CN116157226A - 用于温度临界地接合两个构件层的方法和装置 - Google Patents

用于温度临界地接合两个构件层的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层(103、301)与具有恒定的第二材料厚度的第二构件层(105、303)温度临界地接合的方法(100)，其中，在第二构件层(105、303)处布置有至少一个电子的部件，所述电子的部件的临界温度处在第一构件层(103、301)和第二构件层(105、303)的熔点之下。所述方法(100)包括下列步骤：‑将第一构件层(103、301)无间隙地布置在第二构件层(105、303)上方，‑使激光束(101)以恒定的功率沿着第一构件层(103、301)伴随焊接进给运动，焊接进给促使形成第一构件层(103、301)的材料通过激光束(101)的能量输入部分熔化直至第二构件层(105、303)，并且通过能量输入仅在第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)中的材料发生熔化。

Description

用于温度临界地接合两个构件层的方法和装置
背景技术
在接合温度临界的构件的、即熔点低于有待接合的层的熔点的构件所具有的材料时，需要限制到有待接合的层中的能量输入，以避免温度临界的构件受损。
例如使用超声方法用于将铜制的电源连接器接合在印制电路板上，在印制电路板上布置有温度临界的构件、像例如电容器和/或处理器。
但用于接合构件的超声方法对有待接合的构件的刚性和它们的表面质量具有高要求，因而当前仅能借助超声方法接合宽度在2mm内的电源连接器。
此外已知一些钎焊方法，在钎焊方法中施加软钎焊剂，其熔化温度低于相应的温度临界的电子构件的临界温度。
此外还已知用于激光焊接材料对的方法，在所述方法中，通过在能量输入和接合部位之间的局部的间距来最小化能量输入。
发明内容
在所介绍的发明的范畴内，提出了一种用于温度临界地接合的方法、一种接合装置和一种半导体元件。本发明的进一步的特征和细节由相应的从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合按本发明的方法说明的特征和细节，当然也适用于结合按本发明的接合装置和按本发明的半导体元件，反之亦然，因而就各个发明方面的公开内容而言，始终互相参考或者可以互相参考。
所介绍的发明用于连接两个构件层，构件层中的至少一个构件层具有温度临界的构件。所介绍的发明尤其用于，实现电源连接器与35μm的金属化结构的铜-铜连接以供应在印制电路板上的半导体元件。
因此提出了一种用于将具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层与具有恒定的第二材料厚度的第二构件层温度临界地接合的方法，其中，在第二构件层处布置有至少一个电子的部件，该电子的部件的临界温度低于第一和第二构件层的熔点。所述方法包括用于将第一构件层无间隙地布置在第二构件层上方的布置步骤和用于使激光束以恒定的功率沿着第一构件层伴随焊接进给运动的运动步骤，焊接进给促使通过激光束的能量输入使形成第一构件层的材料熔化，并且通过所述能量输入仅使在第二构件层的表面区域中的材料熔化。
一个部件的临界温度在所介绍的发明的上下文中指的是这样一个温度，在该温度时，所述部件会受损。
表面区域在所介绍的发明的上下文中指的是这样一个构件层，该构件层在一侧上被载体层、例如基板包围。表面区域特别是极为薄，例如35μm薄。表面区域可以由金属制成并且布置在例如可以由塑料制成的保护层下。表面区域可以相应地形成印制电路板的导体层。
为了接合两个构件层或两种材料(它们中的至少一个具有温度临界的构件)，所介绍的方法规定了焊接进给，即激光器沿着第一构件层的运动，其这样快速，使得将通过焊接的能量输入限于极小的焊接区域。在此，对焊接区域的限制一方面发生在其表面伸展部中，即其在第一构件层上的横截面中，但也发生在其朝着布置在第一构件层下方的第二构件层的深度伸展部中。
通过按本发明所规定的焊接进给，这样来限制到布置在第一构件层下方的第二构件层中的能量输入，使得仅在第二构件层的表面区域中的材料熔化。通过例如制作借助按本发明的方法所制成的材料组合的截面，可以方便地验证这个效果。不过，能量输入在此至少这样高，使得第一构件层持续熔化并且带入到第一构件层中的能量被继续传导到第二构件层中。
