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Modellbasierte Mehrzieloptimierung zur Herstellung von Ultraschall-Drahtbondverbindungen in Leistungshalbleitermodulen : = Multiobjective optimization for the production of ultrasonic wire bond connections in power semiconductor modules
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2017
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 04.09.2017
ger: Das Ultraschall-Drahtbonden mit Aluminiumdraht ist aktuell ein Standardverfahren zur Kontaktierung von Leistungshalbleitermodulen. Jedoch soll die Einführung von Kupferdraht als Bondmaterial in der Zukunft zu zahlreichen Verbesserungen der Module führen. Dies ist bedingt durch die wesentlich besseren elektrischen und thermischen Eigenschaften von Kupfer gegenüber Aluminium, die dazu führen, dass z. B. eine weitere Miniaturisierung elektrischer Komponenten möglich wird. Darüber hinaus könnte insbesondere die Verlässlichkeit der Module signifikant verbessert werden. Doch bisher wurde Kupferdraht trotz seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften im Wesentlichen nur vereinzelt eingesetzt, da der Prozess deutlich empfindlicher auf Störgrößen reagiert. Um dennoch zuverlässige Kupferbondverbindungen in Leistungshalbleitermodulen herstellen zu können, wird in dieser Arbeit ein Verfahren vorgestellt, das die Herstellung von Ultraschall-Bondverbindungen mittels modellbasierter Mehrzieloptimierung realisiert. Dazu ist umfangreiches Prozesswissen in Form eines geeigneten Modells für den Bondprozess notwendig. Das vorgestellte Modell ist in der Lage, alle notwendigen Effekte und den Einfluss wesentlicher Prozessparameter detailliert abzubilden, sodass eine anschließende Mehrzieloptimierung zur Bestimmung der pareto-optimalen Betriebspunkte und zugehörigen Prozessparameter ermöglicht wird. Die dafür notwendigen Teilmodelle und Mehrzieloptimierungen werden dargestellt und validiert. Überdies wird ein Prototyp in Form einer modifizierten Bondmaschine inklusive einer Möglichkeit zur Verhaltensanpassung aufgebaut und getestet.
eng: Ultrasonic wire bonding with aluminum wire is currently a standard method for contacting power semiconducter devices. However, the introduction of copper wire as a bonding material is expected to lead to many improvements in the characteristics of power semiconductor devices in the future. This is due to the significantly better electrical and thermal properties of copper compared to aluminum, which leads to further miniaturization of electrical components. These advantages could especially improve the reliability of power semiconductor modules significantly. Until now the copper wire with its superior physical properties is still used rather rarely, since the process reacts essentially more sensitive to disturbance variables. Nevertheless, in order to produce reliable copper-bonds in power semiconductor modules, a method for an intelligent production of ultrasonic bonding connections is presented. This requires extensive process knowledge in form of a suitable model of the bonding process. The presented model is able to map all necessary effects and the influences of essential process parameters in detail so that a subsequent multiobjective optimization is possible for the determination of the pareto-optimal operating points and the associated process parameters. The necessary partial models and multiobjective optimization are described and validated in detail. Moreover, a prototype is developed and tested by using a modified bonding machine including a possibility for behavioral adaptation.