Dünner als der Flügel einer Zikade und feiner als ein Haar – dieses Metall lässt sich sowohl in der Industrie als auch für Lebensmittel und Medizin verwenden?

1. Blattgold

1.1 Eigenschaften von Goldfolie

Gold ist das dehnbarste Metall. Gold kann zu sehr dünnen Blättern verarbeitet werden, die als Goldfolie bezeichnet werden. Wie dünn kann Goldfolie sein? Überraschenderweise kann die Dicke nur 0,1 µm betragen, was bedeutet, dass Goldfolie nur ein Zehntausendstel von 1 mm dünn sein kann. Aus einem Goldblock von 1 cm3 lässt sich eine Goldfolie mit einer Fläche von 100 m2 herstellen. Jeder kennt doch bestimmt Zikaden, oder? Zikadenflügel sind die Flügel von Zikaden. Sie sind so dünn wie Zikadenflügel und werden oft verwendet, um extrem leichte und dünne Dinge zu beschreiben. Messungen zufolge beträgt die Flügeldicke einer Zikade jedoch etwa 0,12 mm. Das bedeutet, dass 1.200 übereinander gestapelte Blätter Goldfolie der Flügeldicke einer Zikade entsprechen könnten. Es ist unglaublich! Die Dicke der Goldfolie ist selbstverständlich einstellbar, das heißt, innerhalb eines gewissen Rahmens kann ihre Dicke frei variiert werden.

Wenn Blattgold so dünn ist, ist es durchsichtig. Durch diese Goldfolie können Sie die Landschaft auf der gegenüberliegenden Seite sehen. Im Allgemeinen erscheint Ihnen die Landschaft durch rotes Glas rot. Welche Farbe ist also durch transparente Goldfolie sichtbar? Ist es Gold? NEIN! Unglaublich, was man sah, war grün. Dies liegt daran, dass Gold eine starke Fähigkeit besitzt, gelbes und rotes Licht zu reflektieren, und die meisten dieser farbigen Lichter werden reflektiert. Daher werden sogar rote Blätter wie durch Zauberhand grün, wenn man sie durch Goldfolie betrachtet (Abbildung 1). Diese Eigenschaft nutzte man schon vor langer Zeit, um festzustellen, ob es sich um Echtheit oder Fälschung von Gold handelte: Aus dem zu bestimmenden Stoff wurde Folie hergestellt. Schauen Sie dann hindurch, um zu sehen, ob die Landschaft auf der anderen Seite grün ist. Wenn es echtes Gold ist, sollte es grün sein, andernfalls ist es kein echtes Gold.

Die Echtheit von Goldfolie lässt sich auch anhand ihrer Dicke bestimmen. Echte Goldfolie ist viel dünner als unechte Goldfolie und bricht bei Berührung mit der Hand. Unechte Goldfolie hingegen ist viel dicker als echte Goldfolie und bricht bei Berührung mit der Hand nicht. Außerdem ist echtes Gold feuerbeständig und Sie können die Echtheit von Blattgold durch Verbrennen erkennen. Der Hauptrohstoff für Blattgoldimitat ist Kupfer, das beim Verbrennen Kupferoxid bildet und schwarz wird, was bei echter Blattgold nicht der Fall ist.

Abbildung 1: Betrachtung roter Blätter durch Goldfolie

Es gibt einfachere Möglichkeiten, um festzustellen, ob es sich bei einem Objekt um echtes Gold handelt. Dabei werden zerbrochene Schüsselstücke verwendet, um das zu identifizierende Objekt zu zerkratzen. Wenn das Objekt wirklich aus Gold ist, ist die Farbe des Kratzers golden. Handelt es sich jedoch um ein anderes Metall als Gold, entstehen in der Regel schwarze Kratzer. Überall liegen Schüsselstücke herum. Sie können es versuchen, indem Sie einen finden und den Goldring neben sich kratzen. Natürlich stellt sich die Frage, wer für die Zerstörung des Goldrings verantwortlich ist.

Wir können den ungefähren Reingoldgehalt von Blattgold auch mit bloßem Auge beurteilen. Es gibt ein Sprichwort, dass 9 rot, 8 gelb und 7 blau ist. Das heißt, ein Goldgehalt von über 90 % ist rötlich, ein Gehalt von 80 % ist gelblich und ein Gehalt von 70 % ist blau.

