Verbindungstechnik Bänder und Flachdrähte für SiC/GaN-Hochstromanwendungen

Autor / Redakteur: Johanna Helm, Benjamin Hertweck * / Gerd Kucera

Sind hohe Leistungsdichten und Ströme in Komponenten der Leistungselektronik oder Batterie-Modulen gefordert, bieten Flachdrähte in Kombination mit einem Laserschweißverfahren anwendungsspezifische Vorteile.

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Bild 1: Schematische Darstellung des Verhältnisses von effektivem Leiterquerschnitt und Bauraumausnutzung für Flach- und Runddraht. Hier wurde exemplarisch eine typische Runddrahtabmessung von 150 µm gewählt. Die Breite des Flachdrahtes ergibt sich damit bzw. mit der Anzahl der Bonds.
Bild 1: Schematische Darstellung des Verhältnisses von effektivem Leiterquerschnitt und Bauraumausnutzung für Flach- und Runddraht. Hier wurde exemplarisch eine typische Runddrahtabmessung von 150 µm gewählt. Die Breite des Flachdrahtes ergibt sich damit bzw. mit der Anzahl der Bonds.
(Bild: KERN-LIEBERS)

Die zunehmende Verwendung von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) in Halbleiterbauelementen ermöglicht eine stetige Erhöhung der Leistungsdichten in leistungselektronischen Komponenten. Folglich sind höhere Leitungsquerschnitte zur Versorgung dieser Bauelemente notwendig. Für die elektrische Kontaktierung werden häufig Runddrähte und als Kontaktierungsmethode das Drahtbonden gewählt. Allerdings stößt diese Fügetechnik bei hohen Leiterquerschnitten an physikalische Grenzen, sodass hier alternative Verbindungselemente und Kontaktierungsmethoden wie das Laserstrahlschweißen, welches am Fraunhofer ILT stetig weiterentwickelt wird, zum Einsatz kommen.

Die Verwendung von Flachdrähten trägt diesem Trend Rechnung und ermöglicht große Leiterquerschnitte, die robust und prozesssicher mit einem Laserstrahlschweißverfahren gefügt werden können. Der annähernd rechteckige Querschnitt ermöglicht zum einen eine Nullspalt-Verbindung sowie einen flächigen Kontakt zwischen den beiden zu fügenden Elementen und zum anderen einen konstanten Abstand zwischen der Fokussierlinse und der Drahtoberfläche. So bleibt der Arbeitsabstand während des Fügeprozesses unverändert. Neben den Komponenten der Leistungselektronik ist auch die Batterietechnik ein wichtiger Markt für diese flexible Verbindungstechnik. Neben der Verschaltung einzelner zylindrischer oder prismatischer Zellen zu Modulen und Packs bieten Flachdrähte auch großes Potenzial bei der Kontaktierung von Sensoren zur Messung von beispielsweise Temperaturen und Spannungen.

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Neben diesen fügetechnischen Vorteilen bringt der Flachleiter folgende anwendungsseitigen Vorteile mit sich:

  • Der annähernd rechteckige Querschnitt führt zu einer effektiven Bauraumausnutzung, wie in Bild 1 dargestellt. Dies macht sich im Vergleich zu mehreren Runddrähten, die parallel gebondet werden, deutlich bemerkbar. Da beim Flachdraht nur eine Bond-Verbindung am Ursprung (Source) sowie an der Landefläche (Destination) zur Kontaktierung nötig ist, werden Prozesszeiten eingespart.
  • Durch das Kaltwalzen in Kombination mit einer geeigneten Wärmebehandlung lassen sich Festigkeitswerte sehr gut einstellen. Moderne Wärmebehandlungsverfahren ermöglichen hier das Einstellen niedrigster Festigkeitswerte.
  • Das gegenüber einem Runddraht höhere Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis begünstigt eine sehr effektive Wärmeableitung in die Umgebung.
  • Aufgrund der hohen Oberflächengüten sowie der hochpräzisen Aufspulung bieten Flachdrähte gute Eigenschaften zur Weiterverarbeitung.

Werkstoffe und Verarbeitung per Laserstrahlschweißen

Für die Herstellung von Bändchen oder Flachdrähten kommen anwendungsbedingt Werkstoffe mit hohen elektrischen Leitfähigkeiten zum Einsatz. Aluminium-Reinstgüten mit einem Anteil von ca. 99,99% Aluminium weisen Leitfähigkeiten im Bereich von 64,0% IACS (International Annealed Copper Standard) auf. Das entspricht 64,0% der Leitfähigkeit von Kupfer. Reinaluminium mit einem Aluminiumanteil von beispielsweise 99,5% oder 99,7% erreicht niedrigere Leitwerte im Bereich von 58% und 62% IACS. Die Preise von Reinstaluminium liegen teilweise etwa 200% über denen für Reinaluminium. Wirtschaftlich betrachtet lohnt sich eine anwendungsbezogene Beurteilung des Materialeinsatzes. Vielfach lässt sich der Einsatz des Reinaluminiums rechtfertigen, da eine minimale Vergrößerung des Leiterquerschnitts den niedrigeren Leitwert bereits kompensieren kann.

