DE102004052039B4 - A method of determining the reflow depth during reflow of a metal layer and substrate for use in such method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht (5, 6) mittels eines Laserstrahls (8), bei dem – unter der Metallschicht (5) eine oder mehrere Schichtlage(n) (3, 4) vorhanden ist/sind, die bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zur Entladungsstrahlung der Metallschicht unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung emittiert/emittieren, wobei sich die Entladungsstrahlungen dadurch unterscheiden, dass sie verschiedene charakteristische maximale Wellenlängen (λCu, λchar(4), λchar(3)) aufweisen; – während des Aufschmelzens der Aufschmelzbereich (7, 7', 7'') mit einer Prüfstrahlung (10) beaufschlagt wird, und – aus der reflektierten Prüfstrahlung (11) das Aufschmelzen der Schichtlage(n) (5, 4, 3) durch Detektieren der schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlungen (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3)) erkannt und daraus auf die Aufschmelztiefe geschlossen wird, wobei die Metallschicht (5, 6) und die Schichtlage(n) (3, 4) aus demselben Ausgangsmaterial hergestellt werden und wobei die Schichtlage(n) (3, 4) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen (λchar,Cu, λchar(4) λchar(3)) schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.Method for determining the melting depth during melting of a metal layer (5, 6) by means of a laser beam (8), in which one or more layer (s) (3, 4) is / are present under the metal layer (5), which are The application of a test radiation emits / emits a respective layer-specific discharge radiation that is different from the discharge radiation of the metal layer, the discharge radiations differing in that they have different characteristic maximum wavelengths (λCu, λchar (4), λchar (3)); - During the melting, the melting area (7, 7 ', 7' ') is subjected to a test radiation (10), and - the melting of the layer (s) (5, 4, 3) from the reflected test radiation (11) by detection the layer-specific characteristic discharge radiation (λchar, Cu, λchar (4), λchar (3)) is recognized and the melting depth is deduced from this, the metal layer (5, 6) and the layer (s) (3, 4) being made from the same starting material and wherein the layer (s) (3, 4) is / are doped differently in layers to generate different characteristic discharge radiations (λchar, Cu, λchar (4) λchar (3)).
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigung elektrischer Schaltungen, insbesondere für Leistungshalbleitermodule, bei denen eine auf einem Träger (Substrat) aufgebrachte Metallschicht zu Montage- und/oder Kontaktierungszwecken aufgeschmolzen wird. Dazu wird die Metallschicht zumindest bereichsweise durch Wärmeeinbringung – z. B. mittels einer energiereichen Strahlung – bis zu ihrem Schmelzpunkt erwärmt.The invention is in the field of the production of electrical circuits, in particular for power semiconductor modules, in which a metal layer applied to a carrier (substrate) is melted for assembly and / or contacting purposes. For this purpose, the metal layer is at least partially by heat input -. B. by means of high-energy radiation - heated to its melting point.
Wegen der üblicherweise geringen Abmessungen und damit geringen Materialmengen aufzuschmelzenden Metalls kommt der Dosierung der Erwärmungsintensität bzw. Erwärmungsdauer eine erhebliche Bedeutung zu. Für zuverlässige Montagen bzw. elektrische Verbindungen muss reproduzierbar eine vorbestimmte Aufschmelztiefe der Metallschicht erreicht werden. Eine zu geringe Aufschmelztiefe kann zu unvollständigen oder fehlerhaften Verbindungen führen, während eine zu große Aufschmelztiefe bzw. zu starke Erwärmung zu thermischen Belastungen und mechanischen Spannungen – ungünstigstenfalls zur Zerstörung der Schaltung – führen kann.Because of the usually small dimensions and thus small amounts of material to be melted metal, the dosage of the heating intensity or heating time is of considerable importance. For reliable installations or electrical connections, a predetermined melting depth of the metal layer must be reproducibly achieved. A too low melting depth can lead to incomplete or faulty connections, while too great a melting depth or excessive heating can lead to thermal stresses and mechanical stresses - in the worst case, to the destruction of the circuit.