通过第一构件层直至第二构件层的按本发明所规定的熔化，第一构件层连贯地熔化，因而第一构件层的熔液接触第二构件层并且与这个第二构件层连接。在此，由于按本发明所规定的焊接进给，避免了第二构件层由于熔化而被穿透，因而第二构件层仅在表面区域中熔化并且发生了到第二构件层中的最小的能量输入。
由于按本发明的方法所造成的到第二构件层中的最小的能量输入，到布置在第二构件层处的部件、如处理器或其它开关元件、特别是电容器或绝缘器中的能量输入同样被最小化。布置在第二构件层上的部件的加热，在执行按本发明的方法时，相应地远低于布置在第二构件层上的相应的部件的临界温度，因而通过按本发明的方法避免了部件受损。
可以规定，焊接进给至少为800mm/s。
按本发明所规定的焊接进给至少为800mm/s，因而第一构件层和第二构件层的相应的点状的区域只是暂时地或短时间地承受热负荷并且点状的能量输入保持最小或者仅大到使第二构件层在其表面区域中熔化。
因为在800mm/s的焊接进给时通常已经出现了所谓的“驼峰效应(Humping)”，所以通常避免了这种焊接进给。不过按照本发明，通过使用激光器和有待连接的构件层的无间隙布置，可以特别是在加热范围小时可靠地避免驼峰效应。
通过两个构件层的无间隙布置，导入到第一构件层中的能量输入的一部分传递到了第二构件层中，由此在第一构件层中产生了熔液的准稳定的中间状态，该准稳定的中间状态避免了驼峰效应并且额外使得能将第二构件层的熔液限于表面区域、特别是限于材料厚度为35μm的表面区域。
此外还可以规定，激光束用来提供进入第一构件层和第二构件层的能量输入的一个面的横截面，最多为75μm、特别是最多为50μm或最多为40μm。
结合按本发明所规定的焊接进给，激光束用来提供进入第一构件层和第二构件层的能量输入的一个面的小的横截面，导致了可以控制或最小化表面区域的深度，第二构件层在所述表面区域内熔化。
若激光束用来提供进入第一构件层和第二构件层的能量输入的一个面的横截面，在执行按本发明的方法时优选应当很小，即最多为75μm、特别是最多为50μm或者最多为40μm，那么所述面可以具有任意的长度。所述面尤其可以具有大于2cm的长度，因而例如宽度大于2cm的电源连接器作为第一构件层与第二构件层、如印制电路板接合、特别是压焊。
尤其可以通过所介绍的方法提供一个长于2cm的焊接区域，而不会损伤相应的温度临界的构件。
此外还可以规定，第一构件层具有至少80μm、特别是至少100μm和最多200μm的材料厚度，和/或所述表面区域具有最多50μm、特别是最多35μm的材料厚度。
按本发明所规定的方法尤其适用于将材料厚度为约100μm并且宽度大于2cm的铜制的电源连接器接合在具有35μm的铜层的印制电路板或功率电子器件处。
作为使用铜的备选方案或者除了使用铜之外，也可以规定，第一构件层和/或第二构件层的表面区域至少部分由铝、特别是至少部分由铜和/或铝构成。
此外还可以规定，第二构件层的表面区域被至少一个部件包围，并且该至少一个部件包括下列元件清单中的至少一个元件：印制电路板、电容器、陶瓷基板、半导体元件、芯片。
按本发明所规定的部件尤其可以是功率电子器件的或者半导体元件、例如印制电路板或控制器或者电池的一部分。
此外还可以规定，使用波长为1030nm和/或功率在750W和1.5kW之间、特别是750W和1kW之间的激光束。
也已表明，特别是约1kW的激光束结合约50μm的横截面和约800mm/s的焊接进给，特别有利地适用于执行所介绍的方法并且当第一构件层具有100μm的强度或厚度时，相应地导致了第二构件层在最多35μm的深度中的熔化。
在第二个方面中，所介绍的发明涉及到一种用于将具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层与具有恒定的第二材料厚度的第二构件层温度临界地接合的接合装置，其中，在第二构件层处布置有至少一个电子的部件，该电子的部件的临界的温度处在第一构件层和第二构件层的熔点之下。接合装置包括激光器、致动器和控制单元。控制单元配置用于，这样来驱控致动器，使得致动器使激光器随着焊接进给在第一构件层上方运动，焊接进给促使通过激光束的能量输入使形成第一构件层的材料部分熔化至第二构件层，并且通过所述能量输入使仅在第二构件层的表面区域中的材料熔化。
按本发明的接合装置尤其用于执行按本发明的方法。
在第三个方面中，所介绍的发明涉及到一种半导体元件。该半导体元件包括具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层和具有恒定的第二材料厚度的第二构件层，其中，第一构件层和第二构件层借助所介绍的方法的一种可能的设计方案连接。
