Modellbasierte Entwicklung von Ultraschallwandlern unter der Berücksichtigung von Nichtlinearitäten - Dymel, Collin
Ultraschallsysteme für das Herstellen für Bond- und Schweißverbindungen in der Halbleiterfertigung zeigen auf Grund des Betriebes unter hohen Anregungsniveaus nichtlineare Materialeigenschaften. Dabei wirken unterschiedliche Einflussfaktoren auf die elektrischen Eigenschaften und die mechanischen Übertragungscharakteristiken der Ultraschallsysteme ein. Die Herausforderungen ein solches geprägtes System auszulegen oder effizient und zuverlässig zu betreiben, sind aufgrund der Nichtlinearitäten relativ groß. Da für die Beschreibung der nichtlinearen Materialbeziehungen nur wenige Modelle und kaum quantitative Angaben vorliegen, werden die komplexen Wechselwirkungen von Materialparametern, Geometrie und Vorspannung des Schwingers, Betriebsgrößen (Strom, Spannung), Temperatur und Prozesslasten durch systematische Untersuchungen von Keramiken und Langevin-Schwingern messtechnisch erfasst. Aus den Messergebnissen werden einerseits eindimensionale Modelle für Voruntersuchungen als auch vollständige Materialparametersätze für die Simulation mittels dreidimensionaler FE-Modelle hergeleitet. Eine Methodik zur Ermittlung der Materialparameter und ein auf iterativen Simulationen von FE-Modellen basierendes Werkzeug zur Simulation der komplexen Wechselwirkungen werden vorgestellt. Anhand eines exemplarischen Ultraschallsystems wird gezeigt, dass die Wirkungen temperaturbedingter Vorspannungsverluste, Änderungen des elektrischen Klemmenverhaltens und Amplituden- und Frequenzänderungen während des Betriebes bei großen Amplituden und Prozesslasten durch die Variationen des Keramikvolumens und der Keramikposition positiv beeinflusst werden können.
Keywords: Nichtlineares piezoelektrisches Verhalten; Dehnungsabhängigkeit; Vorspannungseinfluss; Temperatureinfluss; Lasteinfluss; Langevin-Schwinger; Ultraschallwandler; Ultraschallbonden; FEM-Modell; Ultraschallschweißen; BVD-Modell

Diagnostics of Piezoelectric Bending Actuators Subjected to Varying Operating Conditions - Aimiyekagbon, Osarenren Kennedy; Bender, Amelie; Hemsel, Tobias; Sextro, Walter (Electronics)
In applications of piezoelectric actuators and sensors, the dependability and particularly the reliability throughout their lifetime are vital to manufacturers and end-users and are enabled through condition-monitoring approaches. Existing approaches often utilize impedance measurements over a range of frequencies or velocity measurements and require additional equipment or sensors, such as a laser Doppler vibrometer. Furthermore, the non-negligible effects of varying operating conditions are often unconsidered. To minimize the need for additional sensors while maintaining the dependability of piezoelectric bending actuators irrespective of varying operating conditions, an online diagnostics approach is proposed. To this end, time- and frequency-domain features are extracted from monitored current signals to reflect hairline crack development in bending actuators. For validation of applicability, the presented analysis method was evaluated on piezoelectric bending actuators subjected to accelerated lifetime tests at varying voltage amplitudes and under external damping conditions. In the presence of a crack and due to a diminished stiffness, the resonance frequency decreases and the root-mean-square amplitude of the current signal simultaneously abruptly drops during the lifetime tests. Furthermore, the piezoelectric crack surfaces clapping is reflected in higher harmonics of the current signal. Thus, time-domain features and harmonics of the current signals are sufficient to diagnose hairline cracks in the actuators.
Keywords: piezoelectric transducer; self-sensing; fault detection; diagnostics; hairline crack; condition monitoring

Einfluss der Radhubkinematik auf den Reifenverschleiß - Schütte, Jan; Sextro, Walter (20. VDI-Fachtagung Reifen - Fahrwerk - Fahrbahn)

