WO2024012807A1 - Verfahren zur herstellung eines smd-leistungshalbleiterbauelementmoduls sowie smd-leistungshalbleiterbauelementmodul - Google Patents

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Icu-Tech - Anlagenbau Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an SMD power semiconductor component module, in which at least one discrete power semiconductor component provided with electrically conductive connection elements is mounted on an SMD circuit carrier provided with contact points in SMD construction. The mechanical fastening and electrical contacting takes place on the same side of the SMD circuit carrier.
  • the present invention further relates to an SMD power semiconductor component module which has been produced using the method according to the invention.
  • Discrete SMD power semiconductor components are now used in large quantities as SMD components and are soldered to SMD circuit carriers, for example printed circuit boards (PCBs) or IMS substrates, using the soft soldering process. All three contacts of the component, namely the collector, emitter and gate, are soldered to a power line on the SMD circuit carrier. As the performance of the power semiconductor chips increases, the current strengths also increase, so that newer power semiconductor chips have a higher current carrying capacity. Due to the higher currents in these components, the contacts are heated more, which reduces reliability in the applications. The type of connection of the contacts in the power semiconductor component thus determines the current carrying capacity of the power semiconductor component. This means that the current must be reduced or limited if necessary to ensure the required reliability of the circuit.
  • a method according to the preamble of claim 1 is known from DE 10 2013 213 448 B4.
  • power semiconductors are attached to the top of a substrate, the underside of which is connected to a heat sink.
  • the electrical connection of the power semiconductors and the contact points of the substrate is carried out by soldering in a reflow process.
  • a heat sink module for electronic semiconductor devices in which several electronic semiconductor devices are fixed to a conductive body provided with ribs by means of a fastening frame, leaf springs and fastening screws.
  • the mounting frame determines the exact arrangement of the individual semiconductor devices.
  • the connecting legs of the electronic semiconductor devices extend in the vertical direction through a circuit board and are connected to the circuit board on the side of the circuit board opposite the heat sink module by wave welding or point-to-point welding.
  • the mechanical fastening level and electrical connection level of the electronic semiconductor devices are therefore located on different sides of the circuit board.
  • a power module with housed power semiconductors for the controllable electrical power supply to a consumer is known.
  • a heat sink with a cooling surface is arranged on the underside of a circuit board.
  • the power semiconductors are attached directly to the heat sink and protrude through through openings that must be provided in the circuit board.
  • the connection elements of the power semiconductors have connection surfaces on the side facing away from the heat sink Side of the circuit board electrically connected. Soldering, especially split head soldering, but also welding is mentioned as a possible connection.
  • this is not an SMD power semiconductor component, since the power semiconductor is attached directly to the heat sink.
  • the power semiconductors must be provided with insulation on the underside as they are attached directly to the top of the heat sink.
  • the object of the present invention is to provide a method which allows SMD power semiconductor component modules with high current-carrying capacity to be produced using simple production technology.
  • Power semiconductor component module includes the following steps:
  • connection elements of the power semiconductor component contacting the contact points of the SMD circuit carrier, and Connecting the connection elements to the respective assigned contact points by laser welding.
  • power semiconductor components with an electrical contact on the underside are preferably used.
  • the SMD circuit carrier preferably includes a cooling function.
  • a printed circuit board a so-called IMS substrate or a lead frame is preferably provided as the SMD circuit carrier.
  • the IMS substrate is a conductor track structure on an insulator.
  • Lead frames are metallic grids, e.g. B. lead frames, which represent conductor tracks. These can be insulated and/or provided with a cooling structure or a heat sink or a cooling layer.
  • the power semiconductor component is thus attached in SMD construction to the same side of the SMD circuit carrier on which the electrical contacting of the connecting elements of the same on the SMD circuit carrier takes place.
  • the mechanical fastening level and electrical contacting level are therefore the same or at least parallel to one another on one and the same side of the SMD circuit carrier.
  • connection according to the invention also allows the SMD Power semiconductor component module at higher temperatures compared to the temperatures possible with a soldered connection. In addition, more sustainable operation under high load cycle conditions is possible compared to a soldered connection. In this way, a high level of reliability of the SMD power semiconductor component module can be achieved. In addition, it is achieved that the power semiconductor component module can be operated with the full performance of its power semiconductor components, i.e. no “limitation” has to be made.
  • the contacting is a contacting process that is usual for a soldered connection, in which the contact point and/or the connection element consist/consists of copper or a copper alloy.
  • the method according to the invention can be used with conventional semiconductor components (e.g. TO 263; D 2 Pack, SO-8) or circuit carriers (e.g. printed circuit boards, PCBs, DCB substrates, IMS substrates, lead frames), which still have a appropriate contacting is provided.
  • semiconductor components e.g. TO 263; D 2 Pack, SO-8
  • circuit carriers e.g. printed circuit boards, PCBs, DCB substrates, IMS substrates, lead frames
  • connection point and/or the connection element can be pre-tinned.
  • connection element in the area of the connection element in which laser welding takes place is designed to run parallel to the main extension surface of the SMD circuit carrier.
  • connection elements are preferably so-called connection legs, which have particularly small connection cross sections.
  • the method according to the invention is particularly advantageous here, since the laser Welded connection causes lower ohmic resistances compared to a soldered connection.
  • the laser welding connection can only be limited to the area of the connecting legs.
  • the laser welding connection In the area of the further underside contact area of the power semiconductor component with the SMD circuit carrier, preferably no laser welding connection is provided.
  • the connecting legs are preferably designed in a step-shaped manner so that, on the one hand, they run parallel to the connection plane in the area to be welded and/or are adapted to the overall height of the arrangement. On the other hand, this creates the advantage that the laser beam can be coupled undisturbed and evenly onto the area to be welded from above.
  • the laser welded connection is formed by a continuous melting area. This enables a uniform energy input with a small contact area due to the narrow connecting legs and thus creates an effective and stable contact.
  • the laser welding connection is carried out using a wobbling laser beam. This also increases the area of coupling of the laser beam and thus avoids excessive local melting, which can lead to holes.
  • Laser welding is preferably carried out with an IR laser.
  • the use of an IR laser has proven to be very advantageous because its use initially forms an oxide, in particular copper oxide, on the surface of the weld, which reduces the degree of reflection for the laser beam and thereby improves the coupling of the laser beam or its energy can be achieved.
  • the at least one discrete power semiconductor component provided with electrically conductive connection elements, preferably the plurality of power semiconductor components, can be located between the SMD circuit carrier and a holding part.
  • the at least one discrete power semiconductor component provided with electrically conductive connection elements can first be positioned and fixed on the holding part before laser welding due to a special embodiment of the method according to the invention.
  • the holding part acts as a transfer part.
  • the discrete power semiconductor component or the majority of discrete power semiconductor components can already be fixed in a special arrangement on the holding part, for example in a circular or star-shaped arrangement. This can be an arrangement that has to be definitively determined in advance in a specific application.
  • the holding part can remain on the power semiconductor component module to be produced, so that the power semiconductor components are securely stabilized in their position during the subsequent laser welding.
  • the holding part also serves as a mechanical bearing in the overall arrangement.
  • the at least one discrete power semiconductor component or the plurality of discrete power semiconductor components can be arranged in a special arrangement, for example in a circular or star-shaped arrangement, for example.
  • B. captured by a gripper and positioned on the power semiconductor component module to be manufactured.
  • the respective power semiconductor component is then fixed in position using the holding part only during laser welding.
  • the holding part can then be removed again. In this case, the holding part only acts as a temporary holder during laser welding.
  • the power semiconductor components can be fixed on the holding part by gluing, for example using adhesive dots on the top sides of the power semiconductor components.
  • the holding part advantageously has welding windows through which laser welding takes place. This allows the laser beam to be advantageously coupled in from above. At the same time, other areas of the SMD circuit board are protected or shielded from impairment by the laser beam. In particular, welding residue can be retained due to the shielding.
  • the presence of welding windows enables the introduction of insulating material onto the welding points or the introduction of a casting compound, provided that the entire volume, which is also formed or at least limited by the holding part, can be poured out.
  • a pressure contact for electrical and thermal contacting in the SMD power semiconductor component module can additionally be generated between the at least one power semiconductor component and the SMD circuit carrier via the holding part by clamping the arrangement of power semiconductor component and circuit carrier between the holding part and a counter bearing, preferably on the installation side .
  • the latter can be, for example, a heat sink located on the underside of the SMD circuit board or a counter bearing on the installation side, for example a housing part, with which the power semiconductor component module is installed in use.
  • the holding part for clamping the respective power semiconductor component due to the use of the holding part for clamping the respective power semiconductor component, the need to adapt the shape or design of the power semiconductor component itself, for example for pressing it in, can be eliminated.
  • the power semiconductor component itself does not need to be adjusted, but simply needs to rest on the conductor track structure of the SMD circuit board located on the insulator.
  • the pressure contact can be achieved in particular, for example, by screwing the holding part to the heat sink or by pressing the holding part with the SMD circuit carrier.
  • the pressure contact creates reliable electrical and thermal contact between the power semiconductor component and the SMD circuit carrier, which always ensures good electrical and thermal contact in the event of temperature fluctuations or mechanical influences.
  • an elastic element can be arranged between the at least one power semiconductor component and the holding part. This ensures that the power semiconductor components are pressed onto the SMD circuit carrier with the same or at least similar force.
  • this configuration enables a pressure contact to be generated by clamping using the holding part, even in the event of height differences due to different high power semiconductor components.
  • the elastic element is expediently a silicone foam pad.
  • the at least one power semiconductor component preferably a plurality of power semiconductor components
  • the at least one power semiconductor component can first be positioned in a predetermined arrangement and/or orientation on a, preferably self-adhesive, placement film and fixed there, with the holding part then being placed on the at least one power semiconductor component, preferably on the plurality of the power semiconductor components, can be fixed in the arrangement and/or orientation previously determined on the placement film.
