1. Einheit-1 zum Goldbonddraht

Joe:

Lisa, weist du wie dünn ein Bonddraht ist?

Lisa:

Na ja … Beim letzten Besuch im Bondlabour habe ich erkannt, dass er sehr fein sein muss, aber wie dünn er wirklich ist, kann ich mir nicht vorstellen.

Professor Birdie:

Lisa, Einheiten wie Größe, Länge und Gewicht haben bei der Herstellung von Gegenständen eine wichtige Bedeutung. Um den Bonddraht gut kennenzulernen ist es auch wichtig, das wirkliche „Ausmaß“ richtig zu erfassen. Joe ! Es währe vielleicht gut, mit einer Erklärung für den Goldbonddraht anhand der Einheit zu beginnen.

Joe:

Gut. Dann wollen wir mal mit der Größe anfangen. Bei einem allgemeinen Draht wie Eisen-Stahldraht oder Kupferdraht kommt es vor, dass mehrere Drähte gebündelt werden, aber bei einem Bonddraht wird jeweils hauptsächlich ein Draht aus Gold, Kupfer und Aluminium einzeln verwendet. Der Durchmesser von so einem Draht ist nun der Durchmesser des Bonddrahtss. Es handelt sich also durchschnittlich um einem Durchmesser von etwa 20 bis 40 Mikrometer (μm).

Lisa:

Hat der Draht einen unebenen Durchmesser?

Joe:

Nein, nein. So ist das nicht. Es ist nicht so, dass der Durchmesser von einem Draht auf einer Stelle 20 μm, und auf einer anderen Stelle 40 μm usw. beträgt. Fast alle Drähte aus Gold werden als Bonddrähte verwendet, und je nach Verwendungszweck werden Drähte mit verschiedenem Durchmesser verwendet, wo es auch Durchmesser von 70 μm gibt.

Professor Birdie:

Ein Mikrometer ist ein 1/1,000,000 von einem Meter. 1/1,000 von einem Millimeter währe wohl leichter zu verstehen, nicht wahr? Damals sagte man „Mikron“, was für manche vielleicht vertraulicher ist.

Lisa:

Na ja … Auf jeden Fall sehr klein, nicht?

Joe:

Ein nahe liegendes Beispiel … Man sagt, dass der Durchmesser von einem typischen Menschenhaar etwa 80 μm hat. Also handelt es sich um weniger als die Hälfte davon. Noch eins. Ein weißer Blutkörper im Blut scheint einen Durchmesser von etwa 10 bis 20 μm zu haben.

Lisa:

Jetzt weiß ich aber wirklich nicht mehr, was nun kleiner oder größer ist.

Joe:

Im Ausland wird manchmal als Einheit auch „mil“ verwendet. Einfach gesagt, ist „mil“ ein 1/1,000 von einem Zoll, wobei 1 mil etwa 25,4 μm ist.

2. Einheit-2 zum Goldbonddraht

Professor Birdie:

Nun Joe, erst mal genug zum Durchmesser und Größe vom Bonddraht. Also weiter zum nächsten Thema.

Joe:

Das nächste Thema wird bestimmt verständlicher sein, Lisa. Die Länge von einem Bonddraht ist unterschiedlich, je nach Verwendungszweck, aber meistens sind es 3,000 m. Ein Bonddraht wird auf eine Spule (auch Klöppel oder Rolle genannt) gewickelt und ausgeliefert.

Lisa:

3,000 m … Das sind also 3 km! Fast genauso lang wie meine Joggingstrecke.

Professor Birdie:

Auf einem Golfplatz währen 3 km eine Halbrunde bei einem etwas lang ausgestalteten Golfkurs. Allerdings wird beim Golfspiel in Japan, üblicherweise von „Yard“ gesprochen. Ein Yard sind etwa 0.9 m.

Joe:

Obwohl ich kein guter Golfspieler bin, kommt es mir vor, als ob ich mehr als das laufen würde. Nun zurück zum Thema. Zum Schluss noch etwas über das Gewicht. Bisher haben wir über Durchmesser und Länge gesprochen. Ein Bonddraht kann auch anhand von Gewicht dargestellt werden. Die Dichte von Gold beträgt 19,32 g/cm3, weshalb ein 3 km langer goldener Bonddraht mit einem Durchmesser von 23 μm, 24 g wiegt.

Lisa:

So so …

Professor Birdie:

Etwas durcheinandergekommen? Gut, ich ergänze. Bei gleichem Durchmesser und Länge sind es bei Kupfer etwa 11 g, bei Eisen etwa 9,8 g und bei Aluminium nur 3,4 g an Gewicht.

Lisa:

Da merkt man ja erneut, dass Gold schwer ist.

