Simulation studies of printed circuit board using finite element method to evaluate the potential of cellulose fibres to replace glass fibres
Simulationsstudien an Leiterplatten mithilfe der Finite-Elemente-Methode zur Bewertung des Potenzials von Zellulosefasern als Ersatz für Glasfasern
Abstract
enThe replacement of glass fibres by cellulose-based fibres in printed circuit board (PCB) is motivated by environmental reasons since the use of biodegradable components from renewable sources will have a significative impact in the life-cycle assessment and sustainability evaluation of these materials. To study the potential of replacement of glass fibres by natural fibres in printed circuit board manufacturing we have used a finite element method (FEM) computational simulation methodology to evaluate the influence of key structural parameters on their thermomechanical properties, with the goal of predicting and quantifying its warpage at soldering process temperatures. In our work some printed circuit board (PCB) configurations have been selected and modelled using different natural fibres and compared with conventional printed circuit board systems, designated by flame retardant epoxy (FR4), that are made from glass fibres, epoxide resin and copper foils. The simulation results indicate that the printed circuit board assembly process, namely the number of layers, has a major influence on the key thermomechanical properties that were studied. Some optimized printed circuit board configurations were selected, based on the simulation studies, and the natural fibres were classified according to their potential to be used in the development of sustainable printed circuit board materials.
Translation abstract
deDer Ersatz von Glasfasern durch zellulosebasierte Fasern in Leiterplatten (PCB) ist aus Umweltgründen motiviert, da die Verwendung biologisch abbaubarer Komponenten aus erneuerbaren Quellen einen erheblichen Einfluss auf die Ökobilanz und Nachhaltigkeitsbewertung dieser Werkstoffe haben wird. Um das Potenzial des Ersatzes von Glasfasern durch Naturfasern bei der Leiterplattenherstellung zu untersuchen, wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, um den Einfluss wichtiger Strukturparameter auf die thermomechanischen Eigenschaften zu bewerten. Ziel ist hierbei, den Verzug bei Lötprozesstemperaturen vorherzusagen und zu quantifizieren. In unserer Arbeit wurden einige Leiterplattenkonfigurationen unter Verwendung verschiedener Naturfasern ausgewählt und modelliert und mit konventionellen, durch flammhemmendes Epoxid (FR4) gekennzeichneten Leiterplattensystemen verglichen, die aus Glasfasern, Epoxidharz und Kupferfolien hergestellt werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Schichten im Leiterplatten-Montageprozess einen großen Einfluss auf die wichtigsten untersuchten thermomechanischen Eigenschaften hat. Basierend auf den Simulationsstudien wurden einige optimierte Leiterplatten-Konfigurationen ausgewählt und die Naturfasern nach ihrem Potenzial für die Verwendung bei der Entwicklung nachhaltiger Leiterplatten-Werkstoffe klassifiziert.
