ie Leistungselektronik stellt die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) vor ständig neue Herausforderungen, weil immer größere Ströme zu bewältigen sind.
Die weitaus wichtigste Kontaktierungstechnologie, das Drahtbonden mit Aluminium-Dickdraht, verarbeitet mit einem Ultraschall-Reibschweißverfahren Aluminiumdrähte bis zu etwa 500 µm Durchmesser. Sie weisen einen Durchbrennstrom bis zu 35 A bei typischen Verbindungslängen auf; für höhere Ströme in modernen Leistungsmodulen werden einfach mehrere Drähte parallel gebondet. Das Drahtbonden hat drei Stärken: die Bonds sind äußerst zuverlässig und langlebig; das Verfahren ist extrem flexibel und sehr kostengünstig. Dem gegenüber stehen zwei Herausforderungen: die Bondpartner müssen penibel sauber sein und die Kontaktfläche (Chip oder Substrat) muss stabil und unbeweglich gehaltert sein. Je dicker der zu bondende Draht ist, desto mehr Ultraschall-Energie ist notwendig und desto anspruchsvoller wird die feste Klemmung der Bauteile. Das begrenzt die praktisch einsetzbaren Drahtstärken auf rund 500 µm oder auf rechteckige Bändchen bis zu etwa 2 x 0,3 mm.

Bild 1: Der Laserbonder besteht aus einer Drahtbonder-Basis (rechts) und einem angekoppelten Infrarot-Faserlaser (links).

Bild 1: Der Laserbonder besteht aus einer Drahtbonder-Basis (rechts) und einem angekoppelten Infrarot-Faserlaser (links). F&K Delvotec Bondtechnik

Bild 2: Arbeitsbereich mit Bondkopf: Das Laserbonden verlangt keine aufwändige Klemmung der Werkstücke; Eintauchtiefen bis zu 100 mm sind möglich.

Bild 2: Arbeitsbereich mit Bondkopf: Das Laserbonden verlangt keine aufwändige Klemmung der Werkstücke; Eintauchtiefen bis zu 100 mm sind möglich. Fraunhofer ILT

Bild 3a: Deep-Penetration-Welding: Die vom Fraunhofer ILT weiterentwickelte Technik des Laserschweißens erzeugt über interne Reflektion sehr tiefe Schmelzzonen mit steilen Flanke.

Bild 3a: Deep-Penetration-Welding: Die vom Fraunhofer ILT weiterentwickelte Technik des Laserschweißens erzeugt über interne Reflektion sehr tiefe Schmelzzonen mit steilen Flanke. Fraunhofer ILT

Bild 3b:  Deep-Penetration-Welding graphisch dargestellt: Durch die Verfahrenstechnik lassen sich die Einschweißtiefe und Nahtbreite unabhängig voneinander einstellen.

Bild 3b: Deep-Penetration-Welding graphisch dargestellt: Durch die Verfahrenstechnik lassen sich die Einschweißtiefe und Nahtbreite unabhängig voneinander einstellen. Fraunhofer ILT

Bild 4: Nahtfestigkeit vs. Oszillationsamplitude: Beim Laserbonden lässt sich eine sehr breite Schweißnaht mit hoher Stromtragfähigkeit herstellen, ohne die Schweißzeit und den Energieeintrag zu erhöhen.

Bild 4: Nahtfestigkeit vs. Oszillationsamplitude: Beim Laserbonden lässt sich eine sehr breite Schweißnaht mit hoher Stromtragfähigkeit herstellen, ohne die Schweißzeit und den Energieeintrag zu erhöhen. Fraunhofer ILT

Bild 5: Batteriezelle Typ 18650 mit lasergebondetem Bändchen am Pluspol: große Leitungsquerschnitte lassen sich mit
geringem Kraftaufwand und höhentolerant anbinden.

