DE102015120100B4 - Elektronisches Modul, Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls und Zusammenstellung von übereinandergestapelten elektronischen Modulen - Google Patents

Elektronisches Modul, Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls und Zusammenstellung von übereinandergestapelten elektronischen Modulen Download PDF

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Abstract

Elektronisches Modul (16) umfassend eine wärmeabgebende elektronische Komponente (1), wobei die elektronische Komponente (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, welches eine elektrisch isolierende Verbindung (3) umfasst, wobei die elektronische Komponente (1) in einem Körper (3a) des Gehäuses von allen Seiten in der geformten Verbindung (3) eingekapselt ist, und wobei mindestens zwei Außenflächen des Gehäuses geformte strukturierte Oberflächen (4b) sind, um den Wärmetransfer zu verbessern, wobei die mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers (3a) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) eine Struktur von Wänden sind, die Passagen formen für den Durchfluss eines Kühlfluids entlang der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) einstückig mit dem Körper (3a) geformt ist und dass das elektronische Modul (16) dazu eingerichtet ist, übereinandergestapelt zu werden, so dass die strukturierten Oberflächen (4b) zwischen angrenzenden elektronischen Modulen (16) in direktem Kontakt miteinander stehen und geschlossene Kanäle bilden, damit das Kühlfluid, nämlich Kühlflüssigkeit, die zwei angrenzenden elektronischen Module (16) kühlen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul, umfassend eine wärmeabgebende elektronische Komponente, wobei die elektronische Komponente in einem Gehäuse angeordnet ist, das eine elektrisch isolierende Verbindung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls der oben genannten Art.
  • In mehreren Feldern der Elektronik wird es zunehmend schwierig, die Größe von elektronischen Komponenten zu verringern. Beispielsweise für Leistungshalbleiter ist es von besonderer Wichtigkeit, elektrische Energie in einem verringerten Volumen effizient umwandeln zu können. Im Feld des Computing sind leistungsfähige Mikroprozessoren eine der Grundvoraussetzungen für kleine und rechenstarke mobile Geräte. Um allerdings die Umwandlung von großen Mengen elektrischer Leistung in einem kleinen Volumen oder eine hohe Rechenleistungsdichte und Zuverlässigkeit zu ermöglichen, ist eine immer effizientere Kühlung der elektronischen Komponenten notwendig.
  • Im Stand der Technik umfassen die etablierten Lösungen beispielsweise die Verwendung von Kupfergrundplatten, großflächigen Lötschichten und drahtbondbaren Rahmen, um den Wärmetransport weg von der elektronischen Komponente zu erhöhen. Ein Nachteil dieser Lösungen liegt in der komplizierten Herstellung und der daraus folgenden erhöhten Kosten. Alternative momentane Niedrigkostendesigns beseitigen teure Grundplatten, aber begrenzen gleichzeitig die Menge an Hitze, die abtransportiert werden kann und begrenzen somit die Leistungsfähigkeit bei weiterer Miniaturisierung der elektronischen Komponenten.
  • Traditionelle Designs von Gehäusen von hitzeerzeugenden elektronischen Komponenten umfassen die Verwendung von Kühlkörpern, um Hitze an die Luft oder ein dafür bestimmtes Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, das in Kontakt mit dem Kühlkörper geleitet wird, zu übertragen. Die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers hängt von seiner Geometrie sowie vom gewählten Material ab. Daher waren im Stand der Technik die Kühlkörper überwiegend aus einem Metall konstruiert, wie Aluminium oder Kupfer, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Außerdem wird für erfolgreiche Gehäuse von elektronischen Komponenten häufig eine formbare Verbindung verwendet, um die elektronische Komponente einzukapseln und sie vor der externen Umgebung zu schützen, insbesondere um Kurzschlüsse aufgrund von Staub oder Feuchtigkeit zu verhindern. Traditionell umfassen solche formbaren Verbindungen organische Materialien, die oft durch anorganische Füllstoffe ergänzt werden. Diese formbaren Verbindungen haben den Vorteil, dass sie üblicherweise elektrische Isolatoren sind. Allerdings haben sie üblicherweise eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, woraus folgt, dass auf metallische Kühlkörper der oben genannten Art nicht verzichtet werden kann.
