Bildergalerie
Die Photovoltaikzelle wird mit Goldbändchen auf dem Substrat gebondet.
Die Zellen messen bescheidene 1 x 2 cm und werden in Systeme integriert, welche die Solarstrahlung mit optischen Mitteln um das 500-fache konzentrieren, ähnlich der Wirkung einer konvexen Linse.
Die Bondkopf-Varianten für den Hochgeschwingikeits-Dünndraht-Wedge Bonder BJ 820.
Dickdrahtbonder der Serie BJ93x sind als Vollautomaten für hohe Qualitätsansprüche konzipiert.

Ein recht neuer Rekord der Photovoltaik ist ein Wirkungsgrad von 39 Prozent, den der amerikanische Hersteller Emcore erzielen konnte. Das Rekordergebnis wurde mit einer Multi-Junction-Solarzelle aus der laufenden Produktion erreicht, genauer einer CTJ (Concentrating Triple Junction Solar Cell) für Anwendungen im terrestrischen Bereich. Ein metallisch beschichtetes Keramiksubstrat ermöglicht eine hohe thermische Ableitung, Rück- und Vorderseiten sind elektrisch getrennt. Die Photovoltaikzelle wird mit Goldbändchen auf dem Substrat gebondet. Zum Schutz gegen die nachteilige Strahlungswirkung sind photovoltaische Zelle und die Bondverbindungen mit einer speziell für diesen Zweck entwickelten Beschichtung überzogen.

Die CTJ-Zellen selbst messen bescheidene 1 cm² und werden in Systeme integriert, welche die Sonnenstrahlung mit optischen Mitteln um das 500-fache konzentrieren. Die Wirkweise ähnelt der einer konvexen Linse. Konzentratorzellen haben den Vorteil, dass sich die effektive Ausgangsleistung je Flächeneinheit der winzig kleinen Solarzellen durch Sammellinsen signifikant erhöht. Parallel zur weiteren Optimierung für Konzentratorzellen lässt sich die Technologie des Bondens auch für andere Solarprodukte als Verbindungstechnik nutzen, wie etwa zur Verbindung von Zellen untereinander. Für solche Aufgabenstellungen bietet Hesse & Knipps vollautomatische Dünndraht- sowie Dickdrahtbonder einschließlich der dazugehörigen Automatisierung. Schließlich setzt sich die Technik in der Photovoltaikproduktion immer mehr durch. Sowohl Dünndrähte (12,5 μm bis 85 μm), Dickdrähte (100 μm bis 500 μm) als auch Ribbon (Bändchen aus Aluminium oder Gold (6 μm x 35 μm bis 25 μm x 250 μm) werden dazu genutzt. Diese Verbindungstechnik hat sich als sehr stabil mit geringen Übergangswiderständen und folglich geringen Verlustleistungen bewährt.

Dünne Drähte

Der Wedge-Wedge-Dünndrahtbonder BJ820 ist auf hohen Durchsatz mit bis zu sieben Drähten pro Sekunde bei guter Qualität optimiert, wobei mit 1 μm Achs-Wiederholgenauigkeit eine präzise Positionierung auch für Fine-Pitch-Anwendungen sichergestellt wird. Damit können selbst sehr kleine Bondpads gegebenenfalls mit größeren Drahtdurchmessern zuverlässig getroffen werden. Der Arbeitsbereich von 305 mm x 410 mm ermöglicht das Bearbeiten von extra großen Produkten. Dies ist beispielsweise bei Paneln von Konzentratorzellen ausgesprochen nützlich.

Der Dünndrahtbonder eignet sich für Anwendungen wie Hochfrequenzbauteile, COB (Chip on Board), MCM (Multi Chip Module), Hybride, Glasfaser und Fahrzeugelektronik mit Aluminiumdraht, Golddraht oder Bändchen. Ausformung und geometrische Abmessungen der Bondverbindungen werden analog der Programmierung exakt eingehalten. Die Grundlage dafür bildet eine angemessene Bahntreue in Kombination mit hoher Dynamik.

Dicke Drähte

Auch die Dickdrahtbonder der Serie BJ93x sind als Vollautomaten für hohe Qualitätsansprüche konzipiert. Zur Ausstattung gehören etwa wartungsfreie Festkörpergelenke, ein Touch-down- und Deformationssensor ohne jede Signalverzögerung. Ein aktives Schneidesystem ermöglicht die genaue Positionierung des Messers und damit sowohl wiederholgenaue und präzise definierbare Schnitttiefen als auch bessere Eintauchmöglichkeiten in Gehäuse, da kein Pusher notwendig ist. Im Endeffekt verlängert dies auch die Lebensdauer der Messer – ein relevanter Kostenfaktor. Während der Dünndrahtbonder bis zu sieben Drähte in der Sekunde verarbeitet, bringt es der Dickdrahtbonder Bondjet BJ935 respektive BJ939 bei einem Drahtdurchmesser von 300 μm je nach Anwendung auf zwei bis annähernd drei Drähte pro Sekunde (bei 8 mm Loop-Länge und 4 mm Loop-Höhe). Auch diese Maschinenserie stellt mit bis zu 350 mm x 500 mm einen sehr großen Arbeitsbereich bereit. Damit sind flexible Automatisierungslösungen – auch mehrspurige – ohne Einschränkungen möglich.