  • the method according to the invention thus allows the arrangement of power semiconductor components to be assembled in advance, for example on an industrial scale, before the arrangement is transferred to a holding part to be used as a transfer part or is removed from a gripper.
  • a plurality of arrangements and/or orientations of a plurality of power semiconductor components can be provided on a supply roll for the manufacturing process.
  • the film After fixing the power semiconductor components on the holding part to be used as a transfer part, the film is removed from the latter.
  • the film is preferably a self-adhesive film.
  • the method according to the invention also makes it possible for the power semiconductor component module to be designed with a low-inductance interconnection level can be.
  • a low-inductance wiring level enables, above all, fast switching.
  • a multilayer SMD circuit carrier comprising at least a first and second insulator as well as a first and second conductor track structure can also be produced as an SMD circuit carrier within the scope of the method according to the invention, wherein the contact point can be located on the first conductor track structure or second conductor track structure.
  • a structure with more than two insulators or insulation layers can also be produced.
  • the method according to the invention also allows the second insulator with the second conductor track structure to be arranged laterally to the semiconductor component.
  • laser welding of the connection elements of the power semiconductor component with the laterally arranged second conductor track structure can take place in the manner according to the invention.
  • the contact point can be located on the second conductor track structure, wherein the second insulator is angled with the second conductor track structure and the first conductor track structure is also angled correspondingly or in accordance with the second insulator and is continued by the latter.
  • the contact is located in the area of the second conductor track structure that is arranged parallel to the first insulator.
  • a cooler preferably in the form of a heat sink, can expediently be arranged below the SMD circuit board for heat dissipation.
  • a heat sink made of aluminum, preferably pure aluminum, can be provided because of its high thermal conductivity.
  • the semiconductor component can be designed for a minimum current of 5 A or for a minimum voltage of 24 V.
  • the method according to the invention is particularly suitable for this area of power electronics, since the laser welded connection is made by the high currents and voltages of the semiconductor components allow high temperatures and do not limit the performance and reliability of the circuit.
  • the semiconductor component can be an active or passive component.
  • active and passive semiconductor components (housed) discrete power components are used, which can be selected according to the requirements of the circuit according to appropriate parameters.
  • the semiconductor chips it contains are constructed in such a way that they meet optimal performance and reliability requirements under the given cooling conditions.
  • Other (passive) switching components can also be welded or pressure-contacted.
  • the semiconductor component can have an electrically and thermally conductive base area, which can be contacted by means of pressure contact with the SMD circuit carrier or the conductor track structure arranged thereon.
  • a circumferential frame of the holding part can be pressed with an edge region of the insulator.
  • the holding part can have at least one projection which engages in a corresponding recess on the edge region of the insulator for pressing purposes or vice versa.
  • the parts can also be latched or snapped into place. By pressing or the latching or snap connection, the pressure contact can be established safely and permanently with the necessary pressure or pressing force.
  • the electrically and thermally conductive base surface of the semiconductor component can be provided with a coating made of silver or a silver alloy, whereby good ohmic and thermal contact is achieved over the long term.
  • a good ohmic contact ensures good current conduction and a good thermal contact ensures good heat dissipation and thus appropriate cooling.
  • the coating made of silver or a silver alloy can have a thickness of 0.1 pm to 0.5 pm, in particular 0.1 pm to 0.3 pm.
  • the present invention further relates to an SMD power semiconductor component module which has been produced using a method according to at least one of claims 1 to 24.
  • FIG. 1 shows a highly simplified schematic representation of the provision of several power semiconductor components in a specific arrangement and/or orientation on a placement film
  • FIG. 2 shows a highly simplified schematic representation of the transfer of the power semiconductor components arranged on the placement film in the relevant arrangement and/or orientation to a holding part, which serves as a transfer part in this example;
  • FIG. 3 shows a highly simplified schematic representation of laser welding for connecting connection elements of the power semiconductor component with contact points of an SMD circuit carrier in the form of a lead frame;
  • Fig. 4 is a highly simplified schematic representation of the arrangement. Fig. 3 after completion;
  • 6 shows a highly simplified schematic representation of the melting area in the area of the connection element of the power semiconductor component and the contact point of the SMD circuit carrier in a first embodiment
  • 7 shows a highly simplified schematic representation of the melting area in the area of the connection element of the power semiconductor component and the contact point of the SMD circuit carrier in a further embodiment
  • FIG. 8 shows a greatly simplified schematic representation of a further embodiment of an SMD power semiconductor component module produced using the method according to the invention in the area of a power semiconductor component in the form of a lead frame with two insulators;
  • FIG. 9 shows a greatly simplified schematic representation of a further embodiment of an SMD power semiconductor component module produced using the method according to the invention in the area of a power semiconductor component in the form of a lead frame with two insulators;
  • Fig. 10 is a highly simplified schematic representation of the arrangement. Fig. 4 with the holding part locked or pressed into the insulator;
  • FIG. 11 shows a highly simplified schematic representation of a further embodiment of an SMD power semiconductor component module produced using the method according to the invention in the area of a power semiconductor component with a holding part which has been applied after laser welding has been carried out to produce a pressure contact;
  • FIG. 12 shows a highly simplified schematic representation of a further embodiment of an SMD power semiconductor component module produced using the method according to the invention in the area of a power semiconductor component module using a elastic element between the holding part and the power semiconductor component to create a pressure contact;
  • FIG. 13 shows a highly simplified schematic representation of the arrangement according to FIG. 10 with the additional use of an elastic element and a holding part, which is not intended as a transfer part; as well as
  • FIG. 14 shows a highly simplified schematic representation of a holding part to ensure pressure contact for a plurality of power semiconductor components arranged on an SMD circuit carrier.
  • Fig. 1 shows the provision of a plurality of power semiconductor components 4 that are not insulated on their underside in a placement machine 13 on a placement film 11, which is removed from a roll 17 and rewound on a further roll 17 with the power semiconductor components 4 arranged on it.
  • the power semiconductor components 4 are discrete power semiconductor components with connection elements 5 in the form of connection legs.
  • connection elements 5 in the form of connection legs.
  • one connecting leg is provided for the collector, the emitter and the gate of the power semiconductor component 4.
  • the placement machine 13 comprises, for example, a metallic carrier plate 14.
  • the metallic carrier plate 14 causes an electrostatic discharge of the power semiconductor components 4.
  • the placement film 11 is preferably a self-adhesive film on one side.
  • an arrangement and/or orientation of the power semiconductor components 4 can thus be determined, as is to be provided in later use as required. It is therefore an arrangement and/or alignment of the power semiconductor components 4 that can be prefabricated as part of the provision of the majority of power semiconductor components 4 to each other or among each other. For example, this can be an annular or star-shaped arrangement. This enables large-scale preassembly of power semiconductor component groups.
  • the grouped power semiconductor components can be provided together with the placement film 11 in roll form.
  • the assembly of power semiconductor components 4 arranged on the assembly film 11 is transferred to a holding part 9, positioned and fixed thereon. This is done on a resource plate 15.
  • the assembly film 11 is provided on the resource plate 15 together with the power semiconductor components 4 located thereon.
  • Adhesive 12 is attached to the top of the power semiconductor components 4 and then the holding part 9 is applied to the top of the respective power semiconductor component 4 provided with adhesive 12.
  • the holding part 9 is permanently connected to the preassembled arrangement of the power semiconductor components 4.
  • the placement film 11 is then removed.
  • the holding part 9 is provided with individual welding windows 8.
  • the holding part 9 is preferably a plastic plate or a plate-shaped part of a component for a later purpose.
  • FIG. 3 shows the contacting of a power semiconductor component 4, which is already connected to the holding part 9, with an SMD circuit carrier 1 in the form of a lead frame using a laser welding connection. It should be noted that FIG. 3 shows only a partial area of a holding part 9 provided in the manufacturing process.
  • the lead frame comprises an insulator 2 and a conductor track structure 2a or contact points 3 located on the insulator 2 for contacting the connection elements 5 of the power semiconductor components 4.
  • the conductor track structure of the lead frame can be punched, etched or laser cut.
  • the respective power semiconductor component 4 has an electrically conductive base surface 4a on which a coating 6 is located.
  • the coating 6 is preferably a coating made of silver or a silver alloy. yaw.
  • the coating made of silver or a silver alloy can have a thickness of 0.1 pm to 0.5 pm, in particular 0.1 pm to 0.3 pm.
  • a cooler 7 is positioned on the underside of the insulator 2 and serves to dissipate the thermal energy generated during operation of the power semiconductor components 4.
  • an SMD circuit carrier 1 in the form of a lead frame instead of the SMD circuit carrier 1 in the form of a lead frame, an SMD circuit carrier in the form of a circuit board or an IMS substrate could also be used.
  • connection elements 5 of the respective power semiconductor component 4 are located at the contact points 3 of the SMD circuit carrier 1.
  • the connection elements 5 of the power semiconductor component 4 are preferably designed in a step-shaped manner and run in the contact area with the contact point 3 parallel to the main extension surface of the SMD circuit carrier 1.
  • the contact point 3 and the connection element 5 are a material that includes copper or a copper alloy.
  • the connection elements 5 of the power semiconductor components 4 can be provided with an Sn-Ag coating (not shown in the figures). The latter is usually intended as a soldering aid in order to avoid copper oxides during the soldering process that usually takes place.
  • connection element 5 As part of the method according to the invention, the contact between the connection element 5 and the contact point 3 is not created by soldering, but by means of a laser welding connection 16.
  • the power semiconductor component 4 in SMD construction is attached to the same side of the SMD circuit carrier 1 on which the electrical contacting of the connecting elements 5 of the same on the SMD circuit carrier 1 takes place.
