DE102020210201A1 - Process and device for the temperature-critical joining of two component layers - Google Patents

Process and device for the temperature-critical joining of two component layers Download PDF

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (103, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten Bauteilschicht (103, 301) und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt. Das Verfahren (100) umfasst die folgenden Schritte:- spaltfreies Anordnen der ersten Bauteilschicht (103, 301) über der zweiten Bauteilschicht (105, 303),- Bewegen eines Laserstrahls (101) mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht (103, 301) mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (103, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird.The invention presented relates to a method (100) for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer (103, 301) with a first constant material thickness and a second component layer (105, 303) with a second constant material thickness, with the second component layer (105, 303) at least one electronic component is arranged, the critical temperature of which is below a melting point of the first component layer (103, 301) and the second component layer (105, 303). The method (100) comprises the following steps: - arranging the first component layer (103, 301) without a gap over the second component layer (105, 303), - moving a laser beam (101) with constant power along the first component layer (103, 301) with a welding feed which causes the energy input of the laser beam (101) to melt a material forming the first component layer (103, 301) partially up to the second component layer (105, 303), and that the energy input only melts material in a surface region (111, 307) of the second component layer (105, 303) is melted.

Description

Stand der TechnikState of the art

Beim Fügen von Materialien, die temperaturkritische Bauteile, also Bauteile deren Schmelzpunkt unterhalb eines Schmelzpunkts einer zu fügenden Schicht aufweisen, ist es erforderlich einen Energieeintrag in die zu fügende Schicht zu begrenzen, um eine Beschädigung der temperaturkritischen Bauteile zu vermeiden.When joining materials that have temperature-critical components, ie components whose melting point is below a melting point of a layer to be joined, it is necessary to limit energy input into the layer to be joined in order to avoid damage to the temperature-critical components.

Bspw. werden zum Fügen eines Stromverbinders aus Kupfer an einer Leiterplatte, an welcher temperaturkritische Bauteile, wie bspw. Kondensatoren und/oder Prozessoren angeordnet sind, Ultraschallverfahren eingesetzt.For example, ultrasonic methods are used to join a copper power connector to a printed circuit board on which temperature-critical components such as capacitors and/or processors are arranged.

Ultraschallverfahren zum Fügen von Bauteilen haben jedoch hohe Anforderungen an die Steifheit der zu fügenden Bauteile und deren Oberflächengüte, sodass derzeit lediglich Stromverbinder mit einer Breite von bis zu 2 mm mittels eines Ultraschallverfahrens gefügt werden können.However, ultrasonic methods for joining components place high demands on the rigidity of the components to be joined and their surface quality, so that currently only power connectors with a width of up to 2 mm can be joined using an ultrasonic method.

Weiterhin sind Lötverfahren bekannt, bei denen ein Weichlötmittel aufgebracht wird, dessen Schmelztemperatur unterhalb der kritischen Temperatur jeweiliger temperaturkritischer elektronischer Bauteile liegt.Furthermore, soldering methods are known in which a soft solder is applied whose melting point is below the critical temperature of the respective temperature-critical electronic components.

Ferner sind Verfahren zum Laserschweißen von Materialpaarungen bekannt, bei denen ein Energieeintrag durch lokalen Abstand zwischen Energieeintrag und Fügestelle minimiert wird.Furthermore, methods for laser welding of material pairings are known in which an energy input is minimized by the local distance between the energy input and the joint.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren zum temperaturkritischen Fügen, eine Fügevorrichtung und ein Halbleiterelement vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a method for temperature-critical joining, a joining device and a semiconductor element are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the joining device according to the invention and the semiconductor element according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to mutually.

Die vorgestellte Erfindung dient dazu, zwei Bauteilschichten zu verbinden, von denen mindestens eine Bauteilschicht ein temperaturkritisches Bauteil aufweist. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Kupfer-KupferVerbindung eines Stromverbinders mit einer 35µm Metallisierung zum Versorgen von Halbleiterelementen auf einer Leiterplatte zu ermöglichen.The invention presented serves to connect two component layers, of which at least one component layer has a temperature-critical component. In particular, the presented invention serves to enable a copper-copper connection of a power connector with a 35 μm metallization for supplying semiconductor elements on a printed circuit board.

