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1. (WO2018145955) VERFAHREN ZUR ELEKTRISCHEN KONTAKTIERUNG UND LEISTUNGSMODUL
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und Leistungsmodul

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und ein Leistungsmodul .

In der Leistungselektronik, etwa bei Leistungsmodulen, werden passive Bauteile wie etwa Widerstände sowie Halbleiterbautei-le wie beispielsweise IGBTs, Dioden, MOSFETS, LEDs und Substrate wie etwa FR4 , DCB (engl.: „Direct copper bonded") , AMB (engl.: „Active metal braze") und Leadframes elektrisch mittels einer Aufbau- und Verbindungstechnik miteinander verbunden .

Hierzu ist grundsätzlich eine Vielzahl von Verbindungstechni-ken zur Herstellung von Leistungsmodulen bekannt. Eine insbesondere substratferne elektrische Kontaktierung erfordert allerdings häufig zusätzliche und aufwändige Prozessschritte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Kontaktierung bereitzustellen, bei welchem die elektrische Kontaktierung von Bauteilen verbessert ist und vorzugsweise auch die Kontaktierung substratferner elektrischer Bauteile insbesondere eines Leistungsmoduls vereinfacht ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Leistungsmodul bereitzustellen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur elektrischen Kontaktierung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Bauteils mit mindestens einem elektrischen Kontakt wird an den zumindest einen Kontakt eine offenporige Kontaktschicht additiv gebildet, also gefertigt. D.h. erfindungsgemäß wird die Kontaktschicht derart additiv gebildet, dass die gebildete Kontaktschicht an dem Kontakt anliegt. Zweckmäßig liegt die Kontaktschicht während des Verfahrens, d.h. während des Bildungsprozesses an dem Kontakt an.

Geeigneterweise liegt die Kontaktschicht auf dem Kontakt auf. Soweit im Rahmen dieser Anmeldung von „additiv gebildet" oder „additiv gefertigt" die Rede ist, ist gemeint, dass im Sinne der sogenannten „additiven Fertigung" oder der „generativen Fertigung" gefertigt wird. Mittels der additiven Fertigung der Kontaktschicht kann eine auch eine kontaktflächenferne , im Falle einer Kontaktfläche eines Substrats insbesondere eine substratferne , Kontaktierung des Bauteils an weitere Komponenten passgenau und unaufwändig erfolgen. Insbesondere muss keine Fertigung eines Kontaktstücks im Vorhinein vorgesehen sein, sondern die Fertigung der Kontaktschicht kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in den sonstigen Prozessablauf integriert, insbesondere im Falle eines Leistungsmoduls mit der übrigen Bestückung, erfolgen. Zweckmäßig ist der elektrische Kontakt des Bauteils eine Kontaktfläche. Gerade Kontaktflächen können mit offenporigen Kontaktschichten leicht flächig elektrisch kontaktiert werden.

Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die of-fenporige Kontaktschicht mit elektrisch leitfähigem Material, insbesondere mit einem Metall, vorzugsweise mit Kupfer und/oder Gold und/oder Molybdän und/oder Nickel und/oder Silber und/oder Zinn und/oder Aluminium, gebildet.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontaktschicht mit einer geordneten Struktur oder als eine geordnete Struktur, insbesondere mit einem geordneten Array von Einzelkomponenten der Kontaktschicht und/oder mit einem Gewebe und/oder Gitter, gebildet. Alternativ und ebenfalls bevor-zugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontaktschicht mit einer ungeordneten Struktur oder als eine ungeordnete Struktur, insbesondere mit einem Knäuel und/oder ei- nem Vlies und/oder einer schäum- und/oder schwammartigen Struktur, insbesondere mit einem Metallschäum, gebildet.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontaktschicht, insbesondere mittels einer Düse, mit einem Knäuel oder als Knäuel gebildet. In dieser Weiterbildung ist die Ausbildung der Kontaktschicht auf besonders einfache und direkte Weise möglich. Insbesondere können die Offenporigkeit des Knäuels sowie die geometrischen Abmessungen der Kontakt-Schicht einfach mittels entsprechenden Verfahrens der Düse zuverlässig eingestellt und gesteuert werden.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung und ebenfalls bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kon-taktschicht, insbesondere mittels einer Düse, mit einem gefalteten Gewebe oder als ein gefaltetes Gewebe gebildet.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung und ebenfalls bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kon-taktschicht, insbesondere mittels einer Düse, mit Schaumbröseln oder als Schaumbrösel gebildet. Geeigneterweise werden die Schaumbrösel durch Zerkleinerung eines Metallschaums , insbesondere eines Kupferschwamms , erhalten. Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schaumbrösel mit einer Trägerflüssigkeit vermengt aus der Düse ausgegeben, also gewissermaßen ähnlich dem Ink-Jet-Drucken und/oder

Jetting-Drucken und/oder Sieb/Schablonen-Drucken auf den Kontakt gedruckt .