Der Kopf macht es

Über die Bondköpfe wird letztendlich das vorgelagert investierte Kreativitätspotenzial realisiert: Erwähnenswert sind die schwingungsarme Grundkonstruktion, die präzise Mechanik und Zuführungen aber auch die gesamte Hardware im Zusammenspiel mit Elementen der Mechatronik, Sensorik und Automation. Die abgestimmte Software für die Regelung und Steuerung erleichtert die generelle Kontrolle über Leitrechner und die Rückverfolgbarkeit eines Produktes sowie die externe Analyse der Prozessdaten.

Dünndrahtbonder mit soliden und verschleißfreien Piezoköpfen verarbeiten als Standardversion Drähte im Zuführwinkel von 45 Grad oder mit speziellem Kopf auch im Winkel von 89 Grad. Aufgrund individueller Fertigungstechniken ist es möglich, Taillänge, Arbeitshub und Öffnung der Drahtklammer frei zu programmieren. Die präzise Kontrolle der Bondkraft wird mit 1 cN Genauigkeit statisch und dynamisch sichergestellt. Beim Dickdrahtbonder der aktuellsten Generation, dem Bondjet BJ93x, lässt sich die Bondkraft von 0 cN bis 1400 cN programmieren. Touch-down-Signal und Deformationssensor reagieren ohne Signalverzögerung. Die Ultraschallschwingung wird über einen voll digitalen Ultraschallgenerator erzeugt. Der im Transducer eingespannte Wedge presst den Draht auf die zu kontaktierende Fläche (Bondpad) und verschweißt ihn mit einer im Programm vorgegebenen Ultraschallleistung und Bondkraft. Durch den Ultraschall wird beim Einsatz von zum Beispiel Aluminiumdraht die oberste Oxidschicht abgetragen und der Draht auf dem Bondpad mikroverschweißt. Die dabei entstehende thermische Belastung ist sehr gering.

Einrichtung mit der E-Box

Sowohl Dünndraht- wie Dickdrahtbonder lassen sich mit der sogenannten E-Box, einem optischen und elektronischen System zur reproduzierbaren Einrichtung der Bondkopfelemente, austatten. Die E-Box umfasst eine Kamera zur optischen Darstellung von Wedge, Messer, Drahtführung und Drahtklammer sowie umfangreiche grafische Hilfen zur Justage und Positionskontrolle. Das kann den Zeitaufwand für Einstellarbeiten pro Maschine signifikant senken.

Für stabile Fertigungsprozesse hat Hesse & Knipps ein neuartiges, prozessintegriertes Qualitätskontrollsystem (PiQC) für Dünndraht- und Dickdrahtbonder entwickelt. Ein in den Transducer (Ultraschallschwinger) integrierter Sensor ermöglicht erstmals eine multidimensionale Signalanalyse des Bondprozesses, wobei der Sensor die Schwingungsamplitude der Wedgespitze und nach erfolgtem Touch-Down eine Rückwirkung des Reibverhaltens aus dem Schweißprozess überwacht und als Qualitätswert berechnet. Das Qualitätskontrollsystem errechnet anhand der ermittelten Messgrößen einen Qualitätsindex in Echtzeit. Gleichzeitig lassen sich die Teile, aus denen sich der Qualitätsindex zusammensetzt, auch jederzeit graphisch darstellen. Zerstörungsfreie Tests, die eine vollständige Kontrolle der Bondverbindungen ermöglichen und eine große Zahl von möglichen Qualitätsfehlern untersuchen können, werden seit vielen Jahren für Drahtbonder gefordert.

Die PiQC-Lösung führt zu keinerlei mechanischen Belastungen der überprüften Drahtverbindungen, arbeitet praktisch vollautomatisch ohne Produktionsbeschränkungen. Zahlreiche Parameter untersucht und dokumentiert das Tool vollautomatisch. Somit ist es möglich, detaillierte Untersuchungsergebnisse für jede einzelne Drahtbondverbindung aufzuzeichnen, also eine komplette Dokumentation der durchgeführten Qualitätskontrolle.

Zuverlässige Verbindungen

Die Leistungselektronik kommt nicht mehr ohne sie aus, genauso wenig die Photovoltaikindustrie: Die Bondtechnik erobert immer mehr Terrain außerhalb der klassischen Halbleiterfertigung. Zwischenzeitlich haben sich verschiedene Techniken entwickelt, so dass es für die jeweilige Anwendung die passende Drahtvariante mit entsprechender Bondtechnik gibt.

SMT Hybrid Packaging 2013, Halle 7, Stand 307