In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode vorgestellt, mit welcher die Zuverlässigkeit mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) bezüglich stoßinduzierter Fehlermechanismen bereits in der Entwurfsphase neuer Produkte abgeschätzt bzw. verbessert werden kann. Der Ansatz bezieht sich dabei auf bruch- sowie adhäsionsbedingte Ausfallmechanismen und erfordert zwei wesentliche Schritte. Zuerst werden Systemmodelle der jeweils zu untersuchenden mikromechanischen Systeme erstellt, welche die Berechnung der Stoßantwort wie auch der dabei auftretenden Belastungen in Sinne von Auslenkungen, Deformationen und Aufprallkräften ermöglichen. In einem zweiten Schritt wird die zur Fertigung vorgesehene Technologie bezüglich des Auftretens beider stoßbedingter Ausfallmechanismen sowie deren Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen oder Betriebsparametern systematisch untersucht. Die aus der Prozesscharakterisierung resultierenden Daten dienen zur Ableitung prozessspezifischer Fehlerkriterien, welche die Einschätzung der zuvor berechneten Lasten ermöglichen. Auf diese Weise kann abgeschätzt werden, inwieweit die Zuverlässigkeit der betrachteten mikromechanischen Strukturen beeinflusst wird bzw. mit welchen Maßnahmen diese gesteigert werden kann.

Serial prostate-specific antigen (PSA) measurements (PSA velocity) as an additional instrument to detect prostatic cancer was introduced in 1992. It has previously been reported that PSA increase per year differed in the last 5 years prior to diagnosis in patients with benign prostatic hyperplasia (0.18 ng/ml/year), locally confined (0.75 ng/ml/year) and metastasized (4.4 ng/ml/year) cancer of the prostate (CaP) in contrast to healthy men (0.04 ng/ml/year). The ability of PSA velocity to detect organ-confined CaP in patients with intermediate PSA serum values depends therefore on a reliable and reproducible PSA result. The present study comprised 85 men with PSA values between 3 and 8 ng/ml (Abbott IMx). PSA measurements were repeated with Abbott IMx (n = 85 patients) and Hybritech Tandem-E (n = 59 patients) assays. The PSA serum values differed from one examination to the other from 0.02 to 2.74 ng/ml with the Abbott IMx. Standard deviation amounted to 0.35 ng/ml with the Abbott IMx PSA assay. Using the Hybritech Tandem-E assay, mean standard deviation was 1.15 ng/ml and therefore higher than with the Abbott IMx assay. The difference from one test to the other ranged from 0.05 to 4.05 ng/ml with the Hybritech Tandem-E. Using the Abbott IMx assay, 10.6% of all repeat measurements exceeded 1 ng/ml whereas in the Hybritech Tandem-E assay 62.7% of the second measurements differed >1 ng/ml from the first PSA result. An increase in PSA serum values may therefore be due to intratest variation, physiological day-to-day variation as well as prostatic disease. It is important to notice that the intra-assay variation may be greater than the PSA increase per year in a patient with CaP. Therefore, PSA velocity seems to be of limited value. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Future connected vehicles will be able to warn about hidden dangers already before they are visible for the driver. With sight obstructions as one of the most common factors of accident causation, there is a huge potential to improve traffic safety. However, it is unclear how to design the human-machine-interface of such systems to effectively warn drivers about invisible dangers. Especially the expectation that such warnings will be comparably unreliable lead to conflicting demands on amount and coding of warning information. Earlier work shows that warnings that contain more specific information about a hazard can improve drivers understanding of and responses to warnings but they can also raise processing costs and delay reactions or even distract drivers. Psychological theories as well as related research indicates that augmented reality (AR) has the potential to improve warning effectiveness through optimized coding of additional information. AR warnings can inherently transmit the location of a hazard and – due to the corresponding approach of the referenced display towards the driver – could increases the salience of a warning. The general aim of this work is to understand the human factors of future communication-based collision warnings. Based on a theoretical analysis revealing the most relevant questions within that context, we conducted three driving simulator studies to understand the impact of AR warning design on the effectiveness of unreliable warnings about sight obstructed dangers. To consider not only short-term effectiveness, all studies contained several necessary as well as unnecessary warnings that were analyzed in detail. The first study with 88 participants investigated the benefit of prototypical AR warnings over unspecific warnings of different modalities (visual vs. auditory). Visual AR warnings showed advantages over the other warning designs in gaze and brake reaction times, passing speeds, collision rates and subjective evaluation. Auditory AR warnings did not reveal comparable effects. The second test with 80 participants examined the contribution of different design aspects of visual AR warnings. Adding specific warning symbols or scaling animations to the warnings showed some positive but rather inconsistent effects. In contrast, spatial referencing even of an unspecific warning symbol with AR consistently improved driver’s reactions and evaluations. A third experiment with 36 participants observed the differential effects of the spatial information per se and the coding of the information with AR. The warnings had either no spatial information, symbolically encrypted spatial information or AR encrypted spatial information. A higher amount of information consistently led to stronger brake reactions, higher