DE102023110340B3

DE102023110340B3 - Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls sowie SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul

Info

Publication number: DE102023110340B3
Application number: DE102023110340.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Göbl
Original assignee: Icutech Anlagenbau GmbH
Current assignee: Icutech Anlagenbau GmbH
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2023-04-24
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2043-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls, umfassend folgende Schritte:Bereitstellung eines mit Kontaktstellen (3) und einer Isolierung versehenen SMD-Schaltungsträgers (1, 10),Bereitstellen mindestens eines diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5), vorzugsweise Anschlussbeinchen, versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4),Anordnen des mindestens einen diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5) versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4) an der mit den Kontaktstellen (3) versehenen Seite des SMD-Schaltungsträgers (1, 10), wobei die Anschlusselemente (5) des Leistungshalbleiterbauelements (4) die Kontaktstellen (3) des SMD-Schaltungsträgers (1, 10) kontaktieren, sowieVerbinden der Anschlusselemente (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls, bei dem mindestens ein diskretes, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen versehenes Leistungshalbleiterbauelement auf einem mit Kontaktstellen versehenen SMD-Schaltungsträger in SMD-Bauweise montiert wird. Die mechanische Befestigung sowie elektrische Kontaktierung erfolgt hierbei an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
Technologischer Hintergrund
Diskrete SMD-Leistungshalbleiterbauelemente werden heute als SMD-Komponenten in großen Stückzahlen eingesetzt und auf SMD-Schaltungsträger, z.B. auf Leiterplatten (PCBs) oder auf IMS-Substrate, im Weichlotverfahren gelötet. Dabei werden alle drei Kontakte des Bauelementes, nämlich Kollektor, Emitter und Gate, mit einer Stromleitung des SMD-Schaltungsträgers verlötet. Mit steigender Leistungsfähigkeit der Leistungshalbleiterchips steigen auch die Stromstärken, so dass neuere Leistungshalbleiterchips eine höhere Stromtragfähigkeit aufweisen. Durch die höheren Ströme in diesen Bauelementen werden die Kontakte stärker erwärmt, wodurch die Zuverlässigkeit in den Applikationen sinkt. Die Art der Verbindung der Kontakte in dem Leistungshalbleiterbauelement bestimmt somit die Strombelastbarkeit des Leistungshalbleiterbauelements. Dies bedeutet, dass der Strom notfalls reduziert oder begrenzt werden muss, um die geforderte Zuverlässigkeit der Schaltung zu gewährleisten. Besonders relevant wird dies, wenn die Leistungsschaltung mit SMD-Bauelementen auf Schaltungsträger, die im Gegensatz zu PCBs auch eine verstärkte Kühlfunktion der Schaltung übernehmen können, aufgebaut wird. Dann begründen die geringen Kupferquerschnitte der Anschlussbeinchen und die zusätzlichen ohmschen Widerstände aufgrund der Weichlotverbindung Verluste, die die wirtschaftliche Ausnutzung der Stromtragfähigkeit der Chips behindern oder die Zuverlässigkeit der Schaltung reduzieren.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 100 38 092 A1 bekannt. Hierbei wird ein SMD-Bauelement über seine metallischen Kontaktbeine mittels Laserschweißen an den inneren Anschlussenden von Stanzgitter-Leiterbahnen eines Metallstreifengitters elektrisch kontaktiert und hierdurch gleichzeitig mechanisch befestigt. Ferner wird gemäß einer ersten Alternative die metallische Unterseite des SMD-Bauelements mit einer Wärmesenke verschweißt. Hierzu muss die Wärmesenke geeignete Anprägungen mit einer definierten Dicke aufweisen, damit der Laserstrahl von der Unterseite des Kühlkörpers her ein Verschmelzen zwischen Kühlkörper und der Unterseite des SMD-Bauelements bewirken kann. Hierzu muss der Laserstrahl von der Seite oder von unten zugeführt werden. In einer hierzu alternativen Ausgestaltung wird die Metallunterseite des SMD-Bauelements in den Kühlkörper per Presspassung integriert. Hierzu muss die metallische SMD-Unterseite über die Kunststoffumspritzung des SMD-Bauelements hinausragen. Eventuell kann die thermische Verbindung einer solchen Presspassung durch eine wärmeleitende Paste, die zusätzlich zwischen der Unterseite des SMD-Bauelements und dem Kühlkörper angebracht wird, noch unterstützt werden.
Aus der DE 10 2009 048 519 A1 ist ein hydrodynamisches Lager bekannt, bei dem Laserstrahlen mit einer wobbelnden Bewegung zum Einsatz kommen.
Bei der DE 10 2013 213 448 B4 werden Leistungshalbleiter auf der Oberseite eines Substrats angebracht, dessen Unterseite mit einem Kühlkörper verbunden ist. Die elektrische Verbindung der Leistungshalbleiter und der Kontaktstellen des Substrats erfolgen durch Auflöten in einem Reflow-Prozess.
Aus EP 2 458 632 A1 ein Kühlkörpermodul für elektronische Halbleitervorrichtungen bekannt, bei dem mehrere elektronische Halbleitervorrichtungen an einem mit Rippen versehenen Ableitkörper mittels eines Befestigungsrahmens, Blattfedern sowie Befestigungsschrauben fixiert sind. Der Befestigungsrahmen legt hierbei die genaue Anordnung der einzelnen Halbleitervorrichtungen fest. Die Anschlussbeinchen der elektronischen Halbleitervorrichtungen erstrecken sich in senkrechter Richtung durch eine Leiterplatte hindurch und werden auf der dem Kühlkörpermodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte mit Letzterer durch Wave-Schweißen oder Point-to-Point-Schweißen verbunden. Die mechanische Befestigungsebene sowie elektrische Anschlussebene der elektronischen Halbleitervorrichtungen befinden sich daher auf unterschiedlichen Seiten der Leiterplatte.
