CN109249129A - 通过焊接方法制造功率电子子模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于通过焊接方法来制造功率电子子模块的方法，所述功率电子子模块具有电绝缘电路载体，金属导体路径和以电传导方式与所述金属导体路径连接在一起的连接器元件，所述方法包括以下方法步骤：提供具有所述电路载体，其带有金属导体路径，所述金属导体路径具有第一接触面，所述第一接触面被设置成以便以材料结合和电传导方式连接至所述连接器元件的第二接触面；相对于所述导体路径布置所述连接器元件；用激光辐射撞击所述连接器元件的转移表面的局部面，即与所述第二接触面相对的那个表面，以构造所述导体路径和所述连接器元件之间的焊接连接，其中所述导体路径仅局部熔融达到所述导体路径的厚度至多90％的深度。

Description

通过焊接方法制造功率电子子模块的方法
技术领域
本发明描述了一种用于制造功率电子子模块的方法，该功率电子子模块诸如用作电流整流器的基本构造块(building block)，例如，用在整体或部分电力操作的车辆中。功率电子子模块还能形成其它工业标准功率半导体模块的基础。本文中有关的是，至少一个、优选地是全部的连接器元件都通过焊接方法连接到基板。
背景技术
对于连接器元件，特别是负载连接器元件以及用于外部电接触的辅助连接器元件，长时间以来公知的工业标准是借助于工业标准摩擦焊接方法而连接到功率半导体模块的基板，更通常的是连接到电路载体。此处不利之处在于难以定位焊接超声波发生器(sonotrode)或者作用在基板上的应力带来的影响，这些可能导致通常为陶瓷板的基板基材损伤。
从DE 10 2015 114 188 A1可获知被构造成具有基板、具有功率半导体部件、具有连接安装结构、具有连接器安装结构以及具有绝缘材料构件的功率电子子模块。本文中的基板具有相互电绝缘的导体路径，其中功率半导体部件被布置在一个导体路径上且以电传导方式与该导体路径连接在一起。连接安装结构被构造成箔型复合材料且因此构造出面对功率半导体部件和基板的主面，以及与第一主面相反的第二主面，其中借助于连接安装结构的子模块在内部连接，以便与电路适应。安装材料构件具有第一局部构件，第一局部构件被连接至基板的外周围，且进一步具有用于连接器元件的第一间隙(clearance)。安装材料构件同样具有第二局部构件，第二局部构件被构造为按压构件且具有第二间隙，按压元件被布置成从后者突出。第一局部构件以使所述第二局部构件被布置成能够在向着基板的方向上相对于第一局部构件移动的方式而连接至第二局部构件，以便通过压力元件压向箔型复合材料的第二主面的一部分上，其中沿着功率半导体部件的法向方向的突出部的所述部分被布置在功率半导体部件的所述面内。
发明内容
考虑到提及的现有技术，本发明基于提出一种用于制造具有电路载体的功率电子子模块的改进方法的目的，该功率电子子模块具有金属导体路径以及以电传导方式与该金属导体路径连接在一起的连接器元件。
根据本发明，通过具有本发明所述的特征的方法实现该目的。
根据本发明的用于制造具有电绝缘电路载体、金属导体路径以及以电传导方式与金属导体路径连接在一起的连接器元件的功率电子子模块的方法包括按所述顺序的以下方法步骤：
a.提供电路载体，其带有布置在第一主面上的金属导体路径，所述金属导体路径具有第一接触面，该第一接触面被设置成以材料结合和电传导方式连接到连接器元件第二接触面；
b.相对于导体路径布置连接器元件，其中第一接触面和第二接触面彼此相接触，或者具有小于300微米的相互间隔；
c.通过激光辐射撞击连接器元件的转移表面的局部面，即，与第二接触面相反的那个表面，以构造导体路径和连接器元件之间的焊接连接，其中导体路径仅被局部熔融达所述导体路径厚度的至多90％的深度。
对本文中的方法步骤c)中的激光能够优选地是以脉冲并且点状方式撞击，用辐射撞击局部面的单独的、优选地是至少十个位置。替换地是或者附加地是，方法步骤c)中的激光束以蜿蜒的，优选地是连续的方式扫过局部面，特别是借助于相互交叠的或者相互不交叠的回路。
方法步骤b)中的间隔优选地是在5微米和300微米之间，优选地是在10微米和150微米之间，且特别是优选地是在15微米和75微米之间。
对于深度来说有利的是，其中导体路径熔融至所述导体路径的深度的至多70％，特别是至多50％的深度，且是所述导体路径的厚度的至少10％，优选地是25％。
特别有利的是，激光波长在500纳米和600纳米之间，或者在900纳米和1300纳米之间。当在质量方面，连接器元件具有至少80％比例的铜时，这些值是特别优选的。
按照工业标准以强度值e-2测量，激光束的焦点直径(D)的有利值满足λ＜D＜10λ，优选地是3λ＜D＜10λ，特别优选地是5λ＜D＜8λ.
