DE112020003541T5 - power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusses (22) mit einem Substrat (12), um ein Leistungshalbleitermodul (10) auszubilden, wobei der Anschluss (22) einen ersten Verbindungsbereich (28) aufweist, der aus einem ersten Material ausgebildet ist, und wobei das Substrat (12) einen zweiten Verbindungsbereich (30) aufweist, der aus einem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material eine erste Härte aufweist und wobei das zweite Material eine zweite Härte aufweist, wobei die erste Härte von der zweiten Härte verschieden ist, wobei ein solcher erster Verbindungsbereich (28) oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich (30), der eine höhere Härte aufweist, einen Verbindungspartnerbereich bildet, und ein solcher erster Verbindungsbereich (28) oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich (30), der eine niedrigere Härte aufweist, einen Verbindungsbasisbereich bildet, und wobei der Anschluss (22) mit dem Substrat (12) durch Verwenden von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden des Anschlusses (22) mit dem Substrat (12) das Verfahren den Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht (32) umfasst, die eine Oberflächenteilschicht aufweist, die aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die der Härte des Verbindungspartnerbereichs entspricht, wobei die Verbindungsschicht (32) auf dem Verbindungsbasisbereich bereitgestellt wird und wobei die Oberflächenteilschicht dem Verbindungspartnerbereich zugewandt ist.The invention relates to a method for connecting a connection (22) to a substrate (12) in order to form a power semiconductor module (10), the connection (22) having a first connection region (28) which is formed from a first material, and the substrate (12) having a second bonding region (30) formed from a second material, the first material having a first hardness and the second material having a second hardness, the first hardness being different than the second hardness , wherein such a first connection area (28) or such a second connection area (30) which has a higher hardness forms a connection partner area, and such a first connection area (28) or such a second connection area (30) which has a lower hardness , forming a connection base portion, and wherein the terminal (22) is bonded to the substrate (12) by using ultrasonic welding or Laser welding is joined, characterized in that prior to joining the terminal (22) to the substrate (12), the method includes the step of providing a bonding layer (32) having a surface sub-layer formed of a material having a hardness which corresponds to the hardness of the connection partner area, wherein the connection layer (32) is provided on the connection base area and wherein the surface part layer faces the connection partner area.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Leistungshalbleitermoduls. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Leistungshalbleitermodul. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, das eine verbesserte Verbindung eines Anschlusses mit einer Substratmetallisierung aufweist.The present invention relates to a method for forming a power semiconductor module. The present invention also relates to a power semiconductor module. The present invention relates in particular to a power semiconductor module which has an improved connection of a connection to a substrate metallization.
Stand der TechnikState of the art
Leistungshalbleitermodule sind in der Technik weithin bekannt. Es bestehen verschiedene Verbindungstechniken, um einen Anschluss mit einer elektrisch leitfähigen Struktur, wie z.B. einem Substrat bzw. einer Substratmetallisierung, zu verbinden.Power semiconductor modules are well known in the art. There are various connection techniques to connect a connection to an electrically conductive structure, such as a substrate or a substrate metallization.
Ultraschallschweißen (USW) stellt eine an sich bekannte Technik zum Verbinden eines Anschlusses mit einer Substratmetallisierung dar, die für ein Hochzuverlässigkeits- und Hochtemperatur-Leistungselektronikmodul verwendet werden kann. Insbesondere wird ein Ultraschallschweißen zum Verknüpfen von Anschlüssen, die aus Kupfer gefertigt sind, mit einem Keramiksubstrat, das eine Kupfermetallisierung aufweist, allgemein verwendet. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sowohl ein Kupferanschluss als auch eine Kupfermetallisierung geglühtes Kupfer sind, das eine niedrige Härte aufweist, wie z.B. im Bereich einer Vickershärte von ungefähr 50.Ultrasonic Welding (USW) is a well-known technique for connecting a lead to a substrate metallization that can be used for a high-reliability, high-temperature power electronics module. In particular, ultrasonic welding for joining terminals made of copper to a ceramic substrate having copper plating is commonly used. This is mainly due to the fact that both a copper termination and copper plating are annealed copper that has a low hardness, such as in the range of about 50 Vickers hardness.
Jedoch ist es auch an sich bekannt, dass fortschrittliche Designs von Leistungshalbleitermodulen ein Schweißen unterschiedlicher Materialien erfordern, z.B. eines Kupferanschlusses mit einer Aluminiummetallisierung eines Keramiksubstrats, oder eines Hartkupferanschlusses, wie z.B. eines aus CuNiSi gefertigten Pressstift-Hilfsanschlusses, mit einem Keramiksubstrat, das eine Kupfermetallisierung aufweist. Beim Verwenden eines Ultraschallschweißens zum Verbinden unterschiedlicher Materialien wird das härtere Material wahrscheinlich in das weichere Material gedrückt oder es verformt das weichere Material.However, it is also known per se that advanced designs of power semiconductor modules require welding of different materials, e.g. a copper terminal with an aluminum metallization of a ceramic substrate, or a hard copper terminal, such as a press pin auxiliary terminal made of CuNiSi, with a ceramic substrate having a copper metallization . When using ultrasonic welding to join dissimilar materials, the harder material is likely to push into the softer material or deform the softer material.
Als eine Alternative ist es an sich bekannt, ein Laserschweißen zu verwenden, um einen Anschluss mit einem Substrat bzw. einer Substratmetallisierung zu verknüpfen. Beim Betrachten dieser Technik besteht jedoch die Gefahr der Bildung spröder intermetallischer Phasen, wenn unterschiedliche Materialien verbunden werden.As an alternative, it is known per se to use laser welding to join a terminal to a substrate or substrate metallization. However, when considering this technique, there is a risk of formation of brittle intermetallic phases when dissimilar materials are joined.
Daher besteht möglicherweise Verbesserungspotenzial im Hinblick auf ein Verbinden unterschiedlicher Materialien, insbesondere beim Gedanken an ein Verbinden von Anschlüssen mit Substratmetallisierungen von Substraten.There is therefore potential for improvement with regard to connecting different materials, in particular when considering connecting connections to substrate metallizations of substrates.
Jedoch ist dieser Schritt in keiner Weise mit einem Befestigen eines Anschlusses an einem Substrat vergleichbar, da es ein gänzlich anderer Prozess ist. In dieser Hinsicht werden gemäß dem Stand der Technik max. 100 mW im Fall eines Drahtbondens an die Halbleiterelektrode angelegt, und im Gegensatz dazu wird beim Ultraschallschweißen von Anschlüssen bis in den kW-Bereich angelegt.However, this step is in no way comparable to attaching a lead to a substrate as it is an entirely different process. In this respect, according to the prior art, max. 100 mW is applied to the semiconductor electrode in the case of wire bonding, and in contrast, in ultrasonic welding of terminals up to the kW range is applied.
Jedoch lassen die vorstehend zitierten Verweise weiterhin Raum für Verbesserungen, insbesondere im Hinblick auf ein Verbinden, auf eine schonende und zuverlässige Weise, eines Anschlusses mit einem Substrat in einem Leistungshalbleitermodul.However, the references cited above still leave room for improvement, particularly with regard to connecting, in a gentle and reliable manner, a terminal to a substrate in a power semiconductor module.
Kurzdarstellung der ErfindungSummary of the Invention
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, um zumindest einen Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, um einen Anschluss mit einem Substrat zuverlässig und schonend zu verbinden.It is therefore an object of the invention to provide a solution to at least partially overcome at least one disadvantage of the prior art. In particular, it is an object of the present invention to provide a solution for connecting a terminal to a substrate reliably and gently.
Diese Aufgaben werden zumindest teilweise durch ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat, um ein Leistungshalbleitermodul auszubilden, das die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Diese Aufgaben werden ferner zumindest teilweise durch ein Leistungshalbleitermodul, das die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 13 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen, in der weiteren Beschreibung sowie in den Figuren angegeben, wobei die beschriebenen Ausführungsformen allein oder in einer beliebigen Kombination der jeweiligen Ausführungsformen ein Merkmal der vorliegenden Erfindung bereitstellen können, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen.These objects are at least partially achieved by a method for connecting a terminal to a substrate to form a power semiconductor module having the features of independent claim 1. Furthermore, these objects are at least partially achieved by a power semiconductor module having the features of independent claim 13 . Advantageous embodiments are indicated in the dependent claims, in the further description as well as in the figures, whereby the described embodiments alone or in any combination of the respective embodiments can provide a feature of the present invention, unless expressly excluded.
