Bigger is Better? Manchmal schon!

Unausweichlich unterliegen Halbleiter und Mikroelektronik dem Shrinkprozess, da mutet es seltsam an, dass F&K Delvotec nun einen Drahtbonder mit ungewöhnlich großer Arbeitsfläche entwickelt hat. Der Schritt zum Riesengerät ist dennoch eine kluge strategische Entscheidung, denn damit wurden die Zyklen des Halbleiter-Equipmentmarktes einigermaßen abgekoppelt.

Die Neuentwicklung des G5-XL war nicht nur eine kleine technische Sensation, sondern auch ein voller wirtschaftlicher Erfolg: Bereits im ersten Halbjahr 2012 wurden mehrere Dutzend Bonder bestellt. Mehr als 30 Patente sowie zahlreiche Auszeichnungen – darunter die Prämierung durch das amerikanische Marktforschungsunternehmen VLSI Research – stellen Innovationskraft und Hightech-Potenzial unter Beweis. Von VLSI Research wurde das Unternehmen nicht nur für seinen Drahtbonder G5-XL im August 2012 zum vierten Mal in Folge mit dem Kundenzufriedenheits-Siegel ausgezeichnet, sondern sogar zum Sieger bei den „Kleinen und mittelgroßen Equipment-Lieferanten“ überhaupt.

Ausgelegt für spezielle Solarzellen-Produktion

Der Dickdrahtbonder wurde unter anderem für einen Kunden entwickelt und gebaut, der Solarzellen herstellt und die einzelnen Zellen mit Drahtbonds verbindet. Die Solarzellen sind allerdings kein gewöhnlicher Typ, sondern Konzentratorzellen: bei ihnen ist die eigentliche Solarzelle mit etwa 2 mm x 2 mm winzig klein wie ein Stecknadelkopf. Sie liegt aber im Brennpunkt einer darüber angeordneten Linse, die also wie ein Brennglas die Sonne auf einen winzigen Punkt fokussiert. Der Vorteil: Solcherlei Solarzellen lassen sich als so genannte Stapel-Zellen bauen, die mit mehreren aktiven Schichten das gesamte Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts abdecken können und dadurch einen bedeutend höheren Wirkungsgrad erzielen, als die üblichen Siliziumzellen, die nur eine einzige Wellenlänge optimal ausnutzen. Weil sie aber sehr teuer sind – man braucht dafür statt des leicht verfügbaren Siliziums die aufwändigen Verbindungshalbleiter Galliumarsenid, Galliumindiumphosphid oder andere – macht man sie möglichst klein, was durch die Vorsatzlinse kein Nachteil ist.

Zusätzlich genießt man noch eine Art Geschenk der Physik: die winzigen Solarzellen verlieren durch die bis zu einem Faktor 500 oder sogar 1000 höhere Lichtintensität nicht etwa an Effizienz, sondern ganz im Gegenteil, ihr Wirkungsgrad steigt sogar bis an die 45 Prozent, also mehr als doppelt so hoch wie die üblichen Solarzellen aus multikristallinem Silizium, die nur knapp über 20 Prozent kommen. Diese Tandem- oder Stapelzellen wurden vor allem beim Fraunhofer Institut für Energiesysteme in Freiburg/Breisgau entwickelt und perfektioniert, wofür der Bundespräsident die dortigen Forscher erst vor kurzem mit dem Deutschen Umweltpreis 2012 ausgezeichnet hat.

Allerdings funktioniert das Brennglas-Prinzip nur bei direkter Sonneneinstrahlung. Zudem verlangt es eine recht aufwändige Mechanik zur automatischen Nachführung der Module, damit der Brennpunkt immer genau auf der winzigen Solarzelle liegt. Derzeit wird das größte Solarzellen-Kraftwerk der Welt mit über 300 MW Leistung in der Nähe von San Diego in der Wüste gebaut – mit eben jenen Konzentrator-Solarzellen.

Ein typisches Modul mit diesen Zellen ist ein hermetisch dichter flacher Kasten von etwa 1 m x 0,7 m x 0,1 m (L, B, H). Schon wegen der Dichtheitsanforderungen – ein Solarmodul soll über 20 Jahre funktionieren – muss es in einem Schritt gebondet werden. Zudem lässt es sich nicht aus kleineren Untermodulen zusammenbauen. Diese Größe gibt schließlich den Arbeitsbereich des Bonders vor.

