendung von Glasfasersystemen ist systemseitig sehr kostenaufwendig. Weitere Nachteile sind, dass eine Signaländerung optischer Empfänger auch auf Grund einer zunehmenden Verschmutzung erfolgt und damit nicht ursächlich der Betauung zuzuschreiben ist und dass die Reflexionsänderung mehr mit der Flächenbedeckung einher geht als mit der Höhe der Wasserbedeckung.

Weiterhin sind im Stand der Technik Kondensationsmessungen mit elektrischen Meßmethoden bekannt, wobei die kapazitiven Meßmethoden eine wesentliche Rolle spielen. Bei den bekannten elektrischen Systemen mit Applikationen von polymerbeschichteten relativen Feuchtesensoren wird durch das Meßsignal im Hochfeuchtebereich eine bevorstehende Kondensation signalisiert.

Nachteilig ist bei diesen Systemen, dass die Sensoren, erst einmal betaut, starken Driften und zunehmender Hysterese unterworfen sind. Die Wiederherstellung der ursprünglichen Charakteristik im Hochfeuchtebereich erfordert einen längeren Betrieb im Bereich geringer relativer Feuchte.

Eine weitere bekannte Methode zur Betauung ist die indirekte Messung, bei der zur Bewertung einer möglichen Betauung auf Substraten die Taupunkttemperatur aus der Absolutfeuchtemeßgröße der umgebenden Luft und der Substratoberflä chentemperatur ermittelt wird.

Nachteilig ist dabei, dass nicht sicher ermittelt werden kann, ob es aber zur Betau ung gekommen ist, obwohl beide Temperaturen ursächlich der Ausgangspunkt für eine Kondensation sein sollten.

Bei allen genannten Verfahren ist nachteilig, dass eine quantitative Ermittlung der Kondensationsmenge nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die an kritischen Positionen einer Oberfläche sowohl eine Betauung sowohl qualitativ als auch quantitativ ohne zeitliche Verzögerung nachzuweisen vermögen. Insbesondere soll der quantitative Nachweis der Kondensation in einem Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm ermöglicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1 und 4 angegebe nen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch einen unmittelbar auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil in Bereichen hoher Wärmeleitfähig keit angeordneten Betauungssensor gelingt durch Auswertung seiner Streufeldka pazität die Erfassung von Wassertropfen einer Größe zwischen 0,1 und 1000 µm. Durch Auswertung eines von diesem Sensor gelieferten wassermassenabhängigen Signals kann die Gesamtkondensationsmenge auf dem Sensor ermittelt werden. Durch die direkte Quantifizierung der Gesamtkondensationsmenge können Rückschlüsse auf die Kondensationsdynamik der Oberfläche des elektrischen oder elektronischen Bauteils gezogen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Dazu zeigen

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 die Draufsicht eines ersten Betauungssensors,

Fig. 3 die Draufsicht eines zweiten Betauungssensors, und

Fig. 4 den Schnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind auf einer durch Betauung zu stressende Leiterplatte 2.1 drei Betauungssensoren 1.1, 1.2 und 1.3 angeordnet, welche gegenüber der Leiterplatte 2.1 durch eine kleine Baugröße, eine geringe Masse sowie eine geringe Wärmekapazität gekennzeichnet sind. Bei den Betau ungssensoren 1.1, 1.2 und 1.3 handelt es sich um Kondensatoren mit interdigital angeordneten Elektroden, die durch Auswertung der Änderung der Dielektrizitäts konstante in ihrem Streufeld und Erzeugung eines wassermassenabhängigen Signals der Detektion der Kondensation an der Oberfläche der Leiterplatte 2.1 dienen. Die Betauungssensoren 1.1, 1.2 und 1.3 sind in Bereichen von Kontakten, hochohmigen Leiterzügen, in Bereichen mit hoher Stromdichte, hoher Feldstärke sowie hoher Wärmekapazität auf der Oberfläche der Leiterplatte 2.1 angeordnet. Die Abstände zwischen den Elektroden jeweils eines Betauungssensors 1.1, 1.2 und 1.3 sind annähernd konstant und betragen zwischen 0,1 und 1000 µm; die Abstände zwischen den Elektroden verschiedener Betauungssensoren 1.1, 1.2 und 1.3 weisen jedoch eine unterschiedliche Größe auf. Die Abstände der Elektroden des Betauungssensors 1.4 weisen unterschiedliche Maße auf. Die Betauungssenso ren 1.1, 1.2 und 1.3 erfassen innerhalb eines Gesamtbereiches von Wassertropfen größen zwischen 0,1 und 1000 µm jeweils verschiedene Teilbereiche von Wassertropfengrößen und liefern wassermassenabhängige Signale für die jeweili gen Teilbereiche von Wassertropfengrößen; aus diesen Signalen wird kumulativ die Gesamtkondensationsmenge auf dem Sensor ermittelt. Die als Kapazitäten bereitgestellten wassermassenabhängigen Signale sind dabei unempfindlich ist gegenüber Quereinflüsse wie Temperatur, Leitungslängen, Störeinstrahlungen sowie vorab erfolgte zeitweise oder längere Betauung. Das Design der Interdigi talstrukturen der Betauungssensoren 1.1, 1.2 und 1.3 erfolgte wassermassenrele vant. Die dargestellte Anordnung dient der Untersuchung der Funktionsfähigkeit der Leiterplatte 2.1 und zur Sicherung ihrer Zuverlässigkeit unter Betauung, zur Untersuchung der Korrosion der Oberfläche der Leiterplatte 2.1 bei Betauung sowie zur Bewertung der optischen Transparenz in Abhängigkeit von der Betau ung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Draufsicht der Betauungssensoren 1.1 und 1.2, wobei die Interdigitalstruktur des Betauungssensors 1.1 einen geringeren Elektro denabstand aufweist und zur Detektion von Wassertropfen sehr kleiner Größe dient. Der Betauungssensors 1.1 wurde nach Abschluss des COB-Prozesses nachträglich auf der Leiterplatte 2.1 platziert. Der Betauungssensor 1.2, dessen Interdigitalstruktur einen größeren Elektrodenabstand aufweist, dient der Detek tion von Wassertropfen größer 50 µm; die Streufeldstruktur des Betauungssen sors 1.2 wurde mittels einer Feinstleitertechnologie im Zuge des Herstellungsprozesses der Leiterplatte 2.1 in diese Leiterplatte 2.1 integriert.

