DE102021130110A1

DE102021130110A1 - Aufschweißen eines elektrischen Anschlusses auf eine Metall-schicht

Info

Publication number: DE102021130110A1
Application number: DE102021130110.6A
Authority: DE
Inventors: Nadja Kolb; Stefan Schirmer; Armin Dellert
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Zum Verbinden eines elektrischen Anschlusses (7, 8), insbesondere eines elektrischen Lastanschlusses (7), mit einer auf einem Substrat (1) angeordneten Metallschicht (2) wird eine Verbindungsfläche (9) des Anschlusses (7, 8) auf die Metallschicht (2) aufgelegt und sodann der Anschluss (7, 8) mit der Verbindungsfläche (9) mittels eines Laserstrahls (10) durch Laserschweißen auf die Metallschicht (2) aufgeschweißt. Das Aufschweißen erfolgt mittels einer Vielzahl von nacheinander generierten Schweißstellen (12). Die Schweißstellen (12) bilden eine geometrische Anordnung von Schweißstellen (12). Die Reihenfolge, in welcher die Schweißstellen (12) generiert werden, ist derart bestimmt, dass zeitlich gesehen zwischen dem Generieren einer jeweiligen Schweißstelle (12) und dem Generieren einer geometrisch gesehen unmittelbar benachbarten Schweißstelle (12) jeweils mindestens eine weitere Schweißstelle (12) generiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Anschlusses, insbesondere eines elektrischen Lastanschlusses, mit einer auf einem Substrat angeordneten Metallschicht,

- wobei eine Verbindungsfläche des Anschlusses auf die Metallschicht aufgelegt wird und sodann der Anschluss mit der Verbindungsfläche mittels eines Laserstrahls durch Laserschweißen auf die Metallschicht aufgeschweißt wird.

Derartige Verfahren sind bekannt. Rein beispielhaft kann auf die DE 10 2017 115 879 A1 verwiesen werden. Bei diesem Verfahren erfolgt das Schweißen entweder mittels einer Anzahl einzelner Schweißpunkte oder mittels einer einzelnen langgestreckten kontinuierlichen Schweißnaht. Die Schweißnaht kann mäanderförmig oder in Schlingen verlaufen.
Laserschweißen ist eine allgemein bekannte Technologie zum Verbinden von Metallteilen miteinander.
Zum Schweißen von Stahl ist die Technik weit verbreitet. Zum Schweißen von Kupfer ist die Technik hingegen zwar bekannt, wird aber nur selten eingesetzt. Seinen Grund hat dies in verschiedenen Eigenschaften von Kupfer.
So weist Kupfer beispielsweise - insbesondere im Infrarotbereich - eine sehr hohe Reflektivität auf. Es ist daher schwierig, mittels eines Laserstrahls die zum Schweißen erforderliche thermische Energie überhaupt in das Kupfer einzukoppeln. Weiterhin hat Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Die eingekoppelte thermische Energie diffundiert also sehr schnell von dem Bereich weg, der mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen werden soll. Ein weiteres Problem besteht darin, dass flüssiges Kupfer eine höhere Absorption als festes Kupfer aufweist. Ein einmal geschmolzener Bereich von Kupfer wird dadurch sehr schnell noch viel heißer, während der umgebende, aus noch nicht geschmolzenen Kupfer bestehende Bereich so kalt bleibt, dass er noch nicht aufschmilzt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass flüssiges Kupfer sehr dünnflüssig ist.
Aufgrund der hohen Reflektivität und der hohen Wärmeleitfähigkeit ist eine sehr hohe Leistungsdichte erforderlich, um den entsprechenden Schweißvorgang überhaupt in Gang zu bringen. Aufgrund der höheren Absorption der Kupferschmelze ist weiterhin ein Leistungsüberschuss erforderlich, da anderenfalls das die Schmelze umgebende feste Kupfer nicht mehr aufschmelzen würde. Der Prozess ist daher sehr empfindlich. Es existiert nur ein sehr kleiner, schmaler Grat zwischen „zu wenig Energie“ (was ein unzureichendes Aufschmelzen des Kupfers zur Folge hat) und „zu viel Energie“ (was einen sogenannten Durchschuss zur Folge hat, d.h. unter der gewünschten Schweißstelle liegendes Material schmilzt ebenfalls). Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit wird auch der die Schweißstelle umgebende Bereich stark erwärmt. Dies führt auch zu einer nur begrenzt möglichen Einschweißtiefe. Die dünnflüssige Schmelze führt zu einer hohen Dynamik, welche zu einer unregelmäßigen Schweißnaht und auch zu Metallspritzern führen kann.
Trotz der bestehenden Probleme werden auch Kupferverbindungen durch Laserschweißen hergestellt. Beispielsweise werden bei Elektrofahrzeugen teilweise Kontaktierungen von Batteriezellen und Motorwicklungen durch Laserschweißen hergestellt.
