System Reliability Assessment

(SRA)

Machine Deep learning algorithms, Artificial intelligence (AI), Automation and modern technology in business as concept.
© Fraunhofer IZM

In transdisziplinären Teams entwickeln wir innovative, kundenorientierte Lösungen für robuste, energieeffiziente und nachhaltige elektronische Systeme. Durch applikationsspezifische Systemauslegung, Qualifizierung, Schwachstellenanalyse und die Optimierung von der System- bis zur Technologieebene wird die Zuverlässigkeit dabei abgesichert. Experimentelle und simulative Methoden werden dazu weiterentwickelt und eingesetzt. 

Für die Zuverlässigkeitsbewertung und Manipulationserkennung komplexer elektronischer Systeme nutzen wir zunehmend die Ansätze der hybriden (Grey-Box) Modellierung. Funktionale Schaltungsstrukturen werden durch physikalisch basierte Modellansätze und datenbasierte, KI-gestützte Auswertemethoden erweitert (digitaler Zwilling).

Mit unserer technologischen Expertise kombiniert mit den vielseitigen analytischen Ressourcen des Hauses unterstützen wir unsere Kund*innen außerdem bei der Fehler- und Ursachenanalyse von elektronische Baugruppen oder leistungselektronischen Modulen. Zur Bewertung der Zuverlässigkeit und Robustheit von elektronischen Baugruppen und Systemen decken wir ein breites Spektrum an definierten Belastungstests ab und entwickeln auf Basis anwendungsspezifischer Mission Profiles zielführende Belastungsszenarien.  

Applikationsspezifische Systembewertung

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Eine Aufgabe ist die Steuerung der Tätigkeiten zum Erreichen zuverlässiger Produkte und Prozesse über den gesamten Produktlebenszyklus. Die Absicherung der Zuverlässigkeit beginnt bereits in der Innovationsphase. Während der Produktentstehung ist darauf zu achten, dass Einflüsse von Produktion und Betrieb beachtet werden und die Funktionsfähigkeit bzw. Verfügbarkeit in der Nutzungsphase sichergestellt wird.

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Zuverlässigkeit: Simulation, Test und Optimierung

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Der Forschungsschwerpunkt „Zuverlässigkeit: Simulation, Test und Optimierung“ umfasst die Entwicklung und Anwendung experimenteller und simulativer Methoden, die ein „Design for Reliability“ ermöglichen. Die Grundlage bilden Lebensdauermodelle, die in beschleunigten Lebensdauertests ermittelt werden.

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Korrosion, elektrochemische Migration, Feuchtediffusion

Eine große Anzahl an Ausfällen von elektronischen Baugruppen lassen sich nachweislich auf den Einfluss und das Einwirken von Feuchte zurückführen. Elektronische Systeme werden immer öfter wechselnden klimatischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Gleichzeitig führt die fortschreitende Miniaturisierung zu immer kleineren Strukturabmessungen und folglich kleineren Packages. Geringere Abmessungen in den Packages haben auch geringere Diffusionswege für äußere Belastungen durch Feuchte zur Folge.

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Zustandsüberwachung elektronischer Systeme

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Condition Monitoring Concepts

Eine hohe Verfügbarkeit und niedrige Ausfallraten sind wichtige Anforderungen an langlebige Produkte und gleichzeitig Hauptkriterien für deren nachhaltige Nutzung. Konzepte der Zustandsüberwachung basieren auf der Identifikation der für die Zuverlässigkeit relevanten Systemparameter und deren effizienter Aufnahme. Durch intelligente Interpretation entsprechender Felddaten können der Zustand und die Restlebensdauer von elektrischen, elektronischen und mechatronischen Systemen (E/E/M-Systeme) ermittelt werden.

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Modellansätze zur Entwicklung digitaler Zwillinge

Digital twin business and industrial process modelling. innovation and optimisation.
© adobestock.com - WrightStudio
Entwicklung eines hybriden Ansatzes zur Selbstvalidierung von sicherheitskritischen Elektronikanwendungen

Der Einsatz eines digitalen Zwillings mechatronischer Systeme ermöglicht in der Entwicklungsphase Design-Optimierungen, virtuelle Tests und Validierungen sowie kontinuierliche Überwachung im Betrieb. Durch die Integration von vertrauenswürdigen Datenquellen wird das theoretische Verhalten des digitalen Zwillings oder des baugruppenspezifischen digitalen Fingerabdrucks analysiert und mit der realen Anwendung abgeglichen.

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Bewertung von Elektromigration in elektrischen Kontakten: analytisch, numerisch und im Experiment

Die Zuverlässigkeit zunehmend miniaturisierter elektronischer Systeme wird unter anderem durch den Fehlermechanismus Elektromigration limitiert. Dieser strom- und temperaturinduzierte Mechanismus führt zu einem gerichteten Transport von Material und resultiert in Unterbrechungen in elektrischen Leiterbahnen und Lotverbindungen. Auswirkungen überlagerter Einflussgrößen müssen bei Untersuchungen zur Elektromigration für eine optimierte modellbasierte Bewertung berücksichtigt werden.