可以规定，第一构件层和第二构件层无焊料地连接。
按本发明的半导体元件的第一构件层和第二构件层尤其这样连接，使得在第二构件层的连接区域中的固化的熔液仅进入到第二构件层的表面区域中。
通过按本发明所规定的对两个构件层的接合，可以将两个构件不需要焊料地导电地连接。所介绍的发明尤其使第二铜层能熔化，因而铜层相互连接，所述连接是导电的和机械稳定的。
附图说明
图1是按本发明的方法的一种可能的设计方案的示意图，
图2是按本发明的接合装置的一种可能的设计方案的示意图，
图3是按本发明的半导体元件的一种可能的设计方案的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了方法100的流程。借助设定到功率“P”的激光束101提供到第一构件层103和第二构件层105中的能量输入。
激光束101如通过箭头107所示那样伴随焊接进给、即速度“v”沿着第一构件层103的表面运动。在第一构件层103和第二构件层105中相应地产生了熔化区域109。在此，熔化区域109完全延伸通过第一构件层103并且延伸进入第二构件层105的表面区域111中。第二构件层105的处在表面区域111下方的支撑区域113没有相应地熔化。
带入到第一构件层103和第二构件层105中的特定于路程的能量输入E由激光束101的功率与焊接进给的比率得出。按照本发明，焊接进给选择得尽可能高或尽可能快，不会由于所谓的“驼峰效应”产生不稳定性。在此，激光束的功率被提高至达到期望的焊入深度。在此适用的是，焊接区域的横截面越大，那么就必须提供越多的能量来达到所需的焊入深度。
尤其可以这样来选择焊接进给，使得这个焊接进给导致了熔化的熔渣的准稳定的中间状态。在这个中间状态内尽管如此还不会出现“驼峰效应”，即熔渣从熔化区域109出来，但熔渣可能发生动态的运动，所述运动使得能量快速地从第二构件层的表面区域导出。
在图1所示的状况中，激光束101例如用1kW的功率运行并且如箭头107所示那样以至少800mm/s的焊接进给运动。由此在100μm高的第一构件层103中产生了横截面为40μm的焊接区域109。第一构件层103在焊接区域109中完全熔化并且仅在在此例如35μm高的表面区域111中部分熔化进入第二构件层105。
由于激光束101的焊接进给，通过激光束101传递的能量仅局部作用在熔化区域109中，因而最小化由激光束101提供的能量到第一构件层103的包围熔化区域109的区域115中和到第二构件层105的包围熔化区域109的区域117中的传递。
驼峰效应在激光波长为1030nm时在40μm大的激光光斑下并不明显并且在焊接过程期间产生的小孔的深度与速度相关，这一认知使得能伴随到特别是第二构件层105中的最小的热输入和在第一构件层103和第二构件层105之间的还是很稳定的机械的连接地执行所述方法100。
在图2中示出了接合装置200。接合装置200包括激光器201、致动器203和控制单元205。控制单元205配置用于，这样来驱控致动器203，使得致动器203使激光器201伴随焊接进给在第一构件层上运动，焊接进给促使通过激光器201的激光束的能量输入使形成第一构件层的材料部分熔化至第二构件层，并且通过所述能量输入使仅在第二构件层的表面区域中的材料熔化。
控制单元205尤其配置用于，通过彼此相协调地调整焊接进给、激光器的功率和焊接区域的横截面这样的过程参数来最小化通过激光器201到第一构件层和第二构件层的包围焊接区域的区域中的能量输入，其中，焊接进给至少为800mm/s。
在图3中示出了半导体元件300，其借助所述方法100制造。
在此可以看到电源连接器301，其布置在印制电路板303上。电源连接器301和印制电路板303通过焊接区域305连接。
焊接区域305提供在电源连接器301和印制电路板303之间的机械的和导电的连接。为此，电源连接器301和印制电路板303无焊料地连接。
焊接区域305完全地延伸通过电源连接器301并且进入表面区域307中，在当前为印制电路板303的铜金属化结构中。在此可以清楚地看到，焊接区域305没有延伸进入到印制电路板303的载体层309中。载体层309可以相应地由温度敏感的材料、例如塑料制成。
通过在制造半导体元件300时提供的能量，在电源连接器和铜金属化结构之间可能产生间隙，所述间隙例如可能由印制电路板303的熔化的塑料造成。

Claims (12)