Bei der DE 10 2017 115 879 A1 erfolgt sogar ein Schweißen eines Anschlusses auf eine Metallschicht, die ihrerseits auf einem Substrat angeordnet ist. Die Vorgehensweise der DE 10 2017 115 879 A1 ermöglicht bereits ein zuverlässiges Schwei-ßen des Anschlusses mit der Metallschicht. Sie ist aber noch nicht ganz optimal.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer trotz der Probleme von Kupfer ein elektrischer Anschluss aus Kupfer auf besonders zuverlässige Weise mit einer auf einem Substrat angeordneten Metallschicht geschweißt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

- dass das Aufschweißen mittels einer Vielzahl von nacheinander generierten Schweißstellen erfolgt,
- dass die Schweißstellen eine geometrische Anordnung von Schweißstellen bilden,
- dass die Reihenfolge, in welcher die Schweißstellen generiert werden, derart bestimmt ist, dass zeitlich gesehen zwischen dem Generieren einer jeweiligen Schweißstelle und dem Generieren einer geometrisch gesehen unmittelbar benachbarten Schweißstelle jeweils mindestens eine weitere Schweißstelle generiert wird.

Dadurch ist es zunächst möglich, eine einzelne Schweißstelle mit der erforderlichen großen Leistung zu schweißen. Aufgrund des Umstands, dass zwischen dem Generieren einer jeweiligen Schweißstelle und dem Generieren einer geometrisch unmittelbar benachbarten Schweißstelle jeweils mindestens eine weitere Schweißstelle generiert wird, kann die beim Generieren einer jeweiligen Schweißstelle in das Material eingebrachte thermische Energie jedoch diffundieren. Das Material hat also Zeit, sich wieder abzukühlen. Beim späteren Generieren der geometrisch unmittelbar benachbarten Schweißstelle kann der Abkühlvorgang bereits so weit fortgeschritten sein, dass auch die unmittelbar benachbarte Schweißstelle generiert werden kann, ohne das Material (dies bezieht sich gleichermaßen auf den Anschluss, die Metallschicht und das darunterliegende Substrat) thermisch zu überlasten.
Das Substrat kann nach Bedarf ein Si3N4-Substrat, ein AlN-Substrat oder ein Al2O3-Substrat sein. Die-Substrate können nach Bedarf gemäß dem DCB-Verfahren (DCB = direct copper bonding) oder gemäß dem AMB-Verfahren (AMB = active metal brazing) hergestellt sein.
Der Laserstrahl kann nach Bedarf mittels eines Scheibenlasers oder eines Faserlasers generiert werden. Derartige Laser sind für Zwecke der Materialbearbeitung allgemein in Gebrauch. Insbesondere die Verwendung eines Faserlasers hat sich in Versuchen als vorteilhaft erwiesen.
Der Laserstrahl weist vorzugsweise eine Wellenlänge im sichtbaren Spektrum oder im nahen Infrarotspektrum auf. Das sichtbare Spektrum erstreckt sich bekanntlich von einer Wellenlänge von ca. 400 nm bis zu einer Wellenlänge von ca. 780 nm. Das nahe Infrarotspektrum erstreckt sich von der Grenze des sichtbaren Spektrums bis zu einer Wellenlänge von rund 3000 nm. Im vorliegenden Fall werden vorzugsweise Laser verwendet, die ihren Laserstrahl entweder mit einer Wellenlänge im grünen Bereich (ca. 500 nm bis ca. 550 nm) oder mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 1000 nm bis ca. 1700 nm emittieren. Auch der Bereich zwischen 550 nm und 1000 nm ist aber prinzipiell möglich.
Ein Positionieren des Laserstrahls erfolgt vorzugsweise mittels einer Spiegeloptik mit bewegbaren Spiegeln. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine schnelle und flexible Führung des Laserstrahls.
Vorzugsweise wird der Anschluss vor dem Aufschweißen auf die Metallschicht mittels einer Anpresseinrichtung an die Metallschicht angepresst. Dadurch wird ein Abstand des Anschlusses zur Metallschicht, der anderenfalls das Schweißen erschweren würde oder eventuell sogar unmöglich machen würde, vermieden.
Die Metallschicht weist eine Schichtdicke auf. Ebenso weist der Anschluss im Bereich der Verbindungsfläche eine Flächendicke auf. Vorzugsweise ist die Flächendicke maximal so groß wie die Schichtdicke. Insbesondere kann die Flächendicke im Bereich zwischen 40 % und 100 % der Schichtdicke liegen. In Einzelfällen sind aber auch etwas größere Flächendicken von bis zu 120 % oder bis zu 133 % möglich.
In der Regel liegt die Schichtdicke unter 1 mm, beispielsweise bei 500 µm oder weniger, in der Regel aber mindestens bei 200 pm. Meist liegt die Schichtdicke im Bereich zwischen 250 µm und 400 µm, beispielsweise bei 300 µm oder 350 µm. Bei einer relativ geringen Schichtdicke (200 µm bis 250 µm) liegt die Flächendicke vorzugsweise oberhalb von 50 % der Schichtdicke, also im Bereich zwischen 50 % und 100 % der Schichtdicke. Bei einer größeren Schichtdicke von mindestens 300 µm kann sie auch unter 50 % liegen, also nicht nur im Bereich zwischen 50 % und 100 % der Schichtdicke, sondern auch im Bereich zwischen 40 % und 50 % der Schichtdicke.
