带有颗粒捕集的用于超声波焊接的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过焊接、尤其通过超声波焊接来连接两个构件尤其用于生产功率半导体模块的方法。具体而言，根据本发明的方法提供了一种用于减小由在焊接步骤中所产生的金属颗粒引起的污染的措施。
【背景技术】
[0002]功率半导体模块在本领域中已知。通常，功率半导体模块包括基板，在该基板上设置电导体如金属化部，其相应用作用于功率半导体装置或芯片的定位。所述芯片连接至端子、诸如控制端子。此外，可提供附加的电路板，其与功率半导体装置有间距地来定位且布置在所述功率半导体装置上方。上面所限定的布置通常位于填充有绝缘胶、诸如硅胶的壳体中。
[0003]超声波焊接(US焊接)在功率半导体工业中已知用于将端子焊接到金属化的陶瓷基底上。在与传统的连结技术(诸如软钎焊)比较时，超声波焊接在可靠性和产量方面是有利的。
[0004]然而，对于这样的焊接过程已知小尺寸颗粒由机械力以高温和高速从接合副中喷出，使得其嵌入或粘附在用于模块包装的各种组件块上。此外，当焊接工具使用超声波振动清洁自身时，颗粒还被散射。如果颗粒碎片未被完全去除，其可触发不良局部放电特性且特别是在高压下击穿电绝缘。因此，关于超声波焊接，主要挑战是清洁在焊接过程期间产生的金属颗粒。
[0005]文件JP2010040615A说明了一种半导体装置，其包括形成在绝缘基底上的布线图案、安装在布线图案上的半导体元件以及通过超声波焊接安装在布线图案上的引线框架。在超声波连结的引线框架周围施加树脂。根据该文件，应防止由超声波连结将基底布线与外部连接引导相结合所产生的金属碎肩的散射。
[0006]然而，尤其关于由散射的颗粒引起的污染，超声波焊接过程仍具有改进潜力。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种通过焊接、尤其通过超声波焊接来连接两个构件的方法，其提供了关于散射的颗粒的改善的污染行为。
[0008]该目的由一种根据独立要求I的方法来实现。有利的实施例在从属权利要求中给出。
[0009]具体而言，本发明提供一种通过焊接、尤其通过超声波焊接来连接两个构件尤其用于生产功率半导体模块的方法，所述方法包括以下步骤:
a)对准待焊接的构件以形成焊接界面；
b)将焊接工具与对准的构件对准；
c)将捕集材料可移除地布置成至少部分地包围焊接界面，由此捕集材料是泡沫；以及
d)通过激活焊接工具来连接构件。
[0010]通过焊接来连接两个构件的这样的方法提供了关于散射的颗粒的改善的限制行为且此外执行起来特别节省成本。
[0011]如从下面将显而易见的那样，须注意的是如上面所限定且如在权利要求1中所限定的那样步骤a)到d)通常可不严格地按所提到的顺序执行，但是这些步骤可以以任何合适的顺序来执行。下面详细说明了相应示例性偏离顺序的优点。
[0012]因此，根据本发明的方法通常可应用于焊接过程。然而，如上所述使用捕集材料尤其可对于超声波焊接是有利的，因为在大多数情况下不可完全避免待连接的或联结的构件的颗粒分别被散射且因此传播到焊接区域附近。
[0013]此外，将通过焊接连接的构件通常不受限制。因此，根据本发明的焊接方法可应用于连接金属构件(诸如铜构件)、非金属构件或金属构件与非金属构件。非金属复合物的非限制性示例尤其包括聚合物、诸如导电的聚合物。例如，本发明很好地适合于塑料与金属(诸如铜)的焊接，因为这可允许可焊接那些根据现有技术的方法不能以有利的方式来焊接的构件的焊接过程。后者主要由于本发明的限制效果而变得可能。
[0014]根据本发明的方法尤其可适合于功率半导体模块的领域。尤其在生产功率半导体模块时，金属构件须彼此相连接或连接至塑料材料上。因此，超声波焊接例如可被用于将端子连接至位于基板上的金属化部上。尤其在考虑到在使用这样的功率半导体模块时会出现的高压时，散射的颗粒的负面影响可具有显著影响，这根据本发明如下面详细所述被避免。