Bild 5: Batteriezelle Typ 18650 mit lasergebondetem Bändchen am Pluspol: große Leitungsquerschnitte lassen sich mit geringem Kraftaufwand und höhentolerant anbinden. Fraunhofer ILT

Elektromobilität fordert Bondverbindungen

Ein neues Arbeitsgebiet sind Speicherbatterien für Elektrofahrzeuge, die zum Beispiel bei Tesla Motors mehrere tausend Lithium-Batteriezellen vom Typ 18650 enthalten können. Hier ist das Drahtbonden mit dicken Aluminium-Drähten das weitaus führende Verbindungsverfahren. Es stößt aber wiederum an Leistungsgrenzen, sobald Ströme über 20 A verlangt werden, entweder um Zellen direkt zu verketten oder für neuere Zelltypen, die Ladestrom von bis zu 45 A vertragen. Parallele Drähte oder Ribbons sind wegen der höheren Kosten derzeit nicht attraktiv.
Eine Alternativtechnologie besteht prinzipiell im Laserschweißen, das in einigen Punkten das Drahtbonden ergänzt: Es hat geringere Anforderungen an Oberflächenqualität und Anpressdruck während des Prozesses, kann aber gleichzeitig Verbinderelemente von praktisch beliebig großem Querschnitt verarbeiten. Dagegen stehen einige Nachteile, hauptsächlich die schwierigere Automatisierbarkeit: Während beim Drahtbonden der Stromverbinder (Draht oder Bändchen) in beliebiger Länge von einer Spule kommt, ist beim Laserschweißen ein vorgefertigter Verbinder nötig, der zum Verschweißen auf den Kontaktflächen positioniert und festgehalten werden muss. Toleranzen in den Kontaktpositionen und Höhenvariationen verursachen großen Aufwand bei der Automatisierung.

Heutige Verfahrensgrenzen überwinden

Das Beste aus beiden Welten – Laserschweißen und Drahtbonden –wurde nun mit dem neu entwickelten Laserbonder im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundforschungsprojektes RoBE (Robustheit für Bonds in Elektrofahrzeugen) von F&K Delvotec Bondtechnik und dem Fraunhofer ILT in Aachen realisiert. Der Laserbonder besteht aus zwei Hauptkomponenten: einer Drahtbonder-Basis von F&K Delvotec (rechts im Bild 1) und einem Faser-Laser von etwa 1000 W Leistung und 1070 nm Emissionswellenlänge (mit Steuerung im Schaltschrank links im Bild 1). Die Laserstrahlung wird über eine Faserleitung an den Bondkopf gebracht, wo ein Galvanometer-Scanner montiert ist.

Dieser Scanner fokussiert mit einer speziell entwickelten Optikeinheit den Laserstrahl auf einen sehr kleinen Arbeitsfleck, der gezielt vor dem Bondwerkzeug auf dem Bändchen als Bondmaterial bewegt wird (Bild 2). Das Bondwerkzeug dient vor allem dazu, das Bändchen kontrolliert auf der Kontaktfläche niederzuhalten. Die anderen Komponenten des Bondkopfs sind unverändert vom Ultraschall-Bonder übernommen, also die Bändchenführung und das Schneidemesser zum definierten Einstanzen und Abreißen des Bändchens nach dem Schweißen. Bandförmige Verbinder eignen sich wegen ihres rechteckigen Querschnitts für das Laserschweißen besser als Drähte. Als Material ist auch Kupfer sehr gut verwendbar; es leitet Strom besser als Aluminium und ist daher für den Einsatz auf Batterien sehr willkommen. Dabei gilt Kupfer für das Laserschweißen als viel schwieriger zu verarbeiten als Aluminium, weil es Licht von 1 µm Wellenlänge schlecht absorbiert. Anstatt mit einem besser absorbierten grünen Laser zu arbeiten, wird eine am Fraunhofer ILT weiterentwickelte Technik, das Schlüsselloch-Schweißen, eingesetzt.

Wie in Bild 3 dargestellt, erlaubt es Deep-Penetration-Welding anstatt Wärmeleitungsschweißen und erzeugt über interne Reflektion sehr tiefe Schmelzzonen mit steilen Flanken. Die Nebenwirkung, dass eine sehr schmale Schweißnaht nur eine kleine Anbindungsfläche und damit unnötig hohen Übergangswiderstand erzeugt, tritt gar nicht erst ein, weil der Laserstrahl nicht nur linear, sondern zusätzlich durch den Galvanometerscanner kreisförmig oszillierend geführt wird. Im Ergebnis erhält man eine Schweißnaht, bei der Einschweißtiefe und Nahtbreite unabhängig voneinander einstellbar sind, und die sehr stabil mit geringen Einschweißtiefen auskommt..