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem zuverlässig reproduzierbar während des Aufschmelzens einer Metallisierung die Aufschmelztiefe bestimmt werden kann. Außerdem stellt sich die Aufgabe, ein dazu geeignetes Substrat anzugeben.The present invention is therefore based on the object of specifying a method with which the melting point can be determined reliably reproducible during the melting of a metallization. It also raises the task of specifying a suitable substrate.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und hinsichtlich des Substrats durch ein Substrat nach dem Anspruch 4 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und Ausführungsbeispiele.This object is achieved according to the invention by a method according to claim 1 and with respect to the substrate by a substrate according to
Das Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht sieht vor, dass die zu verbindende oder zu kontaktierende Metallschicht auf einer oder auf mehreren Schicht(en) aufgebracht wird. Diese Schichtlage(n) zeichnet bzw. zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils gegenüber der Metallschicht und ggf. gegenüber den anderen Schichtlagen bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht (und ggf. zu den anderen Schichtlagen) unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung emittiert bzw. emittieren. Die Metallschicht kann auch einen vergleichsweise kleinen metallisierten Bereich umfassen, der z. B. zur Laststromabnahme bei einem Leistungshalbleitermodul dient.The method for determining the melting depth during the melting of a metal layer provides that the metal layer to be bonded or contacted is applied to one or more layers. This layer layer (s) is characterized or distinguished by the fact that they each have a layer-specific, different to the metal layer (and possibly to the other layers) different characteristic discharge radiation with respect to the metal layer and possibly to the other layer layers upon exposure to a test radiation emit or emit. The metal layer may also comprise a comparatively small metallized area, e.g. B. is used for load current decrease in a power semiconductor module.
Während des Aufschmelzens wird der Aufschmelzbereich mit einer Prüfstrahlung beaufschlagt. Der Anteil der Prüfstrahlung, der zu einer Auswerteeinrichtung zurückgeworfen wird, wird im Rahmen der Erfindung nachfolgend auch als Reflexionsstrahlung bezeichnet. Die Reflexionsstrahlung enthält eine für das jeweilige reflektierende Material charakteristische Entladungsstrahlung. Die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung ist abhängig von der sog. Austrittsarbeit. Diese wiederum ist bestimmt durch das bestrahlte, reflektierende Material. Allgemein hängen die Austrittsarbeit Wa und die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung bei einem vorgegebenen Material wie folgt zusammen:
- h:
- Plancksches Wirkungsquantum h = 6,2·10–34 Js
- f:
- Frequenz der reflektierten Strahlung
- λchar:
- charakteristische Wellenlänge der reflektierten Strahlung (Entladungsstrahlung)
- c:
- Lichtgeschwindigkeit
- H:
- Planck's constant h = 6.2 · 10 -34 Js
- f:
- Frequency of the reflected radiation
- λ char :
- characteristic wavelength of the reflected radiation (discharge radiation)
- c:
- Speed of Light
Man erkennt daraus, dass die Wellenlänge der Entladungsstrahlung charakteristisch für das reflektierende Material bzw. dessen Austrittsarbeit ist. Je nach aufgeschmolzener Metallschicht ist/sind also eine bzw. mehrere bestimmte Entladungsstrahlungen in der Reflexionsstrahlung detektierbar.It can be seen from this that the wavelength of the discharge radiation is characteristic of the reflective material or its work function. Depending on the molten metal layer, one or more specific discharge radiation is / are therefore detectable in the reflection radiation.
So ergibt sich beim Aufschmelzen einer aus einem Metall bestehenden Schicht eine charakteristische Austrittsarbeit Wa bzw. maximale Wellenlänge λchar,Me gemäß der Gleichung
Handelt es sich bei dem Metall beispielsweise um Kupfer (Cu), so werden die entsprechende charakteristische Austrittsarbeit im Folgenden mit Wa,Cu und die charakteristische Wellenlänge mit λchar,Cu bezeichnet.For example, when the metal is copper (Cu), the corresponding characteristic work function will be hereafter referred to as W a, Cu and the characteristic wavelength is denoted by λ char, Cu .
