Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls .

Die heutige Aufbau- und Verbindungstechnologie sieht ver ^¬ schiedene Möglichkeiten vor, zwei Werkstücke miteinander elektrisch zu verbinden, wie z.B. formschlüssige Methoden, etwa durch Nieten, oder kraftschlüssige Methoden, beispiels ^¬ weise durch Klemmung. In der Leistungselektronik wurden zahlreiche Möglichkeiten zum Aufbringen von Anschlüssen, etwa Lastanschlüssen, auf ein Substrat entwickelt, beispielsweise Leitkleben, Schrauben, Löten, Diffusionslöten, Sintern, Pressen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen, etc. Die Herstellung des Substrats und die dann zu realisierende aufwändige Aufbau- und Verbindungstechnologie bedeuten jedoch einen kom ^¬ plexen Herstellungsprozess und hohe Kosten.

Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls an ^¬ zugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist .

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit den in Anspruch 1 angege ^¬ benen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgen- den Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung eines Leistungsmoduls werden mindestens eine Leiterbahn und mindestens ein elektrischer Anschluss, insbesondere ein Lastanschluss und/oder ein Steueranschluss , in einem gemeinsamen Prozessschritt mittels thermischen Sprühens gebildet. Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die Aufbau- und Ver ^¬ bindungstechnik eines Leistungsmoduls, insbesondere Leiter ^¬ bahnen, und die Anbindung zur Peripherie, etwa mittels elekt ^¬ rischer Anschlüsse, gleichzeitig zu realisieren.

Zweckmäßig bildet der mindestens eine elektrische Anschluss einen Anschluss des Leistungsmoduls an die Peripherie, also an externe, d.h. nicht zum Leistungsmodul gehörige, Versor ^¬ gungseinrichtungen oder Gerätschaften.

Vorteilhaft werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung elektrische Leiterbahnen des Leistungsmoduls und elektrische Anbindungen zur Peripherie des Leistungsmoduls gleichzeitig, d.h. in einem Prozessschritt, gefertigt.

Im Stand der Technik hingegen erfolgt nachteilig die Aufbringung von Anschlüssen nach der Herstellung der Aufbau- und Verbindungstechnik auf dem Substrat. Dieser zeitlich nachfolgende Prozessschritt resultiert in einem erhöhten Aufwand, so müssen etwa Druck ausgeübt und Temperatur beim Sinterprozess eingetragen werden oder aber es sind kostenträchtige Silberlote einzusetzen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die zu- mindest eine Leiterbahn und der zumindest eine Anschluss äu ^¬ ßerst temperaturstabil ausbilden, nämlich temperaturstabil bis zur Temperatur des Schmelzpunkts der angesprühten Leiterbahn . Zugleich lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl die die zumindest eine Leiterbahn als auch der zumindest eine Anschluss mit einer hohen mechanischen Festigkeit an weitere Teile des Leistungsmoduls, insbesondere an einen Schaltungsträger und/oder Bauteile des Leistungsmoduls, an- binden, da infolge des thermischen Sprühens zugleich sowohl formschlüssige Verbindungen als auch stoffschlüssige Verbin ^¬ dungen des mittels des thermischen Sprühens aufgebrachten Ma- terials und des Schaltungsträgers und/oder der Bauteile rea ^¬ lisiert werden können.

Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr kostengünstig, da die Fertigung der Leiterbahnen und der Anbindung von Lastanschlüssen gleichzeitig erfolgt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das thermische Sprühen mittels Zerstäubens aus einer Schmelze, insbesondere mittels Schmelzbadspritzens . In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt erfolgt das thermische Sprü ^¬ hen mittels elektrischer Lichtbogen- und/oder Gasentladung, insbesondere mittels Lichtbogenspritzens, und/oder Plasma- spritzens. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung oder zusätzlich erfolgt das thermische Sprühen bevorzugt mit ^¬ tels Gasexpansion ohne Verbrennung, insbesondere mittels Kaltgasspritzens , und/oder mittels Verbrennung, insbesondere mittels Drahtflammspritzens und/oder Pulverflammspritzens und/oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzens und/oder Detona ^¬ tionsspritzens . In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung oder zusätzlich erfolgt das thermische Sprühen bevorzugt mittels eines gebündelten energetischen Strahls, insbe ^¬ sondere mittels Laserspritzens.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise mittels des thermischen Sprühens ein elektrisch leitfähiges Material gebildet, insbesondere zumindest ein Metall und/oder zumin ^¬ dest ein Halbleiter und/oder zumindest eine Metall-Keramik- Verbindung und/oder zumindest ein Material, welches mittels eines weiteren Behandlungsschritts, insbesondere mittels Tem ^¬ peratureintrags und/oder mittels Bestrahlung mit UV-Licht, elektrisch leitfähig wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Verfahrens wird zunächst eine Leiterplatte, insbesondere ein Substrat, mit einem oder mehreren aufgebrachten elektronischen Bauelementen herangezogen und nachfolgend wird der ge- meinsame Prozessschritt durchgeführt. Zweckmäßig trägt die Leiterplatte und/oder tragen das eine oder die mehreren Bau ^¬ elemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, vor der Durch ^¬ führung des gemeinsamen Prozessschritts bereits eine Isolie- rung. Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dem gemeinsamen Prozessschritt vorangehend eine Iso ^¬ lierschicht aufgebracht, bevorzugt mittels Sprühens und/oder Druckens und/oder Dispensens und/oder Rakelns und/oder Lami- nierens .

