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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die zwei, insbesondere parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger aufweist, wobei zwischen den beiden Schaltungsträgern eine Bondverbindung ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2019 215 471 A1 ist es bekannt, einen Schaltungsträger in einem Kontaktbereich mittels eines Bondelements zu verbinden, wobei die Verbindung durch eine Laserschweißverbindung ausgebildet wird.
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Weiterhin ist es aus der
DE 10 2008 017 152 A1 bekannt, zur elektrischen Kontaktierung zwischen einem Kontaktpartner und der Unterseite eines Schaltungsträgers bzw. einer Leiterplatte die Leiterplatte im Bereich einer Kontaktstelle mit einer Durchgangsöffnung zu versehen. Dadurch kann ein Laserstrahl einer Laserstrahleinrichtung von der dem Kontaktpartner gegenüberliegenden Seite des Schaltungsträgers auf die Kontaktstelle einwirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie auf besonders einfache und zuverlässige Weise eine mechanisch und thermisch relativ hoch belastbare Verbindung eines Bondelements mit einem oberhalb eines ersten Schaltungsträgers angeordneten zweiten Schaltungsträger ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die beim Ausbilden einer Bondverbindung an dem ersten Schaltungsträger zwischen den beiden Bondenden entstehende, vom ersten Schaltungsträger in Richtung zum zweiten Schaltungsträger ragende Schleife des Bondelements dazu zu nutzen, diese mittels einer Laserschweißverbindung mit dem zweiten, insbesondere parallel zum ersten Schaltungsträger angeordneten Schaltungsträger zu kontaktieren. Durch die Laserschweißverbindung wird insbesondere eine gegenüber einer Lötverbindung relativ temperaturfeste bzw. hohe mechanische Belastung zwischen den beiden Schaltungsträgern ermöglichende Verbindung zwischen dem Bondelement und dem zweiten Schaltungsträger erzielt.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit zwei übereinander angeordneten Schaltungsträgern und wenigstens einem Bondelement vorgesehen, dass das wenigstens eine Bondelement, das mit seinen beiden Bondenden mit dem ersten Schaltungsträger kontaktiert ist, mit einer zwischen den beiden Bondenden ausgebildeten Schleife des Bondelements mit dem zweiten Schaltungsträger in einem Kontaktbereich durch eine Laserschweißverbindung verbunden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um insbesondere die Möglichkeit zu schaffen, den Laserstrahl auch von der dem ersten Schaltungsträger gegenüberliegenden Seite auf den zweiten Schaltungsträger, unmittelbar auf den Kontaktbereich, einwirken zu lassen, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Schaltungsträgers vorgesehen, dass der zweite Schaltungsträger im Kontaktbereich mit dem Bondelement eine reduzierte Dicke aufweist. Die Ausbildung eines derartigen zweiten Schaltungsträgers kann entweder bereits bei der Herstellung des Schaltungsträgers durch eine entsprechende reduzierte Anzahl von Lagen am zweiten Schaltungsträger erfolgen, oder aber bevorzugt dadurch, dass der zweite Schaltungsträger im Kontaktbereich nachträglich mit einer Aussparung bzw. Vertiefung zur Reduzierung der Dicke des Schaltungsträgers ausgestattet wird.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es weiterhin insbesondere vorgesehen, dass die reduzierte Dicke durch wenigstens eine Vertiefung im zweiten Schaltungsträger gebildet ist, die auf der der Laserschweißverbindung abgewandten Seite im zweiten Schaltungsträger ausgebildet ist.
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Um nach dem Ausbilden der Schaltungsanordnung eine besonders geschützte Anordnung, auch im Bereich der reduzierten Dicke des zweiten Schaltungsträgers, zu ermöglichen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass der zweite Schaltungsträger im Bereich seiner reduzierten Dicke mit einer Vergussmasse versehen ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass diese Vergussmasse nicht nur die Vertiefung im Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers ausfüllt, sondern beispielsweise den zweiten Schaltungsträger auf der dem ersten Schaltungsträger abgewandten Seite zumindest nahezu vollständig überdeckt.
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Eine weitere grundsätzliche Art und Weise der Ausbildung der Schaltungsanordnung sieht vor, dass sowohl der erste Schaltungsträger als auch der zweite Schaltungsträger als starre Schaltungsträger ausgebildet sind. Derartige Schaltungsträger, insbesondere in Form von Substraten, können z.B. in Form eines DBCs (direct bonded copper), eines AMBs (active metal brazed), einer IMS (insulated metal substrate) oder einer Leiterplatte ausgebildet sein.