Wird nun zumindest eine weitere Schichtlage unter der aufzuschmelzenden Metallschicht erreicht, d. h. beginnt diese Schichtlage aufzuschmelzen, ist eine – von der charakteristischen Wellenlänge der Kupferschicht verschiedene – charakteristische maximale Wellenlänge der Entladungsstrahlung in Abhängigkeit von deren Materialzusammensetzung detektierbar.If at least one further layer layer under the metal layer to be melted is achieved, i. H. If this layer layer begins to melt, a characteristic maximum wavelength of the discharge radiation, which is different from the characteristic wavelength of the copper layer, can be detected as a function of its material composition.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallschicht und die Schichtlage(n) aus demselben Grundmaterial hergestellt werden, wobei die Schichtlage(n) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the metal layer and the layer layer (s) are produced from the same base material, the layer layer (s) being doped differently in layers to produce different characteristic discharge radiation.
Wird als Grundmaterial (Ausgangsmaterial) in bevorzugter Realisierung des Verfahrens Kupfer verwendet, kann dieses zur Erzeugung einer schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung schichtweise z. B. mit Aluminium und Magnesium dotiert sein.If copper is used as the base material (starting material) in a preferred realization of the process, this can be applied in layers, for example, to produce a layer-specific characteristic discharge radiation. B. doped with aluminum and magnesium.
Es ergäbe sich damit für eine erste Schichtlage, deren Grundwerkstoff (Kupfer) durch Einbringung eines Dotierstoffes μ (z. B. Aluminium) dotiert ist und die eine Austrittsarbeit Wa,μ aufweist, nach der Gleichung
Aus der Reflexionsstrahlung wird also das sukzessive Aufschmelzen der Schichtlage(n) dadurch detektiert, dass je nach Aufschmelztiefe in der Reflexionsstrahlung unterschiedliche Strahlungsanteile (nämlich die schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlungen) erkannt werden. Daraus wird in einfacher Weise auf die aktuelle Aufschmelztiefe geschlossen. Die Auswerteeinrichtung zur Analyse der Reflexionsstrahlung bzw. deren spektraler Komponenten kann ein an sich bekanntes Spektrometer sein.From the reflection radiation, therefore, the successive melting of the layer layer (s) is detected by the fact that, depending on the melting depth in the reflection radiation different radiation components (namely, the layer-specific characteristic discharge radiation) are detected. From this it is concluded in a simple way to the current melting depth. The evaluation device for analyzing the reflection radiation or its spectral components may be a per se known spectrometer.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass die Reflexionsstrahlung material-spezifische charakteristische Entladungsstrahlungen mit charakteristischen Wellenlängen enthält.An essential aspect of the present invention is therefore that the reflection radiation contains material-specific characteristic discharge radiation having characteristic wavelengths.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Aufschmelztiefenbestimmung in Echtzeit während des aktuellen Aufschmelzvorgangs erfolgt. Damit kann das Messergebnis unmittelbar auf die Steuerung des Aufschmelzprozesses einwirken. So lassen sich äußerst präzise gewünschte Aufschmelztiefen reproduzierbar und zuverlässig einstellen und somit die Wärmeeinbringung optimieren. Dadurch kann eine sichere Verbindung durch ausreichende Aufschmelzung sichergestellt und dennoch die Materialbelastung minimiert werden.An advantage of the invention is that the melting depth determination is performed in real time during the current reflow process. Thus, the measurement result can act directly on the control of the reflow process. In this way, extremely precise desired melting depths can be set reproducibly and reliably, thus optimizing the heat input. As a result, a secure connection can be ensured by sufficient melting and yet the material load can be minimized.