1.2 Herstellung von Goldfolie

Der Herstellungsprozess von Goldfolie ist einzigartig und erfordert hohe technische Fähigkeiten. Es wird seit der Antike in Handarbeit hergestellt. Der Herstellungsprozess von Goldfolie ist in Tiangong Kaiwu beschrieben: „Bei der Herstellung von Goldfolie wird diese, nachdem sie zu einer dünnen Haut geworden ist, in schwarzes Goldpapier eingewickelt und mit einem Hammer so fest wie möglich geschlagen.“

Goldfolie wird durch Hämmern von Goldblechen hergestellt, wodurch diese allmählich dehnbar werden. Dabei wird die gute Duktilität des Goldes ausgenutzt. Dabei handelt es sich jedoch definitiv nicht um einen einfachen Hämmervorgang. Dünne Goldblätter werden zwischen die Papiere gelegt und in etwa 100 Schichten übereinander gelegt. Ein spezialisierter Blattgoldmeister bearbeitet sie mit einem Hammer, sodass sich das Gold dehnt und dünner wird und schließlich schönes Blattgold in der von uns gewünschten Dicke entsteht (Abbildung 2). Die Frage ist: Welches Papier soll verwendet werden? Das Prinzip, Gold durch Hämmern allmählich dünner zu machen, ist einfach, aber das Papier, auf dem die Goldfolie befestigt ist, ist etwas ganz Besonderes. Diese Art von Papier, 萡纸 genannt, ist im Allgemeinen ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 30 cm, aber es ist definitiv kein gewöhnliches Papier. Es handelt sich um eine spezielle Papiersorte, die über ein halbes Jahr lang in speziellem Wasser eingeweicht und dann vor der Verwendung herausgenommen und getrocknet wird. Dieses Wasser enthält besondere Substanzen und jeder Blattgoldmeister verfügt über ein besonderes Geheimrezept, das von Generation zu Generation weitergegeben wird. Nach der Herstellung kann dieses Papier viele Male wiederverwendet werden, seine Funktionalität lässt jedoch mit der Zeit nach. Wenn es nicht mehr verwendbar ist, kann es in bestimmte Größen zugeschnitten und für das Make-up von Schauspielern verwendet werden. Einige Leute haben für ihre Experimente auch hochwertiges Kopierpapier verwendet. Obwohl sie dieses Kopierpapier zum Einklemmen und anschließenden Schlagen von Goldfolie verwendet haben, kann diese dadurch dünner werden, es entstehen jedoch viele unregelmäßige Löcher und das Ergebnis ist keine Goldfolie. Ohne die Verwendung von Spezialpapier ist es daher nicht möglich, schöne Goldfolie herzustellen.

Abbildung 2 Herstellung von Goldfolie

Alle antiken Zivilisationen der Welt verfügten über hervorragende Fertigkeiten in der Herstellung von Blattgold. Die ersten Entdeckungen zur Herstellung von Blattgold erfolgten im Nilbecken des alten Ägypten. Aus den Gräbern der alten ägyptischen Pharaonen ausgegrabene Kulturgüter beweisen, dass Ägypten die Technologie zur Verarbeitung von Blattgold schon sehr früh beherrschte. In einem Grab in der afrikanischen Sahara aus dem Jahr 1500 v. Chr. wurden Goldfolienprodukte gefunden, und bei Ausgrabungen eines ägyptischen Grabes aus dem Jahr 1450 v. Chr. wurden Abbildungen aus Goldfolie gefunden. In Europa existierte die Blattgoldverarbeitungsindustrie bereits im Mittelalter in Hamburg, Wien und anderen Orten.

In Asien verfügt Japan über hochentwickelte Techniken zur Herstellung von Goldfolie und die Produkte sind von hoher Qualität. Das Hauptproduktionsgebiet ist die Stadt Kanazawa in der Präfektur Ishikawa. Der Kinkaku-ji-Tempel im japanischen Kyoto ist vollständig mit Goldfolie bedeckt (Abbildung 3). Im Jahr 1950 wurde der Kinkaku-ji-Tempel niedergebrannt, weil ein Mönch dort Brandstiftung angerichtet hatte. Es wurde 1955 restauriert, aber die Dicke des damals verwendeten Blattgoldes war nicht ausreichend, was dazu führte, dass ultraviolette Strahlen das Blattgold durchdrangen und die Farbe im Inneren beschädigten. Deshalb wurde es 1987 erneut mit Blattgold überzogen. Die Dicke der diesmal verwendeten Goldfolie ist fünfmal so dick wie die ursprüngliche Goldfolie. Verwendet wurden 200.000 Stück Goldfolie mit einer Kantenlänge von 4,8 cm, insgesamt wurden ca. 20 kg Gold verbaut. Die Gesamtkosten betrugen 740 Millionen Yen (etwa 45 Millionen Yuan).

Abbildung 3: Mit Goldfolie bedeckter Kinkakuji-Tempel

In China ist Blattgold ein traditionelles Kunsthandwerk der chinesischen Nation. Es entstand in der Östlichen Jin-Dynastie, reifte in den Südlichen Dynastien heran und war in den Song-, Qi-, Liang- und Chen-Dynastien beliebt. Nanjing ist der Geburtsort der chinesischen Goldfolie. Heute ist Nanjing das weltweit größte Produktionszentrum für Goldfolie. Im Mai 2006 wurde die Goldfolienschmiedetechnik von Nanjing vom Staatsrat in die erste Liste des nationalen immateriellen Kulturerbes aufgenommen.

