Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmalig großflächige Ultraschall-Schweißverbindungen auf ihre Langzeitfestigkeit geprüft. Das entwickelte Prüfverfahren basierend auf einer spezifischen Probenpräparation in Verbindung mit einem Ultraschall-Resonanz-Prüfsystem erwies sich als eine sehr schnelle und vielfältig einsetzbare Methode.
Bei dem entwickelten Prüfverfahren werden eindimensionale hochfrequente zyklische Schwingungen (20 kHz) auf die Proben übertragen. Die Proben sind dabei so montiert, dass eine Seite der Verbindung in Schwingung versetzt wird. Die zweite Seite bleibt frei beweglich und kann über die Verbindungsstelle frei mitschwingen. Die auf den frei beweglichen Probenteil wirkenden Trägheitskräfte führen so zu Scherbelastungen in der Verbindung und zum Bruch. Durch die Probenpräparation, bei der die Verbindungsstelle von allen Seiten verkleinert wurde, können die nötigen Belastungen für die Lebensdaueruntersuchungen erzeugt werden. Durch diesen Aufbau sind Lebensdauermessungen im Bereich hoher Lastwechselzahlen (>105) bei kurzer Prüfdauer möglich. Die Messungen wurden hier bis zu 109 Lastwechsel durchgeführt.
Die Lebensdaueruntersuchungen zeigen, dass die Korngröße des verwendeten Kupfers im Substrat einen eindeutigen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit der Ultraschall-Schweißverbindungen hat. Die Lebensdauerkurven von Verbindungen mit einem grobkörnigem DBC-Substrat (180 µm) liegen im Durchschnitt um 4-5 MPa unter der von Verbindungen mit feinkörnigerem Substrat (120 µm).
Die Ermüdungsfestigkeit der untersuchten Proben wurde mit Reinmaterial aus grobkörnigem Kupfer verglichen. Es wurde eine Festigkeit der Ultraschall-Schweißverbindungen im Bereich hoher Lastwechselzahlen mit bis zu 2 MPa unter der Festigkeit von grobkörnigem Kupfer (70 µm) gemessen. Woraus sich generell auf eine sehr gute Materialverbindung schließen lässt.
An den untersuchten Nickel beschichteten Schweißverbindungen wurden geringere Ermüdungsfestigkeiten im Vergleich zu einfachen Cu-Cu Verbindungen festgestellt. Der Unterschied ergab 3-4 MPa bei einer um 10 µm geringeren Korngröße des DBC-Substrats der Nickel beschichteten Schweißverbindungen. Ursachen dafür konnten anhand der durchgeführten EDX-Analysen der Bruchflächen aufgezeigt werden. Anhand der Querschliffe und der Bruchflächen zeigte sich, dass der Riss bevorzugt direkt oberhalb der Nickelschicht verläuft. Daraus lässt sich schließen, dass die galvanisch abgeschiedene Verbindung von Nickel zum DBC-Substrat unter Wechselbeanspruchung wesentlich stabiler ist als die Ultraschallverbindung von Kupfer auf Nickel. Ebenso wurden große zusammenhängende Bereiche von Nickel in der Bruchfläche beobachtet.
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen konnten mithilfe von FEM Simulationen gut wiedergegeben werden. Dabei wurden die mittleren Scherspannungen und die Orte der Spannungskonzentrationen als Orte der Rissbildung aus den Experimenten durch die Simulationen bestätigt. Die größten Spannungs- und Dehnungskonzentrationen ergaben sich an den Ecken des Verbindungsstegs mit einer von-Mises-Spannung von 147 MPa und einer von-Mises-Dehnung von 0.03 %. Die berechneten Scherbelastungen lagen im Mittel bei 23 MPa und sind damit vergleichbar mit den experimentellen Resultaten die in einem Bereich von 12-25 MPa liegen. Weiters lieferten die Simulationen genauere Einblicke in das Schwingungsverhalten der Proben während der Tests.
Die besonderen Vorteile der entwickelten Prüfmethode liegen in der großen Anwendungsbreite und Variabilität. Es können sowohl unterschiedliche Materialien wie auch Verbindungen unterschiedlicher Größe auf deren Lebensdauer hin untersucht werden. Die Prüfmethode ist nicht allein auf Verbindungen beschränkt, es können damit Reinmaterialien und Verbundwerkstoffe geprüft werden. Je nach Bedarf kann durch geeignete Wahl der Probengeometrie und der Kopplung an das Resonanz-Prüfsystem, die Art der induzierten Spannungen zwischen Scher-, Zug-Druck-, Biege-, Torsions- und Mehrfachbelastungen geändert werden.