EP4196314A1 - Verfahren und vorrichtung zum temperaturkritischen fügen zweier bauteilschichten - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum temperaturkritischen fügen zweier bauteilschichtenInfo
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- EP4196314A1 EP4196314A1 EP21749631.4A EP21749631A EP4196314A1 EP 4196314 A1 EP4196314 A1 EP 4196314A1 EP 21749631 A EP21749631 A EP 21749631A EP 4196314 A1 EP4196314 A1 EP 4196314A1
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Definitions
- ultrasonic methods are used to join a copper power connector to a printed circuit board on which temperature-critical components such as capacitors and/or processors are arranged.
- ultrasonic methods for joining components place high demands on the rigidity of the components to be joined and their surface quality, so that currently only power connectors with a width of up to 2 mm can be joined using an ultrasonic method.
- soldering methods are known in which a soft solder is applied whose melting point is below the critical temperature of the respective temperature-critical electronic components.
- the invention presented serves to connect two component layers, of which at least one component layer has a temperature-critical component.
- the presented invention serves to enable a copper-to-copper connection of a power connector with a 35 pm metallization for supplying semiconductor elements on a printed circuit board.
- a method for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, with at least one electronic component being arranged on the second component layer, the critical temperature of which is below a melting point of the first and the second layer of components.
- the method comprises an arrangement step for arranging the first component layer over the second component layer without a gap and a movement step for moving a laser beam with constant power along the first component layer with a welding feed, which causes a material forming the first component layer to be melted by an energy input of the laser beam , and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.
- a critical temperature of a component is to be understood as meaning a temperature at which the component is damaged.
- a surface area is to be understood as meaning a component layer which is surrounded on one side by a carrier layer, such as a substrate.
- a surface area is very thin, e.g. 35 pm, thin.
- a surface area can be made of metal and can be arranged under a protective layer, which can be made of plastic, for example.
- a surface area can form a conductor layer of a printed circuit board.
- the method presented provides for a welding feed, i.e. a movement of a laser along a first component layer, which is so fast that energy is introduced by welding limited to a very small weld area.
- a welding feed i.e. a movement of a laser along a first component layer, which is so fast that energy is introduced by welding limited to a very small weld area.
- the limitation of the welding area occurs on the one hand in its surface area, ie its cross section on the first component layer, but also in its depth extension in a second component layer arranged under the first component layer.
- the welding feed provided according to the invention limits an energy input into a second component layer, which is arranged under a first component layer, in such a way that only material in a surface area of the second component layer is melted. This effect can be checked easily, for example by making a section through a material combination produced using the method according to the invention. In this case, however, the energy input is at least so high that the first component layer is continuously melted and energy introduced into the first component layer is passed on to the second component layer.
- the first component layer becomes the first component layer as a result of the inventively provided melting of the first component layer up to the second component layer continuously melted, so that a melt of the first component layer contacts the second component layer and forms a connection with it. Due to the welding feed provided according to the invention, penetration of the second component layer by the melt is avoided, so that the second component layer is only melted in a surface area and minimal energy is introduced into the second component layer.
- an energy input into components arranged on the second component layer is also minimized. Accordingly, heating of components arranged on the second component layer when the method according to the invention is carried out remains far below a critical temperature of respective components arranged on the second component layer, so that damage to the components by the method according to the invention is avoided.
- the welding feed rate is at least 800mm/s.
- the welding feed rate provided according to the invention is at least 800mm/s, so that a respective localized area of the first and second component layer is only temporarily or briefly thermally stressed and a localized energy input remains minimal or is only so large that the second component layer is melted in its surface area .
- humping usually already occurs at a welding feed rate of 800mm/s, such a welding feed rate is usually avoided.
- a welding feed rate 800mm/s
- humping can be reliably avoided, particularly in the case of small heating areas.
