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BA / PA: Systematische Literaturrecherche nach der PRISMA-Methodik zu Materialkombinationen und Sinterprozessen in der Elektronikfertigung
Sinterverfahren spielen in der Elektronikproduktion eine entscheidende Rolle, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen, die hohe Präzision und Zuverlässigkeit erfordern. Durch das Sintern können Pulvermaterialien zu festen Strukturen verdichtet werden, ohne dass sie vollständig geschmolzen werden müssen. Dies ermöglicht die Produktion von Komponenten mit speziellen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften.
Um diese Vorteile für Anwendungen der Flachbaugruppenfertigung anwendbar zu machen, bedarf es dem Verständnis von Verfahrensvarianten, Prozessparametern und Materialauswahl sowie deren Einfluss auf Haftfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit soll daher eine systematische Literaturrecherche durchgeführt werden, welche die Erkenntnisse des gegenwärtigen Standes der Forschung zusammenfasst und die bedeutendsten Erkenntnisse, Publikation und Akteure für die Zielanwendung aufzeigt.
Aufgabenstellung:
- Einarbeitung in die PRISMA-Methodik zur durchführung einer systematischen Literaturrecherche
- Sichtung, Kategorisierung und Zusammenfassung aller relevanten Publikationen mit Fokus auf drucklosen Sinterverfahren
- Bestimmung von Prozessvarianten, Materialien, Haftmechanismen und Haupteinflussfaktoren
- Marktanalyse spezifischer Sinteranlagen
Anforderungen:
- Selbstständige, gewissenhafte Arbeitsweise
- Kommunikationsfähigkeit
- Vorkenntnisse zum Thema Literaturrecherche sind erwünscht
- Sehr gute Deutsch und / oder Englischkenntnisse
Bei Interesse:
Für weitere Informationen kontaktieren Sie Christian Voigt.
Bewerbung per Email mit Lebenslauf und aktueller Notenübersicht an: Christian.Voigt@faps.fau.de
Literaturrecherche: Wechselwirkungen von Prozessschritten hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Fügeflächen in der Elektronikproduktion
Ausgangssituation:
Die Oberflächenbeschaffenheit von Fügepartnern stellt einen kritischen Faktor bei der verketteten Fertigung von elektronischen Produkten, insbesondere leistungselektronischen Baugruppen, dar. Die Anforderungen an Fügeflächen müssen dabei im Rahmen der Produktentwicklung erarbeitet und während der Produktion sichergestellt werden. Dies kann einerseits durch die Minimierung der externen Einflussgrößen auf die Oberflächen erreicht werden, indem zum Beispiel die Klimatisierung genau gereglt wird, die Produktionsumgebung hohen Sauberkeitsanforderungen unterliegt oder die Qualität von Zuliefererteilen sichergestellt wird. Allerdings beeinflussen sich die Prozessschritte in der verketten Produktion von elektronischen Baugruppen gegenseitig, sodass je nach Fügeverfahren Änderungen in Folge von zum Beispiel thermischen Belastungen, mechanischen Einflüssen oder Aktivierungsschritten resultieren.
Aufgabenstellung:
In dieser Arbeit soll die verkettete Produktion von elektronischen Baugruppen hinsichtlich der Wechselwirkungen innerhalb der verketteten Produktion von elektronischen Baugruppen systematisch erarbeitet werden. Dabei soll neben der klassischen Flachbaugruppenfertigung die Fertigung von leistungselektronischen Modulen betrachtet werden. Darüber hinaus sollen unterschiedliche Reinigungsverfahren und deren Einsatzbereich im Kontext diskutiert werden, sodass ein Eignungskatalog für den Anwender resultiert. Neben der Beeinflussung der Fertigungsschritte untereinander ist auch der Einfluss von Fertigungsschritten auf die Produktzuverlässigkeit in einer Literaturrecherche zu erarbeiten.
