DE102017115879B4 - Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls mittels eines Schweißenverfahrens - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls (1) mit einem elektrisch isolierenden Schaltungsträger (20), einer metallischen Leiterbahn (22) und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement (5) mit den Verfahrensschritten:a. Bereitstellen des Schaltungsträgers (20) mit einer auf einer ersten Hauptfläche angeordneten metallischen Leiterbahn (22), die eine erste Kontaktfläche (220) aufweist, die dafür vorgesehen ist mit einer zweiten Kontaktfläche (520) des Anschlusselements (5) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden, wobei die Leiterbahn (22) im Bereich der ersten Kontaktfläche (220) ausgebildet ist durch eine Metall-Folie mit einer Dicke zwischen 200µm und 500µm und mit einem Masse-Anteil von mindestens 80% Kupfer;b. Anordnen des Anschlusselements (5) zur Leiterbahn (22), wobei sich die erste und zweite Kontaktfläche (220, 520) berühren oder einen Abstand (620) von weniger als 300µm voneinander aufweisen;c. Beaufschlagung einer Teilfläche (540) der abgewandten, also der zweiten Kontaktfläche (520) gegenüberliegenden, Oberfläche (54) des Anschlusselements (5) mit Laserstrahlung unter Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen der Leiterbahn (22) und dem Anschlusselement (5), wobei die Leiterbahn (22) nur bis zu einer Tiefe (620) von maximal 90% ihrer Dicke (210) lokal aufgeschmolzen wird, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1300nm beträgt und wobei der Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls (6) der Bedingung 3λ < D < 10A, gehorcht.
Description
- Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls, wie es als Grundbaustein eines Stromrichtersystems, beispielhaft zum Einsatz in vollständig oder teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen Einsatz findet. Das leistungselektronischen Submodul kann auch die Basis eines ansonsten fachüblichen Leistungshalbleitermoduls ausbilden. Wesentlich ist, dass hierbei mindestens eines, bevorzugt alle Anschlusselemente mittels eine Schweißverfahrens mit einem Substrat verbunden werden.
- Fachüblich und seit langem bekannt ist es Anschlusselement, insbesondere Lastanschlusselement aber auch Hilfsanschlusselemente, zur externen elektrischen Kontaktierung mittels fachüblicher Reibschweißverfahren mit einem Substrat, allgemeiner einem Schaltungsträger, eines Leistungshalbleitermoduls zu verbinden. Nachteilig ist hierbei häufig die schwierige Positionierung der Schweißsonotrode oder auch die Krafteinwirkung auf das Substrat, die zu Schädigungen des Substratgrundmaterials, häufig eine Keramikplatte, führen kann.
- Aus der
DE 10 2015 114 188 A1 ist ein leistungselektronisches Submodul bekannt, das ausgebildet ist mit einem Substrat, mit einem Leistungshalbleiterbauelement, mit einer Verbindungseinrichtung, mit einer Anschlusseinrichtung und mit einem Isolierstoffkörper. Hierbei weist das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn das Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und damit elektrisch leitend verbunden ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund ausgebildet und bildet somit eine erste dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Substrat zugewandten Hauptfläche und eine, der ersten gegenüberliegende, zweite Hauptfläche aus, wobei das Submodul mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist. Der Isolierstoffkörper weist einen ersten Teilkörper auf, der mit einem Rand des Substrats verbunden ist und weist weiterhin eine erste Ausnehmung für das Anschlusselement auf. Der Isolierstoffkörper weist ebenfalls einen zweiten Teilkörper auf, der als ein Druckkörper ausgebildet ist und eine zweite Ausnehmung aufweist aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist. Der erste Teilkörper ist mit dem zweiten Teilkörper derart verbunden, dass dieser zweite Teilkörper gegenüber dem ersten Teilkörper in Richtung zum Substrat beweglich angeordnet ist um mit dem Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds zu drücken, wobei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. - Aus der US 2010 / 0 295 187 A1 ist ein Halbleitermodul bekannt umfassen ein über eine isolierende Platte ausgebildetes Schaltungsmuster; einen mit dem Schaltungsmuster verbundenen Halbleiterchip; einen Verbindungsleiter, der mit dem Schaltungsmuster und/oder dem Halbleiterchip verbunden ist; ein Isolierharz, das einen Schweißabschnitt des Verbindungsleiters freilegt und das Schaltungsmuster und den Halbleiterchip bedeckt; und einen äußeren Anschluss, der einen elektrischen Hauptstrom durch eine Hauptelektrode des Halbleiterchips führt und mit dem Schweißabschnitt des Verbindungsleiters durch Laserschweißen verbunden ist.