Es wird somit ein Verfahren zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke vorgestellt, wobei an der zweiten Bauteilschicht mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht liegt. Das Verfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum spaltfreien Anordnen der ersten Bauteilschicht über der zweiten Bauteilschicht und einen Bewegungsschritt zum Bewegen eines Laserstrahls mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls ein die erste Bauteilschicht bildendes Material aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird. A method is thus presented for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, with at least one electronic component being arranged on the second component layer, the critical temperature of which is below a melting point of the first and the second layer of components. The method comprises an arrangement step for arranging the first component layer over the second component layer without a gap and a movement step for moving a laser beam with constant power along the first component layer with a welding feed, which causes a material forming the first component layer to be melted by an energy input of the laser beam , and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.

Unter einer kritischen Temperatur einer Komponente ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Temperatur zu verstehen, bei der die Komponente beschädigt wird.In the context of the present invention, a critical temperature of a component is to be understood as meaning a temperature at which the component is damaged.

Unter einem Oberflächenbereich ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Bauteilschicht zu verstehen, die auf einer Seite von einer Trägerschicht, wie bspw. einem Substrat umgeben wird. Insbesondere ist ein Oberflächenbereich sehr dünn, bspw. 35µm, dünn. Ein Oberflächenbereich kann aus Metall sein und unter einer Schutzschicht, die bspw. aus Kunststoff sein kann, angeordnet sein. Entsprechend kann ein Oberflächenbereich eine Leiterschicht einer Leiterplatte bilden.In the context of the presented invention, a surface area is to be understood as meaning a component layer which is surrounded on one side by a carrier layer, such as a substrate. In particular, a surface area is very thin, for example 35 μm thin. A surface area can be made of metal and can be arranged under a protective layer, which can be made of plastic, for example. Correspondingly, a surface area can form a conductor layer of a printed circuit board.

Zum Fügen zweier Bauteilschichten bzw. zweier Materialien, von denen mindestens eine ein temperaturkritisches Bauteil aufweist, sieht das vorgestellte Verfahren einen Schweißvorschub, also eine Bewegung eines Lasers entlang einer ersten Bauteilschicht vor, der bzw. die derart schnell ist, dass ein Energieeintrag durch das Schweißen auf einen sehr kleinen Schweißbereich beschränkt wird. Dabei erfolgt die Beschränkung des Schweißbereichs zum einen in seiner Flächenausdehnung, also seinem Querschnitt auf der ersten Bauteilschicht aber auch in seiner Tiefenausdehnung in eine unter der ersten Bauteilschicht angeordnete zweite Bauteilschicht.To join two component layers or two materials, at least one of which has a temperature-critical component, the method presented provides a welding feed, i.e. a movement of a laser along a first component layer, which is so fast that energy is introduced by welding limited to a very small weld area. The limitation of the welding area occurs on the one hand in its surface extent, ie its cross section on the first component layer, but also in its depth extent in a second component layer arranged under the first component layer.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschub wird ein Energieeintrag in eine zweite Bauteilschicht, die unter einer ersten Bauteilschicht angeordnet ist, derart begrenzt, dass lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird. Dieser Effekt kann leicht nachgeprüft werden, indem bspw. ein Schnitt durch eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Materialkombination angefertigt wird. Dabei ist der Energieeintrag jedoch mindestens so hoch, dass die erste Bauteilschicht durchgängig aufgeschmolzen wird und in die erste Bauteilschicht eingebrachte Energie weitergeleitet wird in die zweite Bauteilschicht.Due to the welding feed provided according to the invention, an energy input into a second component layer, which is arranged under a first component layer, is limited in such a way that only material in a surface region of the two th component layer is melted. This effect can be checked easily, for example by making a section through a material combination produced using the method according to the invention. In this case, however, the energy input is at least so high that the first component layer is continuously melted and energy introduced into the first component layer is passed on to the second component layer.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Aufschmelzen der ersten Bauteilschicht bis zu der zweiten Bauteilschicht wird die erste Bauteilschicht durchgehend aufgeschmolzen, sodass eine Schmelze der ersten Bauteilschicht die zweite Bauteilschicht kontaktiert und mit dieser eine Verbindung eingeht. Dabei wird aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschubs ein Durchdringen der zweiten Bauteilschicht durch die Schmelze vermieden, sodass die zweite Bauteilschicht lediglich in einem Oberflächenbereich aufgeschmolzen wird und ein minimaler Energieeintrag in die zweite Bauteilschicht erfolgt.The first component layer is melted continuously as a result of the inventively provided melting of the first component layer up to the second component layer, so that a melt of the first component layer contacts the second component layer and forms a connection with it. Due to the welding feed provided according to the invention, penetration of the second component layer by the melt is avoided, so that the second component layer is only melted in a surface area and minimal energy input into the second component layer takes place.