[0015]根据本发明的方法包括步骤a)，根据该步骤，使待焊接的构件对准以形成焊接界面。根据该步骤，分别待通过焊接来连接或连结的这两个构件被对准，使得它们紧邻彼此且优选在它们应被焊接在一起的位置处彼此接触。接触位置因此形成应进行焊接程序的界面且因此是焊接界面。关于在生产功率半导体模块的方法内执行该方法的非限制性示例，例如可将端子输送至其在金属化部上的位置，该位置可位于基底上。因此，端子可接触金属化部且因此可在接触位置处形成焊接界面。
[0016]因此，待焊接的构件可通过施加压力被压在一起，以便实现优异的焊接连接。
[0017]根据另一步骤b)，该方法包括将焊接工具与对准的构件对准的步骤。根据该步骤，用于执行焊接步骤的工具被对准，使得焊接过程可开始。在执行超声波焊接的情况下，焊接工具因此可以是可在本领域中通常已知的超声焊极。超声焊极可产生超声波振动而又将该振动能分别施加至将被连接或焊接的构件。焊接工具诸如超声焊极因此可接触待连接的构件中的一个并且因此可将能量施加至构件且因此施加至焊接界面。
[0018]为了在压力下将待连接的构件相对于彼此定位，待连接的构件例如可在站座与焊接工具(诸如超声焊极)之间对准。
[0019]根据另一步骤C)，该方法包括将捕集材料可移除地布置成至少部分地包围焊接界面的步骤。
[0020]因此，该方法基于在焊接区周围相应使用捕集材料或捕集复合物提供颗粒限制，在其中所有或至少大多数喷射的颗粒被捕集。例如，捕集复合物可在根据步骤a)对准构件诸如端子块之后施加在基底基板组件上，且尤其在焊接过程开始之前。因此，使用捕集材料在如下面所述清洁焊接界面附近以去除散射颗粒方面具有显著优点。
[0021]实际上，根据本发明的方法与诸如吸气方法或吹气方法的清洁过程且因此非接触清洁方法相比更优异，因为通过预清洁过程或后清洁过程或现场清洁过程确保去除所有散射的颗粒非常困难和复杂。这可归因于具有高速的热颗粒可在非限定区域中散射且自己嵌入有机材料如聚酰亚胺中。此外，小颗粒由于强静电力易于粘附至表面。因此，诸如使用吸气或吹气的非接触方法不完全确保无颗粒模块。另外增加空气流还会改变超声焊极的操作频率范围。
[0022]然而，如上所述的方法还可相对于物理化学清洁方法和这样的过度接触清洁方法更加优异。化学清洁方法通常涉及补充清洁溶剂的高成本。此外，化学物质须小心选择以避免例如对覆层诸如聚酰亚胺覆层无效。此外，这些清洁方法出于环境观点可具有负面效果。
[0023]根据上面所述，颗粒限制策略相比从现有技术已知的清洁方法具有许多优点。
[0024]捕集材料因此布置成使得其至少部分地包围焊接界面。因此，可确保所有颗粒可被可靠地捕集在捕集材料中，从而将不会有散射的颗粒污染相应表面。与之相比，至少部分地、优选地完全地包围焊接界面导致散射颗粒与相应表面优选地无接触。捕集材料至少部分地包围焊接界面因此尤其应意味着捕集材料包围待焊接的复合物或者有利地定位成相应与焊接界面或其边缘直接接触并且相应可能完全包围焊接界面或其由待连结的构件形成的边界。
[0025]捕集材料可移除地布置的事实进一步允许了该优点，即虽然可如上所述来实现散射的颗粒的有效捕集程序，该材料也不会使生成的模块(诸如生成的功率半导体模块)的工作条件恶化。与之相比，在焊接过程完成之后，捕集材料连同捕集的颗粒不会保持在生成的结构中，而是与此相比其可经受适合的且容易的清洁程序，以便在焊接过程之后可选地去除捕集材料且因此留下良好限定的表面。
[0026]因此，可选的后清洁程序(如果有)集中于去除捕集材料，这与涉及去除粘在生成的结构的表面上的颗粒的后清洁程序相比要求较低。
[0027]根据另一步骤d)，该方法包括通过激活焊接工具来连接构件的步骤。如上所述，焊接工具、诸如超声焊极因此可将超声波振动导引到一构件中且因此进一步到通向焊接界面的焊接界面或构件的相应区域，以扩散且因此随后形成稳定的连接。
[0028]用于超声波焊接的频率因此可根据待焊接的构件来选择。然而，通常而非限制性地，超声波焊接例如使用在16kHz至IMHz的范围中的频率。
[0029]如上所述的方法可提供有效的且经济的颗粒限制方法，允许防止颗粒污染，这提供了各