CN1984747B - 焊件及其在电结构单元中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊件及其在电结构单元中的应用。所述焊件作为第一个焊件(1)以一支承面至少在要借助角焊缝焊接的棱边的边缘区内与第二个焊件(3)的一支承面接触，焊接能量在一个能量供给区内供给第一个焊件的背对支承面的表面。本发明提出，所述边缘区在能量供给区的范围内设计得比第一个焊件(1)的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚；或者，所述边缘区在一个朝第一个焊件(1)内部区方向与能量供给区相邻的范围内设计得比第一个焊件(1)的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的能量供给区和/或处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚。

Description

焊件及其在电结构单元中的应用
技术领域
本发明涉及焊件及其在电结构单元中的应用，具体而言，是针对一种借助角焊缝焊接两个焊件的方法，尤其是用于敏感的大功率半导体结构元件的金属冷却体与导线组的焊接。
背景技术
由DE 199 12 443已知一种包括至少一个半导体结构元件的电结构单元，其中，一个例如设计为冲压格栅的导线组借助角焊缝与大功率半导体结构元件的金属冷却体焊接。由此达到更可靠的电接触并与此同时保证在导线组上排出大功率半导体结构元件的损耗热。此外，因为大功率半导体结构元件的冷却体通常与构件的连接触点相连接，所以带来的另一个优点是，有关的连接触点不必再附加地与有关的导线组电连接。
当大功率半导体结构元件与导线组焊接时，要求焊接过程给大功率半导体结构元件的冷却体加入尽可能少的热量，因为要不然就存在损伤或破坏装在冷却体上的半导体芯片的危险。
下面为了说明与之相关联的难题简短地借助图1a和1b详细介绍本申请人迄今所实施的焊接方法。
如图1a所示，例如可涉及形式上为冲压格栅的导线组的第一个焊件1，以其下侧与第二个焊件3的上侧接触。第二个焊件例如可涉及大功率半导体结构元件的金属冷却体。
焊接应在第一个焊件1的右边缘例如通过激光焊进行。为此，借助激光束5在第一个焊件的边缘区将焊接能量加入第一个焊件。因为第二个焊件3涉及大功率半导体结构元件的冷却体，所以必须保证仅将尽可能小的焊接能量加入第二个焊件3，以避免损伤或破坏半导体芯片。因此，激光束相对于第一个焊件1定位为，使得直径与光点宽度W0相应的激光束以其整个直径W0的光点置于第一个焊件1上棱边的区域内。试验证明，激光束与第一及第二个焊件1、3之间的接触面的夹角，应优选处于50至80度的范围内。若激光束5与此接触面的夹角为90度或90度以上，则在第一个焊件1边缘与第二个焊件3表面之间就形成不了所期望的角焊缝。
图1b表示已完成的焊接。第一个焊件1的上角区或棱边区通过借助激光束5加入焊接能量而被熔化。因为在这种情况下不允许激光束直接到达第一个焊件1边缘与第二个焊件3表面之间的角区内，所以必须熔化第一个焊件1的整个上边缘或棱边区。在这里，焊接能量必须保持得如此大和时间如此长，直至不仅熔化第一个焊件1的整个边缘区，而且还使第二个焊件3的一个足够大的、与第一个焊件熔化的边缘相邻的区域一起熔化并与第一个焊件1的材料相融合。
在图1b中表示了已完成的角焊缝的焊接景象。由于所要求的上棱边熔化和使用尽可能少的焊接能量，往往得到一种外观并不令人满意的焊接景象，因为需要有较多的材料流动。
此外，焊件相对于激光束的定位，由于第一个焊件的这种垂直棱边故而有非常严格的要求。第一个焊件1在图1a中稍向左移动，便会导致激光束将其焊接能量越来越多地加入敏感的第二个焊件3附近，或甚至加入第二个焊件3本身。这一点无论如何应该加以避免。
此外，第一个焊件1相对于激光束少量的定位改变，会导致在第一个焊件1的边缘区熔化时差别很大的材料流动。因此难以制成均一构造的美观的焊缝。
发明内容
因此，以所述的现有技术为出发点，本发明的目的是，提供一种借助角焊缝焊接两个焊件的方法，这种方法也可以焊接一个第一焊件与一个热敏感的第二焊件，以及与此同时此方法在第一个焊件相对于焊接能量加入点位置的定位方面有较低的敏感性。此外，本发明的目的是提供一种为此适用的焊件，以及带有导线组的电结构单元，导线组与至少一个大功率半导体结构元件的冷却体通过角焊缝连接。
