DE102020100364A1 - Leistungselektronische Baugruppe mit einem Substrat, einer Hülse und einem Kontaktstift - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird eine leistungselektronische Baugruppe mit einem Substrat, mit einer Hülse und mit einem Kontaktstift, wobei die Hülse auf einer Leiterbahn des Substrats angeordnet und ein Fußabschnitt der Hülse mit der Leiterbahn stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Kontaktstift mit einem Einsteckabschnitt in einer Innenausnehmung der Hülse angeordnet ist und wobei eine stoffschlüssige, mittels Laserschweißen ausgebildete, und elektrisch leitende Schweißverbindung zwischen einem Stiftverbindungsabschnitt des Einsteckabschnitts des Kontaktstifts und einem zugeordneten Hülsenverbindungsabschnitt der Hülse ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Baugruppe mit einem Substrat, mit einer Hülse und mit einem Kontaktstift, wobei die Hülse auf einer Leiterbahn des Substrats angeordnet und ein Fußabschnitt der Hülse mit der Leiterbahn stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist und wobei der Kontaktstift mit einem Einsteckabschnitt in einer Innenausnehmung der Hülse angeordnet ist.
  • Die DE 10 2008 005 547 A1 offenbart als Stand der Technik ein elektrisch leitendes, sich in einer Längsrichtung erstreckendes Kontaktelement, eine Hülse, mit einem ersten Ende und einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende. An seinem ersten Ende weist das Kontaktelement eine erste Umbördelung auf, die so ausgebildet ist, dass sie beim Auflegen des Kontaktelementes mit der ersten Umbördelung voran auf eine zu der Längsrichtung z senkrechte Ebene mit dieser Ebene eine Anzahl N1 >= 2 voneinander beabstandete erste Kontaktflächen aufweist. Weiterhin wird ein Leistungshalbleitermodul mit einem derartigen Kontaktelement und einem darin angeordneten Kontaktstift offenbart.
  • In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Verbindung zwischen der Hülse und dem darin angeordneten Kontaktstift zu verbessern und eine entsprechende Baugruppe, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür vorzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Baugruppe mit einem Substrat, mit einer Hülse und mit einem Kontaktstift, wobei die Hülse auf einer Leiterbahn des Substrats angeordnet und ein Fußabschnitt der Hülse mit der Leiterbahn stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Kontaktstift mit einem Einsteckabschnitt in einer Innenausnehmung der Hülse angeordnet ist und wobei eine stoffschlüssige, mittels Laserschweißen ausgebildete, und elektrisch leitende Schweißverbindung zwischen einem Stiftverbindungsabschnitt des Einsteckabschnitts des Kontaktstifts und einem zugeordneten Hülsenverbindungsabschnitt der Hülse ausgebildet ist.
  • Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe:
    • · leistungselektronisches Substrat, insbesondere mit einem keramischen Isolierstoffkörper und hierauf angeordneten Leiterbahnen;
    • • leistungselektronische, insbesondere folienbasierte, Verbindungseinrichtung;
    • • Leiterplatte.
  • Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Leiterbahn des Substrats und dem Fußabschnitt der Hülse ausgewählt ist aus der Gruppe:
    • • Sinter-, insbesondere Drucksinterverbindung;
    • • Lotverbindung;
    • • Klebeverbindung;
    • • Schweiß-, insbesondere Laserschweißverbindung.
  • Es kann auch vorteilhaft sein, wenn der Kontaktstift, insbesondere im Bereich des Einsteckabschnitts, einen runden, polygonförmigen, insbesondere rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweist.
  • Zudem kann der Kontaktstift einen Ausgleichsabschnitt zum Längenausgleich aufweisen, der insbesondere als s-förmiger oder mäanderförmiger Verlauf des Ausgleichsabschnitts ausgebildet sein kann.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Hülse an ihrem Fußabschnitt, ihrem Endabschnitt oder an beiden eine konusförmige Öffnung aufweist.
  • Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Hülse in einem Mittenabschnitt zwischen dem Fuß- und dem Endabschnitt, einen Längenausdehnungsabschnitt aufweist, der vorzugsweise zwischen dem Hülsenverbindungsabschnitt und dem Fußabschnitt angeordnet ist und der insbesondere mittels Schlitzen oder durch Materialschwächung durch Abdünnung ausgebildet sein kann. Die Schlitze können insbesondere als Längs- oder Querschlitzte oder auch als S- oder mäanderförmige Schlitze ausgebildet sein.
  • Es kann auch bevorzugt sein, wenn das Substrat eine Ausnehmung aufweist, die mit einer Innenausnehmung der Hülse fluchtet und insbesondere den gleichen oder einen größeren Durchmesser aufweist. Hierbei kann es zudem bevorzugt sein, wenn der Kontaktstift einen ersten Zwischenabschnitt aufweist, der in der Ausnehmung des Substrats angeordnet ist.
  • Es ist bevorzugt, wenn die Innenausnehmung der Hülse eine Innenkontur aufweist, die rund, vorzugsweise kreisrund ist. Sie kann alternativ auch polygonförmig, insbesondere rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet sein. Hierbei ist es insbesondere bei einer runden Innenkontur nicht notwendig, dass der Einsteckabschnitt einen gleichartigen Querschnitt aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Innenausnehmung der Hülse rund und der Querschnitt des Endabschnitts quadratisch ausgebildet sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Baugruppe aufweisend folgende Schritte:
    1. a) stoffschlüssige Verbindung des Fußabschnitts der Hülse mit einer zugeordneten Leiterbahn des Substrats;
    2. b) Anordnen eines Einsteckabschnitts des Kontaktstifts in der Hülse;
    3. c) Ausbilden der Schweißverbindung zwischen dem Hülsenverbindungsabschnitt der Hülse und dem Stiftverbindungsabschnitt des Kontaktstifts und durch Beaufschlagung des Hülsenverbindungsabschnitts mit einem Laserstrahl.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn im Verfahrensschritt b) ein dritter Abschnitt des Kontaktstifts in einer Ausnehmung des Substrats angeordnet ist.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Hülse und der Kontaktstift, mehrfach in der erfindungsgemäßen Baugruppe vorhanden sein. Ebenso können einzelne, insbesondere alle Verfahrensschritte mehrfach in dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dessen Ablauf vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung gleichgültig ob sie im Rahmen der Beschreibung der Baugruppe oder des Verfahrens offenbart sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Hülse.
    • 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Substrats mit hierauf angeordneten Hülsen.
    • 3 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe in seitlicher Ansicht.
    • 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe in seitlicher Ansicht.
    • 5 zeigt eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe in seitlicher Ansicht.
    • 6 zeigt eine Modifikation der dritten Ausgestaltung.
    • 7 zeigt eine Weiterbildung der Hülse gemäß 1.
  • 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer im Grunde fachüblichen Hülse 4 mit einem Fußabschnitt 40, einem Endabschnitt 44 und eine dazwischen angeordneten Mittenabschnitt 42. Hierbei ist sowohl der Fußabschnitt 40, wie auch der Endabschnitt 44 als Lochscheibe mit konzentrischer runder Ausnehmung 400,440 ausgebildet, wobei beide Ausnehmungen 400,440, zueinander fluchten und den gleichen Durchmesser aufweisen. Der Mittenabschnitt 42 ist als Zylindermantel ausgebildet dessen Innenbereich 420 mit den Ausnehmungen 400,440 des Fuß- 40 und Endabschnitts 44 fluchtet. Der Mittenabschnitt 42 weist einen Innendurchmesser auf, der identisch demjenigen der beiden Ausnehmungen 440,440 des Fuß- 40 und Endabschnitts 44 ist. Die Ausnehmungen 400,440 bilden gemeinsam mit dem Innenbereich 420 des Mittenabschnitts 42 die Innenausnehmung 48 aus.
  • Alternativ, aber nicht dargestellt kann der Fuß- 40 oder Endabschnitt 44 auch keine Ausnehmung aufweisen, wodurch die Hülse becherartig ausgebildet ist und dann das Innere des Bechers die Innenausnehmung ausbildet.
