WO2021239321A1 - Verfahren zum schweissen eines anbindungsstücks an eine halbleitermetallisierung mittels laserschweissens und elektronikmodul - Google Patents

Verfahren zum schweissen eines anbindungsstücks an eine halbleitermetallisierung mittels laserschweissens und elektronikmodul Download PDF

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Friedrich Lupp
Stefan Stegmeier
Markus Lasch
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Definitions

  • the invention relates to a method for welding a connector to a semiconductor metallization by means of laser welding and an electronics module.
  • semiconductor components are used to switch currents and to block potentials.
  • semiconductor components include, in particular, semiconductor chips, bipolar transistors with insulated gate electrodes (IGBT transistors), metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFET), diodes and passive components such as, in particular, resistors or capacitors.
  • IGBT transistors bipolar transistors with insulated gate electrodes
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • diodes such as, in particular, resistors or capacitors.
  • construction and connection technologies which include, in particular, sintering, soldering, diffusion soldering, wire bonding and electrochemical deposition.
  • process steps require, on the one hand, a long process time, such as in particular with diffusion soldering, or they mean a high load on the semiconductor components, in particular the application of pressure during sintering.
  • further connection technologies are required for external connections, in particular ultrasonic welding for external measurement or load connections.
  • the problem here is that the reflectivity of copper decreases with increasing temperature with the usual laser wavelengths. At the beginning of the laser welding, a high laser power is therefore required in order to even couple the laser beam into the copper of the connection piece. On the other hand, as the temperature rises, the absorption of copper increases. When the copper is melted, the entire power of the laser is suddenly implemented in the weld pool, so that the process range between the start of melting of the copper and exceeding the swell intensity for deep welding is very small. This circumstance consequently causes a high risk of temperature entry into the semiconductor component if a connection piece with copper is welded to a semiconductor metallization of the semiconductor component in this way.
  • the method for welding a connection piece to a semiconductor metallization by means of laser welding there should be a lower risk of destroying a semiconductor provided with the semiconductor metallization.
  • the method according to the invention for welding a connection piece to a semiconductor metallization should preferably have a high level of reliability. It is also an object of the invention to create an improved, in particular more reliable, ready-to-use electronic module.
  • a connector with a flat side with a thin point is used, the flat side being arranged facing the semiconductor metallization and being welded to the semiconductor metallization.
  • the thin point is part of the attachment piece which is thinner than the areas surrounding this thin point.
  • a thin point can in particular be formed with a depression and / or indentation and / or niche and / or recess and / or recess.
  • the thin point is consequently only on a partial area of this flat side, ie the thin point does not occupy the entire flat side along the flat extensions of the flat side. Rather, the thin point forms a localized area of the flat side.
  • the thin point is located on a partial area of the flat side, so that the connecting piece in this partial area has a smaller thickness perpendicular to the flat side than in the areas of the flat side surrounding the partial area, preferably on an area of the flat side that completely surrounds the partial area.
  • connection piece is made particularly thin in this area, as is the case with a thin point, then a fluctuation in the welding depth can be kept particularly low. Since in the method according to the invention a flat side with a thin point which does not occupy the entire flat side is drawn in, the connecting piece can at the same time be designed with sufficient mechanical stability. That is, the local thin point does not cause any mechanical instabilities of the connecting piece over the entire flat extensions of the flat side, but rather in areas of the flat side that are not located at the thin point, the connecting piece can have a mechanical stability as with conventional connecting pieces.
  • a mechanically stable connection piece can be used, and at the same time, by means of the method according to the invention, on the other hand, it is particularly process-reliable, that is, with particularly small fluctuations in the welding depth and consequently with a particularly low risk of excessive temperature input, to a with the Semiconductor metallization provided semiconductor component are welded ge.
  • a semiconductor metallization with a metallization thickness is used and the semiconductor metallization is welded in such a way that a welding depth during laser welding from the flat side of the connection piece is at most as deep as the metallization thickness, preferably at most 10 mpi, particularly preferably at most 5 mpi and ideally at most 1 mpi.
  • the welding depth during laser welding is kept so small that heat input into the semiconductor component, which is provided with the semiconductor metallization, is effectively excluded.
  • metallization thicknesses are 10 ⁇ m or less.
  • the thin point has a thin point thickness, in particular a thin point thickness perpendicular to the flat side, where the thin point thickness is at most 100 ⁇ m, preferably at most 50 ⁇ m.
  • a particularly shallow welding depth can advantageously be achieved. Because the amount of fluctuations in the welding depth are regularly in a fixed relationship with the welding depth itself. In the case of low welding depths, there are consequently also particularly small fluctuations in the welding depth. In this way, with the method according to the invention, the connection piece can be welded to the semiconductor metallization particularly reliably without the welding depth itself becoming so great as a result of the fluctuations in the welding depth that the semiconductor component which is metallized with the semiconductor metallization is destroyed.
  • the thin point is formed with a cup shape of the connecting piece, the cup shape being open in the direction away from the semiconductor metallization.
  • the cup shape can also be described as a trough shape.
  • such a cup shape is formed with a blind hole.
  • the opening of the cup shape points away from the semiconductor metallization, ie its opening is on a side facing away from the semiconductor metallization of the connection piece.
  • the laser can radiate into the opening of the cup shape, with a bottom of the cup shape forming the thin point of the connecting piece.
  • an easily manufacturable shape of the connecting piece is given.
  • Such a connecting piece is easy to handle during laser welding, since laser light can simply be radiated into the opening of the cup shape.
  • the cup shape of the connecting piece is capped.