Laserbonden ist attraktiv für Li-Batteriezellen

Bild 4 zeigt, wie die mechanische Festigkeit der Schweißnaht von Vorschubgeschwindigkeit und Oszillationsamplitude abhängt. Sie lässt sich bei gleichbleibender Bearbeitungszeit und damit konstantem Energieeintrag mehr als verdoppeln. Somit lässt sich beim Laserbonden eine fast beliebig große Anbindungszone mit entsprechend hoher Stromtragfähigkeit herstellen, gleichzeitig aber die Einschweißtiefe gering halten. Dieses Verfahren ist sehr attraktiv für Batteriezellen vom Typ 18650: der Pluspol ist ein gekröpftes Blech-Formteil, das in der Mitte schwebend mit einem Kupferbändchen ohne große Kräfte kontaktiert wird, wie in Bild 5 gezeigt ist. Noch vorteilhafter ist der Bond zum Minuspol, dem Zellgehäuse, das aus einem nur etwa 250 µm dünnen Blech besteht. Mit dem Laserbonder ist es sogar möglich, die Verbindung auf dem Bördelrand oben an der Zelle herzustellen und damit beide Kontaktierschritte von oben durchzuführen. Das vereinfacht die Fertigung deutlich.
Größere prismatische Batteriezellen besitzen eigene massive Kontaktblöcke und benötigen bedeutend höhere Ströme. Angepasste Laserbonder für Bändchen bis zu 10 mm Breite und 1 mm Dicke sind im Rahmen des eben begonnenen Verbund-Forschungsprojektes FlexJoin – worunter eine effiziente Batterieproduktion mittels Lasertechnik zu verstehen ist – mit Förderung durch das BMWi bereits in Entwicklung.
Das Fernziel des Laserbondens ist aber schlussendlich die Anwendung auf Halbleitern. Heute sind die Einschweißtiefe und der thermische Energieeintrag noch so hoch, dass selbst bei dicken Pufferschichten aus Kupfer auf dem Halbleiter ein hohes Schädigungsrisiko besteht. Es sind aber bereits vielversprechende Entwicklungen im Gange. Mit separat aufgesinterten Pufferlagen und dem Limbo-Laserschweißverfahren (Laser Impulse Metal Bonding) wird die Kontaktierung mit einer definierten Schmelzzone aus dem Kupferbändchen über einen Spalt hinweg auf dem Chip besorgt, was die Wärmebelastung des Halbleiters auf einen Bruchteil reduziert. Innerhalb weniger Jahre könnte sich damit eine rasante Entwicklung vollziehen.

Robustheit für Bonds im E-Fahrzeug (RoBE)

Um die Zuverlässigkeit von Bondverbindungen weiter verbessern zu können, ist ein grundlegend tieferes Verständnis der Einflussfaktoren und der mechatronischen Zusammenhänge dieser Technik unabdingbar. Durch die zielgerichtete Erforschung der Prozesse und Materialien der Drahtbondtechnologie und der Entwicklung alternativer Techniken lassen sich heutige Verfahrensgrenzen überwinden. Wichtigster Hebel zur Erforschung der benötigten innovativen Lösungen war in diesem Projekt die Zusammenführung der Kompetenzen entlang der kompletten Entwicklungs- und Entstehungskette durch die Kooperation von Industrie und Forschungsinstituten. Unter der Führung von Audi (Fahrzeughersteller) setzte RoBE mit den Partnern Conti Temic Microelectronic (Zulieferer der Automobilindustrie), Infineon Technologies (Hersteller leistungselektronischer Module), F&K Delvotec (Hersteller Bondautomaten), W.C. Heraeus (Hersteller Bondmaterialien), LTI Drives (Hersteller Industrie- und Solarumrichter), S&F Systemtechnik (Automatisierung) und den Forschungsinstituten Fraunhofer IZM und Fraunhofer ILT mit einer Laufzeit von drei Jahren einen neuen Benchmark für die Zuverlässigkeit von Bondverbindungen. Das Verbundprojekt RoBE wurde im Rahmen des Programms IKT 2020 im Themenfeld „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM)“ gefördert und vom BMBF unterstützt.