trust and better subjective evaluation. Additionally, with AR encryption we observed faster fixations as well as brake reactions. The present research emphasizes the importance of specificity for warnings about hidden hazards and the potential of AR especially for in-vehicle warnings of future collision avoidance systems. The systematic analysis of psychological factors of warning design and the corresponding findings on their relative contribution to driver’s behavior might also be transferred to other domains and applications of warning and information design. / In naher Zukunft werden vernetzte Fahrzeuge bereits vor sichtverdeckten Gefahren warnen können, noch bevor diese für den Fahrer sichtbar sind. Da Sichtverdeckungen bei einem Großteil schwerer Verkehrsunfälle eine Rolle spielen, stellt dies ein großes Potenzial zur Erhöhung der Verkehrssicherheit dar. Unklar ist jedoch, wie die Mensch-Maschine- Schnittstelle solcher Systeme gestaltet werden sollte, um Autofahrer möglichst effektiv vor noch nicht sichtbaren Gefahren zu warnen. Insbesondere die Vorhersage, dass solche Systeme nur eine begrenzte Zuverlässigkeit haben werden, führt zu teilweise widersprüchlichen Anforderungen an Informationsmenge und Kodierung der Warnungen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Warnungen mit spezifischen Informationen über eine Gefahr einerseits Verständnis und Reaktionen der Fahrer auf die Warnungen verbessern, andererseits aber auch kognitiven Verarbeitungsaufwand und Reaktionszeiten erhöhen und ablenken können. Sowohl kognitionspsychologische Theorien als auch Studien aus unserem Forschungsgebiet deuten darauf hin, dass die Darstellungsprinzipien der erweiterten Realität (AR, für engl. augmented reality) das Potenzial bieten, die Effizienz solcher Warnungen durch eine optimierte Kodierung von Zusatzinformationen zu steigern. AR-Warnungen können inhärent die Position einer Gefahr übermitteln, ohne dass der Fahrer dazu eine abstrakte Repräsentation der Information auf die reale Umwelt übertragen muss. Das grundlegende Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die psychologischen Faktoren zukünftiger vernetzter Kollisionswarnungen zu verstehen. Ausgehend von der theoretischen Analyse relevanter psychologischer Theorien wurden wesentliche Implikationen und offene Fragestellungen abgeleitet. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden drei Fahrsimulator- Studien durchgeführt, in denen der Einfluss von AR als Darstellungsprinzip auf die Effizienz begrenzt zuverlässiger Warnungen über sichtverdeckte Gefahren untersucht wurden. Um valide Aussagen über die längerfristige Wirksamkeit treffen zu können, wurden in den Versuchen sowohl notwendige als auch unnötige Warnungen betrachtet. Eine erste Studie mit 88 Teilnehmern untersuchte den Mehrwert prototypischer AR-Warnungen unterschiedlicher Modalität (visuell vs. auditiv) gegenüber unspezifischen Warnungen. Visuelle AR-Warnungen zeigten klare Vorteile bezüglich Blick- und Bremsreaktionen, Geschwindigkeiten, Kollisionszahlen und subjektiven Bewertungen. Auditive AR-Warnungen hingegen führten zu einzelnen positiven, jedoch auch einigen negativen Effekten. In der zweiten Studie mit 80 Teilnehmern wurden die Auswirkungen gestalterischer Teilaspekte visueller AR-Warnungen verglichen. Das Hinzufügen von spezifischen Warnsymbolen über Bewegungsrichtung und Typ der Gefahr oder einer Vergrößerungs-Animation mit gleicher zeitlicher Veränderung wie bei der AR-Warnung führte zu einzelnen positiven aber nicht konsistenten Effekten. Im Gegensatz dazu führten räumlich verortete AR-Warnungen erneut sowohl zu schnelleren und stärkeren Fahrerreaktionen als auch zu besseren subjektiven Bewertungen. In der dritten Studie mit 36 Teilnehmern wurden schließlich die individuellen Effekte der räumlichen Information an sich und der Codierung dieser Information mittels AR analysiert. Dazu wurden Warnungen ohne Information über die Position der Gefahr, mit symbolisch kodierter Information, sowie mit AR-kodierter Information verglichen. Der höhere Informationsgehalt führte zu durchgehend stärkeren Bremsungen, höherem Systemvertrauen und besseren subjektiven Bewertungen. Darüber hinaus ermöglichte die AR-Kodierung desselben Informationsgehalts der Warnungen sowohl schnellere Gefahrenentdeckung als auch kürzere Bremsreaktionszeiten. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit einen deutlichen Mehrwert von spezifischen Informationen bei Warnungen vor sichtverdeckten Gefahren sowie das hohe Potenzial von AR als Darstellungsprinzip, insbesondere für Warnungen zukünftiger Kollisionsvermeidungssysteme. Die systematische Analyse der bei der Gestaltung von Warnungen relevanten psychologischen Faktoren sowie unsere empirischen Erkenntnisse zu deren relativen Einfluss auf das Nutzerverhalten können zudem auf Warnungen anderer Anwendungen und Domänen übertragen werden, und somit einen generellen Beitrag zur Vermeidung von Unfällen in Mensch-Maschine-Systemen liefern.

It is a fact that software has bugs. These bugs can lead to failures. Especially dependability and security failures are a great threat to software users. This thesis introduces four novel approaches that can be used to automatically harden software at the user's site. Automatic hardening removes bugs from already deployed software. All four approaches are automated, i.e., they require little support from the end-user. However, some support from the software developer is needed for two of these approaches. The presented approaches can be grouped into error toleration and bug removal. The two error toleration approaches are focused primarily on fast detection of security errors. When an error is detected it can be tolerated with well-known existing approaches. The other two approaches are bug removal approaches. They remove dependability bugs from already deployed software. We tested all approaches with existing benchmarks and applications, like the Apache web-server.:1 Introduction 1 1.