  • the cup shape of the connection piece is closed with a cover of the connection piece.
  • the cover is suitably arranged at the opening of the cup shape, i.e. the cover is on the side of the cup shape facing away from the semiconductor metallization.
  • the laser can easily be aimed at the cover, so that the laser melts the cover.
  • the melted material of the lid can penetrate into the cup shape and wet the thin place of the cup shape. Due to the wetting of the thin point with the melted material of the cover, the thin point can now also melt and thus weld the connector to the semiconductor metallization.
  • a particularly precise control of the welding depth can be achieved, so that particularly reliable production using the method according to the invention is possible with a particularly lower risk of heat input into a semiconductor component provided with the semiconductor metallization.
  • the cup shape of the connection piece expediently maintains a vacuum, ie the capped cup shape of the connection piece prevents air from entering the cup shape of the connection piece.
  • molten material of the lid can particularly easily penetrate into the cup shape of the connecting piece, since air bubbles, which could prevent wetting of the thin area of the cup shape, in this development do not occur.
  • laser welding is preferably carried out in a vacuum.
  • several cup shapes can be seen in the connecting piece, which are spaced from one another by a certain distance.
  • particularly narrow cup shapes ie cup shapes with openings of particularly small cross-section, preferably with a largest diameter of at most 50 micrometers, ideally with a largest diameter of at most 10 micrometers, can be implemented so that particularly small welding depths measured from the thinnest part can be achieved are.
  • an air gap is advantageously provided or maintained between the connection piece and the semiconductor metallization. Forces acting on the semiconductor metallization can advantageously be minimized by means of such an air gap. Because shrinkage forces when the molten bath cools can be absorbed by bends in the connecting piece, which according to the invention are possible due to the thin area present. Without an air gap provided in this development of the invention, the connecting piece could be supported on the semiconductor metallization and shrinkage forces would apply force to the interface between the semiconductor metallization and a semiconductor component that is provided with the semiconductor metallization, so that in extreme cases the semiconductor component could be destroyed. In this development of the invention, however, such a consequence would be excluded.
  • an air gap is particularly preferably provided by means of stamping the connecting piece. Alternatively, however, other methods are also possible.
  • laser light with a wavelength of at most 800 nm preferably with a wavelength of at most 600 nm and ideally with a wavelength A length of 550 nm or less, welded.
  • laser light is used for welding, in which the predominant part of the laser energy, preferably at least 90 percent of the laser energy and ideally at least 99.9 percent of the laser energy on laser light with a wavelength of at most 800 nanometers, preferably at most 600 nanometers and ideally at most 550 Nano meter, not applicable.
  • the thin point expediently has a smallest width of at least 5 ⁇ m and / or at most 1,000 ⁇ m in the direction along the flat side. With these dimensions, the thin points are sufficiently narrow that mechanical instability as a result of the thin point does not necessarily result. At the same time, the width of the thin point is sufficiently large so that a coupling of laser light for laser welding remains possible in the method according to the invention.
  • the connecting piece preferably forms a connecting piece which is formed with copper and / or solder and / or ceramic and / or polymer.
  • the connecting piece particularly preferably forms a connection contact.
  • a weld pool is welded, the weld pool having a smallest width in one direction along the flat side and the smallest width of the thin point in the direction of the flat side at least twice, preferably at least five times and in particular at least ten times the smallest Width of the weld pool is.
  • the thin point behaves thermally locally with regard to the weld pool like a flat part. That is, modifications due to the environment of the thin point do not have to be specifically taken into account in the method according to the invention.
  • laser light can also easily be directed onto the thin area, in particular focussing.
  • the electronic module according to the invention is in particular a power module and has a semiconductor metallization and a connecting piece.
  • the inventive electrical nikmodul is the connection piece welded to the semiconductor metallization by means of a method according to the invention as described above.
  • Figure 1 an arrangement of a connecting piece to a
  • FIG. 2 the arrangement according to FIG. 1 during welding of the connection piece to the semiconductor metallization by means of laser welding, schematically in longitudinal section;
  • FIG. 3 a further exemplary embodiment of an arrangement of a connection piece on a semiconductor metallization, schematically in longitudinal section;
  • FIG. 4 the arrangement according to FIG. 3 during the welding of the connection piece to the semiconductor metallization in an earlier phase of the laser welding, schematically in longitudinal section as well
  • FIG. 5 the arrangement according to FIGS. 3 and 4 when welding the connecting piece to the semiconductor metallization in a later phase of the laser welding compared with that phase of the laser welding in FIG. 4, schematically in longitudinal section.
  • a semiconductor component is present in the form of a semiconductor chip 10, which has a flat side facing upward in Figure 1.
  • a semiconductor metallization 20 applied over its entire surface, which extends along the flat side of the semiconductor chip 10 in a manner known per se and thus also has an upwardly facing flat side.
  • the semiconductor metallization 20 has a thickness of one micrometer perpendicular to the flat side of the semiconductor chip 10, but can also have a greater thickness in further exemplary embodiments that are not specifically illustrated.
  • connection piece in the form of a power connector 30 is net angeord.
  • the power connection 30 is formed with copper and has a flat side 35, which is in full contact with the flat side of the semi-conductor metallization 20.
  • the flat side 35 of the power connection 30 in the illustration of FIG. 1 faces downwards.
  • the power connection 30 has a thin point which is formed on the power connection 30 with means of a cup shape, which can also be described as a trough shape.
  • the cup shape has an opening that is open at the top, a base of the cup shape forming the thin point 40 of the cup shape.
