Quality assessment and reliability of additively manufactured hybrid structural electronics
Hannila, Esa (2023-06-09)
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526237176
Kuvaus
Tiivistelmä
Abstract
This thesis investigated the feasibility of hybrid and structural electronics as well as the applicability of simulation-assisted structural analysis as a technology development tool. Additionally, it analyzed the process throughput yield, product quality, and reliability. The topic is approached by studying the hybrid structural electronic samples and the influence of fabrication, and operational conditions on their performance.
During the study, four different sample types and two simulation models were utilized. The feasibility of hybrid structural electronics was analyzed using the COMSOL Multiphysics simulation environment and non-destructive optical and electrical measurement methods. To evaluate the reliability in cyclic rotational bending, an in-house build testing system was used.
The potential locations and reasons for structural failures were identified by a simulation-assisted structural analysis. As results, prominent parameters influencing the hybrid electronics structure (mechanical strength, thermal conductivity, etc.) were identified and design guidelines were suggested. Mechanical stresses during the fabrication and usage of a device (e.g., thermal expansion) can be minimized by utilizing the results of this analysis, thus having a positive influence on the reliability of the final product.
The study proved that the concept of hybrid and structural electronics enables new properties for electronics (e.g., better thermal management or mechanical durability). A simulation-assisted, non-destructive structural analysis was also found to be a suitable characterization method for this kind of technology. According to the results, the process throughput yield, product quality and reliability can be enhanced with the proper design choices and manufacturing parameters.
Tiivistelmä
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin hybridielektroniikan ja rakenteellisen elektroniikan valmistettavuutta sekä simulaatioavusteisen rakenneanalyysin soveltuvuutta teknologiakehityksen työkaluna. Lisäksi opinnäytetyössä analysoitiin teknologian valmistusprosessin saantoa, tuotteiden laatua ja luotettavuutta. Aihetta lähestyttiin tutkimalla hybridielektroniikan näytteitä ja sekä valmistuksen että käytön aikaisten olosuhteiden vaikutusta niiden toimintaan.
Tutkimuksen aikana hyödynnettiin neljää eri näytetyyppiä ja kahta simulaatiomallia. Hybridi- ja rakenteellisen elektroniikan toteutettavuutta analysoitiin hyödyntämällä COMSOL Multiphysics -simulaatioympäristöä sekä pintaa rikkomattomia, optisia ja sähköisiä mittausmenetelmiä. Luotettavuuden arvioimiseksi syklisessä kiertotaivutustestauksessa hyödynnettiin itse rakennettua mittausjärjestelmää.
Simulaatioavusteisen rakenneanalyysin avulla rakenteesta tunnistettiin vioittumiselle potentiaalisia paikkoja. Analyysin pohjalta tunnistettiin myös keskeisiä suunnitteluehtoja ja -parametreja, joilla voidaan vaikuttaa rakenteen mekaaniseen lujuuteen tai lämmönjohtokykyyn. Rakenteen valmistuksessa ja käytön aikana syntyviä mekaanisia jännitteitä (lämpölaajeneminen yms.) voidaan minimoida hyödyntämällä analyysin tuloksia ja vaikuttaa positiivisesti myös lopullisen laitteen luotettavuuteen.
Tutkimus osoitti, että hybridi- ja rakenteellisen elektroniikan konsepti mahdollistaa uusia ominaisuuksia elektroniikalle (mm. parempi lämmönhallinta tai mekaaninen kestävyys). Simulaatioavusteinen, pintaa rikkomaton rakenneanalyysi todettiin myös tälle teknologialle soveltuvaksi karakterisointimenetelmäksi. Tuloksien mukaan prosessin tuottoa, tuotteen laatua ja luotettavuutta voidaan parantaa oikeilla suunnitteluvalinnoilla ja valmistusparametreilla.
Original papers
Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.
Lauri, J., Hannila, E., & Fabritius, T. (2019). Non-destructive characterization of glass laminated electronics. In 2019 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 1–5. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2019.8827057
Hannila, E., Augustine, B., Kurkela, T., Lauri, J., & Fabritius, T. (2019). Yield and electrical functionality of the glass-laminated conductive wires and connectors. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 9(12), 2499–2505. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2019.2923858
Hannila, E., Remes, K., Kurkela, T., Happonen, T., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). The effect of torsional bending on reliability and lifetime of printed silver conductors. IEEE Transactions on Electron Devices, 67(6), 2522–2528. https://doi.org/10.1109/TED.2020.2990125
Hannila, E., Heinilehto, N., Lauri, J., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). Measuring and modelling the thermal behavior of LEDs in structural electronics. In 2020 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 1–6. https://doi.org/10.1109/I2MTC43012.2020.9128941
Hannila, E., Heinilehto, N., Remes, K., Lauri, J., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). Hybrid thermal modeling to predict LED thermal behavior in hybrid electronics. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 70, 6001910. https://doi.org/10.1109/TIM.2020.3043112
Osajulkaisut
Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.
Lauri, J., Hannila, E., & Fabritius, T. (2019). Non-destructive characterization of glass laminated electronics. In 2019 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 1–5. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2019.8827057
Hannila, E., Augustine, B., Kurkela, T., Lauri, J., & Fabritius, T. (2019). Yield and electrical functionality of the glass-laminated conductive wires and connectors. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 9(12), 2499–2505. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2019.2923858
Hannila, E., Remes, K., Kurkela, T., Happonen, T., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). The effect of torsional bending on reliability and lifetime of printed silver conductors. IEEE Transactions on Electron Devices, 67(6), 2522–2528. https://doi.org/10.1109/TED.2020.2990125
Hannila, E., Heinilehto, N., Lauri, J., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). Measuring and modelling the thermal behavior of LEDs in structural electronics. In 2020 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 1–6. https://doi.org/10.1109/I2MTC43012.2020.9128941
Hannila, E., Heinilehto, N., Remes, K., Lauri, J., Keränen, K., & Fabritius, T. (2020). Hybrid thermal modeling to predict LED thermal behavior in hybrid electronics. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 70, 6001910. https://doi.org/10.1109/TIM.2020.3043112
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38824]