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hesse0213Forschungsbericht

In Maschinenbau und der Fahrzeugtechnik werden Strom und Spannung durch Leistungshalbleitermodule gesteuert und geschaltet. Die elektrische Verbindung der einzelnen Elektroden in diesen Modulen erfolgt über sogenannte Bondverbindungen. Das Forschungsprojekt "Itsowl-Incub" unter der Konsortialführung der Hesse GmbH befasst sich mit der Herstellung zuverlässiger Kupferbondverbindungen, welche die Aluminiumverbindungen aufgrund ihrer begrenzten physikalischen Eigenschaften ersetzen sollen.

 



Bei den bisher eingesetzten Verbindungstechniken handelt es sich um Aluminium-Drähte, die von speziellen Bondmaschinen über ein Ultraschall-Reibschweißverfahren an den Elektroden angebracht werden. Die wachsenden Märkte der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität erfordern es, die Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz der Leistungsmodule zu steigern. Dies ist mit den bisher verwendeten Bondverbindungen aufgrund der begrenzten physikalischen Eigenschaften von Aluminium wie Leitfähigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit nicht möglich. Daher müssen Aluminium- durch Kupferbondverbindungen ersetzt werden, die sich durch deutlich bessere Eigenschaften auszeichnen. Der Kupferbondprozess reagiert jedoch empfindlicher auf externe Produktionseinflüsse und Materialschwankungen, was die Qualität der Bondverbindungen beeinträchtigen kann und zu einem hohen Ausschuss führt. Daher können Kupferbond-verbindungen derzeit nicht mit der geforderten Zuverlässigkeit hergestellt werden.

 

Selbstoptimierendes Verfahren zum Ziel

Ziel des Forschungsprojektes Itsowl-Incub ist die Entwicklung von selbstoptimierenden Verfahren, um unter variablen Produktionsbedingungen zuverlässige Kupferbondverbindungen herstellen zu können. Die Bondmaschine soll die Fähigkeit erhalten, sich automatisch an veränderte Bedingungen anzupassen.
 
Dazu werden die externen Einflussgrößen wie Temperatur und Material und die Prozessparameter wie Kraft und Dauer sowie deren Auswirkungen auf die Qualität von Kupferbondverbindungen analysiert. Auf dieser Grundlage wird ein idealer Bondprozess definiert. Darauf aufbauend werden eine Zustandsüberwachung sowie eine selbstoptimierende Steuerung für die Bondmaschine entwickelt. Dies ermöglicht eine Analyse der externen Einflüsse und eine eigenständige Anpassung der Prozessparameter. Dabei wird auf Ergebnisse der Querschnittsprojekte "Selbstoptimierung" und "Systems Engineering" zurückgegriffen. Die Zustandsüberwachung und die Selbstoptimierung werden anhand eines Prototypen validiert und gegebenenfalls optimiert sowie anschließend in die Bondmaschine integriert.

Überwiegend Kupferbondverbindungen in naher Zukunft erwartet

Aufgrund der Ergebnisse können Kupferbondverbindungen zuverlässig in hoher Qualität hergestellt werden. Leistungshalbleitermodule werden leistungsfähiger, effizienter, kompakter und haltbarer. So wird beispielsweise die Erhöhung des maximalen Modulstroms um ca. 50 v. H. prognostiziert. Hersteller von Halbleitern erwarten, dass in naher Zukunft überwiegend Kupferbondverbindungen verwendet werden. Das Marktvolumen wird auf rund 10 Mrd. EUR pro Jahr geschätzt. Die Ergebnisse können auf andere Produktionsverfahren übertragen werden, z. B. auf Verfahren im Bereich Maschinenbau, Automotive und Medizintechnik.

Projektpartner sind Infineon und die Universität Paderborn.

Bild: (l.) Leistungshalbleitermodul mit Kupferbondverbindungen, (r.) Ultraschall-Drahtbondverfahren


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