  • the bottom of the cup shape closes on its side facing the semiconductor metallization 20 over the entire surface and flush with the other areas of the power connection 30.
  • the cup shape can simply be milled out as a blind hole. In principle, other manufacturing methods for realizing a cup shape are also conceivable.
  • a laser beam 50 of a blue or green laser in the illustrated embodiment of a laser with light having a wavelength of up to 550 nm, is directed onto the thin point 40.
  • This laser beam 50 melts the copper of the power connection 30 in the area of the thin point 40, so that a melt pool 60 is created.
  • the molten bath 60 has a circular cross section with a width that is identical in all directions 70 along the planar extension directions of the Flachsei te 35, which is a factor of 2 smaller than the (also identical in all directions) width of the thin point 40 in the direction of the planar extensions of the flat side 35 of the power connection 30.
  • the ratio of the width of the molten bath 60 to the width of the thin point 40 can also form a quotient of a fifth or a quotient of a tenth.
  • the current connection 30 can now be reliably welded to the semiconductor metallization 20 due to the small thickness of the thin point 40, without the welding depth, measured from the flat side 35 of the current connection 30, penetrating deeper into the semiconductor metallization 20, than the semiconductor metallization 20 is thick.
  • the semiconductor chip 10 is protected from being destroyed by the molten bath 60.
  • thin spots formed with cup shapes 80 are also provided at the power connection 30 '.
  • the cup shapes 80 are capped; H. on the side of the power connection 30 'facing away from the flat side 35, a copper plate 90 is welded as a cover to the power connection 30', which forms a flat part that is arranged with flat directions parallel to the flat side 35 of the power connection 30 'and the cup shapes 80 caps.
  • the laser light 50 is no longer coupled directly into the cup shapes 80, but the laser is directed onto the copper plate 90, specifically onto those areas of the copper plate 90 which the cup shapes 80 cover.
  • the copper plate 90 is melted, a weld pool 110 is formed which penetrates into the cup shapes 80.
  • the copper plate 90 is vacuum-welded to the power connection 30 ′, so that the molten bath 110 does not trap any air bubbles when it flows into the cup molds 80.
  • the laser welding takes place in a vacuum.
  • the melt pool 110 melts the bottoms 120 of the cup shapes 80 so that the power connection 30 ′ is welded to the semiconductor metallization 20.
  • the cup shapes 80 have a smaller width than the previously described embodiment, which is only a fraction of the smallest width of the melt pool 110.
  • a particularly precisely controlled welding depth can be set during laser welding.
  • an air gap can be provided between connecting piece 30, 30 'and semiconductor metallization 20, which ensures that shrinkage forces between connecting piece 30, 30' and semiconductor metallization 20 are provided Do not destroy semiconductor chip 10.

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Abstract

Verfahren zum Schweißen eines Anbindungsstücks (30) an eine Halbleitermetallisierung (20) mittels Laserschweißens (50), bei welchem ein Anbindungsstück (30) mit einer Flachseite mit einer Dünnstelle (40) herangezogen wird, wobei die Flachseite (35) der Halbleitermetallisierung (20) zugewandt angeordnet wird und an die Halbleitermetallisierung (20) geschweißt wird, wobei die Flachseite (35) vollflächig an einer Flachseite der Halbleitermetallisierung (20) anliegt und wobei die Dünnstelle (40) mit einer Näpfchenform des Anbindungsstücks (30) gebildet ist, wobei die Näpfchenform (40) in Richtung von der Halbleitermetallisierung (20) fort geöffnet ist, sowie ein elektronisches Modul mit der entsprechenden Anordnung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Schweißen eines Anbindungsstücks an eine Halbleitermetallisierung mittels Laserschweißens und Elektro- nikmodul
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines An bindungsstücks an eine Halbleitermetallisierung mittels La serschweißens und ein Elektronikmodul.
In der Elektronik, insbesondere in der Leistungselektronik, kommen Halbleiterbauelemente zum Einsatz, um Ströme zu schal ten und Potenziale zu sperren. Solche Halbleiterbauelemente umfassen insbesondere Halbleiterchips, Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT-Transistoren), Me- tall-Oxid-Halbleiter-Feldef fekttransistoren (MOSFET), Dioden sowie passive Bauelemente wie insbesondere Widerstände oder Kondensatoren .
Zur Bestromung solcher Halbleiterbauelemente müssen elektri sche Zu- und Ableitungen vorgesehen werden, sodass diese Halbleiterbauelemente in einer Schaltung zum Einsatz kommen können. Hierzu sind Aufbau- und Verbindungstechnologien be kannt, welche insbesondere Sintern, Löten, Diffusionslöten, Drahtbonden und elektrochemische Abscheidung umfassen. Jedoch ist bei solchen Aufbau- und Verbindungstechnologien stets ei ne hohe Anzahl von Prozessschritten erforderlich. Diese vie len Prozessschritte bedingen zum einen eine hohe Prozesszeit, wie insbesondere beim Diffusionslöten, oder aber bedeuten eine hohe Belastung der Halbleiterbauelemente, insbesondere eine Druckbeaufschlagung beim Sintern. Zudem sind für äußere Anschlüsse weitere Verbindungstechnologien, insbesondere Ult raschallschweißen bei nach außen geführten Mess- oder Lastan schlüssen, erforderlich.