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Automatic Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Theses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Enforcing Dynamic Personalized System Call Models 9 2.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 SwitchBlade Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 System Call Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Personalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.2 Randomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Model Learner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.1 Problem: False Positives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.2 Data- ow-Based Learner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Taint Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.1 TaintCheck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.2 Escaping Valgrind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.3 Replay of Requests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6 Model Enforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6.1 Loading the System Call Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6.2 Checking System Calls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7.1 Synthetic Exploits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7.2 Apache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.7.3 Exploits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.7.4 Micro Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.7.5 Model Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7.6 Stateful Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Speculation for Parallelizing Runtime Checks 43 3.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.1 Compiler Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.2 Runtime Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Deterministic Replay and Speculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4 Switching Code Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Integration with parexc chkpnt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4.3 Code Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4.4 Stack-local Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5 Speculative Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Deadlock Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.3 Storage Back-ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6 Parallelized Checkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.1 Out-of-Bounds Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.6.2 Data Flow Integrity Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6.3 FastAssert Checker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6.4 Runtime Checking in STM-Based Applications . . . . . . . . . . . . 72 3.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7.2 Checking Already Parallelized Applications . . . . . . . . . . . . . . 77 3.7.3 ParExC Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4 Automatically Finding and Patching Bad Error Handling 83 4.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3 Learning Library-Level Error Return Values from System Call Error Injection 89 4.3.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.2 E cient Error Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.3 Obtain OS Error Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Finding Bad Error Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Argument Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.2 Systematic Error Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4.3 Static Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.5 Fast Error Injection using Virtual Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.5.1 The fork Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.5.2 Virtual Machines for Fault Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.6 Patching Bad Error Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.6.1 Error Value Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.6.2 Preallocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.6.3 Patch Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.7.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5 Robustness and Security Hardening of COTS Software Libraries 117 5.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.3 Test Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.3.1 Ballista Type System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.3.2 Meta Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.3.3 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.3.4 Type Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.3.5 Type Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.3.6 Reducing the Number of Test Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.3.7 Other Sources of Test Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.4 Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.4.1 Check Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.4.2 Parameterized Check Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.5 Protection Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.5.1 Minimizing the Truth Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.5.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 5.6 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5.6.1 Coverage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.6.2 Autocannon as Dependability Benchmark . . . . . . . . . . . . . . 138 5.6.3 Protection Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6 Conclusion 143 6.1 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 References 147 List of Figures 159 List of Tables 163 Listings 165