Beschrieben wird ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat, um ein Leistungshalbleitermodul auszubilden, wobei der Anschluss einen ersten Verbindungsbereich aufweist, der aus einem ersten Material ausgebildet ist, und wobei das Substrat einen zweiten Verbindungsbereich aufweist, der aus einem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material eine erste Härte aufweist und wobei das zweite Material eine zweite Härte aufweist, wobei die erste Härte von der zweiten Härte verschieden ist, wobei ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine höhere Härte aufweist, einen Verbindungspartnerbereich bildet, und ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine niedrigere Härte aufweist, einen Verbindungsbasisbereich bildet, und wobei der Anschluss mit dem Substrat durch Verwenden von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden des Anschlusses mit dem Substrat das Verfahren den Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht umfasst, die eine Oberflächenteilschicht aufweist, die aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die der Härte des Verbindungspartnerbereichs entspricht, wobei die Verbindungsschicht auf dem Verbindungsbasisbereich bereitgestellt ist und wobei die Oberflächenteilschicht dem Verbindungspartnerbereich zugewandt ist.A method is described for connecting a connection to a substrate in order to form a power semiconductor module, the connection having a first connection region which is formed from a first material, and the substrate having a second connection region which is formed from a second material. wherein the first material has a first hardness and wherein the second material has a second hardness, the first hardness differing from the second hardness, such a first connection area or such a second connection area having a higher hardness forming a connection partner area, and such a first connection portion or such a second connection portion having a lower hardness forms a connection base portion, and wherein the terminal is connected to the substrate by using ultrasonic welding or laser welding, characterized in that before the Ve rbonding the terminal to the substrate, the method comprises the step of providing a bonding layer having a surface portion layer formed from a material having a hardness corresponding to the hardness of the bonding partner region, wherein the bonding layer is provided on the bonding base region and wherein the surface sub-layer faces the connection partner area.
Ein solches Verfahren stellt beträchtliche Vorteile gegenüber Lösungen des Stands der Technik bereit, insbesondere im Hinblick auf ein zuverlässiges und sicheres Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat bzw. einer Substratmetallisierung.Such a method provides considerable advantages over prior art solutions, particularly in terms of reliable reliable and reliable connection of a connection to a substrate or a substrate metallization.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat, um ein Leistungshalbleitermodul auszubilden. Daher ist das Verfahren geeignet und vorgesehen, im Zuge des Herstellens eines Leistungshalbleitermoduls durchgeführt zu werden, und befasst sich im Einzelnen mit einem Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat und somit insbesondere mit einer Substratmetallisierung.The present invention therefore relates to a method for connecting a terminal to a substrate in order to form a power semiconductor module. The method is therefore suitable and intended to be carried out in the course of producing a power semiconductor module, and deals in detail with connecting a connection to a substrate and thus in particular with substrate metallization.
Der Anschluss kann im Allgemeinen eine L-Typ-Form aufweisen, deren unterer Teil mit dem Substrat mit seinem ersten Verbindungsbereich, wie z.B. einem Schweißbereich, verbunden ist. Ein Anschluss im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Dicke von größer gleich 600 µm, zum Beispiel größer gleich 1000 µm, und eine Breite größer gleich 2 mm aufweisen. Außerdem kann der Verbindungsbereich, wie z.B. der Schweißbereich, Abmessungen aufweisen, die 2 mm x 2 mm gleichen oder größer sind. Der Querschnitt des Anschlusses kann rechteckig sein und der Winkel zwischen den zwei unterschiedlich ausgerichteten Teilen der L-Form kann rechtwinklig sein oder mehr als 90 ° betragen. Außerdem ist ein Anschluss möglicherweise nicht flexibel.The terminal may have a generally L-type shape, the lower part of which is connected to the substrate at its first connection portion such as a weld portion. A connection within the meaning of the present invention can have a thickness of greater than or equal to 600 μm, for example greater than or equal to 1000 μm, and a width of greater than or equal to 2 mm. In addition, the joining area, such as the welding area, may have dimensions equal to or larger than 2mm x 2mm. The cross-section of the terminal can be rectangular and the angle between the two differently oriented parts of the L-shape can be right-angled or more than 90°. Also, a port may not be flexible.
Im Unterschied zu einem Anschluss umfassen typische Parameter für Drahtbonds einen Durchmesser, der kleiner gleich 400 µm ist, und einen Verbindungsbereich, wie z.B. einen Schweißbereich, der kleiner gleich 0,5 mm x 1 mm ist. Ein Winkel zwischen dem Verbindungsbereich und dem benachbarten Teil kann schief sein, wie z.B. viel mehr als 90 ° betragen, und der Querschnitt kann kreisförmig sein. Außerdem kann ein Drahtbond flexibel, d.h. biegbar sein.Unlike a terminal, typical parameters for wire bonds include a diameter that is less than or equal to 400 µm and a connection area, such as a weld area, that is less than or equal to 0.5 mm x 1 mm. An angle between the connection area and the adjacent part can be oblique, such as much more than 90°, and the cross-section can be circular. In addition, a wire bond can be flexible, i.e. bendable.
Außerdem umfassen im Hinblick auf ein Band im Gegensatz zu einem Anschluss typische Parameter eine Dicke von kleiner gleich 300 µm, eine Breite von größer gleich 2 mm und einen Verbindungsbereich, wie z.B. einen Schweißbereich, der kleiner gleich 0,5 mm x 2 mm ist. Ein Winkel zwischen dem Verbindungsbereich und dem benachbarten Teil kann schief sein, wie z.B. viel mehr als 90 ° betragen, und der Querschnitt kann rechteckig sein. Außerdem kann ein Band flexibel, d.h. biegbar sein.Also, with respect to a ribbon as opposed to a terminal, typical parameters include a thickness of 300 µm or less, a width of 2 mm or more, and a joining area such as a weld area that is 0.5 mm x 2 mm or less. An angle between the connection area and the adjacent part can be oblique, such as much more than 90°, and the cross section can be rectangular. In addition, a band can be flexible, i.e. bendable.
Ein Verbinden im Sinne der vorliegenden Erfindung soll damit mechanisches und/oder elektrisches Verbinden des Anschlusses mit dem Substrat bzw. der Substratmetallisierung bedeuten.A connection within the meaning of the present invention should therefore mean a mechanical and/or electrical connection of the connection to the substrate or the substrate metallization.
In dieser Hinsicht kann das Leistungshalbleitermodul im Allgemeinen Funktionalitäten aufweisen, wie im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel umfasst das Leistungshalbleitermodul, das hergestellt werden sollte, eine Metallisierung, die zum elektrischen Verbinden eines Anschlusses, der mit dieser Metallisierung verbunden werden sollte, mit jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementen eingerichtet ist.In this respect, the power semiconductor module can generally have functionalities as known in the prior art. For example, the power semiconductor module that should be manufactured includes a metallization configured to electrically connect a terminal that should be connected to this metallization to respective power semiconductor devices.
Auf der Substratmetallisierung werden außerdem Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Solche Leistungshalbleiterbauelemente können im Allgemeinen ausgebildet werden, wie im Stand der Technik bekannt, und können unter anderem jeweils Transistoren bzw. Schalter umfassen, wie z.B. MOSFETs und/oder IGBTs, und/oder die Vielzahl von Leistungshalbleiterbauelementen kann Dioden umfassen. Die Leistungshalbleiterbauelemente können entsprechend miteinander verbunden sein und können sich daher in elektrischem Kontakt, wie z.B. in galvanischem Kontakt, mit der Metallisierung befinden.Power semiconductor components are also arranged on the substrate metallization. Such power semiconductor devices may generally be formed as known in the art and may each include transistors or switches, such as MOSFETs and/or IGBTs, and/or the plurality of power semiconductor devices may include diodes, among others. The power semiconductor components can be connected to one another accordingly and can therefore be in electrical contact, such as galvanic contact, with the metallization.