Influence of Temperature and Pre-Stress on the Piezoelectric Material Behavior of Ring-Shaped Ceramics - Scheidemann, Claus; Hemsel, Tobias; Friesen, Olga; Claes, Leander; Sextro, Walter

Influence of Temperature and Pre-Stress on the Piezoelectric Material Behavior of Ring-Shaped Ceramics - Scheidemann, Claus; Hemsel, Tobias; Friesen, Olga; Claes, Leander; Sextro, Walter

Experimental Investigation of Bond Formation and Wire Deformation in the Ultrasonic Wire Bonding Process - Scheidemann, Claus; Hagedorn, Oliver Ernst Caspar; Hemsel, Tobias; Sextro, Walter

Burst Mode of Ultrasonic Resonant Oscillations for Stimulation and Destruction of Tumor Cells - Sehlmeyer, Birte; Kampmann, Rebecca; Scheidemann, Claus; Hemsel, Tobias; Getzlaff, Mathias (Frühjahrstagung 2023, Sektion Kondensierte Materie (SKM))

Burst Mode Characteristics of an Ultrasonic Transducer for Treatment of Cancer Cells - Kampmann, Rebecca; Sehlmeyer, Birte; Scheidemann, Claus; Hemsel, Tobias; Getzlaff, Mathias (Frühjahrstagung 2023, Sektion Kondensierte Marterie (SKM))

Expert-Informed Hierarchical Diagnostics of Multiple Fault Modes of a Spacecraft Propulsion System - Aimiyekagbon, Osarenren Kennedy; Löwen, Alexander; Bender, Amelie; Muth, Lars; Sextro, Walter (Proceedings of the Asia Pacific Conference of the PHM Society 2023)
This paper presents a comprehensive study on diagnosing a spacecraft propulsion system utilizing data provided by the Prognostics and Health Management (PHM) society, specifically obtained as part of the Asia-Pacific PHM conference’s data challenge 2023. The objective of the challenge is to identify and diagnose known faults as well as unknown anomalies in the spacecraft’s propulsion system, which is critical for ensuring the spacecraft’s proper functionality and safety. To address this challenge, the proposed method follows a systematic approach of feature extraction, feature selection, and model development. The models employed in this study are kMeans clustering and decision trees combined to ensembles, enriched with expert knowledge. With the method presented, our team was capable of reaching high accuracy in identifying anomalies as well as diagnosing faults, resulting in attaining the seventh place with a score of 93.08 %.
Keywords: PHM; Fault Diagnostics; Multiple Fault Modes; Expert-Informed Diagnostics; Anomaly Detection

Transferability of a discrepancy model for the dynamics of electromagnetic oscillating circuits - Wohlleben, Meike Claudia; Muth, Lars; Peitz, Sebastian; Sextro, Walter (Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics)
Modelling of dynamic systems plays an important role in many engineering disciplines. Two different approaches are physical modelling and data‐driven modelling, both of which have their respective advantages and disadvantages. By combining these two approaches, hybrid models can be created in which the respective disadvantages are mitigated, with discrepancy models being a particular subclass. Here, the basic system behaviour is described physically, that is, in the form of differential equations. Inaccuracies resulting from insufficient modelling or numerics lead to a discrepancy between the measurements and the model, which can be compensated by a data‐driven error correction term. Since discrepancy methods still require a large amount of measurement data, this paper investigates the extent to which a single discrepancy model can be trained for a physical model with additional parameter dependencies without the need for retraining. As an example, a damped electromagnetic oscillating circuit is used. The physical model is realised by a differential equation describing the electric current, considering only inductance and capacitance; dissipation due to resistance is neglected. This creates a discrepancy between measurement and model, which is corrected by a data‐driven model. In the experiments, the inductance and the capacity are varied. It is found that the same data‐driven model can only be used if additional parametric dependencies in the data‐driven term are considered as well.
Keywords: Electrical and Electronic Engineering; Atomic and Molecular Physics; and Optics