Im Beitrag werden drei Methoden für den Entwurf und die Bemessung von Textilbetonverstärkungen vorgestellt. Für eine Vorbemessung wird die Variantenuntersuchung angewendet, z.B. für die Bestimmung der Anzahl an Textillagen. Für die Festlegung von Realisierungen mehrerer kontinuierlicher Entwurfsvariablen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Entwurfsziele und Entwurfsnebenbedingungen werden die Fuzzy-Optimierung und die direkte Lösung der Entwurfsaufgabe skizziert. Mit der Fuzzy-Optimierung werden Kompromisslösungen für die multikriterielle Entwurfsaufgabe ermittelt. Die direkte Lösung basiert auf der explorativen Datenanalyse von Punktmengen, die als Ergebnis einer unscharfen Tragwerksanalyse vorliegen, und liefert Bereiche – sog. Entwurfsteilräume – als Grundlage für die Auswahl des Entwurfs.

Background: Patients diagnosed with melanoma frequently search the internet for treatment information, including novel and complex immunotherapy. However, health literacy is limited among half of the German population, and no assessment of websites on melanoma treatment has been performed so far. Objective: The aim of this study was to identify and assess the most visible websites in German language on melanoma immunotherapy. Methods: In accordance with the common Web-based information-seeking behavior of patients with cancer, the first 20 hits on Google, Yahoo, and Bing were searched for combinations of German synonyms for “melanoma” and “immunotherapy” in July 2017. Websites that met our predefined eligibility criteria were considered for assessment. Three reviewers independently assessed their quality by using the established DISCERN tool and by checking the presence of quality certification. Usability and reliability were evaluated by the LIDA tool and understandability by the Patient Education Materials Assessment Tool (PEMAT). The Flesch Reading Ease Score (FRES) was calculated to estimate the readability. The ALEXA and SISTRIX tools were used to investigate the websites’ popularity and visibility. The interrater agreement was determined by calculating Cronbach alpha. Subgroup differences were identified by t test, U test, or one-way analysis of variance. Results: Of 480 hits, 45 single websites from 30 domains were assessed. Only 2 website domains displayed a German quality certification. The average assessment scores, mean (SD), were as follows: DISCERN, 48 (7.6); LIDA (usability), 40 (2.0); LIDA (reliability), 10 (1.6); PEMAT, 69% (16%); and FRES, 17 (14), indicating mediocre quality, good usability, and understandability but low reliability and an even very low readability of the included individual websites. SISTRIX scores ranged from 0 to 6872 and ALEXA scores ranged from 17 to 192,675, indicating heterogeneity of the visibility and popularity of German website domains providing information on melanoma immunotherapy. Conclusions: Optimization of the most accessible German websites on melanoma immunotherapy is desirable. Especially, simplification of the readability of information and further adaption to reliability criteria are required to support the education of patients with melanoma and laypersons, and to enhance transparency.

The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations. / Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.

Nowadays, satellite-based localization is a well-established technical solution to support several navigation tasks in daily life. Besides the application inside of portable devices, satellite-based positioning is used for in-vehicle navigation systems as well. Moreover, due to its global coverage and the availability of inexpensive receiver hardware it is an appealing technology for numerous applications in the area of Intelligent Transportation Systems (ITSs). However, it has to be admitted that most of the aforementioned examples either rely on modest accuracy requirements or are not sensitive to temporary integrity violations. Although technical concepts of Advanced Driver Assistance Systems (ADASs) based on Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) have been successfully demonstrated under open sky conditions, practice reveals that such systems suffer from degraded satellite signal quality when put into urban areas. Thus, the main research objective of this thesis is to provide a reliable vehicle positioning concept which can be used in urban areas without the aforementioned limitations. Therefore, an integrated probabilistic approach which preforms fault detection & exclusion, localization and multi-sensor data fusion within one unified Bayesian framework is proposed. From an algorithmic perspective, the presented concept is based on a probabilistic data association technique with explicit handling of outlier measurements as present in urban areas. By that approach, the accuracy, integrity and availability are improved at the same time, that is, a consistent positioning solution is provided. In addition, a comprehensive and in-depth analysis of typical errors in urban areas within the pseudorange domain is performed. Based on this analysis, probabilistic models are proposed and later on used to facilitate the positioning algorithm. Moreover, the presented concept clearly targets towards mass-market applications based on low-cost receivers and hence aims to replace costly sensors by smart algorithms. The benefits of these theoretical contributions are implemented and demonstrated on the example of a real-time vehicle positioning prototype as used inside of the European research project GAlileo Interactive driviNg (GAIN). This work describes all necessary parts of this system including GNSS signal processing, fault detection and multi-sensor data fusion within one processing chain. Finally, the performance and benefits of the proposed concept are examined and validated both with simulated and comprehensive real-world sensor data from numerous test drives.