  • Nicht dargestellt, aber entweder aus Fertigungsgründen zwangsläufig vorhanden oder explizit und dann ausgeprägter ausgebildet ist ein konusförmige Ausgestaltung der äußeren Öffnungen der jeweiligen Ausnehmungen 400,440.
  • Dieses Hülse 4 ist aus einem metallischen Werkstoff, hier Kupfer, hergestellt. Typisch weist diese Hülse 4 eine Länge im Bereich von 3mm bis 10mm auf, während die Innenausnehmung einen Durchmesser in der Größenordnung von 1mm aufweist.
  • 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Substrats 2 mit hierauf angeordneten Hülsen 4 gemäß 1. Das hier dargestellte Substrat 2 ist ein leistungselektronisches Substrat mit einem keramischen Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten Leiterbahnen 22,24. Auf zwei dieser Leiterbahnen 24 ist jeweils eine Hülse angeordnet. Auf einer weiteren Leiterbahn 22 ist nur exemplarisch ein Leistungshalbleiterbauelement 3 angeordnet. Selbstverständlich können Hülsen 4 und Leistungshalbleiterbauelemente 3 auch auf derselben Leiterbahn angeordnet sein. Im Übrigen ist das Substrat 2 als Teil einer leistungselektronischen Baugruppe 1 fachüblich ausgebildet.
  • 3 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe 1 in seitlicher Ansicht. Das Substrat 2 ist identisch demjenigen unter 2 beschriebene und weist auf einer Leiterbahn 22 ein mit dieser Leiterbahn 22 elektrisch leitend verbundenes Leistungshalbleiterbauelement 3 auf, das rein beispielhaft mittels einer Drahtbondverbindung weiterhin mit einer weiteren Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist.
  • Auf einer weiteren Leiterbahn 24 ist der Fußabschnitt 40 einer Hülse 4 stoffschlüssig mittels einer Lotverbindung 7 angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden. Diese Hülse 4 weist eine rund ausgebildete Innenausnehmung 48 auf, die dafür vorgesehen ist im Verlauf des Herstellungsverfahrens einen Einsteckabschnitt 520 eines Kontaktstifts 5 aufzunehmen. Der Einsteckabschnitt 520 des Kontaktstifts 5 weist einen quadratischen Querschnitt auf, dessen Diagonale im Rahmen der Fertigungsmöglichkeiten gleich dem Durchmesser der Innenausnehmung 420 ist und so ohne großen Kraftaufwand in der Hülse anordenbar ist.
  • Zur sicheren und dauerhaften elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Hülse 4 und dem Kontaktstift 5 wird nach Anordnung des Einsteckabschnitts 520 Kontaktstifts 5 ein Hülsenverbindungsabschnitts 46 mit einem Laserstrahl 6 beaufschlagt. Durch diese Beaufschlagung im Rahmen eines Laserschweißverfahrens 6 wird der Hülsenverbindungsabschnitt 46 mit einem Stiftverbindungsabschnitt 56, der ein Abschnitt des Einsteckabschnitts 520 ist, stoffschlüssig verbunden. Diese somit ausgebildete Laserschweißverbindung sichert den Kontaktstift 5 auch gegen herausziehen aus der Hülse 4.
  • Der Kontaktstift 5 weist neben dem Einsteckabschnitt 520 noch einen zweiten Zwischenabschnitt 510 und daran anschließend einen Press-Pin-Abschnitt 500 auf.
  • 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe 1 in seitlicher Ansicht. Der hier dargestellte Kontaktstift 5 weist drei wesentliche Abschnitte auf. An einen Einsteckabschnitt 520 schließt sich eine Ausgleichsabschnitt 530 und ein Verbindungsabschnitt 540 an. Dieser Verbindungsabschnitt 540 ist mittels einer Laserschweißverbindung 6 direkt stoffschlüssig und elektrisch leitend mit einer Leiterbahn 22 eines leistungselektronischen Substrats 2, analog demjenigen gemäß 2 oder 3, verbunden.
  • Weiterhin dargestellt ist eine fachübliche Leiterplatte 8 mit einer Mehrzahl von Leiterbahnen 84. Auf einer der Leiterbahnen 84 und auf der dem leistungselektronischen Substrat 2 abgewandten Seite ist eine Hülse 4 angeordnet, wobei deren Fußabschnitt 40 mittels einer Lotverbindung elektrisch leitend mit dieser Leiterbahn 84 verbunden.