  • the mechanical fastening level ne and electrical contacting levels are therefore the same or at least parallel to one another on one and the same side of the SMD circuit carrier 1. Due to the connection of the connection elements 5 to the respective associated contact points 3 through the laser welding connection 16 instead of a solder connection, the current carrying capacity of the SMD power semiconductor component module produced becomes significant improved.
  • the connection elements and contact points in the relevant area of the laser beam are melted, resulting in an intimate connection between the joining partners.
  • connection according to the invention also allows the SMD power semiconductor component module to be operated at higher temperatures compared to the temperatures possible with a soldered connection. In addition, more sustainable operation under high load cycle conditions is possible compared to a soldered connection. As a result, a high level of reliability of the SMD power semiconductor component module can be achieved. Finally, it is achieved that the power semiconductor component module can be operated with the full performance of its power semiconductor components, i.e. no “limitation” has to be made.
  • the laser beam 18 can be advantageously coupled in from above.
  • other areas of the SMD circuit carrier 1 are protected or shielded from impairment by the laser beam 18, in particular from welding residue.
  • the welding windows 8 enable the introduction of insulation material 26 (for example in the form of insulation droplets in FIG. 4) in the area of laser welding or the introduction of insulation material 26 in the form of casting compound by completely casting a cavity that is at least partially delimited by the holding part 9, as shown by way of example in FIG. 10.
  • At least one power semiconductor component preferably a plurality of power semiconductor components
  • a gripper (not shown in the drawing figures) from a provision, for example a correspondingly equipped assembly film 11, and placed on the SMD circuit carrier to be ordered.
  • the holding part 9 according to FIG. 3 serves to locally fix the power semiconductor components 4 during the laser welding process.
  • the holding part 9 does not serve as a transer part, but only for fixation during laser welding.
  • a pressure contact between the power semiconductor component 4 and the SMD circuit carrier 1 can be generated by means of the holding part 9 for electrical and thermal contacting. 4, this can be done in that the holding part 9 and the SMD circuit carrier 1 clamp the power semiconductor component 4. This can be done, for example, by screwing the holding part 9 to the cooler 7 using screws 25. It should be noted that only one screw 25 is shown in FIG. 4 for the sake of simplicity.
  • the entire arrangement comprising the holding part 9, the power semiconductor components 4, the SMD circuit carrier 1 and the cooler 7 can be arranged, for example, on a bearing cover of an electrical device, for example an electric motor. For example, certain electrical consumers or electrical components (e.g. motor coils) can be connected directly to the SMD power semiconductor component module prepared in this way.
  • the holding part 9 can also be pressed with the SMD circuit carrier 1 in order to create the pressure contact.
  • a circumferential frame 27 of the holding part 9 can be pressed with an edge region 28 of the insulator 2.
  • the pressure contact can be established safely and permanently with the necessary pressure or pressing force.
  • the parts can also be snapped into place (see Fig. 10).
  • a press connection and/or snap connection is provided with reference number 29.
  • the holding part 9 have at least one projection (not shown in Fig. 10) which pressingly engages or snaps into a corresponding recess (also not shown in Fig. 10) on the edge region 28 of the insulator 2 or vice versa. Through the press, snap and/or snap connection, the pressure contact can be established safely and permanently with the necessary pressure or pressing force.
  • Fig. 5 shows a greatly simplified schematic representation of the design and operation of the laser to be used to produce the laser welded connection 16.
  • This is preferably a so-called fiber laser 22, in which the laser beam 18 is provided via a glass fiber 19.
  • the laser beam 18 can be moved according to the required application.
  • the scanner 24 can ensure that the laser beam 18, for example, carries out a circular movement (KB) around a central axis, as shown in FIG. 5.
  • the laser beam 18 can also carry out a wobbling movement (WB), as also shown in FIG. 5.
  • Fig. 5 shows an example of a coupling surface 23 of the laser beam 18 in a snapshot during the circular movement KB and during the wobbling movement WB.
  • the laser is preferably an IR laser.
  • the laser's focus spot has a diameter in the range of 20-50 pm, in particular 30-40 pm.
  • the melting area 21 created by the laser beam 18 is at least essentially contiguous, for example point-shaped or circular.
  • the diameter of the melting area 21 is in a range of 60-100 pm, preferably 70-90 pm.
  • FIG. 6 shows, in a highly simplified schematic representation, the laser welding connection 16, which has at least essentially a circular melting area 21.
  • the at least essentially punctiform or circular shape of the melting area is Reichs 21 due to the essentially circular cross section of the laser beam 18.
  • an at least essentially point-shaped or circular melting area 21 is also provided.
  • the latter is due to the special movement of the laser beam 18, namely a circular movement KB, see FIG. 5.
  • the circular movement can be superimposed by a wobbling movement WB.
  • FIG. 8 shows, in a highly simplified schematic representation, a power semiconductor component module produced according to the method according to the invention with a low-inductance structure, which comprises a multilayer SMD circuit carrier 10 in the form of a multilayer lead frame.
  • the multilayer SMD circuit carrier 10 shown in FIG. 8 comprises a first insulator 2 assigned to the cooler 7 with a punched or cut conductor track structure 2a and contact points 3 as well as a second insulator 20 located thereon with an associated punched or cut conductor track structure 20a.
  • the connection element 5 of the power semiconductor component 4 contacts the contact point 3 of the conductor track structure 2a.
  • a corresponding structure enables particularly fast switching behavior of the electronic circuit.
  • FIGS. 8 and 9 shows, in a highly simplified schematic representation, a further variant of a power semiconductor component module, which can be produced according to the method according to the invention.
  • This is also a multilayer SMD circuit carrier 1 in the form of a multilayer lead frame, which has a first insulator 2 provided with a conductor track structure 2a, which is connected to the cooler 7, and a second one located thereon with a second one Conductor track structure 20a provided insulator 20, which is angled.
  • the respective connection element 5 of the power semiconductor component 4 is contacted with the contact point 3 of the second conductor track structure 20a of the second insulator 20 by means of a laser welding connection 16.
  • a multilayer circuit board or a multilayer IMS substrate could also be used instead of an SMD circuit carrier 10 in the form of a multilayer lead frame.
  • the two embodiments of the power semiconductor component modules correspond to the power semiconductor component module from FIG. 4.
  • the two embodiments of FIGS and manner can be generated.
  • the pressure contact is exerted on the power semiconductor component 4, in contrast to the embodiment according to FIG. 4, by means of a holding part 90, which has no through openings for the laser beam.
  • the laser welding of the connection elements 5 of the power semiconductor component 4 was carried out before the holding part 90 was applied.
  • the laser welding could, for example, have been produced by using a holding part 9 with a welding window 8 which was only temporarily provided for fixing the power semiconductor component 4 during laser welding and which was subsequently removed again. Because of this, the holding part 90 shown in FIG. 11 does not require any welding windows. Otherwise, the embodiment according to FIG. 11 corresponds to the embodiment of the invention according to FIG. 4.
  • Fig. 12 shows a further embodiment of the respective present invention, in which an elastic element 91 is inserted between the holding part 90 and the respective power semiconductor component 4, by means of which a controlled pressure is applied to the power semiconductor component 4 to ensure pressure contact.
  • the elastic element 91 is expediently a silicone foam pad. Through the elastic element 91, a uniform contact pressure can be applied to a plurality of power semiconductor components 4 via the holding part 90. In the same way, it is also possible that if a holding part 9 equipped with welding windows 8 is to be used instead of the holding part 90 to exert pressure contact, then a corresponding elastic element 91 can also be present.
  • FIG. 13 shows a possible modification of the embodiment according to FIG. 10, in which, on the one hand, an elastic element 91 is arranged between the holding part 90, in which there are no welding windows compared to FIG. 10, and the power semiconductor component 4 is. Accordingly, an elastic element 91 can also be present in the embodiment according to FIG. 10.
  • Fig. 14 shows a holding part 90, in which a plurality of elastic elements 91 are provided for pressurizing a plurality of power semiconductor components (not shown in Fig. 14). This allows uniform pressure to be applied to the individual power semiconductor components.
  • the holding part 90 of the embodiment according to FIG. 14 can be mechanically coupled to the cooler 7 or the insulator 2 of the SMD circuit carrier 1 in the manner already described.
  • the SMD circuit carrier can also be the previously described configurations as shown by way of example in FIGS. 8 and 9.
  • the method according to the invention is particularly suitable for power semiconductor component modules with a minimum current intensity of 5 A or for a minimum voltage of 24 V.
  • the method according to the invention is particularly suitable for this area of power electronics, since the laser welding connection 16 is due to the high current strengths and voltages of the semiconductor components 4 caused high temperatures and does not limit the performance and reliability of the circuit.
  • the semiconductor component 4 can be an active or passive semiconductor component. Active and passive semiconductor components are (housed) discrete ones Power semiconductor components are used, which can be selected according to the requirements of the circuit according to appropriate parameters.
  • the semiconductor chips it contains are constructed in such a way that they meet optimal performance and reliability requirements under the given cooling conditions. These are preferably standard semiconductor components with an electrical contact surface on the underside of the same, which are intended for SMD technology.