In Fig. 4 ist die Interdigitalstruktur der Elektroden eines Betauungssensors 1, welcher auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil 2 angeordnet ist, dargestellt. Der Betauungssensor 1 ist dabei mit einer Schicht 1.5 versehen, deren Kondensationskinetik der des elektrischen oder elektronischen Bauteils 2 angepasst ist. Durch die Anpassung der Kondensationskinetik verschiedener Betauungssensoren 2 auf unterschiedliche Bereiche des elektrischen oder elektro nischen Bauteils 2 gelingen der qualitative Nachweis der Kondensation für Wassermengen von 0,1 bis 1000 µm auf diesen unterschiedlichen Bereichen, die Erfassung des Mikroklimas im oberflächennahen Bereich des elektrischen oder elektronischen Bauteils 2 sowie Rückschlüsse auf thermodynamische Bedingungen im oberflächennahen Bereich. Der als Betauungssensor 1 angeordnete Streufeld kondensator ist mit integrierter Signalverarbeitung ausgebildet; es ist jedoch auch möglich, den Betauungssensor 1 ohne integrierte Signalverarbeitung auszubilden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Betauungssensor

1.1

erster Sensor

1.2

zweiter Sensor

1.3

dritter Sensor

1.4

Schicht

2

elektrisches oder elektronisches Bauteil

2.1

Leiterplatte

3

Wassertropfen

Claims

1. Verfahren zur Detektion der Kondensation an Oberflächen durch Auswertung der Änderung der Dielektrizitätskonstante im Streufeld eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, dass ein unmittelbar auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) in Bereichen hoher Wärmeleitfähigkeit angeordneter Betauungssensor (1) durch Auswertung seiner Streufeldkapazität Wassertropfen (3) einer Größe zwischen 0,1 und 1000 µm erfasst und ein wassermassenabhängi ges Signal liefert und dass aus dem wassermassenabhängigen Signal die Gesamt kondensationsmenge auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streufeldkapa zitäten mehrerer unmittelbar auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) angeordneter Betauungssensoren (1) ausgewertet werden und dass aus den einzel nen Signalen der Betauungssensoren (1) kumulativ die Gesamtkondensations menge auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteilen (2) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betauungssen soren (1) innerhalb eines Gesamtbereiches von Wassertropfengrößen zwischen 0,1 und 1000 µm jeweils verschiedene Teilbereiche von Wassertropfengrößen erfassen und wassermassenabhängige Signale für die jeweiligen Teilbereiche von Wasser tropfengrößen liefern und dass aus diesen Signalen kumulativ die Gesamtkonden sationsmenge auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteilen (2) ermittelt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Streufeldkapazität ermittelnder Betau ungssensor (1) unmittelbar auf einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) in einem Bereich hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, dass der Betauungssen sor (1) gegenüber dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Masse aufweist, dass die Elektroden der Betau ungssensoren (1) interdigital angeordnet sind und dass der Abstand zwischen den Elektroden der Betauungssensoren (1) annähernd konstant ist und zwischen 0,1 und 1000 µm beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Betau ungssensoren (1) unmittelbar auf dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Elektroden jeweils eines Betauungssensors (1) annähernd konstant und Abstände zwischen den Elektroden verschiedener Betauungssensoren (1) zur Erfassung jeweils unterschiedlicher Teilbereiche von Wassertropfengrößen verschieden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Elektroden eines Betauungssensors unterschiedlich groß sind und damit ein größe rer Bereich der Wassertropfendurchmesser erfasst wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Betauungssensor(en) (1) unmittelbar an Schaltkreisen und/oder in Berei chen von Kontakten und/oder in Bereichen hochohmiger Leiterzüge und/oder in Bereichen hoher Stromdichte und/oder in Bereichen hoher Feldstärke angeordnet ist/sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Betauungssensor(en) (1) (ein) bereits bei der Herstellung des elektrischen oder elektronischen Bauteil (2) platzierte(r) Betauungssensor(en) (1) ist/sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Betauungssensor(en) (1) nachträglich auf dem elektrischen oder elektroni schen Bauteil (2) platzierte(r) Sensor(en) ist/sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden interdigital mittels einer Feinstleitertechnologie in einer Leiterplatte des elektrischen oder elektronischen Bauteils (2) angeordnet sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des/der Betauungssensors(en) (1) eine Schicht (1.4) angeordnet ist, deren Adsorbstionsverhalten den kondensationskinetischen Oberflächeneigenschaften des elektrischen oder elektronischen Bauteils (2) angepasst ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Betauungssensor (1) angeordnet ist, dessen wassermassenab hängiges Signal eine Kapazität oder eine Impedanz oder eine Frequenz oder eine Spannung ist.