WIE FUNKTIONIERT DAS ULTRASCHALL- DRAHTBONDEN UND ANWENDUNGEN

Was ist Ultraschall-Drahtbonden?

Beim Ultraschall-Drahtbonden oder Ultraschall-Drahtschweißen handelt es sich um einen industriellen Schweißprozess, der Ultraschallschwingungen nutzt, um Kunststoffe, Metalle oder unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden. Beim Schweißen werden die verbundenen Materialien normalerweise durch eine Vorrichtung (oder einen Amboss) und eine Sonotrode (ein vibrierendes Metallwerkzeug) zusammengehalten.

Wenn die Sonotrode mechanische Vibrationen auf die zu verbindenden Oberflächen ausübt, entsteht durch die entstehende Reibung Wärme. Diese Hitze verbindet die Materialien typischerweise innerhalb von 0,1 bis 1 Sekunde.

Beim Ultraschall-Drahtbonden handelt es sich um ein Festkörperschweißverfahren, da das Schweißen unterhalb des Schmelzpunktes des Materials erfolgt. Dies ist besonders wichtig für Metallklebeanwendungen, bei denen hohe Temperaturen unerwünschte Eigenschaften erzeugen können.

Funktionsweise von Ultraschallschweißsystemen

Das Ultraschall-Drahtbonden beginnt mit der Stromversorgung, einem kleinen Kasten, der den eingehenden elektrischen Strom in ein hochfrequentes Ultraschallsignal umwandelt.

Diese elektrische Energie gelangt zum Konverter (oder Wandler), der sie durch sehr schnell vibrierende Scheiben in mechanische Schwingungen umwandelt. Die Größe dieser Schwingungen wird als „Amplitude“ bezeichnet und ist ein wichtiger Parameter bei der Konfiguration von Ultraschallschweißsystemen.

Die Vibrationen werden dann im Booster verstärkt und an das Schweißhorn (oder die Sonotrode) weitergeleitet. Dabei handelt es sich um das Metallteil, das den Schweißvorgang durchführt, indem es die Vibrationen auf die Teileoberfläche überträgt. Das Horn ist speziell so konzipiert, dass es sich der Form der zu schweißenden Oberfläche anpasst.


Ultraschall-Drahtbondanwendungen

Ob das Ultraschallschweißverfahren machbar ist, hängt von der Dicke der zu verbindenden Teile ab. Generell gilt, dass dicke Teile nicht durch Ultraschallschweißen verbunden werden können. Die maximale Dicke beträgt typischerweise einige Millimeter und ist abhängig von der Ausstattung und den verbundenen Materialien.

Beim Ultraschallschweißen von Metallen sind die Anwendungen auf formbare Metalle wie Aluminium, Kupfer und Nickel beschränkt. Das Verfahren erfreut sich großer Beliebtheit beim Verkleben von Mikroschaltungsverbindungen, Blechen, Folien, Bändern und Netzen.

Ultraschall-Bondanwendungen finden sich in verschiedenen Branchen:

• Computer- und Elektroindustrie (Elektromotoren, Feldspulen, Transformatoren, Kondensatoren usw.)
• Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie (Batterien für Elektrofahrzeuge, Türverkleidungen, Lenkräder, Motorkomponenten usw.)
• Medizinische Industrie (Blutfilter, IV-Katheter, Dialyseschläuche, Gesichtsmasken usw.)
• Lebensmittel- und Verpackungsindustrie (Getränkebehälter, Schokoriegelverpackungen, Tiefkühlkostverpackungen, reaktive Chemikalien usw.)

Ultraschall-Drahtbonden: Trends in der Elektrofahrzeugindustrie

Ultraschall-Drahtbonden ist eine wichtige Technologie für die Montage von Batteriemodulkomponenten. Um den Strom zu verteilen, müssen die Zellen über Drähte (normalerweise auf der Oberseite des Moduls) elektrisch mit Sammelschienen (oder Stromabnehmern) verbunden werden.

Zusätzlich zum Ultraschallbonden nutzen Batteriehersteller zunehmend die Lasertechnologie für ihre Drahtbondanwendungen.

Die Reinigung ist ein wichtiger Schritt zur Vorbereitung von Oberflächen für das Ultraschall-Drahtbonden. Dies wird normalerweise durch Plasma- oder Laserreinigung erreicht. Da das Ultraschallschweißen seine Grenzen hat, werden manchmal auch Laser zum Schweißen eingesetzt.


Laserreinigung zur Vorbereitung von Oberflächen für das Ultraschall-Drahtbonden

Ultraschall-Drahtbondenerfordert eine perfekt saubere Oberfläche ohne Fett, Staub oder andere Verunreinigungen. Bereits bei geringfügiger Verschmutzung der Oberfläche kann der Klebevorgang scheitern oder es kann zu Korrosion kommen.

Batterien müssen sorgfältig gereinigt werden, um Schäden an ihren Komponenten zu vermeiden. Daher sind mechanische Verfahren, die Abrieb erzeugen, zu vermeiden.

Einige Hersteller bereiten Oberflächen manuell vor, indem sie sie mit Isopropanol, Aceton und sauberen Tüchern reinigen. Obwohl sie gute Ergebnisse erzielen können, ist diese Lösung nicht praktikabel, wenn Hersteller ihre Prozesse optimieren und ihre Geschwindigkeit verbessern möchten.

Derzeit ist die Laserreinigung die einzige Lösung, die eine Automatisierung ermöglicht und gleichzeitig kleine, lokale Flächen perfekt reinigt.

Die Laserreinigung kann direkt vor dem Drahtbondprozess in die Produktionslinie integriert werden. Dies verhindert eine erneute Kontamination der Oberfläche, die andernfalls im Laufe der Zeit auftreten würde.


Laserschweißen ersetzt Ultraschallbonden

Das Ultraschall-Drahtbonden ist eine flexible Technologie, die jedoch Einschränkungen aufweist, da sie nur für Überlappungsverbindungen verwendet werden kann. Dadurch können Schweißnähte nicht so hergestellt werden, dass sie in kleine Räume passen, und die Batteriekonstruktionen sind dadurch eingeschränkt.

Da Batteriehersteller neue Designs entwickeln, entscheiden sich viele dafür, das Ultraschallschweißen durch Laserschweißen zu ersetzen.

Laserschweißen ist ein berührungsloses Hochgeschwindigkeitsverfahren, bei dem Oberflächen mithilfe der Energie eines Laserstrahls verschweißt werden. Es bietet die gleichen Vorteile, die Batteriehersteller durch das Ultraschallbonden erhalten:

• Automatisierungsfreundlich
• Minimale Wärmeeinflusszone (keine mikrostrukturellen Veränderungen durch Hitze)
• Keine Notwendigkeit für Klebstoffe oder Verbrauchsmaterialien (z. B. Lötmaterialien oder Gewinde)
• Hervorragende Verbindungsqualität
• Unterschiedliche Materialien können geschweißt werden

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