In Bezug auf die Anschlüsse und die Metallisierung, die miteinander verbunden werden sollten, ist vorgesehen, dass der Anschluss einen ersten Verbindungsbereich aufweist, der aus einem ersten Material ausgebildet ist, und dass das Substrat einen zweiten Verbindungsbereich aufweist, der aus einem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material eine erste Härte aufweist und wobei das zweite Material eine zweite Härte aufweist, wobei die erste Härte von der zweiten Härte verschieden ist.With regard to the terminals and the metallization that should be connected to one another, it is provided that the terminal has a first connection region formed from a first material and that the substrate has a second connection region formed from a second material , wherein the first material has a first hardness and wherein the second material has a second hardness, the first hardness being different than the second hardness.
Daher ist der erste Verbindungsbereich jener Bereich des Anschlusses, der mit der Substratmetallisierung verbunden werden sollte, und entsprechend ist der zweite Verbindungsbereich jener Bereich des Substrats bzw. der Substratmetallisierung, der mit dem Anschluss verbunden werde sollte. In vielen Anwendungen besteht der Fall, dass der erste Verbindungsbereich und der zweite Verbindungsbereich aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden und daher eine unterschiedliche Härte aufweisen. Es kann der Fall vorliegen, dass das erste Material und somit das Material, das am ersten Verbindungsbereich bereitgestellt ist, eine höhere Härte im Vergleich mit dem zweiten Material aufweist, und somit jenem Material, das am zweiten Verbindungsbereich bereitgestellt ist, oder es kann vorgesehen sein, dass das zweite Material eine höhere Härte im Vergleich mit dem ersten Material aufweist.Therefore, the first connection area is that area of the connection that should be connected to the substrate metallization, and correspondingly the second connection area is that area of the substrate or substrate metallization that should be connected to the connection. In many applications, the first connection area and the second connection area are formed from different materials and therefore have different hardnesses. It may be the case that the first material and thus the material provided at the first connection area has a higher hardness compared to the second material and thus that material provided at the second connection area, or it may be provided that the second material has a higher hardness compared to the first material.
Gemäß dem beschriebenen Verfahren ist vorgesehen, dass ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine höhere Härte aufweist, einen Verbindungspartnerbereich bildet, und ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine niedrigere Härte aufweist, einen Verbindungsbasisbereich bildet.According to the method described, it is provided that such a first connection area or such a second connection area, which has a higher hardness, forms a connection partner area, and such a first connection area or such a second connection region having a lower hardness forms a connection base region.
Tatsächlich ist auch an sich bekannt, dass fortschrittliche Designs von Leistungshalbleitermodulen ein Schweißen unterschiedlicher Materialien erfordern. Zum Beispiel ist es bekannt, einen auf Kupfer basierenden Anschluss mit einer Aluminiummetallisierung eines Keramiksubstrats zu verbinden. Außerdem kann erforderlich sein, einen Hartkupferanschluss, wie z.B. einen CuNiSi-Presspass-Hilfsanschluss, auf einem Keramiksubstrat, das eine Kupfermetallisierung aufweist, zu verbinden.In fact, it is also known per se that advanced designs of power semiconductor modules require welding of different materials. For example, it is known to connect a copper-based connector to an aluminum metallization of a ceramic substrate. It may also be necessary to connect a hard copper terminal, such as a CuNiSi press-fit auxiliary terminal, to a ceramic substrate that has copper metallization.
Unabhängig vom konkreten ersten und zweiten Material ist es oft wünschenswert, dass der Anschluss mit dem Substrat unter Verwendung von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen verbunden wird. Dies kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass diese Techniken zum Verbinden eines Anschlusses mit einem Substrat, um ein zuverlässiges Hochtemperatur-Leistungselektronikmodul zu bilden, an sich bekannt sind. Insbesondere wird ein Ultraschallschweißen zum Verknüpfen von z.B. Anschlüssen, die aus Kupfer gefertigt sind, mit einem Keramiksubstrat, das eine Kupfermetallisierung aufweist, allgemein verwendet. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sowohl ein Kupferanschluss als auch eine Kupfermetallisierung geglühtes Kupfer sind, das eine niedrige Härte aufweist, wie z.B. im Bereich einer Vickershärte von ungefähr 50.Regardless of the particular first and second materials, it is often desirable that the terminal be bonded to the substrate using ultrasonic welding or laser welding. This may be due to the fact that these techniques for connecting a lead to a substrate to form a reliable, high-temperature power electronics module are known per se. In particular, ultrasonic welding for bonding terminals made of copper, for example, to a ceramic substrate having copper plating is commonly used. This is mainly due to the fact that both a copper termination and copper plating are annealed copper that has a low hardness, such as in the range of about 50 Vickers hardness.
Jedoch kann ein Verwenden dieser Schweißtechniken zu Nachteilen führen, insbesondere in einem Fall, in dem das erste Material eine andere Härte im Vergleich mit dem zweiten Material aufweist. Beim Verwenden eines Ultraschallschweißens zum Verbinden unterschiedlicher Materialien wird das härtere Material wahrscheinlich in das weichere Material gedrückt oder es verformt das weichere Material und somit beschädigt es.However, using these welding techniques can lead to disadvantages, especially in a case where the first material has a different hardness compared to the second material. When using ultrasonic welding to join dissimilar materials, the harder material is likely to push into the softer material or deform and thus damage the softer material.
Um diesen Nachteil des Stands der Technik zu überwinden und gemäß dem hier beschriebenen Verfahren wird vorgesehen, dass vor einem Verbinden des Anschlusses mit dem Substrat, eine Verbindungsschicht bereitgestellt wird, die eine Oberflächenteilschicht aufweist, die aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die der Härte des Verbindungspartnerbereichs entspricht, wobei die Verbindungsschicht auf dem Verbindungsbasisbereich bereitgestellt wird und wobei die Oberflächenschicht dem Verbindungspartnerbereich zugewandt ist.In order to overcome this disadvantage of the prior art and according to the method described here it is provided that before connecting the terminal to the substrate, a connecting layer is provided which has a surface part layer which is formed from a material which has a hardness which corresponds to the hardness of the connection partner area, wherein the connection layer is provided on the connection base area and the surface layer faces the connection partner area.
Im Hinblick auf die Verbindungsschicht kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsschicht aus der Oberflächenteilschicht bestehen kann oder sie mehr Schichten als die Oberflächenteilschicht umfassen kann, wie nachstehend beschrieben. Im Fall, in dem nur von einer Verbindungsschicht die Rede ist, kann vorgesehen sein, dass dieser Begriff die Oberflächenteilschicht beschreibt, falls die Verbindungsschicht aus der Oberflächenteilschicht besteht.With regard to the connection layer, it can be provided that the connection layer can consist of the surface part layer or it can comprise more layers than the surface part layer, as described below. In the case where only one connecting layer is mentioned, provision can be made for this term to describe the surface sub-layer if the connecting layer consists of the surface sub-layer.
Der Schritt eines Bereitstellens der Verbindungsschicht, wie vorstehend beschrieben, ermöglicht es, dass die Flächen, die beim Verbinden des Anschlusses mit den elektrisch leitfähigen Strukturen mithilfe von Ultraschallschweißen oder mithilfe von Laserschweißen in Kontakt kommen, eine entsprechende Härte aufweisen, die insbesondere dem Material des ersten Materials und des zweiten Materials, das die höhere Härte aufweist, entspricht. Eine entsprechende Härte im Sinne der vorliegenden Erfindung sollte insbesondere eine gleiche Härte oder die gleiche Härte und eine Toleranz von +/- 30 % bezüglich des höheren Härtewertes bedeuten.The step of providing the connecting layer, as described above, makes it possible for the surfaces that come into contact with the electrically conductive structures using ultrasonic welding or using laser welding when connecting the terminal to have a corresponding hardness, which in particular corresponds to the material of the first Material and the second material, which has the higher hardness, corresponds. A corresponding hardness within the meaning of the present invention should mean in particular the same hardness or the same hardness and a tolerance of +/- 30% with regard to the higher hardness value.