- Aus der US 2015 / 0 179 539 A1 ist ein Laserschweißverfahren bekannt, wobei ein Spalt zwischen ersten und zweiten zu verschweißenden Elementen höchstens 300µm beträgt und wobei das zweite Element mittels Klauen einer Laserschweißvorrichtung gegen das erste Element gepresst wird, und wobei das zweite Element an einer Stelle zwischen den Klauen wird mit Laserlicht bestrahlt wird, um das erste Element und das zweite Element zu verschweißen.
- Aus der
US 5 306 891 A ist bekannt ein Metallblech an einem Keramiksubstrat anzubringen, wobei ein Schweißkissen verwendet wird, das aus einer Wolframschicht gebildet ist, die auf dem Substrat vorgeformt ist und eine mit einem Goldfilm beschichtete Passfläche aufweist. Das Blatt wird auf den Goldfilm gelegt und mit einem Laserstrahl abgetastet, um das Blatt und das Gold zu verschmelzen, ohne das Wolfram zu verschmelzen, wodurch ein Abplatzen des Metalls und Mikrorisse der Keramik vermieden werden. - In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronisches Submodul mit einem Schaltungsträger mit einer metallischen Leiterbahn und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement vorzustellen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronisches Submodul mit einem elektrisch isolierenden Schaltungsträger, einer metallischen Leiterbahn und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement weist die folgenden Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge auf:
- a. Bereitstellen des Schaltungsträgers mit einer auf einer ersten Hauptfläche angeordneten metallischen Leiterbahn, die eine erste Kontaktfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist mit einer zweiten Kontaktfläche des Anschlusselements stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden, wobei
die Leiterbahn (
22 ) im Bereich der ersten Kontaktfläche (220 ) ausgebildet ist durch eine Metall-Folie mit einer Dicke zwischen 200µm und 500µm und mit einem Masse-Anteil von mindestens 80% Kupfer oder wobei die Leiterbahn (22 ) im Bereich der ersten Kontaktfläche (220 ) ausgebildet ist durch eine Metallfolie mit einem hierauf angeordneten Aufdoppelkörper (222 ) mit einer Dicke zwischen 500µm und 2mm; - b. Anordnen des Anschlusselements zur Leiterbahn, wobei sich die erste und zweite Kontaktfläche berühren oder einen Abstand von weniger als 300µm voneinander aufweisen;
- c. Beaufschlagung einer Teilfläche der abgewandten, also der zweiten Kontaktfläche gegenüberliegenden, Oberfläche des Anschlusselements mit Laserstrahlung unter Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen der Leiterbahn und dem Anschlusselement, wobei die Leiterbahn nur bis zu einer Tiefe von maximal 90% ihrer Dicke lokal aufgeschmolzen wird, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1300nm beträgt und wobei der Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls der Bedingung 3λ < D < 10A, gehorcht.
- Hierbei kann es bevorzugt sein, wenn der Laser beim Verfahrensschritt c) gepulst einzelne, vorzugsweise mindestens zehn, Stellen der Teilfläche mit Strahlung punktuell beaufschlagt. Alternativ oder auch zusätzlich kann es bevorzugt sein, wenn der Laserstrahl beim Verfahrensschritt c) mäanderförmig, insbesondere mit sich überlappenden oder sich nicht überlappenden Schleifen, die Teilfläche, vorzugsweise kontinuierlich, überstreicht.
