DE102019115573B4 - Power electronic switching device and method of manufacture - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronische Schalteinrichtung (1) mit einem Substrat (2), mit einer Verbindungseinrichtung (3) und mit einem Leistungshalbleiterbauelement (5), wobei das Substrat (2) eine Normalenrichtung (N) und gegeneinander elektrisch isoliert eine erste und eine zweite Leiterbahn (22, 24) aufweist und auf einer ersten Leiterbahn (22) das Leistungshalbleiterbauelement (5) mit seiner ersten Kontaktfläche (500) seiner ersten Metallisierung (50) angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist,wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie (30) und einer elektrisch isolierenden Folie (32) ausgebildet ist und die erste elektrisch leitende Folie eine erste, dem Substrat (2) zugewandte Hauptfläche (300) aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine zweite Kontaktfläche (520) einer zweiten Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der Verbindungseinrichtung (3) elektrisch leitend verbunden ist undeine Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn (24), die somit einen Verbindungspartner ausbildet, mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) der Verbindungseinrichtung (3) mittels einer Laserschweißverbindung (60) elektrisch leitend verbunden ist, wobeidie elektrisch isolierende Folie (32) im Bereich der Laserschweißverbindung (60) eine erste Ausnehmung (310) mit einer Mindestbreite (930) aufweist und somit eine zweite Hauptfläche (302) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) aus negativer Normalenrichtung (N) betrachtet im Bereich dieser Ausnehmung (310) für einen Laserstrahl (8) frei zugänglich ist undwobei die zweite Leiterbahn eine erste Dicke (902), die zweite Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) eine zweite Dicke und die erste elektrisch leitende Folie eine dritte Dicke (900) aufweisen.Power electronic switching device (1) with a substrate (2), with a connecting device (3) and with a power semiconductor component (5), the substrate (2) having a normal direction (N) and a first and a second conductor track (22, electrically insulated from one another) 24) and the power semiconductor component (5) with its first contact surface (500) of its first metallization (50) is arranged and electrically conductively connected to it on a first conductor track (22), the connecting device (3) being a film composite with a first electrically conductive one Foil (30) and an electrically insulating foil (32) is formed and the first electrically conductive foil has a first main surface (300) facing the substrate (2), the switching device being internally connected by means of the connecting device (3) in accordance with the circuitry a second contact surface (520) of a second metallization (52) of the power semiconductor component (5) with e A first contact surface of the first main surface (300) of the connecting device (3) is electrically conductively connected and a contact surface of the second conductor track (24), which thus forms a connection partner, is connected to a second contact surface of the first main surface (300) of the first electrically conductive film (30) ) the connecting device (3) is connected in an electrically conductive manner by means of a laser welded connection (60), the electrically insulating film (32) having a first recess (310) with a minimum width (930) in the area of the laser welded connection (60) and thus a second main surface ( 302) of the first electrically conductive film (30) viewed from the negative normal direction (N) is freely accessible to a laser beam (8) in the area of this recess (310) and the second conductor track has a first thickness (902), the second metallization (52) of the power semiconductor component (5) has a second thickness and the first electrically conductive film has a third thickness (900) point.

Description

Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung und mit einem Leistungshalbleiterbauelement, wobei die Verbindungseinrichtung als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht elektrisch leitend verbunden ist. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen leistungselektronischen Schalteinrichtung.The invention describes a power electronic switching device with a substrate, with a connecting device and with a power semiconductor component, the connecting device being designed as a film composite with a first electrically conductive film and an electrically insulating film, the switching device being internally connected in an electrically conductive manner by means of the connecting device. The invention also describes a method for producing such a power electronic switching device.

Die EP 3 273 470 A1 offenbart als Stand der Technik eine Schalteinrichtung mit einem Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung und mit einer Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist und auf einer der Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement mit seiner ersten Hauptfläche angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung als Folienverbund mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist und somit eine erste und eine zweite Hauptfläche ausbildet, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine Kontaktfläche der zweiten Hauptfläche des Leistungshalbleiterbauelements mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, hierzu die Druckeinrichtung einen Druckkörper und ein hiervon in Richtung des Leistungshalbleiterbauelements hervorstehendes Druckelement aufweist, wobei das Druckelement auf einen ersten Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds drückt und hierbei dieser erste Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements vollständig innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.the EP 3 273 470 A1 discloses, as prior art, a switching device with a substrate, with a connecting device and with a printing device, the substrate having conductor tracks that are electrically insulated from one another and a power semiconductor component is arranged with its first main surface on one of the conductor tracks and is electrically conductively connected to it, the connecting device as Foil composite is formed with an electrically conductive and an electrically insulating foil and thus forms a first and a second main surface, the switching device being connected internally by means of the connecting device in a circuit-compatible manner and here a contact surface of the second main surface of the power semiconductor component with a first contact surface of the first main surface of the connecting device is non-positively and electrically conductively connected, for this purpose the pressure device has a pressure body and one thereof in the direction of the power semiconductor component h he protruding pressure element, wherein the pressure element presses on a first section of the second main surface of the film composite and this first section is arranged in projection along the normal direction of the power semiconductor component completely within the surface of the power semiconductor component.

Aus der DE 10 2016 108 656 A1 ist eine leistungselektronische Baugruppe mit einem Substrat, einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiter, einem auf dem Halbleiter angeordneten, den Halbleiter kontaktierenden Metallkörper und einem den Metallkörper kontaktierenden elektrischen Leiter bekannt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der elektrische Leiter mit dem Metallkörper mittels Laserschweißen kontaktiert ist.From the DE 10 2016 108 656 A1 a power electronic assembly is known with a substrate, a semiconductor arranged on the substrate, a metal body arranged on the semiconductor, contacting the semiconductor and an electrical conductor contacting the metal body, which is characterized in that the electrical conductor is in contact with the metal body by means of laser welding .

Die DE 10 2015 121 680 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, welches eine Metallisierungsschicht und einen Leistungshalbleiterchip umfasst, der mit der Metallisierungsschicht verbunden ist. Der Chip weist eine erste Klemme und eine zweite Klemme auf, die auf einer Seite des Chips angeordnet sind, die von der Metallisierungsschicht abgewandt ist. Das Leistungshalbleitermodul umfasst außerdem ein erstes Verbindungselement, das an der ersten Klemme befestigt ist, ein zweites Verbindungselement, das an der zweiten Klemme befestigt ist, und eine flexible Leiterplatte, die eine erste Metallschicht, eine zweite Metallschicht und einen Isolator zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht umfasst, sodass die erste und die zweite Metallschicht elektrisch voneinander isoliert sind. Die erste Metallschicht ist an dem ersten Verbindungselement befestigt und die zweite Metallschicht ist an dem zweiten Verbindungselement befestigt, sodass die flexible Leiterplatte durch das erste und das zweite Verbindungselement in einem Abstand von dem Leistungshalbleiterchip angebracht ist.the DE 10 2015 121 680 A1 discloses a power semiconductor module comprising a metallization layer and a power semiconductor chip connected to the metallization layer. The chip has a first terminal and a second terminal, which are arranged on a side of the chip that faces away from the metallization layer. The power semiconductor module also includes a first connector attached to the first terminal, a second connector attached to the second terminal, and a flexible circuit board having a first metal layer, a second metal layer and an insulator between the first and second Comprises metal layer, so that the first and second metal layers are electrically isolated from one another. The first metal layer is attached to the first connection element and the second metal layer is attached to the second connection element, so that the flexible circuit board is attached by the first and second connection elements at a distance from the power semiconductor chip.

Aus der DE 10 2017 115 879 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Submoduls mit einem elektrisch isolierenden Schaltungsträger, einer metallischen Leiterbahn und einem hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlusselement mit den Verfahrensschritten bekannt: Bereitstellen des Schaltungsträgers mit einer metallischen Leiterbahn, die eine erste Kontaktfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist mit einer zweiten Kontaktfläche des Anschlusselements stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden zu werden; Anordnen des Anschlusselements zur Leiterbahn; 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.From the DE 10 2017 115 879 A1 A method is known for producing a power electronic submodule with an electrically insulating circuit carrier, a metallic conductor track and a connection element connected to it in an electrically conductive manner with the following method steps: Providing the circuit carrier with a metallic conductor track that has a first contact surface, which is provided with a second Contact surface of the connection element to be connected in a materially and electrically conductive manner; Arranging the connection element to the conductor track; Applying laser radiation to a partial area of the surface of the connection element facing away, i.e. opposite the second contact area, forming a welded connection between the conductor track and the connection element, the conductor track being melted locally only to a depth of a maximum of 90% of its thickness.