Aus der DE 10 2019 205 772 A1 ist ein Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers bekannt. Zur Kühlung ist an der Unterseite einer Leiterplatte ein Kühlkörper mit einer Kühloberfläche angeordnet. Die Leistungshalbleiter sind unmittelbar auf dem Kühlkörper befestigt und ragen durch in der Leiterplatte zwingend vorzusehende Durchgangsöffnungen hindurch. Die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter sind mit Anschlussflächen an der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte elektrisch verbunden. Als mögliche Verbindung wird Löten, insbesondere Spaltkopflöten, aber auch Schweißen genannt. Hierbei handelt es sich jedoch um kein SMD-Leistungshalbleiterbauelement, da die Befestigung des Leistungshalbleiters unmittelbar auf dem Kühlkörper erfolgt. Die Leistungshalbleiter müssen mit einer unterseitigen Isolierung versehen sein, da sie unmittelbar auf der Oberseite des Kühlkörpers befestigt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodule mit hoher Stromtragfähigkeit in einfacher Produktionstechnik herzustellen.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Ein erfindungsgemäßes SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul wird in den Ansprüchen 22 und 23 gelehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls umfasst folgende Schritte:

Bereitstellung eines mit Kontaktstellen, einer Isolierung bzw. einem Isolator und einem Kühler versehenen SMD-Schaltungsträgers,
Bereitstellen mindestens eines diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen sowie einer elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche versehenen Leistungshalbleiterbauelements,
Anordnen des mindestens einen diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen versehenen Leistungshalbleiterbauelements an der mit den Kontaktstellen versehenen Seite des SMD-Schaltungsträgers, wobei die Anschlussbeinchen des Leistungshalbleiterbauelements die Kontaktstellen des SMD-Schaltungsträgers kontaktieren, sowie
Verbinden lediglich der Anschlussbeinchen mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen durch Laserschweißen. Erfindungsgemäß wird zwischen der elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements und dem SMD-Schaltungsträger ein Druckkontakt zur dauerhaften elektrischen und thermischen Kontaktierung erzeugt, wobei
der Druckkontakt über ein Halteteil erzeugt wird, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement und SMD-Schaltungsträger zwischen dem Halteteil und einem, vorzugsweise einbauseitigen, Gegenlager eingespannt wird. Dementsprechend werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Leistungshalbleiterbauelemente mit einer unterseitigen elektrischen Kontaktierung (d.h. ohne Isolierung) verwendet.

Vorzugsweise ist als SMD-Schaltungsträger eine Leiterplatte, ein sogenanntes IMS-Substrat oder ein Lead-Frame vorgesehen. Bei dem IMS-Substrat handelt es sich um eine Leiterbahnstruktur auf einem Isolator. Bei Lead-Frames handelt es sich um metallisches Gitter, z. B. Stanzgitter, welche Leiterbahnen darstellen. Diese können isoliert sein und/oder mit einer Kühlstruktur oder einem Kühlkörper oder einer Kühlschicht versehen sein.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leistungshalbleiterbauelement somit in SMD-Bauweise an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers befestigt, an der die elektrische Kontaktierung der Anschlussbeinchen desselben an dem SMD-Schaltungsträger erfolgt. Die mechanische Befestigungsebene sowie elektrische Kontaktierungsebene sind somit gleich oder zumindest parallel zueinander auf ein und derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers. Hierdurch wird die Montage von SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodulen ganz erheblich vereinfacht. Aufgrund des Verbindens der Anschlussbeinchen mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen durch Laserschweißen anstatt durch Löten wird zudem die Stromtragfähigkeit des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erheblich verbessert. Beim Laserschweißen werden die Anschlussbeinchen und Kontaktstellen in dem betreffenden Bereich des Laserstrahls geschmolzen, so dass sich eine innige Verbindung der Fügepartner ergibt. Durch das Laserschweißen lässt sich somit eine monometallische Verbindung herstellen. Daraus resultiert der Vorteil, dass diese Art der stoffschlüssigen Verbindung einen Betrieb des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls mit höheren Stromstärken im Gegensatz zu Lötverbindungen zulässt. Darüber hinaus lässt die erfindungsgemäße Verbindung auch einen Betrieb des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls bei höheren Temperaturen im Vergleich zu den bei einer Lötverbindung möglichen Temperaturen zu. Außerdem ist im Vergleich zu einer Lötverbindung ein nachhaltigerer Betrieb unter hohen Lastwechselbedingungen möglich. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erreicht werden. Zudem wird erreicht, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit der vollständigen Leistungsfähigkeit seiner Leistungshalbleiterbauelemente betrieben werden kann, also keine „Begrenzung“ vorgenommen werden muss.
Bei der Kontaktierung (der Kontaktstelle und des Anschlussbeinchens) handelt es sich um eine für eine Lötverbindung übliche Kontaktierung, bei der die Kontaktstelle und/oder das Anschlussbeinchen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen/besteht. Infolge dessen kann das erfindungsgemäße Verfahren bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen (z.B. TO 263; D²Pack, SO-8) bzw. Schaltungsträgern (z.B. Leiterplatten, PCBs, DCB-Substrate, IMS-Substrate, Lead-Frames), bei denen nach wie vor eine entsprechende Kontaktierung vorgesehen ist, angewandt werden. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn die Leistungsschaltung mit SMD-Bauelementen auf IMS-Substrate, die im Gegensatz zu PCBs auch eine verstärkte Kühlfunktion der Schaltung übernehmen können, aufgebaut werden. Dann würden geringe Kupferquerschnitte der Anschlüsse und die zusätzlichen ohmschen Widerstände bei deren herkömmlicher Weichlötung zu Verlusten führen, die die wirtschaftliche Ausnutzung der Stromtragfähigkeit der Chips behindern oder die Zuverlässigkeit der Schaltung reduzieren. Dies kann durch die Erfindung wirksam vermieden werden. Die Kontaktstelle und/oder das Anschlussbeinchen können dabei vorverzinnt sein.
Vorteilhaft ist, wenn das Anschlussbeinchen in dem Bereich des Anschlussbeinchens, in dem das Laserschweißen stattfindet, parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers verlaufend ausgebildet ist.
Bei Anschlussbeinchen sind besonders geringe Anschlussquerschnitte gegeben. Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da die Laserschweißverbindung im Vergleich zu einer Lötverbindung geringere ohmsche Widerstände verursacht.
Erfindungsgemäß ist bei dem Leistungshalbleiterbauelement die Laserschweißverbindung nur auf den Bereich der Anschlussbeinchen beschränkt. Im Bereich des weiteren unterseitigen Kontaktbereichs des Leistungshalbleiterbauelements mit dem SMD-Schaltungsträger ist erfindungsgemäß keine Laserschweißverbindung vorgesehen.
Die Anschlussbeinchen sind vorzugsweise stufenförmig ausgebildet, damit sie einerseits in dem zu schweißenden Bereich parallel zur Verbindungsebene verlaufen und/oder an die Bauhöhe der Anordnung angepasst ist. Andererseits wird hierdurch der Vorteil geschaffen, dass der Laserstrahl von oben ungestört und gleichmäßig auf der zu schweißenden Stelle einkoppeln kann.