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Designbewertung und -optimierung für Zuverlässigkeit

Hochleistungsrechner ermöglicht weitreichende Zuverlässigkeitsanalysen
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Bereits mit den ersten Konzepten eines neuen Produktes können durch eine FEM-Analyse schnell Designalternativen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verglichen und optimiert werden. Bei der Auswahl geeigneter Technologien für ein neues Produkt bietet die FEM die Möglichkeit, Effekte durch Fertigungsbeanspruchungen sowie Beanspruchungen während der Produktlebensdauer frühzeitig zu berücksichtigen.

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Korrosion, elektrochemische Migration, Feuchtediffusion

Eine große Anzahl an Ausfällen von elektronischen Baugruppen lassen sich nachweislich auf den Einfluss und das Einwirken von Feuchte zurückführen. Elektronische Systeme werden immer öfter wechselnden klimatischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Gleichzeitig führt die fortschreitende Miniaturisierung zu immer kleineren Strukturabmessungen und folglich kleineren Packages. Geringere Abmessungen in den Packages haben auch geringere Diffusionswege für äußere Belastungen durch Feuchte zur Folge.

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Thermische Charakterisierung

Die Infrarotthermographie ermöglicht die zerstörungsfreie und berührungslose Messung der abgegebenen Wärmestrahlung von Oberflächen. Hochauflösende Messungen können sehr kleine Objekte (10µm pro Pixel) und schnelle transiente Vorgänge (bis ca. 3kHz) erfassen. Unterstützt durch weitere Temperatursensoren wie Thermoelemente, PT100-Sensoren, NTCs sowie spezielle Rth oder Zth Messstände ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur thermischen Charakterisierung von Produkten und Materialien.

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Vibrationsmessungen und -tests

Wesentliche Leistungen zu Vibrationsmessungen und -tests sind:

  • Vibrationsanalysen und -tests
  • Design und Charakterisierung von Halterungen
  • Schwingungsmessung

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Zuverlässigkeitsbewertung mit FEM

teaser image - Zuverlässigkeitsbewertung mit FEM
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Um Schwachstellen im Design (frühzeitig) festzustellen oder um die optimale Geometrie unter Berücksichtigung externer Belastungen abzuleiten, werden Finite Elemente (FE) Simulationen angewandt. Mittels sogenannten Multi-Physik-Simulationen können z.B. thermo-mechanische, elektro-thermische, und elektro-mechanische Kopplungen berücksichtigt werden. Zusätzlich kann die feuchte Diffusion und Quellung berechnet werden. Mit Modellen zum Werkstoffversagen erfolgt dann eine Bewertung der Beanspruchungsgrenzen bzw. die Berechnung der Lebensdauer.

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Zuverlässigkeitsbewertung elektronischer Systeme

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Die Absicherung der Zuverlässigkeit beginnt in frühen Entwurfsphasen des Entwicklungsprozesses eines Systems. Bestehende Systeme lassen sich auf Basis statistischer Verfahren optimieren.

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Selbstvalidierung komplexer elektronischer Systeme in sicherheitskritischen Mobilitätsanwendungen auf Basis von Grey-Box-Modellen

SesiM

Im Projekt SesiM wird durch neuartige hybride Modellansätze auf Basis von physikalischen Modellen und KI-Methoden die Zustandsüberwachung von komplexen elektronischen Systemen ermöglicht. Das Vorgehen wird zunächst für die Mobilitätsanwendungen Automobil- und Bahntechnik demonstriert.

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Unabhängiges Testprogramm zur Bewertung der Lebensdauer von Konsumgütern

PROMPT

Gegen Elektroschrott ist im Mai 2019 das EU-Projekt PROMPT an den Start gegangen: Ziel ist es, ein unabhängiges Testprogramm zur Bewertung der Lebensdauer von Konsumgütern zu erstellen.

Elektro- und Elektronikaltgeräte, wie zum Beispiel alte Kühlschränke, Computer oder Drucker, gehören zu den am schnellsten wachsenden Abfallströmen in der EU: Jedes Jahr steigt der Müllberg um 3-5 %. Diese Entwicklung belastet nicht nur die Umwelt, sondern auch den Geldbeutel der Verbraucher.

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Logo PROMPT (Premature Obsolescence Multi-Stakeholder Product Testing Program)

Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung

Power4re

In dem Projekt power4re geht es um die Entwicklung von wirksamen Lösungen zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung

Die zur Netzeinspeisung genutzten Wechselrichter in Solarparks bzw. Frequenzumrichter in Windenergieanlagen (im Folgenden vereinfachend: Umrichter) sind besonders herausfordernden Betriebs- und Umge-bungsbedingungen ausgesetzt. Sie zählen heute zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und verursachen so zum Teil beträchtliche Kosten.