- part of an energy input that is conducted into the first component layer is transferred to the second Transfer component layer, whereby a meta-stable intermediate state of a melt in the first component layer is generated, which avoids humping and also makes it possible to limit melting of the second component layer to a surface area, in particular to a surface area with a material thickness of 35 pm.
- a small cross section of an area with which a laser beam provides an energy input into the first component layer and the second component layer leads to the depth of the surface area within which the second component layer is melted being controlled or minimized can be.
- the area can be any have length.
- the surface can have a length of more than 2 cm, so that, for example, power connectors with a width greater than 2 cm can be joined, in particular bonded, as the first component layer to a second component layer, such as a printed circuit board.
- the method presented can be used to provide a welding area that is longer than 2 cm without damaging the respective temperature-critical components.
- the method provided according to the invention is particularly suitable for joining power connectors made of copper with a material thickness of approximately 100 ⁇ m and a width of more than 2 cm on a circuit board or power electronics with a copper layer of 35 ⁇ m.
- the first component layer and/or the surface area of the second component layer consists at least partly of aluminum, in particular at least partly of copper and/or aluminum.
- the component provided according to the invention can be part of power electronics or a semiconductor element, such as a printed circuit board or a control device, or be a battery.
- the presented invention relates to a joining device for the temperature-critical joining of a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, wherein at least one electronic component is arranged on the second component layer, the critical temperature of which is below a Melting point of the first and the second component layer is.
- the joining device includes a laser, an actuator and a control unit.
- the control unit is configured to control the actuator in such a way that the actuator moves the laser with a welding feed over the first component layer, which causes a material forming the first component layer to be partially melted down to the second component layer by an energy input from the laser beam , and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.
- the joining device according to the invention serves in particular to carry out the method according to the invention.
- the presented invention relates to a semiconductor element.
- the semiconductor element comprises a first electrically conductive component layer with a first constant material thickness and a second component layer with a second constant material thickness, the first component layer and the second component layer being connected using a possible configuration of the method presented.
- first component layer and the second component layer of the semiconductor element according to the invention are connected in such a way that a solidified melt in a connection region of the second component layer projects only into a surface region of the second component layer.
- the joining of two component layers allows two components to be connected in an electrically conductive manner without the need for a solder is needed.
- the presented invention enables second copper layers to be melted, so that the copper layers form a connection with one another that is electrically conductive and mechanically stable.
- Figure 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of the method according to the invention
- FIG. 2 shows a schematic representation of a possible embodiment of the joining device according to the invention
- FIG. 3 shows a schematic representation of a possible configuration of the semiconductor element according to the invention.
- FIG. 1 A sequence of a method 100 is shown in FIG. An energy input into a first component layer 103 and a second component layer 105 is provided by means of a laser beam 101, which is set to a power “P”.
- the laser beam 101 is moved along a surface of the first component layer 103 with a welding feed rate, ie a speed “v”, as indicated by arrow 107 . Accordingly, a melting area 109 is created in the first component layer 103 and the second component layer 105. The melting area 109 extends completely through the first component layer 103 and into a surface area 111 of the second component layer 105. Correspondingly, a support area 113 lying under the surface area 111 becomes the second component layer 105 is not melted.
- a section-specific energy input E which is introduced into the first component layer 103 and the second component layer 105, results from the ratio of the power of the laser beam 101 and the welding feed.
- the welding feed rate is selected to be as high or as fast as possible without generating instabilities through so-called "humping".
- the power of the laser beam is increased until a desired welding depth is reached is reached. The larger the cross-section of a welding area, the more energy has to be provided to reach the required welding depth.
- the welding feed rate can be selected in such a way that it leads to a metastable intermediate state of a molten slag.
- this intermediate state there is still no “humping”, ie slag escaping from the melting region 109, but the slag can be set in dynamic motion, which enables energy to be dissipated quickly from the surface area of the second component layer.
- the laser beam 101 is operated with a power of 1 kW and is moved with a welding feed rate of at least 800 mm/s, as indicated by arrow 107.
