Batteriebonden

Batteriebonden, bei dem die Batterien mittels dünner Drähte verbunden werden. (Bild: F&S Bondtec)

Batteriemodule werden nicht nur im allgemeinen Aufschwung im Bereich der Elektromobilität in einer Vielzahl von Größen, Formaten und Stückzahlen hergestellt – von sechs oder acht bis zu über tausend Zellen in einem Pack. Dazu gehören neben solchen für die Fahrzeug- und Antriebstechnologie auch solche für Akkuwerkzeuge oder stationäre Speicher. Eine große Anzahl von Neueinsteigern ist weltweit in diesen Markt eingetreten und muss sich jetzt mit der neuen Technologie auseinandersetzen. Dabei hat derjenige einen Wettbewerbsvorteil, der mit kurzer „Time-to-Market“ neue Nischen besetzen und auch kleine Stückzahlen mit höchster Qualität kostengünstig liefern kann.

Eine Schlüsselposition bei der Modulproduktion hat die elektrische Verschaltung der Batteriezellen. Mehrere Technologien sind dafür gebräuchlich. Für die Verbindung von zylindrischen Lithium-Batteriezellen ist dies vor allem das Drahtbonden. Diese Technologie ist in der Halbleitertechnologie etabliert und zeichnet sich vor allem durch hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Verbindungen aus. Außerdem ist die Flexibilität der Verbindungstechnologie ein großer Vorteil – unterschiedliche Zell- oder Modulgeometrien erfordern keine eigens angefertigten Verbindertypen, sondern werden einfach durch unterschiedlich orientierte Drahtbonds unterschiedlicher Länge dargestellt.

„Time-to-Market ist in einem so dynamischen Umfeld wie der Elektromobilität ein Schlüssel zum Erfolg. Bei High-Mix/Low-Volume-Fertigungen helfen moderne Bondsysteme vor allem Einsteigern beim schnellen und erfolgreichen Wachstum.“

 

Siegfried Seidl, MAS, geschäftsführender Gesellschafter bei F&S Bondtec Semiconductor

Dazu kommt die – etwa im Vergleich zum sehr einfach anzuwendenden Widerstandsschweißen – wesentlich geringere Störanfälligkeit und damit bessere Ausbeute. Im Vergleich zum ebenfalls attraktiven Laserschweißen, das für höhere Ströme besonders häufig eingesetzt wird, ist das Drahtbonden mit drastisch geringeren Investitionskosten realisierbar, hat dabei aber eine vergleichbare Produktivität und ist somit sehr wirtschaftlich.

Vortrag auf der Virtual Battery Exhibition 2020: Manufacturing Battery Modules via Wire Bonding (engl.)

Dieser Vortrag wurde auf der Virtual Battery Exhibition 2020 gehalten - er behandelt die grundlegenden Konzepte des Drahtbondens sowie die Schlüsselfaktoren, auf die sich Anwender konzentrieren sollten.

Drahtbonder bringen aus der Halbleitertechnologie bereits viele technische Fähigkeiten mit, so etwa die automatische Höhen- und Positionskorrektur der exakten Bauteillage durch automatische Bilderkennung oder eine Prozessverfolgung des Schweißvorgangs. Das macht nicht nur den Prozess robuster, sondern erlaubt auch eine lückenlose Nachverfolgung jeder einzelnen Bondverbindung auch noch nach Jahren.

Mit dem Fokus auf Marktsegmente, in denen neue Produkte und Prozesse entwickelt und eingeführt werden, hat F&S Bondtec Drahtbonder im Programm, die den genannten Anforderungen Rechnung tragen. Sie sind auf überschaubare Stückzahlen ausgelegt und das Hauptaugenmerk liegt auf rascher Produkteinführung. Für den Bonder heißt das, dass einerseits das Bedienertraining rasch und einfach erfolgen muss, die Software also nutzerfreundlich sein muss. Zum anderen sind aber auch die Bonder sehr schnell auf unterschiedliche Produkte und Prozesse umrüstbar. Eine High-Mix/Low-Volume-Produktion ist damit problemlos möglich.

 Drahtbonder Serie 56i und 58
Time-to-Market im Fokus – Drahtbonder Serie 56i und 58 (Bild: F&S Bondtec Semiconductor)

Wie werden Batterien für das Bonden vorbereitet?

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für problemloses Drahtbonden von Batteriepacks ist eine einwandfreie Bondoberfläche der Batteriezellen. Eine nicht absolut reine Oberfläche erschwert den Bondvorgang enorm. Schmutz oder sonstige Kontaminierungen auf den Kontakten der Batteriezelle können durch organische Verschmutzung oder auch durch Oxidation entstanden sein. Eine erschwerte Bondbarkeit kann auch unterschiedlichen Fabrikaten an Zellen geschuldet sein, oder aber, sich durch unterschiedliche Lagerung der Zellen ergeben haben. Auch unterschiedlich lange Lagerdauer kann die Bondbarkeit der Zellkontakte verändern.

CO2-Schneestrahl-Reinigungseinrichtung
CO2-Schneestrahl-Reinigungseinrichtung für optimales Bonden und nachgelagerte Prozesse wie z.B. den Dichtungsauftrag (Bild: F&S Bondtec Semiconductor)

Um hohe Qualitätsanforderungen in diesem Bereich zu erfüllen, wurde jetzt eine integrierte Reinigungseinrichtung mit dem CO2-Schneestrahlen entwickelt. Mit ihr können organische oder anorganische Verunreinigungen der Bondflächen auf Batteriezellen entfernt werden. Das stellt die Bondqualität auch für schwierige Zellqualitäten sicher, die aufgrund unterschiedlicher Anlieferqualität, wechselnder Zulieferer oder auch variierender Lagerkonditionen vorkommen. Diese CO2-Schneestrahleinrichtung ist am Bondkopf montiert und so in die Software eingebunden, dass automatisch vor dem Bondprogramm in einer optimierten Wegsteuerung alle zu bondenden Flächen kontrolliert gereinigt werden. Darüber hinaus können auch andere Flächen auf dem Batteriemodul bearbeitet werden, etwa Gehäuseränder, auf denen nach dem Bonden Dichtungen für Deckel aufgeklebt werden sollen. Auf diese Weise können weitere Prozessschritte gleichzeitig und kostengünstig mit vorbereitet werden. Diese ganzheitliche Prozessbetrachtung ist ein Aspekt für einen einfacheren Markteinstieg. Und der hat darüber hinaus weitere Faktoren: Erfolgreich in den Markt einzusteigen und zu wachsen, bedeutet nicht nur, die richtige Technologieentscheidung zu treffen, die Technologie so früh wie möglich zu lernen und zu beherrschen, sondern auch Partner zu haben, die schon im Vorfeld bei der Entwicklung von Produkten und Prozessen mit Musterbonden, Pilotfertigungen und Trainings unterstützen.

So funktioniert die CO2-Reinigung

Der Reinigungsstrahl verfährt mit dem Bondkopf über die Batteriepole und reinigt diese effizient. Es laufen dabei mehrere Prozessschritte ab. Zuerst entfernen die CO2-Eispartikel die Kontaminierungen auf den Kontakten, ähnlich wie ein weicher Sandstrahl. Zweitens, friert das CO2 die Verunreinigungen auf der Nickeloberfläche ein, sodass diese bereits durch den Gasstrahl der JetBox entfernt werden. Abschließend befreit der Strahl selbst die Zelloberfläche von letzten Kontaminierungen.

Der Autor

Dr. Josef Sedlmair, Technisches Marketing, F&S Bondtec Semiconductor GmbH, Braunau/Inn

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