  • Aus DE 10 2009 045 063 A1 ist ein Leistungshalbleiter mit einem spritzgegossenen Kühlkörper bekannt, der die bekannten metallischen Kühlkörper ersetzen kann. Der Kühlkörper umfasst eine Verbindung mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m*K) und ist auf einer Seite des Leistungshalbleiters angeordnet. Die Wärmeleitfähigkeit der beschriebenen Materialien reicht bis 100 W/(m*K) (siehe [0010]) und kommt somit der von Metallen, die für bekannte Kühlkörper verwendet werden, nahe. Die den Kühlkörper gegenüberliegende Seite des Leistungshalbleiters kann mit einer üblichen elektrisch isolierenden Verbindung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit abgedichtet werden (siehe [0018]).
  • US 2006 / 0 164 811 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Leiterplatte durch ein Spritzgussverfahren in einem Polymer eingeschlossen wird, wobei ein Kühlkörper mitgeformt werden kann.
  • Aus DE 10 2013 112 267 A1 ist ein Halbleitermodul mit einer einen Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse bekannt. Eine oder zwei Oberflächen des Halbleiterbausteins können mit Kühlkörpern verbunden werden
  • Aus EP 0 506 509 A2 ist ein weiteres Halbleiterbauteil bekannt. Eine strukturierte Oberfläche kann auf einer Seite des elektronischen Moduls durch Spritzguss geformt werden.
  • DE 103 22 745 A1 zeigt ein Leistungshalbleiter-Bauelement mit einem Kühlkörper für eine aktive Kühlung durch ein Kühlmittel. Zwischenräume zwischen Rippen eines Kühlkörpers des Leistungshalbleiter-Bauelements und einem externen Gehäuse können von dem Kühlmittel durchflossen werden.
  • JP S62 - 81 735 A beschreibt ein Gehäuse mit einer integrierten Kühlerrippe. Dabei ist auf einer Oberseite und einer Unterseite einer Verpackung abwechselnd eine Vielzahl von Rillenstreifen und vorstehenden Streifen vorgesehen, wobei die Tiefe der Rillenstreifen, die Höhe der vorstehenden Streifen und deren Anzahl variabel sind. Die vorstehenden Streifen sind Kühlrippen, von welchen Wärme abgestrahlt wird.
  • US 2011 0 316 143 A1 beschreibt ein Halbleitermodul mit einem Kühlmechanismus und ein dazugehöriges Produktionsverfahren. Das Halbleitermodul ist durch eine Harzform hergestellt, in der ein Kühlmittelpfad ausgebildet ist, durch den ein Kühlmittel fließt, um ein in der Harzform eingebettetes Halbleitermodul zu kühlen. Die Harzform weist Wärmeverteiler und darin eingebettete elektrische Anschlüsse auf. Jeder der Wärmeverteiler hat einen Rippenkühlkörper, der durch das Kühlmittel umspült ist. Der Rippenkörper ist durch einen Isolator mit einer Oberfläche jedes der Wärmeverteiler verschweißt.
  • Während die oben genannte Lösung die Herstellungskosten verringert, ist die bereitgestellte Kühlleistung nach wie vor nicht einer Verwendung von metallischen Kühlkörpern ebenbürtig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein elektronisches Modul der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine verbesserte Kühlung für eine elektronische Komponente bereitstellt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen elektronischen Moduls bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch ein lektronisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dabei ist die elektronische Komponente in einem Körper des Gehäuses von allen Seiten in einer geformten Verbindung eingekapselt.
  • Gemäß dieser Lösung kann die elektronische Komponente von allen Seiten in dem Körper eingeschlossen sein, wodurch die Wärmeleitung weg von der elektronischen Komponente verbessert wird. Der Begriff „elektronische Komponente“ im Rahmen dieser Anmeldung ist so zu verstehen, dass sie mindestens die wärmeerzeugende Einheit, wie einen Leistungshalbleiter (wie ein IGBT oder MOSFET), eine Lichtquelle (wie eine LED) oder einen Mikroprozessor umfasst, sowie, soweit zutreffend, eine zugehörige Grundplatte und/oder eine Lötschicht und/oder eine zusätzliche spritzgegossene Verbindung. Die elektronische Komponente ist somit eingekapselt in einem geformten Körper, wobei der Körper allerdings durch einen Leiterrahmen und/oder leitende Leiter zur Übertragung von elektrischen Strömen zur oder von der elektronischen Komponente durchdrungen werden kann. „Geformt“ im Rahmen dieser Anmeldung kann beispielsweise „spritzgegossen“ bedeuten.