In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen einer Folie des Folienverbunds und einem Verbindungspartner zu verbessern.Knowing the cited prior art, the invention is based on the object of improving the connection between a film of the film composite and a connection partner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung und mit einem Leistungshalbleiterbauelement, wobei das Substrat eine Normalenrichtung und gegeneinander elektrisch isoliert eine erste und eine zweite Leiterbahnen aufweist und auf einer ersten Leiterbahn das Leistungshalbleiterbauelement mit einer ersten Kontaktfläche einer ersten Metallisierung angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist und die erste elektrisch leitende Folie eine erste, dem Substrat zugewandte Hauptfläche aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine zweite Kontaktfläche einer zweiten Metallisierung des Leistungshalbleiterbauelements mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist und eine Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn, die somit einen Verbindungspartner ausbildet, mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie der Verbindungseinrichtung mittels einer Laserschweißverbindung elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrisch isolierende Folie im Bereich der Laserschweißverbindung eine erste Ausnehmung mit einer Mindestbreite aufweist und somit eine zweite Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie aus negativer Normalenrichtung betrachtet im Bereich dieser Ausnehmung für einen Laserstrahl frei zugänglich ist und wobei die zweite Leiterbahn eine erste Dicke, die zweite Metallisierung des Leistungshalbleiterbauelements eine zweite Dicke und die erste elektrisch leitende Folie eine dritte Dicke aufweisen.This object is achieved according to the invention by a power electronic switching device with a substrate, with a connecting device and with a power semiconductor component, the substrate having a normal direction and electrically insulated from one another a first and a second conductor track and on a first conductor track the power semiconductor component with a first contact surface of a first Metallization is arranged and electrically conductively connected to it, the connecting device being designed as a film composite with a first electrically conductive film and an electrically insulating film and the first electrically conductive film having a first main surface facing the substrate, the switching device being internally circuit-compatible by means of the connecting device is connected and here a second contact surface of a second metallization of the power semiconductor component a first contact surface of the first main surface of the connecting device is electrically conductively connected and a contact surface of the second conductor track, which thus forms a connection partner, is electrically conductively connected to a second contact surface of the first main surface of the first electrically conductive film of the connecting device by means of a laser welded connection, the electrically insulating film has a first recess with a minimum width in the area of the laser weld connection and thus a second main surface of the first electrically conductive film viewed from the negative normal direction is freely accessible in the area of this recess for a laser beam and wherein the second conductor track has a first thickness, the second metallization of the Power semiconductor component have a second thickness and the first electrically conductive film have a third thickness.

Alternativ oder bevorzugt sogar gleichzeitig wird die Aufgabe gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung und mit einem Leistungshalbleiterbauelement, wobei das Substrat eine Normalenrichtung und gegeneinander elektrisch isoliert eine erste und eine zweite Leiterbahnen aufweist und auf einer der ersten Leiterbahn das Leistungshalbleiterbauelement mit einer ersten Kontaktfläche einer ersten Metallisierung angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist und die erste elektrisch leitende Folie eine erste, dem Substrat zugewandte Hauptfläche aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine zweite Kontaktfläche einer zweiten Metallisierung, die somit einen Verbindungspartner ausbildet, des Leistungshalbleiterbauelements mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung mittels einer Laserschweißverbindung elektrisch leitend verbunden ist und eine Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie der Verbindungseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrisch isolierende Folie im Bereich der Laserschweißverbindung eine erste Ausnehmung mit einer Mindestbreite aufweist und somit eine zweite Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie aus negativer Normalenrichtung betrachtet im Bereich dieser Ausnehmung für einen Laserstrahl frei zugänglich ist und wobei die zweite Leiterbahn eine erste Dicke, die zweite Metallisierung des Leistungshalbleiterbauelements eine zweite Dicke und die erste elektrisch leitende Folie eine dritte Dicke aufweisen.Alternatively or preferably even at the same time, the object is achieved by a power electronic switching device with a substrate, with a connecting device and with a power semiconductor component, the substrate having a normal direction and electrically insulated first and second conductor tracks and the power semiconductor component on one of the first conductor tracks A first contact surface of a first metallization is arranged and electrically conductively connected to it, the connecting device being designed as a film composite with a first electrically conductive film and an electrically insulating film and the first electrically conductive film having a first main surface facing the substrate, the switching device is connected internally by means of the connection device in a circuit-compatible manner and in this case a second contact surface of a second metallization, which thus forms a connection partner, of the Power semiconductor component is electrically conductively connected to a first contact surface of the first main surface of the connecting device by means of a laser welded connection and a contact surface of the second conductor track is electrically conductively connected to a second contact surface of the first main surface of the first electrically conductive film of the connecting device, the electrically insulating film in the area of the Laser weld connection has a first recess with a minimum width and thus a second main surface of the first electrically conductive film viewed from the negative normal direction is freely accessible for a laser beam in the area of this recess and wherein the second conductor track has a first thickness, the second metallization of the power semiconductor component has a second thickness and the first electrically conductive film have a third thickness.

Hierbei kann es bevorzugt sein, wenn in Normalenrichtung der Folienverbund eine weitere elektrisch leitende Folie oder eine Mehrzahl von Folien aufweist, die abwechselnd elektrisch leitend und elektrisch isolierend ausgebildet sind. Insbesondere kann es noch bevorzugt sein, wenn die eine weitere elektrisch leitende Folie oder die Mehrzahl von Folien in Normalenrichtung mit der ersten Ausnehmung weitere fluchtende Ausnehmungen aufweisen. Auch kann es hierbei bevorzugt sein, wenn die Mindestbreite mindestens 3mm beträgt oder im Bereich zwischen 200µm und 800µm liegt. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, wenn im Randbereich der ersten Ausnehmung eine metallische Kontaktverbindung zwischen der ersten elektrisch leitenden Folie und einer weiteren elektrisch leitenden Folie angeordnet ist.In this case, it can be preferred if the film composite has a further electrically conductive film or a plurality of films in the normal direction which are alternately designed to be electrically conductive and electrically insulating. In particular, it can also be preferred if the one further electrically conductive film or the plurality of films have further recesses that are aligned with the first recess in the normal direction. It can also be preferred here if the minimum width is at least 3 mm or is in the range between 200 μm and 800 μm. It can also be preferred if a metallic contact connection is arranged between the first electrically conductive film and a further electrically conductive film in the edge region of the first recess.

Es kann im Grund auch vorteilhaft sein, wenn die zweite Metallisierung ausgebildet ist aus einer ersten dünnen Teilmetallisierung und einer stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Sinterverfahrens verbundenen, zweiten dicken Teilmetallisierung, die vorzugsweise als flächiger Metallformkörper ausgebildet ist.Basically, it can also be advantageous if the second metallization is formed from a first thin partial metallization and a second thick partial metallization which is cohesively connected, in particular by means of a sintering process, and which is preferably designed as a flat metal molding.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die erste Dicke zwischen 200µm und 1000µm beträgt, die zweite Dicke bei Vorhandensein einer Laserschweißverbindung mit der zweiten Metallisierung zwischen 80µm und 500µm, sonst zwischen 5µm und 50µm beträgt und die dritte Dicke zwischen 50µm und 800µm beträgt.It is also advantageous if the first thickness is between 200 .mu.m and 1000 .mu.m, the second thickness is between 80 .mu.m and 500 .mu.m if there is a laser welded connection with the second metallization, otherwise between 5 .mu.m and 50 .mu.m and the third thickness is between 50 .mu.m and 800 .mu.m.