Diese Nachteile von klassischen Aufbau- oder Verbindungstech- nologien werden mittels Laserschweißens adressiert. Jedoch sind auch mit dem Laserschweißen Nachteile verbunden: So füh- ren insbesondere Einkopplungen von Laserlicht zu einer hohen Temperaturbelastung von Halbleiterbauelementen, welche die Halbleiterbauelemente irreversibel zerstören können. So ist es etwa bekannt, mit Kupfer gebildete Anbindungsstücke mit tels Scheibenlasern, Faserlasern oder C02-Lasern an Halb leitermetallisierungen anzuschweißen.
Problematisch ist dabei, dass bei den gängigen Laserwellen längen die Reflektivität von Kupfer mit steigender Temperatur abnimmt. Zu Beginn des Laserschweißens wird daher eine hohe Laserleistung benötigt, um den Laserstrahl überhaupt in das Kupfer des Anbindungsstücks einzukoppeln. Mit steigender Tem peratur hingegen nimmt die Absorption von Kupfer zu. Wenn das Kupfer aufgeschmolzen ist, so wird schlagartig die gesamte Leistung des Lasers im Schmelzbad umgesetzt, sodass der Pro zessbereich zwischen einer beginnenden AufSchmelzung des Kup fers und einer Überschreitung der Schwellintensität zum Tief schweißen sehr klein ist. Dieser Umstand bedingt folglich ein hohes Risiko eines Temperatureintrags in das Halbleiterbau element, wenn auf diese Weise ein Anbindungsstück mit Kupfer an eine Halbleitermetallisierung des Halbleiterbauelements angeschweißt wird. Problematisch ist in diesem Zusammenhang insbesondere, dass typische Metallisierungsdicken von Halb leitermetallisierungen zwischen 1 gm und 5 gm betragen. Zudem befinden sich typischerweise zwischen Halbleitermetallisie rungen und den Halbleiterbauelementen selbst häufig Isolati onsschichten, die mit Nitriden und/oder Oxiden gebildet sind und die leicht thermisch oder thermomechanisch zerstört wer den können. Eine zufriedenstellende Lösung dieses Problems ist bislang nicht bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfah ren zum Schweißen eines Anbindungsstücks an eine Halbleiter metallisierung mittels Laserschweißens anzugeben. Insbesonde re soll mit dem Verfahren zum Schweißen eines Anbindungs stücks an eine Halbleitermetallisierung mittels Laserschwei ßens ein geringeres Risiko zur Zerstörung eines mit der Halb leitermetallisierung versehenen Halbleiters bestehen. Vor- zugsweise soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen eines Anbindungsstücks an eine Halbleitermetallisierung eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Es ist zudem Aufgabe der Er findung, ein verbessert, insbesondere zuverlässiger, fertig bares Elektronikmodul zu schaffen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Schweißen eines Anbindungsstücks an eine Halbleitermetalli sierung mittels Laserschweißens mit den in Anspruch 1 angege benen Merkmalen sowie mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiter bildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprü chen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung ange geben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen eines An bindungsstücks an eine Halbleitermetallisierung mittels La serschweißens wird ein Anbindungsstück mit einer Flachseite mit einer Dünnstelle heranzogen, wobei die Flachseite der Halbleitermetallisierung zugewandt angeordnet wird und an die Halbleitermetallisierung geschweißt wird.
Es versteht sich, dass die Dünnstelle ein Teil des Anbin dungsstücks ist, welches dünner als diese Dünnstelle umgeben de Bereiche ist. Eine solche Dünnstelle kann insbesondere mit einer Vertiefung und/oder Einbuchtung und/oder Einnischung und/oder Ausnehmung und/oder Aussparung gebildet sein. Die Dünnstelle befindet sich folglich lediglich an einem Teilbe reich dieser Flachseite, d. h. die Dünnstelle nimmt nicht die gesamte Flachseite entlang der flächigen Erstreckungen der Flachseite ein. Vielmehr bildet die Dünnstelle einen lokali sierten Bereich der Flachseite aus. Mit anderen Worten, die Dünnstelle ist an einem Teilbereich der Flachseite befind lich, sodass das Anbindungsstück in diesem Teilbereich eine geringere Dicke senkrecht zur Flachseite aufweist, als in den Teilbereich umgebenden Bereichen der Flachseite, vorzugsweise an einem den Teilbereich vollumfänglich umgebenden Bereich der Flachseite. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich zugleich zwei wichtige Ziele beim Laserschweißen eines Anbindungs stücks an einer Halbleitermetallisierung erreichen: Zum einen kann mittels der Dünnstelle eine hohe Genauigkeit der Schweißtiefe erreicht werden, da mittels der Dünnstelle im Vergleich zu dickeren Bereichen der Flachseite nur eine ge ringe Variabilität der Schweißtiefe besteht. Denn die Varia bilität der Schweißtiefe ist von der Dicke des Anbindungs stücks im Bereich der Schweißzone abhängig. Ist das Anbin dungsstück in diesem Bereich besonders dünn ausgebildet, wie es bei einer Dünnstelle der Fall ist, so kann eine Schwankung der Schweißtiefe besonders gering gehalten werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Flachseite mit einer Dünn stelle, welche nicht die gesamte Flachseite einnimmt, heran gezogen wird, kann das Anbindungsstück zugleich mit einer hinreichenden mechanischen Stabilität ausgebildet sein. D.h. die lokale Dünnstelle bedingt keine mechanischen Instabilitä ten des Anbindungsstücks über die gesamten flächigen Erstre ckungen der Flachseite, sondern in Bereichen der Flachseite, welche nicht an der Dünnstelle befindlich sind, kann das An bindungsstück eine mechanische Stabilität wie bei herkömmli chen Anbindungsstücken aufweisen. Folglich kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einerseits ein mechanisch stabi les Anbindungsstück