Nachteile bezüglich einer jeweils unterschiedlichen Härte, die nach dem Stand der Technik auftreten können, können auf diese Weise vermieden werden.Disadvantages with regard to a different hardness in each case, which can occur according to the prior art, can be avoided in this way.
Daher kann insbesondere vermieden werden, dass beim Verwenden eines Ultraschallschweißens oder Laserschweißens zum Verbinden unterschiedlicher Materialien das härtere Material wahrscheinlich in das weichere Material gedrückt wird oder das weichere Material verformt. Daher kann verhindert werden, dass das Material, das die niedrigere Härte aufweist, im Zug des Verbindungsprozesses beschädigt wird.Therefore, in particular, when using ultrasonic welding or laser welding to join dissimilar materials, it can be avoided that the harder material is likely to be pressed into the softer material or the softer material is deformed. Therefore, the material having the lower hardness can be prevented from being damaged in the joining process.
Es kann wiederum ermöglicht werden, dass eine sehr hochwertige metallurgische Verbindung an der Grenzfläche zwischen dem ersten Material und der Verbindungsschicht oder dem zweiten Material und der Verbindungsschicht erreicht werden kann.Again, a very high quality metallurgical bond can be enabled to be achieved at the interface between the first material and the bonding layer or the second material and the bonding layer.
Daher kann eine sehr zuverlässige Verbindung der jeweiligen Flächen erreicht werden, was wiederum eine hohe Arbeitsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls ermöglichen kann, was aufgrund von minderwertigen Verbindungen auftretende Schäden vermeiden kann.Therefore, highly reliable connection of the respective faces can be achieved, which in turn can enable high workability of the power semiconductor module, which can avoid damage occurring due to inferior connections.
Abgesehen davon kann das Leistungshalbleitermodul aufgrund der stabilen und zuverlässigen Verbindung zwischen dem Anschluss und dem Substrat bzw. der Substratmetallisierung mit hoher Sicherheit arbeiten.Apart from that, the power semiconductor module can work with a high level of safety due to the stable and reliable connection between the connection and the substrate or the substrate metallization.
Abgesehen vom Vorstehenden kann ferner vermieden werden, dass das Keramiksubstrat beim Ultraschallschweißen brechen kann und der Metallisierungsspalt verringert oder sogar kurzgeschlossen werden kann. Dies kann daran liegen, dass das beschriebene Verfahren eine schonende und wirksame Verbindungstechnik des Anschlusses und des Substrats ermöglicht.Apart from the above, it can also be avoided that the ceramic substrate can break during ultrasonic welding and the metallization gap can be reduced or even short-circuited. This may be because that described method allows a gentle and effective connection technology of the terminal and the substrate.
Es kann vorgesehen sein, dass der Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht den Schritt eines Kaltgasspritzens (CGS) umfasst. Im Hinblick auf das CGS stellt dieser Prozess ein Beschichtungsabscheidungsverfahren dar. Feste Pulver werden in einem Überschallgasstrahl auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Beim Aufprall auf das zu beschichtende Material werden sie plastisch verformt und haften an der Oberfläche. Gemäß diesem Verfahren kann eine Verbindungsschicht besonders zuverlässig und adaptiv, zum Beispiel hinsichtlich der Dicke und des verwendeten Materials, aufgebracht werden. Abgesehen davon kann dieses Verfahren unabhängig von der Geometrie des jeweiligen ersten und zweiten Verbindungsbereichs durchgeführt werden.Provision can be made for the step of providing a connecting layer to include the step of cold gas spraying (CGS). In terms of CGS, this process represents a coating deposition process. Solid powders are accelerated to a high velocity in a supersonic jet of gas. When they hit the material to be coated, they are plastically deformed and adhere to the surface. According to this method, a connecting layer can be applied particularly reliably and adaptively, for example with regard to the thickness and the material used. Apart from that, this method can be carried out independently of the geometry of the respective first and second connection area.
Ein Kaltgasspritzen kann im Allgemeinen unabhängig von dem ersten und dem zweiten Material verwendet werden.Cold spray can generally be used independently of the first and second materials.
Jedoch kann als ein nicht beschränkendes Beispiel vorgesehen sein, dass diese Ausführungsform in Kombination von Kupfer und Aluminium als erstes und zweites Material verwendet wird. In dieser Hinsicht wird ein AI/AIN/AI-Substrat oft für Hochspannungs-Leistungsmodule bevorzugt, da es eine hohe Zyklenzuverlässigkeit aufweist und im Vergleich mit dem AMB-Cu/AIN/Cu-Substrat (ABM: active metal brazed) kein Silberionenmigrationsproblem auftritt. Jedoch stellt es gemäß dem Stand der Technik eine große Herausforderung dar, einen auf Kupfer basierenden Anschluss an eine solche Art von AI/AIN/AI-Substrat zu schweißen. Dies kann daran liegen, dass eine Aluminiummetallisierung viel weicher ist als Kupfer als Material des Anschlusses, wodurch der auf Kupfer basierende Anschluss in die Aluminiummetallisierung gedrückt werden kann. Außerdem ist in diesem Fall das Keramikmaterial des Substrats AIN sehr rissanfällig.However, as a non-limiting example, it can be envisaged that this embodiment is used in combination of copper and aluminum as the first and second material. In this regard, an Al/AlN/Al substrate is often preferred for high-voltage power modules because it has high cycle reliability and no silver ion migration problem compared with the AMB-Cu/AlN/Cu (ABM: active metal brazed) substrate. However, according to the prior art, it poses a great challenge to weld a copper-based terminal to such a kind of Al/AlN/Al substrate. This may be because aluminum metallization is much softer than copper as the material of the terminal, which can force the copper-based terminal into the aluminum metallization. In addition, in this case the ceramic material of the substrate AIN is very susceptible to cracking.
Daher stellt ein Kaltgasspritzen eine sehr wirksame Ausführungsform zum Bereitstellen einer Verbindungsschicht dar, um Kupfer und Aluminium mithilfe von Schweißen zu verbinden.Therefore, cold spray is a very effective embodiment for providing a bond layer to join copper and aluminum by welding.
Daher kann eine zusätzliche Kupferschicht mithilfe von CGS auf der vorhandenen Aluminiummetallisierung des Substrats innerhalb eines gewählten Bereichs, in dem das Anschlussbonden stattfinden soll, d.h. im zweiten Verbindungsbereich, bereitgestellt werden. Dieser mit Kupfer beschichteter Bereich ermöglicht das Ultraschallschweißen oder Laserschweißen des Kupferanschlusses an der Aluminiummetallisierung, indem die Aluminiummetallisierung und das Keramik-AIN-Substrat durch die Verbindungsschicht geschützt werden.Therefore, an additional copper layer can be provided using CGS on the existing aluminum metallization of the substrate within a selected area where the terminal bonding is to take place, i.e. in the second connection area. This copper clad area allows ultrasonic welding or laser welding of the copper termination to the aluminum metallization by protecting the aluminum metallization and the ceramic AlN substrate through the bonding layer.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Kaltgasspritzen durch andere Verfahren ersetzt werden kann, z.B. ein selektives Laserschmelzen (SLM), oder ein Kaltgasspritzen von Mehrfachschichten, wie z.B. mit einer veränderten Zusammensetzung der Schichten, verwendet werden kann, so dass sich das Material allmählich von Aluminium zu Kupfer ändert. Dies wird nachstehend ausführlicher beschrieben.It can also be envisaged that cold gas spraying can be replaced by other methods, e.g. selective laser melting (SLM), or cold gas spraying of multiple layers, such as with a changed composition of the layers, can be used so that the material gradually changes from Aluminum changes to copper. This is described in more detail below.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht den Schritt eines Metallplattierens umfasst. In dieser Hinsicht stellt ein Metallplattieren einen Flächenbeschichtungsprozess dar, in dem ein Metall auf einer leitfähigen Fläche abgeschieden wird. Es umfasst zum Beispiel sowohl ein Elektroplattieren als auch ein stromloses Plattieren.Provision can also be made for the step of providing a connecting layer to include the step of metal plating. In this regard, metal plating is a surface coating process in which a metal is deposited on a conductive surface. For example, it includes both electroplating and electroless plating.