Untersuchungen haben ergeben, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Laserschweißverbindung durch einen zusammenhängenden Aufschmelzbereich gebildet wird. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Energieeintrag bei einer durch die schmalen Anschlussbeinchen bedingten geringen Kontaktfläche möglich und damit eine wirksame und stabile Kontaktierung geschaffen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn alternativ oder zusätzlich die Laserschweißverbindung mittels eines wobbelnden Laserstrahls durchgeführt wird. Auch hierdurch wird der Bereich der Einkopplung des Laserstrahls vergrößert und damit ein lokal zu starkes Aufschmelzen, welches zu Löchern führen kann, vermieden.
Die Laserschweißung erfolgt vorzugsweise mit einem IR-Laser. Die Anwendung eines IR-Lasers hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, da sich durch seine Anwendung an der Oberfläche der Schweißstelle zunächst ein Oxid, insbesondere Kupferoxid, bildet, wodurch der Reflexionsgrad für den Laserstrahl sinkt und hierdurch eine verbesserte Einkopplung des Laserstrahls bzw. von dessen Energie erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sich das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen versehene Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, zwischen dem SMD-Schaltungsträger und einem Halteteil befinden.
Das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen versehene Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, kann aufgrund einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Laserschweißen zunächst auf dem Halteteil positioniert und fixiert werden. Das Halteteil wirkt in diesem Fall als Transferteil. Hierbei kann das diskrete Leistungshalbleiterbauelement bzw. die Mehrzahl der diskreten Leistungshalbleiterbauelemente bereits in einer besonderen Anordnung am Halteteil fixiert werden, beispielsweise in einer kreisförmigen oder sternförmigen Anordnung. Dabei kann es sich um eine vorab endgültig festzulegende Anordnung in einer bestimmten Anwendung handeln. Das Halteteil kann in einer zweckmäßigen Ausgestaltung am herzustellenden Leistungshalbleiterbauelementmodul verbleiben, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente bei der nachfolgenden Laserschweißung sicher in ihrer Position stabilisiert sind. Das Halteteil dient auch als mechanisches Lager in der Gesamtanordnung.
In einer hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das mindestens eine diskrete Leistungshalbleiterbauelement bzw. die Mehrzahl der diskreten Leistungshalbleiterbauelemente in einer besonderen Anordnung, beispielsweise in einer kreisförmigen oder sternförmigen Anordnung z. B. von einem Greifer erfasst und am herzustellenden Leistungshalbleiterbauelementmodul positioniert werden. Anschließend wird mittels dem Halteteils das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement nur während des Laserschweißens Lage-fixiert. Anschließend kann das Halteteil wieder entfernt werden. In diesem Fall wirkt das Halteteil nur als temporärer Halter während der Laserschweißens.
Die Fixierung der Leistungshalbleiterbauelemente auf dem Halteteil kann durch Verklebung, beispielsweise durch Klebepunkte auf den Oberseiten der Leistungshalbleiterbauelemente, erfolgen.
In vorteilhafter Weise weist das Halteteil Schweißfenster auf, durch die hindurch das Laserschweißen erfolgt. Hierdurch kann ein vorteilhafte Einkopplung des Laserstrahls von oben erfolgen. Gleichzeitig werden andere Bereiche des SMD-Schaltungsträgers vor einer Beeinträchtigung durch den Laserstrahl geschützt bzw. abgeschirmt. Insbesondere können hierbei Schweißrückstände aufgrund der Abschirmung zurückgehalten werden. Darüber hinaus ermöglicht das Vorhandensein von Schweißfenstern das Einbringen von Isolationsmaterial auf die Schweißstellen bzw. das Einbringen einer Vergussmasse, sofern das gesamte Volumen, welches auch durch das Halteteil gebildet oder zumindest begrenzt wird, ausgegossen werden kann.
Zudem kann zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und dem SMD-Schaltungsträger zusätzlich der Druckkontakt zur elektrischen und thermischen Kontaktierung in dem SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul über das Halteteil erzeugt werden, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement und Schaltungsträger zwischen dem Halteteil und einemerfindungsgemäß einbauseitigen Gegenlager eingespannt wird. Bei dem Letzterem kann es sich beispielsweise um einen an der Unterseite des SMD-Schaltungsträgers befindlichen Kühlkörper handeln oder um ein einbauseitiges Gegenlager, z.B. ein Gehäuseteil, mit dem das Leistungshalbleiterbauelementmodul im Einsatz verbaut wird. Zudem kann aufgrund der Verwendung des Halteteils für das Einspannen des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements die Notwendigkeit einer Anpassung der Form oder Ausgestaltung des Leistungshalbleiterbauelements selbst z.B. für ein Einpressen desselben entfallen. Das Leistungshalbleiterbauelement selbst muss nicht angepasst werden, sondern muss lediglich auf der auf dem Isolator befindlichen Leiterbahnstruktur des SMD-Schaltungsträgers aufliegen. Der Druckkontakt kann insbesondere z.B. durch Verschraubung des Halteteils mit dem Kühlkörper oder durch Verpressen des Halteteils mit dem SMD-Schaltungsträger erreicht werden. Durch den Druckkontakt wird eine zuverlässige elektrische und thermische Kontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements mit dem SMD-Schaltungsträger erzeugt, welcher bei Temperaturschwankungen oder auch mechanischen Einflüssen stets einen guten elektrischen und thermischen Kontakt gewährleistet.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann ein elastisches Element zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und dem Halteteil angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass die Leistungshalbleiterbauelemente mit gleicher oder zumindest ähnlicher Kraft auf dem SMD-Schaltungsträger angedrückt werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung, dass auch bei Höhenunterschieden aufgrund unterschiedlicher hoher Leistungshalbleiterbauelementen mittels dem Halteteil ein Druckkontakt durch Einspannen erzeugt werden kann.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem elastischen Element um ein Silikonschaumpolster.
Das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, kann zunächst in einer vorher festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer, vorzugsweise selbstklebenden, Bestückfolie positioniert werden und dort fixiert werden, wobei das Halteteil anschließend auf dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise auf der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente, in der vorher auf der Bestückfolie festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung fixiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, die Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen vorher, z.B. im großtechnischen Maßstab, zu konfektionieren, bevor die Anordnung auf ein als Transferteil zu verwendendes Halteteil übertragen oder von einem Greifer abgenommen wird. Beispielsweise können so eine Vielzahl von Anordnungen und/oder Ausrichtungen einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf einer Vorratsrolle für den Herstellungsvorgang bereitgestellt werden.