Aufgrund des durch das erfindungsgemäße Verfahren bedingten minimalen Energieeintrags in die zweite Bauteilschicht wird ein Energieeintrag in an der zweiten Bauteilschicht angeordnete Komponenten, wie bspw. Prozessoren oder andere Schaltelemente, insbesondere Kondensatoren oder Isolatoren, ebenfalls minimiert. Entsprechend bleibt eine Erwärmung von auf der zweiten Bauteilschicht angeordneten Komponenten bei einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weit unterhalb einer kritischen Temperatur jeweiliger auf der zweiten Bauteilschicht angeordneter Komponenten, sodass eine Beschädigung der Komponenten durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird.Due to the minimal energy input into the second component layer caused by the method according to the invention, an energy input into components arranged on the second component layer, such as processors or other switching elements, in particular capacitors or insulators, is also minimized. Accordingly, heating of components arranged on the second component layer when the method according to the invention is carried out remains far below a critical temperature of respective components arranged on the second component layer, so that damage to the components by the method according to the invention is avoided.

Es kann vorgesehen sein, dass der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.Provision can be made for the welding feed rate to be at least 800mm/s.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Schweißvorschub beträgt mindestens 800mm/s, sodass ein jeweiliger punktueller Bereich der ersten und zweiten Bauteilschicht nur temporär bzw. kurz thermisch belastet wird und ein punktueller Energieeintrag minimal bleibt bzw. lediglich so groß ist, dass die zweite Bauteilschicht in ihrem Oberflächenbereich aufgeschmolzen wird.The welding feed rate provided according to the invention is at least 800mm/s, so that a respective localized area of the first and second component layer is only temporarily or briefly thermally stressed and a localized energy input remains minimal or is only so large that the second component layer is melted in its surface area .

Da bei einem Schweißvorschub von 800mm/s üblicherweise bereits sogenanntes „Humping“ auftritt, wird ein derartiger Schweißvorschub üblicherweise vermieden. Durch Verwendung eines Lasers und einer spaltfreien Anordnung von zu verbindenden Bauteilschichten kann jedoch erfindungsgemäß ein Humping insbesondere bei kleinen Erwärmungsbereichen zuverlässig vermieden werden.Since so-called "humping" usually already occurs at a welding feed rate of 800mm/s, such a welding feed rate is usually avoided. However, according to the invention, by using a laser and a gap-free arrangement of component layers to be connected, humping can be reliably avoided, particularly in the case of small heating areas.

Durch eine spaltfreie Anordnung zweier Bauteilschichten wird ein Teil eines Energieeintrags, der in die erste Bauteilschicht geleitet wird, in die zweite Bauteilschicht übertragen, wodurch ein meta-stabiler Zwischenzustand einer Schmelze in der ersten Bauteilschicht erzeugt wird, der Humping vermeidet und es zusätzlich ermöglicht, ein Schmelzen der zweiten Bauteilschicht auf einen Oberflächenbereich, insbesondere auf einen Oberflächenbereich mit einer Materialstärke von 35µm, zu beschränken.By arranging two component layers without a gap, part of an energy input that is conducted into the first component layer is transferred to the second component layer, creating a meta-stable intermediate state of a melt in the first component layer, which avoids humping and also enables a To limit melting of the second component layer to a surface area, in particular to a surface area with a material thickness of 35 μm.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt einer Fläche, mit der der Laserstrahl den Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, höchstens 75µm, insbesondere höchstens 50µm oder höchstens 40µm beträgt.Provision can furthermore be made for a cross section of an area with which the laser beam provides the energy input into the first component layer and the second component layer to be at most 75 μm, in particular at most 50 μm or at most 40 μm.

In Kombination mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschub führt ein kleiner Querschnitt einer Fläche, mit der ein Laserstrahl einen Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, dazu, dass eine Tiefe des Oberflächenbereichs, innerhalb dessen die zweite Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, kontrolliert bzw. minimiert werden kann.In combination with the welding feed provided according to the invention, a small cross-section of an area with which a laser beam provides an energy input into the first component layer and the second component layer leads to the depth of the surface area within which the second component layer is melted being controlled or minimized can be.