Allgemein ist es bevorzugt, wenn die dritte Dicke gleich der ersten Dicke ist oder maximal 90% der ersten Dicke, insbesondere maximal 80% der ersten Dicke beträgt.In general, it is preferred if the third thickness is equal to the first thickness or is a maximum of 90% of the first thickness, in particular a maximum of 80% of the first thickness.

Ebenfalls ist es bevorzugt, wenn die dritte Dicke gleich der zweiten Dicke ist oder maximal 90% der zweiten Dicke, insbesondere maximal 80% der zweiten Dicke beträgt.It is also preferred if the third thickness is equal to the second thickness or is a maximum of 90% of the second thickness, in particular a maximum of 80% of the second thickness.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer oben genannten Schalteinrichtung mit den Verfahrensschritten:

  1. a. Bereitstellen eines Substrats mit hierauf angeordnetem Leistungshalbleiterbauelement;
  2. b. Anordnen der Verbindungseinrichtung derart zum Substrat, dass die Kontaktfläche der zweiten Metallisierung des Leistungshalbleiterbauelements mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung und die Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung in Normalenrichtung fluchtet;
  3. c. Direktes Beaufschlagen eines zugänglichen Bereichs der zweiten Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie über dem darunter befindlichen Verbindungspartner mittels eines Laserstrahls unter Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen der ersten leitenden Folie mit diesem Verbindungspartner, wobei dieser bis zu einer Tiefe von maximal 90% seiner Dicke lokal aufgeschmolzen wird.
The object is also achieved by a method for producing the above-mentioned switching device with the method steps:
  1. a. Providing a substrate with a power semiconductor component arranged thereon;
  2. b. Arranging the connecting device to the substrate in such a way that the contact surface of the second metallization of the power semiconductor component is aligned with a first contact surface of the first main surface of the connecting device and the contact surface of the second conductor track is aligned with a second contact surface of the first main surface of the connecting device in the normal direction;
  3. c. Direct exposure of an accessible area of the second main surface of the first electrically conductive film above the connection partner located below by means of a Laser beam with the formation of a welded connection between the first conductive film and this connection partner, this being locally melted to a depth of a maximum of 90% of its thickness.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn ein Abstand zwischen der ersten Hauptfläche der ersten elektrisch leitenden Folie und dem Verbindungspartner beim Verfahrensschritt c) zwischen 5µm und 300µm, bevorzugt zwischen 10µm und 150µm und besonders bevorzugt zwischen 15µm und 75µm beträgt.It is advantageous here if a distance between the first main surface of the first electrically conductive film and the connection partner in process step c) is between 5 μm and 300 μm, preferably between 10 μm and 150 μm and particularly preferably between 15 μm and 75 μm.

Es kann auch bevorzugt sein, wenn unmittelbar vor und während des Verfahrensschritts c) die elektrisch leitende Folie, vorzugsweise direkt im Umfeld des zugänglichen Bereichs der zweiten Hauptfläche, gegenüber diesem mittels einer Halteeinrichtung fixiert wird.It can also be preferred if immediately before and during method step c) the electrically conductive film, preferably directly in the vicinity of the accessible area of the second main surface, is fixed in relation to the latter by means of a holding device.

Es kann weiterhin bevorzugt sein, wenn die elektrisch isolierende Folie im Bereich der Laserschweißverbindung eine erste Ausnehmung mit einer Mindestbreite von mindestens 3mm aufweist und während des Verfahrensschritts c) die Laserbeaufschlagung mäanderförmig erfolgt.It can furthermore be preferred if the electrically insulating film has a first recess with a minimum width of at least 3 mm in the area of the laser welded connection and the laser is applied in a meandering manner during method step c).

Andererseits kann es bevorzugt sein, wenn die elektrisch isolierende Folie im Bereich der Laserschweißverbindung eine erste Ausnehmung mit einer Mindestbreite zwischen 200µm und 800µm aufweist und während des Verfahrensschritts c) die Laserbeaufschlagung punktförmig oder quasipunktförmig erfolgt. Unter einer Mindestbreite soll hier und im Folgenden verstanden werden, dass die laterale, also die seitliche, Ausdehnung nicht die Tiefenausdehnung einer Ausnehmung in jeglicher Richtung diesen Mindestwert nicht unterschreitet. Bei einer kreisrunden Ausnehmung entspricht der Durchmesser diesem Mindestwert, bei einer elliptischen Ausnehmung entspricht die Nebenachse diesem Mindestwert, bei einer rechteckigen Ausnehmung entspricht die kürzere Seite diesem Mindestwert.On the other hand, it can be preferred if the electrically insulating film in the area of the laser welded connection has a first recess with a minimum width between 200 μm and 800 μm and the laser application is point-shaped or quasi-point-shaped during method step c). Here and in the following, a minimum width is to be understood as meaning that the lateral, that is to say the lateral, extension does not fall below the depth extension of a recess in any direction this minimum value. In the case of a circular recess, the diameter corresponds to this minimum value; in the case of an elliptical recess, the minor axis corresponds to this minimum value; in the case of a rectangular recess, the shorter side corresponds to this minimum value.

Es können innerhalb einer Schalteinrichtung natürlich verschiedene Ausgestaltungen der ersten Ausnehmung gleichzeitig vorhanden sein.Different configurations of the first recess can of course be present at the same time within a switching device.

Das erfindungsgemäße Verfahren und somit auch die entsprechend damit hergestellten Schalteinrichtungen weisen gegenüber dem Stand der Technik verschiedene Vorteile auf. Durch das Schweißverfahren sind keine Verbindungsmittel, wie Lote oder Sinterpasten notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Leistungshalbleiterbauelemente vor Partikeln, die beim Schweißen auftreten können, durch den Folienverbund flächig, und damit schützend, überdeckt.The method according to the invention and thus also the switching devices produced accordingly have various advantages over the prior art. The welding process means that no connecting materials such as solders or sintering pastes are required. In the method according to the invention, the power semiconductor components are covered over a large area by the film composite, and thus protectively, from particles that can occur during welding.

Das explizit eingesetzte Laserschweißverfahren weist gegenüber anderen Schweißverfahren die entscheidenden Vorteile auf, dass einerseits das Substrat mechanisch nicht belastet wird und dass andererseits die beiden Verbindungspartner der Schweißverbindung nicht zwangsläufig während der Schweißverbindung einen mechanischen Kontakt aufweisen müssen, sondern zumindest geringfügig voneinander beabstandet sein können. Auch können mit diesem Verfahren vergleichsweise dünne Verbindungspartner flächig verbunden werden, ohne diese oder darunter liegende Schichten zu beschädigen.The explicitly used laser welding process has the decisive advantages over other welding processes that, on the one hand, the substrate is not mechanically stressed and, on the other hand, the two connection partners of the welded connection do not necessarily have to be in mechanical contact during the welded connection, but can be at least slightly spaced from one another. With this method, comparatively thin connection partners can also be connected over a large area without damaging them or the layers underneath.

Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Leistungshalbleiterbauelemente, die erste und zweite Leiterbahn, wie auch die jeweiligen Kontaktflächen, auch mehrfach in der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung hiermit vorhanden sein.Of course, unless this is per se or explicitly excluded, the features mentioned in the singular, in particular the power semiconductor components, the first and second conductor tracks, as well as the respective contact surfaces, can also be present several times in the switching device according to the invention.

Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, gleichgültig ob sie im Rahmen der Schalteinrichtung oder dem Verfahren zur Herstellung der Schalteinrichtung beschrieben sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various embodiments of the invention can be implemented individually or in any combination in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned and explained above and below, regardless of whether they are described in the context of the switching device or the method for producing the switching device, can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or alone, without the scope of to leave the present invention.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

  • 1 zeigt eine Anordnung mit einer leistungselektronischen Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik in seitlicher Schnittansicht.
  • 2 und 3 zeigen zwei Ausgestaltungen einer ersten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung.
  • 4 und 5 zeigen eine zweite erfindungsgemäße leistungselektronische Schalteinrichtung.
  • 6 zeigt einen Ausschnitt einer Ausgestaltung einer ersten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung.
  • 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung.
Further explanations of the invention, advantageous details and features emerge from the following description of the FIGS 1 until 7th schematically illustrated embodiments of the invention, or of respective parts thereof.
  • 1 shows an arrangement with a power electronic switching device according to the prior art in a side sectional view.
  • 2 and 3 show two embodiments of a first power electronic switching device according to the invention.
  • 4th and 5 show a second power electronic switching device according to the invention.
  • 6th shows a section of an embodiment of a first power electronic switching device according to the invention.
  • 7th shows a plan view of a section of a second power electronic switching device according to the invention.

