CN113199850B - 将导热材料印刷到冷却装置或功率半导体模块上的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将导热材料印刷到冷却装置或功率半导体模块上的设备，该冷却装置或功率半导体模块布置在保持装置中，该材料在室温下呈蜡质和膏状，且当将该材料加热到高于熔化温度时，该材料变为半流质，其中该材料被布置在存储容器中，借助于连接装置输送到涂敷装置，并且借助于该涂敷装置涂敷到模板的涂敷段上，其中该模板被构造为具有多个凹部的二维形体，并且刮板被构造用以通过从所述涂敷段开始移位来将该材料布置在所述凹部中，并且其中该设备具有至少一个加热装置，其被构造用以将以下部件中的至少一个暂时或永久地加热到高于熔化温度的方法温度：保持装置(如果存在的话)、存储容器、连接装置、涂敷装置、模板、刮板和表面。

Description

将导热材料印刷到冷却装置或功率半导体模块上的设备
技术领域
本发明描述了一种用于将材料印刷到，特别是丝网印刷或模板印刷到形体的表面上的设备，该形体优选被布置在保持装置中，该材料在室温下呈蜡质和膏状，并且当该材料被加热到高于熔化温度时，该材料变为半流质。该形体优选地被构造为冷却装置，特别地被构造为散热器，或者被构造为功率半导体模块的基板或底板，或者被构造为功率半导体模块的衬底外表面，而同时，该材料优选为导热介质，同义地被称为“导热膏”。仅作为示例，这种导热介质由具有非常高比例的导热颗粒的硅树脂材料组成。
背景技术
作为现有技术，US3,656,428公开了一种材料，该材料通过丝网印刷方法涂敷，将该材料与热塑性形体混合，该热塑性形体在室温下为固体并且在预定的高温下熔化。将该材料成形为板的形式，然后将该板压靠在丝网表面上。将该丝网被充分加热，以熔化该板的一部分，并且随后借助于刮板将熔融的材料挤压通过丝网。
DE 10 2005 052 798 Al描述了用于利用成形的定位形体来对彼此分离开来的多个功率半导体模块进行保持和定位的设备和相关联的方法，该成形的定位形体具有平坦的第一主表面和用于保持所述功率半导体的多个凹部。在这种情况下，每个凹部都具有抵接装置，使得一个功率半导体模块的主表面分别被平面平行地定位并且与成形的定位形体的第一主表面齐平。所述凹部被构造用以在第一主表面的方向上从第二主表面开始至少在一个子段中逐渐变细。该设备被用于将导热膏涂敷到该功率半导体模块上。
发明内容
利用现有技术的知识，本发明的目的是提供一种设备和相关联的方法，所述设备和方法使得能够将材料以结构化方式涂敷到冷却装置的表面上或功率半导体模块的表面上，该材料在室温下呈蜡质和膏状，并且当将该材料加热到高于熔化温度时，该材料变成半流质。
根据本发明，该目的通过一种用于将材料印刷到形体的表面上的设备来实现，该形体优选被布置在保持装置中，该材料在室温下呈蜡质和膏状，并且当将该材料加热到高于熔化温度时，该材料变为半流质，其中该材料被布置在存储容器中，并且借助于连接装置将该材料输送到涂敷装置，并且借助于该涂敷装置将该材料涂敷到模板的涂敷段上，其中该模板被构造为具有多个凹部的二维形体，并且其中刮板被构造用以通过从涂敷段开始移位来将该材料布置在所述凹部中，并且其中该设备具有至少一个加热装置，该加热装置被构造用以将以下部件中的至少一个暂时地或永久地加热到高于所述熔化温度的方法温度：保持装置(如果存在的话)、存储容器、连接装置、涂敷装置、模板、刮板和表面。
在这种情况下，术语蜡质和膏状旨在表示黏度大于1000Pa·s，优选大于5000Pa·s，并且术语半流质旨在表示黏度在10Pa·s至500Pa·s之间，优选在20Pa·s和200Pa·s之间，该黏度是根据EN ISO 3219并且优选在10.0l/s的剪切速率下确定的。应该注意的是，该材料在标准条件下(即，在293.15K和1013hPa下)呈蜡质和膏状状态，而未添加其它物质，诸如，例如溶剂。此外，应注意的是，同样地是在1013hPa下确定熔化温度和方法温度。该材料的优选熔化温度比标准温度高20K至70K之间。
在这种情况下，存储容器中的材料的溶剂比例优选为至少1重量％且至多30重量％，优选至多15重量％，并且特别优选至多8重量％。至多5重量％的比例甚至可能是有利的。替代性地是，材料优选是不含溶剂的，即溶剂比例小于0.5重量％。
有利的是，模板被构造为二维金属形体，特别是被构造为具有特别是尺寸为从0.5mm至20mm的凹部的金属片材，或者被构造为具有特别是尺寸为从0.01mm至0.2mm的凹部的细网孔织物。在这种情况下，金属形体的优选厚度在60μm至0.8mm之间。
有利的是，可选地是相应的方法温度比熔化温度高至少10K，优选高至少15K，并且特别优选高至少20K。
此外，之前提及的目的通过一种用于将材料印刷到形体的表面上的方法来实现，该材料在室温下为蜡质和膏状，并且当将该材料被加热到高于其熔化温度时，该材料变为半流质，其中在高于所述熔化温度的材料温度的情况下将该材料涂敷到所述表面上，该方法具有以下方法步骤：