herangezogen werden, und zugleich kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens andererseits beson ders prozesssicher, d. h. mit besonders geringen Schwankungen der Schweißtiefe und folglich mit einem besonders geringen Risiko eines zu hohen Temperatureintrags, an ein mit der Halbleitermetallisierung versehenes Halbleiterbauelement ge schweißt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird eine Halbleitermetallisierung mit einer Metalli sierungsdicke herangezogen und es wird derart an die Halb leitermetallisierung geschweißt, dass eine Einschweißtiefe beim Laserschweißen von der Flachseite des Anbindungsstücks bemessen höchstens so tief ist, wie die Metallisierungsdicke, vorzugsweise höchstens 10 mpi, besonders bevorzugt höchstens 5 mpiund idealerweise höchstens 1 mpi. Auf diese Weise wird die Einschweißtiefe beim Laserschweißen derart gering gehalten, dass ein Hitzeeintrag in das Halbleiterbauelement, welches mit der Halbleitermetallisierung versehen ist, wirksam ausge schlossen ist. Mittels des beim erfindungsgemäßen Verfahren herangezogenen Anbindungsstücks mit der Dünnstelle kann eine derart geringe Einschweißtiefe beim Laserschweißen leicht ge wählt werden. Typischerweise betragen Metallisierungsdicken 10 gm oder weniger.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens weist die Dünnstelle eine Dünnstellendicke auf, ins besondere eine Dünnstellendicke senkrecht zur Flachseite, wo bei die Dünnstellendicke höchstens 100 gm, vorzugsweise höchstens 50 gm, beträgt. Bei derart dünnen Dünnstellen kann vorteilhafterweise eine besonders geringe Einschweißtiefe re alisiert werden. Denn die Höhe der Schwankungen der Ein schweißtiefe stehen mit der Einschweißtiefe selbst regelmäßig in einem festen Verhältnis. Bei geringen Einschweißtiefen liegen folglich auch besonders geringe Schwankungen der Ein schweißtiefe vor. Auf diese Weise lässt sich mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren das Anbindungsstück besonders zuver lässig an die Halbleitermetallisierung schweißen, ohne dass infolge der Schwankungen der Einschweißtiefe die Einschweiß tiefe selbst derart groß wird, dass das Halbleiterbauelement, welches mit der Halbleitermetallisierung metallisiert ist, zerstört wird.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungs gemäßen Verfahrens ist die Dünnstelle mit einer Näpfchenform des Anbindungsstücks gebildet, wobei die Näpfchenform in Richtung von der Halbleitermetallisierung fort geöffnet ist. Die Näpfchenform kann dabei auch als Trogform umschrieben werden. Insbesondere ist eine solche Näpfchenform mit einem Sackloch gebildet. Die Näpfchenform weist mit ihrer Öffnung von der Halbleitermetallisierung fort, d. h. ihre Öffnung ist an einer von der Halbleitermetallisierung abgewandten Seite des Anbindungsstücks befindlich. Auf diese Weise kann der La ser in die Öffnung der Napfchenform einstrahlen, wobei ein Boden der Napfchenform die Dünnstelle des Anbindungsstücks bildet. Auf diese Weise ist eine einfach fertigbare Gestalt des Anbindungsstücks gegeben. Ein solches Anbindungsstück ist beim Laserschweißen leicht handhabbar, da Laserlicht einfach in die Öffnung der Näpfchenform eingestrahlt werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist die Näpfchenform des Anbindungsstücks gedeckelt. Mit anderen Worten, die Näpfchenform des Anbindungsstücks ist mit einem Deckel des Anbindungsstücks verschlossen. Geeigne terweise ist der Deckel an der Öffnung der Näpfchenform ange ordnet, d.h. der Deckel befindet sich an der von der Halb leitermetallisierung abgewandten Seite der Näpfchenform. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Laser leicht auf den Deckel gerichtet werden, sodass der Laser den Deckel aufschmilzt. Das aufgeschmolzene Material des Deckels kann in die Näpfchenform eindringen und die Dünn stelle der Näpfchenform benetzen. Aufgrund der Benetzung der Dünnstelle mit dem aufgeschmolzenen Material des Deckels kann nun ebenfalls die Dünnstelle aufschmelzen und somit das An bindungsstück mit der Halbleitermetallisierung verschweißen. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann eine besonders ge naue Kontrolle der Einschweißtiefe erreicht werden, sodass eine besonders zuverlässige Fertigung mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens mit einem besonders geringeren Risiko eines Wärmeeintrags in ein mit der Halbleitermetallisierung versehenes Halbleiterbauelement möglich ist.
Zweckmäßigerweise hält bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Näpfchenform des Anbindungsstücks ein Vakuum, d. h. die gedeckelte Näpfchenform des Anbindungsstücks verhindert einen Lufteintrag in die Näpfchenform des Anbindungsstücks. Auf diese Weise kann aufgeschmolzenes Material des Deckels beson ders leicht in die Näpfchenform des Anbindungsstücks eindrin gen, da Luftblasen, welche eine Benetzung der Dünnstelle der Näpfchenform verhindern könnten, in dieser Weiterbildung nicht auftreten. Bevorzugt wird in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Laserschweißen im Vakuum vorgenommen. Grundsätzlich können in dieser Weiterbildung der Erfindung mehrere Näpfchenformen in dem Anbindungsstück vor gesehen sein, welche voneinander um einen bestimmten Abstand beabstandet sind. Insbesondere lassen sich besonders schmale Näpfchenformen, d. h. Näpfchenformen mit Öffnungen besonders kleinen Querschnitts, vorzugsweise mit einem größten Durch messer von höchstens 50 Mikrometern, idealerweise mit einem größten Durchmesser von höchstens 10 Mikrometern, realisie ren, sodass besonders geringe Schweißtiefen von der Dünnstel le aus bemessen erzielbar sind.
Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen Anbindungsstück und Halbleitermetallisierung ein Luftspalt vorgesehen oder beibehalten. Mittels eines solchen Luftspalts können vorteilhaft auf die Halbleitermetallisierung ein wirkende Kräfte minimiert werden. Denn Schrumpfungskräfte beim Erkalten des Schmelzbads können durch Biegungen des An bindungsstücks, welche erfindungsgemäß durch die vorhandene Dünnstelle möglich sind, abgefangen werden. Ohne einen in dieser Weiterbildung der Erfindung vorgesehenen Luftspalt könnte sich das Anbindungsstück an der Halbleitermetallisie rung abstützen und Schrumpfungskräfte würden die Grenzfläche zwischen Halbleitermetallisierung und einem Halbleiterbauele ment, welches mit der Halbleitermetallisierung versehen ist, Kraft beaufschlagen, sodass im Extremfall das Halbleiterbau element zerstört werden könnte. In dieser Weiterbildung der Erfindung hingegen wäre eine solche Konsequenz ausgeschlos sen. Ein Luftspalt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt mittels Prägens des Anbindungsstückes vorgesehen. Alternativ sind aber auch andere Methoden mög lich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von höchstens 800 nm, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von höchstens 600 nm Wellenlänge und idealerweise mit einer Wel- lenlänge von höchstens 550 nm Wellenlänge, geschweißt. Alter nativ und ebenfalls bevorzugt wird mit Laserlicht geschweißt, bei welchem der überwiegende Teil der Laserenergie, vorzugs weise mindestens 90 Prozent der Laserenergie und idealerweise mindestens 99.9 Prozent der Laserenergie auf Laserlicht mit einer Wellenlänge von höchstens 800 Nanometer, vorzugsweise höchstens 600 Nanometer und idealerweise höchstens 550 Nano meter, entfällt. Vorteilhaft kommt es bei Wellenlängen unter halb von 600 nm, also bei im Vergleich zu Laserlicht von Scheibenlasern, Faserlasern oder C02-Lasern kurzwelligerem Laserlicht, nicht zu einer schlagartigen Abnahme der Reflek- tivität. Vielmehr ist mit kleineren Wellenlängen im blauen oder im grünen Wellenlängenbereich ein Wärmleitungsschweißen etwa von reinem oder reinstem Kupfer mit hinreichend starker Absorption der Laserleistung möglich. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Fertigungsgenauigkeit und eine hohe Prozess stabilität erreichen, da ein schlagartiges Tiefschweißen bei diesen Wellenlängen vermeidbar ist. Folglich lässt sich in dieser Weiterbildung der Erfindung die Schweißtiefe beim La serschweißen besonders zuverlässig steuern und kontrollieren.
Vorteilhaft wird in dieser Weiterbildung der Erfindung der Umstand genutzt, dass das Absorptionsverhalten von flüssigen Metallen von demjenigen eines Festkörpers abweicht (s. z.B. "Optical Properties of Liquid Metals at High Temperatures" von JANE C. MILLER, Cavendish Laboratory, Cambridge, England, Philosophical Magazine, 20:168, 1115-1132). Bei einer Wellen länge von 1030nm, d.h. einer Photonenenergie von l,2eV, er höht sich die optische Absorption beim Übergang von einem 200°C warmen Festkörper zu einer aufgeschmolzenen Oberfläche deutlich, bei einer Wellenlänge von 515nm, d.h. einer Photo nenenergie von 2,41eV, erniedrigt sich diese jedoch. Dies be deutet, dass der Energieeintrag eines Laserstrahls in das Werkstück beim Aufschmelzen gering gehalten werden kann, wenn ein Laserstrahl mit einer hinreichend kleinen Wellenlänge herangezogen wird. In dieser Weiterbildung des erfindungsge mäßen Verfahrens läuft der Schweißvorgang folglich kontrol lierter ab. Zweckmäßig weist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dünnstelle in Richtung entlang der Flachseite eine geringste Breite von mindestens 5 gm und/oder höchstens 1.000 gm auf. Mit diesen Dimensionen sind die Dünnstellen hinreichend schmal, sodass eine mechanische Instabilität infolge der Dünnstelle nicht notwendigerweise resultiert. Zugleich ist die Breite der Dünnstelle hinreichend groß, sodass eine Ein kopplung von Laserlicht zum Laserschweißen bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren möglich bleibt.
Bevorzugt bildet bei dem Verfahren gemäß der Erfindung das Anbindungsstück ein Anbindungsstück, welches mit Kupfer und/oder Lot und/oder Keramik und/oder Polymer gebildet ist. Besonders bevorzugt bildet bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren das Anbindungsstück einen Anschlusskontakt. Die vorge nannten Materialien sind vorteilhaft dem Laserschweißen zu gänglich und mittels Laserschweißens an Halbleitermetallisie rungen schweißbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einem Schmelzbad geschweißt, wobei das Schmelzbad eine geringste Breite in einer Richtung entlang der Flachseite aufweist und wobei die geringste Breite der Dünnstelle in Richtung der Flachseite mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Fünffa che und insbesondere mindestens das Zehnfache der geringsten Breite des Schmelzbads beträgt. Auf diese Weise verhält sich die Dünnstelle hinsichtlich des Schmelzbads thermisch lokal wie ein Flachteil. D. h., Modifikationen aufgrund der Umge bung der Dünnstelle müssen bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren nicht eigens berücksichtigt werden. Insbesondere lässt sich mit diesen geometrischen Verhältnissen auch leicht La serlicht auf die Dünnstelle richten, insbesondere fokussie ren.