1 zeigt in schematischer Explosionsdarstellung eine erste Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1 nach dem Stand der Technik zur Anordnung auf eine Kühleinrichtung, hier einer Flüssigkeitskühleinrichtung 14. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22,24, die unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22,24 mit Lastpotentialen, wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind. 1 shows a schematic exploded view of a first embodiment of a power electronic switching device 1 according to the prior art for arrangement on a cooling device, here a liquid cooling device 14th . A substrate which is basically customary in the art is shown 2 with an insulating body 20th and conductor tracks that are electrically insulated from one another and arranged thereon 22nd , 24 which have different potentials, in particular load potentials, but also auxiliary, in particular switching and measuring potentials, of the switching device. Specifically shown here are three conductor tracks 22nd , 24 with load potentials, as they are typical for a half-bridge topology.

Auf einer ersten Leiterbahn 22 ist ein Leistungshalbleiterbauelement 5 angeordnet, das fachüblich als Einzelschalter, beispielhaft als MOS-FET, oder als IGBT mit antiparallel geschalteter Leistungsdiode, die hier dargestellt ist, ausgebildet sein kann. Die Leistungshalbleiterbauelemente 5, genauer deren erste Kontaktfläche der ersten Metallisierung sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Drucksinterverbindung 4, stoffschlüssig mit den ersten Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.On a first track 22nd is a power semiconductor component 5 arranged, which is customary in the art as a single switch, for example as a MOS-FET, or as an IGBT with an anti-parallel connected power diode, which is shown here. The power semiconductor components 5 , more precisely their first contact surface of the first metallization are customary in the art, preferably by means of a pressure sintering connection 4th , cohesively with the first conductor tracks 22nd electrically connected.

Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 1 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem Folienverbund, der alternierend elektrisch leitende Folien 30, 34 und elektrisch isolierende Folien 32 aufweist. Hier weist der Folienverbund genau zwei leitende und eine dazwischen angeordnete isolierende Folie auf. Insbesondere die leitenden Folien 30, 34 der Verbindungseinrichtung 3 sind in sich strukturiert und bilden somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus. Diese Leiterbahnabschnitte verbinden insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 5, genauer dessen zweite Kontaktfläche auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit einer zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2. Hier sind die Leiterbahnabschnitte mit den Kontaktflächen des Substrats 2 mittels einer Drucksinterverbindung 4 stoffschlüssig verbunden.The internal connections of the switchgear 1 are formed by means of a connecting device 3 from a film composite, the alternating electrically conductive films 30th , 34 and electrically insulating foils 32 having. Here the film composite has exactly two conductive films and one insulating film arranged between them. In particular the conductive foils 30th , 34 the connecting device 3 are structured in themselves and thus form conductor track sections that are electrically isolated from one another. These conductor track sections connect in particular the respective power semiconductor component 5 , more precisely its second contact surface on that of the substrate 2 remote side, with a second conductor track 24 of the substrate 2 . Here are the conductor track sections with the contact areas of the substrate 2 by means of a pressure sinter connection 4th firmly connected.

Zur externen elektrischen Anbindung weist die leistungselektronische Schalteinrichtung 1 Last- und Hilfsanschlusselemente auf, wobei hier nur die Lastanschlusselemente dargestellt sind. Diese Lastanschlusselemente sind rein beispielhaft als Metallformkörper 10 ausgebildet, die mit einem Kontaktfuß mit einer zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 stoffschlüssig, vorteilhafterweise ebenfalls mittels einer Drucksinterverbindung, verbunden sind. Ebenso fachüblich können diese Lastanschlusselemente als Kontaktfeder 12 ausgebildet sein. Grundsätzlich können auch Teile der Verbindungseinrichtung 3 selbst als Last- oder Hilfsanschlusselemente ausgebildet sein. Die nicht dargestellten Hilfsanschlusselemente, wie Gate- oder Sensoranschlüsse, sind ebenfalls fachüblich ausgebildet.The power electronic switching device 1 Load and auxiliary connection elements, only the load connection elements are shown here. These load connection elements are purely by way of example as shaped metal bodies 10 formed with a contact foot with a second conductor track 24 of the substrate 2 are cohesively connected, advantageously also by means of a pressure sintered connection. These load connection elements can also be used as contact springs 12th be trained. In principle, parts of the connecting device 3 even be designed as load or auxiliary connection elements. The auxiliary connection elements (not shown), such as gate or sensor connections, are also conventional in the art.

Die Druckeinrichtung 7 weist eine erste dem Substrat 2 zugewandte und eine zweite dem Substrat 2 abgewandte Hauptfläche auf und ist hier der Übersicht halber beabstandet von der Verbindungseinrichtung 3 dargestellt. Die Druckeinrichtung 7 besteht aus einem Druckkörper 72 und einer Mehrzahl, dargestellt sind zwei, von Druckelementen. Der Druckkörper 72 ist besonders starr ausgebildet, um auf ihn eingeleiteten Druck homogen auf die Druckelemente weitergeben zu können. Die Druckelemente sind in Ausnehmung des Druckkörpers, die als Vertiefung ausgehend von einer ersten Hauptfläche ausgebildet sind, angeordnet.The printing facility 7th has a first the substrate 2 facing and a second to the substrate 2 facing away main surface and is here for the sake of clarity spaced from the connecting device 3 shown. The printing facility 7th consists of a pressure hull 72 and a plurality, illustrated two, of printing elements. The pressure hull 72 is designed to be particularly rigid in order to be able to pass on the pressure applied to it homogeneously to the pressure elements. The pressure elements are arranged in recesses in the pressure body, which are designed as a recess starting from a first main surface.

Die Anordnung weist weiterhin die Flüssigkeitskühleinrichtung 14 auf, deren Oberfläche mit einer wärmeleitenden Schicht 140 bedeckt ist, auf der die leistungselektronische Schalteinrichtung 1, genauer deren Substrat 2, angeordnet ist.The arrangement also has the liquid cooling device 14th on, the surface of which is covered with a thermally conductive layer 140 is covered on which the power electronic switching device 1 , more precisely their substrate 2 , is arranged.

Alternativ kann der Isolierstoffkörper 20 des Substrats 2 als eine elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein, die unmittelbar auf den Kühlkörper 14 laminiert ist. Auch in diesem Fall können die Leiterbahnen 22,24 als flächige Leitungselemente aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein.Alternatively, the insulating body 20th of the substrate 2 be designed as an electrically insulating film that is directly on the heat sink 14th is laminated. In this case, too, the conductor tracks 22nd , 24 be designed as flat line elements made of copper or aluminum.

Die Anordnung weist weiterhin eine Druckeinleiteinrichtung auf, die oberhalb der Verbindungseinrichtung angeordnet ist. Mittels dieser Druckeinleiteinrichtung, die sich, nicht dargestellt, gegen den Kühlkörper abstützt, wird Druck 70 auf den Druckkörper 72 eingeleitet. Dieser Druck wird jeweils als Teildruck 74 mittels der Druckelemente unmittelbar auf den Folienverbund 3 übertragen. Der eingeleitete Druck drückt das gesamte Substrat 2 auf den Kühlkörper 14.The arrangement also has a pressure introduction device which is arranged above the connecting device. Pressure is generated by means of this pressure introduction device, which, not shown, is supported against the heat sink 70 on the pressure hull 72 initiated. This pressure is in each case as a partial pressure 74 by means of the pressure elements directly on the film composite 3 transfer. The pressure applied pushes the entire substrate 2 on the heat sink 14th .