Die Folie wird nach dem Fixieren der Leistungshalbleiterbauelemente auf dem als Transferteil zu verwendendem Halteteil von Letzterem entfernt.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Folie um eine selbstklebende Folie.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit einer niederinduktiven Verschaltungsebene ausgeführt sein kann. Eine niederinduktive Verschaltungsebene ermöglicht vor allem ein schnelles Schalten. Insbesondere kann als SMD-Schaltungsträger auch ein mehrschichtiger, mindestens einen ersten sowie zweiten Isolator sowie eine erste und zweite Leiterbahnstruktur umfassender SMD-Schaltungsträger im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, wobei sich die Kontaktstelle an der ersten Leiterbahnstruktur oder zweiten Leiterbahnstruktur befinden kann. Es kann auch ein Aufbau mit mehr als zwei Isolatoren bzw. Isolationsschichten hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es auch, dass der zweite Isolator mit der zweiten Leiterbahnstruktur seitlich zum Halbleiterbauelement angeordnet sein kann. Auch hier kann ein Laserschweißen der Anschlussbeinchen des Leistungshalbleiterbauelements mit der seitlich angeordneten zweiten Leiterbahnstruktur in der erfindungsgemäßen Weise erfolgen.
Insbesondere kann sich die Kontaktstelle an der zweiten Leiterbahnstruktur befinden, wobei der zweite Isolator mit der zweiten Leiterbahnstruktur abgewinkelt ist und die erste Leiterbahnstruktur entsprechend bzw. gemäß dem zweiten Isolator auch abgewinkelt ist und von Letzterem fortgeführt wird. Die Kontaktierung befindet sich hierbei in dem parallel zum ersten Isolator angeordneten Bereich der zweiten Leiterbahnstruktur.
Zweckmäßigerweise kann zur Erfüllung der Kühlfunktion unterhalb des SMD-Schaltungsträgers ein Kühler, vorzugsweise in Form eines Kühlkörpers, zur Wärmeableitung angeordnet sein. Insbesondere kann ein Kühlkörper aus Aluminium, vorzugsweise aus Reinaluminium, wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Bei diesen Kühleinrichtungen und -bedingungen können die in den Halbleiterbauelementen enthaltenen Halbleiterchips optimalen Leistungs- und Zuverlässigkeitsansprüchen genügen.
Mit besonderem Vorteil kann das Halbleiterbauelement für eine Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V ausgelegt sein. Insbesondere für diesen Bereich der Leistungselektronik ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da die Laserschweißverbindung die durch die hohen Stromstärken und Spannungen der Halbleiterbauelemente bewirkten hohen Temperaturen zulässt und die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung nicht einschränkt.
Das Halbleiterbauelement kann ein aktives oder passives Bauelement sein. Als aktive und passive Halbleiterbauelemente werden (gehäuste) diskrete Leistungsbauelemente eingesetzt, die entsprechend den Anforderungen der Schaltung nach entsprechenden Parametern ausgewählt werden können. Die darin enthaltenen Halbleiterchips sind so aufgebaut, dass sie bei den gegebenen Kühlbedingungen optimalen Leistungs- und Zuverlässigkeitsansprüchen genügen. Weitere (passive) Schaltbausteine können ebenfalls geschweißt sein oder druckkontaktiert werden.
Das Halbleiterbauelement kann eine elektrisch und thermisch leitende Grundfläche aufweisen, die mittels Druckkontakt mit dem SMD-Schaltungsträger bzw. der darauf angeordneten Leiterbahnstruktur kontaktiert werden kann. Hierzu kann z. B. ein umlaufender Rahmen des Halteteils mit einem Randbereich des Isolators verpresst sein. Insbesondere kann das Halteteil mindestens einen Vorsprung aufweisen, der zum Verpressen in eine korrespondierende Ausnehmung am Randbereich des Isolators eingreift oder umgekehrt. Insbesondere kann auch ein Einrasten oder Einschnappen der Teile vorgesehen sein. Durch das Verpressen bzw. die Rast- oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden.
Vorteilhafterweise kann die elektrisch und thermisch leitende Grundfläche des Halbleiterbauelements mit einer Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung versehen sein, womit ein guter ohmscher als auch thermischer Kontakt auf Dauer realisiert wird. Ein guter ohmscher Kontakt sorgt für eine gute Stromleitung und ein guter thermischer Kontakt bewirkt eine gute Wärmeableitung und damit eine entsprechende Kühlung.
Die Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung kann eine Dicke von 0,1 µm bis 0,5 µm, insbesondere von 0,1 µm bis 0,3 µm, aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul gemäß den Ansprüchen 22 und 23.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Bereitstellung mehrerer Leistungshalbleiterbauelemente in bestimmter Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer Bestückfolie;
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Übertragung der auf der Bestückfolie angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente in der betreffenden Anordnung und/oder Ausrichtung auf ein Halteteil, welches bei diesem Beispiel als Transferteil dient;
3 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Laserschweißens zur Verbindung von Anschlussbeinchendes Leistungshalbleiterbauelements mit Kontaktstellen eines SMD-Schaltungsträgers in Form eines Lead-Frames;
4 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gem. 3 nach Fertigstellung;
5 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Lasers während der Durchführung der Laserschweißverbindung;
6 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Aufschmelzbereichs im Bereich des Anschlussbeinchens des Leistungshalbleiterbauelements und der Kontaktstelle des SMD-Schaltungsträgers in einer ersten Ausgestaltung;
7 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Aufschmelzbereichs im Bereich des Anschlussbeinchen des Leistungshalbleiterbauelements und der Kontaktstelle des SMD-Schaltungsträgers in einer weiteren Ausgestaltung;
8 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements in Form eines Lead-Frames mit zwei Isolatoren;
9 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements in Form eines Lead-Frames mit zwei Isolatoren;
10 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gem. 4 mit dem Isolator verrasteten oder verpressten Halteteil;
11 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements mit einem Halteteil, welches nach durchgeführter Laserschweißung zur Erzeugung eines Druckkontakts aufgebracht worden ist;
12 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelementmoduls unter Verwendung eines elastischen Elements zwischen Halteteil und Leistungshalbleiterbauelement zur Erzeugung eines Druckkontakts;
13 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gemäß 10 unter zusätzlicher Verwendung eines elastischen Elements sowie eines Halteteils, welches nicht als Transferteil vorgesehen ist; sowie
14 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise eines Halteteils zur Gewährleistung eines Druckkontakts für eine Mehrzahl auf einem SMD-Schaltungsträger angeordneter Leistungshalbleiterbauelemente.