特别有利的是，方法步骤c)中的激光束的焦点在连接器元件的转移表面和连接器元件厚度的80％之间。与上面无关地的是，优选的是，方法步骤c)中的焦点在其深度上相对于连接器元件的转移表面变化。
导体路径，特别是在第一接触面的区域中的导体路径有利地由金属箔构造，优选地是铜箔或铝箔，优选地是具有200微米和500微米之间的厚度。此处，能够特别进一步有利的是，在第一接触面的区域中的导体路径由具有布置在该导体路径上的加倍构件的金属箔构造，优选地是由铜或铝形成，优选地是具有500微米和2毫米之间的厚度。
连接器元件，特别是负载连接器元件有利地由金属箔形成，优选地为铜箔或铝箔，优选地是具有200微米和2毫米之间的厚度，特别优选地是具有在500微米和1毫米之间的厚度。这些连接器元件也能具有表面工业标准涂层，例如借助于金属特别是镍形成。
连接器元件，特别是辅助连接器元件有利地由管脚或者压配合接触元件形成，优选地是具有100微米和1毫米之间的厚度，特别优选地是具有在200微米和500微米之间的厚度。
由于这一点并未明确地或者从本质上排除，或者与本发明的概念冲突，因此在根据本发明的方法的上下文中，以单数形式提及的每一种情况中的特征(特别是连接器元件)当然可以复数形式存在。
将理解，本发明的各种设计实施例可单独实施，或者以任意组合的方式实施，以实现改进。特别是，在不脱离本发明的范围的情况下，上文和下文提及的或者解释的特征可不仅如所列出的组合使用，而且也可以其它组合的方式使用或者单独使用。
附图说明
可从本发明示例性实施例、或者所述示例性实施例的相应构成部分的下文描述得出本发明的进一步解释，有利的细节和特征，在图1至6中示意性示出示例性实施例。
图1以截面图示出了当实施根据本发明的方法步骤时的第一功率电子子模块；
图2以截面图示出了设置在冷却安装结构上的根据本发明的方法制造的第二功率电子子模块；
图3以平面图示出了根据本发明的方法制造的第三功率电子子模块；
图4示出了第三功率电子子模块的构件；和
图5和6以截面图示出了根据本发明的方法制造的焊接连接的实施例的变形。
具体实施方式
图1以截面图示出了当实施根据本发明的方法步骤时的第一功率电子子模块1。示出的是电绝缘电路载体20，此处按照工业标准，由在第一主面上具有金属箔的形式的金属导体路径22的陶瓷板构成。在工业标准范围200微米至400微米内的具有与导体路径22相同厚度的连续金属层24被布置在第二主面上。电路载体20与导体路径22和金属层24集合在一起构造出工业标准半导体基板2。功率半导体部件4被布置在导体路径22中的一个上且由此以电传导方式连接至后者。
借助于由电传导箔22、24以及电绝缘箔20构成的箔叠层3，将适合于电路方式且不会损害通用性(generality)的子模块1的内部连接按照工业标准进行构造。
导体路径22中的一个具有第一接触面220，该第一接触面220被构造成以便以材料结合或者电传导方式连接至连接器元件5。
进一步示出的是该种类型功率电子基板模块1的连接器元件5，此处该连接器元件5被构造为由铜箔形成的模型，其具有范围从500微米至700微米的厚度510。在第一表面52上的连接器元件5具有第二接触面520，该第二接触面520被指定给导体路径22的第一接触面220。
在本文中示出的方法步骤中，接触元件5以优选间隔620与导体路径22间隔开，所述优选间隔的范围从10微米至25微米。这也是优选的布置形式，使得焊接连接被构造在连接器元件5和导体路径22之间，在每一种情况下，都在相互指定(assigned)的接触面220、520的区域中。