Die erfindungsgemäßen Schalteinrichtungen der folgenden Figuren können selbstverständlich dort explizit nicht beschriebene Komponenten der oben beschriebenen Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik zusätzlich aufweisen. The switching devices according to the invention of the following figures can of course additionally have components of the switching device according to the prior art described above that are not explicitly described there.

Auch sind diese erfindungsgemäßen, und nur in relevanten Ausschnitten dargestellten, Schalteinrichtungen geeignet und ausgebildet im Rahmen einer Anordnung auf einem Kühlkörper, insbesondere einem Flüssigkeitskühlkörper, angeordnet zu werden.These switching devices according to the invention and shown only in relevant excerpts are also suitable and designed to be arranged as part of an arrangement on a heat sink, in particular a liquid heat sink.

2 und 3 zeigen zwei Ausgestaltungen einer ersten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Dargestellt ist ein oben bereits beschriebenes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten Leiterbahnen 22,24. Dieses Substrat 2 weist eine Normalenrichtung N auf. Die Leiterbahnen des Substrats 2 sind hier aus Kupfer ausgebildet und weisen eine erste Dicke 902, vgl. 6, von 300µm auf. Auf einer ersten Leiterbahn 22 ist ein Leistungshalbleiterbauelement 5, oben beschriebener Ausgestaltung, mittels einer stoffschlüssigen und elektrisch leitenden Verbindung, hier einer Sinterverbindung 4, angeordnet. Dieses Leistungshalbleiterbauelement 5 weist hierzu eine erste Kontaktfläche 50 mit einer ersten Metallisierung 500, angeordnet auf einer ersten, dem Substrat 2 zugewandten, Hauptseite auf. 2 and 3 show two embodiments of a first power electronic switching device according to the invention 1 . A substrate already described above is shown 2 with an insulating body 20th and conductor tracks arranged thereon 22nd , 24 . This substrate 2 has a normal direction N. The conductor tracks of the substrate 2 are here made of copper and have a first thickness 902 , see. 6th , from 300 µm to. On a first conductor track 22nd is a power semiconductor component 5 , embodiment described above, by means of an integral and electrically conductive connection, here a sintered connection 4th , arranged. This power semiconductor component 5 has a first contact surface for this purpose 50 with a first metallization 500 , arranged on a first, the substrate 2 facing, main page on.

Weiterhin dargestellt ist der Folienverbund 3 in der oben beschriebenen Ausgestaltung mit drei Folien, einer ersten elektrisch leitenden Folie 30, einer elektrisch isolierenden Folie 32 und einer weiteren, hier zweiten, elektrisch leitenden Folie 34. Die erste elektrisch leitende Folie 30 weist eine dritte Dicke 900, vgl. 6, von 100µm auf und ist diejenige, die dem Substrat 2 zugewandt ist. Eine erste Kontaktfläche der ersten Hauptseite 300 dieser ersten elektrisch leitenden Folie 30 des Folienverbunds 3 ist mit einer zweiten Kontaktfläche 520 des Leistungshalbleiterbauelements elektrisch leitend verbunden.The film composite is also shown 3 in the embodiment described above with three foils, a first electrically conductive foil 30th , an electrically insulating film 32 and another, here second, electrically conductive film 34 . The first electrically conductive film 30th has a third thickness 900 , see. 6th , of 100µm and is the one that corresponds to the substrate 2 is facing. A first contact area of the first main page 300 this first electrically conductive film 30th of the film composite 3 is with a second contact area 520 of the power semiconductor component connected in an electrically conductive manner.

Eine zweite Kontaktfläche der ersten Hauptseite 300 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 des Folienverbunds 3 ist mit einer Kontaktfläche einer zweiten Leiterbahn 24 mittels einer Laserschweißverbindung 60 elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist die elektrisch isolierende Folie 30 in 2 eine erste Ausnehmung 310 mit einer Mindestbreite 930, vgl. 6, von mehr als 3mm auf, damit die zweite Hauptfläche 302 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 für den Laserstrahl 8 zur Ausbildung der Laserschweißverbindung 60 zugänglich wird. Die zweite elektrisch leitende Folie 34 weist hier eine zweite, mit der ersten fluchtende, Ausnehmung auf, die allseitig gegenüber der ersten Ausnehmung 310 zurückversetzt ausgebildet ist, damit auch die zweite elektrische leitende Folie 34 die Zugänglichkeit für den Laserstrahl 8 nicht einschränkt.A second contact area of the first main page 300 the first electrically conductive film 30th of the film composite 3 is with a contact surface of a second conductor track 24 by means of a laser welded connection 60 electrically connected. To this end, the electrically insulating film 30th in 2 a first recess 310 with a minimum width 930 , see. 6th , by more than 3mm, thus the second major surface 302 the first electrically conductive film 30th for the laser beam 8th for forming the laser welded connection 60 becomes accessible. The second electrically conductive film 34 here has a second recess which is in alignment with the first and which is opposite the first recess on all sides 310 is formed set back, so that the second electrically conductive film 34 the accessibility for the laser beam 8th not restrict.

Zwischen der zweiten Leiterbahn 24 und der ersten elektrisch leitenden Folie 30 sind zwei Abschnitte der Laserschweißverbindung 60 dargestellt. Die Laserbeaufschlagung auf die zweite Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 erfolgte hierbei im Dauerbetrieb des Lasers, der hierzu mäanderförmig über die Oberfläche 302, vgl. grundsätzlich 7, geführt wurde.Between the second conductor track 24 and the first electrically conductive film 30th are two sections of the laser welded joint 60 shown. The laser impingement on the second surface 302 the first electrically conductive film 30th took place here in continuous operation of the laser, which for this purpose meanders over the surface 302 , see in principle 7th , was performed.

3 zeigt eine, im Grunde gleiche, Ausgestaltung einer ersten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung 1, wie 2. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich allerdings von derjenigen gemäß 2 durch die Ausbildung des Folienverbunds 3 im Verbindungsbereich zur zweiten Leiterbahn 24 und durch die konkrete Ausgestaltung der Laserschweißverbindung 60 als solcher. 3 shows an embodiment of a first power electronic switching device according to the invention, which is basically the same 1 , how 2 . However, this configuration differs from that according to 2 through the formation of the film composite 3 in the connection area to the second conductor track 24 and through the specific design of the laser welded connection 60 as such.

Die elektrisch isolierende Folie 32 weist hier eine Vielzahl von ersten, hier rund ausgebildeten Ausnehmungen 310 auf, deren Mindestbreite 930, in diesem Fall also der Durchmesser, hier bei ca. 500µm liegt. Diese Dimensionierung ist hervorragend geeignet um mit einem Laserstrahl 8 durch diese Ausnehmungen 310 hindurch die zweite Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 mit dem Laserstrahl zu beaufschlagen. Diese Beaufschlagung erfolgt hier punktförmig, also ohne den Strahl in der x-y-Ebene zu bewegen, oder quasi punktförmig, also nur mit minimaler, durch die Geometrie der ersten Ausnehmung 310 vorgegebener, Bewegung des Laserstrahls 8 in der x-y- Ebene. Von der zweiten elektrisch leitenden Folie 34 ist bei dieser Ausgestaltung kein Abschnitt in diesem Bereich der Verbindung angeordnet.The electrically insulating film 32 here has a large number of first, here round recesses 310 on, their minimum width 930 , in this case the diameter, here is approx. 500 µm. This dimensioning is ideally suited to using a laser beam 8th through these recesses 310 through the second surface 302 the first electrically conductive film 30th to apply the laser beam. This loading takes place here point-like, that is to say without moving the beam in the xy plane, or quasi point-like, that is to say only with a minimal amount, due to the geometry of the first recess 310 predetermined, movement of the laser beam 8th in the xy plane. From the second electrically conductive film 34 In this embodiment, no section is arranged in this area of the connection.

4 und 5 zeigen eine zweite erfindungsgemäße leistungselektronische Schalteinrichtung 1 und ein zugehöriges Leistungshalbleiterbauelement 5 im Detail. 4th and 5 show a second power electronic switching device according to the invention 1 and an associated power semiconductor component 5 in detail.