- Vorzugsweise beträgt der Abstand beim Verfahrensschritt b) zwischen 5µm und 300µm, bevorzugt zwischen 10µm und 150µm und besonders bevorzugt zwischen 15µm und 75µm.
- Vorteilhaft ist es, wenn die Tiefe, in der die Leiterbahn aufgeschmolzen wird, maximal 70%, insbesondere maximal 50% ihrer Dicke und mindestens 10% bevorzugt 25% ihrer Dicke beträgt.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1100nm beträgt. Diese Werte sind insbesondere dann bevorzugt, wenn das Anschlusselement einen Masse-Anteil von mindestens 80% Kupfer aufweist.
- Vorteilhafte Werte für den Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls, fachüblich gemessen bei dem Wert von e-2 der Intensität, gehorchen der Bedingung 5λ < D < 8λ.
- Es ist insbesondere von Vorteil, wenn der Fokus des Laserstrahls beim Verfahrensschritt c) zwischen der abgewandten Oberfläche des Anschlusselements und 80% der Dicke des Anschlusselements liegt. Unabhängig davon kann es bevorzugt sein, wenn der Fokus beim Verfahrensschritt c) in seiner Tiefe relativ zur abgewandten Oberfläche des Anschlusselements variiert wird.
- Es kann es vorteilhaft sein, wenn der Aufdoppelkörper aus Kupfer oder Aluminium besteht.
- Anschlusselemente, insbesondere Lastanschlusselemente, werden vorteilhafterweise gebildet durch eine Metall-, vorzugsweise Kupfer-, oder Aluminium-Folie, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 200µm und 2mm, insbesondere bevorzugt zwischen 500µm und 1mm. Diese Anschlusselemente können auch eine fachübliche Beschichtung der Oberfläche, beispielhaft durch ein Metall, insbesondere Nickel, aufweisen.
- Anschlusselemente, insbesondere Hilfsanschlusselemente, werden vorteilhafterweise gebildet durch ein Stift- oder Pressfitkontaktelement, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 100µm und 1mm, insbesondere bevorzugt zwischen 200µm und 500µm.
- Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Anschlusselement, mehrfach im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
- Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den
1 bis6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon. -
1 zeigt ein erstes leistungselektronisches Submodul bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrensschritts in Schnittansicht. -
2 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes zweites leistungselektronisches Submodul, angeordnet auf einer Kühleinrichtung, in Schnittansicht. -
3 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes drittes leistungselektronisches Submodul in Draufsicht. -
4 zeigt eine Komponente des dritten leistungselektronischen Submoduls. -
5 und6 zeigen Ausführungsvarianten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schweißverbindungen in Schnittansicht. -
1 zeigt ein erstes leistungselektronisches Submodul1 bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrensschritts in Schnittansicht. Dargestellt ist ein elektrisch isolierender Schaltungsträger20 , hier fachüblich bestehend aus einer Keramikplatte, mit metallischen Leiterbahnen22 , in Form von Metallfolien, auf einer ersten Hauptfläche. Auf der zweiten Hauptfläche ist hier eine durchgehende metallische Schicht24 gleicher Dicke, im fachüblichen Bereich von 200µm bis 400µm, wie die Leiterbahnen22 angeordnet. Der Schaltungsträger20 bildet zusammen mit den Leiterbahnen22 und der metallischen Schicht24 ein fachübliche Leistungshalbleitersubstrat2 aus. Auf einer der Leiterbahnen22 ist ein Leistungshalbleiterbauelement4 angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden. - Die interne, schaltungsgerechte Verbindung des Submoduls
1 ist fachüblich, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, mittels eines Folienstapels3 aus elektrisch leitenden Folien22 ,24 und elektrisch isolierenden Folien20 ausgebildet. - Eine der Leiterbahnen