Model-based condition monitoring of piezoelectric bending actuators - Bender, Amelie (Sensors and Actuators A: Physical)
With enhancing digitalization, condition monitoring is used in an increasing number of application fields across various industrial sectors. By its application, increased reliability as well as reduced risks and costs can be achieved. Based on different approaches, technical systems are monitored and measured data is analyzed to enable condition-based or predictive maintenance. To this end, machine learning approaches are usually implemented to diagnose the health states or predict the health index of the monitored system. However, these trained models are often black-box models, not intuitively explainable for a human. To overcome this shortcoming, a model-based approach based on physics is developed for piezoelectric bending actuators. Such a model enables a transparent representation of the system. Moreover, the model-based approach is extended by a parameter-estimation to account for sudden changes in behavior e. g. caused by occurring cracks.
Keywords: Condition Monitoring; Model-based approach Diagnostics; Varying conditions; Explainability; Piezoelectric bending actuators

Modellierung und Optimierung reibungsbasierter Ultraschall-Pulvertransportprozesse - Dunst, Paul
Der Transport feiner Pulver mit in der Regel sehr hohen adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften stellt für viele konventionelle Transportsysteme eine große Herausforderung dar. Durch die Anwendung von Ultraschallschwingungen können insbesondere die hohen adhäsiven Kontaktkräfte und damit auch die Reibungseigenschaften manipuliert werden. Ein neu entwickeltes Pulvertransportsystem nutzt Ultraschallschwingungen, um die effektiven Tangentialkräfte im Pulver-Rohrkontakt zu reduzieren. Durch den koordinierten Einsatz von Ultraschallpulsen während einer niederfrequenten harmonischen Axialschwingung des Transportrohres wird ein kontinuierlicher Pulvertransport ermöglicht. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Reibung und Reibungsmanipulation von Festkörpern und Pulvern sowie der Charakterisierung von Pulvern wird das Pulvertransportsystem auf Basis der Reibungsmanipulation inklusive der Leistungselektronik und der Ansteuerungshardware vorgestellt. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die Anregungsparameter des Pulvertransportsystems ein großes Optimierungspotential aufweisen. Es wird ein effizientes, modulares Modell des Pulvertransportsystems vorgestellt, welches neben dem eigentlichen Modell des Transportprozesses ein Modell der Rohrschwingung und ein kennlinienbasiertes Modell des Pulver-Rohrkontakts beinhaltet. Mithilfe des Modells des Pulvertransportsystems werden Anregungsparameter hinsichtlich Amplituden und Frequenzen der auftretenden Schwingungen sowie der Schaltzeiten des Ultraschallpulses optimiert.
Keywords: Ultraschall; Pulvertransport; Modellierung; Optimierung; Reibung; Adhäsion; Kohäsion; Reibungsmanipulation