Arbeitsschwerpunkte:
- Einarbeitung in die Prozesskette elektronischer und leistungselektronischer Baugruppen
- Erarbeitung der Wechselwirkungen zwischen gängigen Fügeverfahren von elektronischen, insbesondere leistungselektronischen Baugruppen
- Erarbeitung der Auswirkungen gängiger Fügeverfahren auf die Produktzuverlässigkeit durch die Recherche von Ursachen verbreiteter Ausfallmechanismen in elektronischen Baugruppen
- Erarbeitung eines Eignungsleitfadens zum Einsatz von Reinigungs- und Vorbehandlungsverfahren innerhalb der Prozesskette
- Dokumentation der Arbeit
Die Untersuchungen finden am Standort Auf AEG in Nürnberg statt. Bitten wenden Sie sich bei Interesse mit kurzem Lebenslauf und vollständiger Notenübersicht per Mail an christoph.hecht@faps.fau.de
Literaturrecherche: Inline-fähige Sensorkonzepte zur Analyse von Oberflächeneigenschaften im Kontext der Lasermaterialbearbeitung in der Elektronikproduktion
Ausgangssituation:
Die Oberflächenbeschaffenheit von Fügepartnern stellt einen kritischen Faktor bei der verketteten Fertigung von elektronischen Produkten, insbesondere leistungselektronischen Baugruppen, dar. Die Anforderungen an Fügeflächen müssen dabei im Rahmen der Produktentwicklung erarbeitet und während der Produktion sichergestellt werden. Dies kann einerseits durch die Minimierung der externen Einflussgrößen auf die Oberflächen erreicht werden, indem zum Beispiel die Klimatisierung genau gereglt wird, die Produktionsumgebung hohen Sauberkeitsanforderungen unterliegt oder die Qualität von Zuliefererteilen sichergestellt wird. Diese Maßnahmen sind allerdings mit Kosten verbunden und können Oberflächendefekte nicht ausschließen. Um die Qualität der Oberflächen beim Fügeprozess sicherstellen zu können eignen sich inline-fähige Sensorkonzepte, welche die Oberflächeneigenschaften kurz vor oder auch während dem Fügeprozess messen.
Aufgabenstellung:
In dieser Arbeit soll im ersten Schritt ein Überblick zu inline-fähigen Sensoren zur Analyse von Oberflächeneigenschaften im Kontext der Lasermaterialbearbeitung von elektronischen Baugruppen erstellt werden, welcher im zweiten Schritt zur Erarbeitung eines Eignungskatalogs herangezogen werden soll, anhand dessen ausgewählte Oberflächeneigenschaften zu geeigneten Sensoren zugeordnet werden können. Dieser soll als Anhaltspunkt für Anwender dienen, gewünschte Oberflächeneigenschaften mit inline-fähiger Sensorik zu erfassen und so zum Beispiel den Reinigungs- oder Aktivierungseffekt messen zu können.
Arbeitsschwerpunkte:
- Einarbeitung in die Prozesskette elektronischer und leistungselektronischer Baugruppen
- Strukturierte Literaturrecherche zu Sensorsystem im Bereich der Lasermaterialbearbeitung mit dem Fokus auf Inline-Fähigkeit
- Ausarbeitung der physikalischen Grundlagen der Sensorkonzepte
- Gegenüberstellung von Stärken und Schwächen der Sensorkonzepte
- Charakterisierung der Sensorsysteme hinsichtlich Genauigkeit und Auflösung
- Ermittlung der Kompatibilität zur Integration in Laseranlagen (z. B. Wellenlängenbeschränkungen)
- Markanalyse mit relevanten Herstellern und Forschungsinstituten
- Ausarbeitung eines Eignungskatalog von Sensorkonzepten zur Bestimmung relevanter Oberflächeneigenschaften und -anomalien im Kontext der Elektronikfertigung
- Dokumentation der Arbeit
Die Untersuchungen finden am Standort Auf AEG in Nürnberg statt. Bitten wenden Sie sich bei Interesse mit kurzem Lebenslauf und vollständiger Notenübersicht per Mail an christoph.hecht@faps.fau.de
Prozessentwicklung zum Vakuumlöten von Leistungshalbleiterbauelementen in einem Reflowofen
Ausgangssituation:
Leistungshalbleiterbauelemente bilden das Herzstück von leistungselektronischen Modulen zur Wandlung von elektrischer Energie zwischen Quelle und Verbraucher. Aufgrund der hohen auftretenden Ströme in Leistungsmodulen ist neben einer widerstandsarmen elektrischen Anbindung der Chips auch eine gute thermische Anbindung erforderlich, um die erzeugte Verlustleistung (Wandlungsverluste) in Form von Wärme abführen und so die Langlebigkeit der Module gewährleisten zu können. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei die flächige und porenfreie Anbindung der Chipunterseite an die Metall-Keramik-Substrate (DCBs), welche in der Leistungselektronik mittels Vakuumlöten oder Sintern erzeugt wird.