22 weist eine erste Kontaktfläche220 auf, die dafür vorgesehen ist mit einem Anschlusselement5 stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden. - Dargestellt ist weiterhin ein derartiges Anschlusselement
5 des leistungselektronischen Submoduls1 , und ist hier ausgebildet als ein Formkörper aus einer Kupferfolie mit einer Dicke510 im Bereich von 500µm bis 700µm. Dieses Anschlusselement5 weist auf einer ersten Oberfläche52 eine zweite Kontaktfläche520 auf, die der ersten Kontaktfläche220 der Leiterbahn22 zugeordnet ist. - In dem hier dargestellten Verfahrensschritt ist das Anschlusselement
5 von der Leiterbahn22 beabstandet, mit einem bevorzugten Abstand620 im Bereich von 10µm bis 25µm. Dies ist auch die bevorzugte Anordnung zur Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen dem Anschlusselement5 und der Leiterbahn22 , jeweils im Bereich der einander zugeordneten Kontaktflächen220 ,520 . - Zur Ausbildung der Schweißverbindung wird die Teilfläche
540 der zweiten Kontaktfläche520 abgewandte Oberfläche54 des Anschlusselements5 mit einem Strahl6 eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers oder alternativ eines Yb:YAG-Scheiben-Lasers oder alternativ eines Faserlasers, jeweils mit einer Wellenlänge im Bereich von 900nm bis 1100nm beaufschlagt. Der Fokus60 des Laserstrahls6 wird derart eingestellt, dass dieser, zumindest zu Beginn der Ausbildung der Schweißverbindung, direkt an der abgewandten Oberfläche54 , genauer eines Punktes der Teilfläche540 , des Anschlusselements5 liegt. Dies ist besonders vorteilhaft, da hiermit der beste lokale Wärmeeintrag in das Anschlusselement5 erfolgt und somit der Aufschmelz- und damit der Schweißprozess effektiv gestartet wird. - Nach Beginn des Schweißprozesses, wenn bereits ein Teil des Anschlusselements
5 beginnend mit der abgewandten Oberfläche54 aufgeschmolzen ist, kann der Fokus in Richtung auf die Leiterbahn hin verschoben werden. Im weiteren Verlauf des Schweißprozesses ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fokus in der Tiefe zwischen der abgewandten Oberfläche54 und 50% der Dicke510 des Anschlusselements5 variiert wird. - Unabhängig davon wird der Laserstrahl
6 mäanderförmig, mit sich überlappenden Schleifen600 , vgl.3 , und kontinuierlich, also ohne Unterbrechung der Beaufschlagung, über die Teilfläche540 bewegt. - Der Fokusdurchmesser D des Fokus
60 des Laserstrahls6 beträgt hierbei ca. 6λ. -
2 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes zweites leistungselektronisches Submodul1 , angeordnet auf einer Kühleinrichtung70 , in Schnittansicht. Das Substrat des leistungselektronischen Submoduls1 ist gleich demjenigen gemäß1 aufgebaut und in dieser Ausgestaltung, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, direkt auf der Kühleinrichtung70 , hier einer Wasserkühleinrichtung, angeordnet und thermisch leitend damit verbunden. - Die Leiterbahn
22 ist ausgebildet durch die o.g. Metallfolie mit einem hierauf im Bereich der ersten Kontaktfläche220 angeordneten Aufdoppelkörper222 , der dazu vorgesehen ist ist lokal die Dicke der Leiterbahn224 , vgl.6 , zu erhöhen. Dieser Aufdoppelkörper222 besteht hier aus Kupfer mit einer Dicke von 1mm und ist mit der Metallfolie, genauer mit der Kupferfolie, stoffschlüssig verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung ist hier als Drucksinterverbindung oder als Lötverbindung ausgebildet. - Mit diesem Aufdoppelkörper
222 , genauer der ersten Kontaktfläche220 der metallischen Leiterbahn22 , zu der der Aufdoppelkörper222 integral gehört, ist die zweite, der ersten Kontaktfläche220 zugewandte, Kontaktfläche520 des Anschlusselements5 stoffschlüssig mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden. - In seinem Verlauf ist das Anschlusselement