Zweckmäßig werden vor der Durchführung des gemeinsamen Prozessschritts Anschlussteile und Leiterplatte und/oder weitere Bauelemente und/oder Verbindungselemente derart platziert, dass sowohl die Leiterbahnen als auch die Anschlussteile gleichzeitig mittels thermischen Sprühens angebunden werden können. Hierbei wird vorteilhaft eine formschlüssige Verbin ^¬ dung, insbesondere eine mechanische Verklammerung, von An ^¬ schlussteilen und Leiterplatte sowie von Bauteilen und Lei ^¬ terplatte erreicht. Zugleich wird vorteilhaft eine Stoff- schlüssige Verbindung von Anschlussteilen und Leiterplatte, insbesondere eine metallurgische Verbindung, erreicht, wobei zudem eine elektrische Kontaktierung mittels der stoffschlüs ^¬ sigen Verbindung resultiert. Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Isolierschicht mit mindestens einem Polymer und/oder Siloxan und/oder mindestens einer Keramik gebildet.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der mindestens eine Anschluss mit einem Anschlussstück gebildet, welcher mittels des thermischen Sprühens elektrisch kontaktiert wird. Zweckmäßig wird oder werden zusätzlich weitere elektrische Bauelemente, insbesondere aktive oder passive Bauelemente, vorzugsweise Sensoren und/oder Kondensatoren, vorteilhaft in demselben Prozessschritt, mittels thermischen Sprühens mechanisch angebunden und/oder elektrisch kontaktiert . Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mindestens eine Anschluss bevorzugt mit einer Anbindungsfläche, insbesondere des Anschlussstücks wie vorhergehend beschrieben, gebildet. Die Anbindungsfläche erstreckt sich dabei zumindest entlang eines Abschnitts vorzugsweise schräg oder geeigneterweise pa ^¬ rallel zu einer Flachseite der Leiterplatte. Aufgrund der schräg, zumindest nicht senkrecht, zur Flachseite der Leiter ^¬ platte orientierten Anbindungsfläche kann derart Material auf der Anbindungsfläche abgeschieden werden, dass das Anbin- dungsstück nicht allein stoffschlüssig an die Leiterplatte angebunden wird, sondern zugleich mittels des auf der Anbin- dungsfläche abgeschiedenen Materials auch eine formschlüssige Anbindung des Anbindungsstücks an die Leiterplatte und/oder das Leistungsmodul realisiert wird.

Idealerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren wie es zuvor beschrieben ist, mittels eines Mehrachsenroboters durchge ^¬ führt. Infolge der Verwendung eines Mehrachsenroboters lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einer hohen Flexibi ^¬ lität durchführen. Insbesondere kann das thermische Sprühen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit in weiten Grenzen beliebigen Winkeln zu übrigen Teilen des Leistungsmoduls und mit großer räumlicher Präzision erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge ^¬ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Leiterplatte mit Kupferleiterbahnen und

Bauelementen vor einem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sche ^¬ matisch im Längsschnitt,

Fig. 2 die Leiterplatte gem. Fig. 1 mit einer an Lei ^¬ terplatte, Kupferleiterbahnen und Bauelementen aufgebrachten Isolation schematisch im Längsschnitt sowie

Fig. 3 das mittels eines letzten Schritts des erfin- dungsgemäßen Verfahrens hergestellte Leis ^¬ tungsmodul schematisch im Längsschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Leiterplatte 10 umfasst einen Schaltungsträger 20 in Gestalt eines aus Keramik bestehenden Flachteils mit einander abgewandten und zueinander parallelen Flachseiten 30, 40. Die Leiterplatte 10 bildet im gezeigten Ausführungsbeispiel ein DCB-Substrat .