Ein Metallplattieren kann im Allgemeinen unabhängig von dem ersten und dem zweiten Material verwendet werden.Metal plating can generally be used independently of the first and second materials.
Als nicht einschränkendes Beispiel kann jedoch vorgesehen sein, dass diese Ausführungsform zum Verbinden von Presspassanschlüssen mit Metallisierungen von Substraten, wie z.B. von Keramiksubstraten, insbesondere Aluminiummetallisierungen oder insbesondere Kupfermetallisierungen, verwendet wird.However, as a non-limiting example, it can be envisaged that this embodiment is used for connecting press-fit terminals to metallizations of substrates, such as ceramic substrates, in particular aluminum metallizations or in particular copper metallizations.
Presspassanschlüsse werden aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, Hochtemperaturfähigkeit und ihrer Einfachheit während des Zusammenbaus, wie z.B. des Wechselrichterzusammenbaus, allgemein für die Hilfsanschlüsse in Leistungsmodulgehäusen verwendet. Allerdings muss der Presspassanschluss eine Hartkupferlegierung sein, wie z.B. aus CuNiSi ausgebildet, um während des Zusammenbaus eine metallurgische Verbindung bilden zu können und den Kontakt auch bei hohen Betriebstemperaturen zuverlässig zu halten. Gemäß dem Stand der Technik stellt das Ultraschallschweißen von Presspassanschlüssen an einer Kupfermetallisierung eine große Herausforderung dar, zumal die Bondfüße der Hilfsanschlüsse typischerweise klein sind und eine Cu-Metallisierung des Substrats viel weicher ist als die CuNiSi-Legierung.Press-fit terminals are commonly used for the auxiliary terminals in power module cases because of their high reliability, high-temperature capability, and their simplicity during assembly, such as inverter assembly. However, the press-fit terminal must be a hard copper alloy such as formed from CuNiSi in order to form a metallurgical bond during assembly and to reliably maintain contact even at high operating temperatures. According to the state of the art, the ultrasonic welding of press-fit terminals to a copper metallization presents a great challenge, especially since the bond pads of the auxiliary terminals are typically small and a Cu metallization of the substrate is much softer than the CuNiSi alloy.
Die Verwendung einer Plattierung ermöglicht einen sehr einfachen Herstellungsprozess und ermöglicht ferner, dass sehr dünne Schichten als Verbindungsschichten ausgebildet werden. Insbesondere ist es in dieser Ausführungsform möglich, eine Verbindungsschicht auf der Kupfermetallisierung bereitzustellen, wobei die Verbindungsschicht oder zumindest die Oberflächenteilschicht davon aus einer Legierung, wie z.B. einer NiAg-Legierung, oder aus einer Mehrfachschichtstruktur, die die Schichtfolge Ni/ Au oder Ni/Cu aufweist, ausgebildet wird, um die Härte im Vergleich mit der Kupfermetallisierung zu erhöhen. Dies ermöglicht ein Bereitstellen einer stärkeren Reibung an der Grenzfläche während des Schweißens, was wiederum zu einer stabilen und zuverlässigen metallurgischen Verbindung führt.The use of plating allows for a very simple manufacturing process and also allows very thin layers to be formed as interconnect layers. In particular, in this embodiment it is possible to provide a bonding layer on the copper metallization, wherein the bonding layer or at least the surface part layer thereof of an alloy such as a NiAg alloy, or of a multi-layer structure having the layer sequence Ni/Au or Ni/Cu, in order to increase the hardness in comparison with the copper plating. This enables providing more friction at the interface during welding, which in turn results in a stable and reliable metallurgical bond.
Wie vorstehend angedeutet, kann das vorliegende Verfahren zum Beispiel in einem Fall, in dem ein Presspass-Hilfsanschluss mit einer Substratmetallisierung als elektrisch leitender Struktur verbunden werden soll, sehr wirksam sein, da in diesem Fall häufig unterschiedliche Materialien miteinander verschweißt werden müssen. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung ein Ausbilden eines Hochtemperatur- und Hochleistungs-Halbleitermoduls mit einem geschweißten Presspass-Hilfsanschluss.As indicated above, the present method can be very effective, for example, in a case where a press-fit auxiliary terminal is to be connected to a substrate metallization as an electrically conductive structure, since in this case different materials often have to be welded together. Therefore, the present invention enables forming a high-temperature and high-performance semiconductor module with a press-fit auxiliary welded terminal.
Gemäß dem Vorstehenden kann vorgesehen sein, dass der Anschluss ein Presspass-Hilfsanschluss ist. In dieser Hinsicht wird ein Presspassanschluss verwendet, um eine dauerhafte elektrische und mechanische Anschluss-Leiterplatte-Verbindung zu ermöglichen, er kann aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die in der Regel eine harte Cu-Legierung, d.h. CuNiSi-, CuSn-Legierungen, sind.According to the above, it can be provided that the terminal is a press-fit auxiliary terminal. In this regard, a press-fit connector is used to enable a permanent electrical and mechanical connector-PCB connection, it can be made of different materials, which are usually a hard Cu alloy, i.e. CuNiSi, CuSn alloys.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht den Schritt eines Bondens einer vorgeformten Schicht an den Verbindungsbasisbereich umfasst. Dies kann zum Beispiel mithilfe von Sintern vorgenommen werden.It can also be provided that the step of providing a connection layer comprises the step of bonding a preformed layer to the connection base region. This can be done, for example, using sintering.
Diese Ausführungsform ermöglicht ein Bereitstellen von Verbindungsschichten, die eine große Dicke aufweisen, was in einem Fall, in dem raue Schweißbedingungen verwendet werden sollten, und in einem Fall, in dem das Leistungsmodul mit hoher Leistung und hoher Temperatur arbeitet, Vorteile bieten kann.This embodiment makes it possible to provide bonding layers that have a large thickness, which can offer advantages in a case where harsh welding conditions should be used and in a case where the power module operates at high power and high temperature.
Als ein unverbindliches Beispiel kann gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass eine Kupferplatte, die eine geringe oder große Dicke aufweist, oder eine Platte, die aus einer Kupferlegierung, wie z.B. CuNiSi-Legierung, gefertigt wird, auf den ersten Verbindungsbereich, wie z.B. den Anschluss, zum Beispiel zur gleichen Zeit und damit im gleichen Prozessschritt der Chipanbringung gesintert wird. Dies ermöglicht außerdem sowohl ein Ultraschallschweißen von Kupferanschlüssen auf Aluminiummetallisierungen als auch ein weiteres Ultraschallschwei-ßen von Presspassanschlüssen, die eine Kupferlegierung aufweisen, auf einer Kupfer- oder Aluminiummetallisierung.As a non-binding example, according to this embodiment, a copper plate having a small or large thickness, or a plate made of a copper alloy such as CuNiSi alloy, can be provided on the first connection portion such as the terminal , for example, is sintered at the same time and thus in the same process step of chip attachment. This also allows for both ultrasonic welding of copper terminations to aluminum metallization and further ultrasonic welding of press-fit terminals comprising copper alloy to copper or aluminum metallization.