  • Zur Anordnung des Einsteckabschnitts 520 des Kontaktstifts 5 in der Hülse 4, genauer in deren Innenausnehmung 48, weist die Leiterplatte 8 eine Ausnehmung 88 zur Durchführung des Einsteckabschnitts 520 auf. Diese Ausnehmung 88 ist fluchtend mit der Innenausnehmung 48 angeordnet und weist einen größeren Durchmesser als diese auf.
  • In dieser Ausnehmung 88 ist nach der Herstellung der Baugruppe 1 ein Zwischenabschnitt 580, der zwischen dem Einsteckabschnitt 520 und dem Ausgleichsabschnitt 530 ausgebildet ist, angeordnet.
  • Der Einsteckabschnitt 520 ragt in dieser Ausgestaltung geringfügig am Endabschnitt 44 aus der Hülse 4 heraus. Dieser Endabschnitt 44 wird im Rahmen der Laserschweißverbindung hier mit einem Laserstrahl 6 beaufschlagt und bildet damit den Hülsenverbindungsabschnitt 46 aus, der mit dem Stiftverbindungsabschnitt 56 des Endabschnitts 520 des Kontaktstifts 5 elektrisch leitend verbunden wird.
  • Der Ausgleichsabschnitt 530 ist zwischen dem leistungselektronischen Substrat 2 und der Leiterplatte 8 angeordnet und ist somit in der Lage Abstandsvariationen zwischen diesen beiden, sowohl im Rahmen des Herstellungsverfahrens, wie auch im Rahmen des späteren Betriebs auszugleichen.
  • 5 zeigt eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Baugruppe 1 in seitlicher Ansicht. Der Kontaktstift 5 ist hier stabartig ohne Ausgleichsabschnitt ausgebildet und weist an beiden Enden jeweils einen Einsteckabschnitt 520 zur Anordnung in jeweils einer Hülse 4 auf.
  • Weiterhin dargestellt sind zwei Substrate 8,9 mit jeweils einer Hülse 4. Das untere Substrat ist hier eine fachübliche folienbasierte Verbindungseinrichtung 9 aus zwei leitfähigen 94,96 und einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Folie 90, wobei zumindest eine der leitfähigen Folien einzelnen Leiterbahnen 94 ausbildet. Auf einer dieser Leiterbahnen 94 der Verbindungseinrichtung 9 ist eine Hülse 4, wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit, mittels einer Lotverbindung angeordnet.
  • In dieser Hülse 4 ist ein erster Einsteckabschnitt 520 des Kontaktstifts 5 angeordnet und mittels einer Laserschweißverbindung 60 elektrisch leitend mit dieser verbunden.
  • Diese Laserschweißverbindung 60 verbindet somit den Hülsenverbindungsabschnitt 46, der hier ein Teil des Mittenabschnitts 42 der Hülse 4 ist, mit dem Stiftverbindungsabschnitt 56 des Einsteckabschnitts 520 des Kontaktstifts 5.
  • Das zweite, obere Substrat 8 ist samt Hülse 4 und dort angeordnetem, hier zweitem, Einsteckabschnitt 520 des Kontaktstifts 5 identisch ausgebildet, wie bereits unter 4 beschrieben.
  • 6 zeigt in einem Ausschnitt eine Modifikation dieser dritten Ausgestaltung. Hierbei ist die Hülse 4 an ihrem Endabschnitt 44 geschlossen und bildet somit einen Becher aus. Vorteilhaft hieran ist, dass beim Herstellungsverfahren die Leiterplatte auf auf die Kontaktstifte, sofern eine Mehrzahl davon vorhanden ist, aufgesetzt werden kann und anschließend die jeweilige Schweißverbindung 60 ausgebildet werden kann.
