Ultrasonic Systems and Processes

Ultrasound is used in a wide variety of areas of technology. Our focus is currently in the field of power ultrasound in actuator technology. High-frequency mechanical oscillations with low amplitude (< 100 µm) and high frequency (> 20 kHz) generate large velocities, sound pressures and accelerations, which can be transmitted to various fluids and solids and often can hardly be achieved by other technologies. Applications such as cleaning, machining and bonding have been in industrial use for decades. Nevertheless, there is a need for research, as many of the known processes have been developed empirically based on existing ultrasonic systems. With modern models, calculation methods and further developed control technologies, efficiency and performance can be increased and thus optimized systems can be built and new applications opened up.

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Aktuelle Projekte

Geometrieoptimierung von Bondwerkzeugen

Das Bondwerkzeug, oft auch als Bonding Tool bezeichnet, dient beim Ultraschall-Drahtbonden zur Übertragung der Schwingbewegung auf den Draht. Die Spitze von Bondwerkzeugen ist in der Regel so gestaltet, dass der Draht seitlich geführt wird.

Nichtlineare Eigenschaften von Piezokeramiken

In der DFG-Forschungsgruppe "NEPTUN" befassen wir uns gemeinsam mit dem EMT mit der Vermessung des thermopiezoelektrischen Materialverhaltens im Ultraschallbereich.

Ultraschall-Dickdrahtbonden

Das Ultraschall-Dickdrahtbonden ist eine vielfältig in der Halbleiterindustrie eingesetzte Verbindungstechnik. Hierbei werden Drähte mit einem Durchmesser von 75 μm bis 600 μm genutzt, um z. B. die IGBT-Chips in Hochleistungsmodulen zu verbinden.

Untergrunddynamik beim Ultraschall-Schweißen

Der Prozess des Ultraschallschweißens nimmt neben dem Ultraschall-Drahtbonden eine wichtige Rolle in der Leistungshalbleiterelektronik ein. Vor allem die Anschlussverbindungen (sog. Steuer- und Laststromabnahmen) eines Leistungsmoduls werden mithilfe dieses Verfahrens auf dem Substrat verschweißt.

Abgeschlossene Projekte

Experimentelle Untersuchung des Ultraschall-Drahtbondens

Die experimentelle Schwingungs- und Modalanalyse ist ein wichtiges Instrument, um den Einfluss von Untergrundschwingungen auf die Bondqualität während des Bondens zu untersuchen.

Hochintensiver Luftultraschall

Hochintensiver Luftultraschall findet in unterschiedlichen technischen Bereichen Anwendung, z. B. beim Zerstäuben von Flüssigkeiten.

Hochleistungsbonden

Die steigende Stromdichte in zukünftigen Leistungshalbleiterchips erfordert eine Erhöhung des elektrischen Leitungsquerschnitts innerhalb von Leistungsmodulen. Das elektrische Kontaktieren der Chips erfolgt durch das sogenannte „Ultraschalldrahtbonden“.

Intelligentes Kupferbonden

Das Innovationsprojekt „Intelligente Herstellung zuverlässiger Kupferbondverbindungen“ im Spitzencluster it’s OWL zielte darauf, intelligente Verfahren und Systeme zu entwickeln, die auch unter variablen Produktionsbedingungen eine zuverlässige Massenfertigung von Kupferbondverbindungen sicherstellen.

Kavitationsbasierte Prozesse

ltrazusätschall wird zur Effizienzsteigerung in verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt.

Mehrdimensionales Ultraschall-Drahtbonden

Das Ultraschall-Drahtbonden ist seit Jahrzenten als wichtiges Kontaktierungsverfahren in der Mikroelektronik und Halbleiterindustrie etabliert. In der aktuellen Thematik der Energiewende stehen das Gewicht, die Kompaktheit und die Leistungsfähigkeit von Elektronikbauteilen beispielsweise in der Automobilindustrie im Fokus der Entwicklungen.

Modellierung des Ultraschall-Drahtbondprozesses

Durch den teils sehr hohen Zeitaufwand und die damit verbundenen Kosten für die experimentelle Optimierung des Drahtbondprozesses ist die Simulation als Entwicklungstool bei der Auslegung neuer Drahtbondprozesse eine wichtige Komponente.

Piezoelektrischer Energy Harvester

Im Rahmen seiner Dissertation hat sich Herr Dr.-Ing. Waleed al Ashtari mit der modellbasierten Erweiterung eines autonomen Systems um einen piezoelektrischen „Energy Harvester“ befasst. Dieser wandelt Schwingungsenergie aus der Umgebung in nützliche elektrische Energie.

Piezoelektrische Motoren

Piezoelektrische Elemente bieten recht hohe Kräfte, aber ihr Hub ist stark begrenzt. Durch die Addition von Einzelschritten können auch kontinuierliche rotatorische und größere translatorische Bewegungen erzielt werden. Im Folgenden werden verschiedene Mechanismen dazu vorgestellt.

Piezoelektrische Trägheitsmotoren

Piezoelektrische Trägheitsmotoren nutzen die Trägheit einer bewegten Masse, um diese über einen ununterbrochenen Reibkontakt schrittweise zu bewegen. Wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer guten Miniaturisierbarkeit werden diese Motoren zunehmend in Konsumgütern eingesetzt.

Pulvermanipulator

Gegenstand dieses ZIM-geförderten Projekts (KF2363847WO4), das gemeinsam mit der Athena Technologie Beratung GmbH durchgeführt wurde, war die Entwicklung eines modular aufgebauten Gesamtkonzepts für einen Feinpulver-Manipulator.

Ultraschall-Dispergierung

Gegenstand dieses ZIM-geförderten Projekts (ZF40329l8JA7), das gemeinsam mit der Athena Technologie Beratung GmbH durchgeführt wurde, war die Entwicklung eines intelligenten, modularen, ultraschallbasierten Dispergiersystems für Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Ultraschall-Pulvertransport

Der Transport von Feinstpulvern mit Partikelgrößen von wenigen Mikrometern ist eine technologische Herausforderung. Aufgrund der Adhäsionskräfte von Feinstpulvern versagen gängige Transportmechanismen wie zum Beispiel Vibrationsförderer.

Ultraschall-Reinigung

Ultraschallreinigungsbäder werden vielfach in der industriellen Produktion für die Reinigung und Entfettung metallischer Bauteile eingesetzt und sind auch für den Privatgebrauch zur Reinigung von Schmuck und Brillen verfügbar.

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Dr.-Ing. Tobias Hemsel

Dynamics and Mechatronics (LDM)

Head of Engineering, Team Leader "Ultrasonic Systems and Processes"

Write email +49 5251 60-1805

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