Das erfindungsgemäße Elektronikmodul ist insbesondere ein Leistungsmodul und weist eine Halbleitermetallisierung und ein Anbindungsstück auf. Bei dem erfindungsgemäßen Elektro- nikmodul ist das Anbindungsstück mittels eines erfindungsge mäßen Verfahrens wie es oben beschrieben ist an die Halb leitermetallisierung geschweißt.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1: eine Anordnung eines Anbindungsstücks an eine
Halbleitermetallisierung zur Ausführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens zum Schweißen des Anbin dungsstücks an die Halbleitermetallisierung sche matisch im Längsschnitt;
Figur 2: die Anordnung gemäß Figur 1 beim Schweißen des An bindungsstücks an die Halbleitermetallisierung mittels Laserschweißens schematisch im Längs schnitt;
Figur 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung eines Anbindungsstücks an eine Halbleitermetalli sierung schematisch im Längsschnitt;
Figur 4: die Anordnung gemäß Figur 3 beim Schweißen des An bindungsstücks an die Halbleitermetallisierung in einer früheren Phase des Laserschweißens schema tisch im Längsschnitt sowie
Figur 5: die Anordnung gemäß Figuren 3 und 4 beim Schweißen des Anbindungsstücks an die Halbleitermetallisie rung in einer späteren Phase des Laserschweißens verglichen mit jener Phase des Laserschweißens in Fig. 4 schematisch im Längsschnitt.
Bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung ist ein Halbleiterbau element in Gestalt eines Halbleiterchips 10 vorhanden, welche eine in Figur 1 nach oben gewandte Flachseite aufweist. An der Flachseite ist vollflächig eine an sich Hableitermetalli sierung 20 aufgebracht, welche sich in an sich bekannter Wei se an der Flachseite des Halbleiterchips 10 entlangstreckt und somit ebenfalls eine nach oben gewandte Flachseite auf weist. Die Halbleitermetallisierung 20 weist eine Dicke von einem Mikrometer senkrecht zur Flachseite des Halbleiterchips 10 auf, kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausfüh rungsbeispielen aber auch eine größere Dicke aufweisen.
An der Flachseite der Halbleitermetallisierung 20 ist ein An bindungsstück in Gestalt eines Stromanschlusses 30 angeord net. Der Stromanschluss 30 ist mit Kupfer gebildet und weist eine Flachseite 35 auf, welche an der Flachseite der Halb leitermetallisierung 20 vollflächig anliegt. Entsprechend ist die Flachseite 35 des Stromanschlusses 30 in der Darstellung der Figur 1 nach unten gewandt.
Der Stromanschluss 30 weist eine Dünnstelle auf, welche mit tels einer Näpfchenform, auch umschreibbar als Trogform, an dem Stromanschluss 30 ausgebildet ist. Die Näpfchenform weist dabei in Figur 1 eine nach oben geöffnete Öffnung auf, wobei ein Boden der Näpfchenform die Dünnstelle 40 der Näpfchenform bildet. Der Boden der Näpfchenform schließt dabei an seiner der Halbleitermetallisierung 20 zugewandten Seite vollflächig und bündig mit den übrigen Bereichen des Stromanschlusses 30 ab. Die Näpfchenform kann bei dem Stromanschluss 30 einfach als Sackloch ausgefräst sein. Grundsätzlich sind auch andere Fertigungsmethoden zur Realisierung einer Näpfchenform denk bar.
Wie in Figur 2 dargestellt, wird auf die Dünnstelle 40 ein Laserstrahl 50 eines blauen oder grünen Lasers, im darge stellten Ausführungsbeispiel eines Lasers mit Licht einer Wellenlänge von bis zu 550 nm Wellenlänge, gerichtet. Dieser Laserstrahl 50 schmilzt im Bereich der Dünnstelle 40 das Kup fer des Stromanschlusses 30 auf, sodass ein Schmelzbad 60 entsteht. Das Schmelzbad 60 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt mit einer in allen Richtungen identischen Breite 70 entlang der flächigen Erstreckungsrichtungen der Flachsei te 35 auf, welche um einen Faktor 2 kleiner ist als die (ebenfalls in allen Richtungen identische) Breite der Dünn stelle 40 in Richtung der flächigen Erstreckungen der Flach seite 35 des Stromanschlusses 30. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis der Breite des Schmelzbads 60 zur Breite der Dünnstelle 40 auch einen Quotienten von einem Fünftel oder einem Quotienten von einem Zehntel bilden.
Mittels des in Figur 2 dargestellten Laserschweißens kann nun aufgrund der geringen Dicke der Dünnstelle 40 der Stroman schluss 30 zuverlässig an die Halbleitermetallisierung 20 ge schweißt werden, ohne dass die Schweißtiefe bemessen von der Flachseite 35 des Stromanschlusses 30 an tiefer in die Halb leitermetallisierung 20 eindringt, als die Halbleitermetalli sierung 20 dick ist. Folglich ist in diesem Ausführungsbei spiel der Halbleiterchip 10 vor einer Zerstörung durch das Schmelzbad 60 geschützt.