- the welding area 109 with a cross section of 40 ⁇ m is created.
- the first component layer 103 melts completely and in the second component layer 105 in some areas, only in the surface area 111, which is e.g. 35 ⁇ m high here.
- the energy transmitted by the laser beam 101 acts only locally in the melting region 109, so that a transmission of energy provided by the laser beam 101 into an area 115 of the first component layer 103 surrounding the melting region 109 and an area surrounding the melting region 109 117 of the second component layer 105 is minimized.
- a joining device 200 is shown in FIG. 2 .
- the joining device 200 includes a laser 201, an actuator 203 and a control unit 205.
- the control unit 205 is configured to control the actuator 203 in such a way that the actuator 203 moves the laser 201 with a welding feed over a first component layer, which causes through an energy input of a laser beam of the laser 201, a material forming the first component layer is partly melted up to a second component layer, and that only material in a surface area of the second component layer is melted by the energy input.
- control unit 205 is configured to minimize an energy input by the laser 201 into areas of the first component layer and the second component layer surrounding a welding area, by the process parameters welding feed rate, power of the laser and cross-section of the welding area being adjusted to one another, with the welding feed rate being at least is 800mm/s.
- FIG. 3 shows a semiconductor element 300 that was produced using the method 100 .
- a power connector 301 which is arranged above a circuit board 303 can be seen here.
- the power connector 301 and the circuit board 303 are connected via a welding portion 305 .
- the weld area 305 provides a mechanical and electrically conductive connection between the power connector 301 and the circuit board 303 .
- the power connector 301 and the printed circuit board 303 are connected without solder.
- the welding area 305 extends completely through the power connector 301 and into a surface area 307, in this case a copper metallization of the printed circuit board 303.
- a surface area 307 in this case a copper metallization of the printed circuit board 303.
- the welding area 305 does not extend into a carrier layer 309 of the printed circuit board 303.
- the carrier layer 309 can be made of temperature-sensitive material, such as plastic.
- a gap between the power connector 301 and the copper metallization can arise due to energy provided during the production of the semiconductor element 300, which gap can be caused, for example, by melted plastic of the printed circuit board 303.
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (103, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten Bauteilschicht (103, 301) und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt. Das Verfahren (100) umfasst die folgenden Schritte: - spaltfreies Anordnen der ersten Bauteilschicht (103, 301) über der zweiten Bauteilschicht (105, 303), - Bewegen eines Laserstrahls (101) mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht (103, 301) mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (103, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird.
Description
Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum temperaturkritischen Fügen zweier Bauteilschichten
Stand der Technik
Beim Fügen von Materialien, die temperaturkritische Bauteile, also Bauteile deren Schmelzpunkt unterhalb eines Schmelzpunkts einer zu fügenden Schicht aufweisen, ist es erforderlich einen Energieeintrag in die zu fügende Schicht zu begrenzen, um eine Beschädigung der temperaturkritischen Bauteile zu vermeiden.
Bspw. werden zum Fügen eines Stromverbinders aus Kupfer an einer Leiterplatte, an welcher temperaturkritische Bauteile, wie bspw. Kondensatoren und/oder Prozessoren angeordnet sind, Ultraschallverfahren eingesetzt.
Ultraschallverfahren zum Fügen von Bauteilen haben jedoch hohe Anforderungen an die Steifheit der zu fügenden Bauteile und deren Oberflächengüte, sodass derzeit lediglich Stromverbinder mit einer Breite von bis zu 2 mm mittels eines Ultraschallverfahrens gefügt werden können.
Weiterhin sind Lötverfahren bekannt, bei denen ein Weichlötmittel aufgebracht wird, dessen Schmelztemperatur unterhalb der kritischen Temperatur jeweiliger temperaturkritischer elektronischer Bauteile liegt.