1.3 Aufbringen von Goldfolie

Die Einsatzmöglichkeiten von Goldfolie sind vielfältig und erstrecken sich über verschiedene Bereiche wie den Buddhismus, klassische Gärten, gehobene Architektur, die medizinische Versorgung und kulturelle Unternehmungen. Zu den häufigsten Verwendungszwecken von Goldfolie zählen das Vergolden von Buddhastatuen, geschnitzten Balken und bemalten Gebäuden, Gedenktafeln und Versen sowie Dekorationen.

1.3.1 Essbar

Untersuchungen zufolge hat das Hinzufügen einer kleinen Menge Goldfolie zu Speisewein gesundheitliche Vorteile wie Entgiftung und Schönheitspflege. In den letzten Jahren wurden nach und nach Goldfoliengerichte, Goldfolienweine, Goldfolienwasser, Goldfolienbonbons und Goldfoliengebäcke auf den Markt gebracht. Es ist besonders in Japan und Südostasien beliebt. Im Jahr 1983 wurde Gold von der Weltgesundheitsorganisation offiziell in die Kategorie der Lebensmittelzusatzstoffe aufgenommen, und in China wurde „Goldfolie“ ausdrücklich in die achte Kategorie der als neue Nahrungsmittelressourcen genutzten Substanzen – Mineralien und Spurenelemente – aufgenommen. Derzeit gibt es in China viele Unternehmen, die „Goldfolienwein“ herstellen (Abbildung 4).

Abbildung 4 Goldfolie Wein

1.3.2 Medizinische Verwendung

Der medizinische Wert von Goldfolie hat eine lange Geschichte. Berühmte chinesische Patentarzneimittel wie etwa Tong Ren Tangs „Niuhuang Angong Pills“, „Niuhuang Qingxin Pills“, „Niuhuang Jiangya Pills“, „Wuji Baifeng Pills“ und „Dahuo Luodan“ verwenden alle Goldfolie in der Arzneimittelformel oder sind in Goldfolie eingewickelt. In medizinischen Büchern aller Dynastien heißt es: „Das Essen von Gold kann den Geist beruhigen, das Knochenmark stärken und die bösen Geister aus den fünf inneren Organen vertreiben.“ „Es kann Schocks und Verletzungen bei Kindern, Schocks der fünf inneren Organe und Willensverlust heilen und den Geist beruhigen und die Seele besänftigen.“ In der modernen Medizingeschichte begann man, Gold zur Behandlung von Immunerkrankungen einzusetzen. Wissenschaftliche Untersuchungen haben außerdem ergeben, dass Gold über starke antioxidative Eigenschaften verfügt. Daher ist Blattgold auch heute noch, wo die moderne Medizin hochentwickelt ist, im In- und Ausland ein begehrtes „Zauberelixier“. In unserem Land gibt es auch ein Volksheilmittel, bei dem Goldfolie verwendet wird, um Kinder zu beruhigen. In der modernen Chirurgie wird Goldfolie zur Behandlung verbrannter Haut und für chirurgische Nähte verwendet.

1.3.3 Handwerk

Kunsthandwerkliche Geschenke werden mit Goldfolie furniert, was dekorative Verzierungen, Kunstbegeisterung und Schatzsammlung ermöglicht. Diese Art von handgefertigten Geschenken spiegelt nicht nur den Luxus von Gold wider, sondern ist im Vergleich zu Produkten aus reinem Gold auch relativ günstig. Es kann so brillant und langlebig wie Gold sein und gleichzeitig die Essenz der Kunst bewahren. Derzeit ist der Bereich des Goldfolienhandwerks hell und farbenfroh geworden. Es gibt unzählige Gemälde aus Goldfolie (Abbildung 5), Bildkarten aus Goldfolie, Visitenkarten aus Goldfolie, Fotos aus Goldfolie, Ornamente aus Kristallgoldfolie und Gemälde aus Goldfolie mit Keramikglasur.

Abbildung 5 Blattgoldmalerei

1.3.4 Schönheit

Es gibt seit der Antike Aufzeichnungen über die Verwendung von Goldfolie zu Schönheitszwecken. In „Die Ballade von Mulan“ heißt es: „Ich kämme mein Haar am Fenster und lege Goldfolie vor dem Spiegel auf.“ Bei der Goldfolie handelt es sich um Goldfolie. In der modernen Gesellschaft ist die Verwendung von Goldfolie zur Herstellung von Kosmetika in der Schönheitsindustrie im In- und Ausland zu einer Mode geworden. Es wird gesagt, dass die nanoverarbeitete Goldfolie negative Ionen transportiert und Mikrozirkulationsenergie erzeugt, die den auf der Haut angesammelten Schmutz entfernt, den Hautstoffwechsel fördert, die Zellvitalität und Hautelastizität aktiviert und die Haut gesund und durchscheinend macht.

1.3.5 Architektur

Mit der Vergoldungstechnik kann eine kleine Menge Gold den Effekt erzielen, den Hauptkörper aus Gold zu machen. Daher wird sie häufig bei antiken Gebäuden, modernen Gebäuden, mit Gold beschrifteten Gedenktafeln usw. verwendet. Zu den berühmten chinesischen Gebäuden mit Goldfolie gehören: der Platz des Himmlischen Friedens in Peking, die Große Halle des Volkes, CCTV, der Oriental Pearl Tower in Shanghai und der Potala-Palast in Tibet (Abbildung 6).