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontaktschicht mittels 3D-Druckens und/oder mittels Ink-Jettens gebildet .

Geeigneterweise wird bei dem Verfahren an die Kontaktschicht eine weitere elektrische Komponente elektrisch kontaktiert, sodass die Kontaktschicht das Bauteil und die elektrische Komponente miteinander elektrisch kontaktiert. Zweckmäßig wird das Verfahren gemäß der Erfindung zur elektrischen Kon-taktierung eines Bauteils eines Leistungsmoduls durchgeführt.

Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kon-taktschicht, nachdem sie additiv an den Kontakt gefertigt worden ist, zusätzlich mittels Galvanisierens, insbesondere elektrochemisch oder außenstromfrei , leitend und Stoffschlüssig an den Kontakt angebunden.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul wird mithilfe eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt.

Zweckmäßig weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul ein Bauteil mit mindestens einem elektrischen Kontakt auf, bei wel-chem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an den zumindest einen Kontakt eine offenporige Kontaktschicht additiv gefertigt worden ist.

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul einen Kühlkanal auf, wobei das Bauteil geeigneterweise im Kühlkanal angeordnet ist und der Kühlkanal insbesondere zur

Durchströmung der Kontaktschicht ausgebildet ist. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Bauteil, insbesondere ein Leistungsbauteil, besonders effizient entwärmbar . In dieser Weiterbildung der Erfindung kann Kühl-fluid, insbesondere Kühlflüssigkeit oder Kühlgas, die Kontaktschicht aufgrund deren Offenporigkeit oder

Offenzelligkeit durchsetzen und eine Entwärmung bewirken.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen :

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung zwecks Fertigung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls mittels Ab- Scheidung eines Metallknäuels schematisch im Längsschnitt ,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Verfahrens mittels Abscheidung eines Metallgitters (hier der Faltung eines Drahtes oder Gitters) schematisch im Längsschnitt,

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Verfahrens mittels Drucks von metallenen

Schaumbröseln schematisch im Längsschnitt sowie

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls mit dem gem. dem erfin- dungsgemäßen Verfahren gem. Fig. 3 gedruckten Metallschaum schematisch im Längsschnitt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Substrat 10 in Gestalt eines Flachteils mit einer Flachseite 20 herangezogen, welche eine Kontaktfläche 30 aufweist. Die Kontaktfläche 30 ist mittels eines Durchkontakts 40 an weitere Bauteile angebunden. Das Substrat 10 mit der Kontaktfläche 30 bildet einen Teil eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 50.

Diese Kontaktfläche 30 an der Flachseite 20 des Substrats 10 des Leistungsmoduls 50 wird in einem ersten Ausführungsbei-spiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Metallknäuels 160 an weitere Bestandteile des Leistungsmoduls 50, etwa an Leistungsbauteile des Leistungsmoduls 50, elektrisch kontaktiert. Dazu wird Metall, im dargestellten Ausführungsbeispiel Molybdän, mittels einer Düse 55 auf die Kontaktfläche 30 an der Flachseite 20 des Substrats 10 als Knäuel 160 abgeschieden, wonach das Knäuel 160 auf der Kontaktfläche 30 weiter erkaltet. Das Knäuel 160 stellt ein offenporiges, offenzeiliges Material dar, welches eine elektrische Kontaktschicht bildet. Das Material Molybdän kommt im dargestellten Ausführungsbeispiel aufgrund des geringen thermischen

Ausdehnungskoeffizenten zum Einsatz.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Düse 55 zweidi-mensional in einer zur Kontaktfläche 30 parallelen Ebene über der Kontaktfläche 30 verfahren. Mittels der

Verfahrgeschwindigkeit und der Abscheiderate kann die

Offenzelligkeit , d.h. die Größe der durch dieses Knäuel 160 hindurch führenden Kanäle, über einen weiten Parameterbereich eingestellt werden und auf den jeweils konkreten Anwendungsfall hinsichtlich Stromtragfähigkeit, Elastizität, Masse, Größe und Kosten der so gebildeten Kontaktschicht geeignet eingestellt werden. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Draht anstelle oder zusätzlich zu Molybdän mit Kupfer und/oder Gold und/oder Aluminium und/oder Nickel gebildet sein. Zweckmäßig wird dabei die Düse 55 derart verfahren, dass das Knäuel 160 ein ebenes Plateau aufweist, welches an eine Kontaktfläche eines weiteren Bestandteils des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls flächig kontaktierbar ist.

Es ist alternativ oder zusätzlich denkbar, eines oder mehrere Bauelemente auf das Knäuel 160 zu setzen und mittels Galvanisierens das oder die Bauelemente mit dem Knäuel 160 elektrisch zu verbinden. Entsprechend kann auch bei dem offenpori-gen Material (d.h. Knäuel, Gewebe, Metallschaum aus Schaumbröseln) aller übrigen Weiterbildungen oder Ausführungsbei-spiele verfahren werden.