Ferner sind Verfahren zum Laserschweißen von Materialpaarungen bekannt, bei denen ein Energieeintrag durch lokalen Abstand zwischen Energieeintrag und Fügestelle minimiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren zum temperaturkritischen Fügen, eine Fügevorrichtung und ein Halbleiterelement vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient dazu, zwei Bauteilschichten zu verbinden, von denen mindestens eine Bauteilschicht ein temperaturkritisches Bauteil aufweist. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Kupfer- Kupfer- Verbindung eines Stromverbinders mit einer 35pm Metallisierung zum Versorgen von Halbleiterelementen auf einer Leiterplatte zu ermöglichen.
Es wird somit ein Verfahren zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke vorgestellt, wobei an der zweiten Bauteilschicht mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht liegt. Das Verfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum spaltfreien Anordnen der ersten Bauteilschicht über der zweiten Bauteilschicht und einen Bewegungsschritt zum Bewegen eines Laserstrahls mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls ein die erste Bauteilschicht bildendes Material aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird.
Unter einer kritischen Temperatur einer Komponente ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Temperatur zu verstehen, bei der die Komponente beschädigt wird.
Unter einem Oberflächenbereich ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Bauteilschicht zu verstehen, die auf einer Seite von einer Trägerschicht, wie bspw. einem Substrat umgeben wird. Insbesondere ist ein Oberflächenbereich sehr dünn, bspw. 35pm, dünn. Ein Oberflächenbereich kann aus Metall sein und unter einer Schutzschicht, die bspw. aus Kunststoff sein kann, angeordnet sein. Entsprechend kann ein Oberflächenbereich eine Leiterschicht einer Leiterplatte bilden.
Zum Fügen zweier Bauteilschichten bzw. zweier Materialien, von denen mindestens eine ein temperaturkritisches Bauteil aufweist, sieht das vorgestellte Verfahren einen Schweißvorschub, also eine Bewegung eines Lasers entlang einer ersten Bauteilschicht vor, der bzw. die derart schnell ist, dass ein Energieeintrag durch das Schweißen auf einen sehr kleinen Schweißbereich beschränkt wird. Dabei erfolgt die Beschränkung des Schweißbereichs zum einen in seiner Flächenausdehnung, also seinem Querschnitt auf der ersten Bauteilschicht aber auch in seiner Tiefenausdehnung in eine unter der ersten Bauteilschicht angeordnete zweite Bauteilschicht.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschub wird ein Energieeintrag in eine zweite Bauteilschicht, die unter einer ersten Bauteilschicht angeordnet ist, derart begrenzt, dass lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird. Dieser Effekt kann leicht nachgeprüft werden, indem bspw. ein Schnitt durch eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Materialkombination angefertigt wird. Dabei ist der Energieeintrag jedoch mindestens so hoch, dass die erste Bauteilschicht durchgängig aufgeschmolzen wird und in die erste Bauteilschicht eingebrachte Energie weitergeleitet wird in die zweite Bauteilschicht.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Aufschmelzen der ersten Bauteilschicht bis zu der zweiten Bauteilschicht wird die erste Bauteilschicht
durchgehend aufgeschmolzen, sodass eine Schmelze der ersten Bauteilschicht die zweite Bauteilschicht kontaktiert und mit dieser eine Verbindung eingeht. Dabei wird aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschubs ein Durchdringen der zweiten Bauteilschicht durch die Schmelze vermieden, sodass die zweite Bauteilschicht lediglich in einem Oberflächenbereich aufgeschmolzen wird und ein minimaler Energieeintrag in die zweite Bauteilschicht erfolgt.