Auf einer Flachseite 40 des Schaltungsträgers 20 sind Kupfer- leiterbahnen 50 aufgebracht sowie Bauelemente 60 in Gestalt von IGBTs und Dioden und MOSFETs und Widerstände und Konden ^¬ satoren aufgebracht.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wer- den Bereiche von Schaltungsträger 20, Kupferleiterbahnen 50 und Bauelementen 60 mit einer Isolation 70 in Gestalt einer aufgebrachten Isolierschicht versehen. Die Isolierschicht wird im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Druckens aufge ^¬ bracht, kann aber in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen mittels Sprühens und/oder Dispensens und/oder Rakelns und/oder Laminierens aufgebracht werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Isolation 70 aus einem Polymer. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem gezeigten ent- sprechen, ist die Isolation 70 aus einem oder mehreren

Siloxan/en oder aus mindestens einer Keramik gebildet.

Nachfolgend werden in einem zweiten Schritt des erfindungsge ^¬ mäßen Verfahrens diejenigen Bereiche der Bauelemente 60, der Kupferleiterbahnen 50 und des Schaltungsträgers 20, welche nicht von der Isolation 70 bedeckt sind, mittels thermischen Sprühens von Metall elektrisch leitend kontaktiert. Das thermische Sprühen ist im dargestellten Ausführungsbei ^¬ spiel das Zerstäuben aus einer Schmelze, das sogenannte

Schmelzbadspritzen. In weiteren Ausführungsbeispielen, welche dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Übrigen entsprechen, kann das thermische Sprühen mittels elektrischer Lichtbogenentladung oder elektrischer Gasentladung, insbesondere Lichtbogenspritzen oder Plasmaspritzen, oder mittels Gasexpansion ohne Verbrennen, insbesondere Kaltgasspritzen, oder mittels Verbrennung, insbesondere Drahtflammspritzen oder Pulver- flammspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Detonationsspritzen, oder mittels eines gebündelten energetischen Strahls, insbesondere mittels Laserspritzens, erfolgen.

Das mittels thermischen Sprühens aufgebrachte Metall 80 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel Kupfer oder Silber oder Gold oder Aluminium oder Nickel oder Zinn oder ein Gemisch oder eine Legierung von einigen der vorgenannten Metalle. Grundsätzlich kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten entsprechen, stattdessen auch ein Halbleiter oder eine Metall-Keramik-Verbindung oder ein Material verwendet werden, welches durch einen nachfolgenden Behandlungsschritt, bei ^¬ spielsweise infolge Temperatureintrags oder infolge UV- Lichts, elektrisch leitfähig wird.

Mittels des thermischen Sprühens werden mit dem Metall 80 Leiterbahnen 82 gebildet, welche auf die Isolation 70 aufge ^¬ bracht sind und sich während des thermischen Sprühens mit dieser Isolation 70 Stoffschlüssig verbinden.

Zugleich werden mittels thermischen Sprühens nicht lediglich Bereiche der Bauelemente 60 und des Schaltungsträgers 20 und der Kupferleiterbahnen 50 miteinander elektrisch verbunden, sondern mittels thermischen Sprühens werden zugleich Lastan- Schlüsse 90, 100 elektrisch leitend angebunden. Dabei sind die Lastanschlüsse 90 beispielsweise in eine Vertiefung des Schaltungsträgers 20 (wie in Fig. 2 gezeigt) eingelegt oder die Lastanschlüsse 100 sind auf den Kupferleiterbahnen 50 (wie in Fig. 3 gezeigt) angeordnet. Die Lastanschlüsse 90, 100 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel Anbindungs- flächen 95, 105 auf, welche nicht senkrecht zur Flachseite 40 des Schaltungsträgers 20 orientiert sind, sondern beispiels- weise als parallel zur Flachseite 40 des Schaltungsträgers orientierte Anbindungsfläche 105 oder als eine mit der Flach ^¬ seite 40 des Schaltungsträgers 20 einen Winkel einschließende Anbindungsfläche 95 vorliegen. Im letzteren Falle beträgt der Winkel etwa 45 Grad, kann aber auch kleiner oder größer sein. Infolge des aufgesprühten Metalls 80 werden die Lastanschlüs ^¬ se 90 formschlüssig mit der Leiterplatte 20 verklammert.

Anstelle von Lastanschlüssen 90, 100 können in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch Steuer- anschlüsse thermisch angesprüht werden. Zusätzlich können zugleich auch weitere Bauteile des Leistungsmoduls, insbesonde ^¬ re aktive oder passive elektronische Bauteile und/oder Senso ^¬ ren und/oder Kondensatoren, in demselben Prozessschritt mittels thermischen Sprühens elektrisch kontaktiert und mecha- nisch Angebunden werden. Zweckmäßig weisen in diesen Fällen auch die Steueranschlüsse und die weiteren Bauteile entspre ^¬ chend orientierte Anbindungsflächen auf. Zum thermischen Sprühen wird eine Sprühdüse 120 über den Schaltungsträger 20 hin und her bewegt. Die Orientierung des Schaltungsträgers 20 wird mittels eines Mehrachsenroboters (in der Zeichnung nicht dargestellt) eingestellt und bei Bedarf geändert.