Vorzugsweise weisen die Schweißstellen einen jeweiligen zuerst generierten Anfang und ein jeweiliges zuletzt generiertes Ende auf und sind vom jeweiligen Anfang zum jeweiligen Ende gesehen langgestreckt. Die Schweißstellen sind also vorzugsweise als Schweißnähte ausgebildet. Dadurch kann bei gleicher Herstellungszeit die insgesamt hergestellte Kontaktfläche zwischen dem Lastanschluss und der Metallschicht maximiert werden.
Vorzugsweise sind die einzelnen Schweißstellen geschwungen. Die einzelnen Schweißstellen sind also nicht einfache gerade Linien, sondern gekrümmt. Diese Ausgestaltung verbessert die Festigkeit der Verbindung des Anschlusses mit der Metallschicht. Die gekrümmte Ausgestaltung der Schweißstellen weist weiterhin gegenüber einer Ausgestaltung der Schweißstellen mit Ecken und Knicken Vorteile bei der Führung des Laserstrahls auf.
Die Schweißstellen weisen - wie jede geometrische Kontur - einen jeweiligen Schwerpunkt auf. Vorzugsweise liegt der Abstand der Schwerpunkte zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen bei mindestens dem Dreifachen, vorzugsweise bei mindestens dem Fünffachen, des Minimums der Abstände der Schwerpunkte geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen. Dadurch wird die Zeit, welche für eine jeweilige Schweißstelle zwischen dem Zeitpunkt ihrer Generierung und dem Zeitpunkt der Generierung der geometrisch unmittelbar benachbarten Schweißstelle vergeht, deutlich vergrößert. Es steht damit eine hinreichend große Zeit zum Abführen der beim Generieren der jeweiligen Schweißstelle eingekoppelten thermischen Energie zur Verfügung. Noch größer wird der Vorteil, wenn die oben genannte Aussage nicht auf das Minimum, sondern auf den Mittelwert der Abstände der Schwerpunkte geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen bezogen ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in schematischer Prinzipdarstellung:

1 eine Draufsicht auf eine mehrschichtige Struktur,
2 einen Schnitt durch die Struktur von 1 längs einer Linie II-II in 1,
3 eine mögliche Schweißkontur und
4 bis 8 weitere mögliche Schweißkonturen.

Gemäß den 1 und 2 sind auf einem Substrat 1 eine obere Metallschicht 2 und eine untere Metallschicht 3 angeordnet. Die Metallschichten 2, 3 können beispielsweise mit dem Substrat 1 mittels eines thermischen Verbindungsverfahrens verbunden worden sein.
Das Substrat 1 besteht aus einer elektrisch isolierenden Keramik. Oftmals handelt es sich um ein Si3N4-Substrat (Siliziumnitrid) ein AlN-Substrat (Aluminiumnitrid) oder ein Al2O3-Substrat (Aluminiumoxid). Die untere Metallschicht 3 ist in der Regel als durchgängige, nicht unterbrochene Schicht ausgebildet. Sie dient meist lediglich der besseren Wärmeabfuhr, beispielsweise auf einen Kühlkörper (nicht dargestellt), der von der unteren Metallschicht 3 kontaktiert wird. Die untere Metallschicht 3 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Die obere Metallschicht 2 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die relevante Metallschicht.
Die obere Metallschicht 2 weist eine Schichtdicke d1 auf. Die Schichtdicke d1 liegt meist im Bereich zwischen 200 µm und 500 µm, beispielsweise bei 300 µm und 350 µm. Meist weist die untere Metallschicht 3 dieselbe Schichtdicke d1 auf. Dies ist jedoch von untergeordneter Bedeutung.
Die Metallschichten 2, 3 bestehen in der Regel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. In manchen Fällen können sie aber auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Weiterhin kann auf die Metallschichten 2, 3 gegebenenfalls eine (im Vergleich zur Schichtdicke d1 sehr dünne) Zusatzschicht aus Silber, Gold oder einem anderen Edelmetall aufgebracht sein, beispielsweise durch Aufdampfen, nasschemische oder galvanische Abscheidung. Alternativ zu einem Edelmetall kann die Zusatzschicht auch aus Nickel bestehen oder kann eine dünne Schicht aus Nickel zwischen der Metallschicht 2, 3 und der Zusatzschicht vorhanden sein.
Die obere Metallschicht 2 bildet elektrische Leiterbahnen, über welche elektronische Bauelemente 4 verschaltet werden. Die elektronischen Bauelemente 4 umfassen oftmals Leistungshalbleiterschalter, die Ströme im Bereich von 100 A und mehr schalten, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs. Dargestellt sind in 1 zwei elektronische Bauelemente 4. Diese Ausgestaltung ist jedoch nur rein beispielhaft.
Die obere Metallschicht 2 weist Haupt-Anschlussbereiche 5 auf. Über die Haupt-Anschlussbereiche 5 werden Ströme geführt, die mittels der elektronischen Bauelemente 4 geschaltet bzw. allgemein von den elektronischen Bauelementen 4 geführt werden. Diese Ströme liegen oftmals im Bereich von 100 A und darüber, manchmal sogar im Bereich von mehreren 100 A, teilweise sogar bis zu 1000 A. Die zugehörigen geschalteten Spannungen liegen oftmals im Bereich von mehreren 100 V, manchmal sogar im Bereich von bis zu 1000 V oder etwas darüber. 2000 V werden in aller Regel aber nicht überschritten. Die obere Metallschicht 2 weist weiterhin Zusatz-Anschlussbereiche 6 auf. Über die Zusatz-Anschlussbereiche 6 werden den elektronischen Bauelementen 4 Schaltsignale zugeführt, mittels derer der jeweilige Schaltzustand (durchgeschaltet oder gesperrt) je eines der elektronischen Bauelemente 4 gesteuert wird. Die Zusatz-Anschlussbereiche 7 müssen oftmals nur sehr geringe Spannungen (meist im einstelligen oder niedrigen zweistelligen Voltbereich) und sehr geringe Ströme (oftmals unter 1 A) führen.