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Abstract

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

Description

Verfahren zur Herstellung eines SMD-Leistunqshalbleiterbauelementmoduls sowie SMD-Leistunqshalbleiterbauelementmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SMD- Leistungshalbleiterbauelementmoduls, bei dem mindestens ein diskretes, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen versehenes Leistungshalbleiterbauelement auf einem mit Kontaktstellen versehenen SMD-Schaltungsträger in SMD-Bauweise montiert wird. Die mechanische Befestigung sowie elektrische Kontaktierung erfolgt hierbei an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein SMD-Leistungshalb- leiterbauelementmodul, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
Technologischer Hintergrund
Diskrete SMD-Leistungshalbleiterbauelemente werden heute als SMD- Komponenten in großen Stückzahlen eingesetzt und auf SMD-Schaltungsträger, z.B. auf Leiterplatten (PCBs) oder auf IMS-Substrate, im Weichlotverfahren gelötet. Dabei werden alle drei Kontakte des Bauelementes, nämlich Kollektor, Emitter und Gate, mit einer Stromleitung des SMD-Schaltungsträgers verlötet. Mit steigender Leistungsfähigkeit der Leistungshalbleiterchips steigen auch die Stromstärken, so dass neuere Leistungshalbleiterchips eine höhere Stromtragfähigkeit aufweisen. Durch die höheren Ströme in diesen Bauelementen werden die Kontakte stärker erwärmt, wodurch die Zuverlässigkeit in den Applikationen sinkt. Die Art der Verbindung der Kontakte in dem Leistungshalbleiterbauelement bestimmt somit die Strom belastbarkeit des Leistungshalbleiterbauelements. Dies bedeutet, dass der Strom notfalls reduziert oder begrenzt werden muss, um die geforderte Zuverlässigkeit der Schaltung zu gewährleisten. Besonders relevant wird dies, wenn die Leistungsschaltung mit SMD-Bauelementen auf Schaltungsträger, die im Gegensatz zu PCBs auch eine verstärkte Kühlfunktion der Schaltung übernehmen können, aufgebaut wird. Dann begründen die geringen Kupferquerschnitte der Anschlussbeinchen und die zusätzlichen ohmschen Widerstände aufgrund der Weichlotverbindung Verluste, die die wirtschaftliche Ausnutzung der Stromtragfähigkeit der Chips behindern oder die Zuverlässigkeit der Schaltung reduzieren.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2013 213 448 B4 bekannt. Hierbei werden Leistungshalbleiter auf der Oberseite eines Substrats angebracht, dessen Unterseite mit einem Kühlkörper verbunden ist. Die elektrische Verbindung der Leistungshalbleiter und der Kontaktstellen des Substrats erfolgen durch Auflöten in einem Reflow-Prozess.
Aus EP 2 458632 A1 ein Kühlkörpermodul für elektronische Halbleitervorrichtungen bekannt, bei dem mehrere elektronische Halbleitervorrichtungen an einem mit Rippen versehenen Ableitkörper mittels eines Befestigungsrahmens, Blattfedern sowie Befestigungsschrauben fixiert sind. Der Befestigungsrahmen legt hierbei die genaue Anordnung der einzelnen Halbleitervorrichtungen fest. Die Anschlussbeinchen der elektronischen Halbleitervorrichtungen erstrecken sich in senkrechter Richtung durch eine Leiterplatte hindurch und werden auf der dem Kühlkörpermodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte mit Letzterer durch Wave-Schweißen oder Point-to-Point-Schweißen verbunden. Die mechanische Befestigungsebene sowie elektrische Anschlussebene der elektronischen Halbleitervorrichtungen befinden sich daher auf unterschiedlichen Seiten der Leiterplatte.
Aus der DE 10 2019 205 772 A1 ist ein Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers bekannt. Zur Kühlung ist an der Unterseite einer Leiterplatte ein Kühlkörper mit einer Kühloberfläche angeordnet. Die Leistungshalbleiter sind unmittelbar auf dem Kühlkörper befestigt und ragen durch in der Leiterplatte zwingend vorzusehende Durchgangsöffnungen hindurch. Die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter sind mit Anschlussflächen an der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte elektrisch verbunden. Als mögliche Verbindung wird Löten, insbesondere Spaltkopflöten, aber auch Schweißen genannt. Hierbei handelt es sich jedoch um kein SMD-Leistungshalbleiterbauelement, da die Befestigung des Leistungshalbleiters unmittelbar auf dem Kühlkörper erfolgt. Die Leistungshalbleiter müssen mit einer unterseitigen Isolierung versehen sein, da sie unmittelbar auf der Oberseite des Kühlkörpers befestigt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodule mit hoher Stromtragfähigkeit in einfacher Produktionstechnik herzustellen.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Ein erfindungsgemäßes SMD- Leistungshalbleiterbauelementmodul wird in Anspruch 25 gelehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines SMD-
Leistungshalbleiterbauelementmoduls umfasst folgende Schritte:
Bereitstellung eines mit Kontaktstellen und einer Isolierung bzw. einem Isolator versehenen SMD-Schaltungsträgers,
Bereitstellen mindestens eines diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen versehenen Leistungshalbleiterbauelements,
Anordnen des mindestens einen diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen versehenen Leistungshalbleiterbauelements an der mit den Kontaktstellen versehenen Seite des SMD-Schaltungsträgers, wobei die Anschlusselemente des Leistungshalbleiterbauelements die Kontaktstellen des SMD-Schaltungsträgers kontaktieren, sowie Verbinden der Anschlusselemente mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen durch Laserschweißen.
Vorzugsweise werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Leistungshalbleiterbauelemente mit einer unterseitigen elektrischen Kontaktierung (d.h. ohne Isolierung) verwendet.
Vorzugsweise beinhaltet der SMD-Schaltungsträger eine Kühlfunktion.
Vorzugsweise ist als SMD-Schaltungsträger eine Leiterplatte, ein sogenanntes IMS-Substrat oder ein Lead-Frame vorgesehen. Bei dem IMS-Substrat handelt es sich um eine Leiterbahnstruktur auf einem Isolator. Bei Lead-Frames handelt es sich um metallisches Gitter, z. B. Stanzgitter, welche Leiterbahnen darstellen. Diese können isoliert sein und/oder mit einer Kühlstruktur oder einem Kühlkörper oder einer Kühlschicht versehen sein.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leistungshalbleiterbauelement somit in SMD-Bauweise an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers befestigt, an der die elektrische Kontaktierung der Anschlusselemente desselben an dem SMD-Schaltungsträger erfolgt. Die mechanische Befestigungsebene sowie elektrische Kontaktierungsebene sind somit gleich oder zumindest parallel zueinander auf ein und derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers. Hierdurch wird die Montage von SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodulen ganz erheblich vereinfacht. Aufgrund des Verbindens der Anschlusselemente mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen durch Laserschweißen anstatt durch Löten wird zudem die Stromtragfähigkeit des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erheblich verbessert. Beim Laserschweißen werden die Anschlusselemente und Kontaktstellen in dem betreffenden Bereich des Laserstrahls geschmolzen, so dass sich eine innige Verbindung der Fügepartner ergibt. Durch das Laserschweißen lässt sich somit eine monometallische Verbindung herstellen. Daraus resultiert der Vorteil, dass diese Art der stoffschlüssigen Verbindung einen Betrieb des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls mit höheren Stromstärken im Gegensatz zu Lötverbindungen zulässt. Darüber hinaus lässt die erfindungsgemäße Verbindung auch einen Betrieb des SMD- Leistungshalbleiterbauelementmoduls bei höheren Temperaturen im Vergleich zu den bei einer Lötverbindung möglichen Temperaturen zu. Außerdem ist im Vergleich zu einer Lötverbindung ein nachhaltigerer Betrieb unter hohen Lastwechselbedingungen möglich. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit des SMD- Leistungshalbleiterbauelementmoduls erreicht werden. Zudem wird erreicht, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit der vollständigen Leistungsfähigkeit seiner Leistungshalbleiterbauelemente betrieben werden kann, also keine „Begrenzung“ vorgenommen werden muss.
Bei der Kontaktierung (der Kontaktstelle und des Anschlusselements) handelt es sich um eine für eine Lötverbindung übliche Kontaktierung, bei der die Kontaktstelle und/oder das Anschlusselement aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen/besteht. Infolge dessen kann das erfindungsgemäße Verfahren bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen (z.B. TO 263; D2Pack, SO-8) bzw. Schaltungsträgern (z.B. Leiterplatten, PCBs, DCB-Substrate, IMS-Substrate, Lead-Frames), bei denen nach wie vor eine entsprechende Kontaktierung vorgesehen ist, angewandt werden. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn die Leistungsschaltung mit SMD-Bauelementen auf IMS-Substrate, die im Gegensatz zu PCBs auch eine verstärkte Kühlfunktion der Schaltung übernehmen können, aufgebaut werden. Dann würden geringe Kupferquerschnitte der Anschlüsse und die zusätzlichen ohmschen Widerstände bei deren herkömmlicher Weichlötung zu Verlusten führen, die die wirtschaftliche Ausnutzung der Stromtragfähigkeit der Chips behindern oder die Zuverlässigkeit der Schaltung reduzieren. Dies kann durch die Erfindung wirksam vermieden werden. Die Kontaktstelle und/oder das Anschlusselement können dabei vorverzinnt sein.
Vorteilhaft ist, wenn das Anschlusselement in dem Bereich des Anschlusselements, in dem das Laserschweißen stattfindet, parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers verlaufend ausgebildet ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Anschlusselementen um sog. Anschlussbeinchen, bei denen besonders geringe Anschlussquerschnitte gegeben sind. Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da die Laser- Schweißverbindung im Vergleich zu einer Lötverbindung geringere ohmsche Widerstände verursacht.
Vorzugsweise kann bei dem Leistungshalbleiterbauelement die Laserschweißverbindung nur auf den Bereich der Anschlussbeinchen beschränkt sein. Im Bereich des weiteren unterseitigen Kontaktbereichs des Leistungshalbleiterbauelements mit dem SMD-Schaltungsträger ist vorzugsweise keine Laserschweißverbindung vorgesehen.
Die Anschlussbeinchen sind vorzugsweise stufenförmig ausgebildet, damit sie einerseits in dem zu schweißenden Bereich parallel zur Verbindungsebene verlaufen und/oder an die Bauhöhe der Anordnung angepasst ist. Andererseits wird hierdurch der Vorteil geschaffen, dass der Laserstrahl von oben ungestört und gleichmäßig auf der zu schweißenden Stelle einkoppeln kann.