5 auf einem Gehäuseteil10 des leistungselektronischen Submoduls1 angeordnet. Dort ist ein externer Anschlussbereich des Anschlusselements5 mit einem Verbindungselement74 . Dieses Verbindungselement74 verbindet das Submodul1 beispielhaft mit einer elektrischen Maschine, also einem Elektromotor, der durch das Submodul oder eine Mehrzahl von Submodulen angetrieben wird. - Zur elektrisch leitenden, druckinduzierten Verbindung zwischen dem Anschlusselement
5 und dem Verbindungselement74 reicht eine Schraube72 elektrisch isoliert720 gegen das Anschluss- und Verbindungselement durch diese und durch das Gehäuseteil10 bis in ein Widerlager700 der Kühleinrichtung70 . - Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche
220 ,520 ist im Grunde wie unter1 beschrieben mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. -
3 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes drittes leistungselektronisches Submodul1 in Draufsicht. Dargestellt ist ein Schaltungsträger20 , ausgebildet als Keramikkörper, und hierauf angeordnet einer Mehrzahl von Leiterbahnen22 . Auf einer dieser Leiterbahnen22 ist ein Leistungshalbleiterbauelement4 angeordnet und elektrisch leitend mit der Leiterbahn22 verbunden. Interne Verbindungseinrichtungen sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. - Weiterhin dargestellt sind verschiedene Ausbildungen von Anschlusselementen
5 . Eines der Anschlusselemente ist ausgebildet als ein Wechselspannungsanschlusselement5a , zwei Anschlusselemente bilden die beiden Gleichspannungsanschlusselemente5b ,5c und eines ist ausgebildet als ein Pressfitkontaktelement5d . Das leistungselektronische Submodul1 bildet hier eine Halbbrückenschaltung aus. - Das Wechselspannungsanschlusselement
5a ist mit seiner zweiten Kontaktstelle mit einer zugeordneten Leiterbahn22 mittels des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens verbunden. Hierbei wurde die Teilfläche540 der abgewandten Oberfläche gepulst an einzelnen, sich teilweise überlappenden Stellen mit Laserstrahlung punktuell beaufschlagt, wie in der zugeordneten Ausschnittsvergrößerung dargestellt. - Das erste Gleichspannungsanschlusselement
5b , dasjenige negativen Potentials, ist mit seiner zweiten Kontaktstelle mit einer zugeordneten Leiterbahn22 , auf der sich kein Leistungshalbleiterbauelement befindet, mittels des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens verbunden. Hierbei wurde die zugeordnete Teilfläche540 der abgewandten Oberfläche mäanderförmig und kontinuierlich mit Laserstrahlung beaufschlagt, wie in der zugeordneten Ausschnittsvergrößerung dargestellt. - Das zweite Gleichspannungsanschlusselement
5c , dasjenige positiven Potentials, ist mit seiner zweiten Kontaktstelle mit einer zugeordneten Leiterbahn22 , auf der sich das Leistungshalbleiterbauelement4 befindet, mittels des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens verbunden. Hierbei wurde die zugeordnete Teilfläche540 der abgewandten Oberfläche schleifenförmig, dargestellt sind zwei Alternativen mit und ohne Überlappung der Schleifen, und kontinuierlich mit Laserstrahlung beaufschlagt, wie in der zugeordneten Ausschnittsvergrößerung dargestellt. - Zwischen den beiden Gleichspannungsanschlusselementen
5b ,5c ist eine elektrisch isolierende Folie56 angeordnet. - Das Pressfitkontaktelement
5d ist mit seiner zweiten Kontaktstelle mit einer zugeordneten Leiterbahn22 mittels des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens verbunden. Hierbei wurde die zugeordnete Teilfläche540 der abgewandten Oberfläche schleifenförmig und kontinuierlich mit Laserstrahlung beaufschlagt, wie in der zugeordneten Ausschnittsvergrößerung dargestellt. Zur Verwendung wird das Pressfitkontaktelement5d noch im Bereich der Einschnürung im rechten Winkel aus der Ebene der Leiterbahn22 abgewinkelt und steht dann mit seinem Kontaktabschnitt senkrecht auf der zugeordneten Leiterbahn22 . -
4 zeigt eine Komponente, nämlich den Stapel aus den beiden Gleichspannungsanschlusselementen5b ,5c und der dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Folie56 , des dritten leistungselektronischen Submoduls nebeneinander. -
