Qualifizierung der Kupfer-Drahtbondtechnologie für integrierte Leistungsmodule in harschen Umgebungsbedingungen

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Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-04-15
Issue Year
2018
Authors
Kästle, Christopher
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-146-1
Abstract

From the generation of electrical energy through distribution and storage to the use in mechatronic applications, power electronic switches are the backbone of global megatrends. As a bottleneck in today's power electronics, the current assembly and interconnection technology cannot keep up with the increased technological and economic requirements. This holds especially true for the established aluminum wire bonding contacts. A material-sided adaptation of the established aluminum wire bonding process to copper offers the opportunity to significantly expanding the range of applications of wire bonding technology. Increased current flows can be handled even at elevated ambient temperatures. An adjusted material matrix reduces thermo-mechanical stress and thus increases reliability of the electromechanical system. Statistical methods and models allow deduction of process windows, the assessment of the process partners’ influence and an adapted process and product design. At the same time, copper wire bonding allows for customized layout designs. Not only being cost-efficient and robust, but also being a flexible interconnection pro-cess, copper wire bonding bears the chance to be a valuable partner for additive manufacturing technologies in creating advanced layouts and packages. As a bridge between signal and power electronics, wire bonding can ensure the neces-sary flexibility of future manufacturing concepts. A rigid, purely two-dimensional de-sign and manufacturing philosophy is thus replaced by integrated power electronics in flexible and individual installation spaces and modules. Being a bridge between the signal and power electronics, wire bonding can ensure the necessary flexibility for prospective manufacturing concepts. This work qualifies the copper wire bonding process for integrated power modules in harsh environmental conditions. The focus is on a material-sided adaptation of the bonding process as well as the integration of the copper bonding process in a varia-ble and robust manufacturing environment.

Abstract

Entlang des elektrischen Energieflusses begleitet und ermöglicht die Leistungselektronik gesamtgesellschaftliche technologische Entwicklungen. Leistungselektronik hat dabei die Aufgabe, den Energiefluss von der Quelle zum Verbraucher effizient, zuverlässig, bedarfsorientiert und zeitoptimiert zu steuern. Von der Erzeugung der elektrischen Energie über die Verteilung und Speicherung bis hin zur Nutzung in mechatronischen Anwendungen sind leistungselektronische Schalter die Stellglieder globaler Megatrends. Als Engpass der heutigen Leistungselektronik ist die aktuelle Aufbau- und Verbindungstechnik den gestiegenen technologischen und wirtschaftlichen Anforderungen nicht gewachsen. Dies gilt insbesondere für die etablierten Aluminium-Drahtbondkontakte. Eine werkstoffseitige Anpassung des Drahtbondprozesses an das Material Kupfer bietet die Chance, das Einsatzspektrum der Drahtbondtechnologie durch die Realisierung eines Monomaterialsystems signifikant zu erweitern. So kann die durch den erhöhten Stromfluss entstehende Erwärmung, auch bei gesteigerten Umgebungstemperaturen bewältigt werden. Eine aufeinander abgestimmte Materialmatrix reduziert zusätzlich thermomechanische Spannungen und erhöht so die Zuverlässigkeit des elektromechanischen Systems. Statistische Methoden und Modelle erlauben dabei das Aufstellen von Prozessfenstern, die Beurteilung des Einflusses des Prozesspartners und die angepasste Prozess- und Produktauslegung. Gleichzeitig bietet der Kupfer-Bondprozess die Möglichkeit einer variablen Layout-Gestaltung. Als kosteneffiziente, robuste und flexible Fertigungstechnologie birgt der Kupfer-Drahtbondprozess das Potenzial, ein wertvoller Partner für additive Fertigungsverfahren zu sein. Eine starre, rein zweidimensionale Design- und Fertigungsphilosophie wird so durch integrierte Leistungsmodule in flexiblen und individuellen Bauräumen und Modulen ersetzt. Als Brücke zwischen der Signal- und Leistungselektronik kann das Drahtbonden die notwendige Flexibilität zukünftiger Fertigungskonzepte sicherstellen. In diesem Kontext qualifiziert die vorliegenden Arbeit die Kupfer-Drahtbondtechnologie für den Einsatz in integrierte Leistungsmodule sowie unter harschen Umgebungsbedingungen.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
310
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-145-4
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