Bei dem in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungs bespiel sind ebenfalls mit Näpfchenformen 80 gebildete Dünn stellen am Stromanschluss 30' vorhanden. Anders als bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Näpfchenfor men 80 gedeckelt, d. h. an der von der Flachseite 35 abge wandten Seite des Stromanschlusses 30' ist eine Kupferplatte 90 als Deckel an den Stromanschluss 30' geschweißt, welche ein Flachteil bildet, das mit flächigen Erstreckungsrichtun gen parallel zur Flachseite 35 des Stromanaschlusses 30' an geordnet ist und die Näpfchenformen 80 deckelt.
Bei dem in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungs beispiel wird das Laserlicht 50 nun nicht mehr direkt in die Näpfchenformen 80 eingekoppelt, sondern der Laser wird auf die Kupferplatte 90 gerichtet, und zwar auf jene Bereiche der Kupferplatte 90, welche die Näpfchenformen 80 bedecken. Beim Aufschmelzen der Kupferplatte 90 bildet sich ein Schweißbad 110 aus, welches in die Näpfchenformen 80 eindringt. Um ein gutes Eindringen des Schmelzbads 110 in die Näpfchenformen 80 zu gewährleisten, ist die Kupferplatte 90 im Vakuum an den Stromanschluss 30' verschweißt, sodass das Schmelzbad 110 beim Einfließen in die Näpfchenformen 80 keine Luftblasen einschließt. Zudem erfolgt das Laserschweißen in diesem Aus führungsbeispiel, wie auch im vorhergehend beschriebenen Aus führungsbeispiel, im Vakuum. Das Schmelzbad 110 schmilzt die Böden 120 der Näpfchenformen 80 auf, sodass der Stroman schluss 30' an die Halbleitermetallisierung 20 angeschweißt wird. Im in Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsbei spiel weisen die Näpfchenformen 80 im Vergleich zum vorherge hend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine geringere Breite auf, welche lediglich einen Bruchteil der geringsten Breite des Schmelzbades 110 beträgt. Mittels des in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiels kann eine besonders präzise kontrollierte Schweißtiefe beim Laserschweißen einge stellt werden.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispie len, welche im Übrigen den vorhergehend beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen entsprechen, kann zwischen Anbindungsstück 30, 30' und Halbleitermetallisierung 20 ein Luftspalt vorge sehen werden, welcher sicherstellt, dass Schrumpfungskräfte zwischen Anbindungsstück 30, 30' und Halbleitermetallisierung 20 den Halbleiterchip 10 nicht zerstören.
Der Halbleiterchip 10 mit der Halbleitermetallisierung 20 und mit dem angeschweißten Anbindungsstück 30, 30' bildet ein er findungsgemäßes Elektronikmodul.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen eines Anbindungsstücks (30, 30') an eine Halbleitermetallisierung (20) mittels Laserschwei ßens, bei welchem ein Anbindungsstück (30, 30') mit einer Flachseite mit einer Dünnstelle (40) herangezogen wird, wobei die Flachseite (35) der Halbleitermetallisierung (20) zuge wandt angeordnet wird und an die Halbleitermetallisierung (20) geschweißt wird, wobei die Flachseite (35) vollflächig an einer Flachseite der Halbleitermetallisierung (20) anliegt und wobei die Dünnstelle (40) mit einer Näpfchenform des An bindungsstücks (30, 30') gebildet ist, wobei die Näpfchenform in Richtung von der Halbleitermetallisierung (20) fort geöff net ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Halbleiterme tallisierung (20) mit einer Metallisierungsdicke herangezogen wird und bei welchem derart an die Halbleitermetallisierung (20) geschweißt wird, dass eine Einschweißtiefe beim Laser schweißen höchstens so tief wie die Metallisierungsdicke, vorzugsweise höchstens 10 Mikrometer, ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dünnstelle (40) eine Dünnstellendicke, insbeson dere senkrecht zur Flachseite (35), aufweist, wobei die Dünn stellendicke höchstens 100 Mikrometer, vorzugsweise höchstens 50 Mikrometer, beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein definierter Luftspalt zwischen dem Anbindungs stück (30, 30') und der Halbleitermetallisierung (20) vorge sehen wird und zumindest am Ort des Luftspalts geschweißt wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Näpfchenform des Anbindungsstücks (30') gedeckelt ist.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Näpfchenform des Anbindungsstücks (30') ein Vakuum hält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen Anbindungsstück (30, 30') und Halbleiterme tallisierung (20) ein Luftspalt beibehalten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mit Laserlicht (50) mit einer Wellenlänge von höchs tes 800 Nanometern, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von höchstens 600 Nanometern Wellenlänge und idealerweise mit ei ner Wellenlänge von höchstens 550 Nanometern, geschweißt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dünnstelle (40) in Richtungen entlang der Flach seite (35) eine geringste Breite von mindestens 5 Mikrometer und/oder höchstens 1000 Mikrometer aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Anbindungsstück (30, 30') mit Kupfer und/oder Lot und/oder Keramik und/oder Polymer gebildet ist und/oder einen Anschlusskontakt bildet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mit einem Schmelzbad (60) mit einer geringsten Breite des Schmelzbads (60) in einer Richtung entlang der Flachseite (35) geschweißt wird, wobei die geringste Breite der Dünn stelle (40) mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Fünffache und insbesondere mindestens das zehnfache der geringsten Breite des Schmelzbads (60) beträgt.
12. Elektronikmodul, mit einer Halbleitermetallisierung (20) und mit einem Anbindungsstück (30, 30'), bei welchem das An bindungsstück (30, 30') mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche an die Halbleitermetallisierung (20) geschweißt ist.
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