Es kann daher insbesondere vorgesehen sein, dass der Schritt eines Bereitstellens einer Verbindungsschicht den Schritt eines Sinterns einer vorgeformten Schicht an den Verbindungsbasisbereich umfasst. Insbesondere kann dieser Schritt im Hinblick auf ein Sintern einer vorgeformten Schicht auf den ersten Verbindungsbereich oder auf den zweiten Verbindungsbereich eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung bereitstellen, so dass keine Gefahr besteht, dass ein Bereitstellen einer vorgeformten Schicht als Verbindungsschicht gegen die vorstehend beschriebenen Vorteile wirkt.Provision can therefore be made in particular for the step of providing a connecting layer to include the step of sintering a preformed layer onto the connecting base region. In particular, this step can provide a durable and reliable connection with regard to sintering a preformed layer on the first connecting portion or on the second connecting portion, so that there is no fear that providing a preformed layer as a connecting layer works against the advantages described above.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der Anschluss unter Verwendung von Ultraschallschweißen mit dem Substrat verbunden wird. Es wurde festgestellt, dass insbesondere unter Verwendung von Ultraschallschweißen das Problem auftreten kann, dass ein vergleichbar weicheres Material durch das vergleichbar härtere Material beschädigt wird, oder mit anderen Worten das vergleichbar härtere Material in das vergleichbar weichere Material gedrückt wird, wie vorstehend beschriebenen. Daher sind die beschriebenen Vorteile insbesondere in einem Fall wirksam, in dem der Anschluss mit dem Substrat, und daher insbesondere der Substratmetallisierung, mithilfe von Ultraschallschweißen verbunden wird.Provision can also be made for the connection to be connected to the substrate using ultrasonic welding. It has been found that, particularly when using ultrasonic welding, the problem can arise that a comparatively softer material is damaged by the comparatively harder material, or in other words the comparatively harder material is pressed into the comparatively softer material, as described above. Therefore, the advantages described are particularly effective in a case where the terminal is connected to the substrate, and therefore in particular to the substrate metallization, by means of ultrasonic welding.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das erste Material eine Kupferlegierung und somit insbesondere eine Kupferlegierung mit hoher Härte umfasst, wie z.B. daraus besteht, und das zweite Material Kupfer und insbesondere weiches Kupfer umfasst, wie z.B. daraus besteht, oder dass das zweite Material eine Kupferlegierung und daher insbesondere eine Kupferlegierung mit hoher Härte umfasst, wie z.B. daraus besteht, und das erste Material Kupfer und insbesondere weiches Kupfer umfasst, wie z.B. daraus besteht. In dieser Hinsicht und im Einzelnen kann vorgesehen sein, dass das Weichkupfer ein weichgeglühtes Kupfer ist, das eine Härte aufweist, die in einem Beispielbereich von 50 bis 70 HV, der keineswegs einschränkend ist, liegt, wobei die Härte gemäß DIN EN ISO 6507-1 :2018 bis 6507-4:2018 bestimmt werden kann. Zum Beispiel wird die Substratmetallisierung, wie z.B. eines Keramiksubstrats, oft durch ein solches weichgeglühtes Kupfer ausgebildet. Außerdem und im Hinblick auf eine Kupferlegierung mit hoher Härte kann das Letztere zum Beispiel eine Härte im Beispielbereich von 120 bis 200 HV, der nicht beschränkend ist, aufweisen. Sie kann eine SuNiSi-Legierung umfassen oder daraus bestehen, die zum Beispiel ein Material in einem Hilfsanschluss, wie z.B. einem Presspassanschluss, sein kann.It can also be provided that the first material comprises a copper alloy and thus in particular a copper alloy with high hardness, such as consists of it, and the second material comprises copper and in particular soft copper, such as consists of it, or that the second material comprises a copper alloy and therefore in particular comprises a high hardness copper alloy, such as consists of, and the first material comprises copper and in particular soft copper, such as consists of. In this regard and in detail, it can be provided that the soft copper is a soft annealed copper having a hardness that is in an example range of 50 to 70 HV, which is in no way limiting, the hardness being according to DIN EN ISO 6507-1 :2018 to 6507-4:2018 can be determined. For example, substrate metallization, such as a ceramic substrate, is often formed by such annealed copper. In addition, and with regard to a high-hardness copper alloy, the latter can have, for example, a hardness in the range of, for example, 120 to 200 HV, which is not limiting. It may include or consist of a SuNiSi alloy, which may, for example, be a material in an auxiliary terminal such as a press-fit terminal.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das erste Material Aluminium umfasst, wie z.B. daraus besteht, und das zweite Material Kupfer umfasst, wie z.B. daraus besteht, oder dass das erste Material Kupfer umfasst, wie z.B. daraus besteht, und das zweite Material Aluminium umfasst, wie z.B. daraus besteht. Gemäß dieser Ausführungsform sind erneut Kupfer und Aluminium Materialien, die eine unterschiedliche Härte aufweisen, und daher kann ein Verbinden dieser Materialien mithilfe von Ultraschallschweißen oder mithilfe von Laserschweißen zu den beschriebenen Problemen führen. Daher kann das vorliegende Verfahren in diesem Fall erneut sehr wirksam sein.It can also be provided that the first material comprises aluminum, such as consists of it, and the second material copper comprises, such as consists of, or that the first material comprises, such as consists of copper and the second material comprises, such as consists of aluminum. According to this embodiment, copper and aluminum are again materials that have different hardnesses, and therefore joining these materials using ultrasonic welding or using laser welding may lead to the problems described. Therefore, in this case, again, the present method can be very effective.
Eine solche Ausführungsform kann in Hochspannungs-Leistungsmodulen, die ein AI/AIN/AI-Substrat umfassen, vorhanden sein, zum Beispiel realisiert sein. Ein solches Substrat kann für eine Hochspannungsanwendung bevorzugt sein, da es eine hohe Zyklenzuverlässigkeit aufweist und zum Beispiel beim Verwenden von Aktivmetalllöten (AMB) eine Silberionenmigration vermieden werden kann, was zum Beispiel im Gegensatz zu einem Cu/Keramik/Cu-Substrat steht. Es stellt jedoch eine Herausforderung dar, einen auf Kupfer basierenden Anschluss auf eine vergleichbar weiche Aluminiummetallisierung zu schweißen, da das Kupfermaterial in die Aluminiummetallisierung gedrückt werden kann, wie vorstehend beschrieben.Such an embodiment may be present, for example implemented, in high voltage power modules comprising an Al/AIN/AI substrate. Such a substrate may be preferred for a high voltage application because it has high cycle reliability and silver ion migration can be avoided when using active metal brazing (AMB), for example, which is in contrast to a Cu/ceramic/Cu substrate, for example. However, it presents a challenge to weld a copper-based termination to a comparably soft aluminum metallization since the copper material can be pushed into the aluminum metallization as described above.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Verbindungsschicht derart ausgebildet wird, dass sie zusätzlich zur Oberflächenteilschicht eine Schicht einer Basisteilschicht umfasst, wobei die Basisteilschicht direkt benachbart zum Verbindungsbasisbereich angeordnet wird, so dass die Oberflächenteilschicht das Material des Verbindungspartnerbereichs umfasst und die Basisteilschicht das Material des Verbindungsbasisbereichs umfasst.It can also be provided that the connection layer is formed in such a way that it comprises a layer of a base part layer in addition to the surface part layer, the base part layer being arranged directly adjacent to the connection base area, so that the surface part layer comprises the material of the connection partner area and the base part layer comprises the material of the connection base area includes.
Mit anderen Worten bildet die Oberflächenteilschicht die Fläche der Verbindungsschicht, nachdem sie an dem Verbindungsbasisbereich, d.h. am ersten oder zweiten Verbindungsbereich, der die niedrigere Härte aufweist, angebracht wurde. Daher ist, nachdem die Verbindungsschicht am Verbindungsbasisbereich angebracht wurde, die Oberflächenteilschicht dem Verbindungspartnerbereich zugewandt und somit dem ersten oder dem zweiten Verbindungsbereich, der die höhere Härte aufweist, zugewandt.In other words, the surface sub-layer forms the surface of the bonding layer after it has been attached to the bonding base region, i.e. the first or second bonding region having the lower hardness. Therefore, after the bonding layer is attached to the bonding base portion, the partial surface layer faces the bonding partner portion and thus faces the first or second bonding portion having the higher hardness.