Bei einer fertigungstechnisch bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Aufschmelzen der Metallschicht und zum Erzeugen der Prüfstrahlung dieselbe Lasereinrichtung verwendet wird.In a manufacturing technology preferred embodiment of the method according to the invention it is provided that the same laser device is used for melting the metal layer and for generating the test radiation.
Die Erfindung betrifft ferner ein Substrat zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.The invention further relates to a substrate for use in a method according to any one of the preceding claims.
Erfindungsgemäß weist dieses Substrat einen Träger mit mehreren metallischen Schichten aus einem Grundmaterial auf, wobei jede Schicht eine individuelle Dotierung derart aufweist, dass sie bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine schichtspezifische charakteristische Entladungsstrahlung emittiert. Das Grundmaterial ist bevorzugt Kupfer.According to the invention, this substrate has a carrier with a plurality of metallic layers of a base material, each layer having an individual doping such that it emits a layer-specific characteristic discharge radiation when exposed to a test radiation. The base material is preferably copper.
Weiter bevorzugt ist die Dotierung der Schichten so gewählt, dass die jeweilige schichtspezifische Austrittsarbeit zu der obersten Schicht hin zunimmt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine verbesserte Auflösung in der spektralen Analyse der enthaltenen Strahlungsanteile (Entladungsstrahlungen).More preferably, the doping of the layers is selected such that the respective layer-specific work function increases towards the uppermost layer. This advantageously enables an improved resolution in the spectral analysis of the contained radiation components (discharge radiation).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:The invention will be further explained by way of example with reference to a drawing; show it:
Wie eingangs erläutert, bewirken die unterschiedlichen Dotierungen der Schichten
Das Aufschmelzen kann zur Laserschweißung dienen, um z. B. eine nur gestrichelt angedeutete Anschlussleitung
In der in
In der in
Man erkennt in dem Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm J/λ auch, dass λchar(4) < λchar(3) ist; somit ist die Austrittsarbeit der Schicht
Statt der Anzeige des Überschreitens der gewünschten Aufschmelztiefe könnten die Schichtlage
Mit dem beschriebenen Verfahren kann mit einfachen Mitteln während der Laserschweißung der Schicht
Die Erfindung wurde voranstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Insbesondere wurden hier beispielhaft für die verschiedenen Schichtlagen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- II
- Intensitätintensity
- λλ
- detektierte Wellenlängedetected wavelength
- λchar,Me λ char, Me
- Wellenlängewavelength
- λchar,Cu λ char, Cu
- Wellenlängewavelength
- λchar(3) λ char (3)
- Wellenlängewavelength
- λchar(4) λ char (4)
- Wellenlängewavelength
- Wa,Me W a, Me
- Austrittsarbeitwork function
- Wa,Cu W a, Cu
- Austrittsarbeitwork function
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- Trägercarrier
- 33
- Schichtlagelayer sheet
- 44
- Schichtlagelayer sheet
- 55
- Schichtlagelayer sheet
- 66
- KupferschichtbereichCopper layer region
- 6a6a
- Lastanschlussload connection
- 77
- BereichArea
- 7'7 '
- BereichArea
- 7''7 ''
- BereichArea
- 88th
- Laserstrahllaser beam
- 99
- Lasereinrichtunglaser device
- 1010
- Prüfstrahlungprobing
- 1111
- Reflexionsstrahlungreflected radiation
- 11'11 '
- Reflexionsstrahlungreflected radiation
- 11''11 ''
- Reflexionsstrahlungreflected radiation
- 1212
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 1414
- Ausgangssignaloutput
- 1515
- Anschlussleitungconnecting cable
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Falldorf, H.: Abdruck aus Workshop Sensoren für die Schweißautomatisierung. ISW, Ennsdorf, Österreich, 27.01.2000, [recherchiert am 03.02.2012]. Im Internet: * |
Falldorf, H.: Abdruck aus Workshop Sensoren für die Schweißautomatisierung. ISW, Ennsdorf, Österreich, 27.01.2000, [recherchiert am 03.02.2012]. Im Internet: <URL: http://www.falldorfsensor.de/images/seminar_isw.pdf> |
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