4 zeigt hierbei das Leistungshalbleiterbauelement 5 einer Schalteinrichtung 1, hier ausgebildet als ein Leistungstransistor mit einer ersten Kontaktfläche 500 auf seiner dem Substrat, vgl. 5, zugewandten ersten Metallisierung 50. Diese erste Kontaktfläche 500 bildet hier den Kollektoranschluss aus. Auf der zweiten Hauptseite des Leistungshalbleiterbauelements 5 sind die zweite Kontaktfläche 520 mit einer zweiten Kontaktfläche 520, die hier den Emitteranschluss, und eine weitere zentrale Kontaktfläche, die den Gateanschluss ausbildet angeordnet. 4th shows the power semiconductor component 5 a switching device 1 , designed here as a power transistor with a first contact surface 500 on its the substrate, cf. 5 , facing first metallization 50 . This first contact surface 500 forms the collector connection here. On the second main page of the power semiconductor component 5 are the second contact area 520 with a second contact surface 520 , which are arranged here the emitter connection, and a further central contact area which forms the gate connection.

Insbesondere die zweite Kontaktfläche 520 ist hier mehrteilig ausgebildet. Sie weist einerseits eine erste, dünne Teilmetallisierung, 522, ausgebildet als fachübliche Anschlussmetallisierung des Leistungshalbleiterbauelements 5 auf, die eine Dicke von einigen Mikrometern aufweist. Auf dieser Anschlussmetallisierung 522 und stoffschlüssig damit verbunden ist eine zweite, dicke Teilmetallisierung 524, also diejenige, die beim Laserschweißvorgang letztendlich einen der Verbindungspartner ausbildet, angeordnet. Diese zweite, dicke Teilmetallisierung 524 kann beispielhaft ausgebildet sein als ein Kupferplättchen, das auf die Anschlussmetallisierung 522 aufgesintert ist. Entscheidend ist, dass die Dicke der zweiten Metallisierung 52, bevorzugt sogar die Dicke der zweiten, dicken Teilmetallisierung 524, die gleiche Dicke oder bevorzugt eine größere Dicke aufweist als die erste elektrisch leitende Folie 30.In particular the second contact area 520 is designed in several parts here. On the one hand, it has a first, thin partial metallization, 522, designed as a conventional connection metallization of the power semiconductor component 5 which has a thickness of a few micrometers. On this connection metallization 522 and a second, thick partial metallization is firmly connected to it 524 , that is, the one that ultimately forms one of the connection partners during the laser welding process. This second, thick partial metallization 524 can be designed, for example, as a copper plate that is applied to the connection metallization 522 is sintered on. What is crucial is the thickness of the second metallization 52 , preferably even the thickness of the second, thick partial metallization 524 , has the same thickness or preferably a greater thickness than the first electrically conductive film 30th .

5 zeigt im Grund ein Substrat 2 mit einem hierauf angeordneten und elektrisch mit der ersten Leiterbahn 22 verbundenen Leistungshalbleiterbauelement 5 und einen Folienverbund 3, analog zu 3. Das Leistungshalbleiterbauelement 5 ist hier ausgebildet als eine Leistungsdiode, mit einer ersten und einer zweiten Metallisierung 50,52, die jeweils gleichartig derjenigen gemäß 4 ausgebildet sind. 5 basically shows a substrate 2 with one arranged thereon and electrically with the first conductor track 22nd connected power semiconductor component 5 and a film composite 3 , analogous to 3 . The power semiconductor component 5 is designed here as a power diode, with a first and a second metallization 50 , 52 , each of which is similar to that according to 4th are trained.

Die zweite Metallisierung 52 bildet hier den Verbindungspartner der Verbindung zwischen der ersten elektrisch leitenden Folie 30 des Folienverbunds 3 und des Leistungshalbleiterbauelements 5 aus.The second metallization 52 here forms the connection partner of the connection between the first electrically conductive film 30th of the film composite 3 and the power semiconductor component 5 out.

Die elektrisch isolierende Folie 32 des Folienverbunds 3 weist hier wiederum eine erste Ausnehmung 310 auf, die hier quadratisch mit einer Kantenlänge von 8mm ausgebildet ist und somit eine Mindestbreite von mehr als 3mm aufweist. Die zweite elektrisch leitende Folie 34 weist eine weitere Ausnehmung auf, die derart ausgebildet ist, dass sie die erste Ausnehmung 310 an keiner Stelle überdeckt. Dargestellt sind hier zwei Varianten einer derartigen Ausgestaltung, nämlich links dargestellt eine zweite Ausnehmung, die gegenüber der ersten Ausnehmung 310 zurückversetzt ist und rechts dargestellt, eine zweite Ausnehmung, die identisch der ersten Ausnehmung 310 ausgebildet ist.The electrically insulating film 32 of the film composite 3 here again has a first recess 310 on, which here is square with an edge length of 8mm and thus has a minimum width of more than 3mm. The second electrically conductive film 34 has a further recess which is designed in such a way that it is the first recess 310 not covered at any point. Two variants of such an embodiment are shown here, namely a second recess shown on the left, the opposite of the first recess 310 is set back and shown on the right, a second recess, which is identical to the first recess 310 is trained.

Zur Verbindung zwischen der zweiten Kontaktfläche 520 und der ersten elektrisch leitenden Folie 30 ist ein Abschnitt der Laserschweißverbindung 60 dargestellt. Die Laserbeaufschlagung auf die zweite Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 erfolgte hierbei im Dauerbetrieb des Lasers der hierzu mäanderförmig über die Oberfläche, vgl. 7, geführt wurde.For connection between the second contact surface 520 and the first electrically conductive film 30th is a section of the laser welded joint 60 shown. The laser impingement on the second surface 302 the first electrically conductive film 30th took place here in continuous operation of the laser the meandering over the surface, cf. 7th , was performed.

6 zeigt einen Ausschnitt einer Ausgestaltung einer ersten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Dargestellt ist eine zweite Leiterbahn 24 eines Substrats mit einer ersten Dicke 902 und ein Oberfläche 240. Weiterhin dargestellt ist ein Folienverbund 3 aus einer ersten elektrisch leitenden Folie 30, einer elektrisch isolierenden Folie 32 und einer weiteren, zweiten elektrisch leitenden Folie 34. Die erste elektrisch leitende Folie 30 weist eine dritte Dicke 900 auf. Die elektrisch isolierende Folie 32 weist weiterhin im Bereich der Laserschweißverbindung eine erste Ausnehmung 310 auf, die eine Mindestbreite 930 aufweist. Im Randbereich der ersten Ausnehmung 310 ist eine metallische Kontaktverbindung 340 zwischen der ersten elektrisch leitenden Folie 30 und der zweiten elektrisch leitenden Folie 34 angeordnet. Somit werden im Randbereich der ersten Ausnehmung 310 die beiden elektrisch leitenden Folien 30,34 miteinander elektrisch leitend verbunden. Somit ist diese Verbindung, die fachüblich mittels Durchkontaktierungen durch die elektrisch isolierende Folie 32 ausgebildet ist, in unmittelbarer Nähe zur Laserschweißverbindung 60, also zur Verbindung zwischen dem Folienstapel mit der zweiten Leiterbahn, angeordnet. 6th shows a section of an embodiment of a first power electronic switching device according to the invention 1 . A second conductor track is shown 24 a substrate having a first thickness 902 and a surface 240 . A film composite is also shown 3 from a first electrically conductive film 30th , an electrically insulating film 32 and a further, second electrically conductive film 34 . The first electrically conductive film 30th has a third thickness 900 on. The electrically insulating film 32 furthermore has a first recess in the area of the laser welded connection 310 on that have a minimum width 930 having. In the edge area of the first recess 310 is a metallic contact connection 340 between the first electrically conductive film 30th and the second electrically conductive film 34 arranged. Thus, in the edge area of the first recess 310 the two electrically conductive foils 30, 34 are connected to one another in an electrically conductive manner. Thus, this connection is the one that is customary in the art by means of plated-through holes through the electrically insulating film 32 is formed in close proximity to the laser welded connection 60 , so for the connection between the film stack with the second conductor track, arranged.