  • Die erfindungsgemäße Lösung stellt nicht nur eine verbesserte Kühlung bereit, sondern auch eine gleichmäßigere Kühlung, wodurch die Belastung auf die elektronische Komponente durch große Temperaturgradienten in der elektronischen Komponente während des Betriebs der elektronischen Komponente vermindert wird. Dadurch wird die Lebensdauer des elektronischen Moduls vergrößert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Verbindung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/(m*K). Neue formbare Verbindungen ermöglichen nun Verbesserungen gegenüber vorherigen Kühlkörpern. Diese Verbindungen stellen deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten bereit, welche mit denen von Metallen konkurrieren können, wobei sie einfacher zu formen sind und sogar das Formen eines Körpers von allen Seiten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit um eine elektronische Komponente ermöglichen. Vorzugsweise liegt die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung in einem Bereich zwischen 120 und 1.000 W/(m*K), noch weiter bevorzugt in einem Bereich von 120 bis 600 W/(m*K). Noch weiter bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung in einem Bereich von 120 bis 300 W/(m*K). Vorzugsweise ist die Verbindung ein Polymer. Die Polymerverbindung kann ein Füllmaterial umfassen, welches die Wärmeleitfähigkeit erhöht, so dass das Material eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Polymer alleine. Solche Füllstoffe können in der Masse des Polymers in der Form von Nanopartikeln verteilt werden. Das Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung der Polymerverbindung kann die Verwendung von chemischen Reaktionen einschließen, welche die Bildung eines Verbundwerkstoffs unterstützen.
  • Im Allgemeinen kann bei elektronischen Modulen mindestens eine äußere Oberfläche des Körpers zu einer strukturierten Oberfläche geformt sein, um den Wärmetransfer zu verbessern. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise aus parallelen plattenartigen Finnen und/oder langen dünnen Zapfen bestehen. Alternativ kann die strukturierte Oberfläche auch eine Struktur von Wänden sein, die Passagen formen für den Durchfluss eines Kühlfluids, z.B. Wasser, entlang der Oberfläche.
  • Erfindungsgemäß sind jedoch mindestens zwei äußere Oberflächen des Gehäuses sind geformte strukturierte Oberflächen, um die Wärmeleitung zu verbessern, wobei die mindestens zwei der strukturierten Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, falls das elektronische Modul eine Vielzahl an elektronischen Komponenten umfasst, wobei jede in einer geformten Verbindung eingekapselt ist. Die elektronischen Komponenten können dann übereinander gestapelt werden, so dass die strukturierten Oberflächen der einzelnen Körper von sich benachbarenden elektronischen Komponenten in direktem Kontakt miteinander stehen. Somit kann man beispielsweise Fluidwege für ein Kühlfluid zwischen zwei angrenzenden eingekapselten elektronischen Komponenten bilden.
  • Mindestens eine strukturierte Oberfläche einstückig wird mit dem Körper geformt. Dadurch kann man beispielsweise den Körper um die elektronische Komponente gleichzeitig mit der strukturierten Oberfläche formen, um den Wärmetransport zu verbessern. Dadurch wird ein Produktionsschritt eingespart. Vorzugsweise werden zwei strukturierte Oberflächen, die aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Körpers angeordnet sind, einstückig mit dem Körper während des Formprozesses geformt. Allerdings kann auch eine größere Anzahl von strukturierten Oberflächen einstückig mit dem Körper geformt werden, beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs der Oberflächen des Körpers.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine strukturierte Oberfläche in einer separat geformten Kühlstruktur angeordnet, die am Körper befestigt wird. In dieser Ausführungsform wird die elektronische Komponente im Körper während des Formungsprozesses eingekapselt. In einem separaten Formungsprozess werden eine, zwei oder mehr Kühlstrukturen geformt und dann in einem späteren Schritt am Körper befestigt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine größere Flexibilität in der Herstellung eines elektronischen Moduls, so kann es beispielsweise wünschenswert sein, dieselbe elektronische Komponente mit verschiedenen Leveln der Kühlung oder verschiedenen Größen der Kühlstrukturen entsprechend der gewünschten Anwendung bereitzustellen. Darüber hinaus kann es für manche Anwendungen vorteilhaft sein, den Körper und die Kühlstrukturen aus verschiedenen Verbindungen zu formen. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, eine Verbindung mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit für den Körper zu verwenden, während eine Verbindung mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit für die Kühlstrukturen ausreichen kann. Auch hier können der Körper und/oder die Kühlstrukturen spritzgegossen sein.