In den Haupt-Anschlussbereichen 5 sollen elektrische Lastanschlüsse 7 mit der oberen Metallschicht 2 verbunden werden. Ebenso sollen in den Zusatz-Anschlussbereichen 6 elektrische Signalanschlüsse 8 mit der oberen Metallschicht 2 verbunden werden. Sowohl die Lastanschlüsse 7 als auch die Signalanschlüsse 8 können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Alternativ können sie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die Art und Weise, auf welche die Lastanschlüsse 7 und die Signalanschlüsse 8 mit der oberen Metallschicht 2 verbunden werden, ist der Kerngegenstand der vorliegenden Erfindung. Dieser Gegenstand wird nachstehend in Verbindung mit einem der Haupt-Anschlussbereiche 5 und dem zugehörigen Lastanschluss 7 erläutert. Die entsprechenden Ausführungen können aber ohne weiteres auch auf die anderen Haupt-Anschlussbereiche 5 und die zugehörigen Lastanschlüsse 7 und auch auf die Zusatz-Anschlussbereiche 6 und die Signalanschlüsse 8 angewendet werden. Nachstehend wird daher nicht zwischen Haupt-Anschlussbereichen 5 und Lastanschlüssen 7 einerseits und Zusatz-Anschlussbereichen 6 und Signalanschlüssen 8 unterschieden, sondern stets nur noch von Anschlussbereichen 5, 6 und Anschlüssen 7, 8 gesprochen.
Gemäß 2 wird zum Verbinden eines Anschlusses 7, 8 mit der oberen Metallschicht 2 (genauer: mit dem zugehörigen Anschlussbereich 5, 6) zunächst eine Verbindungsfläche 9 des entsprechenden Anschlusses 7, 8 auf den zugehörigen Anschlussbereich 5, 6 aufgelegt. Sodann wird der entsprechende Anschluss 7, 8 mit der Verbindungsfläche 9 mittels eines Laserstrahls 10 durch Laserschweißen auf die obere Metallschicht 2 aufgeschweißt.
Der Anschluss 7, 8 weist im Bereich der Verbindungsfläche 9 eine Dicke d2 auf, nachfolgend als Flächendicke d2 bezeichnet. Vorzugsweise ist die Flächendicke d2 maximal so groß wie die Schichtdicke d1.
In manchen Fällen kann es genügen, dass der Anschluss 7, 8 während des Schweißvorgangs lediglich auf dem zugehörigen Anschlussbereich 5, 6 positioniert wird. In der Regel wird der Anschluss 7, 8 vor dem Aufschweißen auf die obere Metallschicht 2 jedoch mittels einer Anpresseinrichtung 11 an die obere Metallschicht 2 angepresst. Die Anpresseinrichtung 11 kann zu diesem Zweck beispielsweise entsprechende Stempel aufweisen. Soweit erforderlich, kann eine Stützstruktur, auf der das Substrat 1 einschließlich der Metallschichten 2, 3 während des Verbindungsvorgangs positioniert ist, nachgiebig ausgebildet sein, um übermäßige Kräfte zu vermeiden.
3 zeigt beispielhaft eine mögliche Schweißkontur, mittels derer der Anschluss 7, 8 auf die obere Metallschicht 2 aufgeschweißt wird. Gemäß 3 erfolgt das Aufschweißen mittels einer Vielzahl von nacheinander generierten Schweißstellen 12. Die Schweißstellen 12 bilden also eine geometrische Anordnung von Schweißstellen 12.
Die Schweißstellen 12 können als Schweißpunkte ausgebildet sein. Vorzugsweise weisen die Schweißstellen 12 jedoch einen jeweiligen zuerst generierten Anfang 13 und ein jeweiliges zuletzt generiertes Ende 14 auf. Die Begriffe „Anfang 13“ und „Ende 14“ sind also unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung der Schweißstellen 12 auf die zeitliche Abfolge beim Generieren der jeweiligen Schweißstelle 12 bezogen. Weiterhin sind die Schweißstellen 12 von ihrem jeweiligen Anfang 13 zu ihrem jeweiligen Ende 14 gesehen langgestreckt. Die Schweißstellen 12 sind also vorzugsweise Schweißnähte 12.