Die Laserschweißverbindung 60 selbst ist ebenfalls schematisch dargestellt, wobei die zweite Leiterbahn 24 hier bis zu einer Tiefe 920, die ca. 60% der ersten Dicke entspricht, lokal aufgeschmolzen wurde. Zur Ausbildung der eigentlichen Laserschweißverbindung 60, also auch direkt während der Einwirkung des Laserstrahls im Verfahrensschritt c) weist die erste Hauptfläche 300 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 von einer zugewandten Oberfläche 240 der zweiten Leiterbahn 24 einen Abstand 910 von ca. 30µm auf.The laser welded connection 60 itself is also shown schematically, with the second conductor track 24 here to a depth 920 , which corresponds to approx. 60% of the first thickness, was melted locally. To form the actual laser welded connection 60 , that is to say also directly during the action of the laser beam in method step c), the first main surface has 300 the first electrically conductive film 30th from a facing surface 240 the second track 24 a distance 910 of approx. 30 µm.

7 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung. Dargestellt ist hiervon ein Leistungshalbleiterbauelement 5, hier wiederum ein Leistungstransistor, mit vier zweiten Kontaktflächen 520 mit zweiten Kontaktflächen, die hier wiederum den Emitteranschluss ausbilden. 7th shows a plan view of a section of a second power electronic switching device according to the invention. A power semiconductor component is shown here 5 , here again a power transistor, with four second contact surfaces 520 with second contact surfaces, which in turn form the emitter connection here.

Weiterhin dargestellt ist ein Folienverbund aus einer ersten elektrisch leitenden Folie 30 und einer elektrisch isolierenden Folie 32. Diese weist vier erste Ausnehmungen 310 auf, durch die die zweite Hauptfläche 302 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 für den Laserstrahl einer Laserschweißeinrichtung zugänglich ist. Die jeweiligen ersten Ausnehmungen 310 weisen eine Mindestbreite 930 von mindestens 3mm auf. In einer der vier Ausnehmungen ist die Einwirkung des während des Verfahrensschritts c) der Laserbeaufschlagung dargestellt, die zu einer mäanderförmigen Schweißverbindung 60 geführt hat. Weiterhin dargestellt ist ein Gateanschlussleitung 342 als Teil des Folienverbunds.A film composite made of a first electrically conductive film is also shown 30th and an electrically insulating film 32 . This has four first recesses 310 on, through which the second major surface 302 the first electrically conductive film 30th is accessible for the laser beam of a laser welding device. The respective first recesses 310 have a minimum width 930 of at least 3mm. In one of the four recesses, the action of the laser exposure during method step c) is shown, which results in a meander-shaped welded connection 60 has led. A gate connection line is also shown 342 as part of the film composite.

Claims (15)