Während ein Querschnitt einer Fläche, mit der ein Laserstrahl einen Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise klein, also höchstens 75µm, insbesondere höchstens 50µm oder höchstens 40µm, sein sollte, kann die Fläche eine beliebige Länge aufweisen. Insbesondere kann die Fläche eine Länge von mehr als 2cm aufweisen, sodass bspw. Stromverbinder mit einer Breite größer 2cm als erste Bauteilschicht mit einer zweiten Bauteilschicht, wie bspw. einer Leiterplatte gefügt, insbesondere gebondet werden können.While a cross section of an area with which a laser beam provides an energy input into the first component layer and the second component layer should preferably be small when carrying out the method according to the invention, i.e. at most 75 μm, in particular at most 50 μm or at most 40 μm, the surface can be any have length. In particular, the surface can have a length of more than 2 cm, so that, for example, power connectors with a width greater than 2 cm can be joined, in particular bonded, as the first component layer to a second component layer, such as a printed circuit board.

Insbesondere kann durch das vorgestellte Verfahren ein Schweißbereich bereitgestellte werden, der länger als 2cm ist, ohne jeweilige temperaturkritische Bauteile zu beschädigen.In particular, the method presented can provide a welding area that is longer than 2 cm without damaging the respective temperature-critical components.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht eine Materialstärke von mindestens 80µm, insbesondere mindestens 100µm und höchstens 200µm aufweist, und/oder dass der Oberflächenbereich eine Materialstärke von höchstens 50µm, insbesondere von höchstens 35µm aufweist.Provision can furthermore be made for the first component layer to have a material thickness of at least 80 μm, in particular at least 100 μm and at most 200 μm, and/or for the surface area to have a material thickness of at most 50 μm, in particular at most 35 μm.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Stromverbindern aus Kupfer mit einer Materialstärke von ca. 100µm und einer Breite von mehr als 2cm an einer Leiterplatte bzw. einer Leistungselektronik mit einer Kupferschicht von 35µm.The method provided according to the invention is particularly suitable for joining current connectors made of copper with a material thickness of approx. 100 μm and a width of more than 2 cm on a circuit board or power electronics with a copper layer of 35 μm.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung von Kupfer kann auch vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht und/oder der Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht zumindest tlw. aus Aluminium, insbesondere zumindest tlw. aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.As an alternative or in addition to the use of copper, it can also be provided that the first component layer and/or the surface area of the second component layer consists at least partly of aluminum, in particular at least partly of copper and/or aluminum.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht umgeben ist von der mindestens einen Komponente, und dass die mindestens eine Komponente mindestens ein Element der folgenden Liste an Elementen umfasst: Leiterplatte, Kondensator, Keramiksubstrat, Halbleiterelement, Chip.Provision can also be made for the surface area of the second component layer to be surrounded by the at least one component, and for the at least one component to comprise at least one element from the following list of elements: printed circuit board, capacitor, ceramic substrate, semiconductor element, chip.

Insbesondere kann die erfindungsgemäß vorgesehene Komponente Teil einer Leistungselektronik bzw. eines Halbleiterelements, wie bspw. einer Leiterplatte bzw. einem Steuergerät sein oder einer Batterie sein.In particular, the component provided according to the invention can be part of power electronics or a semiconductor element, such as a printed circuit board or a control device, or be a battery.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030nm und/oder einer Leistung zwischen 750 Watt und 1,5 kW, insbesondere zwischen 750 Watt und 1 kW, verwendet wird.Provision can furthermore be made for a laser beam with a wavelength of 1030 nm and/or a power of between 750 watts and 1.5 kW, in particular between 750 watts and 1 kW, to be used.

Es hat sich gezeigt, dass ein Laserstrahl von insbesondere ca. 1 kW in Kombination mit einem Querschnitt von ca. 50µm und einem Schweißvorschub von ca. 800 mm/s sich besonders vorteilhaft zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens eignet und entsprechend zu einer Aufschmelzung einer zweiten Bauteilschicht in einer Tiefe von höchstens 35µm führt, wenn die erste Bauteilschicht eine Stärke bzw. eine Dicke von 100 µm aufweist.It has been shown that a laser beam of in particular approx. 1 kW in combination with a cross section of approx. 50 μm and a welding feed of approx. 800 mm/s is particularly advantageous for carrying out the method presented and accordingly for melting a second component layer at a maximum depth of 35 µm if the first component layer has a thickness of 100 µm.