1.用于将具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层(103、301)与具有恒定的第二材料厚度的第二构件层(105、303)温度临界地接合的方法(100)，其中，在第二构件层(105、303)处布置有至少一个电子的部件，所述电子的部件的临界温度处在第一构件层(103、301)和第二构件层(105、303)的熔点之下，并且
其中，所述方法(100)包括下列步骤：
-将第一构件层(103、301)无间隙地布置在第二构件层(105、303)上方，
-使激光束(101)以恒定的功率沿着第一构件层(103、301)伴随焊接进给运动，焊接进给促使形成第一构件层(103、301)的材料通过激光束(101)的能量输入部分熔化直至第二构件层(105、303)，
并且通过能量输入仅在第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)中的材料发生熔化。
2.按照权利要求1所述的方法(100)，
其特征在于，
所述焊接进给至少为800mm/s。
3.按照权利要求1或2所述的方法(100)，
其特征在于，
所述激光束(101)用来提供到所述第一构件层(103、301)和所述第二构件层(105、303)中的能量输入的一个面的横截面最多为75μm、特别是最多为50μm或者最多为40μm。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
所述第一构件层(101、301)具有至少80μm、特别是至少100μm和最多200μm的材料厚度，
和/或所述第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)具有最多50μm、特别是最多35μm的材料厚度。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
所述第一构件层(101、301)和/或所述第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)至少部分由铜和/或铝构成。
6.按照前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
所述第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)被至少一个部件包围，并且所述至少一个部件包括下列元件清单中的至少一个元件：印制电路板、电容器、陶瓷基板、半导体芯片、芯片。
7.按照前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
使用波长为1030nm和/或功率在750W和1.5kW之间、特别是在750W和1kW之间的激光束(101)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
所述第二构件层(105、303)是功率电子器件的一部分。
9.用于将具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层(101、301)与具有恒定的第二材料厚度的第二构件层(105、303)温度临界地接合的接合装置(200)，其中，在第二构件层(105、303)处布置有至少一个电子的部件，所述电子的部件的临界温度处在第一和第二构件层(105、303)的熔点之下，
其中，所述接合装置(200)包括：
-激光器(201)，
-致动器(203)，
-控制单元(205)，
其中，控制单元(205)配置用于，这样来驱控致动器(203)，使得致动器(203)使激光器(201)随着焊接进给在第一构件层(101、301)上方运动，焊接进给促使通过激光束(101)的能量输入使形成第一构件层(101、301)的材料部分熔化至第二构件层(105、303)，并且通过能量输入使仅在第二构件层(105、303)的表面区域(111、307)中的材料熔化。
10.按照权利要求9所述的接合装置(200)，
其特征在于，
所述接合装置(200)配置用于，执行按照权利要求1至8中任一项所述的方法(100)。
11.半导体元件(300)，包括具有恒定的第一材料厚度的导电的第一构件层(301)和具有恒定的第二材料厚度的第二构件层(303)，其中，第一构件层(301)和第二构件层(303)借助按照权利要求1至8中任一项所述的方法连接。
12.按照权利要求11所述的半导体元件(300)，
其特征在于，
所述第一构件层(301)和所述第二构件层(303)无焊料地连接。
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