Abbildung 6 Potala-Palast

2. Goldfaden

2.1 Eigenschaften von Golddraht

Die hervorragende Duktilität von Gold lässt sich auch beim Drahtziehen nachweisen. Aus 1 Gramm Gold lässt sich ein 66 km langer Golddraht mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm ziehen. Wenn Sie 600 Gramm Gold haben, können Sie daraus einen so dünnen Golddraht ziehen, dass er die Erde umrunden kann. Die Dicke eines Männerhaares beträgt im Allgemeinen zwischen 0,08 und 0,4 mm bzw. zwischen 80 und 400 µm. Der Durchmesser des Golddrahtes kann weniger als ein Prozent eines menschlichen Haares betragen. Wenn wir nur auf der Grundlage der Querschnittsfläche rechnen, bräuchte man etwa 10.000 dünne, zusammengebundene Golddrähte, um einem Haar zu entsprechen!

Als wichtiger Rohstoff muss Golddraht die folgenden wichtigen Eigenschaften aufweisen: gute mechanische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit; entsprechende Bruchkraft; geeignete Größe; saubere Oberfläche ohne Verschmutzung oder Beschädigung. Darüber hinaus ist es bei der Verwendung als Bonddraht (Abbildung 7) nicht gut, wenn er zu weich oder zu hart ist. Zu weicher Golddraht kann zu folgenden nachteiligen Folgen führen: (1) Der Draht hängt durch; (2) Die Kugelform ist instabil; (3) Der Kugelhals neigt zum Schrumpfen; (4) Der Golddraht neigt zum Brechen. Zu harter Golddraht kann zu folgenden nachteiligen Folgen führen: (1) Löcher in Chipelektroden oder Epitaxie; (2) Bruch des Halses der Goldkugel; (3) Schwierigkeiten bei der Legierungsbildung; und (4) Schwierigkeiten bei der Kontrolle des Drahtbogens. Am Beispiel von Bonding-Golddraht werden dessen Herstellungsverfahren und Anwendung erläutert.

Abbildung 7 Bonddraht

2.2 Herstellung von Golddraht

Eine der Hauptanwendungen von Golddraht ist die Verwendung als Bonddraht. Die Herstellungsverfahren für das Bonden von Golddrähten umfassen hauptsächlich Schmelz- und Gießprozesse, Drahtziehprozesse, Glühprozesse, Leistungstests, Wicklungen usw. Durch die Optimierung und Verfeinerung des Prozesses sowie die Verbesserung der Ausrüstung können wir die Produktqualität der Materialien verbessern, die Produktausbeute steigern, eine industrielle Produktion realisieren und die Produktionskosten senken.

Zunächst müssen Sie hochreine Goldrohstoffe beschaffen. Früher wurde zur Herstellung von Goldwerkstoffen oder zur Herstellung von Legierungen in der Regel 99,99 % Gold als Rohstoff verwendet. Bei der Verwendung als Bonddrähte wiesen sie gewisse Mängel hinsichtlich Stabilität, Schweißbarkeit und Halbleitereigenschaften auf. Die Verwendung von 99,999 % Gold als Rohmaterial zur Herstellung von Goldprodukten verbessert nicht nur deren elektrische Eigenschaften, sondern kontrolliert auch Verunreinigungselemente streng, um Störfaktoren zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Goldprodukte zu verbessern.

Zu den wichtigsten Methoden zur Herstellung von hochreinem Gold gehören die chemische Reduktionstrennung, die Auflösungsextraktion und die elektrolytische Raffination.

Chemisches Reduktionstrennverfahren. Als Rohstoff wird in der Regel Gold mit einem Goldanteil von über 99,9 % verwendet. Die Herstellung von 99,999 % Gold wird durch Auflösen in Königswasser, Entfernen des Nitrats mit Salzsäure und Kontrolle der Au3+-Konzentration in der Lösung, der Menge des Reduktionsmittels Oxalsäure, der Reduktionszeit und der Temperatur erreicht.

Lösungsextraktionsmethode. Normalerweise wird 99,99 % Gold mithilfe einer Königswasserlösung oder einer Methode zur Herstellung einer Elektrolytlösung zu einer relativ reinen Chlorgoldsäurelösung verarbeitet, die dann mit Ether extrahiert und nach der Rückextraktion mit Schwefeldioxid reduziert wird, um reines Gold mit einem Gehalt von ≥99,999 % zu erhalten.

Elektrolytische Raffination. Bei Verwendung von Gold (≥99,9 %) als Anode und eines inerten Materials, das durch den Elektrolyten nicht korrodiert wird, als Kathode erfährt das Gold bei Anlegen von Strom an die Anode hauptsächlich eine Auflösungsreaktion von Au→Au3+ + 3e, während an der Kathode hauptsächlich eine Niederschlagsreaktion von Au3+ + 3e→Au stattfindet. Die Zellspannung und die Kathodenstromdichte werden streng kontrolliert, sodass an der Kathode nur Gold abgeschieden wird, andere Metallionen jedoch nicht. Auf diese Weise wird das an der Kathode abgeschiedene Gold gereinigt.