为了构造焊接连接，连接器元件5的表面54的从第二接触面520转移的局部面540被用双频Nd：YAG激光的光束6撞击，或者可替代地是，用Yb：YAG圆盘激光的光束6装置，或可替代地是，用纤维激光的光束6撞击，每一种情况下都借助于范围从900纳米至1100纳米的波长。激光束6的焦点60被设置成使得所述焦点至少在焊接连接的结构的开始处直接位于转移的表面54上，更具体地说是在连接器元件5的局部面540的点上。这是特别有利的，因为由此进行最佳局部热输入到连接器元件5中并且有效地开始熔合以及由此的焊接工艺。
在开始焊接工艺之后，从转移表面54开始，一旦连接器元件5的部分已经熔合之后，则可在朝向导体路径的方向上转移焦点。在焊接工艺的进一步过程中，特别有利的是在深度上，焦点在转移表面54和连接器元件5的厚度510的50％之间变化。
与上述无关地是，跨过局部面540，激光束6以具有相互交叠回路600(参照图3)的蜿蜒形式以及连续的方式移动，由此不会有撞击的任何干扰。
激光束6的焦点60的焦点直径D由此接近6λ。
图2以截面图示出了根据本发明的方法制造的设置在冷却安装结构70上的第二功率电子子模块1。以与根据图1相同的方式构造功率电子子模块1的基板，且在该设计实施例中，在不损害通用性的情况下，第二功率电子子模块1被直接布置在冷却安装结构70上，其目前是水冷安装结构，且以热传导方式与冷却安装结构70连接在一起。
通过具有加倍(doubling)构件222的上述金属箔来构造导体路径22，该加倍构件在第一接触面220的区域中布置该金属箔上且被提供用于使导体路径224的厚度以局部方式增加(参照图6)。该加倍构件222目前由具有1毫米厚度的铜构成，且以材料结合方式连接至金属箔，更具体地说是连接到铜箔。该金属结合连接目前被构造为压力烧结连接或者是钎焊连接。
借助于根据本发明的方法，面对第一接触面220的连接器元件5的第二接触面520借助于所述加倍构件222以材料结合方式连接，更具体地说是借助于加倍构件222是一体部分的金属导体路径22的第一接触面220以材料结合方式连接。
连接器元件5在其剖面轮廓上被布置在功率电子子模块1的外壳部分10上。其上是连接器元件5的外部连接器区，具有连接元件74。在示例性方式中，该连接元件74将子模块1连接至电机，因此连接至电马达，其通过子模块或者通过多个子模块驱动。
对于电传导，在连接器元件5和连接元件74之间的压力诱导连接，螺钉72关于连接器和连接元件的电绝缘720穿过后者且穿过外壳部分10到达冷却安装结构70的配对支承700中。
在第一接触面220和第二接触面520之间的材料结合连接实质上借助于根据本发明的方法构造，如已经在图1的上下文中描述的那样。
图3以平面图示出了根据本发明的方法制造的第三功率电子子模块1。示出的是被构造为陶瓷构件的电路载体20，多个导体路径22被设置于该电路载体20上。功率半导体部件4被设置在所述导体路径22中的一个上且以电传导方式连接至导体路径22。出于清楚考虑，内部连接安装结构在本文中未示出。
进一步示出的是连接器元件5的各种结构。连接器元件中的一个被构造为AC电压连接器元件5a，两个连接器元件形成两个DC电压连接器元件5b、5c，并且一个连接器元件被构造为压配合接触元件5d。功率电子子模块1目前构成了半桥电路。
AC电压连接器元件5a通过该AC电压连接器元件5a的第二接触点而借助于根据本发明的激光焊接方法连接到指定的导体路径22。本文中转移表面的局部面540已经通过激光辐射以脉冲并且点状方式撞击在单独的、局部相互交叠的位置上，如指定的放大片段中示出的那样。
第一DC电压连接器元件5b是与负电势连接的，该第一DC电压连接器元件5b借助于根据本发明的激光焊接方法通过该第一DC电压连接器元件5b的第二接触点而连接到指定的导体路径22，没有功率半导体部件位于该导体路径22上。本文中的转移表面的指定局部面540已经以蜿蜒且连读方式用激光辐射600撞击，如指定的放大片段中示出的那样。