Neben den Aluminiumwerkstoffen sind besonders auch Kupfergüten (Bild 2) aufgrund der hohen Leitfähigkeit von 100% IACS interessante Werkstoffe für elektrische Anwendungen. Ein weiterer Vorteil für die Verwendung von Kupfer stellt seine gute Beschichtbarkeit dar. Bei Aluminiumwerkstoffen ist der Beschichtungsprozess deutlich aufwendiger aufgrund der entstehenden oxidischen Passivierungsschicht. Nachteilig bei der Verwendung von Kupfer ist neben dem aktuell massiv steigenden Rohstoffpreis die hohe Werkstoffdichte, wodurch sich in Kombination mit dem Leitwert eine geringere Masse-bezogene Leitfähigkeit ergibt (Bild 2). Die Materialfestigkeit liegt grundsätzlich über der des Aluminiums. Zurzeit liegt in der Kupferforschung ein Augenmerk auf der Entwicklung verschiedener niedriglegierter Werkstoffe. Mit diesen Werkstoffen lässt sich eine hohe Materialfestigkeit bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit erreichen. Beispielsweise bei der Verarbeitung von Feinstdrähten mit Dicken im Bereich 50 µm können niedriglegierte Werkstoffe Bandabrisse minimieren sowie Prozessstabilität und Effizienz des Bondprozesses in Serie gesteigert werden. Da eine Steigerung der statischen Festigkeiten einen Anstieg der Dauerfestigkeit bewirkt, eignen sich niedriglegierte Werkstoffe auch für Bauteile mit einer Vibrationsbelastung.

Werkstoffauswahl für Bonddrähte

Aus den genannten Gründen sollte die Werkstoffauswahl für Bonddrähte auf Basis der vorliegenden Rahmenbedingungen und der anvisierten Anwendung erfolgen. So ist beispielweise für gewichtssensitive Anwendungen ein Aluminiumwerkstoff zu bevorzugen. Ist jedoch Bauraum oder eine hohe Leitfähigkeit der limitierende Faktor, spielen Kupferdrähte ihre Vorteile aus. Daneben bestimmt der Bond- oder Fügeprozess die Materialauswahl ebenfalls mit. Kommt hierfür ein Laserstrahlschweißverfahren zum Einsatz, so wird die Materialauswahl und -dimension kaum beschränkt. Im Gegensatz dazu sind beim konventionellen Bondprozess niedrige Materialfestigkeiten eine grundlegende Anforderung.

Die hohe elektrische Leitfähigkeit, die Kupfer für die Leistungselektronik und Batterietechnik so attraktiv macht, geht gleichzeitig mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit einher. Diese Eigenschaft bewirkt, dass die beim Laserstrahlschweißen lokal absorbierte Energie in das Werkstück abfließt und so nicht zur Schmelzbadbildung beitragen kann. Hinzu kommt ein hoher Reflexionsgrad dieser Werkstoffe bei Raumtemperatur, wodurch ohnehin nur ein kleiner Teil der eingestrahlten Leistung absorbiert wird. Diese Eigenschaften machen das Laserstrahlschweißen von Kupfer zu einer Herausforderung, die durch den Einsatz hochbrillanter Faserlaser gemeistert werden kann. Durch die exzellente Fokussierbarkeit können sehr hohe Intensitäten erzielt werden, die einen präzisen und lokal begrenzten Energieeintrag ermöglichen und das reproduzierbare und prozesssichere Fügen dieses anspruchsvollen Werkstoffs ermöglichen. Die Nahtgeometrie kann durch die Skalierung der eingesetzten Leistung und einer angepassten Prozessführung beeinflusst werden, sodass auch hohe Materialstärken überwunden und große Anbindungsquerschnitte auf kleiner Fläche realisiert werden können.

Auch die Kontaktierung artungleicher Werkstoffe wie Kupfer mit Aluminium ist mit einem Laserstrahlschweißverfahren möglich. Besonders vorteilhaft für diese Kontaktierungsmethode ist auch der Einsatz der hier bereits beschriebenen (niedrig-) legierten Kupferwerkstoffe, da diese im Vergleich zum Reinstwerkstoff einen höheren Absorptionsgrad aufweisen. Somit wird ein größerer Anteil der eingestrahlten Energie absorbiert und der Fügeprozess dadurch effizienter.

