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“. Dieses Fertigungsverfahren wurde nun im Rahmen des durch EFRE.NRW innerhalb des Leitmarktwettbewerbs Produktion.NRW geförderten Projekts „Hochleistungsbonden in energieeffizienten Leistungshalbleitermodulen“ in einer Kooperation zwischen der Hesse GmbH (Paderborn), der Infineon Technologies AG (Warstein) sowie dem Lehrstuhl für Dynamik und Mechatronik der Universität Paderborn innerhalb von 3 Jahren (1.4.2016-31.3.2019) weiterentwickelt.
Es wurde ein neu konzipiertes Schwingsystems aufgebaut, das durch mehrdimensionale multifrequente Anregung genügend Ultraschallleistung bereitstellt, um Kupferhalbzeuge mit größerem Querschnitt (bis zu 3 mm2 statt bisher 0,3 mm2) zuverlässig anzubinden. Die notwendige Ultraschallleistung (bis zu 300 W) wird dabei schonend und effizient in die Verbindungsstelle eingebracht, ohne Beschädigungen hervorzurufen. Es ist zudem gelungen, den Lötprozess beim Setzen von Steckern in Leistungshalbleitermodulen zu substituieren. Dadurch kann der Wirkungsgrad von Leistungshalbleitermodulen zukünftig weiter gesteigert werden und damit zu einer effizienteren Energieversorgung beitragen.
Es ist zu erwarten, dass durch den neuen Hochleistungsbondprozess die Flexibilität des Verfahrens und die Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitermodulen weiter erhöht werden können, indem z. B. Bondverbindungen auf dynamisch weichen oder empfindlichen Untergründen prozesssicher durchgeführt werden können. Dadurch wird die Effizienz des Herstellprozesses gesteigert und es werden Ressourcen geschont. Die wissenschaftlich-technischen Erkenntnisse und Ergebnisse wurden der Öffentlichkeit in Form von Präsentationen und Veröffentlichungen auf Fachtagungen und in Fachzeitschriften vorgestellt. Zwei auf den Projektergebnissen basierende Dissertationsschriften sind in Vorbereitung.
Möglich wurde der Projekterfolg durch die konsequent modellbasierte Entwicklung von Ultraschallschwingern und Bondwerkzeugen bis hin zur modellbasierten Wahl der Bondparameter in enger Zusammenarbeit von Universität und Firmen. Im Nachgang zum Projekt wird derzeit die Entwicklung eines serientauglichen Geräts auf Basis des im Projekt erstellten Prototyps geprüft. Darüber hinaus haben sich die Projektpartner weiter gut vernetzt und die Zusammenarbeit wird derzeit in drei bilateralen und in einem öffentlich geförderten Großprojekt (EU-ECSEL „Power2Power“) fortgesetzt. Mit dem neuartigen Verfahren wird es möglich sein, neue Generationen von hochqualitativen Leistungshalbleitermodulen effizient und ressourcenschonend in NRW zu entwickeln und auf Maschinen „Made in NRW“ herzustellen.
Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