In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Fügevorrichtung zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht liegt. Die Fügevorrichtung umfasst einen Laser, einen Aktuator und eine Kontrolleinheit. Die Kontrolleinheit ist dazu konfiguriert, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator den Laser mit einem Schweißvorschub über die erste Bauteilschicht bewegt wird, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls ein die erste Bauteilschicht bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird.In a second aspect, the presented invention relates to a joining device for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, wherein at least one electronic component is arranged on the second component layer, the critical temperature of which is below a Melting point of the first and the second component layer is. The joining device includes a laser, an actuator and a control unit. The control unit is configured to control the actuator in such a way that the actuator moves the laser with a welding feed over the first component layer, which causes a material forming the first component layer to be partially melted down to the second component layer by an energy input from the laser beam , and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.

Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung dient insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The joining device according to the invention serves in particular to carry out the method according to the invention.

In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Halbleiterelement. Das Halbleiterelement umfasst eine erste elektrisch leitende Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und eine zweite Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht verbunden wurden mittels einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.In a third aspect, the invention presented relates to a semiconductor element. The semiconductor element comprises a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, the first component layer and the second component layer being connected using a possible configuration of the method presented.

Es kann vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht lotfrei verbunden sind.Provision can be made for the first component layer and the second component layer to be connected without solder.

Insbesondere sind die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht des erfindungsgemäßen Halbleiterelements derart verbunden, dass eine erstarrte Schmelze in einem Verbindungsbereich der zweiten Bauteilschicht lediglich in einen Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht ragt.In particular, the first component layer and the second component layer of the semiconductor element according to the invention are connected in such a way that a solidified melt in a connection region of the second component layer projects only into a surface region of the second component layer.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Fügen zweier Bauteilschichten können zwei Bauteile elektrisch leitend verbunden werden, ohne dass ein Lot benötigt wird. Insbesondere ermöglicht die vorgestellte Erfindung ein Aufschmelzen zweiter Kupferschichten, sodass die Kupferschichten miteinander eine Verbindung eingehen, die elektrisch leitend und mechanisch stabil ist.The joining of two component layers provided according to the invention allows two components to be connected in an electrically conductive manner without a solder being required. In particular, the presented invention enables second copper layers to be melted, so that the copper layers form a connection with one another that is electrically conductive and mechanically stable.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung,
  • 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a possible embodiment of the method according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a possible embodiment of the joining device according to the invention,
  • 3 a schematic representation of a possible embodiment of the semiconductor element according to the invention.

In 1 ist ein Ablauf eines Verfahrens 100 dargestellt. Mittels eines Laserstrahls 101, der auf eine Leistung „P“ eingestellt ist, wird ein Energieeintrag in eine erste Bauteilschicht 103 und eine zweite Bauteilschicht 105 bereitgestellt.In 1 a sequence of a method 100 is shown. An energy input into a first component layer 103 and a second component layer 105 is provided by means of a laser beam 101, which is set to a power “P”.

Der Laserstrahl 101 wird mit einem Schweißvorschub, also einer Geschwindigkeit „v“ entlang einer Oberfläche der ersten Bauteilschicht 103 bewegt, wie durch Pfeil 107 angedeutet. Entsprechend entsteht ein Schmelzbereich 109 in der ersten Bauteilschicht 103 und der zweiten Bauteilschicht 105. Dabei erstreckt sich der Schmelzbereich 109 komplett durch die erste Bauteilschicht 103 hindurch und in einen Oberflächenbereich 111 der zweiten Bauteilschicht 105. Entsprechend wird ein unter dem Oberflächenbereich 111 liegender Stützbereich 113 der zweiten Bauteilschicht 105 nicht aufgeschmolzen.The laser beam 101 is moved along a surface of the first component layer 103 with a welding feed rate, ie a speed “v”, as indicated by arrow 107 . Correspondingly, a melting area 109 is formed in the first component layer 103 and the second component layer 105. The melting area 109 extends completely through the first component layer 103 and into a surface area 111 of the second component layer 105. Correspondingly, a support area 113 of the second component layer 105 lying below the surface area 111 is not melted.