为此，本发明提供一种焊件，所述焊件作为第一个焊件用于借助角焊缝与第二个焊件焊接，该第一个焊件有一个支承面，所述支承面至少在要借助角焊缝焊接的棱边的边缘区内可与第二个焊件的一支承面接触，其中，第一个焊件的边缘区在第一个焊件的背对支承面的表面有一个用于供给焊接能量的能量供给区，以及从第一个焊件的内部区至焊件边缘，边缘区具有一种有利于用以制成角焊缝的焊接过程的结构，其特征为：按所述结构，在边缘区内，在能量供给区与焊件边缘之间的区域用作材料供给区，该结构的构造方式是：所述边缘区在能量供给区的范围内设计得比第一个焊件的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚；或者，所述边缘区在一个朝第一个焊件内部区方向与能量供给区相邻的范围内设计得比第一个焊件的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的能量供给区和/或处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚。
本发明还提出上述焊件在电结构单元中的应用，所述电结构单元包括作为第一个焊件的导线组和与所述导线组焊接的作为第二个焊件的大功率半导体的冷却体。
本发明以下列认识为基础：用于在第一与第二个焊件之间制成角焊缝所需的焊接能量可以这样提供，即，在焊接过程中焊接能量仅在一个能量供给区内供给第一个焊件的背对支承面的表面，所述能量供给区离第一个焊件的边缘有一预定的距离。由此造成较低的定位敏感性，因为不再会如结合图1a和1b已说明的那样将部分焊接能量供给第一个焊件垂直的侧面处。试验时意想不到地表明，即使能量的供给在一个离第一个焊件的边缘有预定距离的能量供给区内进行，仍能完成焊接。依据第一个焊件的厚度，虽然必须供给如此多的能量，直至在能量供给区内沿第一个焊件厚度的全部材料熔化，然而，在能量供给区内第一个焊件的这个厚度是可以适当选择的。除了较低的定位敏感度外，按本发明的方法还带来的优点是，在能量供给区与第一个焊件原本的边缘之间的材料，可以承担供料的功能，以制成完整和优质的焊缝。
焊接能量的供给优选朝一个方向进行，使它垂直于要制成的角焊缝走向的方向分量与第一和第二个焊件支承面的接触面成一个在50至80度范围内的焊接角。
按本发明优选的实施形式，焊接能量借助一个例如脉冲式焊接激光器供给.当然，在这种情况下为了造成预定长度的焊缝，要求焊件相对于其中实施能量加入的点状或光点状区域移动.
按本发明，第一个焊件在其包括能量供给区的边缘区具有一种有利于用以制成角焊缝的焊接过程的结构。
此结构可例如选择为，令所述边缘区在垂直于接触面及垂直于角焊缝方向的平面内有一种渐缩的横截面。例如，边缘区的表面有一个倾斜的平面，它包括能量供给区和材料供给区。点状或必要时线状地加入焊接能量则可以按前面说明的方式进行，优选使能量加入的方向垂直于所述倾斜的平面。
按本发明的另一种实施形式，焊件在边缘区内能量供给区的范围内或在一个朝焊件内部区方向与能量供给区相邻的范围内可以设计得比第一个焊件的内部区更薄。由此达到在能量加入位置与第一个焊件的背对边缘区的区域之间造成较大的传热阻抗。因此加入的焊接能量保持集中在边缘区。
与此同时，与较薄的区域连接的能量供给区和/或与较薄的区域连接的材料供给区可以设计得比第一个焊件的有关的较薄的区域更厚。该结构可例如通过在第一个焊件边缘区内设置凹穴或凹槽制成。因此焊接能量的加入既可以在凹槽的底部进行，也可以在较厚的边缘区内进行。无论如何，较薄的区域起到一种减小热能排出的传热阻抗的作用。
在第一个焊件上有利于制成角焊缝的结构可以通过冷变形过程例如冲压过程制成。若此焊件制成冲压件，则用于制造所述结构的冲压过程在冲制出焊件的同一道工序中完成，为此其去除棱边的冲压模具随后具有相应的冲压区。笫一个焊件也可以有一个其材料与所述第一个焊件的其余材料不同的材料供给区。这种材料例如可以有较低的软化温度或熔点，或者含有对于构成焊缝不仅在其几何结构方面而且在材料成分以及其他参数(如强度之类)方面起有利作用的物质。
附图说明
下面借助附图表示的实施例详细说明本发明。其中：
图1示意表示用于实施已知的激光焊接方法的第一和第二个焊件侧视图；
图2示意表示用于说明按本发明的焊接方法的第一和第二个焊件；以及
图3类似于图2a表示的第一个焊件的另一种实施形式。
具体实施方式
图2a中的侧视图示意表示第一个焊件1，它以其下侧安放在第二个焊件3的上侧。第一个焊件1可例如涉及形式上为冲压格栅的导线组，它要与一个设计为大功率半导体结构元件的第二个焊件3焊接。在这种情况下此侧视图表示了大功率半导体结构元件的冷却体。
