Lebensdaueroptimierung von Draht-Bondverbindungen in automobilen Wechselrichtern mittels thermo-mechanischer Simulation

Motivation

Der Energiefluss zwischen Batterie und Motor wird in E-Fahrzeugen durch Wechselrichter (engl. Inverter) gesteuert. Innerhalb des Wechselrichters wird der elektrische Strom durch Halbleiter-Bauelemente (bspw. Transistoren) in Amplitude, Stärke, Frequenz, etc. passend für den Betrieb des Motors gewandelt.

Die elektrische Anbindung der Halbleiterchips wird dabei oft mittels Aluminium-Drahtverbindungen realisiert, die in einem Ultraschallschweißverfahren direkt auf die Halbleiteroberfläche angebunden werden (Aluminium-Dickdrahtbonden). Zum Schutz gegenüber Umwelteinflüssen wird der Aufbau im Anschluss mit einer Verkapselungsmasse umhüllt, meist auf Silikon- oder Epoxidharz-Basis.

Die Drahtverbindungen sind, durch im Betrieb freiwerdende Verlustwärme, großen Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt. Dies führt zur stetigen Ermüdung der Aluminium-Bondverbindung, die Einsatzdauer des Wechselrichters ist deshalb meistens durch die Lebensdauer der Bondverbindung limitiert.

Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass die Lebensdauer durch Veränderungen der Bondgeometrie und Anpassung der eingesetzten Verkapselungsmasse stark beeinflusst werden kann.

Fragestellung der Studienarbeit

Im Zuge der Studienarbeit soll deshalb ein thermo-mechanisches Modell entwickelt werden, dass die Ermüdung der Bondverbindung abbildet und so die simulative Optimierung der Lebensdauer durch Variation der Bondgeometrie unter Berücksichtigung des Einflusses der umgebenden Verkapselungsmasse erlaubt.

Die simulativen Arbeiten werden durch experimentelle Betrachtung der Phänomene begleitet.

Voraussetzungen für die Bearbeitung

  • Analytisches Denkvermögen
  • Grundkenntnisse der Wärmelehre, Kontinuumsmechanik und Werkstofftechnik
  • Grundkenntnisse in Ansys Workbench / Mechanical oder die Bereitschaft zur Einarbeitung

Die exakte thematische Ausrichtung der Studienarbeit wird im Dialog mit dem Studenten zu Beginn der Arbeit festgelegt.

Kategorien:

Forschungsbereich:

Elektronikproduktion

Art der Arbeit:

Bachelorarbeit, Masterarbeit, Projektarbeit

Studiengang:

Energietechnik, Informatik, IPEM, Maschinenbau, Mechatronik, Medizintechnik, Wirtschaftsingenieurwesen

Technologiefeld:

Aufbau und Verbindungstechnik, Medizintechnik, Planung und Simulation

Kontakt:

Mario Sprenger, M.Sc.

Department Maschinenbau (MB)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS, Prof. Franke)