Ein streckenspezifischer Energieeintrag E, der in die erste Bauteilschicht 103 und die zweiten Bauteilschicht 105 eingebracht wird, ergibt sich aus dem Verhältnis der Leistung des Laserstrahls 101 und dem Schweißvorschub. Erfindungsgemäß wird der Schweißvorschub möglichst hoch bzw. möglichst schnelle gewählt, ohne Instabilitäten durch sogenanntes „Humping“ zu generieren. Dabei wird die Leistung des Laserstrahls so weit erhöht, bis eine gewünschte Einschweißtiefe erreicht ist. Dabei gilt, je größer ein Querschnitt eines Schweißbereichs umso mehr Energie muss zum Erreichen der nötigen Einschweißtiefe bereitgestellt werden.A section-specific energy input E, which is introduced into the first component layer 103 and the second component layer 105, results from the ratio of the power of the laser beam 101 and the welding feed. According to the invention, the welding feed rate is selected to be as high or as fast as possible without generating instabilities through so-called "humping". The power of the laser beam is increased until the desired welding depth is reached. The larger the cross-section of a welding area, the more energy has to be provided to reach the required welding depth.

Insbesondere kann der Schweißvorschub derart gewählt werden, dass dieser zu einem metastabilen Zwischenzustand einer aufgeschmolzenen Schlacke führt. Innerhalb dieses Zwischenzustands tritt noch kein „Humping“, also ein Austreten von Schlacke aus dem Schmelzbereich 109 auf, jedoch kann die Schlacke in eine dynamische Bewegung versetzt werden, die ein schnelles Ableiten von Energie aus dem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht ermöglicht.In particular, the welding feed rate can be selected in such a way that it leads to a metastable intermediate state of a molten slag. Within this intermediate state, there is still no “humping”, ie slag escaping from the melting region 109, but the slag can be set in dynamic motion, which enables energy to be dissipated quickly from the surface area of the second component layer.

Bspw. wird in der in 1 dargestellten Situation der Laserstrahl 101 mit einer Leistung von 1kW betrieben und mit einem Schweißvorschub von mindestens 800mm/s bewegt, wie durch Pfeil 107 angedeutet. Dadurch entsteht in der 100µm hohen ersten Bauteilschicht 103 der Schweißbereich 109 mit einem Querschnitt von 40µm. in dem Schweißbereich 109 schmilzt die erste Bauteilschicht 103 komplett und in die zweite Bauteilschicht 105 bereichsweise, lediglich in dem Oberflächenbereich 111, der hier bspw. 35µm hoch ist, auf.For example, in the in 1 In the situation shown, the laser beam 101 is operated with a power of 1 kW and is moved with a welding feed rate of at least 800 mm/s, as indicated by arrow 107. As a result, the welding region 109 with a cross section of 40 μm is formed in the first component layer 103, which is 100 μm high. In the welding area 109, the first component layer 103 melts completely and in the second component layer 105 in certain areas, only in the surface area 111, which is 35 μm high here, for example.

Aufgrund des Schweißvorschubs des Laserstrahls 101 wirkt die durch den Laserstrahl 101 übertragene Energie nur lokal in dem Schmelzbereich 109, sodass eine Übertragung von durch den Laserstrahl 101 bereitgestellter Energie in einen den Schmelzbereich 109 umgebenden Bereich 115 der ersten Bauteilschicht 103 und einen den Schmelzbereich 109 umgebenden Bereich 117 der zweiten Bauteilschicht 105 minimiert wird.Due to the welding advance of the laser beam 101, the energy transmitted by the laser beam 101 acts only locally in the melting region 109, so that a transmission of energy provided by the laser beam 101 into a region 115 of the first component layer 103 surrounding the melting region 109 and a region surrounding the melting region 109 117 of the second device layer 105 is minimized.

Die Erkenntnis, dass Humping bei einem 40µm großen Laserspot bei einer Laserwellenlänge von 1030nm nicht ausgeprägt ist und die Tiefe von während des Schweißvorgangs entstehenden Poren geschwindigkeitsabhängig ist, ermöglicht die Durchführung des Verfahrens 100 mit minimalem Wärmeeintrag in insbesondere die zweite Bauteilschicht 105 und dennoch stabiler mechanischer Anbindung zwischen der ersten Bauteilschicht 103 und der zweiten Bauteilschicht 105.The realization that humping is not pronounced with a 40 µm laser spot at a laser wavelength of 1030 nm and that the depth of pores occurring during the welding process is speed-dependent enables the method 100 to be carried out with minimal heat input, in particular in the second component layer 105, and yet with a stable mechanical connection between the first component layer 103 and the second component layer 105.