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Korrosionsfeste Sinterverbindungstechnologie für korrosionsgefährdete Anwendungen

KorSikA

Ziel ist, Wissen zu den Korrosionsbedingungen bezüglich der für Offshore Windkraftanlagen verwendeten Sinterpasten und deren Fügepartnern zu generieren.

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Skizze - Projekt KorSikA
© Fraunhofer IZM

Zustandsüberwachung für Windkraftanlagen

AMWind

Die Nutzung geeigneter Methoden der Zustandsüberwachung für die Elektronik in Offshore-Windkraftanlagen können bei den Anwendern hohe Kosten für zyklische, nicht bedarfsoptimierte Instandhaltungsmaßnahmen und Betriebsausfälle eingespart werden.

Hierzu wird ein elektrischer Parameter permanent vermessen und ausgewertet. Durch die  temperaturabhängige Charakteristik, kann auf die technische Belastung als Schädigungsindikator der Chips zurückgeschlossen werden.

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Projekt Am Wind: Zustandsüberwachung für Windkraftanlagen | Foto: H&M Ingenieurbüro GmbH&Co. KG
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Energieautarkes Condition Monitoring System

ECoMoS

Condition Monitoring Systeme (CMS) erkennen Störungen, bevor es zum Stillstand der Maschine kommt, und haben im letzten Jahrzehnt wesentlich zum Erfolg des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus beigetragen. Im Projekt »ECoMoS« (Energieautarkes Condition Monitoring System) erweitern wir das Anwendungsfeld drahtloser Funksensorik auf die Zustandsüberwachung ganzer Industrieanlagen.

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Intelligentes Condition Monitoring – Modelle, Algorithmen, autonome Mikrosysteme

InCoMo

Dieses Forschungsprojekt legt die Grundlage für neue Konzepte anlagenspezifischer Condition Monitoring Systeme und deren informationstechnische Anbindung an die zustandsorientierte Instandhaltungsplanung sowie Fernwartung von Betreibern oder Serviceunternehmen industrieller Anlagen.

Das InCoMo-Baukastensystem enthält systematisch auswählbare Hardwarekonfigurationen, in denen die Komponenten: Sensorik, Energie, Datenverarbeitung, Speicherung, Kommunikation und Schnittstellen auf typische Szenarien der Zustandserfassung in rauen Industrieumgebungen zugeschnitten sind.

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Robuster Entwurf von neuen Elektronikkomponenten für Anwendungen im Bereich Elektromobilität

RESCAR 2.0

Im Rahmen der Förderbekanntmachung „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität“ (STROM I) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) werden von Partnern aus allen Stufen der Entwicklungskette elektrischer und elektronischer Steuergeräte Konzepte für den Entwurf von robusten Halbleiterkomponenten erarbeitet. Dabei ist die gesamte Wertschöpfungskette vom Automobilhersteller über Steuergerätehersteller bis hin zu Halbleiterherstellern eingebunden.

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Active Power Cycling Lab

Qualitätssicherung an Leistungselektronik ist wesentlicher Bestandteil der Produktabsicherung. Der elektrische Lastwechseltest (Active Power Cycling) liefert umgehend Daten zur Lebensdauer von Leistungshalbleitermodulen. Das Einsatzgebiet (z. B. Windenergie, Photovoltaik, Automotive) entscheidet dabei über die richtigen Testparameter und ‑verfahren.

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Corrosion Analysis Lab

Eine große Anzahl an Ausfällen von elektronischen Baugruppen lassen sich nachweislich auf den Einfluss und das Einwirken von Feuchte zurückführen. Generell stellt die Belastung von Feuchte auf Elektronik für jedes System eine große Herausforderung dar. Um diese Fehler besser zu qualifizieren und analysieren, liegt der Fokus in unserem Labor auf der elektrochemischen Charakterisierung von Materialien und deren Verbünde in Bezug auf ihr Korrosionsverhalten in Abhängigkeit von den in der Anwendung auftretenden Elektrolytbelastungen.

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Corrosion Analysis Lab | Environmental & Reliability Engineering
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Electronics Condition Monitoring Lab

Unser Angebot erstreckt sich über die Durchführung von Vibrationsmessungen und -tests mit elektronischen Baugruppen, bei Bedarf in Verbindung mit Feuchte- und Temperaturbeanspruchung bis hin zur berührungslosen Schwingungsmessung mit Laservibrometern sowie der In-Situ-Erfassung des Ausfalls von elektronischen Baugruppen.

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image - Electronics Condition Monitoring
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Thermal and Environmental Analysis Lab

Wir bieten Ihnen thermische Untersuchungen aus zwei Richtungen an – der des Werkstoffes und der des Systems. Um thermische Interface-Materialien (TIM) charakterisieren zu können, entstand ein Arbeitsplatz zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten und thermischen Widerständen in Abhängigkeit der Anpresskraft. Die bildgebende Infrarot-Messtechnik erlaubt es, berührungslos Temperaturen und Fehler in Systemen, Baugruppen oder Bauteilen zu detektieren.

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