5 und6 zeigen Ausführungsvarianten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schweißverbindungen in Schnittansicht. In5 ist eine Leiterbahn22 ohne Aufdoppelkörper wie auch ein Anschlusselement5 dargestellt. Beide sind mittels einer erfindungsgemäß ausgeführten Laserschweißverbindung im Bereich ihrer jeweiligen Kontaktflächen stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden. - Dargestellt ist weiterhin derjenige Bereich
602 , der während des Laserschweißvorgangs lokal aufgeschmolzen wurde. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass hierbei die Leiterbahn22 bis zu einer maximalen Tiefe610 von 90% ihrer Dicke210 aufgeschmolzen wird. Es ist sogar bevorzugt die Tiefe610 des Aufschmelzens auf maximal 50% der Dicke210 und mindestens 25% der Dicke210 der Leiterbahn22 einzugrenzen. Ein zu tiefes Aufschmelzen könnte die unter der Leiterbahn22 liegende Schicht, hier den nicht dargestellten Keramikkörper beschädigen. Andererseits würde eine zu geringe Tiefe610 des Aufschmelzens zu einer nicht ausreichend dauerhaltbaren Verbindung zum Anschlusselement5 führen. - In
6 ist eine Leiterbahn22 mit Aufdoppelkörper222 wie auch ein Anschlusselement5 dargestellt. Beide sind mittels einer erfindungsgemäß ausgeführten Laserschweißverbindung im Bereich ihrer jeweiligen Kontaktflächen220 ,520 stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden. - Dargestellt sind hier zwei Bereiche
604 ,606 , die während des Laserschweißvorgangs lokal aufgeschmolzen wurden. Auf der linken Seite dargestellt ist ein Bereich604 des Aufschmelzens, der ausschließlich innerhalb des Aufdoppelkörpers222 liegt. Dies ist die schonendste Ausgestaltung, da hier die Metallfolie der Leiterbahn22 und umso mehr der darunterliegende Keramikkörper beim Laserschweißprozess nicht signifikant erwärmt werden. Auf der rechten Seite dargestellt ist ein Bereich606 des Aufschmelzens, der bis in die Metallfolie der Leiterbahn22 reicht. Dies ist die Ausgestaltung mit der höchsten Dauerhaltbarkeit, da hier gesamte Verbindung am innigsten ausgebildet ist. Die allgemeinen Aussagen gemäß5 zur Tiefe des Aufschmelzens gelten grundsätzlich auch bei dieser Ausgestaltung der Leiterbahn mit einem Aufdoppelkörper.
Claims (13)
- Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls (1) mit einem elektrisch isolierenden Schaltungsträger (20), einer metallischen Leiterbahn (22) und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement (5) mit den Verfahrensschritten: a. Bereitstellen des Schaltungsträgers (20) mit einer auf einer ersten Hauptfläche angeordneten metallischen Leiterbahn (22), die eine erste Kontaktfläche (220) aufweist, die dafür vorgesehen ist mit einer zweiten Kontaktfläche (520) des Anschlusselements (5) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden, wobei die Leiterbahn (22) im Bereich der ersten Kontaktfläche (220) ausgebildet ist durch eine Metall-Folie mit einer Dicke zwischen 200µm und 500µm und mit einem Masse-Anteil von mindestens 80% Kupfer; b. Anordnen des Anschlusselements (5) zur Leiterbahn (22), wobei sich die erste und zweite Kontaktfläche (220, 520) berühren oder einen Abstand (620) von weniger als 300µm voneinander aufweisen; c. Beaufschlagung einer Teilfläche (540) der abgewandten, also der zweiten Kontaktfläche (520) gegenüberliegenden, Oberfläche (54) des Anschlusselements (5) mit Laserstrahlung unter Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen der Leiterbahn (22) und dem Anschlusselement (5), wobei die Leiterbahn (22) nur bis zu einer Tiefe (620) von maximal 90% ihrer Dicke (210) lokal aufgeschmolzen wird, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1300nm beträgt und wobei der Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls (6) der Bedingung 3λ < D < 10A, gehorcht.
- Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls (1) mit einem elektrisch isolierenden Schaltungsträger (20), einer metallischen Leiterbahn (22) und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement (5) mit den Verfahrensschritten: a. Bereitstellen des Schaltungsträgers (20) mit einer auf einer ersten Hauptfläche angeordneten metallischen Leiterbahn (22), die eine erste Kontaktfläche (220) aufweist, die dafür vorgesehen ist mit einer zweiten Kontaktfläche (520) des Anschlusselements (5) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden, wobei die Leiterbahn (22) im Bereich der ersten Kontaktfläche (220) ausgebildet ist durch eine Metallfolie mit einem hierauf angeordneten Aufdoppelkörper (222) mit einer Dicke zwischen 500µm und 2mm; b. Anordnen des Anschlusselements (5) zur Leiterbahn (22), wobei sich die erste und zweite Kontaktfläche (220, 520) berühren oder einen Abstand (620) von weniger als 300µm voneinander aufweisen; c. Beaufschlagung einer Teilfläche (540) der abgewandten, also der zweiten Kontaktfläche (520) gegenüberliegenden, Oberfläche (54) des Anschlusselements (5) mit Laserstrahlung unter Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen der Leiterbahn (22) und dem Anschlusselement (5), wobei die Leiterbahn (22) nur bis zu einer Tiefe (620) von maximal 90% ihrer Dicke (210) lokal aufgeschmolzen wird, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1300nm beträgt und wobei der Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls (6) der Bedingung 3λ < D < 10A, gehorcht.
- Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , wobei der Laser beim Verfahrensschritt c) gepulst einzelne, vorzugsweise mindestens zehn, Stellen der Teilfläche (540) mit Strahlung punktuell beaufschlagt. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , wobei der Laserstrahl (6) beim Verfahrensschritt c) mäanderförmig, insbesondere mit sich überlappenden oder sich nicht überlappenden Schleifen (600), die Teilfläche (540), vorzugsweise kontinuierlich, überstreicht. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (620) beim Verfahrensschritt b) zwischen 5µm und 300µm, bevorzugt zwischen 10µm und 150µm und besonders bevorzugt zwischen 15µm und 75µm beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe (610) in dem die Leiterbahn (22) aufgeschmolzen wird maximal 70%, insbesondere maximal 50% ihrer Dicke (210) und mindestens 10% bevorzugt 25% ihrer Dicke (210) beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 900nm und 1100nm beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fokusdurchmesser (D) des Laserstrahls (6) der Bedingung 5λ < D < 8λ gehorcht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fokus (60) des Laserstrahls (6) beim Verfahrensschritt c) zwischen der abgewandten Oberfläche (54) des Anschlusselements (5) und 80% der Dicke (510) des Anschlusselements (5) liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fokus (60) beim Verfahrensschritt c) in seiner Tiefe relativ zur abgewandten Oberfläche (54) des Anschlusselements (5) variiert wird.
- Verfahren nach
Anspruch 2 bis10 , wobei der Aufdoppelkörper (222) aus Kupfer oder Aluminium besteht. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , wobei das Anschlusselement (5 a/b/c) gebildet wird durch eine Metall-, vorzugsweise Kupfer-, oder Aluminium-Folie, vorzugsweise mit einer Dicke (510) zwischen 200µm und 2mm, insbesondere bevorzugt zwischen 500µm und 1mm. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , wobei das Anschlusselement (5d) gebildet wird durch ein Stift- oder Pressfitkontaktelement, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 100µm und 1mm, insbesondere bevorzugt zwischen 200µm und 500µm.
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