Aufgrund des durch das erfindungsgemäße Verfahren bedingten minimalen Energieeintrags in die zweite Bauteilschicht wird ein Energieeintrag in an der zweiten Bauteilschicht angeordnete Komponenten, wie bspw. Prozessoren oder andere Schaltelemente, insbesondere Kondensatoren oder Isolatoren, ebenfalls minimiert. Entsprechend bleibt eine Erwärmung von auf der zweiten Bauteilschicht angeordneten Komponenten bei einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weit unterhalb einer kritischen Temperatur jeweiliger auf der zweiten Bauteilschicht angeordneter Komponenten, sodass eine Beschädigung der Komponenten durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Schweißvorschub beträgt mindestens 800mm/s, sodass ein jeweiliger punktueller Bereich der ersten und zweiten Bauteilschicht nur temporär bzw. kurz thermisch belastet wird und ein punktueller Energieeintrag minimal bleibt bzw. lediglich so groß ist, dass die zweite Bauteilschicht in ihrem Oberflächenbereich aufgeschmolzen wird.
Da bei einem Schweißvorschub von 800mm/s üblicherweise bereits sogenanntes „Humping“ auftritt, wird ein derartiger Schweißvorschub üblicherweise vermieden. Durch Verwendung eines Lasers und einer spaltfreien Anordnung von zu verbindenden Bauteilschichten kann jedoch erfindungsgemäß ein Humping insbesondere bei kleinen Erwärmungsbereichen zuverlässig vermieden werden.
Durch eine spaltfreie Anordnung zweier Bauteilschichten wird ein Teil eines Energieeintrags, der in die erste Bauteilschicht geleitet wird, in die zweite
Bauteilschicht übertragen, wodurch ein meta-stabiler Zwischenzustand einer Schmelze in der ersten Bauteilschicht erzeugt wird, der Humping vermeidet und es zusätzlich ermöglicht, ein Schmelzen der zweiten Bauteilschicht auf einen Oberflächenbereich, insbesondere auf einen Oberflächenbereich mit einer Materialstärke von 35pm, zu beschränken.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt einer Fläche, mit der der Laserstrahl den Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, höchstens 75pm, insbesondere höchstens 50pm oder höchstens 40pm beträgt.
In Kombination mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorschub führt ein kleiner Querschnitt einer Fläche, mit der ein Laserstrahl einen Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, dazu, dass eine Tiefe des Oberflächenbereichs, innerhalb dessen die zweite Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, kontrolliert bzw. minimiert werden kann.
Während ein Querschnitt einer Fläche, mit der ein Laserstrahl einen Energieeintrag in die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht bereitstellt, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise klein, also höchstens 75pm, insbesondere höchstens 50pm oder höchstens 40pm, sein sollte, kann die Fläche eine beliebige Länge aufweisen. Insbesondere kann die Fläche eine Länge von mehr als 2cm aufweisen, sodass bspw. Stromverbinder mit einer Breite größer 2cm als erste Bauteilschicht mit einer zweiten Bauteilschicht, wie bspw. einer Leiterplatte gefügt, insbesondere gebondet werden können.
Insbesondere kann durch das vorgestellte Verfahren ein Schweißbereich bereitgestellte werden, der länger als 2cm ist, ohne jeweilige temperaturkritische Bauteile zu beschädigen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht eine Materialstärke von mindestens 80pm, insbesondere mindestens 100pm und höchstens 200pm aufweist, und/oder dass der Oberflächenbereich eine
Materialstärke von höchstens 50pm, insbesondere von höchstens 35pm aufweist.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Stromverbindern aus Kupfer mit einer Materialstärke von ca. 100pm und einer Breite von mehr als 2cm an einer Leiterplatte bzw. einer Leistungselektronik mit einer Kupferschicht von 35pm.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung von Kupfer kann auch vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht und/oder der Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht zumindest tlw. aus Aluminium, insbesondere zumindest tlw. aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht umgeben ist von der mindestens einen Komponente, und dass die mindestens eine Komponente mindestens ein Element der folgenden Liste an Elementen umfasst: Leiterplatte, Kondensator, Keramiksubstrat, Halbleiterelement, Chip.