  • Es ist bevorzugt, wenn die elektronische Komponente mindestens eine elektronische Einheit umfasst, die auf leitenden Leitern und/oder Leiterrahmen und/oder einer Grundplatte montiert ist. Allerdings können Teile der leitenden Leitungen und/oder des Leiterrahmens und/oder der Grundplatte den Körper durchdringen und so eine Kommunikation der elektronischen Komponente aus dem Gehäuse heraus ermöglichen.
  • Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch eine Zusammenstellung von übereinandergestapelten elektronischen Modulen gemäß Anspruch 12 gelöst.
  • Das Verfahren umfasst unter anderem die folgenden Schritte:
    • - Bereitstellen einer elektronischen Komponente,
    • - Platzieren der elektronischen Komponente in einer Form,
    • - Formung eines Körpers von allen Seiten um die elektronische Komponente durch Einbringen einer formbaren Verbindung in die Form, wobei die Verbindung elektrisch isolierend ist.
  • Gemäß diesem Herstellungsverfahrens wird die elektronische Komponente in einer Form platziert und ein Körper wird um die elektronische Komponente durch einen Formungsprozess geformt. Abhängig davon, wie die elektronische Komponente strukturiert ist, also beispielsweise, ob die elektronische Komponente leitende Leiter und/oder Leiterrahmen und/oder eine Grundplatte umfasst, ist die elektronische Komponente mehr oder weniger vollständig im Körper eingekapselt. Eingekapselt bedeutet hier und im Rahmen dieser Anmeldung erneut, dass einer oder mehrere Teile der elektronischen Komponente den Körper durchdringen können, beispielsweise in Form eines Leiterrahmens, um eine Kommunikation nach außen zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Verbindung mindestens 120 W/(m*K). Der Formungsprozess kann durch Spritzguss ausgeführt werden.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Konstruierens der elektronischen Komponente durch das Befestigen von mindestens einer elektronischen Einheit auf einer Grundplatte. Der Begriff „elektronische Einheit“ bezeichnet hier beispielsweise einen Leistungshalbleiter, einen Mikroprozessor oder jede andere Art von vergleichbarer wärmeabgebender elektronischer Einheit. Der Begriff „Grundplatte“ kann hier beispielsweise eine ein- oder vielschichtige metallische Grundplatte oder eine Grundplatte sein, die aus einer zusätzlichen Spritzgussverbindung oder einer Spritzgussverbindung geformt ist.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Grundplatte eine zusätzliche geformte Verbindung umfasst, wobei die zusätzliche formbare Verbindung elektrisch isolierend ist und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/(m*K) aufweist. Die zusätzliche formbare Verbindung kann entweder die gleiche Verbindung sein, die zur Formung des Körpers verwendet wird oder ein anderes Material. Allerdings wird die Grundplatte in diesem Fall durch ein separates Spritzgussverfahren geformt, und danach wird die elektronische Einheit auf der Grundplatte befestigt. Die resultierende elektronische Komponente umfassend die elektronische Einheit und die geformte Grundplatte wird dann in der Form platziert für den Hauptformungsprozess, in welcher der Körper um die elektronische Komponente geformt wird.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn mindestens eine elektronische Einheit auf der Grundplatte durch Kleben und/oder lokales Anschmelzen auf der Grundplatte befestigt ist. Ein Verkleben von mindestens einer elektronischen Einheit auf der Grundplatte ist bevorzugt, wenn die Grundplatte eine einzel- oder vielschichtige metallische Grundplatte ist. Wenn die Grundplatte aus einer zusätzlichen Formmasse geformt ist, kann ein lokales Anschmelzen der Grundplatte zur Befestigung der elektronischen Einheit bevorzugt sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eine elektronische Einheit temporär an der Grundplatte befestigt, wobei eine permanente Befestigung an der Grundplatte während des Formungsprozesses des Körpers erfolgt. In dieser Ausführungsform muss die elektronische Einheit nur temporär an der Grundplatte befestigt sein, um in Position gehalten zu werden, bis der Körper im Hauptspritzgussverfahrensschritt der Formung des Körpers geformt wird.
  • Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Schritt das Formen mindestens einer Außenfläche des elektronischen Moduls in eine strukturierte Oberfläche während des Formungsprozesses des Körpers zur Verbesserung des Wärmetransfers im resultierenden elektronischen Modul, wobei mindestens eine strukturierte Oberfläche einstückig mit dem Körper geformt wird. In diesem Fall wird eine strukturierte Oberfläche einstückig mit dem Körper während des Spritzgussprozesses des Körpers um die elektronische Komponente geformt. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess des elektronischen Moduls, kann jedoch zu einer schnelleren Abnutzung der Form führen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind weitere Schritte:
    • - Formen von mindestens einer strukturierten Oberfläche in mindestens einer separaten Kühlstruktur,
    • - Befestigen der mindestens einen Kühlstruktur am separat spritzgegossenen Körper.
  • In diesem Fall wird die mindestens eine strukturierte Oberfläche umfassende Kühlstruktur in einem separaten Formprozess geformt und danach an dem geformten Körper befestigt. Die Oberflächen oder eine der Oberflächen des Körpers und/oder der Kühlstruktur können lokal geschmolzen werden zur Verbindung des Körpers mit der Kühlstruktur. Diese Ausführungsform erlaubt eine größere Flexibilität in der Herstellung des elektronischen Moduls, da der Typ der Kühlstruktur für dieselbe elektronische Komponente verändert werden kann. Es kann auch von Vorteil sein, separate Formen zur Formung der Kühlstruktur und des Körpers zu haben, um die Verwendung von verschiedenen Verbindungen zur Formung des Körpers und der Kühlstruktur zu ermöglichen. Dies kann von Vorteil sein, um Produktionskosten zu vermindern und gleichzeitig die gesamte Kühlleistung zu verbessern. Entweder einer oder beide Formungsprozesse für den Körper und die strukturierte Oberfläche kann ein Spritzgussprozess sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind weitere Schritte:
    • - Bereitstellen von elektrischen Verbindungen zwischen elektronischen Einheiten der elektronischen Komponente, insbesondere durch Drahtbonden und/oder durch einen Leiterrahmen und/oder durch leitende Leitungen, bevor der Körper geformt ist.
  • Die elektrischen Verbindungen können beispielsweise leitende Leitungen oder ein Leiterrahmen sein. Insbesondere die Verwendung eines Leiterrahmens vereinfacht die Platzierung und das Halten der elektronischen Komponente in der Form während des Formens des Körpers.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Verweis auf die Fig. beschrieben, wobei:
    • 1 eine erste Ausführungsform eines elektronischen Moduls zeigt,
    • 2 eine zweite Ausführungsform eines elektronischen Moduls umfassend Kühlstrukturen zeigt,
    • 3 eine dritte Ausführungsform umfassend eine Grundplatte zeigt,
    • 4 eine vierte Ausführungsform eines elektronischen Moduls umfassend eine spritzgegossene Grundplatte zeigt,
    • 4a eine fünfte Ausführungsform umfassend eine Grundplatte, die aus einem Substrat geformt ist, zeigt,
    • 5 bis 8 mehrere Schritte des Herstellungsverfahrens eines elektronischen Moduls in einer sechsten Ausführungsform zeigen,
    • 9 eine siebte Ausführungsform eines elektronischen Moduls mit separat geformten Kühlstrukturen zeigt,
    • 10 eine achte Ausführungsform eines elektronischen Moduls gemäß der Erfindung umfassend einstückig geformte Kühlstrukturen zeigt,
    • 11 eine neunte Ausführungsform eines elektronischen Moduls gemäß der Erfindung umfassend mehrere elektronische Komponenten zeigt,
    • 12 ein Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens zeigt.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines elektronischen Moduls 16. Das elektronische Modul 16 umfasst eine wärmeabgebende elektronische Komponente 1, welche vollständig in einer elektrisch isolierenden spritzgegossenen Verbindung 3 eingekapselt ist. Die Verbindung 3 formt einen Körper 3a. Die elektronische Komponente 1 umfasst eine elektronische Einheit 1a, welche beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein Leitungshalbleiter sein kann. Die elektronische Komponente 1 umfasst weiterhin leitende Leitungen 2, um es elektrischen Signalen und Strömen zu erlauben, in das elektrische Modul 16 hinein und aus dem elektrischen Modul 16 heraus zu gelangen von oder zur elektrischen Komponente 1 und/oder der elektronischen Einheit 1a. Die spritzgegossene