Im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ver-gleichbar dem anhand von Fig. 1 erläuterten Verfahren vorgegangen. Im Unterscheid zum Verfahren gem. Fig. 1 wird allerdings nicht ein Knäuel mittels der Düse 55 erzeugt, sondern mittels der Düse 55 wird ein mit Kupfer gebildetes Gewebe oder Draht 260, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kupfer-netz, auf der Kontaktfläche abgeschieden. Dabei wird die Düse 55 derart hin- und her bewegt, dass das Kupfernetz gefaltet wird, sodass nach jeder Faltung eine neue Lage des Kupfernetzes auf die bisherigen Lagen abgeschieden wird. Auch auf die- se Weise wird mittels des gefalteten Gewebes oder Drahts 260 eine Kontaktschicht offenporigen und offenzeiligen Materials gebildet. Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Gewebe oder der Draht 260 mit Kupfer gebildet, in weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann das Gewebe oder der Draht 260 mit oder aus Gold und/oder Molybdän und/oder weiteren Materialien, insbesondere Metallen, gebildet sein.

Im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Metallschaum auf die Kontaktfläche 30 aufgedruckt. Dazu wird mittels der Düse 55 ein heterogenes Gemisch aus einer Trägerflüssigkeit 355 mit darin befindlichen Schaumbröseln 360 auf die Kontaktfläche 30 aufgebracht. Diese Schaumbrösel 360 ent-stammen dabei aus zuvor bereitgestelltem Metallschaum, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kupferschwamm, welcher zu einem Granulat geeigneter Körnigkeit, d.h. den Schaumbröseln 360, geraspelt ist. Die Schaumbrösel 360 werden dann mit Trägerflüssigkeit 355 vermengt und zur Düse 55 geführt, wel-che die Trägerflüssigkeit 355 und die Schaumbrösel 360 gemeinsam auf die Kontaktfläche 30 ausbringt.

Nachdem das heterogene Gemisch auf die Kontaktfläche 30 aufgebracht ist, evaporiert die Trägerflüssigkeit 355. Im ge-zeigten Ausführungsbeispiel unterstützt eine Zufuhr von Wärme 420 mittels einer Heizung (nicht gezeigt) das Evaporieren der Trägerflüssigkeit 355. Somit verbleiben nach einer Zeitspanne lediglich die Schaumbrösel 360 abgeschieden auf der Kontaktfläche 30, sodass die Schaumbrösel 360 wieder zu einem Me-tallschaum zusammengebracht sind. Auf diese Weise ist mittels der Schaumbrösel 360 eine Schicht offenporigen und offenzeiligen Materials gebildet, welche eine Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 30 bildet.

In sämtlichen gezeigten Ausführungsbeispielen kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anschließend das offenporige Material an die Kontaktfläche 30 zusätzlich elektrisch leitend und stoffschlüssig angebunden werden, insbesondere mittels elektrochemischen oder außenstromfreien Galvanisierens.

Alternativ zu den oben anhand der Zeichnung erläuterten Aus-führungsbeispielen kann die Kontaktschicht offenporigen Materials auch mit einer hohen räumlich-strukturellen Ordnung gebildet werden. Im einfachsten Falle lässt sich eine solche Schicht mit Kupfer-Nagel-Köpfen zusammensetzen, welche geordnet auf der Kontaktfläche 30 auf- oder eingebracht werden.

Weiterhin alternativ lässt sich eine Schaum- oder Gitterartige Struktur mittels 3D-Drucks auf der Kontaktfläche 30 anordnen. Ebenso ist die subtraktive Erzeugung von offenporigen Strukturen denkbar. Hierbei wird z.B. bei einem 2-Stoff-Material eine Komponente über Temperatur, Lösungsmittel, etc. herausgelöst. Desweiteren kann eine über Temperatureintrag eine offenporige Struktur erzeugt werden (Laserablation) .

Weiterhin kann eine geordnete/gerichtete Anordnung von abge-flammten Kupfer-Drahtbonds zur Kontaktierung vorgesehen werden .

Nicht eigens in der Zeichnung dargestellt weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul 50 in weiteren Ausführungsbeispie-len, welche im Übrigen den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils entsprechen, jeweils einen Kühlkanal auf, welches mit dem Substrat 10 und weiteren, nicht eigens dargestellten Teilen des Leistungsmoduls 50 gebildet ist. Dabei ist ein Leistungsbauteil mit der Kontaktschicht 160 (oder 260 oder 360) kontaktiert und gemeinsamt mit dieser Kontaktschicht 160 oder 260 oder 360 im Kühlkanal angeordnet. Der Kühlkanal ist mit Kühlflüssigkeit durchströmbar ausgebildet. Insbesondere ist der Kühlkanal abgedichtet und/oder zur Durchströmung der Kontaktschicht 160 (oder 260 oder 360) ausgebildet.