1 zeigt die Bereitstellung einer Mehrzahl von nicht an deren Unterseite isolierten Leistungshalbleiterbauelementen 4 in einer Bestückmaschine 13 auf einer Bestückfolie 11, die von einer Rolle 17 abgezogen und mit den auf ihr angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 4 auf einer weiteren Rolle 17 wieder aufgewickelt wird. Bei den Leistungshalbleiterbauelementen 4 handelt es sich um diskrete Leistungshalbleiterbauelemente mit Anschlussbeinchen 5. Üblicherweise ist je Leistungshalbleiterbauelement 4 ein Anschlussbeinchen jeweils für den Kollektor, den Emitter sowie das Gate des Leistungshalbleiterbauelements 4 vorgesehen. Die Bestückmaschine 13 umfasst eine z.B. metallische Trägerplatte 14. Die metallische Trägerplatte 14 bewirkt eine elektrostatische Entladung der Leistungshalbleiterbauelemente 4.
Bei der Bestückfolie 11 handelt es sich vorzugsweise um eine einseitig selbstklebende Folie.
Im Zuge der Bestückung der Bestückfolie 11 mit den Leistungshalbleiterbauelementen 4 kann somit eine Anordnung und/oder Ausrichtung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 festgelegt werden, wie sie im späteren Einsatz je nach Bedarf vorgesehen sein soll. Es handelt sich folglich um eine bereits im Rahmen der Bereitstellung der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente 4 vorkonfektionierbare Anordnung und/oder Ausrichtung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 zueinander bzw. untereinander. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine ringförmige oder sternförmige Anordnung handeln. Hierdurch wird eine großtechnische Vorkonfektionierung von Leistungshalbleiterbauelement-Gruppierungen ermöglicht. Die gruppierten Leistungshalbleiterbauelemente können zusammen mit der Bestückfolie 11 in Rollenform bereitgestellt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die auf der Bestückfolie 11 angeordnete Zusammenstellung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 auf ein Halteteil 9 übertragen, auf dieser positioniert und fixiert. Dies erfolgt auf einer Betriebsmittelplatte 15. Auf der Betriebsmittelplatte 15 wird die Bestückfolie 11 zusammen mit den darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelementen 4 bereitgestellt. An der Oberseite der Leistungshalbleiterbauelemente 4 wird jeweils Klebstoff 12 angebracht und anschließend das Halteteil 9 auf die mit Klebstoff 12 versehene Oberseite des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 4 aufgebracht. Hierdurch wird das Halteteil 9 dauerhaft mit der vorkonfektionierten Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 verbunden. Anschließend wird die Bestückfolie 11 abgezogen. Das Halteteil 9 ist mit einzelnen Schweißfenstern 8 versehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halteteil 9 um eine Kunststoffplatte bzw. um einen plattenförmigen Teil eines Bauteils für einen späteren Einsatzzweck.
3 zeigt die Kontaktierung eines Leistungshalbleiterbauelements 4, welches bereits mit dem Halteteil 9 verbunden ist, mit einem SMD-Schaltungsträger 1 in Form eines Lead-Frames unter Anwendung einer Laserschweißverbindung. Es wird darauf hingewiesen, dass 3 lediglich einen Teilbereich eines im Fertigungsverfahren bereitgestellten Halteteils 9 zeigt.
Der Lead-Frame umfasst einen Isolator 2 sowie eine auf dem Isolator 2 befindliche Leiterbahnstruktur 2a bzw. Kontaktstellen 3 zur Kontaktierung mit den Anschlussbeinchen 5 der Leistungshalbleiterbauelemente 4. Die Leiterbahnstruktur des Lead-Frames kann gestanzt, geätzt oder lasergeschnitten sein. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 4 besitzt eine elektrisch leitende Grundfläche 4a, auf der sich eine Beschichtung 6 befindet. Bei der Beschichtung 6 handelt es sich vorzugsweise um eine Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung. Die Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung kann eine Dicke von 0,1 µm bis 0,5 µm, insbesondere 0,1 µm bis 0,3 µm, aufweisen.
An der Unterseite des Isolators 2 ist ein Kühler 7 positioniert, der dazu dient, die im Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente 4 entstehende Wärmeenergie abzuleiten.
An Stelle des SMD-Schaltungsträgers 1 in Form eines Lead-Frames könnte auch ein SMD-Schaltungsträger in Form einer Leiterplatte oder eines IMS-Substrats verwendet werden.
Die Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 sowie des daran haftenden Halteteils 9 wird mit dem SMD-Schaltungsträger 1 derart ausgerichtet, dass sich die Anschlussbeinchen 5 des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 4 an den Kontaktstellen 3 des SMD-Schaltungsträgers 1 befinden. Die Anschlussbeinchen 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 sind hierbei vorzugsweise stufenförmig ausgebildet und verlaufen in dem Kontaktbereich mit der Kontaktstelle 3 parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers 1.
Bei der Kontaktstelle 3 und dem Anschlussbeinchen 5 handelt es sich um ein Material, welches Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst. Die Anschlussbeinchen 5 der Leistungshalbleiterbauelemente 4 können mit einem (in den Figuren nicht dargestellten) Sn-Ag-Überzug versehen sein. Letzterer ist üblicherweise als Löthilfsmittel vorgesehen, um Kupferoxide bei dem üblicherweise stattfindenden Lötvorgang zu vermeiden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kontaktierung zwischen dem Anschlussbeinchen 5 und der Kontaktstelle 3 nicht mittels Löten, sondern mittels einer Laserschweißverbindung 16 erzeugt.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leistungshalbleiterbauelement 4 in SMD-Bauweise an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers 1 befestigt, an der die elektrische Kontaktierung der Anschlussbeinchen 5 desselben an dem SMD-Schaltungsträger 1 erfolgt. Die mechanische Befestigungsebene sowie elektrische Kontaktierungsebene sind somit gleich oder zumindest parallel zueinander auf ein und derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers 1. Aufgrund des Verbindens der Anschlussbeinchen 5 mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen 3 durch die Laserschweißverbindung 16 anstelle einer Lötverbindung wird die Stromtragfähigkeit des hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erheblich verbessert. Beim Laserschweißen werden die Anschlussbeinchen und Kontaktstellen in dem betreffenden Bereich des Laserstrahls geschmolzen, so dass sich eine innige Verbindung der Fügepartner ergibt. Durch das Laserschweißen wird im Gegensatz zu einer Lötung eine monometallische Verbindung hergestellt. Daraus resultiert der Vorteil, dass diese Art der stoffschlüssigen Verbindung einen Betrieb des SMD-Halbleiterbauelementmoduls mit höheren Stromstärken im Gegensatz zu einer Lötverbindung zulässt. Darüber hinaus lässt die erfindungsgemäße Verbindung auch einen Betrieb des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls bei höheren Temperaturen im Vergleich zu den bei einer Lötverbindung möglichen Temperaturen zu. Außerdem ist im Vergleich zu einer Lötverbindung ein nachhaltigerer Betrieb unter hohen Lastwechselbedingungen möglich. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erreicht werden. Schließlich wird erreicht, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit der vollständigen Leistungsfähigkeit seiner Leistungshalbleiterbauelemente betrieben werden kann, also keine „Begrenzung“ vorgenommen werden muss.