Verbindung 3 hat vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/(m*K). Der Körper 3a um die elektronische Komponente 1 wird durch einen Formungsprozess geformt, in welcher die Verbindung 3 in eine Form eingebracht wird, um den Körper 3a zu formen. Der Formungsprozess kann beispielsweise ein Spritzgussverfahren sein. Es ist aber auch möglich, eine Verbindung von Spritzgussverfahren und anderen Formungsverfahren für die verschiedenen Teile des elektronischen Moduls zu verwenden. Beispielsweise kann der Körper 3a durch ein Spritzgussverfahren um die elektronische Komponente 1 geformt werden, während zusätzliche Teile des elektronischen Moduls 16 durch andere Formungsprozesse geformt werden.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines elektronischen Moduls 16. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind strukturierte Oberflächen 4a im Körper 3a geformt worden. Die strukturierten Oberflächen 4a haben die Form von parallelen plattenartigen Finnen. Alternativ können die strukturierten Oberflächen 4a auch die Form von langen dünnen Zapfen oder vergleichbaren Strukturen mit einer großen Oberfläche haben, um eine verbesserte Wärmeabgabe an die Umgebungsluft zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform sind die strukturierten Oberflächen 4a auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers 3a angeordnet. Allerdings können die strukturierten Oberflächen auch nur auf einer Seite des Körpers 3a oder auf drei, vier, fünf oder sechs Seiten des Körpers 3a angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind die strukturierten Oberflächen ein einstückiger Teil des Körpers 3a und daher gemeinsam mit dem Körper 3a im selben Spritzgussprozess geformt. Das Formen von zwei strukturierten Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten hat den Vorteil, dass der Wärmetransfer weg von der elektronischen Komponente 1 symmetrischer ist. Dadurch können unnötige Belastungen der elektronischen Komponente 1 durch Unterschiede in der Wärmeausdehnung der Ober- und Unterseiten der elektronischen Komponente und/oder des Körpers 3a vermieden werden. Dies erhöht die Lebensdauer des elektronischen Moduls 16.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines elektronischen Moduls 16. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen umfasst die elektronische Komponente 1 eine Grundplatte 9, an welcher eine elektronische Einheit 1a befestigt ist. Die Grundplatte 9 umfasst eine zentrale isolierende Schicht 7 und zwei äußere Schichten 8a, 8b aus einem Leiter. Solche Strukturen sind beispielsweise als DBC-Substrat (direct copper bonding) bekannt und aus zwei äußeren Kupferschichten aufgebaut, die an eine zentrale Keramikschicht gebondet sind. Die elektronische Einheit 1 ist mit einem Leiterrahmen 5 über ein Drahtbonding 6 verbunden. Der Leiterrahmen ist mit der Schicht 8a verbunden.
  • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines elektronischen Moduls 16. Es gibt zwei Unterschiede zur dritten Ausführungsform. Die Grundplatte 10 ist aus einem elektrisch isolierenden Substrat geformt. Das Substrat, aus der die Grundplatte 10 geformt ist, kann aus dem gleichen Material bestehen wie der Körper 3a. Die Grundplatte 10 ist mit einem Leiterrahmen 5 verbunden. Im Gegensatz zur dritten Ausführungsform sind alle Seiten des Leiterrahmens 5 mit der elektronischen Einheit 1a über Drahtbondings 6 verbunden.
  • Eine fünfte Ausführungsform ist in 4a gezeigt. Diese Ausführungsform ist der vierten Ausführungsform aus 4 ähnlich. Allerdings ist die Grundplatte 11 aus einem elektrisch leitfähigen Substrat geformt. Sowohl die elektronische Einheit 1a als auch die Grundplatte 11 sind mit Leiterrahmen 5 verbunden. Die elektronische Komponente 1 umfassend die elektronische Einheit 1a, die Grundplatte 11 und die Leiterrahmen 5 wird in den Körper 3a spritzgegossen.
  • 5 bis 8 zeigen eine Anzahl von Schritten des Herstellungsverfahrens eines elektronischen Moduls 16. Im ersten Schritt wird eine Grundplatte 10 bereitgestellt, wie in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die Grundplatte 10 aus einer formbaren Verbindung geformt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise aus derselben Verbindung, aus der der Körper 3a später geformt wird. Allerdings kann die Grundplatte auch eine vielschichtige Grundplatte sein oder eine Grundplatte sein, die aus einem elektrisch leitfähigen Substrat geformt ist.