Leistungselektronische Schalteinrichtung (1) mit einem Substrat (2), mit einer Verbindungseinrichtung (3) und mit einem Leistungshalbleiterbauelement (5), wobei das Substrat (2) eine Normalenrichtung (N) und gegeneinander elektrisch isoliert eine erste und eine zweite Leiterbahn (22, 24) aufweist und auf einer ersten Leiterbahn (22) das Leistungshalbleiterbauelement (5) mit seiner ersten Kontaktfläche (500) seiner ersten Metallisierung (50) angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie (30) und einer elektrisch isolierenden Folie (32) ausgebildet ist und die erste elektrisch leitende Folie eine erste, dem Substrat (2) zugewandte Hauptfläche (300) aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine zweite Kontaktfläche (520) einer zweiten Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der Verbindungseinrichtung (3) elektrisch leitend verbunden ist und eine Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn (24), die somit einen Verbindungspartner ausbildet, mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) der Verbindungseinrichtung (3) mittels einer Laserschweißverbindung (60) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrisch isolierende Folie (32) im Bereich der Laserschweißverbindung (60) eine erste Ausnehmung (310) mit einer Mindestbreite (930) aufweist und somit eine zweite Hauptfläche (302) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) aus negativer Normalenrichtung (N) betrachtet im Bereich dieser Ausnehmung (310) für einen Laserstrahl (8) frei zugänglich ist und wobei die zweite Leiterbahn eine erste Dicke (902), die zweite Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) eine zweite Dicke und die erste elektrisch leitende Folie eine dritte Dicke (900) aufweisen.Power electronic switching device (1) with a substrate (2), with a connection device (3) and with a power semiconductor component (5), wherein the substrate (2) has a normal direction (N) and a first and a second conductor track (22, electrically insulated from one another) 24) and on a first conductor track (22) the power semiconductor component (5) is arranged with its first contact surface (500) of its first metallization (50) and is connected to it in an electrically conductive manner, the connecting device (3) being a film composite with a first electrically conductive one Foil (30) and an electrically insulating foil (32) is formed and the first electrically conductive foil has a first main surface (300) facing the substrate (2), the switching device being connected internally by means of the connecting device (3) in accordance with the circuitry a second contact surface (520) of a second metallization (52) of the power semiconductor component (5) a first contact surface of the first main surface (300) of the connecting device (3) is electrically conductively connected and a contact surface of the second conductor track (24), which thus forms a connection partner, is connected to a second contact surface of the first main surface (300) of the first electrically conductive film ( 30) the Connecting device (3) is connected in an electrically conductive manner by means of a laser welded connection (60), the electrically insulating film (32) having a first recess (310) with a minimum width (930) and thus a second main surface (302) in the area of the laser welded connection (60) ) the first electrically conductive film (30) viewed from the negative normal direction (N) is freely accessible to a laser beam (8) in the area of this recess (310) and wherein the second conductor track has a first thickness (902), the second metallization (52) of the power semiconductor component (5) have a second thickness and the first electrically conductive film has a third thickness (900). Leistungselektronische Schalteinrichtung (1) mit einem Substrat (2), mit einer Verbindungseinrichtung (3) und mit einem Leistungshalbleiterbauelement (5), wobei das Substrat (2) eine Normalenrichtung (N) und gegeneinander elektrisch isoliert eine erste und eine zweite Leiterbahn (22, 24) aufweist und auf einer ersten Leiterbahn (22) das Leistungshalbleiterbauelement (5) mit seiner ersten Kontaktfläche (500) seiner ersten Metallisierung (50) angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienverbund mit einer ersten elektrisch leitenden Folie (30) und einer elektrisch isolierenden Folie (32) ausgebildet ist und die erste elektrisch leitende Folie eine erste, dem Substrat (2) zugewandte Hauptfläche (300) aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist und hierbei eine zweite Kontaktfläche (520) einer zweiten Metallisierung (52), die somit einen Verbindungspartner ausbildet, des Leistungshalbleiterbauelements (5) mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der Verbindungseinrichtung (3) mittels einer Laserschweißverbindung (60) elektrisch leitend verbunden ist und eine Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn (24) mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) der Verbindungseinrichtung (3) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrisch isolierende Folie (32) im Bereich der Laserschweißverbindung (60) eine erste Ausnehmung (310) mit einer Mindestbreite (930) aufweist und somit eine zweite Hauptfläche (302) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) aus negativer Normalenrichtung (N) betrachtet im Bereich dieser Ausnehmung (310) für einen Laserstrahl (8) frei zugänglich ist und wobei die zweite Leiterbahn eine erste Dicke (902), die zweite Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) eine zweite Dicke und die erste elektrisch leitende Folie eine dritte Dicke (900) aufweisen.Power electronic switching device (1) with a substrate (2), with a connection device (3) and with a power semiconductor component (5), wherein the substrate (2) has a normal direction (N) and a first and a second conductor track (22, electrically insulated from one another) 24) and the power semiconductor component (5) is arranged with its first contact surface (500) of its first metallization (50) on a first conductor track (22) and is connected to it in an electrically conductive manner, wherein the connecting device (3) is designed as a film composite with a first electrically conductive film (30) and an electrically insulating film (32) and the first electrically conductive film has a first main surface (300) facing the substrate (2), the Switching device is connected internally by means of the connecting device (3) in a circuit-compatible manner and here a second contact surface (520) of a second metallization (52), which thus forms a connection partner, of the power semiconductor component (5) with a first contact surface of the first main surface (300) of the connecting device ( 3) is connected in an electrically conductive manner by means of a laser welded connection (60) and a contact surface of the second conductor track (24) is electrically conductively connected to a second contact surface of the first main surface (300) of the first electrically conductive film (30) of the connecting device (3), the electrically insulating film (32) in the area of the laser welded connection (60 ) has a first recess (310) with a minimum width (930) and thus a second main surface (302) of the first electrically conductive film (30) viewed from the negative normal direction (N) in the area of this recess (310) for a laser beam (8) is freely accessible and wherein the second conductor track has a first thickness (902), the second metallization (52) of the power semiconductor component (5) has a second thickness and the first electrically conductive film has a third thickness (900). Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Normalenrichtung (N) der Folienverbund (3) eine weitere elektrisch leitende Folie (34) oder eine Mehrzahl von Folien aufweist, die abwechselnd elektrisch leitend und elektrisch isolierend ausgebildet sind.Switching device according to Claim 1 or 2 wherein, in the normal direction (N), the film composite (3) has a further electrically conductive film (34) or a plurality of films which are alternately designed to be electrically conductive and electrically insulating. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, wobei die eine weitere elektrisch leitende Folie (34) oder die Mehrzahl von Folien in Normalenrichtung (N) mit der ersten Ausnehmung (310) weitere fluchtende Ausnehmungen aufweisen.Switching device according to Claim 3 wherein the one further electrically conductive film (34) or the plurality of films in the normal direction (N) have further recesses aligned with the first recess (310). Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mindestbreite (930) mindestens 3mm beträgt oder im Bereich zwischen 200µm und 800µm liegt.Switching device according to one of the preceding claims, the minimum width (930) being at least 3 mm or in the range between 200 µm and 800 µm. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Randbereich der ersten Ausnehmung (310) eine metallische Kontaktverbindung (340) zwischen der ersten elektrisch leitenden Folie (30) und einer weiteren elektrisch leitenden Folie (34) angeordnet ist.Switching device according to one of the preceding claims, wherein a metallic contact connection (340) is arranged between the first electrically conductive film (30) and a further electrically conductive film (34) in the edge region of the first recess (310). Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Metallisierung (52) ausgebildet ist aus einer ersten dünnen Teilmetallisierung (522) und einer stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Sinterverfahrens verbundenen, zweiten dicken Teilmetallisierung (524), die vorzugsweise als flächiger Metallformkörper ausgebildet ist.Switching device according to one of the preceding claims, wherein the second metallization (52) is formed from a first thin partial metallization (522) and a second, thick partial metallization (524), which is integrally bonded, in particular connected by means of a sintering process, and which is preferably designed as a flat metal molding. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke (902) zwischen 200µm und 1000µm beträgt, die zweite Dicke bei Vorhandensein einer Laserschweißverbindung mit der zweiten Metallisierung (52) zwischen 80µm und 500µm, sonst zwischen 5µm und 50µm beträgt und die dritte Dicke (900) zwischen 50µm und 800µm beträgt.Switching device according to one of the preceding claims, wherein the first thickness (902) is between 200 µm and 1000 µm, the second thickness in the presence of a laser welded connection with the second metallization (52) is between 80 μm and 500 μm, otherwise between 5 μm and 50 μm and the third thickness (900) is between 50 µm and 800 µm. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Dicke (900) gleich der ersten Dicke (902) ist oder maximal 90% der ersten Dicke (902), insbesondere maximal 80% der ersten Dicke (902) beträgt.Switching device according to one of the preceding claims, wherein the third thickness (900) is equal to the first thickness (902) or a maximum of 90% of the first thickness (902), in particular a maximum of 80% of the first thickness (902). Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Dicke (900) gleich der zweiten Dicke ist oder maximal 90% der zweiten Dicke, insbesondere maximal 80% der zweiten Dicke beträgt.Switching device according to one of the preceding claims, wherein the third thickness (900) is equal to the second thickness or a maximum of 90% of the second thickness, in particular a maximum of 80% of the second thickness. Verfahren zur Herstellung einer Schalteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Verfahrensschritten: a. Bereitstellen eines Substrats (2) mit hierauf angeordnetem Leistungshalbleiterbauelement (5); b. Anordnen der Verbindungseinrichtung (3) derart zum Substrat (2), dass die Kontaktfläche (520) der zweiten Metallisierung (52) des Leistungshalbleiterbauelements (5) mit einer ersten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der Verbindungseinrichtung (3) und die Kontaktfläche der zweiten Leiterbahn (24) mit einer zweiten Kontaktfläche der ersten Hauptfläche (300) der Verbindungseinrichtung (3) in Normalenrichtung (N) fluchtet; c. Direktes Beaufschlagen eines zugänglichen Bereichs (310) der zweiten Hauptfläche (302) der ersten elektrisch leitenden Folie (300) über dem darunter befindlichen Verbindungspartner mittels eines Laserstrahls (8) unter Ausbildung einer Schweißverbindung (60) zwischen der ersten leitenden Folie (30) mit diesem Verbindungspartner, wobei dieser bis zu einer Tiefe (920) von maximal 90% seiner Dicke lokal aufgeschmolzen wird.Method for producing a switching device (1) according to one of the preceding claims with the method steps: a. Providing a substrate (2) with a power semiconductor component (5) arranged thereon; b. Arranging the connecting device (3) in relation to the substrate (2) in such a way that the contact surface (520) of the second metallization (52) of the power semiconductor component (5) with a first contact surface of the first main surface (300) of the connecting device (3) and the contact surface of the second conductor track (24) with a second contact surface of the first main surface (300) of the connecting device (3) in Normal direction (N) is aligned; c. Direct exposure of an accessible area (310) of the second main surface (302) of the first electrically conductive film (300) above the connection partner located below by means of a laser beam (8) with the formation of a welded connection (60) between the first conductive film (30) and the latter Connection partner, this being melted locally to a depth (920) of a maximum of 90% of its thickness. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Abstand (910) zwischen der ersten Hauptfläche (300) der ersten elektrisch leitenden Folie (30) und dem Verbindungspartner beim Verfahrensschritt c) zwischen 5µm und 300µm, bevorzugt zwischen 10µm und 150µm und besonders bevorzugt zwischen 15µm und 75µm beträgt.Procedure according to Claim 11 , wherein a distance (910) between the first main surface (300) of the first electrically conductive film (30) and the connection partner in method step c) is between 5 μm and 300 μm, preferably between 10 μm and 150 μm and particularly preferably between 15 μm and 75 μm. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei unmittelbar vor und während des Verfahrensschritts c) die elektrisch leitende Folie (30), vorzugsweise direkt im Umfeld des zugänglichen Bereichs der zweiten Hauptfläche (302), gegenüber diesem mittels einer Halteeinrichtung fixiert wird.Procedure according to Claim 11 or 12th , immediately before and during method step c) the electrically conductive film (30), preferably directly in the vicinity of the accessible area of the second main surface (302), is fixed in relation to this by means of a holding device. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, wobei die elektrisch isolierende Folie (30) im Bereich der Laserschweißverbindung (60) eine erste Ausnehmung (310) mit einer Mindestbreite (930) von mindestens 3mm aufweist und während des Verfahrensschritts c) die Laserbeaufschlagung mäanderförmig erfolgt.Procedure according to Claim 11 until 13th , the electrically insulating film (30) having a first recess (310) with a minimum width (930) of at least 3mm in the area of the laser welded connection (60) and the laser application being meandering during process step c). Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, wobei die elektrisch isolierende Folie (30) im Bereich der Laserschweißverbindung (60) eine erste Ausnehmung (310) mit einer Mindestbreite (930) zwischen 200µm und 800µm aufweist und während des Verfahrensschritts c) die Laserbeaufschlagung punktförmig oder quasipunktförmig erfolgt.Procedure according to Claim 11 until 13th , the electrically insulating film (30) having a first recess (310) with a minimum width (930) between 200 .mu.m and 800 .mu.m in the area of the laser welded connection (60) and the laser application being punctiform or quasi-punctiform during process step c).
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