Aufgrund des an der Oberseite angeordneten Halteteils 9 mit den darin ausgebildeten Schweißfenstern 8 kann eine vorteilhafte Einkopplung des Laserstrahls 18 von oben erfolgen. Gleichzeitig werden andere Bereiche des SMD-Schaltungsträgers 1 vor einer Beeinträchtigung durch den Laserstrahl 18, insbesondere vor Schweißrückständen, geschützt bzw. abgeschirmt. Zudem ermöglichen die Schweißfenster 8 das Einbringen von Isolationsmaterial 26 (in 4 z.B. in Form von Isolationströpfchen) in dem Bereich der Laserschweißung oder das Einbringen von Isolationsmaterial 26 in Form von Vergussmasse durch vollständiges Vergießen eines durch das Halteteil 9 zumindest zum Teil begrenzten Hohlraums, wie in 10 beispielhaft dargestellt.
Gemäß einer zweckmäßigen alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen von einem (in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellten) Greifer von einer Bereitstellung, z.B. einer entsprechend bestückten Bestückfolie 11, in einer gewünschten Anordnung abgenommen und auf dem SMD-Schaltungsträger angeordnet werden. In einer solchen Verfahrensweise dient das Halteteil 9 gemäß 3 zur örtlichen Fixierung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 während des Laserschweißvorgangs. Das Halteteil 9 dient in diesem Fall nicht als Transerteil, sondern lediglich zur Fixierung während des Laserschweißens.
Gemäß 4 kann mittels des Halteteils 9 zur elektrischen und thermischen Kontaktierung ein Druckkontakt zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement 4 und dem SMD-Schaltungsträger 1 erzeugt werden. Dies kann gemäß 4 dadurch erfolgen, dass das Halteteil 9 und der SMD-Schaltungsträger 1 das Leistungshalbleiterbauelement 4 einspannen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Halteteil 9 mit dem Kühler 7 mittels Schrauben 25 verschraubt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in 4 der Einfachheit halber lediglich eine Schraube 25 gezeigt ist. Die gesamte Anordnung umfassend das Halteteil 9, die Leistungshalbleiterbauelemente 4, den SMD-Schaltungsträger 1 sowie den Kühler 7 kann beispielsweise auf einem Lagerdeckel einer elektrischen Vorrichtung, z.B. eines Elektromotors, angeordnet werden. Beispielsweise können an das derart vorbereitete SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul bestimmte elektrische Verbraucher oder elektrische Komponenten (z.B. Motorspulen) direkt angeschlossen werden.
Alternativ kann das Halteteil 9 auch mit dem SMD-Schaltungsträger 1 verpresst werden, um den Druckkontakt zu erzeugen. Hierzu kann z. B. ein umlaufender Rahmen 27 des Halteteils 9 mit einem Randbereich 28 des Isolators 2 verpresst werden. Durch das Verpressen bzw. die Rast- oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden. Insbesondere kann auch ein Einrasten oder Einschnappen der Teile vorgesehen sein (siehe 10). Eine Pressverbindung und/oder Rastverbindung ist mit Bezugsziffer 29 versehen. Insbesondere kann das Halteteil 9 mindestens einen (in 10 nicht dargestellten) Vorsprung aufweisen, der in eine (in 10 ebenfalls nicht dargestellte) korrespondierende Ausnehmung am Randbereich 28 des Isolators 2 pressend eingreift bzw. einrastet bzw. einschnappt oder umgekehrt. Durch die Press-, Rast- und/oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden.
5 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Ausgestaltung sowie Betriebsweise des zur Herstellung der Laserschweißverbindung 16 zu verwendenden Lasers. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen sogenannten Faserlaser 22, bei dem der Laserstrahl 18 über eine Glasfaser 19 bereitgestellt wird. Mit einem Scanner 24 kann der Laserstrahl 18 dem erforderlichen Einsatzzweck entsprechend bewegt werden. Der Scanner 24 kann dafür sorgen, dass der Laserstrahl 18 beispielsweise eine, wie in 5 gezeigt, kreisförmige Bewegung (KB) um eine Mittelachse herum durchführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserstrahl 18 auch eine Wobbelbewegung (WB), wie auch in 5 dargestellt, durchführen.
5 zeigt ein Beispiel einer Einkoppelfläche 23 des Laserstrahls 18 in einer Momentaufnahme während der kreisförmigen Bewegung KB sowie während der Wobbelbewegen WB. Bei dem Laser handelt es sich vorzugsweise um einen IR-Laser.
Der Fokusfleck des Lasers besitzt einen Durchmesser im Bereich von 20-50 µm, insbesondere 30-40 µm. Der durch den Laserstrahl 18 begründete Aufschmelzbereich 21 ist zumindest im Wesentlichen zusammenhängend, beispielweise punkt- oder kreisförmig, ausgebildet. Der Durchmesser des Aufschmelzbereichs 21 liegt in einem Bereich von 60-100 µm, vorzugsweise 70-90 µm.
6 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise die Laserschweißverbindung 16, welche zumindest im Wesentlichen einen kreisrunden Aufschmelzbereich 21 aufweist. Bei der in 6 gezeigten Darstellung wird die zumindest im Wesentlichen punkt- oder kreisförmige Form des Aufschmelzbereichs 21 durch den im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt des Laserstrahls 18 bedingt.