Zum Generieren einer einzelnen Schweißstelle 12 wird der Laserstrahl 10 somit zunächst am Anfang 13 der jeweiligen Schweißstelle 12 positioniert und sodann zum Ende 14 der jeweiligen Schweißstelle 12 verfahren. Während dieses Zeitraums wird der Laserstrahl 10 kontinuierlich appliziert. Dann wird der Laser 15, mittels dessen der Laserstrahl 10 generiert wird, abgeschaltet, und es erfolgt eine Positionierung am Anfang 13 der als nächstes zu generierenden Schweißstelle 12. Dann wird der Laser 15 wieder eingeschaltet, und der Laserstrahl 10 wird vom Anfang 13 der neu zu generierenden Schweißstelle 12 zum Ende 14 dieser Schweißstelle 12 verfahren. Auch während dieses Zeitraums wird der Laserstrahl 10 kontinuierlich appliziert. Auf diese Art und Weise werden nacheinander die Schweißstellen 12 generiert, wobei während des Verfahrens vom Anfang 13 zum Ende 14 einer jeweiligen Schweißstelle 12 der Laser 15 kontinuierlich eingeschaltet ist und während des Verfahrens vom Ende 14 einer jeweiligen Schweißstelle 12 zum Anfang 13 der nächsten Schweißstelle 12 ausgeschaltet ist. Der Verfahrweg des Laserstrahls 10 vom Anfang 13 zum Ende 14 der jeweiligen Schweißstelle 12 ist weiterhin erheblich länger als die Breite der jeweiligen Schweißstelle 12, so dass sich ein langgestreckter Verlauf der jeweiligen Schweißstelle 12 ergibt.
Der Laser 15, mittels dessen der Laserstrahl 10 generiert wird, kann nach Bedarf ausgebildet sein. In vielen Fällen ist der Laser 15, mittels dessen der Laserstrahl 10 generiert wird, als Scheibenlaser oder als Faserlaser ausgebildet. Auch die Wellenlänge, mit welcher der Laser 15 arbeitet bzw. welche der Laserstrahl 10 aufweist, kann nach Bedarf sein. In vielen Fällen wird die Wellenlänge im sichtbaren Spektrum (insbesondere im grünen Bereich von ca. 500 nm bis ca. 550 nm) liegen oder im nahen Infrarotspektrum (insbesondere im Bereich zwischen 1000 nm und 1700 nm) liegen.
Das Positionieren des Laserstrahls 10 entlang einer jeweiligen Schweißstelle 12 und auch von Schweißstelle 12 zu Schweißstelle 12 kann ebenfalls nach Bedarf erfolgen. Vorzugsweise ist zu diesem Zweck eine Spiegeloptik vorhanden, welche bewegbare Spiegel 16 aufweist. Die Anzahl an Spiegeln 16 liegt meist bei zwei oder drei. Die Bewegbarkeit der Spiegel 16 ist in 2 durch entsprechende Doppelpfeile angedeutet.
Gemäß der Darstellung in 3 sind die einzelnen Schweißstellen 12 geschwungen. Diese Ausgestaltung ist zwar nicht zwingend, jedoch bevorzugt. Sie ist auch in einigen der weiteren Ausgestaltungen realisiert, die später noch erläutert werden.
Erfindungsgemäß ist die Reihenfolge, in welcher die Schweißstellen 12 generiert werden, derart bestimmt, dass - zeitlich gesehen - zwischen dem Generieren einer jeweiligen Schweißstelle 12 und dem Generieren einer - geometrisch gesehen - unmittelbar benachbarten Schweißstelle 12 jeweils mindestens eine weitere Schweißstelle 12 generiert wird.
In der konkreten Ausgestaltung von 3 sind beispielsweise acht Schweißstellen 12 vorhanden, die nebeneinander angeordnet sind. Wenn die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-1 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-2 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-8), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in der Reihenfolge $12 - 1 - 12 - 4 - 12 - 7 - 12 - 2 - 12 - 5 - 12 - 8 - 12 - 3 - 12 - 6$
generiert werden. Diese Reihenfolge ist in 3 durch kleine Pfeile von Schweißstelle 12 zu Schweißstelle 12 verdeutlicht.
Alternativ können die Schweißstellen 12 beispielsweise in der Reihenfolge $12 - 1 - 12 - 3 - 12 - 5 - 12 - 7 - 12 - 2 - 12 - 4 - 12 - 6 - 12 - 8$
generiert werden. Wiederum alternativ können die Schweißstellen 12 auch in der Reihenfolge $12 - 1 - 12 - 5 - 12 - 2 - 12 - 6 - 12 - 3 - 12 - 7 - 12 - 4 - 12 - 8$
generiert werden. Auch andere Reihenfolgen sind denkbar und möglich.
Die Schweißstellen 12 weisen einen jeweiligen Schwerpunkt 17 auf. Der jeweilige Schwerpunkt 17 ist in 3 nur für die Schweißnaht 12-1 und die Schweißnaht 12-2 eingezeichnet.
Die Schwerpunkte 17 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen 12 weisen einen Abstand a voneinander auf (in 3 nur für den Abstand a von der Schweißnaht 12-1 zur Schweißnaht 12-2 eingezeichnet). In der Ausgestaltung gemäß 3 ist der Abstand a einheitlich. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Aufgrund des Umstands, dass der Abstand a einheitlich ist, ist der Abstand a zugleich auch mit dem Minimum und dem Mittelwert der Abstände a identisch. Vorzugsweise liegt der Abstand der Schwerpunkte 17 zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 bei mindestens dem Dreifachen des Abstands a (bzw. allgemein mindestens dem Dreifachen des Minimums oder noch besser mindestens dem Dreifachen des Mittelwerts der Abstände a). Bei der Ausgestaltung gemäß 3 ist dies bei der obenstehend zuerst genannten und bei der obenstehend zuletzt genannten Reihenfolge der Fall.