Aufgabenstellung:
In der Arbeit soll der Prozess des Vakuumlötens in einem Reflowofen für die unterseitige Chipanbindung erarbeitet werden. Neben der Einstellung des Temperaturprofils, soll auch der Einsatz der anlagenintegrierten Vakuumkammer und die Prozessatmosphäre hinsichtlich des Restsauerstoffgehalts für unterschiedliche Lötpasten untersucht werden. Ziel der Arbeit ist es einen reproduzierbaren Lötprozess mit industriell akzeptierten Qualitätskriterien zu etablieren.
Arbeitsschwerpunkte:
- Literaturrecherche zum Weichlöten in Vakuum in der Leistungselektronik
- Erarbeitung von Prozessfenstern in Laborversuchen mit einem inertisierbaren Reflowofen mit integrierter Vakuumkammer mittels statistischer Versuchplanung
- Temperaturprofil
- Prozessatmosphäre hinsichtlich Druck und Restsauerstoffgehalt
- Charakterisierung der Lötverbindungen
- Auftreten von Lötfehlern
- Schliffbildanalysen
- Röntgenbilder
- Haftfestigkeit
- Thermischer und elektrischer Übergangswiderstand
- Dokumentation der Arbeit
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Modellierung der Lasermaterialbearbeitung von Oberflächen in der Elektronikproduktion
Ausgangssituation:
Scannergeführte Laserstrahlung ist ein effizientes Mittel, um Oberflächeneigenschaften schnell und ortsaufgelöst modifizieren zu können. Neben der Strukturierung von Funktionsoberflächen können auch Verunreinigungen durch Ablation ohne signifikanten Wärmeeintrag abgetragen werden. Die Anwendung von Laserstrahlung bietet daher eine flexibel anwendbare Möglichkeit Oberflächeneigenschaften elektronischer Bauteile örtlich hoch aufgelöst einstellen zu können, welche neben einer besseren Umweltverträglichkeit auch eine Antwort auf die steigende Variantenvielfalt elektronischer Baugruppen sein kann.
Aufgabenstellung:
Um die Oberzustände in der Elektronikproduktion gezielt einstellen zu können, sollen in dieser Arbeit Prozessmodelle erarbeitet werden, welche die Effekte der Stellgrößen (Laserfluenz, Spurbreitenabstand, Pulsabstand, Wellenlänge, etc.) auf die Oberflächeneigenschaften abbilden. Hierzu sind in einer Literaturrecherche Prozessmodelle zu recherchieren und zu bewerten. Entsprechende Modelle sollen anschließend in einem Berechnungstool parametriert implementiert, basierend auf Literaturwerten erprobt sowie anhand praktischer Belichtungsstudien validiert werden. Die praktischen Studien werden dabei auf Kupferoberflächen von gewalzten Blechen und leistungselektronischen Metall-Keramik-Substraten (DCBs) durchgeführt.
Arbeitsschwerpunkte:
- Recherche, Bewertung und Auswahl von Prozessmodellen zur Beschreibung der Laserbearbeitung von Oberflächen
- Implementierung von Prozessmodellen
- Erprobung der Implementierung anhand von Literaturwerten
- Validierung der Prozessmodelle in praktischen Belichtungsstudien mit einem kurzgepulsten nahinfraroten Faserlaser
- Identifikation von Prozessfenstern zur Einstellung von gewünschten Oberflächenzuständen (Oberflächenrauigkeiten, Oberflächenenergien, Oxidationsgrad)
- Dokumentation der Arbeit
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BT/PT/MT/AI: Causal Machine Learning for Ultrasonic Sensor Production Optimization
Background
Keywords:
Electronic Production, Data Science, Artificial Intelligence, Causal Machine Learning
Task Description
This thesis focuses on the development and application of causal machine learning methods to identify and leverage genuine cause-effect relationships in the automated manufacturing of ultrasonic sensors. The project will involve working with real production data and state-of-the-art causal inference techniques to drive tangible improvements in manufacturing processes:
Key objectives and tasks include:
-
- Development of Causal Models:
- Create sophisticated causal models capable of simulating specific interventions in the production process.
- Quantify the effects of these interventions on product quality, resource consumption, and overall efficiency.
- Utilize frameworks such as DoWhy or CausalNex to implement structural causal models.
- Implementation of Causal Inference Methods:
- Apply causal inference techniques to investigate the impacts of process changes.
- Evaluate how these changes influence production efficiency and costs.
- Explore methods like propensity score matching, instrumental variables, or difference-in-differences for causal estimation.