  • 6 zeigt die folgenden Schritte des Herstellungsverfahrens, gemäß denen die elektronische Komponente 1 durch Befestigen der elektronischen Einheit 1a an der Grundplatte 10 geformt wird. Danach wird der Leiterrahmen 5 ebenfalls an der Grundplatte 10 befestigt.
  • Wie in 7 zu sehen ist, wird ein Drahtbonding 6 zwischen der elektronischen Einheit 1a und einem der Leiterrahmen 5 gebildet.
  • Der Spritzgussprozess wird in 8 gezeigt, in dem die elektronische Komponente 1 in eine Form 12, 13 platziert wurde, die ein Oberteil 12 und ein Unterteil 13 umfasst. Sobald die Form 12, 13 geschlossen ist, wird die formbare Verbindung 3 durch ein Einspritzloch 15 eingebracht. In diesem Fall umfasst die Form 12, 13 eine Formstruktur 14, durch die im Formprozess eine strukturierte Oberfläche 4a auf einer Seite des Körpers 3a gebildet wird. Alternativ können aber auch auf zwei, drei, vier, fünf oder sechs der Oberflächen des Körpers 3a strukturierte Oberflächen 4a, 4b geformt werden.
  • 9 zeigt eine Ausführungsform, die den Ausführungsformen gemäß 2 und 3 ähnlich ist. In diesem Fall sind auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers 3a strukturierte Oberflächen 4a symmetrisch angeordnet. Die strukturierten Oberflächen 4a sind in diesem Fall aber separat geformte Kühlstrukturen 17, die am Körper 3a auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers 3a befestigt sind. In diesem Fall umfasst die elektronische Komponente 1 mehrere elektronische Einheiten 1a, die auf einer dreischichtigen Grundplatte 9 angeordnet sind.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die der Ausführungsform von 9 ähnlich ist. Allerdings ist in diesem Fall die strukturierte Oberfläche 4b einstückig mit dem Körper 3a in einem einzigen Spritzgussverfahren geformt worden. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen sind die strukturierten Oberflächen 4b hier ausgebildet, um Kühlkanäle für die Durchführung einer Kühlflüssigkeit bereitzustellen.
  • 11 zeigt elektronische Module 16, ähnlich der Ausführungsform entsprechend 10, die in der Art übereinander gestapelt sind, dass die strukturierten Oberflächen 4b zwischen angrenzenden elektronischen Modulen geschlossene Kanäle bilden, damit Kühlflüssigkeit zwei angrenzende elektronische Module 16 kühlen kann.
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Moduls 16 gemäß der Erfindung. Schritte, die dem Hauptverfahrensanspruch entsprechen, sind mit durchgezogenen Linien dargestellt, während optionale Schritte mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Zunächst wird eine elektronische Komponente 1 konstruiert. Hierzu kann mindestens eine elektronische Einheit 1a an einer Grundplatte 9, 10, 11 befestigt werden. Elektrische Verbindungen zwischen den elektronischen Einheiten 1a und/oder dem Äußeren der elektronischen Komponente 16 können dann bereitgestellt werden. Die elektronische Komponente 1 wird dadurch zur Herstellung des elektronischen Moduls 16 bereitgestellt. Alternativ kann eine elektronische Komponente 1 natürlich auch vorbereitet für das Herstellungsverfahren bereitgestellt werden, wobei die zuvor genannten Schritte ausgelassen werden. Dann wird die elektronische Komponente 1 in einer Form 12, 13 platziert. Eine elektrisch isolierende Verbindung 3 wird in die Form 12, 13 eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Spritzguss durchgeführt werden, wobei die elektrisch isolierende Verbindung 3 in die Form eingespritzt wird. Dadurch wird ein Körper 3a von allen Seiten um die elektronische Komponente 1 geformt. Mindestens eine strukturierte Oberfläche 4a, 4b kann einstückig mit dem Körper 3a geformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine strukturierte Oberfläche 4a, 4b in einer separaten Kühlstruktur 17 geformt werden. Natürlich kann auch eine oder mehrere strukturierte Oberflächen 4a, 4b in mehreren verschiedenen Kühlstrukturen 17 geformt werden. Wenn eine oder mehrere getrennte Kühlstrukturen 17 geformt werden, so werden diese danach am Körper 3a befestigt. Dadurch wird das elektronische Modul 16 durch das Herstellungsverfahren des elektronischen Moduls 1 gemäß der Erfindung geformt.

