Modellbasierte Entwicklung von Ultraschallwandlern unter der Berücksichtigung von Nichtlinearitäten

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.