Aufgrund des Umstands, dass bei der Ausgestaltung gemäß 3 insgesamt nur acht Schweißnähte 12 generiert werden, ist ein größerer Wert als das Dreifache des Abstands a nicht realisierbar. Wenn die Anzahl an Schweißnähte 12 größer ist, kann aber auch ein größeres Vielfaches eingehalten werden, beispielsweise das Vierfache oder das Fünffache des Minimums oder noch besser des Mittelwerts der Abstände a.
Nachstehend werden in Verbindung mit den 4 bis 8 weitere mögliche Schweißkonturen und weitere mögliche Reihenfolgen bezüglich der Generierung der Schweißstellen 12 erläutert. Sowohl die Schweißkonturen als solche als auch die Reihenfolgen sind jedoch nur rein beispielhaft. Weiterhin sind in den 4 bis 8 jeweils nur einige der Schweißstellen 12 mit ihrem Bezugszeichen versehen.
Gemäß 4 sind beispielsweise insgesamt 24 Schweißstellen 12 vorhanden, die in zwei Reihen angeordnet sind. Die beiden Reihen sind untereinander angeordnet, innerhalb der beiden Reihen sind die Schweißstellen 12 jeweils nebeneinander angeordnet. Wenn in der oberen Reihe die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-101 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-102 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-112) und weiterhin in der unteren Reihe die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-201 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-202 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-212), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in einer der nachstehenden Reihenfolgen generiert werden: $\begin{array}{l} 12 - 101 - 12 - 212 - 12 - 102 - 12 - 211 - 12 - 103 - 12 - 210 - \\ 12 - 104 - 12 - 209 - 12 - 105 - 12 - 208 - 12 - 106 - 12 - 207 - \\ 12 - 107 - 12 - 206 - 12 - 108 - 12 - 205 - 12 - 109 - 12 - 204 - \\ 12 - 110 - 12 - 203 - 12 - 111 - 12 - 202 - 12 - 112 - 12 - 201. \end{array}$
$\begin{array}{l} 12 - 101 - 12 - 207 - 12 - 102 - 12 - 208 - 12 - 103 - 12 - 209 - \\ 12 - 104 - 12 - 210 - 12 - 105 - 12 - 211 - 12 - 106 - 12 - 212 - \\ 12 - 201 - 12 - 107 - 12 - 202 - 12 - 108 - 12 - 203 - 12 - 109 - \\ 12 - 204 - 12 - 110 - 12 - 205 - 12 - 111 - 12 - 206 - 12 - 112. \end{array}$
$\begin{array}{l} 12 - 101 - 12 - 207 - 12 - 103 - 12 - 209 - 12 - 105 - 12 - 211 - \\ 12 - 201 - 12 - 107 - 12 - 203 - 12 - 109 - 12 - 205 - 12 - 111 - \\ 12 - 102 - 12 - 208 - 12 - 104 - 12 - 210 - 12 - 106 - 12 - 212 - \\ 12 - 202 - 12 - 108 - 12 - 204 - 12 - 110 - 12 - 206 - 12 - 112. \end{array}$
Natürlich sind auch andere Reihenfolgen möglich. Die zuerst angeführte Reihenfolge ist weiterhin zwar möglich, aufgrund der Teilabfolge 12-106 - 12-207 - 12-107 - 12-206 jedoch suboptimal.
Die Schwerpunkte 17 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen 12 weisen innerhalb der jeweiligen Reihe einen einheitlichen Abstand a1 voneinander auf (rein exemplarisch nur für ein Paar von Schweißnähten 12 eingezeichnet). Die Reihen und damit die Schwerpunkte 17 miteinander korrespondierender Schweißstellen 12 geometrisch unmittelbar benachbarter Reihen weisen einen Abstand a2 voneinander auf. Als Mittelwert der Abstände a1, a2 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißnähte 12 ergibt sich somit vorliegend der Wert (a1+a2)/2. Vorliegend ist weiterhin der Abstand a1 kleiner als der Abstand a2. Damit ergibt sich als Minimum der Abstände geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißnähte 12 vorliegend der Wert a1.
Bei der Ausgestaltung gemäß 4 erfüllen die obenstehend erläuterten Reihenfolgen mit Ausnahme der erstgenannten Reihenfolge ebenfalls die Bedingung, dass der Abstand der Schwerpunkte 17 zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 bei mindestens dem Dreifachen des Minimums a1 liegt. Noch besser ist es, wenn der Abstand der Schwerpunkte 17 zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 bei mindestens dem Dreifachen des Mittelwertes (a1+a2)/2 liegt. Noch besser ist es, wenn nicht nur das Dreifache, sondern sogar das Vierfache oder das Fünffache eingehalten wird.
Gemäß 5 sind beispielsweise insgesamt 15 Schweißstellen 12 vorhanden, die in drei Spalten angeordnet sind. Die drei Spalten sind nebeneinander angeordnet, innerhalb der drei Spalten sind die Schweißstellen 12 jeweils von oben nach unten untereinander angeordnet.