a)将形体和模板相对于彼此布置；
b)加热以下部件中的至少一个部件中的材料：存储容器、连接装置和涂敷装置；
c)将经加热的所述材料涂敷到模板的涂敷段上；
d)借助于刮板将所述材料引入到模板的凹部中。
如上所提及的设备优选被用于执行所述方法。
在这种情况下，优选的是，材料是不含溶剂的，并且优选的是，材料温度比熔化温度高至少3K，优选高至少5K，并且特别优选高至少10K。
特别有利的是，材料温度比熔化温度高至多30K，优选高至多20K，并且特别优选高至多15K。
替代性地是，可能优选的是，材料的溶剂比例为至多30重量％，优选至多15重量％，并且特别优选至多8重量％，并且可能优选的是，材料温度比熔化温度低至少3K，优选低至少5K，并且特别优选低至少10K。
同样优选的是，在该方法之后，该材料立即呈蜡质和膏状形式，而无需之后进行进一步的热处理，特别是用于排出溶剂。
当然，除非明确地排除或本身或与本发明的构思相抵触，否则在根据本发明的设备中以单数形式分别提到的特征，特别是用于形体的保持装置可以以复数形式存在，或在根据本发明的方法中以复数形式使用。同样，在根据本发明的方法或该方法的序列中，一些方法步骤，特别是所有方法步骤可以以复数形式存在。
应当理解，本发明的各种构造，无论它们是否在设备的或方法的描述的范围内被公开，它们都可以被单独实施或以任何期望的组合实施，以便实现改进。特别地是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上和以下提及和解释的特征不仅可以以指定的组合使用，还可以以其它组合使用或单独使用。
附图说明
可以从图1至图8中示意性地示出的示例性实施例的或这些示例性实施例的相应部分的以下描述中找到本发明的进一步解释以及有利的细节和特征。
图1以平面图示出了用于保持形体的保持装置的一部分。
图2以三维视图示出了保持装置和模板的细节。
图3至图6示出了根据本发明的方法的一种构造的各个步骤。
图7示出了功率半导体模块，其中材料被布置在衬底外表面上。
图8示出了冷却装置连同所布置的材料。
具体实施方式
图1以平面图示出了用于保持形体30的保持装置10的一部分。保持装置10被构造为成形的金属形体，该成形的金属形体具有用于保持形体的多个单元12，在这种情况下，所述形体呈功率半导体模块30的形式。这些功率半导体模块30可以(参见图3)从下方沿z方向布置在保持装置10中，该保持装置10的抵接装置14以如下方式定位功率半导体模块30，即：使得，该保持装置10的主表面100与将被布置的功率半导体模块30的衬底外表面320平齐。
图2以三维视图示出了保持装置10和模板20的细节。保持装置10再次具有包括抵接装置14的单元12，并且另外具有加热装置812，该加热装置812被构造用以将该保持装置10加热到所指定的方法温度。不受一般性限制，在这种情况下，该方法温度旨在比该材料的熔化温度高约15K。
为了清楚起见，模板20的一段还被分开表示出来。该模板20由厚度为200μm的金属片材组成并且包括多个凹部22，在该方法的范围内，所述多个凹部22被构造用于将被布置在所述多个凹部中的材料，所述材料在这种情况下是导热介质。模板20的凹部22优选被构造成正方形或六边形，并且具有在几毫米范围内的内部宽度。模板20同样具有加热装置806，该加热装置806被构造用以将模板20加热到所指定的方法温度。同样地是，在不受一般性限制的情况下，该方法温度应该比材料的熔化温度高约10K，即，处于低于保持装置10的方法温度的温度下。
图3至图6示出了根据本发明的方法的一种构造的各个步骤。图3以横截面示出了保持装置10，并且示出了在该保持装置10中的多个单元12。每个单元12都具有抵接装置14，所述抵接装置14被构造为与功率半导体模块30的所要被布置在相应的单元中的部分相互作用，这些模块在这种情况下形成所述形体。
此外，示出了电压等级1200V且载流能力为100A的两个常规的功率半导体模块30。各个功率半导体模块30都具有衬底30，该衬底30具有衬底外表面320和周向壳体边缘34。壳体边缘34以如下方式与所分配的单元12的抵接装置14相互作用，即：使得衬底外表面320与保持装置10的主表面100一起形成平面。功率半导体模块30的与衬底外表面320相对的相对侧被布置在输送装置40中。替代性地是，功率半导体模块30也可以被布置在常规的工件载架中。
图4示出了保持装置10连同根据图3的功率半导体模块30，以及布置在保持装置10的主表面100上且布置在衬底外表面320上的模板20。该模板如关于图2所述的那样被构造。