Bei der in 7 gezeigten, alternativen Ausgestaltung, ist ebenfalls ein zumindest im Wesentlichen punkt- oder kreisförmiger Aufschmelzbereich 21 vorgesehen. Letzterer wird jedoch durch die besondere Bewegung des Laserstrahls 18, nämlich durch eine Kreisbewegung KB, siehe 5, begründet. Die Kreisbewegung kann durch eine Wobbelbewegung WB noch überlagert sein.
8 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Leistungshalbleiterbauelementmodul mit einem niederinduktiven Aufbau, welcher einen mehrschichtigen SMD-Schaltungsträger 10 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames umfasst. Der aus der 8 ersichtliche mehrschichtige SMD-Schaltungsträger 10 umfasst einen ersten, dem Kühler 7 zugeordneten Isolator 2 mit einer gestanzten oder geschnittenen Leiterbahnstruktur 2a sowie Kontaktstellen 3 sowie einen zweiten darauf befindlichen Isolator 20 mit zugehöriger gestanzter oder geschnittener Leiterbahnstruktur 20a. Das Anschlussbeinchen 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 kontaktiert die Kontaktstelle 3 der Leiterbahnstruktur 2a. Ein entsprechender Aufbau ermöglicht ein besonders schnelles Schaltverhalten der elektronischen Schaltung.
9 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise eine weitere Variante eines Leistungshalbleiterbauelementmoduls, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Auch hierbei handelt es sich um einen mehrschichtigen SMD-Schaltungsträger 1 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames, welcher einen ersten, mit einer Leiterbahnstruktur 2a versehenen Isolator 2 aufweist, der mit dem Kühler 7 verbunden ist, sowie einen darauf befindliches zweiten, mit einer zweiten Leiterbahnstruktur 20a versehenen Isolator 20, welcher gewinkelt ausgebildet ist. Das jeweilige Anschlussbeinchen 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 ist hierbei mit der Kontaktstelle 3 der zweiten Leiterbahnstruktur 20a des zweiten Isolators 20 mittels Laserschweißverbindung 16 kontaktiert.
Bei dem in 8 und 9 dargestellten Leistungshalbleiterbauelementmodul könnte anstelle eines SMD-Schaltungsträgers 10 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames auch eine mehrschichtige Leiterplatte oder ein mehrschichtiges IMS-Substrat verwendet werden.
Im Übrigen entsprechen die beiden Ausgestaltungen der Leistungshalbleiterbauelementmodule dem Leistungshalbleiterbauelementmodul aus 4. Auch die beiden Ausgestaltungen der 8 sowie 9 umfassen im einsatzfertigen Zustand ein an der Oberseite angeordnetes Halteteil 9, mit dem ein Druckkontakt in der bereits zu 4 beschriebenen Art und Weise erzeugt werden kann.
Bei der in 11 gezeigten Ausgestaltung wird der Druckkontakt auf das Leistungshalbleiterbauelement 4 im Gegensatz zu der Ausgestaltung nach 4 mittels eines Halteteils 90 ausgeübt, welches keine Durchgangsöffnungen für den Laserstrahl aufweist. Die Laserschweißung der Anschlussbeinchen 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 wurde bei dieser Ausgestaltung vor dem Aufbringen des Halteteils 90 vorgenommen. Das Laserschweißen konnte beispielsweise durch Verwendung eines lediglich temporär zur Fixierung des Leistungshalbleiterbauelements 4 während des Laserschweißens vorgesehenen Halteteils 9 mit Schweißfenster 8 hergestellt worden sein, welches im Nachgang wieder abgenommen worden ist. Aufgrund dessen benötigt das in 11 gezeigte Halteteil 90 keine Schweißfenster. Im Übrigen entspricht die Ausgestaltung nach 11 der Ausgestaltung der Erfindung gemäß 4.
12 zeigt eine weitere Ausgestaltung der jeweiligen vorliegenden Erfindung, bei der zwischen dem Halteteil 90 und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 4 ein elastisches Element 91 eingesetzt ist, mittels dem ein kontrollierter Druck auf das Leistungshalbleiterbauelement 4 zur Gewährleistung des Druckkontakts aufgebracht wird. Bei dem elastischen Element 91 handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Silikonschaumpolster. Durch das elastische Element 91 kann ein vergleichmäßigter Anpressdruck auf eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen 4 über das Halteteil 90 aufgebracht werden.
In gleicher Weise ist es auch möglich, dass, sofern für die Ausübung eines Druckkontakts statt dem Halteteil 90 ein mit Schweißfenstern 8 ausgestattetes Halteteil 9 verwendet werden soll, auch dann ein entsprechendes elastisches Element 91 vorhanden sein kann.
Im Übrigen zeigt die Ausgestaltung nach 13 eine mögliche Abwandlung der Ausgestaltung nach 10, bei der zum einen ein elastisches Element 91 zwischen dem Halteteil 90, bei dem im Vergleich zu 10 keine Schweißfenster vorhanden sind, und dem Leistungshalbleiterbauelement 4 angeordnet ist. Entsprechend kann auch bei der Ausgestaltung nach 10 ein elastisches Element 91 vorhanden sein.
14 zeigt ein Halteteil 90, bei dem eine Mehrzahl von elastischen Elementen 91 zur Druckbeaufschlagung einer Mehrzahl von (in 14 nicht dargestellten) Leistungshalbleiterbauelementen vorgesehen sind. Hierdurch kann ein gleichmäßiger Druck auf die einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente aufgebracht werden. Das Halteteil 90 der Ausgestaltung nach 14 kann in der bereits vorbeschriebenen Art und Weise mit dem Kühler 7 bzw. dem Isolator 2 des SMD-Schaltungsträgers 1 mechanisch gekoppelt sein.
Bei dem SMD-Schaltungsträger kann es sich bei den vorher beschriebenen Ausgestaltungen auch um solche handeln, wie sie in den 8 und 9 beispielhaft dargestellt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders für Leistungshalbleiterbauelementmodule mit einer Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V. Insbesondere für diesen Bereich der Leistungselektronik ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da die Laserschweißverbindung 16 die durch die hohen Stromstärken und Spannungen der Halbleiterbauelemente 4 bewirkten hohen Temperaturen zulässt und die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung nicht einschränkt.