In 2 ist eine Fügevorrichtung 200 dargestellt. Die Fügevorrichtung 200 umfasst einen Laser 201, einen Aktuator 203 und eine Kontrolleinheit 205. Die Kontrolleinheit 205 ist dazu konfiguriert, den Aktuator 203 derart anzusteuern, dass der Aktuator 203 den Laser 201 mit einem Schweißvorschub über eine erste Bauteilschicht bewegt, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag eines Laserstrahls des Lasers 201 ein die erste Bauteilschicht bildendes Material tlw. bis zu einer zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird.In 2 a joining device 200 is shown. The joining device 200 includes a laser 201, an actuator 203 and a control unit 205. The control unit 205 is configured to control the actuator 203 in such a way that the actuator 203 moves the laser 201 with a welding feed over a first component layer, which causes through an energy input of a laser beam of the laser 201, a material forming the first component layer is partly melted up to a second component layer, and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.

Insbesondere ist die Kontrolleinheit 205 dazu konfiguriert, einen Energieeintrag durch den Laser 201 in einen Schweißbereich umgebende Bereiche der ersten Bauteilschicht und der zweiten Bauteilschicht zu minimieren, indem die Prozessparameter Schweißvorschub, Leistung des Lasers und Querschnitt des Schweißbereichs aufeinander abgestimmt angepasst werden, wobei der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.In particular, the control unit 205 is configured to minimize an energy input by the laser 201 into areas of the first component layer and the second component layer surrounding a welding area, in that the process parameters welding feed rate, power of the laser and cross section of the welding area are adjusted to one another, with the welding feed rate being at least is 800mm/s.

In 3 ist ein Halbleiterelement 300 dargestellt, das mittels des Verfahrens 100 hergestellt wurde.In 3 Illustrated is a semiconductor device 300 fabricated using method 100 .

Hier ist ein Stromverbinder 301 erkennbar, der über einer Leiterplatte 303 angeordnet ist. Der Stromverbinder 301 und die Leiterplatte 303 sind über einen Schweißbereich 305 verbunden.A power connector 301 which is arranged above a circuit board 303 can be seen here. The power connector 301 and the circuit board 303 are connected via a welding portion 305 .

Der Schweißbereich 305 stellt eine mechanische und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Stromverbinder 301 und der Leiterplatte 303 bereit. Dazu sind der Stromverbinder 301 und die Leiterplatte 303 lotfrei verbunden.The weld area 305 provides a mechanical and electrically conductive connection between the power connector 301 and the circuit board 303 . For this purpose, the power connector 301 and the printed circuit board 303 are connected without solder.

Der Schweißbereich 305 erstreckt sich komplett durch den Stromverbinder 301 und in einen Oberflächenbereich 307, vorliegend eine Kupfermetallisierung der Leiterplatte 303. Hier ist gut zu erkennen, dass der Schweißbereich 305 sich nicht in eine Trägerschicht 309 der Leiterplatte 303 erstreckt. Entsprechend kann die Trägerschicht 309 aus temperatursensitivem Material, wie bspw. Kunststoff gefertigt sein.The welding area 305 extends completely through the power connector 301 and into a surface area 307, in this case a copper metallization of the printed circuit board 303. Here it is easy to see that the welding area 305 does not extend into a carrier layer 309 of the printed circuit board 303. Correspondingly, the carrier layer 309 can be made of temperature-sensitive material, such as plastic.

Durch eine beim Herstellen des Halbleiterelements 300 bereitgestellte Energie kann ein Spalt zwischen dem Stromverbinder 301 und der Kupfermetallisierung entstehen, der bspw. durch aufgeschmolzenen Kunststoff der Leiterplatte 303 bedingt sein kann.A gap between the power connector 301 and the copper metallization can arise due to energy provided during the production of the semiconductor element 300, which gap can be caused, for example, by melted plastic of the printed circuit board 303.

Claims (12)