Das Erzielen einer gleichmäßigen Goldgussstruktur ist auch der Schlüssel zur Herstellung von Hochleistungsgolddraht. Beispielsweise kann die Zwischenlegierung durch das Leckguss-Abschreckverfahren hergestellt und dann der Grundmetallflüssigkeit hinzugefügt werden, sodass die Legierungsgeschwindigkeit hoch und die Dispersion gut ist und die Barrenstruktur mit gleichmäßiger Verteilung der Verstärkungselemente erhalten wird.

Zu den Herstellungsverfahren für Bonddrahtlegierungsblöcke gehören Vakuumschmelzgießen und Stranggießen. Heutzutage werden die meisten Legierungsbarren im Stranggussverfahren hergestellt, wodurch sich die Barrenausbeute verbessern lässt. Beispielsweise wird für das Stranggießen ein vertikaler Mittelfrequenz-Induktions-Vakuum-Stranggießofen verwendet, und das intermittierende Ziehgießen wird verwendet, um die Bildung von säulenförmigen Kristallen zu unterdrücken, was der Bildung von gleichachsigen Kristallen förderlich ist. Unter Berücksichtigung der Dehnung des Barrens kann eine gewisse Festigkeit erreicht werden, die die Verarbeitung ultrafeiner Drähte besser ermöglicht, die Ausbeute an Golddrähten und die Konsistenz zwischen den Chargen verbessert und den Anforderungen einer stabilen Chargen- und Großserienproduktion gerecht wird.

Durch die mehrfachen Ziehvorgänge wird der Golddraht immer dünner und erfüllt schließlich die Anforderungen für den Einsatz. FEIGE. 8 ist eine schematische Darstellung des Metalldrahtziehens. Während des Drahtziehprozesses wird der Golddraht zum Glühen im Allgemeinen auf 300–600 °C erhitzt. Nach dem Glühen wird es zum Aufwickeln direkt auf die Aufwickelspule gewickelt. Zu diesem Zeitpunkt entsteht leicht ein Selbstdiffusions-Bindungseffekt zwischen den Bonding-Golddrähten, was dazu führt, dass der Draht im nächsten Prozess nicht freigegeben werden kann, was zu Drahtbrüchen führt und die Produktausbeute verringert. Um zu verhindern, dass der Bonding-Golddraht nach dem Glühen festklebt, kann zwischen dem Glühofen und der Aufwickelspule eine Kühlzirkulationsvorrichtung angebracht werden. Dadurch lässt sich das Problem des Festklebten Bonding-Golddrahts nach kontinuierlichem Online-Glühen besser lösen, wenn er auf die gleiche Aufwickelspule gewickelt wird, wodurch die Produktausbeute verbessert wird.

Abbildung 8 Schematische Darstellung des Metalldrahtziehens

Durch die kombinierte Wirkung von Spurenelementen und der optimalen Legierungselementgestaltung kann der Bonddraht legiert und zu dünnen Drähten verarbeitet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Bondstärke und -leistung in Umgebungen mit hohen Temperaturen und Vibrationen verbessert werden können. Normalerweise werden Spurenelemente hinzugefügt, um die Körner zu verfeinern und die Legierung zu stärken. Beispielsweise kann durch Zugabe von 0,0005–0,001 % Be (Wismut), 0,001–0,003 % Ce (Cer), 0,0008–0,002 % Cu (Kupfer) oder Ge (Germanium) zu Gold mit einem Gehalt (Massenanteil) ≥ 99,996 % ein Bondgolddraht mit hoher Festigkeit, geringer Lichtbogenlänge, hoher Produktausbeute und großer Wickellänge der Aufwickelspule erhalten werden. Durch Zugabe von 0,0003–0,0008 % Ca (Kalzium), 0,002–0,004 % Cu (Kupfer) und 0,0005–0,0015 % Ge (Germanium) kann ein Bondgolddraht mit hoher Festigkeit und geringer Lichtbogenlänge erhalten werden. Durch die Zugabe der Spurenelemente Be (Wismut) und Sm (Samarium) können die Zugfestigkeit und Dehnung von Bondgolddrähten erhöht werden. Darüber hinaus kann die Zugabe von Spuren von W (Wolfram), Re (Rhenium), Pt (Platin), Y (Yttrium), Mg (Magnesium), Ir (Iridium), La (Lanthan) usw. zum Bonddraht dazu führen, dass der Draht eine bessere Festigkeit und Plastizität aufweist.

2.3 Anwendung von Golddraht

2.3.1 Bonddraht

In den letzten Jahren ist mit der rasanten Entwicklung der Halbleiterindustrie der Integrationsgrad integrierter Schaltkreise immer höher geworden, die Größe der Leiterplatten wurde immer kleiner, die Anzahl der Elektroden auf dem Gerät hat zugenommen, der Elektrodenabstand wurde kleiner und das Gehäuse wurde dementsprechend immer kleiner. Die objektive Anforderung besteht darin, dass der als Anschlussleitung verwendete Bonddraht eine hohe Festigkeit, eine geringe Lichtbogenlänge und eine sehr hohe Lichtbogenstabilität aufweist (Abbildung 9).