Predicting the Bond Quality of Heavy Copper Wire Bonds using a Friction Model Approach - Althoff, Simon
Ultraschall-Drahtbonden ist eine Standardtechnologie im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungshalbleitermodulen. Um Prozessschritte und damit wertvolle Zeit zu sparen, sollen die Kupferdickdrähte für die Leistungshalbleiter auch für die Kontaktierung von eingespritzten Anschlusssteckern im Modulrahmen verwendet werden. Das Kontaktierungsverfahren mit diesen Drähten auf Steckern in dünnwandigen Kunststoffrahmen führt häufig zu unzureichender Bondqualität. In dieser Arbeit wird das Bonden von Anschlusssteckern experimentell und anhand von Simulationen untersucht, um die Prozessstabilität zu steigern. Zunächst wurden Experimente auf Untergründen mit hoher Steifigkeit durchgeführt, um Störgrößen von Untergrundeigenschaften zu verringern. Die gewonnenen Erkenntnisse erlaubten die Entwicklung eines Simulationsmodells für die Vorhersage der Bondqualität. Dieses basiert auf einer flächenaufgelösten Reibarbeitsbestimmung im Fügebereich unter Berücksichtigung des Ultraschallerweichungseffektes und der hierdurch entstehenden hohen Drahtverformung. Experimente an den Anschlusssteckern im Modulrahmen zeigten eine verringerte Relativverschiebung zwischen Draht und Stecker, was zu einer deutlichen Verringerung der Reibarbeit führt. Außerdem wurden verminderte Schwingamplituden des Bondwerkzeugs nachgewiesen. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibarbeit. Beide Effekte wurden mithilfe eines Mehrmassenschwingers modelliert. Die gewonnenen Erkenntnisse und die erstellten Simulationsmodelle ermöglichen die Entwicklung von Klemmvorrichtungen, welche die identifizierten Störgrößen gezielt kompensieren und so ein verlässliches Bonden der Anschlussstecker im gleichen Prozessschritt ermöglichen, in dem auch die Leistungshalbleiter kontaktiert werden.
Keywords: heavy copper bonding; wire bonding; quality prediction; friction model; point-contact-element

Modellbasierte Ermittlung optimaler Prozessparameter für neuartige Ultraschallbondverbindungen - Scheidemann, Claus; Hemsel, Tobias; Sextro, Walter

Patent DE 10 2017 000 926 B4: Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil, insbesondere einem Gummi-Metall-Lager und mit einer Einrichtung zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer, sowie Verfahren zur Bestimmung der Bauteil-Restnutzungsdauer. - Reinke, Kai; Bender, Amelie; Meyer, Tobias; Sextro, Walter; Kimotho, James Kuria
Die Erfindung betrifft ein Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil als Strukturteil und/oder Lagerteil, auf das im Betriebsverlauf von wechselnden Betriebszuständen abhängige, unterschiedliche Verformungskräfte einwirken, die zu einem die Bauteilnutzungsdauer begrenzenden Bauteilverschleiß führen, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Bauteilnutzungsdauer und einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer. Erfindungsgemäß wird ein sich zeitversetzt wiederholender, jeweils gleicher Betriebszustand vorbestimmt, dem eine jeweils gleiche, periodisch wirkende Verformungskraft zugeordnet ist, durch die das elastisch verformbare Bauteilmaterial periodisch verformt wird, wobei durch Walkarbeit ein Energieeintrag mit einem messbaren Temperaturanstieg im Vergleich zu einer Umgebungstemperatur erfolgt und wobei der jeweilige Temperaturanstieg als Kenngröße im Verlauf einer Bauteilnutzungsdauer entsprechend einer abnehmenden Bauteilsteifigkeit größer wird. Ein solcher vorbestimmter Betriebszustand wird jeweils von einer Messund Auswerteeinheit erkannt und ein Messvorgang durch ein Startsignal selbsttätig gestartet, wobei mit wenigstens einem bauteilzugeordneten Temperatursensor, der aktuelle Temperaturanstieg im Vergleich zur Umgebungstemperatur als Kenngröße für eine aktuelle Bauteilsteifigkeit gemessen und jeweils in einer Messkurve gespeichert und verglichen wird.

Experimental Investigation of Multidimensional Ultrasonic Heavy Wire Bonding - Scheidemann, Claus; Kirsch, Olaf; Hemsel, Tobias; Sextro, Walter (2022 IEEE 9th Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC))
ue to the constantly growing energy demand of power electronics and the need to reduce the size of electronic components like power modules for e-mobility, new challenges arise for ultrasonic wire bonding: the electrical connection must endure higher thermal and mechanical stress while the connecting partners become more sensitive or require more energy to get bonded. Past investigations have shown already that multi-dimensional ultrasonic bonding and welding yield the same or even better bond quality while reducing the load on the components. This contribution is intended to show whether multidi-mensional thick wire bonding is a promising concept to over-come the new challenges. The focus is on experimental investi-gations of different bond tool trajectories in ultrasonic wire bonding of aluminum and copper wire on DCB's and chips. The bond quality is analyzed by shear tests, microsections and, in the case of aluminum bonding, by a new machine learning method for an objective automated evaluation of the sheared area.