Verfahren (100) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (103, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten Bauteilschicht (103, 301) und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt, und wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte umfasst: - spaltfreies Anordnen der ersten Bauteilschicht (103, 301) über der zweiten Bauteilschicht (105, 303), - Bewegen eines Laserstrahls (101) mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht (103, 301) mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (103, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird.Method (100) for temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer (103, 301) with a first constant material thickness and a second component layer (105, 303) with a second constant material thickness, wherein at least one electronic component layer (105, 303) Component is arranged, the critical temperature of which is below a melting point of the first component layer (103, 301) and the second component layer (105, 303), and wherein the method (100) comprises the following steps: - arranging the first component layer (103, 301) without a gap over the second component layer (105, 303), - Moving a laser beam (101) with constant power along the first component layer (103, 301) with a welding feed which causes a material forming the first component layer (103, 301) to be partially melted by an energy input from the laser beam (101) up to of the second component layer (105, 303) is melted, and that only material in a surface region (111, 307) of the second component layer (105, 303) is melted by the energy input. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.Method (100) according to claim 1 , characterized in that the welding feed rate is at least 800mm/s. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt einer Fläche, mit der der Laserstrahl (101) den Energieeintrag in die erste Bauteilschicht (103, 301) und die zweite Bauteilschicht (105, 303) bereitstellt, höchstens 75µm, insbesondere höchstens 50µm oder höchstens 40µm, beträgt.Method (100) according to claim 1 or 2 , characterized in that a cross section of an area with which the laser beam (101) provides the energy input into the first component layer (103, 301) and the second component layer (105, 303) is at most 75 µm, in particular at most 50 µm or at most 40 µm . Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (101, 301) eine Materialstärke von mindestens 80µm, insbesondere mindestens 100µm und höchstens 200µm aufweist, und/oder dass der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) eine Materialstärke von höchstens 50µm, insbesondere von höchstens 35µm, aufweist.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first component layer (101, 301) has a material thickness of at least 80 µm, in particular at least 100 µm and at most 200 µm, and/or that the surface area (111, 307) of the second component layer (105, 303) has a material thickness of at most 50 μm, in particular at most 35 μm. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (101, 301) und/oder der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) zumindest tlw. aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first component layer (101, 301) and/or the surface area (111, 307) of the second component layer (105, 303) consists at least partly of copper and/or aluminum . Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) umgeben ist von der mindestens einen Komponente, und dass die mindestens eine Komponente mindestens ein Element der folgenden Liste an Elementen umfasst: Leiterplatte, Kondensator, Keramiksubstrat, Halbleiterelement, Chip.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the surface area (111, 307) of the second component layer (105, 303) is surrounded by the at least one component, and that the at least one component contains at least one element of the following list Elements includes: circuit board, capacitor, ceramic substrate, semiconductor element, chip. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (101) mit einer Wellenlänge von 1030 nm und/oder einer Leistung zwischen 750 Watt und 1,5 KW, insbesondere zwischen 750 Watt und 1 kW, verwendet wird.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (101) is used with a wavelength of 1030 nm and/or a power of between 750 watts and 1.5 kW, in particular between 750 watts and 1 kW. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bauteilschicht (105, 303) ein Teil einer Leistungselektronik ist.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second component layer (105, 303) is part of power electronics. Fügevorrichtung (200) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (101, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt, wobei die Fügevorrichtung (200) umfasst: - einen Laser (201), - einen Aktuator (203), - eine Kontrolleinheit (205), wobei die Kontrolleinheit (205) dazu konfiguriert ist, den Aktuator (203) derart anzusteuern, dass der Aktuator (203) den Laser (201) mit einem Schweißvorschub über die erste Bauteilschicht (101, 301) bewegt wird, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (101, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird.Joining device (200) for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer (101, 301) with a first constant material thickness and a second component layer (105, 303) with a second constant material thickness, wherein at least one electronic component layer (105, 303) component is arranged, the critical temperature of which is below a melting point of the first and the second component layer (105, 303), wherein the joining device (200) comprises: - a laser (201), - an actuator (203), - a control unit (205), wherein the control unit (205) is configured to control the actuator (203) in such a way that the actuator (203) moves the laser (201) with a welding feed over the first component layer (101, 301), which causes a energy input of the laser beam (101), a material forming the first component layer (101, 301) is partially melted up to the second component layer (105, 303), and that the energy input only melts material in a surface region (111, 307) of the second component layer (105, 303) is melted. Fügevorrichtung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (200) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.Joining device (200) after claim 9 , characterized in that the joining device (200) is configured to a method (100) according to any one of Claims 1 until 8th to perform. Halbleiterelement (300), umfassend eine erste elektrisch leitende Bauteilschicht (301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und eine zweite Bauteilschicht (303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei die erste Bauteilschicht (301) und die zweite Bauteilschicht (303) verbunden wurden mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Semiconductor element (300), comprising a first electrically conductive component layer (301) with a first constant material thickness and a second component layer (303) with a second constant material thickness, wherein the first component layer (301) and the second component layer (303) have been connected by means of a Procedure according to one of Claims 1 until 8th . Halbleiterelement (300) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (301) und die zweite Bauteilschicht (303) lotfrei verbunden sind.Semiconductor element (300) according to claim 11 , characterized in that the first component layer (301) and the second component layer (303) are connected without solder.
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