Eine solche Anordnung kann, insbesondere wenn sie eine Vielzahl von mehr als zwei Schichten und daher mehr als die Basisteilschicht und die Oberflächenteilschicht aufweist, als eine Mehrfachschichtstruktur bzw. eine Mehrfachschichtanordnung bezeichnet werden. Sie kann daher direkt in einer Zweischichtanordnung oder allmählich in einer Anordnung, die mehr als zwei Schichten aufweist, ihre Zusammensetzung derart ändern, dass das erste Material des Anschlusses mit dem gleichen Material der Verbindungsschicht verbunden wird, und entsprechend, dass das zweite Material der Substratmetallisierung mit dem gleichen Material der Verbindungsschicht verbunden wird. Die Materialänderung liegt daher in einer Richtung, die vom Anschluss zur elektrisch leitfähigen Struktur verläuft, vor.Such an arrangement, particularly when it comprises a plurality of more than two layers and therefore more than the base sub-layer and the surface sub-layer, may be referred to as a multi-layer structure or arrangement. You can therefore change its composition directly in a two-layer arrangement or gradually in an arrangement that has more than two layers, such that the first material of the connection is connected to the same material of the connection layer, and correspondingly that the second material of the substrate metallization with is connected to the same material of the connection layer. The material change is therefore in a direction that runs from the connection to the electrically conductive structure.
Eine solche Ausführungsform kann eine besonders zuverlässige und stabile Verbindung des Anschlusses mit dem Substrat ermöglichen. Daher können die beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung gemäß dieser Ausführungsform besonders ausgeprägt sein.Such an embodiment can enable a particularly reliable and stable connection of the connection to the substrate. Therefore, the described advantages of the present invention can be particularly pronounced according to this embodiment.
Es kann daher vorgesehen sein, dass die Verbindungsschicht ihre Zusammensetzung kontinuierlich vom ersten Material zum zweiten Material ändert.Provision can therefore be made for the connection layer to change its composition continuously from the first material to the second material.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Verbindungsschicht kontinuierlich auf der Substratmetallisierung und auf einem Hauptkörper des Substrats benachbart zur Substratmetallisierung bereitgestellt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird daher eine kontinuierliche Verbindungsschicht bereitgestellt, die sowohl auf dem Substrat, d.h. auf dem Substrathauptkörper, als auch auf der Substratmetallisierung angeordnet ist. Dies kann zum Beispiel mithilfe von CGS oder SLM durchgeführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Anschluss zumindest teilweise, zum Beispiel vollständig, in der Nähe der Metallisierung, und daher zumindest teilweise oder vollständig auf dem Substrathauptkörper angeordnet sein. Aufgrund der kontinuierlichen Verbindungsschicht ist jedoch eine Verbindung zum Übertragen von Strömen oder Signalen vom Anschluss an die Metallisierung weiterhin möglich.It can also be provided that the connection layer is continuously provided on the substrate metallization and on a main body of the substrate adjacent to the substrate metallization. According to this embodiment, therefore, there is provided a continuous interconnection layer disposed both on the substrate, i.e. on the substrate main body, and on the substrate metallization. This can be done using CGS or SLM, for example. According to this embodiment, the terminal may be at least partially, for example entirely, located in the vicinity of the metallization, and therefore at least partially or entirely on the substrate main body. However, due to the continuous connection layer, a connection for transmitting currents or signals from the connection to the metallization is still possible.
Diese Ausführungsform ermöglicht ein Bereitstellen des Anschlusses, ohne dass er eine weiche Schicht, wie z.B. eine Aluminiumschicht, darunter aufweist. Dies kann das Prozessfenster von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen erweitern. Eine besonders zuverlässige Verbindung des Anschlusses mit der elektrisch leitfähigen Struktur kann wiederum bereitgestellt werden. Daher können die beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung gemäß dieser Ausführungsform besonders ausgeprägt sein.This embodiment enables the terminal to be provided without having a soft layer such as an aluminum layer underneath. This can expand the process window of ultrasonic welding or laser welding. A particularly reliable connection of the connection to the electrically conductive structure can in turn be provided. Therefore, the described advantages of the present invention can be particularly pronounced according to this embodiment.
Im Hinblick auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Verfahrens wird auf das Leistungshalbleitermodul, die Figuren und die weitere Beschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the method, reference is made to the power semiconductor module, the figures and the further description.
Außerdem wird ein Leistungshalbleitermodul beschrieben, das eine Substratmetallisierung zum Kontaktieren von Leistungshalbleiterbauelementen und zum Kontaktieren eines Anschlusses umfasst, und einen Anschluss zum Anordnen auf der Substratmetallisierung umfasst, wobei der Anschluss einen ersten Verbindungsbereich aufweist, der aus einem ersten Material ausgebildet ist, und wobei das Substrat einen zweiten Verbindungsbereichs aufweist, der aus einem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material eine erste Härte aufweist und das zweite Material eine zweite Härte aufweist, wobei die erste Härte von der zweiten Härte verschieden ist, und wobei der Anschluss mit seinem ersten Verbindungsbereich mit dem Substrat mit seinem zweiten Verbindungsbereich verbunden ist, wobei ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine höhere Härte aufweist, einen Verbindungspartnerbereich bildet, und ein solcher erster Verbindungsbereich oder ein solcher zweiter Verbindungsbereich, der eine niedrigere Härte aufweist, einen Verbindungsbasisbereich bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsschicht zwischen dem ersten Verbindungsbereich und dem zweiten Verbindungsbereich bereitgestellt ist, wobei die Verbindungsschicht eine Oberflächenteilschicht aufweist, die aus einem Material ausgebildet ist, das eine Härte aufweist, die der Härte des Verbindungspartnerbereichs entspricht, wobei die Oberflächenschicht dem Verbindungspartnerbereich zugewandt ist.In addition, a power semiconductor module is described that has a substrate metallization for contacting power semiconductor components and for contacting a terminal, and comprises a terminal for arranging on the substrate metallization, wherein the terminal has a first connection area formed from a first material, and wherein the substrate has a second connection area formed from a second material, wherein the first material has a first hardness and the second material has a second hardness, wherein the first hardness differs from the second hardness, and wherein the terminal is connected with its first connection region to the substrate with its second connection region, such a first Connection area or such a second connection area, which has a higher hardness, forms a connection partner area, and such a first connection area or such a second connection area, which has a lower hardness, forms a connection base area, characterized in that a verb bonding layer is provided between the first bonding region and the second bonding region, the bonding layer having a surface sub-layer formed of a material having a hardness corresponding to the hardness of the bonding partner region, the surface layer facing the bonding partner region.
Der Anschluss ist vorzugsweise ein Presspass-Hilfsanschluss. Ein solcher Anschluss wird in der Regel aus einer Kupferlegierung mit hoher Härte, wie z.B. CuNiSi, gefertigt, während die Substratmetallisierung in der Regel aus sehr weich geglühtem Kupfer gefertigt wird. Insbesondere kann dies beim Verbinden solcher Teile mithilfe von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen zu Schäden des weicheren Materials, d.h. der Metallisierung oder des Substrathauptkörpers, durch Risse führen.The terminal is preferably an auxiliary press-fit terminal. Such a terminal is usually made of a high hardness copper alloy such as CuNiSi, while the substrate metallization is usually made of very soft annealed copper. In particular, when such parts are joined by ultrasonic welding or laser welding, it may damage the softer material, i.e., the metallization or the substrate main body, through cracks.
Ein solches Leistungshalbleitermodul stellt beträchtliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereit, die im Hinblick auf das Verfahren ausführlich beschrieben werden. Zusammenfassend kann durch Bereitstellen der Verbindungsschicht das Leistungshalbleitermodul ohne das Risiko von Schäden am weicheren Material im Zuge von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen hergestellt werden. Stattdessen kann eine sehr stabile und zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss und der elektrisch leitfähigen Struktur bereitgestellt werden, die wiederum ein sicheres, zuverlässiges und leistungsstarkes Arbeitsverhalten des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.Such a power semiconductor module provides significant advantages over the prior art, which are described in detail in terms of the method. In summary, by providing the connection layer, the power semiconductor module can be manufactured without the risk of damage to the softer material in the course of ultrasonic welding or laser welding. Instead, a very stable and reliable electrical connection can be provided between the connection and the electrically conductive structure, which in turn enables safe, reliable and high-performance operation of the power semiconductor module.
Um das Vorstehende zusammenzufassen, löst die vorliegende Erfindung eine wichtige Aufgabe, wie zwei unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Härten zu schweißen sind, was wiederum ein fortschrittliches Leistungsmoduldesign ermöglicht.To summarize the above, the present invention solves an important problem of how to weld two dissimilar materials with different hardnesses, which in turn enables an advanced power module design.