- Analysis of Real Production Data:
- Work with complex datasets from actual ultrasonic sensor production lines.
- Uncover hidden causal relationships that might be overlooked by conventional analysis methods.
- Integrate data from multiple sources, including sensor readings, image data, and process parameters.
- Validation and Testing:
- test the developed models and tools using historical data
- Collaborate with production engineers to validate findings and ensure practical applicability
- Development of Causal Models:
Benefits
- Application-oriented research within an industrial project in the automotive sector
- Opportunity to work in an advanced field of artificial intelligence
- Possibility to solve real industrial problems with cutting-edge technologies
- Flexible working conditions with the option to work remotely
- Theoretically, 100% remote work is possible
Prerequisites
- Excellent knowledge of German or English language
- Very High self-motivation and a certain affinity for IT
- Structured and independent work style
- Prior knowledge of Python
Please submit applications with a CV and current transcript of records via email to Sven.Meier@faps.fau.de. For further information about the scope and specific focus of the work, I am available for a personal conversation.
BA/PA/MA: Entwicklung von Designrichtlinien für die Kombination von additiver Fertigung und gedruckter Elektronik
Ausgangssituation:
Die Kombination von additiver Fertigung, insbesondere der Fused Filament Fabrication (FFF), mit gedruckter Elektronik bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Herstellung von mechatronischen Bauteilen und Prototypen. Die Prozesskombination in einer Anlage ermöglicht die Herstellung von komplexen, multifunktionalen Strukturen, die sowohl mechanische als auch elektronische Funktionen erfüllen können. Um die Vorteile dieser Technologien voll auszuschöpfen, ist es erforderlich, Designrichtlinien zu entwickeln, die die Integration verschiedener Materialien und Prozesse in einer effizienten und zuverlässigen Weise ermöglichen.
Arbeitsschwerpunkte:
- Additive Fertigung von Grundkörpern mit verschiedenen Materialien
- Funktionalisierung der Grundkörper mit leitfähigen Strukturen auf modernen Fertigungssystemen
- Analyse des Einflusses der Oberflächenrauheit und der eingesetzten Materialien auf die Druckqualität und Haftfestigkeit
- Formulierung von Designrichtlinien auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse
Voraussetzungen:
- Strukturierte und selbstständige Arbeitsweise
- Technisches Verständnis und handwerkliches Geschick
- Interesse an angewandter Forschung und der praktischen Umsetzung von Technologien
Beginn:
ab sofort
Bewerbung mit Lebenslauf und Notenspiegel bitte an markus.ankenbrand@faps.fau.de
Web-Applikation für Design for Manufacturing/Simultaneous Engineering beim Leiterplattendesign
Wellenlöten und Selektivwellenlöten sind physikalisch komplexe Prozesse, welche durch aktuelle Trends, wie Elektromobilität, Ausbau regenerativer Energien und daher starkem Interesse an effizienter Leistungselektronik enorm profitieren. Die Miniaturisierung und damit die Erhöhung der Packungsdichte steigern die Komplexität der Baugruppen, was in der Fertigung hohe Anforderungen mit sich bringt. Insbesondere die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kupferleiterbahnen sorgt für einen schnellen Wärmeabtransport. Das sorgt je nach Lötstellendesign für Produktionsprobleme.
Um diese Gefahr für Produktionsqualität und Time-To-Market abzuwenden ist das Ziel dieser Arbeit bereits entwickelte ML Modelle als Saas-Web-Anwendung verfügbar zu machen.
So kann Design for Manufacturing in der Realität eingesetzt werden.
Dies beinhaltet:
- Theoretische Einarbeitung in die Elektronikproduktion und im Speziellen das Wellenlöten
- Analyse eines bereits vorhandenen Web-Tools in Plottly-Dash
- Konzeptionierung und Umsetzung des neuen Tools
Vorkenntnisse und Voraussetzungen in folgenden Bereichen wünschenswert:
- Elektronikproduktion (SMT, THT)
- Python, Plotly Dash, Flask/React, Web-Applikationsentwicklung (Frontend und Backend) vorteilhaft
- Sehr gute Kenntnisse in Deutsch und Englisch
- Selbstständige, strukturierte Arbeitsweise (unabdingbar)
Bitte wenden Sie sich bei Interesse mit Lebenslauf und vollständiger Notenübersicht per Mail an Reinhardt.Seidel@faps.fau.de
Evaluierung von Packaging-Konzepten für automobile Wechselrichter / Inverter
Motivation
Leistungselektronik hat die Aufgabe, den Energiefluss von den Energiequellen zu den Verbrauchern effizient, zuverlässig, bedarfsorientiert und zeitoptimiert zu steuern. Leistungselektronik in elektrobetriebenen Fahrzeugen umspannen einen Bereich von wenigen Watt bis mehreren hundert Kilowatt.