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In alternativer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann es vorgesehen sein, dass der erste Schaltungsträger als starrer Schaltungsträger und der zweite Schaltungsträger als flexibler Schaltungsträger ausgebildet ist. Eine derartige flexible Ausbildung des zweiten Schaltungsträgers kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dieser aus einem Kunststoff (z.B. Polyimid) mit einer Kupferlage besteht. Derartige, flexible Schaltungsträger werden auch als „Flexfolie“ bezeichnet.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Ausbilden bzw. Herstellen einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: Zunächst erfolgt das Ausbilden einer Bondverbindung im Bereich zweier Bondenden des wenigstens einen Bondelements am ersten Schaltungsträger. Anschließend erfolgt das Positionieren und in Kontaktbringen des zweiten Schaltungsträgers oberhalb des ersten Schaltungsträgers im Bereich der Schleife des wenigstens einen Bondelements. Zuletzt erfolgt das Ausbilden einer Laserschweißverbindung zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Schleife im Kontaktbereich.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Laserstrahl zur Ausbildung der Laserschweißverbindung von der dem ersten Schaltungsträger abgewandten Seite des zweiten Schaltungsträgers auf den Kontaktbereich einwirkt.
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Insbesondere ist es bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass der zweite Schaltungsträger vor dem Positionieren und in Kontaktbringen des zweiten Schaltungsträgers mit der Schleife oberhalb des ersten Schaltungsträgers im Bereich der Schleife des wenigstens einen Bondelements mit einer reduzierten Dicke versehen wird, bei der wenigstens eine Vertiefung im Kontaktbereich im zweiten Schaltungsträger ausgebildet wird, derart, dass lediglich noch eine Kontaktschicht im Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers verbleibt.
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Insbesondere im Zusammenhang mit dem Kontaktieren mehrerer Bondelemente bzw. dem Ausbilden mehrerer Laserschweißverbindungen ist es zur Gewährleistung der Kontaktierung aller Schleifen der Bondelemente am zweiten Schaltungsträger vorgesehen, dass vor dem Positionieren und in Kontaktbringen des zweiten Schaltungsträgers mit der Schleife oberhalb des ersten Schaltungsträgers im Bereich der Schleife des wenigstens einen Bondelements die Schleife des wenigstens einen Bondelements mittels eines stempelförmigen Hilfswerkzeugs durch Verringerung des Abstands zum ersten Schaltungsträger auf ein gewünschtes Niveau oberhalb des ersten Schaltungsträgers gebracht wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie deren Verfahren zur Herstellung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung während deren Herstellung beim Verbinden zweier Bonddrähte mit einem zweiten Schaltungsträger,
- 2 eine gegenüber 1 abgewandelte Schaltungsanordnung unter Verwendung eines zweiten, flexiblen Schaltungsträgers,
- 3 einen Längsschnitt im Bereich einer Bondanordnung eines ersten Schaltungsträgers zur Vorbereitung der Kontaktierung mit einem zweiten Schaltungsträger und
- 4 einen Längsschnitt durch einen zweiten Schaltungsträger, bei dem Aussparungen bzw. Vertiefungen an beiden Seiten des Schaltungsträgers ausgebildet sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erste Schaltungsanordnung 10 dargestellt, die zwei übereinander und vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger 12, 14 umfasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Schaltungsträger 12, 14 jeweils als starre Schaltungsträger 12, 14 ausgebildet. Der erste Schaltungsträger 12 ist als Leistungsmodulteil ausgebildet und umfasst einen Leistungshalbleiter 16, bestehend aus Si, SiC oder GaN. Auf dem ersten Schaltungsträger 12 sind an dessen Ober- bzw. Unterseite darüber hinaus jeweils vorzugsweise aus Kupfer bestehende elektrisch leitende Bereiche 18, 20 ausgebildet. Der Leitungshalbleiter 16 ist vorzugsweise über eine Sinterschicht 22 mit dem elektrisch leitenden Bereich 20 kontaktiert, um eine temperaturstabile Verbindung herzustellen.
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Die Kontaktierung des Leistungshalbleiters 16 auf dessen Oberseite mit den elektrisch leitenden Bereichen 18 des ersten Schaltungsträgers 12 erfolgt beispielhaft mittels zweier Bondelemente 24, 26, die in üblicher Art und Weise entweder in Form eines Bändchens oder Draht, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupfer-Aluminium-Kombination oder aber auch aus Aluminium, ausgebildet sind. Wesentlich dabei ist, dass in einem Bereich zwischen den jeweiligen beiden Bondenden 28, 29 jedes Bondelements 24, 26 nach dem Ausbilden der Bondverbindungen eine von dem ersten Schaltungsträger 12 bzw. dem Leistungshalbleiter 16 wegragende Schleife 30, 32 ausgebildet ist.
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Zur Kontaktierung der beiden Schleifen 30, 32 in jeweils einem Kontaktbereich 34, 36 des zweiten Schaltungsträgers 14 ist der in Form einer Leiterplatte ausgebildete zweite Schaltungsträger 14 fluchtend zu den Kontaktbereichen 34, 36 mit jeweils einer Vertiefung bzw. Aussparung 38, 40 ausgestattet. Die Aussparungen 38, 40 haben zur Folge, dass der zweite Schaltungsträger 14 in deren Bereich eine Dicke d aufweist, die geringer ist als die Dicke D des zweiten Schaltungsträgers 14 außerhalb der Kontaktbereiche 34, 36.