Joe:

Gut. Nun wollen wir endlich über den Herstellungsprozess zu sprechen kommen. Wenn pauschal von Gold gesprochen wird, sollte man davon ausgehen, dass der Charakter von Gold sich abhängig von dessen Reinheit ändert. Reines Gold hat eine Reinheit von mehr als 99,99 %, weshalb dies auch als 24-Karat bezeichnet wird. Bei einem allgemeinen Goldbonddraht beträgt die Reinheit mehr als 99,99 % (4N), wo durch das Hinzufügen von verschiedenen Elementen in das Gold mit einer Reinheit von mehr als 99,999 % (5N), physische Eigenschaften erzielt werden, die für einen Bonddraht geeignet sind.

Professor Birdie:

18-Karat entspricht einer Reinheit von 75 %, und deshalb hat ein Goldbonddraht eine Reinheit, die einem reinen Gold entspricht.

Lisa:

18-Karat Gold hat ja die Farbe, die wir auch als goldene Farbe kennen, und doch ist der Unterschied so groß?

3. Elastizität und Plastizität

Joe:

Lisa, kannst du dir vorstellen, wie ein Bonddraht, der ja dünner als ein Haar ist, hergestellt wird?

Lisa:

Wird der so geschnitten,wie Fadennudeln? … oder so herausgehoben wie Gelee? … oder so gezogen wie Stärkesirup?

Joe:

Interessante Gedanken, allerdings alles Sachen zum Essen. Aber du bist der Sache schon nahegekommen.

Professor Birdie:

Angenommen, da sind zwei Bälle; der eine Ball besteht aus Gummi und der andere aus Eisen. Der Ball aus Gummi lässt sich mit der Hand leicht verformen, aber der aus Eisen ist so hart, dass das nicht geht. Der etwas verformte Ball aus Gummi erhält im Lauf der Zeit seine ursprüngliche Form wieder. Selbst wenn einem Gegenstand eine Kraft (Last) auferlegt wird und sich der Gegenstand dadurch verformt, erhält er seine ursprüngliche Form wieder, wenn die Last entfernt wird. Diese Eigenschaft nennt man „Elastizität“.

Professor Birdie:

Wenn man es auch schafft, den Ball aus Eisen irgendwie zu verformen, kann man es sich leicht vorstellen, dass er seine ursprüngliche Form nicht wieder erhält, wie bei einem Ball aus Gummi. So wird die Eigenschaft, bei der durch das Auferlegen einer Last, die Form oder Größe sich verändert und nicht wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt, „Plastizität“ genannt. Je nach dem wie ein Gummi zerquetscht wird, erhält es seine ursprüngliche Form auch nicht mehr. Es geht nur darum, dass plastisches Verformen nicht einfach ist.

Lisa:

Komplizierte Dinge verstehe ich nicht, aber begreife doch in etwa, was gemeint ist.

Professor Birdie:

Vom akademischen Standpunkt aus ist die Sache noch tiefgehender, aber wir wollen weitermachen. Das Gold wird durch diese Plastizität in eine dünne und lange Form verarbeitet. Noch einmal zurück zum Ball aus Eisen. Wie würdest du diesen Ball verformen?

Lisa:

Der scheint ja sehr hart zu sein. Also ist das mit bloßen Händen nicht möglich. Geht es vielleicht mit einem Schläger oder einer Zange?

Professor Birdie:

Eventuell ja. Um einen Gegenstand zu verformen, muss ihm eine Last auferlegt werden, die seinen material charakteristischen Wert, Dehngrenze genannt, überschreitet. Es wird auch noch ein Werkzeug benötigt, dass härter ist, als der zu verformende Gegenstand. Grob gesagt, handelt es sich bei einem Verarbeiten, bei dem die Plastizität eines Gegenstands ausgenutzt wird, darum, dass die Form des Werkzeugs, das härter ist als das Material, als Form auf das Material übertragen wird.

4. Der Schmelz- und Walzprozess

Joe:

Wir sind etwas vom Thema abgekommen; Gold mit einer Reinheit von mehr als 99,999 % ist für Bonddrähte nicht geeignet, weil es sehr weich ist. So handelt es sich bei einem Schmelzprozess darum, hochreines Gold mit verschiedenen Elementen zu schmelzen und zu vermischen, um einen Ingot herzustellen, der als Material für Bonddrähte dient. Fast sämtliche Werkstoffeigenschaften werden durch diesen Prozess festgelegt. Wie vorher schon gesagt, beträgt die Reinheit selbst bei diesem Ingot 99,99 %, was man schon hochrein nennen könnte, wo aber der Charakterunterschied zum Gold mit 99,999 % doch noch groß ist.

Professor Birdie:

Der Schmelzprozess für Eisen oder Aluminium wird in der Atmosphäre durchgeführt, aber wenn Gold für Bonddrähte geschmolzen wird, wird zuerst evakuiert, und das Schmelzen in einer Inertgasatmosphäre, wie z. B. Stickstoffgas, durchgeführt. Gold selbst oxidiert nicht, aber diese Methode wird angewendet, um zu vermeiden, dass die zu mischenden Elemente oxidieren. Das wird deswegen so gemacht, weil der Schmelzpunkt von Gold bei etwa 1,064 °C liegt, und wenn zum Schmelzen die Temperatur in der Luft so weit erhöht wird, es zu einem erhöhten aktivieren des Sauerstoffs kommt. Das heißt also, dass Brennbares in ein schlecht Brennbares umgewandelt wird, nicht wahr?