Insbesondere kann die erfindungsgemäß vorgesehene Komponente Teil einer Leistungselektronik bzw. eines Halbleiterelements, wie bspw. einer Leiterplatte bzw. einem Steuergerät sein oder einer Batterie sein.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030nm und/oder einer Leistung zwischen 750 Watt und 1,5 kW, insbesondere zwischen 750 Watt und 1 kW, verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass ein Laserstrahl von insbesondere ca. 1 kW in Kombination mit einem Querschnitt von ca. 50pm und einem Schweißvorschub von ca. 800 mm/s sich besonders vorteilhaft zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens eignet und entsprechend zu einer Aufschmelzung einer zweiten Bauteilschicht in einer Tiefe von höchstens 35pm führt, wenn die erste Bauteilschicht eine Stärke bzw. eine Dicke von 100 pm aufweist.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Fügevorrichtung zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht liegt. Die Fügevorrichtung umfasst einen Laser, einen Aktuator und eine Kontrolleinheit. Die Kontrolleinheit ist dazu konfiguriert, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator den Laser mit einem Schweißvorschub über die erste Bauteilschicht bewegt wird, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls ein die erste Bauteilschicht bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird.
Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung dient insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Halbleiterelement. Das Halbleiterelement umfasst eine erste elektrisch leitende Bauteilschicht mit einer ersten konstanten Materialstärke und eine zweite Bauteilschicht mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht verbunden wurden mittels einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht lotfrei verbunden sind.
Insbesondere sind die erste Bauteilschicht und die zweite Bauteilschicht des erfindungsgemäßen Halbleiterelements derart verbunden, dass eine erstarrte Schmelze in einem Verbindungsbereich der zweiten Bauteilschicht lediglich in einen Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht ragt.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Fügen zweier Bauteilschichten können zwei Bauteile elektrisch leitend verbunden werden, ohne dass ein Lot
benötigt wird. Insbesondere ermöglicht die vorgestellte Erfindung ein Aufschmelzen zweiter Kupferschichten, sodass die Kupferschichten miteinander eine Verbindung eingehen, die elektrisch leitend und mechanisch stabil ist.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements.
In Figur 1 ist ein Ablauf eines Verfahrens 100 dargestellt. Mittels eines Laserstrahls 101, der auf eine Leistung „P“ eingestellt ist, wird ein Energieeintrag in eine erste Bauteilschicht 103 und eine zweite Bauteilschicht 105 bereitgestellt.
Der Laserstrahl 101 wird mit einem Schweißvorschub, also einer Geschwindigkeit „v“ entlang einer Oberfläche der ersten Bauteilschicht 103 bewegt, wie durch Pfeil 107 angedeutet. Entsprechend entsteht ein Schmelzbereich 109 in der ersten Bauteilschicht 103 und der zweiten Bauteilschicht 105. Dabei erstreckt sich der Schmelzbereich 109 komplett durch die erste Bauteilschicht 103 hindurch und in einen Oberflächenbereich 111 der zweiten Bauteilschicht 105. Entsprechend wird ein unter dem Oberflächenbereich 111 liegender Stützbereich 113 der zweiten Bauteilschicht 105 nicht aufgeschmolzen.
Ein streckenspezifischer Energieeintrag E, der in die erste Bauteilschicht 103 und die zweiten Bauteilschicht 105 eingebracht wird, ergibt sich aus dem Verhältnis der Leistung des Laserstrahls 101 und dem Schweißvorschub. Erfindungsgemäß wird der Schweißvorschub möglichst hoch bzw. möglichst schnelle gewählt, ohne Instabilitäten durch sogenanntes „Humping“ zu generieren. Dabei wird die Leistung des Laserstrahls so weit erhöht, bis eine gewünschte Einschweißtiefe
erreicht ist. Dabei gilt, je größer ein Querschnitt eines Schweißbereichs umso mehr Energie muss zum Erreichen der nötigen Einschweißtiefe bereitgestellt werden.