此外，示出了存储容器50和涂敷装置54，该存储容器50和该涂敷装置54借助于连接装置52被连接起来。在存储容器50中布置有材料60，在这种情况下，材料60是导热介质，该材料不需添加其它物质，在标准条件下具有蜡质和膏状稠度，并且在高于该材料的熔化温度下具有半流质稠度。在这种构造中，没有其它物质，特别是没有溶剂被添加到导热介质60中。然而，为了能够在不需高压的情况下将导热介质60通过连接装置52输送到涂敷装置54并将导热介质60涂敷在模板20的涂敷段24上，借助于加热装置800以如下方式加热存储容器50，即：使得内部中的材料温度比材料60的熔化温度(在这种情况下约为313K)高至少15K。优选地是，也如这里所表示的那样，连接装置52和涂敷装置54两者同样分别借助于加热装置802、804进行加热，使得在上述材料温度的情况下涂敷材料并且借助于涂敷装置54将材料涂敷到模板20上。
在这种构造中，模板20同样被加热。为此，在这种情况下，布置了两个加热装置806、808：直接加热装置806，其通过流过模板20的加热电流来加热模板20；以及间接加热装置808，其被构造为红外加热辐射器，具有焦点并且优选具有光圈装置。在这种情况下，红外加热辐射器不仅加热模板20，而且还通过模板20的凹部22加热功率半导体模块30的衬底外表面320。
图5示出了方法序列的另一步骤，在该步骤中，借助于刮板24将导热介质64引入到模板20的凹部22中，该刮板24优选地是同样具有加热装置810，参见图6。在两个方法步骤期间，导热介质64的温度均高于该导热介质的熔化温度。
在到目前为止描述的方法的构造中，材料已不含溶剂并且在整个处理过程中具有高于熔化温度的温度。在处理之后并且在冷却材料即冷却导热介质66之后，在标准条件下，该材料呈蜡质和膏状形式。
图7示出了功率半导体模块30，该功率半导体模块30具有以均匀分布的方式布置在衬底外表面320上的材料，所述材料在这种情况下为导热介质66。
作为上文描述的方法序列的替代方案，该材料的溶剂比例可以优选为从10％至15％。在这种情况下，材料的温度，或更确切地说是与溶剂的混合物的温度(在该温度下，该材料呈现半流质稠度)低于不含溶剂材料的熔化温度。因此，储存容器和模板之间的加热也可以对应地是较少的。然而，至关重要的是，到该方法结束时，溶剂已经从所指定的设备中的材料中逸出，其程度为材料以蜡质和膏状稠度存在。
图8示出了根据该方法的呈非均匀分布的替代性构造的冷却装置70连同所布置的材料，在这种情况下，所述材料同样是导热介质66。
应该提到的是，无论模板是否被构造为二维金属形体，特别是被构造为具有尺寸为从1mm至20mm的凹部的金属片材，还是被构造为具有尺寸为从0.01mm至0.5mm的凹部的细网孔织物，这两种方法原则上都可以以相同的方式执行。

Claims (28)

1.一种用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，所述材料在标准条件下呈蜡质和膏状，并且当将所述材料加热到高于熔化温度时，所述材料变为半流质，其中所述材料被布置在储存容器(50)中，并且借助于连接装置(52)将所述材料输送到涂敷装置(54)，并且借助于该涂敷装置(54)将所述材料涂敷到模板(20)的涂敷段(24)上，其中所述模板(20)被构造为具有多个凹部(22)的二维形体，并且其中刮板(26)被构造用以通过从所述涂敷段(24)开始移位来将所述材料布置在所述凹部(22)中，并且其中所述设备具有至少一个加热装置(800-812)，所述至少一个加热装置(800-812)被构造用以将所述形体的所述表面(320、720)和以下部件中的至少一个暂时地或永久地加热到高于所述熔化温度的方法温度：储存容器(50)、连接装置(52)、涂敷装置(54)、模板(20)和刮板(26)。
2.根据权利要求1所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述储存容器(50)中的所述材料的溶剂比例为至多30重量％。
3.根据权利要求1所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述储存容器(50)中的所述材料不含溶剂。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述模板(20)被构造为二维金属形体，其具有尺寸为从1mm至20mm的凹部(22)，或者被构造为具有尺寸为从0.01mm到0.5mm的凹部的细网孔织物。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
蜡质和膏状意指黏度大于1000Pa·s并且半流质意指黏度在10Pa·s和500Pa·s之间。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
对于如下部件中的每一个部件，所述方法温度分别不同：储存容器(50)、连接装置(52)、涂敷装置(54)、模板(20)、刮板(26)和表面(320、720)。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述方法温度比所述熔化温度高至少10K。
8.根据权利要求1所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述形体被布置在保持装置(10)中。