Herstellung von Bändchen und Flachdrähten

Flachdrähte oder Bändchen aus Kupfer und Aluminium werden über das Flachwalzen von Runddrähten hergestellt. Neben der Verwendung als Bonddraht werden Flachdrähte zur Abschirmung von Hochfrequenzleitungen oder Störfeldern (Bild 3), als Leiter in flexiblen Flachkabeln sowie als Mikroflachlackdraht eingesetzt. Damit halten sie Einzug in automotive und industrielle Märkte. Im Metallverarbeitungsunternehmen Bruker-Spaleck (Teil der KERN-LIEBERS Gruppe) ist eine hochflexible Produktion etabliert worden, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:

  • Breites Materialspektrum im Bereich der Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe.
  • Die Anpassung der Bändcheneigenschaften an den Einsatzzweck kann durch eine individuelle Beschichtung mit allen gängigen Werkstoffen erfolgen. Je nach Produktanforderung lassen sich auch Kupfer-Aluminium-Verbundwerkstoffe walzen.
  • Die Drahtabmessungen werden individuell auf den Einsatzzweck abgestimmt und maßgeschneidert gefertigt. Für die Herstellung unterschiedlicher Querschnittsformen kommen Walzgerüste mit zwei oder vier Walzen zum Einsatz (Bild 4).
  • Einstellung der Sauberkeit des Flachdrahtes durch verschiedene Reinigungstechnologien in Abhängigkeit der Anforderungen des Weiterverarbeitungsprozesses.
  • Die Prozesskontrolle wird mittels Inline-Messgeräte und produktionsbegleitender Prüfungen abgebildet.
  • Zur Erhöhung der Prozessstabilität, Verkürzung des Richtaufwandes und Erweiterung des Abmessungsspektrums sowie des Werkstoffportfolios ist die Umformsimulation ein geeignetes und etabliertes Tool.

Die Kontaktierung von Flachdrähten mit einem Laserstrahlschweißverfahren bringt viele Vorteile mit sich. Durch den berührungslosen Fügeprozess bleibt der Verschleiß von Werkzeugen aus und durch die hohen lokalen Intensitäten am Werkstück ist der Prozess sehr robust gegenüber Oberflächengüten und Verunreinigungen. Dies wiederum kann sich auf den Fertigungsprozess des Bändchenmaterials auswirken. Im Vergleich zu einem Drahtbondprozess sind beim Laserstrahlschweißen keine hochreinen Oberflächen notwendig, wodurch aufwändige und kostenintensive Reinigungs- und Nachbearbeitungsprozesse eingespart werden können. Beispiele für laserstrahlgeschweißte Fügeverbindungen in Hochstromanwendungen sind beispielsweise die Kontaktierung von Direct Bonded Copper (DCB) oder Batteriezellen.

Kontaktierung von Flachdrähten auf DCB

DCBs kommen hauptsächlich in der Leistungselektronik für den Transport von thermischer und elektrischer Energie zum Einsatz und bestehen im Wesentlichen aus einem Keramiksubstrat und unterschiedlich geformten Kupferschichten. Eine prozesssichere Kontaktierung von Flachdrähten auf DCB mittels Laserstrahlschweißen ist durch einen präzisen und lokal begrenzten Energieeintrag bei kurzen Wechselwirkungszeiten möglich, sodass das Keramiksubstrat nicht geschädigt wird (Bild 5).

In der Batterietechnik gelten ähnliche Anforderungen. Zum einen wird eine große Anbindungsfläche an die Batteriepole gefordert, um die Stromtragfähigkeit der Verbindung zu erhöhen, zum anderen ist die Batteriezelle aufgrund der geringen Wandstärken und des Elektrolyts temperatursensibel. Durch eine angepasste Prozessführung und kurze Wechselwirkungszeiten können auch Kupferbändchen mit großer Querschnittsfläche prozesssicher an Batteriezellen kontaktiert werden (Bild 5).

Zusammenfassung und Ausblick: Flachdrähte bieten in Kombination mit einem Laserstrahlschweißverfahren eine Vielzahl von verfahrens- und anwendungsseitigen Vorteilen. Falls hohe Leistungsdichten und hohe Ströme in Komponenten der Leistungselektronik oder Batterie-Modulen gefordert werden, stellt diese Technologie eine wichtige Alternative zu dem Bonden von dicken Runddrähten dar. Aktuelle Forschungsergebnisse zu Verbindungstechnologien auf Laser- und Bändchenbasis werden das Fraunhofer ILT und Bruker-Spaleck im nächsten “Praxisforum Antriebstechnik 2022” vorstellen.

* * Johanna Helm ... ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Mikrofügen am Fraunhofer ILT, Aachen. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Benjamin Hertweck ...ist Leiter Technologieentwicklung und Simulation bei KERN-LIEBERS, Schramberg.

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