Insbesondere kann der Schweißvorschub derart gewählt werden, dass dieser zu einem metastabilen Zwischenzustand einer aufgeschmolzenen Schlacke führt. Innerhalb dieses Zwischenzustands tritt noch kein „Humping“, also ein Austreten von Schlacke aus dem Schmelzbereich 109 auf, jedoch kann die Schlacke in eine dynamische Bewegung versetzt werden, die ein schnelles Ableiten von Energie aus dem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht ermöglicht.
Bspw. wird in der in Fig. 1 dargestellten Situation der Laserstrahl 101 mit einer Leistung von 1kW betrieben und mit einem Schweißvorschub von mindestens 800mm/s bewegt, wie durch Pfeil 107 angedeutet. Dadurch entsteht in der 100pm hohen ersten Bauteilschicht 103 der Schweißbereich 109 mit einem Querschnitt von 40pm. in dem Schweißbereich 109 schmilzt die erste Bauteilschicht 103 komplett und in die zweite Bauteilschicht 105 bereichsweise, lediglich in dem Oberflächenbereich 111, der hier bspw. 35pm hoch ist, auf.
Aufgrund des Schweißvorschubs des Laserstrahls 101 wirkt die durch den Laserstrahl 101 übertragene Energie nur lokal in dem Schmelzbereich 109, sodass eine Übertragung von durch den Laserstrahl 101 bereitgestellter Energie in einen den Schmelzbereich 109 umgebenden Bereich 115 der ersten Bauteilschicht 103 und einen den Schmelzbereich 109 umgebenden Bereich 117 der zweiten Bauteilschicht 105 minimiert wird.
Die Erkenntnis, dass Humping bei einem 40pm großen Laserspot bei einer Laserwellenlänge von 1030nm nicht ausgeprägt ist und die Tiefe von während des Schweißvorgangs entstehenden Poren geschwindigkeitsabhängig ist, ermöglicht die Durchführung des Verfahrens 100 mit minimalem Wärmeeintrag in insbesondere die zweite Bauteilschicht 105 und dennoch stabiler mechanischer Anbindung zwischen der ersten Bauteilschicht 103 und der zweiten Bauteilschicht 105.
In Fig. 2 ist eine Fügevorrichtung 200 dargestellt. Die Fügevorrichtung 200 umfasst einen Laser 201, einen Aktuator 203 und eine Kontrolleinheit 205. Die Kontrolleinheit 205 ist dazu konfiguriert, den Aktuator 203 derart anzusteuern, dass der Aktuator 203 den Laser 201 mit einem Schweißvorschub über eine erste Bauteilschicht bewegt, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag eines Laserstrahls des Lasers 201 ein die erste Bauteilschicht bildendes Material tlw. bis zu einer zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich der zweiten Bauteilschicht aufgeschmolzen wird.
Insbesondere ist die Kontrolleinheit 205 dazu konfiguriert, einen Energieeintrag durch den Laser 201 in einen Schweißbereich umgebende Bereiche der ersten Bauteilschicht und der zweiten Bauteilschicht zu minimieren, indem die Prozessparameter Schweißvorschub, Leistung des Lasers und Querschnitt des Schweißbereichs aufeinander abgestimmt angepasst werden, wobei der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.
In Fig. 3 ist ein Halbleiterelement 300 dargestellt, das mittels des Verfahrens 100 hergestellt wurde.
Hier ist ein Stromverbinder 301 erkennbar, der über einer Leiterplatte 303 angeordnet ist. Der Stromverbinder 301 und die Leiterplatte 303 sind über einen Schweißbereich 305 verbunden.
Der Schweißbereich 305 stellt eine mechanische und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Stromverbinder 301 und der Leiterplatte 303 bereit. Dazu sind der Stromverbinder 301 und die Leiterplatte 303 lotfrei verbunden.