Das Halbleiterbauelement 4 kann ein aktives oder passives Halbleiterbauelement sein. Als aktive und passive Halbleiterbauelemente werden (gehäuste) diskrete Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt, die entsprechend den Anforderungen der Schaltung nach entsprechenden Parametern ausgewählt werden können. Die darin enthaltenen Halbleiterchips sind so aufgebaut, dass sie bei den gegebenen Kühlbedingungen optimale Leistungs- und Zuverlässigkeitsansprüchen genügen. Vorzugsweise handelt es sich um Standard-Halbleiterbauelemente mit einer elektrischen Kontaktfläche an der Unterseite desselben, die für die SMD-Technologie vorgesehen sind.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: SMD-Schaltungsträger
2: (erster) Isolator
2a: (erste) Leiterbahnstruktur
3: Kontaktstelle
4: Leistungshalbleiterbauelement
4a: elektrisch leitende Grundfläche
5: Anschlussbeinchen
6: Beschichtung
7: Kühler
8: Schweißfenster
9: Halteteil
10: SMD-Schaltungsträger
11: Bestückfolie
12: Klebstoff
13: Bestückmaschine
14: Metallische Trägerplatte
15: Betriebsmittelplatte
16: Laserschweißverbindung
17: Rolle
18: Laserstrahl
19: Glasfaser
20: zweiter Isolator
20a: zweite Leiterbahnstruktur
21: Aufschmelzbereich
22: Faserlaser
23: Einkoppelfläche
24: Scanner
25: Schraube
26: Isolationsmaterial
27: Rahmen
28: Randbereich
29: Rastverbindung
90: Halteteil
91: elastisches Element
KB: Kreisförmige Bewegung
WB: Wobbelbewegung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls, umfassend folgende Schritte: Bereitstellung eines mit Kontaktstellen (3) und einer Isolierung versehenen SMD-Schaltungsträgers (1, 10), Bereitstellen mindestens eines diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen (5), sowie einer elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche (4a) versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4), Anordnen des mindestens einen diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen (5) versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4) an der mit den Kontaktstellen (3) versehenen Seite des SMD-Schaltungsträgers (1, 10), wobei die Anschlussbeinchen (5) des Leistungshalbleiterbauelements (4) die Kontaktstellen (3) des SMD-Schaltungsträgers (1, 10) kontaktieren, sowie Verbinden lediglich der Anschlussbeinchen (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche (4a) des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements (4) und dem SMD-Schaltungsträger (1, 10) ein Druckkontakt zur dauerhaften elektrischen und thermischen Kontaktierung erzeugt wird und der Druckkontakt über ein Halteteil (9, 90) erzeugt wird, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement (4) und SMD-Schaltungsträger (1, 10) zwischen dem Halteteil (9, 90) und einem einbauseitigen Gegenlager eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der SMD-Schaltungsträger (1) eine Leiterplatte, ein IMS-Substrat oder ein Lead-Frame ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktstelle (3) und/oder das Anschlussbeinchen (5) Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen und/oder umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlussbeinchen (5) in dem Bereich des Anschlussbeinchens (5), in dem das Laserschweißen stattfindet, parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers (1, 10) verlaufend ausgebildet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlussbeinchen stufenförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserschweißverbindung durch einen zusammenhängenden Aufschmelzbereich (21) gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserschweißverbindung mittels eines wobbelnden Laserstrahls durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserschweißung mit einem IR-Laser erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen (5) versehene Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), sich zwischen dem SMD-Schaltungsträger (1, 10) und einem Halteteil (9, 90) befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen (5) versehene Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), vor dem Laserschweißen auf dem Halteteil (9, 90) positioniert und fixiert wird oder das Halteteil (9, 90) vor dem Laserschweißen zur Lagefixierung auf den mindestens einen diskreten, mit elektrischen Anschlussbeinchen (5) versehenen Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise auf die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen () aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Halteteil (9) Schweißfenster (8) aufweist, durch die hindurch das Laserschweißen erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, wobei ein elastisches Element (91) zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (4) und dem Halteteil (9, 90) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das elastische Element (91) ein Silikonschaumpolster ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 13, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), zunächst in einer vorher festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer, vorzugsweise selbstklebenden, Bestückfolie (11) positioniert wird, dort fixiert wird, und das Halteteil (9) auf dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise auf der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente (4), in der vorher auf der Bestückfolie (11) festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung fixiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der SMD-Schaltungsträger (10) ein mehrschichtiger, mindestens einen ersten sowie zweiten Isolator (2, 20) sowie eine erste und zweite Leiterbahnstruktur (2a, 20a) umfassender SMD-Schaltungsträger (10) ist, wobei sich die Kontaktstelle (3) an der ersten Leiterbahnstruktur (2a) oder zweiten Leiterbahnstruktur (20a) befindet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der zweite Isolator (20) mit der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) seitlich zum Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich die Kontaktstelle (3) an der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) befindet, der zweite Isolator (20) mit der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) abgewinkelt ist, und das Verbinden der Anschlussbeinchen (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen in dem parallel zum ersten Isolator (2) angeordneten Bereich der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der SMD-Schaltungsträger (1, 10) eine Kühlfunktion, vorzugsweise in Form eines Kühlers (7) umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (4) für eine Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V ausgelegt ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (4) ein aktives oder passives Halbleiterbauelement ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch und thermisch leitende Grundfläche (4a) mit einer Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung versehen wird.
SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul, umfassend einen mit Kontaktstellen (3) und einer Isolierung versehenen SMD-Schaltungsträger (1, 10), mindestens ein diskretes, mit elektrisch leitfähigen Anschlussbeinchen (5) sowie einer elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche (4a) versehenes Leistungshalbleiterbauelement (4), wobei die Anschlussbeinchen (5) des Leistungshalbleiterbauelements (4) die Kontaktstellen (3) des SMD-Schaltungsträgers (1, 10) kontaktieren, wobei lediglich die Anschlussbeinchen (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen verbunden sind, wobei zwischen der elektrisch und thermisch leitenden Grundfläche (4a) des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements (4) und dem SMD-Schaltungsträger (1, 10) ein Druckkontakt zur dauerhaften elektrischen und thermischen Kontaktierung vorliegt, und wobei der Druckkontakt über ein Halteteil (9, 90) erzeugt wird, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement (4) und SMD-Schaltungsträger (1, 10) zwischen dem Halteteil (9, 90) und einem einbauseitigen Gegenlager eingespannt ist.
SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul nach Anspruch 22, wobei als einbauseitiges Gegenlager der an der Unterseite des SMD-Schaltungsträger (1, 10) befindliche Kühlkörper (7) dient.