Rückblick: die Hochschulwoche Einblick: die ... - TU Clausthal
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Faserverbunddrähte zum Dickdrahtbonden in der<br />
Leistungselektronik<br />
Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling,<br />
Dr.-Ing. Rolf Reiter,<br />
Dipl.-Ing. Andreas Knauber<br />
(<strong>TU</strong> <strong>Clausthal</strong>)<br />
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wilde,<br />
Dipl.-Ing. Johan Dalin<br />
(Uni. Freiburg)<br />
22<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
Innovative Materialien für <strong>die</strong><br />
Verbindungstechnik<br />
Aufgrund gesteigerter Anforderungen<br />
an Komponenten der Leistungselektronik<br />
unter anderem als Folge der zunehmenden<br />
Integration im Rahmen<br />
mechatronischer Anwendungen rückt<br />
<strong>die</strong> Beständigkeit der Schaltungen gegenüber<br />
thermomechanischer Belastungen<br />
zunehmend ins Blickfeld. Die<br />
Kontaktierung leistungselektronischer<br />
Bauteile erfolgt in großem Umfang<br />
über das Dickdrahtbonden von Aluminiumdraht.<br />
Verschiedene Untersuchungen haben<br />
gezeigt, dass <strong>die</strong> stark differierenden<br />
Wärmeausdehnungskoeffi zienten von<br />
Aluminiumdraht und Substrat, insbesondere<br />
Silizium, eine Rissbildung<br />
im Verbindungsbereich und letztlich<br />
ein Versagen der Anbindung zur Folge<br />
haben. Es konnte erfolgreich nachgewiesen<br />
werden, dass durch eigens<br />
gefertigte Faserverbunddrähte mit reduziertem<br />
Wärmeausdehnungskoeffi -<br />
zienten und gesteigerter Festigkeit eine<br />
signifi kante Erhöhung der Lebensdauer<br />
solcher Drahtbondverbindungen erzielt<br />
werden kann.<br />
Die Halbleitertechnik ermöglicht den<br />
Aufbau leistungsstarker Schaltungen für<br />
<strong>die</strong> Informations- und Leistungselektronik.<br />
Diese Bauelemente müssen vor<br />
Umwelteinfl üssen geschützt werden und<br />
gleichzeitig eine Anbindung an ihre Umwelt<br />
in Form elektrischer Kontakte besit-<br />
zen. Entsprechend begegnet man in der<br />
Anwendung im Allgemeinen gehäusten<br />
Chips, <strong>die</strong> solide metallische Leiter als<br />
Anbindung zur Außenwelt besitzen. Die<br />
Kontaktierung von zum Beispiel in Halbleitertechnik<br />
aufgebauten Schaltungen<br />
zum Leiterrahmen, der <strong>die</strong> Anbindung<br />
innerhalb sowie nach außerhalb des Gehäuses<br />
ermöglicht, kann mithilfe verschiedener<br />
Techniken wie Kleben, Löten<br />
oder Drahtbonden realisiert werden. Das<br />
vorherrschende Kontaktierungsverfahren<br />
im Bereich der Leistungselektronik ist<br />
das Dickdrahtbonden von Aluminiumdraht<br />
hoher Reinheit. Beim Drahtbonden<br />
handelt es sich um ein Ultraschallpressschweißverfahren,<br />
das im Dickdrahtbereich<br />
meist als Keil-Keil-Verbindung ausgeführt<br />
wird, Abbildung 1.<br />
Der große Unterschied zwischen der Wärmeausdehnung<br />
des Aluminiumdrahtes<br />
und der kontaktierten Bauteile ist eine<br />
der wesentlichen Ursachen für das Versagen<br />
solcher Bondverbindungen, /1,2/. Die<br />
dabei beobachteten Schadensbilder sind<br />
Abbildung 1: Dickdrahtbondverbindungen auf<br />
verschiedenen Substraten mit Detailansicht einer<br />
Keil-Keil-Drahtbondverbindung. Im Hintergrund<br />
eingesetzter Dickdrahtbonder Orthodyne Modell<br />
360 A D/A (60kHz).<br />
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