所述的焊接可例如通过借助激光束5加入能量实现，激光束的直径为光点宽度W0。因此，如图2a所示，能量的加入在直径W0的一个基本上圆形的光点内进行。为了比已知的方法有更好的焊接过程，第一个焊件1在其边缘区(表示在图2a右边)有一个斜坡，它朝焊件1边缘方向收缩。斜坡7意味着一种有利于用以制成第一个焊件1与第二个焊件3之间角焊缝的焊接过程的结构9。
如图2a所示，借助激光束5加入能量的方向可以垂直于斜坡7。当然，为了造成规定长度的角焊缝，激光束5与第一和第二个焊件1、3之间必须进行相对运动。能量的加入显然可以选择为，使第一个焊件在能量供给区(在图示的实施例中相应于激光束5在斜坡7上的光点)的全部区域以及此外使第二个焊件3表面内与此区域毗邻的局部区域的材料熔化，在这种情况下两个焊件1、3的已熔化的材料区互相融合并构成角焊缝11。图2b同样用侧视图表示已借助角焊缝11焊接起来的焊件1、3。
通过在第一个焊件1表面上与该第一个焊件1边缘有预定距离的能量供给区内加入焊接能量，使焊件1、3相对于加入能量的位置有低的定位敏感度。此外，在能量供给区与第一个焊件边缘之间的区域用作材料供给区。在这里，能量的加入与结构9彼此协调为，使得优选整个材料供给区在焊接过程中熔化并一起构成角焊缝11。按这种方式，可能需要供给附加的材料则成为多余。
图3表示在第一个焊件1′的边缘区内另一种可选择的结构9′。在按图3的焊件1′的情况下，边缘区内的结构9′包括一个具有倾斜地向下延伸的侧壁的凹槽。借助激光束5的能量加入可以例如这样进行，即，使光点宽度为W0的激光点处于凹槽外侧壁的区域内。以此方式达到：在激光点的区域内只须沿第一个焊件1′的深度熔化比较少的材料。在激光点左边，亦即朝焊件1′内部的方向，第一个焊件1′边缘区内的凹槽的这种薄的底部，在从能量加入位置朝第一个焊件1′的较厚区域(在内部)方向的热传导方面，起到较大的传热阻抗的作用。
如图3所示，在图3中连接在能量供给区右边的材料供给区可以重新设计得较厚。材料供给区的厚度或材料量可以与为实施焊接过程或制成角焊缝时的具体要求相适应。
在图3中同时还表示了，材料供给区可以由一种与焊件1′的其余材料相比为不同的材料组成。这种由不同材料组成的材料供给区可以例如通过镀覆或类似方法造成。

Claims (7)

1.一种焊件，所述焊件作为第一个焊件(1)用于借助角焊缝(11)与第二个焊件焊接，
该第一个焊件(1)有一个支承面，所述支承面至少在要借助角焊缝(11)焊接的棱边的边缘区内可与第二个焊件(3)的一支承面接触，
其中，第一个焊件(1)的边缘区在第一个焊件(1)的背对支承面的表面有一个用于供给焊接能量的能量供给区，以及
从第一个焊件(1)的内部区至焊件边缘，边缘区具有一种有利于用以制成角焊缝(11)的焊接过程的结构(9)，
其特征为：
按所述结构(9)，在边缘区内，在能量供给区与焊件边缘之间的区域用作材料供给区，该结构(9)的构造方式是：所述边缘区在能量供给区的范围内设计得比第一个焊件(1)的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚；或者，所述边缘区在一个朝第一个焊件(1)内部区方向与能量供给区相邻的范围内设计得比第一个焊件(1)的内部区更薄，以及，与较薄的区域连接的能量供给区和/或处于能量供给区与焊件边缘之间的材料供给区设计得比该较薄的区域更厚。
2.按照权利要求1所述的焊件，其特征为，所述边缘区在垂直于第一个焊件(1)支承面与第二个焊件(3)支承面的接触面及垂直于角焊缝方向的平面内有一种渐缩的横截面。
3.按照权利要求2所述的焊件，其特征为，所述边缘区的表面有一个倾斜的平面(7)，它包括能量供给区和材料供给区。
4.按照权利要求1至3之任一项所述的焊件，其特征为，所述结构(9)通过冷变形过程制成。
5.按照权利要求4所述的焊件，其特征为，所述结构(9)通过冲压过程制成。
6.按照权利要求5所述的焊件，其特征为，第一个焊件(1)制成冲压件；以及，用于制造所述结构(9)的冲压过程与第一个焊件(1)的冲制在一道工序中进行。
7.按照权利要求1至6之任一项的焊件在电结构单元中的应用，所述电结构单元包括作为第一个焊件(1)的导线组和与所述导线组焊接的作为第二个焊件(3)的大功率半导体的冷却体。
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