Wenn in der linken Spalte die Schweißstelle 12 ganz unten als Schweißstelle 12-11 bezeichnet wird, die Schweißstelle 12 unmittelbar darüber als Schweißstelle 12-12 usw. (und demzufolge die oberste Schweißstelle 12 dieser Spalte als Schweißstelle 12-15), weiterhin in der mittleren Spalte die Schweißstelle 12 ganz unten als Schweißstelle 12-21 bezeichnet wird, bezeichnet wird, die Schweißstelle 12 unmittelbar darüber als Schweißstelle 12-22 usw. (und demzufolge die oberste Schweißstelle 12 dieser Spalte als Schweißstelle 12-25) und schließlich in der rechten Spalte die Schweißstelle 12 ganz unten als Schweißstelle 12-31 bezeichnet wird, die Schweißstelle 12 unmittelbar darüber als Schweißstelle 12-32 usw. (und demzufolge die oberste Schweißstelle 12 dieser Spalte als Schweißstelle 12-35), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in einer der nachstehenden Reihenfolgen generiert werden: $\begin{array}{l} 12 - 11 - 12 - 23 - 12 - 35 - 12 - 12 - 12 - 24 - 12 - 31 - \\ 12 - 13 - 12 - 25 - 12 - 32 - 12 - 14 - 12 - 21 - 12 - 33 - \\ 12 - 15 - 12 - 22 - 12 - 34. \end{array}$
$\begin{array}{l} 12 - 11 - 12 - 24 - 12 - 32 - 12 - 13 - 12 - 21 - 12 - 34 - \\ 12 - 15 - 12 - 23 - 12 - 31 - 12 - 12 - 12 - 25 - 12 - 33 - \\ 12 - 14 - 12 - 22 - 12 - 35. \end{array}$
Natürlich sind auch hier wieder andere Reihenfolgen möglich. Weiterhin können auch bei der Ausgestaltung gemäß 5 die einzelnen Schweißstellen 12 geschwungen sein (analog zu den Schweißstellen 12 der 3 und 4).
Gemäß 6 sind die Schweißstellen 12 analog zu 3 in einer einzigen Reihe angeordnet. Die Schweißstellen 12 sind halbkreisförmig ausgebildet und damit geschwungen. Wenn die Schweißstelle 12 ganz links (Halbkreis nach unten offen) als Schweißstelle 12-1 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 (Halbkreis nach oben offen) als Schweißstelle 12-2 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-5), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in der Reihenfolge 12-1 - 12-4 - 12-2 - 12-5 - 12-3 generiert werden.
Auch gemäß 7 sind die Schweißstellen 12 in einer einzigen Reihe angeordnet. Die Schweißstellen 12 sind als Vollkreise ausgebildet und damit geschwungen. Wenn die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-1 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-2 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-6), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in der Reihenfolge 12-1 - 12-4 - 12-2 - 12-5 - 12-3 - 12-6 generiert werden.
Gemäß 8 sind beispielsweise insgesamt 17 Schweißstellen 12 vorhanden, die in drei Reihen angeordnet sind. Die Reihen sind untereinander angeordnet, wobei die Schweißstellen 12 der oberen und der unteren Reihe exakt untereinander angeordnet sind und die Schweißstellen 12 der mittleren Reihe auf Lücke zu den Schweißstellen 12 der oberen und der unteren Reihe angeordnet sind. Die Schweißstellen 12 selbst sind als Vollkreise ausgebildet.
Wenn in der oberen Reihe die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-11 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-12 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-16), weiterhin in der mittleren Reihe die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-21 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-22 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-25) und schließlich in der unteren Reihe die Schweißstelle 12 ganz links als Schweißstelle 12-31 bezeichnet wird, die nächste Schweißstelle 12 als Schweißstelle 12-32 usw. (und demzufolge die Schweißstelle 12 ganz rechts als Schweißstelle 12-36), können die Schweißstellen 12 beispielsweise in der Reihenfolge $\begin{array}{l} 12 - 11 - 12 - 33 - 12 - 24 - 12 - 12 - 12 - 34 - 12 - 25 - 12 - 13 - \\ 12 - 35 - 12 - 21 - 12 - 14 - 12 - 36 - 12 - 22 - 12 - 15 - 12 - 31 - \\ 12 - 23 - 12 - 16 - 12 - 32 \end{array}$
generiert werden. Natürlich sind auch andere Reihenfolgen möglich.
Die Schwerpunkte 17 der Schweißnähte 12 und die geometrischen Abstände a, a1, a2 der Schwerpunkte 17 sind in den 5 bis 8 nicht mit eingezeichnet. Auch für die Ausgestaltungen der 5 bis 8 gilt jedoch die Aussage, dass der Abstand der Schwerpunkte 17 zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 vorzugsweise bei mindestens dem Dreifachen des Minimums des Abstands der Schwerpunkte 17 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen 12 liegt. Noch besser ist es, wenn der Abstand der Schwerpunkte 17 zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 bei mindestens dem Dreifachen des Mittelwertes des Abstands der Schwerpunkte 17 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen 12 liegt. Noch besser ist es weiterhin, ebenso wie zuvor, wenn nicht nur das Dreifache, sondern sogar das Vierfache oder das Fünffache eingehalten wird.