On the applicability of time series features as health indicators for technical systems operating under varying conditions - Aimiyekagbon, Osarenren Kennedy; Bender, Amelie; Sextro, Walter (Condition Monitor)

Experimental Investigation of the Influence of different Bond Tool Grooves on the Bond Quality for Ultrasonic Thick Wire Bonding - Hagedorn, Oliver Ernst Caspar; Broll, Marian; Kirsch, Olaf; Hemsel, Tobias; Sextro, Walter (CIPS 2022 - 12th International Conference on Integrated Power Electronics Systems)
To achieve optimum bond results at ultrasonic bonding thick copper wire on sensitive components is quite challenging. Bearing in mind that high normal force and ultrasonic power are needed for bond quality but as well increase stress and finally failure risk of the substrate, methods should be found to achieve high bond quality even at lower bond parameters. Therefore, bond experiments with different bond tool grove geometries have been conducted for copper and aluminum wire on direct copper bonded (DCB) substrates to investigate the impact of geometric parameters on bond formation and bond quality. The wire material depending impact of geometry changes on the bond formation and deformation was quantified. Additionally, a bonding parameter design of experiments (DOE) has been conducted for the reference and the most promising groove geometry. Higher shear values were achieved at reduced vertical tool displacement for most bonding parameter combinations, compared to the reference tool. This behavior allows for reducing ultrasonic power to obtain equal shear values; consequently, mechanical stresses in the interface decrease. This could potentially reduce the risk of chip damage and thus yield loss.

Development of a Hybrid Modeling Methodology for Oscillating Systems with Friction - Wohlleben, Meike Claudia; Bender, Amelie; Peitz, Sebastian; Sextro, Walter (Machine Learning, Optimization, and Data Science)

Enhanced process development by simulation of ultrasonic heavy wire bonding - Schemmel, Reinhard
Das Ultraschall-Dickdrahtbonden mit Aluminiumdraht ist ein Standardverfahren zur elektrischenKontaktierung von Leistungshalbleitermodulen. Die steigenden Anforderungen an die Effizienzund Zuverlässigkeit der Module haben zu technologischen Weiterentwicklungen geführt und eswerden vermehrt Kupferdrähte mit wesentlich besseren elektrischen und thermischen Eigenschafteneingesetzt. Hieraus resultieren durch höhere Prozesskräfte und Ultraschallleistung neueHerausforderungen bei der Prozessentwicklung; hierfür wird ein Simulationsmodell zur Verbesserungder Prozessentwicklung entwickelt.In Ultraschall-Drahtbondversuchen mit 400 m Aluminium und Kupfer Drähten wurde der Einflussder Prozessparameter auf die Bondqualität untersucht; diese Ergebnisse und zusätzliche Messungender Drahtdeformation und Schwingungen wurden für die Formulierung der Anforderungenund zur Validierung der Ergebnisse des Simulationsmodells genutzt.Es wurde ein Prozessmodell, basierend auf einer Co-Simulation zwischen MATLAB und ANSYS,entwickelt; hierbei wurden die phyiskalischen Phänomene wie die Ultraschall Werkstoffentfestigung,der Verbindungsaufbau und die dynamischen Systemeigenschaften abgebildet.Basierend auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine wurde ein Prüfstand zur Identifikation der Modellparameterentwickelt. In zusätzlichen Druckversuchen mit den Bonddrähten mit und ohneUltraschallanregung wurde die Reduktion der Umformkräfte unter Ultraschalleinfluss untersucht.Mit dem entwickelten Prozessmodell wurden die Parameterstudien aus den Ultraschall-Drahtbondversuchensimuliert und direkt mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, wobei sich einerelativ gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung sowohl für Aluminium, als auchfür Kupfer, erzielen ließ.