第二DC电压连接器元件5c是与正电势连接的，该第二DC电压连接器元件5c借助于根据本发明的激光焊接方法通过该第二DC电压连接器元件5c的第二接触点而连接至指定的导体路径22，功率半导体部件4位于该导体路径22上。利用激光辐射600，已经以回路状方式(示出了具有和不具有交叠回路的两个交替)以及连续方式撞击了本文中的转移表面的指定的局部面540，如指定的放大片段中示出的那样。
电绝缘箔56被布置在两个DC电压连接器元件5b和5c之间。
压配合接触元件5d借助于根据本发明的激光焊接方法通过该压配合接触元件5d的第二接触点而连接至指定的导体路径22。利用激光辐射600，已经以回路状且连续方式撞击了本文中的转移表面的指定的局部面540，如指定的放大片段中示出的那样。为了使用，压配合接触元件5d在收缩部(constriction)的区域中也在导体路径22的平面外以直角形成角度，并且之后借助于所述压配合接触元件5d的接触部分而垂直地竖立于指定的导体路径22上。
图4示出了彼此相邻的第三功率电子子模块的部件，具体地是由两个DC电压连接器元件5b、5c以及有设置在它们之间的电绝缘箔56形成的叠层。
图5和6以截面图示出了根据本发明的方法制造的焊接连接的实施例的变形。没有加倍构件的导体路径22以及连接器元件5在图5中示出。借助于根据本发明实施的激光焊接连接，在导体路径和连接器元件的各自接触面的区域中，二者均以材料结合且电传导方式相互连接。
进一步示出的是区域602在激光焊接工序期间已经局部熔合。在根据本发明的方法方面，相关的是由此导体路径22熔合达最大深度610，该最大深度610是所述导体路径22的厚度210的90％。熔合的深度610甚至优选地被限制为至多是导体路径22的厚度210的50％并且至少是该厚度的25％。过深的熔合可能损坏所述层，该层目前是位于传导路径22下方的陶瓷构件(未示出)。
另一方面，熔合的深度610不足会导致与连接器元件5的连接耐久度不够。
具有加倍构件222的导体路径22以及连接器元件5在图6中示出。在导体路径22以及连接器元件5的相应的接触面220、520的区域中，借助于根据本发明实施的激光焊接连接，二者均以材料结合并且电传导方式相互连接。
目前示出的是两个区域604、606，该两个区域604、606在激光焊接工序期间已经被局部熔合。熔合的区域604(所述区域专门在加倍构件222内)在左侧示出。这是最小心的设计实施例，因为导体路径22的金属箔以及尤其(all the more)位于其下方的陶瓷构件在本文中在激光焊接工艺中不被明显加热。熔合的区域606(所述区域延伸到导体路径22的金属箔中)在右侧示出。由于整个连接都以最固有的方式构造，因此这是提供最高耐久性的设计实施例。根据图5的一般说明，有关熔合的深度，实质上也可应用到具有加倍构件的导体路径的该设计实施例的情况下。

Claims (13)

1.一种用于制造功率电子子模块(1)的方法，所述功率电子子模块(1)具有电绝缘电路载体(20)，金属导体路径(22)和以电传导方式与所述金属导体路径(22)连接在一起的连接器元件(5)，所述方法包括以下方法步骤：
a.提供电路载体(20)，所述电路载体(20)带有布置在第一主面上的金属导体路径(22)，所述金属导体路径(22)具有第一接触面(220)，所述第一接触面(220)被设置成以便以材料结合和电传导方式连接至所述连接器元件(5)的第二接触面(520)；
b.相对于导体路径(22)设置所述连接器元件(5)，其中所述第一接触面(220)和所述第二接触面(520)彼此相接触，或者具有小于300微米的相互间隔(620)；