Der Schweißbereich 305 erstreckt sich komplett durch den Stromverbinder 301 und in einen Oberflächenbereich 307, vorliegend eine Kupfermetallisierung der Leiterplatte 303. Hier ist gut zu erkennen, dass der Schweißbereich 305 sich nicht in eine Trägerschicht 309 der Leiterplatte 303 erstreckt. Entsprechend kann die Trägerschicht 309 aus temperatursensitivem Material, wie bspw. Kunststoff gefertigt sein.
Durch eine beim Herstellen des Halbleiterelements 300 bereitgestellte Energie kann ein Spalt zwischen dem Stromverbinder 301 und der Kupfermetallisierung entstehen, der bspw. durch aufgeschmolzenen Kunststoff der Leiterplatte 303 bedingt sein kann.
Claims
1. Verfahren (100) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (103, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten Bauteilschicht (103, 301) und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt, und wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte umfasst:
- spaltfreies Anordnen der ersten Bauteilschicht (103, 301) über der zweiten Bauteilschicht (105, 303),
- Bewegen eines Laserstrahls (101) mit konstanter Leistung entlang der ersten Bauteilschicht (103, 301) mit einem Schweißvorschub, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (103, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorschub mindestens 800mm/s beträgt.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt einer Fläche, mit der der Laserstrahl (101) den Energieeintrag in die erste Bauteilschicht (103, 301) und die zweite Bauteilschicht (105, 303) bereitstellt, höchstens 75pm, insbesondere höchstens 50pm oder höchstens 40pm, beträgt.
4. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (101, 301) eine Materialstärke von mindestens 80pm, insbesondere mindestens 100pm und höchstens 200pm aufweist, und/oder dass der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) eine Materialstärke von höchstens 50pm, insbesondere von höchstens 35pm, aufweist.
5. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (101, 301) und/oder der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) zumindest tlw. aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.
6. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) umgeben ist von der mindestens einen Komponente, und dass die mindestens eine Komponente mindestens ein Element der folgenden Liste an Elementen umfasst: Leiterplatte, Kondensator, Keramiksubstrat, Halbleiterelement, Chip.
7. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (101) mit einer Wellenlänge von 1030 nm und/oder einer Leistung zwischen 750 Watt und 1,5 KW, insbesondere zwischen 750 Watt und 1 kW, verwendet wird.
8. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bauteilschicht (105, 303) ein Teil einer Leistungselektronik ist.
- 14 - Fügevorrichtung (200) zum temperaturkritischen Fügen einer ersten elektrisch leitenden Bauteilschicht (101, 301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und einer zweiten Bauteilschicht (105, 303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei an der zweiten Bauteilschicht (105, 303) mindestens eine elektronische Komponente angeordnet ist, deren kritische Temperatur unter einem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Bauteilschicht (105, 303) liegt, wobei die Fügevorrichtung (200) umfasst:
- einen Laser (201),
- einen Aktuator (203),
- eine Kontrolleinheit (205), wobei die Kontrolleinheit (205) dazu konfiguriert ist, den Aktuator (203) derart anzusteuern, dass der Aktuator (203) den Laser (201) mit einem Schweißvorschub über die erste Bauteilschicht (101, 301) bewegt wird, der bewirkt, dass durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (101) ein die erste Bauteilschicht (101, 301) bildendes Material tlw. bis zu der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird, und dass durch den Energieeintrag lediglich Material in einem Oberflächenbereich (111, 307) der zweiten Bauteilschicht (105, 303) aufgeschmolzen wird. Fügevorrichtung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (200) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen. Halbleiterelement (300), umfassend eine erste elektrisch leitende Bauteilschicht (301) mit einer ersten konstanten Materialstärke und eine zweite Bauteilschicht (303) mit einer zweiten konstanten Materialstärke, wobei die erste Bauteilschicht (301) und die zweite Bauteilschicht (303) verbunden wurden mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
- 15 - Halbleiterelement (300) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilschicht (301) und die zweite Bauteilschicht (303) lotfrei verbunden sind.
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