Lisa:

Ich habe mal gehört, dass man Kuchen mit 180 °C backt … Die Temperatur für diesen Ingot liegt also scheinbar noch höher, als beim Gratin kochen …

Professor Birdie:

Ha Ha … Das geht über deine Vorstellung hinaus, was? Man sollte sich unter diesen Ingot einfach einen großen Block vorstellen.

Joe:

Erstens wird der Ingot durch einen Walzprozess nach und nach dünn gedrückt. Der Ingot wird mit einem Werkzeug, Kaliberrolle genannt, das härter als das Material ist, zerquetscht. Weil das Material nicht geschnitten oder gefeilt, sondern ausgedehnt wird, bleibt das Materialvolumen vor dem Verarbeiten erhalten, wobei sich nur die Form ändert.

Professor Birdie:

Bei plastischer Verarbeitung wird das Material ohne Verlust verformt, und kann, im Vergleich zu anderen Verarbeitungsmethoden, verhältnismäßig schnell verarbeitet werden, weshalb diese Technik auch zur Verarbeitung von verschiedenen Materialien unentbehrlich ist.

5. Der Ziehprozess

Joe:

Allerdings hat das Dünndrücken durch Walzen seine Grenzen, und so geht man, nachdem ein gewisses Maß erreicht ist, in ein anderes Verarbeitungsverfahren, über, das „Ziehen“ genannt wird. Von hier ab wird das Material mit einem Werkzeug, das man „Schneider“ nennt, dünn verformt. Zum schneiden wird eine sehr harte Legierung, die man Hartlegierung nennt oder ein Diamant verwendet.

Lisa:

Ein Diamant wird verwendet? Das ist ja zu schade! Den hätte ich gerne!!

Professor Birdie:

Das kann ich mir vorstellen. Es gibt verschiedene Gründe, weshalb ein Diamant verwendet wird, und zwar ist es günstiger, einen Diamanten zu verwenden, weil dieser, im Vergleich zu anderem Material, sehr hart ist und sich nicht einfach verschleißt. Außerdem ist das ein sehr wichtiges Werkzeug, um eine Glätte auf der Drahtoberfläche zu erhalten, was ja für einen Bonddraht unentbehrlich ist.

Joe:

Nun noch etwas Ausführlicheres zum Ziehprozess. Um es leicht verständlich zu machen, könnte man die Form des Schneiders mit einer Sanduhr vergleichen. Das Material ist der Sand, und der zusammengedrückte Teil vom Glas soll den Schneider darstellen. Der Sand wird beim zusammengedrückten Teil vom Glas festgehalten, und immer ein bisschen fällt nach unten. So wird der Materialdurchmesser mit dem Schneider verkleinert, und lang und dünn gemacht.

Professor Birdie:

In diesem Ziehprozess sind die Form des Schneiders, wie klein er gehalten wird, und was für ein Material gewählt wird, die entscheidenden Punkte. Weitere wichtige Elemente währen, Ziehgeschwindigkeit, Schmierflüssigkeit, Zwischen-Wärmebehandlung und Vorrichtung. Lisa, obwohl du den Draht als „unterschiedlich“ bezeichnet hast, haben wir hier eine ausgezeichnete Verarbeitungsmethode, wo die Schnittfläche sich kaum verändert, weil beim Ziehprozes der Schneider in einer Minute Mehrere-Hundert Meter verarbeitet.

Lisa:

Das wird ja immer komplizierter. Das scheint ja sehr tiefgehend …

Joe:

Vielleicht haben wir erst mal genug.

Professor Birdie:

Zum Schluss noch; weist du vielleicht, wann zum ersten Mal Gold verarbeitet wurde?

Lisa:

Gold ist ja seit alten Zeiten schon als Schmuck gebraucht worden … Kann es schon zur Zeit der ägyptischen Zivilisation gewesen sein?

Professor Birdie:

Nach alten Schriften hat man schon im 20. bis 30. Jahrhundert vor Christi angefangen, gehämmert und geschnittenes Gold mit der Hand durch ein kleines Loch zu ziehen, wodurch es einen dünnen goldenen Draht gab. Also schon vor 4000 bis 5000 Jahren machte man das. Es war doch etwa 1340 Jahre vor Christi, als der berühmte Tutanchamun regierte … Also schon viel länger vorher.

Joe:

Und heute stellen wir immer noch goldene Drähte her.

Lisa:

Das ist ja eine großartige Geschichte. Diesmal habe ich sehr viel verstanden, was ein Goldbonddraht ist; angefangen von der Einheit bis zum Ziehprozess. Ich freue mich auf die nächste Lektion.