Abbildung 9 Der Abstand zwischen den Elektroden auf Leiterplatten wird kleiner

Das Bonden ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung integrierter Schaltkreise. Dabei handelt es sich um den Vorgang, den Schaltkreischip mit dem Anschlussrahmen zu verbinden. Bonddrähte sind feine innere Metalldrähte, die bei der Montage von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen den Eingangs-/Ausgangs-Bondpunkten der Schaltung im Chip und den internen Kontaktpunkten des Anschlussrahmens herzustellen. Die Qualität der Verbindung wirkt sich direkt auf die Leistung integrierter Schaltkreise aus. Bonddraht ist eines der fünf Grundmaterialien auf dem gesamten Markt für IC-Verpackungsmaterialien. Es handelt sich um ein Innenleitermaterial mit hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften und einer äußerst guten chemischen Stabilität. Es ist ein wichtiges Strukturmaterial für die Herstellung integrierter Schaltkreise und diskreter Geräte.

Gold hat eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und ist sehr korrosionsbeständig. Daher kann es zur Leitung hoher Energiemengen verwendet werden. Beispielsweise Hochstromleitungen, Leiterplatten von 3C-Produkten usw.

Goldbonddraht ist ein Innenleitermaterial mit hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie chemischer Stabilität. Goldbonddraht wird hauptsächlich zum Verpacken von integrierten Schaltkreisen (ICs) und diskreten Halbleiterbauelementen wie Dioden (z. B. LEDs) und Transistoren verwendet. Diskrete Halbleiterbauelemente haben ein breites Anwendungsspektrum. Darunter finden diskrete Geräte mit Eigenschaften wie hoher Leistung, hohem Strom, hoher Sperrspannung, hoher Frequenz, hoher Geschwindigkeit, hoher Empfindlichkeit und geringem Rauschen ein breites Anwendungsspektrum. In der Industrie werden enorme Mengen Bonddrähte verwendet.

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Goldbonddrähten ist das IC-Packaging. IC-Bonding-Draht ist die Grundlage der IC-Industrie und bestimmt den Entwicklungsstand der integrierten Schaltkreisindustrie. Der Entwicklungsstand der IC-Industrie spiegelt auch die Produktionskapazität und das technische Niveau der Bonddrähte wider.

Beim VLSI-Drahtbonden ist Golddraht das am häufigsten verwendete leitfähige Drahtmaterial. Unter Bondgolddraht versteht man hochreinen Goldlegierungsdraht mit einer Reinheit von 99,99 % und einem Drahtdurchmesser von 18 bis 50 µm.

Goldbonddrähte haben die folgenden Haupteigenschaften: (1) Sie verfügen über eine Bruchfestigkeit und Dehnungsfestigkeit, die den Belastungen beim Verpacken standhalten können. (2) Gute Kugelformungseigenschaften erleichtern das Schweißen. (3) Die Oberfläche des Golddrahtes ist frei von Kratzern, Schmutz, Staub und anderen Anhaftungen, so dass eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zwischen dem Golddraht und dem Halbleiterchip sowie zwischen dem Golddraht und dem Leadframe besteht. (4) Es kann verhindern, dass der Draht stecken bleibt, wenn die Länge des Golddrahtes zunimmt. (5) Der Durchmesser des Golddrahtes muss genau sein und darf keine Wellen auf der Oberfläche aufweisen. (6) Beim Schweißen tritt keine Welligkeit in der Schweißnaht auf.

Die Entwicklungsrichtung von Bonddrähten. Derzeit gibt es zwei Hauptentwicklungsrichtungen für Goldbonddrähte:

(1) Um eine Legierung des Bonddrahts zu erreichen, den Draht dünner zu machen, Kosten zu senken und die Bondfestigkeit und -leistung in Umgebungen mit hohen Temperaturen und Vibrationen zu verbessern, werden dem Gold üblicherweise Spurenelemente zugesetzt. Die zugesetzten Elemente im Golddraht sind in der Regel vielfältig und nachvollziehbar. Spuren hinzugefügter Elemente haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Golddraht und spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbindungsleistung und der Ausbeute. Die Menge der zugesetzten Spurenelemente muss streng kontrolliert werden und darf nicht vom zulässigen Bereich abweichen, da dies sonst kontraproduktiv ist.

(2) Um die Dünnheit und Bondbarkeit von Bonddrähten zu verbessern und die Kosten zu senken, haben Unternehmen wie das japanische Unternehmen Tanaka Electronics, Sumitomo Metal Mining und das deutsche Unternehmen Heraeus sukzessive neue Hochleistungsdrähte aus Feinlegierungen wie Au-Ag, Au-Ni, Au-Sn, Au-Cu usw. entwickelt, die nun in die Phase der Vermarktung und Anwendung eintreten.