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Ergänzend wird erwähnt, dass das Ausbilden der Aussparungen 38, 40, d.h. das Abtragen entsprechender Lagen der Leiterplatte z.B. mittels Laserabtragen, Fräsen oder Bohren erfolgen kann, sodass nur noch die unterste, den Schleifen 30, 32 der Bondelemente 24, 26 zugewandte Kupferschicht 42 als Kontaktschicht stehenbleibt.
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Weiterhin ist anhand der 1 erkennbar, dass der zweite Schaltungsträger 14 auf der dem ersten Schaltungsträger 12 abgewandten Seite mit weiteren elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen 44 versehen ist, die mittels an sich bekannter Verfahren mit dem zweiten Schaltungsträger 14 verbunden sind.
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Die Verbindung der beiden Schaltungsträger 12, 14 im Bereich der Schleifen 30, 32 erfolgt jeweils mittels einer Laserschweißverbindung 45, 46, die beispielhaft mittels zweier Laserstrahlen 1, 2 erzeugt werden. Wesentlich dabei ist, dass die beiden Laserstrahlen 1, 2 von der dem ersten Schaltungsträger 12 abgewandten Seite des zweiten Schaltungsträgers 14 auf den Bereich der Kupferschichten 42 einwirken und zu einer Verschweißung mit den Schleifen 30, 32 führen.
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Ergänzend wird erwähnt, dass zur Erzeugung der Laserstrahlen 1, 2 unterschiedliche Laserstrahlquellen in Kombination mit Laseroptiken (Festoptiken oder Scanner) und Schweißstrategien (zeitliche und örtliche Leistungs- und Strahlmodulation) verwendet werden können. Vorzugsweise werden Laserstrahleinrichtungen mit einer Emissionswellenlänge zwischen 900nm und 1100nm und im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 355nm und 800n oder deren Kombinationen verwendet. Es können jedoch auch grüne (ungefähr 515nm) und blaue (ungefähr 450nm) Laserstrahlwellenlängen Vorzüge beim Schweißen bieten.
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Typischerweise ist der Ausbildung der Laserschweißverbindungen 45, 46 ein Schritt zeitlich vorgelagert, der dafür sorgt, dass die beiden Schleifen 30, 32 der Bondelemente 24, 26 denselben Abstand zu den Kontaktbereichen 34, 36 bzw. den Kupferlagen 42 des zweiten Schaltungsträgers 14 aufweisen. Hierzu kann es insbesondere entsprechend der 3 vorgesehen sein, dass ein senkrecht zur Ebene des ersten Schaltungsträgers 12 entsprechend des Doppelpfeils 48 beweglich angeordnetes, stempelartiges Hilfswerkzeug 50 eingesetzt wird, das dafür sorgt, dass die beiden Schleifen 30, 32 denselben Abstand a zum Leistungshalbleiter 16 aufweist.
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In der 2 ist eine Schaltungsanordnung 10a dargestellt, bei der der zweite Schaltungsträger 14a als flexibler zweiter Schaltungsträger 14a, insbesondere in Form einer sogenannten Flexfolie 52, ausgebildet ist. Diese Flexfolie 52 besteht beispielsweise aus einem Polyimid mit einer Kupferlage. Im Bereich der Laserschweißverbindungen 45, 46 ist entsprechend dem zweiten Schaltungsträger 14a vorzugsweise vorab ein Entfernen der entsprechenden Kunststoffschicht vorgesehen.
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Zuletzt ist in der 4 ein zweiter Schaltungsträger 14b dargestellt, bei dem nicht nur an der Oberseite des zweiten Schaltungsträgers 14b Vertiefungen bzw. Aussparungen 54, 56, 58 ausgebildet sind, sondern auch an der (dem ersten Schaltungsträger 12) zugewandten Unterseite eine Aussparung 60. Die Aussparung 60 dient insbesondere auch dazu, einen komplexen Stromfluss in verschiedenen Ebenen des zweiten Schaltungsträgers 14b zu ermöglichen.
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Die soweit beschriebenen Schaltungsanordnungen 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es selbstverständlich vorgesehen sein, dass der erste Schaltungsträger 12 nicht nur einen Leistungshalbleiter 16 aufweist, sondern mehrere derartige Leistungshalbleiter 16 o.ä., mittels Bondelementen 24, 26 mit dem ersten Schaltungsträger 12 kontaktierte Bauelemente. Weiterhin können auch mehrere erste Schaltungsträger 12 nebeneinander angeordnet sein, um mit dem zweiten Schaltungsträger 14, 14a, 14b verbunden zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019215471 A1 [0002]
- DE 102008017152 A1 [0003]