Im Hinblick auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Leistungshalbleitermoduls wird auf das Verfahren, die Figuren und die weitere Beschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the power semiconductor module, reference is made to the method, the figures and the further description.
Figurenlistecharacter list
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und anhand von ihnen erläutert werden. Einzelne in den Ausführungsformen offenbarte Merkmale können allein oder in Kombination einen Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen. Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können von einer Ausführungsform auf eine andere Ausführungsform übertragen werden.These and other aspects of the invention will be apparent from and illustrated by the embodiments described below. Individual features disclosed in the embodiments can represent an aspect of the present invention alone or in combination. Features of the various embodiments may be carried over from one embodiment to another embodiment.
Es zeigen:
-
1 eine seitliche, teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung; -
2 eine seitliche, teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung; und -
3 eine seitliche, teilweise auseinandergezogene Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung.
-
1 a side, partially exploded sectional view of a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention; -
2 a side, partially exploded sectional view of a second embodiment of a power semiconductor module according to the invention; and -
3 12 is a side, partially exploded sectional view of a third embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Die Substratmetallisierung 16 bildet eine elektrisch leitfähige Struktur und dient unter anderem zum Verbinden von Leistungshalbleiterbauelementen, die an sich nicht dargestellt sind, mit Anschlüssen 22, wie z.B. einem Leistungsanschluss 24 und einem Hilfsanschluss 26. Die Anschlüsse 22 und insbesondere der Hilfsanschluss 26 können aus einer harten Kupferlegierung, wie z.B. CuNiSi, ausgebildet werden.The
Es ist außerdem dargestellt, dass jeder Anschluss 22 einen ersten Verbindungsbereich 28 umfasst, der aus einem ersten Material ausgebildet ist, und dass das Substrat 12 einen zweiten Verbindungsbereich 30 aufweist, der aus einem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material eine erste Härte aufweist und wobei das zweite Material eine zweite Härte aufweist, wobei die erste Härte von der zweiten Härte verschieden ist.Each terminal 22 is also shown to include a
Dies liegt hauptsächlich an den vorstehend beschriebenen Materialien für die Anschlüsse 22 und die Substratmetallisierung 16.This is primarily due to the materials described above for the terminals 22 and the
Um die Anschlüsse 22 mit dem Substrat 12, d.h. der Substratmetallisierung 16, zu verbinden, wird ein Verwenden von Ultraschallschweißen oder Laserschweißen vorgesehen. Da die jeweiligen Verbindungsbereiche 28, 30 aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden, was aufgrund des Schweißschrittes zu Nachteilen führen kann, wird ein Verbinden der Anschlüsse 22 mit dem Substrat 12 mithilfe einer Verbindungsschicht 32 durchgeführt.In order to connect the terminals 22 to the
Genauer gesagt ist vorgesehen, dass der Anschluss 22 und gemäß der Ausführungsform von
Außerdem wird vor dem Verbinden des Anschlusses 22 mit dem Substrat 12 die Verbindungsschicht 32 bereitgestellt. Die Verbindungsschicht 32 weist eine Oberflächenteilschicht auf, die in den Figuren die einzige Schicht der Verbindungsschicht 32 ist. Die Verbindungsschicht 32 wird aus einem Material ausgebildet, das eine Härte aufweist, die der Härte des Verbindungspartnerbereichs, d.h. jenes Verbindungsbereichs 28, 30, das die höhere Härte aufweist, entspricht. Die Verbindungsschicht 32 wird auf dem Verbindungsbasisbereich, d.h. jedem Verbindungsbereich 28, 30 bereitgestellt, der die niedrigere Härte aufweist und der in
Daher wird die Verbindungsschicht 32 auf dem zweiten Verbindungsbereich 30 bereitgestellt, wobei die Verbindungsschicht 32 aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die der Härte des ersten Materials, d.h. der Kupferlegierung des Hilfsanschlusses 26, entspricht.Therefore, the
Das Bereitstellen der Verbindungsschicht 32 kann mindestens einen der folgenden Schritte umfassen: Kaltgasspritzen, Metallplattieren, und den Schritt eines Bondens einer vorgeformten Schicht an den zweiten Verbindungsbereich 30.The provision of the connecting
In
Gemäß
Jedoch ist gemäß
Um ein Ultraschallschweißen der Anschlüsse 22 am Substrat 12 umzusetzen, wird daher erneut eine jeweilige Verbindungsschicht 32 auf der zweiten Verbindungsschicht 30 bereitgestellt.In order to implement an ultrasonic welding of the terminals 22 on the
Da jedoch die Substratmetallisierung 16 aus Aluminium ausgebildet ist, wird eine Verbindungsschicht 32 auch zwischen dem Leistungsanschluss 24 und dem Substrat 12 bereitgestellt, da durch Verwenden von Ultraschallschweißen auch die Kombination von Aluminium und Kupfer des Leistungsanschlusses zu Problemen führen kann.However, since the
Die Verbindungsschicht 32 wird auf dem zweiten Verbindungsbereich 30 bereitgestellt, wobei die Verbindungsschicht 32 aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die jeweils der Härte des ersten Materials, d.h. der Kupferlegierung des Hilfsanschlusses 26 bzw. des Kupfers des Leistungsanschlusses, entspricht.The
In
Gemäß
Um ein Ultraschallschweißen der Anschlüsse 22 am Substrat 12 umzusetzen, wird daher erneut eine jeweilige Verbindungsschicht 32 auf der zweiten Verbindungsschicht 30 bereitgestellt.In order to implement an ultrasonic welding of the terminals 22 on the
Da jedoch die Substratmetallisierung 16 aus Aluminium ausgebildet ist, wird eine Verbindungsschicht 32 auch zwischen dem Leistungsanschluss 24 und dem Substrat 12 bereitgestellt, da durch Verwenden von Ultraschallschweißen auch die Kombination von Aluminium und Kupfer des Leistungsanschlusses zu Problemen führen kann.However, since the
Die Verbindungsschicht 32 wird auf dem zweiten Verbindungsbereich 30 bereitgestellt, wobei die Verbindungsschicht 32 aus einem Material ausgebildet wird, das eine Härte aufweist, die jeweils der Härte des ersten Materials, d.h. der Kupferlegierung des Hilfsanschlusses 26 bzw. des Kupfers des Leistungsanschlusses, entspricht.The
Jedoch wird zusätzlich zu
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, sind eine solche Darstellung und Beschreibung als eine Veranschaulichung oder ein Beispiel und nicht als eine Einschränkung gedacht; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Abwandlungen der offenbarenden Ausführungsformen können von einem Fachmann beim Praktizieren der beanspruchten Erfindung, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Ansprüchen schließt der Begriff „umfassend“ weitere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein/eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Der bloße Fakt, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft verwendet werden kann. Jegliche Bezugszeichnen in den Ansprüchen sollten nicht als eine Beschränkung des Umfangs ausgelegt werden.While the invention has been shown and described in detail in the drawings and the foregoing description, such showing and description are intended as an illustration or example and not as a limitation; the invention is not limited to the disclosed embodiments. Other modifications to the disclosed embodiments may be understood and effected by one skilled in the art from practicing the claimed invention, from a study of the drawings, the disclosure, and the appended claims. In the claims, the term "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a/an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not mean that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims should not be construed as a limitation on the scope.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Leistungshalbleitermodulpower semiconductor module
- 1212
- Substratsubstrate
- 1414
- Hauptkörpermain body
- 1616
- Metallisierungmetallization
- 1818
- Grundplattebase plate
- 2020
- Schichtlayer
- 2222
- Anschlussconnection
- 2424
- Leistungsanschlusspower connection
- 2626
- Hilfsanschlussauxiliary connection
- 2828
- Erster VerbindungsbereichFirst connection area
- 3030
- Zweiter VerbindungsbereichSecond connection area
- 3232
- Verbindungsschichtconnection layer
- 3434
- Schweißwerkzeugwelding tool
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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