c.用激光辐射(600)撞击所述连接器元件(5)的转移表面(54)的局部面(540)，所述局部面(540)即为与所述第二接触面(520)相对的那个表面(54)，以在所述导体路径(22)和所述连接器元件(5)之间构造焊接连接，其中所述导体路径(22)仅局部熔融达所述导体路径(22)的厚度(210)的至多90％的深度(620)。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
在所述方法步骤c)中的激光通过辐射以脉冲并且点状的方式撞击所述局部面(540)的单独的位置，优选地是撞击所述局部面(540)的至少十个位置。
3.如权利要求1的方法，其中：
在所述方法步骤c)中的激光束特别是借助于相互交叠或相互不交叠的回路(600)而以蜿蜒的方式，优选地是连续的方式扫过所述局部面(540)。
4.如前述权利要求中的一项所述的方法，其中：
在所述方法步骤b)中的间隔(620)在5微米和300微米之间，优选地是在10微米和150微米之间，并且特别优选地是在15微米和75微米之间。
5.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
其中所述导体路径(22)熔融的深度(610)至多为所述导体路径(22)的深度(210)的70％，特别地是至多50％，且至少为所述导体路径(22)的厚度(210)的10％，优选地是25％。
6.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
激光束的波长在500纳米和600纳米之间，或者在900纳米和1300纳米之间。
7.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
所述激光束的焦点直径(D)满足条件λ＜D＜10λ，优选地是3λ＜D＜10λ，特别优选地是5λ＜D＜8λ。
8.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
在所述方法步骤c)中的激光束(6)的焦点(60)在所述连接器元件(5)的所述转移表面(54)和所述连接器元件(5)的厚度(510)的80％之间。
9.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
在所述方法步骤c)中的所述焦点(60)在其深度方面相对于所述连接器元件(5)的所述转移表面(54)变化。
10.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其中：
导体路径(22)，特别是在所述第一接触面(220)的区域中的导体路径(22)由金属箔构成，优选地是由铜或铝箔，优选地是具有200微米和500微米之间的厚度。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
在所述第一接触面(220)的区域中的所述导体路径(22)由金属箔构成，所述金属箔在该金属箔上布置有双倍构件(222)，其优选地是由铜或铝构成，并且优选地是具有500微米和2毫米之间的厚度。
12.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中：
所述连接器元件(5a/b/c)通过金属箔形成，优选地是通过铜箔或铝箔形成，优选地是具有200微米和2毫米之间的厚度(510)，特别优选地是具有500微米和1毫米之间的厚度(510)。
13.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中：
所述连接器元件(5d)由管脚或压配合接触元件形成，优选地是具有100微米和1毫米之间的厚度，特别优选地是具有200微米和500微米之间的厚度。
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