Intelligente Herstellung zuverlässiger Kupferbondverbindungen (itsowl-InCuB)

Problemstellung
Im 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. Dabei handelt es sich um Aluminium-Drähte, die von speziellen Bondmaschinen über ein Ultraschall-Reibschweißverfahren an den Elektroden angebracht werden. Aufgrund der wachsenden Märkte der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität ist es erforderlich, 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 Kupferbondverbindungen derzeit nicht mit der geforderten Zuverlässigkeit hergestellt werden.

Projektziele
Ziel des Forschungsprojekts 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.

Vorgehensweise
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, ggf. optimiert und anschließend in die Bondmaschine integriert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
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. Das Marktvolumen für Leistungshalbleiter wird auf derzeit rund 10 Mrd. Euro pro Jahr geschätzt. Hersteller erwarten, dass für Leistungshalbleitermodule in naher Zukunft überwiegend Kupferbondverbindungen verwendet werden. Die Ergebnisse können auf andere Produktionsverfahren übertragen werden, z. B. auf Verfahren im Bereich Maschinenbau, Automotive und Medizintechnik.

• Hesse GmbH
• Infineon Technologies AG