Claims (12)

  1. Elektronisches Modul (16) umfassend eine wärmeabgebende elektronische Komponente (1), wobei die elektronische Komponente (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, welches eine elektrisch isolierende Verbindung (3) umfasst, wobei die elektronische Komponente (1) in einem Körper (3a) des Gehäuses von allen Seiten in der geformten Verbindung (3) eingekapselt ist, und wobei mindestens zwei Außenflächen des Gehäuses geformte strukturierte Oberflächen (4b) sind, um den Wärmetransfer zu verbessern, wobei die mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers (3a) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) eine Struktur von Wänden sind, die Passagen formen für den Durchfluss eines Kühlfluids entlang der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) einstückig mit dem Körper (3a) geformt ist und dass das elektronische Modul (16) dazu eingerichtet ist, übereinandergestapelt zu werden, so dass die strukturierten Oberflächen (4b) zwischen angrenzenden elektronischen Modulen (16) in direktem Kontakt miteinander stehen und geschlossene Kanäle bilden, damit das Kühlfluid, nämlich Kühlflüssigkeit, die zwei angrenzenden elektronischen Module (16) kühlen kann.
  2. Elektronisches Modul (16) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (3) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/(m*K) aufweist.
  3. Elektronisches Modul (16) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der strukturierten Oberflächen (4b) in mindestens einer separat geformten Kühlstruktur (17) angeordnet ist, die am Körper (3a) befestigt ist.
  4. Elektronisches Modul (16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Komponente (1) mindestens eine elektronische Einheit (1a) umfasst, die auf leitenden Leitungen (2) und/oder einem Leiterrahmen (5) und/oder einer Grundplatte (9, 10, 11) montiert ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen der elektronischen Komponente (1), - Platzieren der elektronischen Komponente (1) in einer Form (12, 13), - Formen des Körpers (3a) von allen Seiten um die elektronische Komponente (1) durch Einbringen einer formbaren Verbindung (3) in die Form (12, 13), wobei die Verbindung (3) elektrisch isolierend ist, - Formen von mindestens einer der Außenflächen des elektronischen Moduls (16) in eine der mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) während des Formungsprozesses zur Verbesserung des Wärmetransfers im resultierenden elektronischen Modul (16), wobei die strukturierten Oberflächen Strukturen von Wänden sind, die Passagen formen für den Durchfluss des Kühlfluids entlang der Oberflächen. dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei strukturierten Oberflächen (4b) einstückig mit dem Körper (3a) geformt wird.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 5, umfassend die zusätzlichen Schritte: - Konstruieren der elektronischen Komponente (1) durch Befestigen von mindestens einer elektronischen Einheit (1a) auf einer Grundplatte (9, 10, 11).
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Grundplatte (9, 10, 11) eine zusätzliche geformte Verbindung umfasst, wobei die zusätzliche Verbindung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/(m*K) aufweist.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens eine elektronische Einheit (1a) auf der Grundplatte (9, 10, 11) durch Verkleben und/oder lokales Anschmelzen auf der Grundplatte (9, 10, 11) befestigt ist.
  9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei mindestens eine elektronische Einheit (1a) temporär an der Grundplatte (9, 10, 11) befestigt wird, um sie während des Formungsprozesses des Körpers (3a) permanent an der Grundplatte (9, 10, 11) zu befestigen.
  10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, umfassend die zusätzlichen Schritte: - Formen mindestens einer strukturierten Oberfläche (4a, 4b) in mindestens einer separaten Kühlstruktur (17), - Befestigen der mindestens einen Kühlstruktur (17) am separat geformten Körper (3a).
  11. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, umfassend die zusätzlichen Schritte: - Bereitstellen von elektrischen Verbindungen zwischen elektronischen Einheiten (1a) der elektronischen Komponente (1), insbesondere durch Drahtbonden und/oder durch Leiterrahmen und/oder durch leitende Leitungen, bevor der Körper (3a) geformt wird.
  12. Zusammenstellung von übereinandergestapelten elektronischen Modulen (16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die strukturierten Oberflächen (4b) zwischen angrenzenden elektronischen Modulen (16) in direktem Kontakt miteinander stehen und geschlossene Kanäle bilden, damit das Kühlfluid, nämlich Kühlflüssigkeit, die zwei angrenzenden elektronischen Module (16) kühlen kann.
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