Derzeit ist die inländische Versorgung mit Bondgolddrähten für kleine und mittelgroße ICs und diskrete Geräte grundsätzlich gelöst, während die Versorgung mit Bondgolddrähten für große und sehr große ICs noch immer in großen Mengen importiert werden muss. Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronikindustrie meines Landes sind auch die technischen Anforderungen an Golddrähte sehr hoch. Beispielsweise sind für das Bonden kleinerer Abstände und großer Entfernungen dünnere Bonddrähte erforderlich. Daher werden immer höhere Anforderungen an die technischen Kennzahlen von Bond-Golddrähten gestellt. Die Nachfrage nach hochreinen, hochtemperaturbeständigen, ultrafeinen und ultralangen Golddrähten wächst rasant, ihr Entwicklungspotenzial ist enorm und die Aussichten sind vielfältig. Allerdings ist die Nachfrage der meisten Unternehmen nach dieser Art von Golddraht derzeit auf Importe angewiesen, und inländischer Golddraht kann die Anforderungen hinsichtlich Qualität oder Quantität nicht erfüllen. Japan steht hinsichtlich Vielfalt, Qualität und Produktion von Goldfäden weltweit an erster Stelle. Zwischen der heimischen Bonddrahtindustrie und der Industrieländer besteht noch immer eine große Kluft. Derzeit muss bei der Verarbeitung von Bonddrähten im Inland dringend eine groß angelegte, effiziente und qualitativ hochwertige Produktion geschaffen werden.

2.3.2 Goldfadenstickerei

Aus Gold kann Goldfaden zum Sticken hergestellt werden. Goldstickerei ist eine Sticktechnik, bei der Metallfäden verwendet werden. Das verwendete Drahtmaterial ist nicht auf Gold beschränkt. Man kann sogar sagen, dass reines Gold selten verwendet wird. Es ist lediglich so, dass das Wort „Golddraht“ im Namen enthalten ist. Im Allgemeinen wird Goldfadenstickerei mit Legierungsfäden aus Gold, Silber, Kupfer oder anderen Metallen hergestellt.

Beim Verfahren der Goldfadenstickerei wird die Seide zunächst straff gespannt und auf dem Rahmen befestigt, anschließend zeichnet der Meister die Musterlinien. Anschließend verwendete der Stickereimeister die alte Technik der Goldfadenstickerei, indem er den Goldfaden mit einer Sticknadel zu spiralförmigen Goldfäden verdrehte und dann geduldig Stück für Stück die komplexen Kompositionsdetails auf die Seide stickte, wodurch ein exquisites Kunstwerk entstand. Abbildung 10 ist ein Beispiel für zeitgenössische Goldfadenstickerei.

Abbildung 10 Zeitgenössische Goldfadenstickereien

Die Geschichte der Goldfadenstickerei reicht über 2.000 Jahre zurück. Die Technologie tauchte zuerst in China auf und verbreitete sich dann allmählich in Indien, dem Nahen Osten, dem alten Babylon, Ägypten, Afrika und europäischen Ländern.

In Europa kam die Goldfadenstickerei-Technik nach dem 11. Jahrhundert auf und wurde dort immer beliebter. Mitte des 13. Jahrhunderts erreichte das technische Niveau seinen Höhepunkt. Zu dieser Zeit wurde die Goldfadenstickerei häufig für kirchliche Gewänder und Kirchendekorationen verwendet. Papst Innozenz IV. hatte eine besondere Vorliebe für Goldfadenstickereien und schlug daher den Zisterziensermönchen und -nonnen vor, mit Goldfäden bestickte Gewänder zu kaufen. Außerdem stellte er Stickerinnen ein, die auf Goldfadenstickereien spezialisiert waren. Ende des 13. Jahrhunderts übertraf der Handel mit Goldfadenstickereien einst den Handel mit anderen Stickereiarten, was eine Blütezeit für die Goldfadenstickerei war. Bei diesen Arbeiten werden Goldfäden, Silberfäden und vergoldete Fäden als Hauptfadenmaterialien verwendet und sie sind mit Perlen, Halbedelsteinen und anderen Materialien verziert. Aus diesem Grund ist eine vollständige und exquisite Stickerei mit Goldfaden ein begehrtes Sammlerstück und teuer.

Im frühen 15. Jahrhundert entwickelte sich die Technologie der Goldfadenstickerei rasant, übertraf bald andere Sticktechniken und fand weite Verbreitung. Die Technik bestand darin, Paare von Goldfäden aus verschiedenfarbigen Seidenfäden herzustellen. Bei den erhaltenen Werken handelt es sich in der Regel um Porträts oder erzählende Szenen.

Im 19. Jahrhundert begannen Goldstickereien bei der Militär- und Staats- bzw. Zeremonienkleidung eine wichtige Rolle zu spielen. Die Goldstickmuster dieser Kleidungsstücke unterliegen je nach Anlass sehr strengen Gestaltungsvorgaben. Genau wie bei den offiziellen Uniformen des alten China repräsentieren unterschiedliche Muster unterschiedliche Ränge oder sozialen Status. Die Goldfadenstickerei-Verzierung wird meist separat gestickt, anschließend sorgfältig ausgeschnitten und anschließend mit Perlgold- und Silberfäden oder speziellem Metallfaden auf das Kleid aufgebracht.