Vorstehend wurden Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung erläutert, bei denen alle Schweißstellen 12 einer jeweiligen Schweißverbindung (also der Verbindung des jeweiligen Anschlusses 7, 8 mit dem zugehörigen Anschlussbereich 5, 6) unmittelbar aufeinanderfolgend generiert werden. Es wurden also Ausgestaltungen erläutert, bei denen zunächst ein Anschluss 7, 8 vollständig mit seinem zugehörigen Anschlussbereich 5, 6 verbunden wird und erst dann der nächste Anschluss 7, 8 vollständig mit seinem zugehörigen Anschlussbereich 5, 6 verbunden wird. Es ist natürlich auch möglich, dass nach dem Generieren einer bestimmten Schweißstelle 12 einer bestimmten Schweißverbindung nicht eine andere Schweißstelle 12 derselben Schweißverbindung generiert wird, sondern (mindestens) eine Schweißstelle 12 einer anderen Schweißverbindung. In diesem Fall ergibt sich ganz von selbst der Umstand, dass der Abstand zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen 12 bei mindestens dem n-fachen des Minimums des Abstands der Schwerpunkte 17 geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen 12 liegt (mit n = 3, 4, 5 usw.). Auch gilt dies, wenn anstelle des Minimums der Mittelwert herangezogen wird. Denn die Anschlussbereiche 5, 6 weisen in aller Regel einen erheblich größeren Abstand voneinander auf als die Schweißstellen 12.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann durch die Aufteilung der Schweißverbindung (insgesamt gesehen) in eine Vielzahl von Schweißstellen 12 (Schweißpunkte oder einzelne, relativ kurze Schweißnähte) in Verbindung mit der Reihenfolge der Generierung der Schweißstellen 12 einerseits eine zuverlässige Schweißung erreicht werden, wobei andererseits aber dennoch die thermische Belastung und eine hierauf beruhende mechanische Belastung insbesondere des Substrats 1 relativ gering gehalten werden können. Insbesondere können dadurch Risse im Substrat 1 zuverlässig vermieden werden.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: obere Metallschicht
3: untere Metallschicht
4: elektronische Bauelemente
5: Haupt-Anschlussbereiche
6: Zusatz-Anschlussbereiche
7: Lastanschlüsse
8: Signalanschlüsse
9: Verbindungsfläche
10: Laserstrahl
11: Anpresseinrichtung
12: Schweißstellen
13: Anfang
14: Ende
15: Laser
16: Spiegel
17: Schwerpunkte
a, a1, a2: Abstände
d1: Schichtdicke
d2: Flächendicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017115879 A1 [0002, 0008]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Anschlusses (7, 8), insbesondere eines elektrischen Lastanschlusses (7), mit einer auf einem Substrat (1) angeordneten Metallschicht (2), - wobei eine Verbindungsfläche (9) des Anschlusses (7, 8) auf die Metallschicht (2) aufgelegt wird und sodann der Anschluss (7, 8) mit der Verbindungsfläche (9) mittels eines Laserstrahls (10) durch Laserschweißen auf die Metallschicht (2) aufgeschweißt wird, - wobei das Aufschweißen mittels einer Vielzahl von nacheinander generierten Schweißstellen (12) erfolgt, - wobei die Schweißstellen (12) eine geometrische Anordnung von Schweißstellen (12) bilden, - wobei die Reihenfolge, in welcher die Schweißstellen (12) generiert werden, derart bestimmt ist, dass zeitlich gesehen zwischen dem Generieren einer jeweiligen Schweißstelle (12) und dem Generieren einer geometrisch gesehen unmittelbar benachbarten Schweißstelle (12) jeweils mindestens eine weitere Schweißstelle (12) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Si3N4-Substrat, ein AlN-Substrat oder ein Al2O3-Substrat ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) mittels eines Scheibenlasers oder eines Faserlasers generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) eine Wellenlänge im sichtbaren Spektrum oder im nahen Infrarotspektrum aufweist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionieren des Laserstrahls (10) mittels einer Spiegeloptik mit bewegbaren Spiegeln (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (7, 8) vor dem Aufschweißen auf die Metallschicht (2) mittels einer Anpresseinrichtung (11) an die Metallschicht (2) angepresst wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) eine Schichtdicke (d1) aufweist, dass der Anschluss (7, 8) im Bereich der Verbindungsfläche (9) eine Flächendicke (d2) aufweist und dass die Flächendicke (d2) maximal so groß wie die Schichtdicke (d1) ist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstellen (12) einen jeweiligen zuerst generierten Anfang (13) und ein jeweiliges zuletzt generiertes Ende (14) aufweisen und vom jeweiligen Anfang (13) zum jeweiligen Ende (14) gesehen langgestreckt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schweißstellen (12) geschwungen sind.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstellen (12) einen jeweiligen Schwerpunkt (17) aufweisen und dass der Abstand der Schwerpunkte (17) zweier zeitlich unmittelbar nacheinander generierter Schweißstellen (12) bei mindestens dem Dreifachen, vorzugsweise bei mindestens dem Fünffachen, des Minimums oder des Mittelwerts der Abstände (a, a1, a2) der Schwerpunkte (17) geometrisch unmittelbar benachbarter Schweißstellen (12) liegt.