Untersuchungen haben ergeben, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Laserschweißverbindung durch einen zusammenhängenden Aufschmelzbereich gebildet wird. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Energieeintrag bei einer durch die schmalen Anschlussbeinchen bedingten geringen Kontaktfläche möglich und damit eine wirksame und stabile Kontaktierung geschaffen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn alternativ oder zusätzlich die Laserschweißverbindung mittels eines wobbelnden Laserstrahls durchgeführt wird. Auch hierdurch wird der Bereich der Einkopplung des Laserstrahls vergrößert und damit ein lokal zu starkes Aufschmelzen, welches zu Löchern führen kann, vermieden.
Die Laserschweißung erfolgt vorzugsweise mit einem IR-Laser. Die Anwendung eines IR-Lasers hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, da sich durch seine Anwendung an der Oberfläche der Schweißstelle zunächst ein Oxid, insbesondere Kupferoxid, bildet, wodurch der Reflexionsgrad für den Laserstrahl sinkt und hierdurch eine verbesserte Einkopplung des Laserstrahls bzw. von dessen Energie erreicht werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sich das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen versehene Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, zwischen dem SMD-Schaltungsträger und einem Halteteil befinden.
Das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen versehene Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, kann aufgrund einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Laserschweißen zunächst auf dem Halteteil positioniert und fixiert werden. Das Halteteil wirkt in diesem Fall als Transferteil. Hierbei kann das diskrete Leistungshalbleiterbauelement bzw. die Mehrzahl der diskreten Leistungshalbleiterbauelemente bereits in einer besonderen Anordnung am Halteteil fixiert werden, beispielsweise in einer kreisförmigen oder sternförmigen Anordnung. Dabei kann es sich um eine vorab endgültig festzulegende Anordnung in einer bestimmten Anwendung handeln. Das Halteteil kann in einer zweckmäßigen Ausgestaltung am herzustellenden Leistungshalbleiterbauelementmodul verbleiben, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente bei der nachfolgenden Laserschweißung sicher in ihrer Position stabilisiert sind. Das Halteteil dient auch als mechanisches Lager in der Gesamtanordnung.
In einer hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das mindestens eine diskrete Leistungshalbleiterbauelement bzw. die Mehrzahl der diskreten Leistungshalbleiterbauelemente in einer besonderen Anordnung, beispielsweise in einer kreisförmigen oder sternförmigen Anordnung z. B. von einem Greifer erfasst und am herzustellenden Leistungshalbleiterbauelementmodul positioniert werden. Anschließend wird mittels dem Halteteils das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement nur während des Laserschweißens Lage-fixiert. Anschließend kann das Halteteil wieder entfernt werden. In diesem Fall wirkt das Halteteil nur als temporärer Halter während der Laserschweißens.
Die Fixierung der Leistungshalbleiterbauelemente auf dem Halteteil kann durch Verklebung, beispielsweise durch Klebepunkte auf den Oberseiten der Leistungshalbleiterbauelemente, erfolgen. In vorteilhafter Weise weist das Halteteil Schweißfenster auf, durch die hindurch das Laserschweißen erfolgt. Hierdurch kann ein vorteilhafte Einkopplung des Laserstrahls von oben erfolgen. Gleichzeitig werden andere Bereiche des SMD- Schaltungsträgers vor einer Beeinträchtigung durch den Laserstrahl geschützt bzw. abgeschirmt. Insbesondere können hierbei Schweißrückstände aufgrund der Abschirmung zurückgehalten werden. Darüber hinaus ermöglicht das Vorhandensein von Schweißfenstern das Einbringen von Isolationsmaterial auf die Schweißstellen bzw. das Einbringen einer Vergussmasse, sofern das gesamte Volumen, welches auch durch das Halteteil gebildet oder zumindest begrenzt wird, ausgegossen werden kann.
Zudem kann zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und dem SMD-Schaltungsträger zusätzlich ein Druckkontakt zur elektrischen und thermischen Kontaktierung in dem SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul über das Halteteil erzeugt werden, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement und Schaltungsträger zwischen dem Halteteil und einem, vorzugsweise einbauseitigen, Gegenlager eingespannt wird. Bei dem Letzterem kann es sich beispielsweise um einen an der Unterseite des SMD- Schaltungsträgers befindlichen Kühlkörper handeln oder um ein einbauseitiges Gegenlager, z.B. ein Gehäuseteil, mit dem das Leistungshalbleiterbauelementmodul im Einsatz verbaut wird. Zudem kann aufgrund der Verwendung des Halteteils für das Einspannen des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements die Notwendigkeit einer Anpassung der Form oder Ausgestaltung des Leistungshalbleiterbauelements selbst z.B. für ein Einpressen desselben entfallen. Das Leistungshalbleiterbauelement selbst muss nicht angepasst werden, sondern muss lediglich auf der auf dem Isolator befindlichen Leiterbahnstruktur des SMD- Schaltungsträgers aufliegen. Der Druckkontakt kann insbesondere z.B. durch Verschraubung des Halteteils mit dem Kühlkörper oder durch Verpressen des Halteteils mit dem SMD-Schaltungsträger erreicht werden. Durch den Druckkontakt wird eine zuverlässige elektrische und thermische Kontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements mit dem SMD-Schaltungsträger erzeugt, welcher bei Temperaturschwankungen oder auch mechanischen Einflüssen stets einen guten elektrischen und thermischen Kontakt gewährleistet. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann ein elastisches Element zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und dem Halteteil angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass die Leistungshalbleiterbauelemente mit gleicher oder zumindest ähnlicher Kraft auf dem SMD- Schaltungsträger angedrückt werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung, dass auch bei Höhenunterschieden aufgrund unterschiedlicher hoher Leistungshalbleiterbauelementen mittels dem Halteteil ein Druckkontakt durch Einspannen erzeugt werden kann.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem elastischen Element um ein Silikonschaumpolster.
Das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, kann zunächst in einer vorher festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer, vorzugsweise selbstklebenden, Bestückfolie positioniert werden und dort fixiert werden, wobei das Halteteil anschließend auf dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise auf der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente, in der vorher auf der Bestückfolie festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung fixiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, die Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen vorher, z.B. im großtechnischen Maßstab, zu konfektionieren, bevor die Anordnung auf ein als Transferteil zu verwendendes Halteteil übertragen oder von einem Greifer abgenommen wird. Beispielsweise können so eine Vielzahl von Anordnungen und/oder Ausrichtungen einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf einer Vorratsrolle für den Herstellungsvorgang bereitgestellt werden.
Die Folie wird nach dem Fixieren der Leistungshalbleiterbauelemente auf dem als Transferteil zu verwendendem Halteteil von Letzterem entfernt.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Folie um eine selbstklebende Folie.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit einer niederinduktiven Verschaltungsebene ausgeführt sein kann. Eine niederinduktive Verschaltungsebene ermöglicht vor allem ein schnelles Schalten. Insbesondere kann als SMD-Schaltungsträger auch ein mehrschichtiger, mindestens einen ersten sowie zweiten Isolator sowie eine erste und zweite Leiterbahnstruktur umfassender SMD-Schaltungsträger im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, wobei sich die Kontaktstelle an der ersten Leiterbahnstruktur oder zweiten Leiterbahnstruktur befinden kann. Es kann auch ein Aufbau mit mehr als zwei Isolatoren bzw. Isolationsschichten hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es auch, dass der zweite Isolator mit der zweiten Leiterbahnstruktur seitlich zum Halbleiterbauelement angeordnet sein kann. Auch hier kann ein Laserschweißen der Anschlusselemente des Leistungshalbleiterbauelements mit der seitlich angeordneten zweiten Leiterbahnstruktur in der erfindungsgemäßen Weise erfolgen.
Insbesondere kann sich die Kontaktstelle an der zweiten Leiterbahnstruktur befinden, wobei der zweite Isolator mit der zweiten Leiterbahnstruktur abgewinkelt ist und die erste Leiterbahnstruktur entsprechend bzw. gemäß dem zweiten Isolator auch abgewinkelt ist und von Letzterem fortgeführt wird. Die Kontaktierung befindet sich hierbei in dem parallel zum ersten Isolator angeordneten Bereich der zweiten Leiterbahnstruktur.
Zweckmäßigerweise kann zur Erfüllung der Kühlfunktion unterhalb des SMD- Schaltungsträgers ein Kühler, vorzugsweise in Form eines Kühlkörpers, zur Wärmeableitung angeordnet sein. Insbesondere kann ein Kühlkörper aus Aluminium, vorzugsweise aus Reinaluminium, wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Bei diesen Kühleinrichtungen und -bedingungen können die in den Halbleiterbauelementen enthaltenen Halbleiterchips optimalen Leistungsund Zuverlässigkeitsansprüchen genügen.
Mit besonderem Vorteil kann das Halbleiterbauelement für eine Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V ausgelegt sein. Insbesondere für diesen Bereich der Leistungselektronik ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da die Laserschweißverbindung die durch die hohen Stromstärken und Spannungen der Halbleiterbauelemente bewirkten hohen Temperaturen zulässt und die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung nicht einschränkt.
Das Halbleiterbauelement kann ein aktives oder passives Bauelement sein. Als aktive und passive Halbleiterbauelemente werden (gehäuste) diskrete Leistungsbauelemente eingesetzt, die entsprechend den Anforderungen der Schaltung nach entsprechenden Parametern ausgewählt werden können. Die darin enthaltenen Halbleiterchips sind so aufgebaut, dass sie bei den gegebenen Kühlbedingungen optimalen Leistungs- und Zuverlässigkeitsansprüchen genügen. Weitere (passive) Schaltbausteine können ebenfalls geschweißt sein oder druckkontaktiert werden.