  • 7 zeigt eine Weiterbildung der Hülse gemäß 1. Diese Hülse 4 weist im Bereich des Mittenabschnitts 42 einen Längenausdehnungsabschnitt 422 auf. Dieser ist zwischen dem Fußabschnitt 40 der Hülse und ihrem Hülsenverbindungsabschnitt 46 angeordnet. Somit ist eine gewisse Entkopplung von Kräften, die mittels der Laserschweißverbindung zwischen dem Hülsenverbindungsabschnitt 46 und dem Stiftverbindungsabschnitt durch den Kontaktstift in die Hülse eingeleitet werden von der Verbindung des Fußabschnitts 40 mit dem Substrat.
  • In dieser Ausgestaltung ist der Längendehnungsabschnitt 422 ausgebildet durch eine Mehrzahl von s-förmigen, durch Laserschneiden eingebrachten, Schlitzen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008005547 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Leistungselektronische Baugruppe (1) mit einem Substrat (2,8,9), mit einer Hülse 4 und mit einem Kontaktstift (5), wobei die Hülse (4) auf einer Leiterbahn (24,84,94) des Substrats (2,8,9) angeordnet und ein Fußabschnitt (40) der Hülse (4) mit der Leiterbahn (24,84,94) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Kontaktstift (5) mit einem Einsteckabschnitt (520) in einer Innenausnehmung (48) der Hülse (4) angeordnet ist und wobei eine stoffschlüssige, mittels Laserschweißen (6) ausgebildete, und elektrisch leitende Schweißverbindung (60) zwischen einem Stiftverbindungsabschnitts (56) des Einsteckabschnitts (520) des Kontaktstifts (5) und einem zugeordneten Hülsenverbindungsabschnitt (46) der Hülse (4) ausgebildet ist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Substrat (2,8,9) ausgewählt ist aus der Gruppe: leistungselektronisches Substrat (2), insbesondere mit einem keramischen Isolierstoffkörper (20) und hierauf angeordneten Leiterbahnen (22,24); leistungselektronische, insbesondere folienbasierte, Verbindungseinrichtung (9); Leiterplatte (8).
  3. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Leiterbahn (24,84,94) des Substrats (2,8,9) und dem Fußabschnitt (40) der Hülse (4) ausgewählt ist aus der Gruppe: Sinter-, insbesondere Drucksinterverbindung; Lotverbindung (7); Klebeverbindung; Schweiß-, insbesondere Laserschweißverbindung.
  4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktstift (5), insbesondere im Bereich des Einsteckabschnitts (520), einen runden, polygonförmigen, insbesondere rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweist.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktstift (5) einen Ausgleichsabschnitt (530) zum Längenausgleich aufweist.
  6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse (4) an ihrem Fußabschnitt (40), ihrem Endabschnitt (44) oder an beiden eine konusförmige Öffnung aufweist.
  7. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse (4) einen Längenausdehnungsabschnitt (422) aufweist, der vorzugsweise zwischen dem Hülsenverbindungsabschnitt (46) und dem Fußabschnitt (40) angeordnet ist.
  8. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (8) eine Ausnehmung (88) aufweist, die mit einer Innenausnehmung (48) der Hülse (4) fluchtet und insbesondere den gleichen oder einen größeren Durchmesser aufweist.
  9. Baugruppe nach Anspruch 8, wobei der Kontaktstift (5) einen ersten Zwischenabschnitt (580) aufweist, der in der Ausnehmung (88) des Substrats (8) angeordnet ist.
  10. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenausnehmung (48) der Hülse (4) eine Innenkontur aufweist, die rund, polygonförmig, insbesondere rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet ist.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: a) stoffschlüssige Verbindung des Fußabschnitts (40) der Hülse (4) mit einer zugeordneten Leiterbahn (24,84,94) des Substrats (2,8,9); b) Anordnen eines Einsteckabschnitts (520) des Kontaktstifts (5) in der Hülse (4); c) Ausbilden der Schweißverbindung (60) zwischen dem Hülsenverbindungsabschnitt (46) der Hülse (4) und dem Stiftverbindungsabschnitt (56) des Kontaktstifts (5) und durch Beaufschlagung des Hülsenverbindungsabschnitts (46) mit einem Laserstrahl (6).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Verfahrensschritt b) ein dritter Abschnitt (580) des Kontaktstifts (5) in einer Ausnehmung (88) des Substrats (8) angeordnet ist.
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