Die dafür genutzte Aufbau- und Verbindungstechnik hat dabei entscheidenden Einfluss auf die Leistung und Zuverlässigkeit der Module.
Aktuell existieren selbst innerhalb einer Leistungsklasse eine Vielzahl verschiedener Aufbaukonzepte für die Leistungselektronik – Kühlung wird bspw. beidseitig der Halbleiterchips oder nur einseitig ausgeführt; die elektrische Funktion durch Schaltungsaufbau auf Metall-Keramik- oder Metall-Polymer-Substraten realisierung; die elektrische Anbindung der Halbleiter erfolgt durch Lot- oder Sinterverbindungen;…
Fragestellung der Studienarbeit
Im Zuge der Studienarbeit soll deshalb ein umfassender Vergleich der bestehenden Aufbaukonzepte vorgenommen werden.
Kennwerte zur thermischen Performance (Rth, Zth) werden dazu rechnerisch ermittelt und eigene Methoden und Kriterien erarbeitet, um die Zuverlässigkeit der Aufbaukonzepte gegeneinander abzuwägen.
Voraussetzungen für die Bearbeitung
- Analytisches Denkvermögen
- Grundkenntnisse der Wärmelehre und Werkstofftechnik
- Grundkenntnisse in einem der folgenden Berechnungs- und Visualisierungstools (MS Excel; Python; Matlab; OriginLab)
Rechnergestützte Auswahl von Epoxid-Verkapselungsmassen für automobile Wechselrichter
Motivation
SMD-Komponenten, wie etwa Transistoren oder miniaturisierte integrierte Schaltkreise (ICs), werden schon seit Jahrzehnten mit Polymeren auf Epoxidharzbasis umspritzt und damit gegenüber Umwelteinflüssen geschützt.
Bei korrekter Abstimmung der Verkapselungsmasse auf die umspritzten elektrischen Komponenten wird der gesamte Aufbau mechanisch stabilisiert und damit die Lebensdauer der Komponenten erhöht.
Die positiven Effekte der Verkapselung zeigen sich nicht nur bei vergleichsweise kleinvolumigen SMD-Komponenten. Ziel ist es die positiven Effekte in Zukunft auch vermehrt bei großvolumigen leistungselektronischen Aufbauten, wie etwa Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge, zu nutzen.
Fragestellung der Studienarbeit
Die großen Bauteilvolumina, hohen Temperaturgradienten im Betrieb und der zu verkapselnde Materialmix sorgen dabei für eine nichttriviale Auswahl des passenden Verkapselungsmaterials. Delaminationen und Brüche der vergleichsweise spröden Verkapselung sind gängige Fehlerbilder, die es zu vermeiden gilt.
Rein experimentelles Materialscreening ist mit großem Zeitaufwand verbunden und aufgrund der komplexen Prozesstechnik kostenintensiv.
Im Zuge der studentischen Arbeit sollen deshalb, auf Basis thermomechanischer Simulationen, Methoden und Kriterien erarbeitet werden, anhand derer eine passende Materialvorauswahl getroffen werden kann.
Die Entwicklung der simulativen Schädigungskriterien wird durch experimentelle Untersuchungen an Testvehikeln begleitet und abschließend validiert.
Die Testvehikel, die im Zuge der Arbeit designt werden und den Wechselrichter-Aufbau mit verringerter Komplexität abbilden sollen, werden mit verschiedenen Epoxidmassen verkapselt und Temperaturwechseltests ausgesetzt. Im Verlauf der Temperaturwechsel werden lichtoptische und ultraschallmikroskopische Untersuchungen zur Detektion etwaiger Delaminationen und Risse durchgeführt und ausgewertet.
Voraussetzungen für die Bearbeitung
- Grundkenntnisse der Kontinuumsmechanik, Wärmelehre und Werkstofftechnik
- Grundkenntnisse in Ansys Workbench / Mechanical oder die Bereitschaft zur Einarbeitung
- Analytisches Denkvermögen; strukturierte, eigenständige Arbeitsweise
Die exakte thematische Ausrichtung der Studienarbeit wird im Dialog mit dem Studenten zu Beginn der Arbeit festgelegt.