9.根据权利要求2所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述储存容器(50)中的所述材料的溶剂比例为至多15重量％。
10.根据权利要求2所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述储存容器(50)中的所述材料的溶剂比例为至多8重量％。
11.根据权利要求4所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述二维金属形体为金属片材。
12.根据权利要求5所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
蜡质和膏状意指黏度大于5000Pa·s，并且半流质意指黏度在20Pa·s和200Pa·s之间。
13.根据权利要求7所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述方法温度比所述熔化温度高至少15K。
14.根据权利要求7所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的设备，其中，
所述方法温度比所述熔化温度高至少20K。
15.一种用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，所述材料在室温下为蜡质和膏状的，并且当将所述材料加热到高于该材料的熔化温度时，所述材料变为半流质，其中在高于所述熔化温度的材料温度的情况下，将所述材料涂敷到所述表面(320、720)上，所述方法具有以下方法步骤：
a)将形体和模板(20)相对于彼此布置；
b)加热所述形体的所述表面和以下部件中的至少一个部件中的所述材料：储存容器(50)、连接装置(52)和涂敷装置(54)；
c)将经加热的所述材料涂敷到所述模板(20)的涂敷段(24)上；
d)借助于刮板(26)将所述材料引入到所述模板(20)的凹部(22)中。
16.根据权利要求15所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，使用根据权利要求1至14中的任一项所述的设备来执行所述方法。
17.根据权利要求15或16所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料是不含溶剂的，并且所述材料温度比所述熔化温度高至少3K。
18.根据权利要求15至16中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，所述材料温度比所述熔化温度高至多30K。
19.根据权利要求15或16所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料是含溶剂的，溶剂比例为至多30重量％，并且所述材料温度比不含溶剂材料的熔化温度低至少3K。
20.根据权利要求15至16中的任一项所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，所述材料在所述方法之后立即呈蜡质和膏状形式，而无需之后进行进一步的热处理。
21.根据权利要求17所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比所述熔化温度高至少5K。
22.根据权利要求17所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比所述熔化温度高至少10K。
23.根据权利要求18所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比所述熔化温度高至多20K。
24.根据权利要求18所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比所述熔化温度高至多15K。
25.根据权利要求19所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料的溶剂比例为至多15重量％。
26.根据权利要求19所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料的溶剂比例为至多8重量％。
27.根据权利要求19所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比不含溶剂材料的熔化温度低至少5K。
28.根据权利要求19所述的用于将材料印刷到形体的表面(320、720)上的方法，其中，
所述材料温度比不含溶剂材料的熔化温度低至少10K。
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