Das Halbleiterbauelement kann eine elektrisch und thermisch leitende Grundfläche aufweisen, die mittels Druckkontakt mit dem SMD-Schaltungsträger bzw. der darauf angeordneten Leiterbahnstruktur kontaktiert werden kann. Hierzu kann z. B. ein umlaufender Rahmen des Halteteils mit einem Randbereich des Isolators verpresst sein. Insbesondere kann das Halteteil mindestens einen Vorsprung aufweisen, der zum Verpressen in eine korrespondierende Ausnehmung am Randbereich des Isolators eingreift oder umgekehrt. Insbesondere kann auch ein Einrasten oder Einschnappen der Teile vorgesehen sein. Durch das Verpressen bzw. die Rast- oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden.
Vorteilhafterweise kann die elektrisch und thermisch leitende Grundfläche des Halbleiterbauelements mit einer Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung versehen sein, womit ein guter ohmscher als auch thermischer Kontakt auf Dauer realisiert wird. Ein guter ohmscher Kontakt sorgt für eine gute Stromleitung und ein guter thermischer Kontakt bewirkt eine gute Wärmeableitung und damit eine entsprechende Kühlung.
Die Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung kann eine Dicke von 0,1 pm bis 0,5 pm, insbesondere von 0,1 pm bis 0,3 pm, aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein SMD-Leistungshalb- leiterbauelementmodul, welches nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24 hergestellt worden ist.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Bereitstellung mehrerer Leistungshalbleiterbauelemente in bestimmter Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer Bestückfolie;
Fig. 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Übertragung der auf der Bestückfolie angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente in der betreffenden Anordnung und/oder Ausrichtung auf ein Halteteil, welches bei diesem Beispiel als Transferteil dient;
Fig. 3 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Laserschweißens zur Verbindung von Anschlusselementen des Leistungshalbleiterbauelements mit Kontaktstellen eines SMD- Schaltungsträgers in Form eines Lead-Frames;
Fig. 4 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gern. Fig. 3 nach Fertigstellung;
Fig. 5 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Lasers während der Durchführung der Laserschweißverbindung;
Fig. 6 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Aufschmelzbereichs im Bereich des Anschlusselements des Leistungshalbleiterbauelements und der Kontaktstelle des SMD- Schaltungsträgers in einer ersten Ausgestaltung; Fig. 7 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Aufschmelzbereichs im Bereich des Anschlusselements des Leistungshalbleiterbauelements und der Kontaktstelle des SMD- Schaltungsträgers in einer weiteren Ausgestaltung;
Fig. 8 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements in Form eines Lead-Frames mit zwei Isolatoren;
Fig. 9 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements in Form eines Lead-Frames mit zwei Isolatoren;
Fig. 10 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gern. Fig. 4 mit dem Isolator verrasteten oder verpressten Halteteil;
Fig. 11 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements mit einem Halteteil, welches nach durchgeführter Laserschweißung zur Erzeugung eines Druckkontakts aufgebracht worden ist;
Fig. 12 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise einer weiteren Ausgestaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls im Bereich eines Leistungshalbleiterbauelementmoduls unter Verwendung eines elastischen Elements zwischen Halteteil und Leistungshalbleiterbauelement zur Erzeugung eines Druckkontakts;
Fig. 13 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Anordnung gemäß Fig. 10 unter zusätzlicher Verwendung eines elastischen Elements sowie eines Halteteils, welches nicht als Transferteil vorgesehen ist; sowie
Fig. 14 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise eines Halteteils zur Gewährleistung eines Druckkontakts für eine Mehrzahl auf einem SMD-Schaltungsträger angeordneter Leistungshalbleiterbauelemente.
Fig. 1 zeigt die Bereitstellung einer Mehrzahl von nicht an deren Unterseite isolierten Leistungshalbleiterbauelementen 4 in einer Bestückmaschine 13 auf einer Bestückfolie 11 , die von einer Rolle 17 abgezogen und mit den auf ihr angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 4 auf einer weiteren Rolle 17 wieder aufgewickelt wird. Bei den Leistungshalbleiterbauelementen 4 handelt es sich um diskrete Leistungshalbleiterbauelemente mit Anschlusselementen 5 in Form von Anschlussbeinchen. Üblicherweise ist je Leistungshalbleiterbauelement 4 ein Anschlussbeinchen jeweils für den Kollektor, den Emitter sowie das Gate des Leistungshalbleiterbauelements 4 vorgesehen. Die Bestückmaschine 13 umfasst eine z.B. metallische Trägerplatte 14. Die metallische Trägerplatte 14 bewirkt eine elektrostatische Entladung der Leistungshalbleiterbauelemente 4.
Bei der Bestückfolie 11 handelt es sich vorzugsweise um eine einseitig selbstklebende Folie.
Im Zuge der Bestückung der Bestückfolie 11 mit den Leistungshalbleiterbauelementen 4 kann somit eine Anordnung und/oder Ausrichtung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 festgelegt werden, wie sie im späteren Einsatz je nach Bedarf vorgesehen sein soll. Es handelt sich folglich um eine bereits im Rahmen der Bereitstellung der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente 4 vorkonfektionierbare Anordnung und/oder Ausrichtung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 zueinander bzw. untereinander. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine ringförmige oder sternförmige Anordnung handeln. Hierdurch wird eine großtechnische Vorkonfektionierung von Leistungshalbleiterbauelement-Gruppierungen ermöglicht. Die gruppierten Leistungshalbleiterbauelemente können zusammen mit der Bestückfolie 11 in Rollenform bereitgestellt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die auf der Bestückfolie 11 angeordnete Zusammenstellung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 auf ein Halteteil 9 übertragen, auf dieser positioniert und fixiert. Dies erfolgt auf einer Betriebsmittelplatte 15. Auf der Betriebsmittelplatte 15 wird die Bestückfolie 11 zusammen mit den darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelementen 4 bereitgestellt. An der Oberseite der Leistungshalbleiterbauelemente 4 wird jeweils Klebstoff 12 angebracht und anschließend das Halteteil 9 auf die mit Klebstoff 12 versehene Oberseite des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 4 aufgebracht. Hierdurch wird das Halteteil 9 dauerhaft mit der vorkonfektionierten Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 verbunden. Anschließend wird die Bestückfolie 11 abgezogen. Das Halteteil 9 ist mit einzelnen Schweißfenstern 8 versehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halteteil 9 um eine Kunststoffplatte bzw. um einen plattenförmigen Teil eines Bauteils für einen späteren Einsatzzweck.
Fig. 3 zeigt die Kontaktierung eines Leistungshalbleiterbauelements 4, welches bereits mit dem Halteteil 9 verbunden ist, mit einem SMD-Schaltungsträger 1 in Form eines Lead-Frames unter Anwendung einer Laserschweißverbindung. Es wird darauf hingewiesen, dass Fig. 3 lediglich einen Teilbereich eines im Fertigungsverfahren bereitgestellten Halteteils 9 zeigt.
Der Lead-Frame umfasst einen Isolator 2 sowie eine auf dem Isolator 2 befindliche Leiterbahnstruktur 2a bzw. Kontaktstellen 3 zur Kontaktierung mit den Anschlusselementen 5 der Leistungshalbleiterbauelemente 4. Die Leiterbahnstruktur des Lead-Frames kann gestanzt, geätzt oder lasergeschnitten sein. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 4 besitzt eine elektrisch leitende Grundfläche 4a, auf der sich eine Beschichtung 6 befindet. Bei der Beschichtung 6 handelt es sich vorzugsweise um eine Beschichtung aus Silber oder einer Silberle- gierung. Die Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung kann eine Dicke von 0,1 pm bis 0,5 pm, insbesondere 0,1 pm bis 0,3 pm, aufweisen.
An der Unterseite des Isolators 2 ist ein Kühler 7 positioniert, der dazu dient, die im Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente 4 entstehende Wärmeenergie abzuleiten.
An Stelle des SMD-Schaltungsträgers 1 in Form eines Lead-Frames könnte auch ein SMD-Schaltungsträger in Form einer Leiterplatte oder eines IMS-Substrats verwendet werden.
Die Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 sowie des daran haftenden Halteteils 9 wird mit dem SMD-Schaltungsträger 1 derart ausgerichtet, dass sich die Anschlusselemente 5 des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 4 an den Kontaktstellen 3 des SMD-Schaltungsträgers 1 befinden. Die Anschlusselemente 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 sind hierbei vorzugsweise stufenförmig ausgebildet und verlaufen in dem Kontaktbereich mit der Kontaktstelle 3 parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers 1.
Bei der Kontaktstelle 3 und dem Anschlusselement 5 handelt es sich um ein Material, welches Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst. Die Anschlusselemente 5 der Leistungshalbleiterbauelemente 4 können mit einem (in den Figuren nicht dargestellten) Sn-Ag-Überzug versehen sein. Letzterer ist üblicherweise als Löthilfsmittel vorgesehen, um Kupferoxide bei dem üblicherweise stattfindenden Lötvorgang zu vermeiden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kontaktierung zwischen dem Anschlusselement 5 und der Kontaktstelle 3 nicht mittels Löten, sondern mittels einer Laserschweißverbindung 16 erzeugt.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leistungshalbleiterbauelement 4 in SMD-Bauweise an derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers 1 befestigt, an der die elektrische Kontaktierung der Anschlusselemente 5 desselben an dem SMD-Schaltungsträger 1 erfolgt. Die mechanische Befestigungsebe- ne sowie elektrische Kontaktierungsebene sind somit gleich oder zumindest parallel zueinander auf ein und derselben Seite des SMD-Schaltungsträgers 1. Aufgrund des Verbindens der Anschlusselemente 5 mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen 3 durch die Laserschweißverbindung 16 anstelle einer Lötverbindung wird die Stromtragfähigkeit des hergestellten SMD- Leistungshalbleiterbauelementmoduls erheblich verbessert. Beim Laserschweißen werden die Anschlusselemente und Kontaktstellen in dem betreffenden Bereich des Laserstrahls geschmolzen, so dass sich eine innige Verbindung der Fügepartner ergibt. Durch das Laserschweißen wird im Gegensatz zu einer Lötung eine monometallische Verbindung hergestellt. Daraus resultiert der Vorteil, dass diese Art der stoffschlüssigen Verbindung einen Betrieb des SMD- Halbleiterbauelementmoduls mit höheren Stromstärken im Gegensatz zu einer Lötverbindung zulässt. Darüber hinaus lässt die erfindungsgemäße Verbindung auch einen Betrieb des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls bei höheren Temperaturen im Vergleich zu den bei einer Lötverbindung möglichen Temperaturen zu. Außerdem ist im Vergleich zu einer Lötverbindung ein nachhaltigerer Betrieb unter hohen Lastwechselbedingungen möglich. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit des SMD-Leistungshalbleiterbauelementmoduls erreicht werden. Schließlich wird erreicht, dass das Leistungshalbleiterbauelementmodul mit der vollständigen Leistungsfähigkeit seiner Leistungshalbleiterbauelemente betrieben werden kann, also keine „Begrenzung“ vorgenommen werden muss.