Batterien für Elektroautos

Die zweite Marktnische, die man bei der Entwicklung ins Auge gefasst hatte, waren Batterien für Elektrofahrzeuge. Der Grund dafür ist, dass es für Elektroautos wichtig ist, hunderte oder tausende Verbindungen zwischen den Batteriezellen herzustellen, die robust und langlebig sind und gleichzeitig einen niedrigen Widerstand aufweisen. Batteriezellen sind aber, was ihre Metallgehäuse angeht, recht empfindlich. Sie vertragen Standardschweißverfahren mit ihren hohen Temperaturen nicht gut. Löten kann man sie noch schlechter, und klassische lösbare Verbindungen wie Schrauben oder Klemmen sind – das weiß jeder ältere Autofahrer – notorisch empfindlich für kriechende Korrosion. Das Drahtbonden ist da mit Abstand das robustere Kontaktierverfahren.

Das liegt daran, dass einerseits das Drahtbonden, anders als klassische Schweißverfahren, ohne thermische Belastung auskommt, andererseits, weil kein drittes Material zu den Schweißpartnern hinzukommt, wie etwa beim Löten oder Kleben. Dies mag verwundern, wird doch derzeit allenthalben die bevorstehende Ablösung des Drahtbondens durch andere Kontaktierverfahren für Halbleiter (wie etwa Flip-Chip o.ä.) gepredigt. Wir bei F&K Delvotec sehen das gelassener, denn das Drahtbonden hat sich in seiner langen Geschichte immer noch als herausragend flexible, robuste und vor allem auch kostengünstige Verbindungstechnologie erwiesen. Besonders für Dickdrahtverbindungen in der Leistungselektronik sieht man derzeit auf dem Markt einen regelrechten Boom der Dickdrahtbonds mit einem gewaltigen Wachstum vor allem bei neueren Technologien mit Kupferdraht. Alternative Interconnect-Techniken werden wohl zusätzlich in den Markt drängen, aber nicht unbedingt das klassiche Drahtbonden ersetzen.

Überdies handelt es sich um ein kostengünstiges Verfahren, was einen gravierenden Vorteil angesichts der sowieso schon hohen Kosten der Batteriesysteme für Elektro-Fahrzeuge darstellt. Erstaunliche 50 Prozent der Batteriekosten entfallen auf Gehäuse und Verbindungstechnik, nur die andere Hälfte auf die eigentlichen Lithium-Akkuzellen. Nun könnte man freilich die riesigen Batteriesysteme eines Elektroautos auch in mehrere kleinere Teilsysteme aufteilen und sie einzeln auf konventionellen Drahtbondern herstellen. Anschließend könnte man sie dann zusammenschalten. Das ist aber nicht sinnvoll, weil die Gehäuse für die Batterien dann unnötig schwer werden. Und jedes Kilogramm Gewicht, das man bei Elektrofahrzeugen einsparen kann, zählt quasi doppelt, denn man kommt dann auch mit weniger Motorleistung aus, also mit leichteren Motoren mit leichteren Batterien und so fort. Die Alternative wäre ein größeres Batterieaggregat in mehreren Schritten zu bonden und dazwischen zu wenden. Jedoch ist dies aufgrund des hohen Gewichts der Teile kompliziert und teuer. Ein großer Arbeitsbereich ist also auch an dieser Stelle günstig. Daher haben wir schon einige Kunden aus der Elektroauto-Branche für unseren neuartigen Bonder gewinnen können.

Weitere Zukunftsmärkte sind ebenso in Sicht. Sehr große Leiterplatten sind für gewisse militärische Anwendungen gefordert, etwa die großen Schaltungen für Phased-Array-Radare in Flugzeugen. Darüber hinaus werden große, mit LEDs hinterleuchtete LCD-Displays für Fernsehgeräte immer attraktiver. Jene LEDs lassen sich auf dem G5-XL-Bonder in einem Stück bearbeiten, dann allerdings mit Dünndrahtverfahren oder dünnen Ribbons – beides Techniken, die mit dem G5-XL-Bonder bereits erfolgreich getestet wurden. Da sich der Bondkopf in Minuten vom Benutzer selbst wechseln lässt, ist die Umrüstung kein Problem.