Reliability of integrated circuit (IC) packages is in great demand for the automotive industry, as they are used in almost every electronic components. IC packages consist of essentially molding compound (MC), lead frame (LF), adhesive and a silicon chip. The elastic mismatch between the components makes the interfaces susceptible to crack initiation, propagation and eventual failure. The main reason of the failure is the thermo-mechanical cycles during the service time. This work presents the robustness estimation and the reliability based robustness improvement of an IC package by minimization of both crack driving force and its standard deviation at the MC and the LF interface with respect to the fatigue fracture toughness. The robustness evaluation and robust design optimization were performed by taking the uncertainty in geometrical parameters into account. Evidently, there are more robust and reliable designs than the current design which have less crack driving force and show less variation. In order to quantify the reliability with respect to the variation of the crack driving force, the fatigue fracture toughness of the interface was characterized under isothermal conditions at 25 ◦C and −40 ◦C with a three point bending test apparatus. The interface characterizations at low temperatures like −40 ◦C is a main concern due to large stress generation during the reliability tests. After then, a test methodology was prepared to validate the fatigue fracture toughness of the interface in the package level. Artificial cracks were introduced at the MC-LF interface in IC packages to predict the crack growth under thermal cycling over a temperature range of −50 ◦C to 150 ◦C. A prediction quality assisted to validate, whether the fatigue fracture toughness, which was obtained mechanically under isothermal conditions, could be used to predict the crack growth in the IC package under thermo-mechanical cycles. Material characterization of the MC and the LF was performed to acquire the fatigue fracture toughness and the crack length by the compliance calibration method as accurate as possible. The mechanical modeling of both materials was accomplished with elasticity plus plasticity at the room temperature. Then the material models were verified by using the behavior of the bi-material structure under three point bending. As the numerical simulations were used to calculate the fracture toughness, this thesis also presents a comparison between the methods in the literature by using finite element simulations. The results were compared with the analytic solution according to their accuracy, ease of implementation and mesh independence. Simultaneously, various crack tip elements were analyzed in contrast considering their capability of fracture toughness calculation. The analyses were included different fracture mechanical concepts from linear elastic to elastic plastic fracture mechanics. The comparison led to a more convenient method and crack tip element preference for the interface characterization.

Mixed-Criticality Systems (MCSs) include tasks with multiple levels of criticality and different modes of operation. These systems bring benefits such as energy and resource saving while ensuring safe operation. However, management of available resources in order to achieve high utilization, low power consumption, and required reliability level is challenging in MCSs. In many cases, there is a trade-off between these goals. For instance, although using fault-tolerance techniques, such as replication, leads to improving the timing reliability, it increases power consumption and can threaten life-time reliability. In this work, we introduce an approach named Life−timePeakPower management inMixed−Criticalitysystems (LPP-MC) to guarantee reliability, along with peak power reduction. This approach maps the tasks using a novel metric called Reliability-Power Metric (RPM). The LPP-MC approach uses this metric to balance the power consumption of different processor cores and to improve the life-time of a chip. Moreover, to guarantee the timing reliability of MCSs, a fault-tolerance technique, called task re-execution, is utilized in this approach. We evaluate the proposed approach by a real avionics task set, and various synthetic task sets. The experimental results show that the proposed approach mitigates the aging rate and reduces peak power by up to 20.6% and 17.6%, respectively, compared to state-of-the-art.