Im 20. und 21. Jahrhundert wurde die Goldfadenstickerei weiterhin im Militär, bei Zeremonien und in der Religion verwendet, beispielsweise bei Kirchenbedarf höchster Qualität, besonderer Kleidung für besondere Anlässe usw. Gleichzeitig wurde es mit der Entwicklung der Technologie einfacher, die Goldfadenstickerei in andere Sticktechniken zu integrieren, was auch einen größeren kreativen Spielraum für die Goldfadenstickerei mit sich brachte.

Da Goldfadenstickereien äußerst prachtvoll sind und bei der Anwendung ganz besondere Effekte erzielen können, wird die Goldfadenstickerei auch in Zukunft mit ihrer einzigartigen Brillanz glänzen.

3. Fazit

„Gold“ ist nicht nur aufgrund seiner Edelheit und Wertbeständigkeit der König der Metalle, sondern auch Champion in puncto Verarbeitbarkeit. Goldfolie, die nur ein Tausendstel der Dicke eines Zikadenflügels hat, und Golddraht, der nur ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares hat, werden in vielen Bereichen häufig verwendet.

Quellen:
[1] Saito Katsuhiro. Aus Metall wird Metall. Japan: Technology Review Society, 2009

[2] Tang Rencheng. Gourmet mit Goldfolie. Essen und Leben, 2019(12):44

[3] Chen Yongtai, Xie Ming, Wang Song et al. Forschungsfortschritt bei Bonddrahtmaterialien aus Edelmetall. Edelmetalle, 2014, 35(3): 66 DOI: 10.3969/j.issn.1004-0676.2014.03.016

Über den Autor:

Jia Chengchang ist Professor und Doktorvater an der University of Science and Technology Beijing. Im Jahr 1982 schloss er sein Studium an der Abteilung für Metallwerkstoffe des Beijing Iron and Steel Institute mit einem Bachelor ab. 1987 erhielt er einen Master-Abschluss von der Tohoku-Universität in Japan. 1990 erhielt er seinen Ph.D. von der Tohoku-Universität, Japan. 1990–1994 Postdoktorand und Chefingenieur bei Kanagawa Science City, Japan. Ihm wurden mehr als 20 nationale Erfindungspatente zuerkannt. Er hat mehr als 200 Artikel in in- und ausländischen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht, darunter 76 von SCI indizierte Artikel und 127 von EI indizierte Artikel, und ein einzelner seiner Artikel wurde mehr als 100 Mal zitiert. Er hat 15 akademische Monographien herausgegeben: „Tutorial zu Verbundwerkstoffen“, „Einführung in Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe“, „Ölhaltige Lager aus gesinterten Metallen“, „Einführung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffe“, „Superharte Materialien und Werkzeuge“, „Spritzgießen von Metallpulver-Gel“, „Sinterpraxis und wissenschaftliche Prinzipien“, „Gesammelte Arbeiten von Professor Han Fenglin“ usw. Er hat den zweiten Preis für Wissenschaft und Technologiefortschritt des Bildungsministeriums, den ersten Preis für hervorragende Lehrbücher der China Metallurgical Education Association, den ersten Preis für nationale Lehrleistungen im Hochschulwesen (Teilnahme), den ersten Preis für Pekinger Bildungs- und Lehrleistungen (Teilnahme), den zweiten Preis für hervorragende Zeitschriften der China Nonferrous Metals Society, den herausragenden Arbeiter der China Metal Society, den herausragenden Ausbilder beim „Challenge Cup“, dem nationalen Wissenschafts- und Technologiewettbewerb für College-Studenten, das herausragende Redaktionsmitglied des „Journal of Composite Materials“ der Composite Materials Society und „Ich liebe meinen Lehrer – der beste Lehrer in meinen Augen“ der Universität Peking gewonnen. für Wissenschaft und Technologie, Fortgeschrittener in Lehrerethik, Herausragendes Parteimitglied, Fortgeschrittener Arbeiter, Erster Preis für Lehrleistungen, SCI-Inklusionspreis für wissenschaftliche Arbeiten und andere Auszeichnungen. Hauptberechtigungsjobs: Direktor der China Composite Materials Society, Ehrenleiterin der Pulvermetallurgie der China Metal Society, Executive Director der Pulver Metallurgy Branch der China Mechanical Engineering Society, Direktorin für Pulvermetallurgie und Ceramics Branch von China Nonferrous Metals Society, Ehrenleiter von Pulver Metallurgy Branch Association Association, Distanz von China Association, Redaktionsvorstandsmitglied des Journal of Composite Materials, Mitglied des Beratungsausschusses für Pulvermetallurgie Technologie, Redaktionsvorstandsmitglied der Powder Metallurgy Industry, Redaktionsvorstand