Überzeugende Leistungsmerkmale

Die Entwicklung des Riesenbonders ging rasch und problemlos vor sich: In knapp neun Monaten nach dem Projektstart war bereits der erste Prototyp im Einsatz. Diese kurze Entwicklungszeit zeigt die Stärke der konsequenten Plattformstrategie auf Herausforderungen reagieren zu können. Die G5 XL ist ganz konsequent aus bewährten, in mehreren hundert Exemplaren gebauten Standardkomponenten der Bonder G5 und dem Doppelkopf-Schwestermodell G5-2 abgeleitet: Das vibrationsgedämpfte Chassis, Stromversorgung, Motorsteuerung, Bilderkennung und die zwischen Dünn- und Dickdraht austauschbaren Bondköpfe sind absolut identisch.

Fast noch wichtiger ist aber, dass die Software ebenfalls aus der Standardfamilie übernommen werden konnte, denn hier steckt normalerweise nicht nur die meiste Arbeit, sondern auch die häufigsten bösen Überraschungen. Nur die Linearantriebe mit ihren gewaltigen Längen von über 1200 mm in der X-Achse und gut 800 mm in der Y-Achse, vor allem aber der schwingungstechnisch höchst ausgefeilte Kranarm, der den Bondkopf über die Arbeitsfläche bewegt, wurden neu entwickelt. Mit dieser kniffligen Konstruktion bewegt die Maschine den Bondkopf innerhalb von Sekundenbruchteilen über Distanzen von mehr als einem Meter, das aber auf ein Mikrometer genau – und zudem völlig schwingungsfrei. So einen Roboterarm gab es bislang nicht.

Hier liegt auch einiges technisches Neuland. Schließlich wollte man nicht einfach ein Portalsystem einsetzen, wie es für einen so großen Arbeitsbereich eigentlich die naheliegende Lösung wäre. Portalsysteme haben den großen Nachteil, dass sie für das Bauteilehandling eine gewaltige Einengung bedeuten. Ein kran-ähnliches Auslegersystem mit einseitig gelagertem Bondkopfaggregat ist aber technisch bedeutend anspruchsvoller umzusetzen. Dabei ist nämlich die Herausforderung zu meistern, dass der Ausleger sich während des Bondens in Z-Richtung, also vertikal, nur um Bruchteile eines Mikrometers bewegen darf, um die Qualität des erzeugten Drahtbonds nicht zu gefährden. Schwingungsgedämpfte Baugruppen sind demnach entscheidend für den Erfolg, und in einer aufwändigen Finite-Elemente-Simulation in Zusammenarbeit mit führenden Universitätsinstituten sowie dem jahrelangen Know-how im Hause konnte dieses System in sehr kurzer Zeit entwickelt werden. Auch der Einsatz von optimierten, neuartigen Werkstoffen für den Kranarm erlaubte einen technologischen Sprung. Beachtlich ist all das besonders deshalb, weil der Arbeitsbereich der G5-XL stolze 44 Mal größer ist als die vorherigen Modelle.

Die gewählte Ausleger-Konfiguration hat für den Nutzer den großen Vorteil, dass der Zugang zum Arbeitsbereich nicht nur zu den Seiten hin frei ist, sondern auch nach vorne. Bauteile können also manuell sehr einfach von vorne eingelegt und entnommen werden. Das ist vor allem dann ein Vorteil, wenn die endgültige Bauteilform noch nicht feststeht und der Bonder während der Entwicklungsphase möglichst flexibel sein soll. Eine automatische Bauteilzuführung lässt sich dann später jederzeit nachrüsten. Zu erwähnen ist auch, dass die gewählte Bondergeometrie im Extremfall sogar zulässt, Produkte mit bis zur doppelten Breite der heutigen Arbeitsfläche, also bis zu etwa 1500 mm, in zwei Durchgängen zu bonden, ohne den Bonder dabei gravierend umbauen zu müssen. In der X-Richtung, in der die Bauteile transportiert werden, ist die Bauteilgröße ohnehin nicht beschränkt.

Damit sollten sich also auch riesige Bauteile, wie etwa Batteriemodule für künftige Elektrobusse in einem Stück bonden lassen. Mit diesen vielfältigen Einsatzmöglichkeiten bleibt der Bonder eine sichere Investition für viele Jahre, denn er enthält ja quasi die nächste Generation schon im Voraus. Die liegen aber vielleicht gar nicht so weit entfernt, denn einer der ersten Kunden für den neuen Bonder fertigt genau das: Batterien für elektrische Nutzfahrzeuge wie Busse oder Lkw in China.

(mrc)