Aufgrund des an der Oberseite angeordneten Halteteils 9 mit den darin ausgebildeten Schweißfenstern 8 kann eine vorteilhafte Einkopplung des Laserstrahls 18 von oben erfolgen. Gleichzeitig werden andere Bereiche des SMD- Schaltungsträgers 1 vor einer Beeinträchtigung durch den Laserstrahl 18, insbesondere vor Schweißrückständen, geschützt bzw. abgeschirmt. Zudem ermöglichen die Schweißfenster 8 das Einbringen von Isolationsmaterial 26 (in Fig. 4 z.B. in Form von Isolationströpfchen) in dem Bereich der Laserschweißung oder das Einbringen von Isolationsmaterial 26 in Form von Vergussmasse durch vollständiges Vergießen eines durch das Halteteil 9 zumindest zum Teil begrenzten Hohlraums, wie in Fig. 10 beispielhaft dargestellt. Gemäß einer zweckmäßigen alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen von einem (in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellten) Greifer von einer Bereitstellung, z.B. einer entsprechend bestückten Bestückfolie 11, in einer gewünschten Anordnung abgenommen und auf dem SMD-Schaltungsträger angeordnet werden. In einer solchen Verfahrensweise dient das Halteteil 9 gemäß Fig. 3 zur örtlichen Fixierung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 während des Laserschweißvorgangs. Das Halteteil 9 dient in diesem Fall nicht als Transerteil, sondern lediglich zur Fixierung während des Laserschweißens.
Gemäß Fig. 4 kann mittels des Halteteils 9 zur elektrischen und thermischen Kontaktierung ein Druckkontakt zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement 4 und dem SMD-Schaltungsträger 1 erzeugt werden. Dies kann gemäß Fig. 4 dadurch erfolgen, dass das Halteteil 9 und der SMD-Schaltungsträger 1 das Leistungshalbleiterbauelement 4 einspannen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Halteteil 9 mit dem Kühler 7 mittels Schrauben 25 verschraubt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in Fig. 4 der Einfachheit halber lediglich eine Schraube 25 gezeigt ist. Die gesamte Anordnung umfassend das Halteteil 9, die Leistungshalbleiterbauelemente 4, den SMD-Schaltungsträger 1 sowie den Kühler 7 kann beispielsweise auf einem Lagerdeckel einer elektrischen Vorrichtung, z.B. eines Elektromotors, angeordnet werden. Beispielsweise können an das derart vorbereitete SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul bestimmte elektrische Verbraucher oder elektrische Komponenten (z.B. Motorspulen) direkt angeschlossen werden.
Alternativ kann das Halteteil 9 auch mit dem SMD-Schaltungsträger 1 verpresst werden, um den Druckkontakt zu erzeugen. Hierzu kann z. B. ein umlaufender Rahmen 27 des Halteteils 9 mit einem Randbereich 28 des Isolators 2 verpresst werden. Durch das Verpressen bzw. die Rast- oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden. Insbesondere kann auch ein Einrasten oder Einschnappen der Teile vorgesehen sein (siehe Fig. 10). Eine Pressverbindung und/oder Rastverbindung ist mit Bezugsziffer 29 versehen. Insbesondere kann das Halteteil 9 mindestens einen (in Fig. 10 nicht dargestellten) Vorsprung aufweisen, der in eine (in Fig. 10 ebenfalls nicht dargestellte) korrespondierende Ausnehmung am Randbereich 28 des Isolators 2 pressend eingreift bzw. einrastet bzw. einschnappt oder umgekehrt. Durch die Press-, Rast- und/oder Schnappverbindung kann der Druckkontakt mit der notwendigen Druck- bzw. Presskraft sicher und dauerhaft hergestellt werden.
Fig. 5 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der Ausgestaltung sowie Betriebsweise des zur Herstellung der Laserschweißverbindung 16 zu verwendenden Lasers. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen sogenannten Faserlaser 22, bei dem der Laserstrahl 18 über eine Glasfaser 19 bereitgestellt wird. Mit einem Scanner 24 kann der Laserstrahl 18 dem erforderlichen Einsatzzweck entsprechend bewegt werden. Der Scanner 24 kann dafür sorgen, dass der Laserstrahl 18 beispielsweise eine, wie in Fig. 5 gezeigt, kreisförmige Bewegung (KB) um eine Mittelachse herum durchführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserstrahl 18 auch eine Wobbelbewegung (WB), wie auch in Fig. 5 dargestellt, durchführen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Einkoppelfläche 23 des Laserstrahls 18 in einer Momentaufnahme während der kreisförmigen Bewegung KB sowie während der Wobbelbewegen WB. Bei dem Laser handelt es sich vorzugsweise um einen IR- Laser.
Der Fokusfleck des Lasers besitzt einen Durchmesser im Bereich von 20-50 pm, insbesondere 30-40 pm. Der durch den Laserstrahl 18 begründete Aufschmelzbereich 21 ist zumindest im Wesentlichen zusammenhängend, beispielweise punkt- oder kreisförmig, ausgebildet. Der Durchmesser des Aufschmelzbereichs 21 liegt in einem Bereich von 60-100 pm, vorzugsweise 70-90 pm.
Fig. 6 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise die Laserschweißverbindung 16, welche zumindest im Wesentlichen einen kreisrunden Aufschmelzbereich 21 aufweist. Bei der in Fig. 6 gezeigten Darstellung wird die zumindest im Wesentlichen punkt- oder kreisförmige Form des Aufschmelzbe- reichs 21 durch den im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt des Laserstrahls 18 bedingt.
Bei der in Fig. 7 gezeigten, alternativen Ausgestaltung, ist ebenfalls ein zumindest im Wesentlichen punkt- oder kreisförmiger Aufschmelzbereich 21 vorgesehen. Letzterer wird jedoch durch die besondere Bewegung des Laserstrahls 18, nämlich durch eine Kreisbewegung KB, siehe Fig. 5, begründet. Die Kreisbewegung kann durch eine Wobbelbewegung WB noch überlagert sein.
Fig. 8 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Leistungshalbleiterbauelementmodul mit einem niederinduktiven Aufbau, welcher einen mehrschichtigen SMD- Schaltungsträger 10 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames umfasst. Der aus der Fig. 8 ersichtliche mehrschichtige SMD-Schaltungsträger 10 umfasst einen ersten, dem Kühler 7 zugeordneten Isolator 2 mit einer gestanzten oder geschnittenen Leiterbahnstruktur 2a sowie Kontaktstellen 3 sowie einen zweiten darauf befindlichen Isolator 20 mit zugehöriger gestanzter oder geschnittener Leiterbahnstruktur 20a. Das Anschlusselement 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 kontaktiert die Kontaktstelle 3 der Leiterbahnstruktur 2a. Ein entsprechender Aufbau ermöglicht ein besonders schnelles Schaltverhalten der elektronischen Schaltung.
Fig. 9 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise eine weitere Variante eines Leistungshalbleiterbauelementmoduls, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Auch hierbei handelt es sich um einen mehrschichtigen SMD-Schaltungsträger 1 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames, welcher einen ersten, mit einer Leiterbahnstruktur 2a versehenen Isolator 2 aufweist, der mit dem Kühler 7 verbunden ist, sowie einen darauf befindliches zweiten, mit einer zweiten Leiterbahnstruktur 20a versehenen Isolator 20, welcher gewinkelt ausgebildet ist. Das jeweilige Anschlusselement 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 ist hierbei mit der Kontaktstelle 3 der zweiten Leiterbahnstruktur 20a des zweiten Isolators 20 mittels Laserschweißverbindung 16 kontaktiert. Bei dem in Fig. 8 und 9 dargestellten Leistungshalbleiterbauelementmodul könnte anstelle eines SMD-Schaltungsträgers 10 in Form eines mehrschichtigen Lead-Frames auch eine mehrschichtige Leiterplatte oder ein mehrschichtiges IMS-Substrat verwendet werden.
Im Übrigen entsprechen die beiden Ausgestaltungen der Leistungshalbleiterbauelementmodule dem Leistungshalbleiterbauelementmodul aus Fig. 4. Auch die beiden Ausgestaltungen der Fig. 8 sowie 9 umfassen im einsatzfertigen Zustand ein an der Oberseite angeordnetes Halteteil 9, mit dem ein Druckkontakt in der bereits zu Fig. 4 beschriebenen Art und Weise erzeugt werden kann.
Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausgestaltung wird der Druckkontakt auf das Leistungshalbleiterbauelement 4 im Gegensatz zu der Ausgestaltung nach Fig. 4 mittels eines Halteteils 90 ausgeübt, welches keine Durchgangsöffnungen für den Laserstrahl aufweist. Die Laserschweißung der Anschlusselemente 5 des Leistungshalbleiterbauelements 4 wurde bei dieser Ausgestaltung vor dem Aufbringen des Halteteils 90 vorgenommen. Das Laserschweißen konnte beispielsweise durch Verwendung eines lediglich temporär zur Fixierung des Leistungshalbleiterbauelements 4 während des Laserschweißens vorgesehenen Halteteils 9 mit Schweißfenster 8 hergestellt worden sein, welches im Nachgang wieder abgenommen worden ist. Aufgrund dessen benötigt das in Fig. 11 gezeigte Halteteil 90 keine Schweißfenster. Im Übrigen entspricht die Ausgestaltung nach Fig. 11 der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 4.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausgestaltung der jeweiligen vorliegenden Erfindung, bei der zwischen dem Halteteil 90 und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 4 ein elastisches Element 91 eingesetzt ist, mittels dem ein kontrollierter Druck auf das Leistungshalbleiterbauelement 4 zur Gewährleistung des Druckkontakts aufgebracht wird. Bei dem elastischen Element 91 handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Silikonschaumpolster. Durch das elastische Element 91 kann ein vergleichmäßigter Anpressdruck auf eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen 4 über das Halteteil 90 aufgebracht werden. In gleicher Weise ist es auch möglich, dass, sofern für die Ausübung eines Druckkontakts statt dem Halteteil 90 ein mit Schweißfenstern 8 ausgestattetes Halteteil 9 verwendet werden soll, auch dann ein entsprechendes elastisches Element 91 vorhanden sein kann.
Im Übrigen zeigt die Ausgestaltung nach Fig. 13 eine mögliche Abwandlung der Ausgestaltung nach Fig. 10, bei der zum einen ein elastisches Element 91 zwischen dem Halteteil 90, bei dem im Vergleich zu Fig. 10 keine Schweißfenster vorhanden sind, und dem Leistungshalbleiterbauelement 4 angeordnet ist. Entsprechend kann auch bei der Ausgestaltung nach Fig. 10 ein elastisches Element 91 vorhanden sein.
Fig. 14 zeigt ein Halteteil 90, bei dem eine Mehrzahl von elastischen Elementen 91 zur Druckbeaufschlagung einer Mehrzahl von (in Fig. 14 nicht dargestellten) Leistungshalbleiterbauelementen vorgesehen sind. Hierdurch kann ein gleichmäßiger Druck auf die einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente aufgebracht werden. Das Halteteil 90 der Ausgestaltung nach Fig. 14 kann in der bereits vorbeschriebenen Art und Weise mit dem Kühler 7 bzw. dem Isolator 2 des SMD- Schaltungsträgers 1 mechanisch gekoppelt sein.
Bei dem SMD-Schaltungsträger kann es sich bei den vorher beschriebenen Ausgestaltungen auch um solche handeln, wie sie in den Fig. 8 und 9 beispielhaft dargestellt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders für Leistungshalbleiterbauelementmodule mit einer Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V. Insbesondere für diesen Bereich der Leistungselektronik ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da die Laserschweißverbindung 16 die durch die hohen Stromstärken und Spannungen der Halbleiterbauelemente 4 bewirkten hohen Temperaturen zulässt und die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung nicht einschränkt.
Das Halbleiterbauelement 4 kann ein aktives oder passives Halbleiterbauelement sein. Als aktive und passive Halbleiterbauelemente werden (gehäuste) diskrete Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt, die entsprechend den Anforderungen der Schaltung nach entsprechenden Parametern ausgewählt werden können. Die darin enthaltenen Halbleiterchips sind so aufgebaut, dass sie bei den gegebenen Kühlbedingungen optimale Leistungs- und Zuverlässigkeitsansprüchen genügen. Vorzugsweise handelt es sich um Standard-Halbleiterbauelemente mit einer elektrischen Kontaktfläche an der Unterseite desselben, die für die SMD- Technologie vorgesehen sind.
BEZU GSZEI CH EN LI STE
1 SM D-Schaltungsträger
2 (erster) Isolator
2a (erste) Leiterbahnstruktur
3 Kontaktstelle
4 Leistungshalbleiterbauelement
4a elektrisch leitende Grundfläche
5 Anschlusselement
6 Beschichtung
7 Kühler
8 Schweißfenster
9 Halteteil
10 SMD-Schaltungsträger
11 Bestückfolie
12 Klebstoff
13 Bestückmaschine
14 Metallische Trägerplatte
15 Betriebsmittelplatte
16 Laserschweißverbindung
17 Rolle
18 Laserstrahl
19 Glasfaser
20 zweiter Isolator
20a zweite Leiterbahnstruktur
21 Aufschmelzbereich
22 Faserlaser
23 Einkoppelfläche
24 Scanner
25 Schraube
26 Isolationsmaterial
27 Rahmen 28 Randbereich
29 Rastverbindung
90 Halteteil
91 elastisches Element KB Kreisförmige Bewegung WB Wobbelbewegung

Claims

PATE NTAN SPRÜ CH E
1. Verfahren zur Herstellung eines SMD- Leistungshalbleiterbauelementmoduls, umfassend folgende Schritte:
Bereitstellung eines mit Kontaktstellen (3) und einer Isolierung versehenen SMD-Schaltungsträgers (1, 10),
Bereitstellen mindestens eines diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5), vorzugsweise Anschlussbeinchen, versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4),
Anordnen des mindestens einen diskreten, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5) versehenen Leistungshalbleiterbauelements (4) an der mit den Kontaktstellen (3) versehenen Seite des SMD- Schaltungsträgers (1, 10), wobei die Anschlusselemente (5) des Leistungshalbleiterbauelements (4) die Kontaktstellen (3) des SMD- Schaltungsträgers (1 , 10) kontaktieren, sowie
Verbinden der Anschlusselemente (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als SMD-Schaltungsträger (1) eine Leiterplatte, ein IMS-Substrat oder ein Lead-Frame vorgesehen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle (3) und/oder das Anschlusselement (5) Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen bzw. umfasst.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (5) in dem Bereich des Anschlusselements (5), in dem das Laserschweißen stattfindet, parallel zur Haupterstreckungsfläche des SMD-Schaltungsträgers (1 , 10) verlaufend ausgebildet ist.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbeinchen stufenförmig ausgebildet sind.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißverbindung durch einen zusammenhängenden Aufschmelzbereich (21) gebildet wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißverbindung mittels eines wobbelnden Laserstrahls durchgeführt wird.
8 Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißung mit einem IR-Laser erfolgt.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5) versehene Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), sich zwischen dem SMD-Schaltungsträger (1, 10) und einem Halteteil (9, 90) befindet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diskrete, mit elektrisch leitfähigen Anschlusselementen (5) versehene Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), vor dem Laserschweißen auf dem Halteteil (9, 90) positioniert und fixiert wird oder das Halteteil (9, 90) vor dem Laserschweißen zur Lagefixierung auf den mindestens einen diskreten, mit elektrischen Anschlusselementen (5) versehenen Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise auf die Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen () aufgesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil (9) Schweißfenster (8) aufweist, durch die hindurch das Laserschweißen erfolgt.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (4) und dem SMD-Schaltungsträger (1, 10) zusätzlich ein Druckkontakt zur elektrischen und thermischen Kontaktierung erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkontakt über das Halteteil (9, 90) erzeugt wird, indem die Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelement (4) und SMD-Schaltungsträger (1 , 10) zwischen dem Halteteil (9, 90) und einem, vorzugsweise einbauseitigen, Gegenlager eingespannt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Element (91) zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (4) und dem Halteteil (9, 90) angeordnet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (91) ein Silikonschaumpolster ist.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (4), zunächst in einer vorher festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung auf einer, vorzugsweise selbstklebenden, Bestückfolie (11) positioniert wird, dort fixiert wird, und das Halteteil (9) auf dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (4), vorzugsweise auf der Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente (4), in der vorher auf der Bestückfolie (11) festgelegten Anordnung und/oder Ausrichtung fixiert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als SMD-Schaltungsträger (10) ein mehrschichtiger, mindestens einen ersten sowie zweiten Isolator (2, 20) sowie eine erste und zweite Leiterbahnstruktur (2a, 20a) umfassender SMD- Schaltungsträger (10) vorgesehen ist, wobei sich die Kontaktstelle (3) an der ersten Leiterbahnstruktur (2a) oder zweiten Leiterbahnstruktur (20a) befindet. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Isolator (20) mit der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) seitlich zum Halbleiterbauelement (4) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktstelle (3) an der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) befindet, der zweite Isolator (20) mit der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) abgewinkelt ist, und das Verbinden der Anschlusselemente (5) mit den jeweils zugeordneten Kontaktstellen (3) durch Laserschweißen in dem parallel zum ersten Isolator (2) angeordneten Bereich der zweiten Leiterbahnstruktur (20a) erfolgt. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SMD-Schaltungsträger (1, 10) eine Kühlfunktion, vorzugsweise in Form eines Kühlers (7) umfasst. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (4) für eine Mindeststromstärke von 5 A oder für eine Mindestspannung von 24 V ausgelegt ist. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (4) ein aktives oder passives Halbleiterbauelement ist. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (4) eine elektrisch und thermisch leitende Grundfläche (4a) aufweist, die vor- zugsweise mittels Druckkontakt mit dem SMD-Schaltungsträger (1 , 10) kontaktiert wird. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch und thermisch leitende Grundfläche (4a) mit einer Beschichtung aus Silber oder einer Silberlegierung versehen wird. SMD-Leistungshalbleiterbauelementmodul, hergestellt nach dem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2023/066402 2022-07-12 2023-06-19 Verfahren zur herstellung eines smd-leistungshalbleiterbauelementmoduls sowie smd-leistungshalbleiterbauelementmodul WO2024012807A1 (de)

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