DE102019204683A1 - Method and device for the material connection of at least one semiconductor module to at least one housing part of a cooling module - Google Patents

Method and device for the material connection of at least one semiconductor module to at least one housing part of a cooling module Download PDF

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cooling module
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Oliver Rang
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Volkswagen AG
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls (10, 11, 12) mit mindestens einem Gehäuseteil (13) eines Kühlmoduls, mit den folgenden Schritten:- Aufbringen mindestens einer Sinterschicht auf dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls,- Positionieren des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12) auf der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17),- Aufbringen eines Drucks auf eine dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche (15, 16, 17) des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12) mittels einer Druckeinheit (18),- Aufbringen eines Gegendrucks auf eine dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) abgewandte Oberfläche (33) des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls mittels einer Gegendruckeinheit (19), und- Erwärmen des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12), der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17) und des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls mittels einer Erwärmungseinheit (20) zur Ausbildung einer Sinterverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) und dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls.The subject matter of the invention is a method for integrally connecting at least one semiconductor module (10, 11, 12) to at least one housing part (13) of a cooling module, with the following steps: applying at least one sintered layer to the at least one housing part (13) of the cooling module - positioning the at least one semiconductor module (10, 11, 12) on the at least one sintered layer (15, 16, 17), - applying a pressure to a surface (15, 16, 17) facing away from the at least one housing part (13) of the cooling module of the at least one semiconductor module (10, 11, 12) by means of a pressure unit (18), - applying a counter pressure to a surface (33) of the at least one housing part (13) of the cooling module facing away from the at least one semiconductor module (10, 11, 12) a counter-pressure unit (19), and heating of the at least one semiconductor module (10, 11, 12), the at least one sintered layer (15, 16, 17) and the at least one housing part (13) of the Cooling module by means of a heating unit (20) for forming a sintered connection between the at least one semiconductor module (10, 11, 12) and the at least one housing part (13) of the cooling module.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls mit mindestens einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls.The invention relates to a method and a device for materially connecting at least one semiconductor module to at least one housing part of a cooling module.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Halbleitermodul mit einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls durch Aufsintern des Halbleitermoduls auf das Kühlmodul bzw. auf ein Gehäuseteil des Kühlmoduls zu verbinden, wobei dies üblicherweise durch Aufbringen eines hohen Drucks auf das Halbleitermodul und damit auf das Gehäuseteil des Kühlmoduls bei gleichzeitig hoher Erwärmung des Halbleitermoduls und des Gehäuseteils erfolgt. Um der dabei entstehenden hohen Druckspannung entgegenwirken zu können, weist das Gehäuseteil des Kühlmoduls üblicherweise eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf, was durch eine große Wandstärke bzw. Wanddicke des Gehäuseteils des Kühlmoduls erreicht werden kann. Diese hohe Wanddicke reduziert jedoch die Kühlleistung des Kühlmoduls in Richtung des Halbleitermoduls im Betrieb des Halbleitermoduls. Weiter ist es bekannt, geschlossene hartgelötete Kühlmodule zu verwenden, welche jedoch eine geringe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen und zudem auch nur mäßig geeignet sind, um besintert zu werden.From the prior art it is known to connect a semiconductor module to a housing part of a cooling module by sintering the semiconductor module onto the cooling module or onto a housing part of the cooling module, this usually being done by applying high pressure to the semiconductor module and thus to the housing part of the Cooling module takes place at the same time high heating of the semiconductor module and the housing part. In order to be able to counteract the high compressive stress that arises in the process, the housing part of the cooling module usually has high strength and rigidity, which can be achieved by a large wall thickness or wall thickness of the housing part of the cooling module. However, this high wall thickness reduces the cooling capacity of the cooling module in the direction of the semiconductor module when the semiconductor module is in operation. It is also known to use closed, brazed cooling modules which, however, have a low stiffness and strength and are also only moderately suitable for being sintered.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls mit einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls zur Verfügung zu stellen, bei welchen der Prozess des Aufsinterns des Halbleitermoduls auf das Kühlmodul ermöglicht bzw. verbessert werden kann.
Wesentliche Herausforderung ist hierbei das Aufsintern eines Halbleitermoduls bei hohen Drücken und hohen Temperaturen auf einer möglichst dünnwandigen und filigranen Kühlerstruktur. Diese dünnwandige und filigrane Kühlerstruktur steht im Widerspruch zu den Anforderungen an einen möglichst steife und feste Kühlerstruktur, um einen optimalen Sinterprozess zu gewährleisten.The invention is therefore based on the object of providing a method and a device for integrally connecting at least one semiconductor module to a housing part of a cooling module, in which the process of sintering the semiconductor module onto the cooling module can be enabled or improved.
The main challenge here is the sintering of a semiconductor module at high pressures and high temperatures on a cooler structure that is as thin-walled and filigree as possible. This thin-walled and filigree cooler structure contradicts the requirements for a cooler structure that is as rigid and strong as possible in order to ensure an optimal sintering process.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object of the invention is achieved with the features of the independent claims. Preferred refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das Verfahren gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:

  • - Aufbringen mindestens einer Sinterschicht auf dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls, oder des Halbleitermoduls
  • - Positionieren des mindestens einen Halbleitermoduls auf der mindestens einen Sinterschicht,
  • - Aufbringen eines Drucks auf eine dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche des mindestens einen Halbleitermoduls mittels einer Druckeinheit,
  • - Aufbringen eines Gegendrucks auf eine dem mindestens einen Halbleitermodul abgewandte Oberfläche des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls mittels einer Gegendruckeinheit, und
  • - Erwärmen des mindestens einen Halbleitermoduls, der mindestens einen Sinterschicht und des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls mittels einer Erwärmungseinheit zur Ausbildung einer Sinterverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleitermodul und dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • - Applying at least one sintered layer on the at least one housing part of the cooling module or the semiconductor module
  • - Positioning the at least one semiconductor module on the at least one sintered layer,
  • Applying a pressure to a surface of the at least one semiconductor module facing away from the at least one housing part of the cooling module by means of a printing unit,
  • Applying a counterpressure to a surface of the at least one housing part of the cooling module facing away from the at least one semiconductor module by means of a counterpressure unit, and
  • - Heating the at least one semiconductor module, the at least one sintered layer and the at least one housing part of the cooling module by means of a heating unit to form a sintered connection between the at least one semiconductor module and the at least one housing part of the cooling module.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls mit mindestens einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls, wobei mindestens eine Sinterschicht auf dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls aufgebracht ist und das mindestens eine Halbleitermodul auf der mindestens einen Sinterschicht positioniert ist, zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Druckeinheit, mittels welcher ein Druck auf eine dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche des mindestens einen Halbleitermoduls aufbringbar ist, eine Gegendruckeinheit, mittels welcher ein Gegendruck auf eine dem mindestens einen Halbleitermodul abgewandte Oberfläche des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls mittels einer Gegendruckeinheit aufbringbar ist, und eine Erwärmungseinheit, mittels welcher das mindestens eine Halbleitermodul, die mindestens eine Sinterschicht und das mindestens eine Gehäuseteil des Kühlmoduls zur Ausbildung einer Sinterverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleitermodul und dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls erwärmbar ist, aufweist.The device according to the invention for the material connection of at least one semiconductor module to at least one housing part of a cooling module, at least one sintered layer being applied to the at least one housing part of the cooling module and the at least one semiconductor module being positioned on the at least one sintered layer, is characterized in that this one pressure unit, by means of which a pressure can be applied to a surface of the at least one semiconductor module facing away from the at least one housing part of the cooling module, a counterpressure unit by means of which a counterpressure can be applied to a surface of the at least one housing part of the cooling module facing away from the at least one semiconductor module by means of a counterpressure unit is, and a heating unit, by means of which the at least one semiconductor module, the at least one sintered layer and the at least one housing part of the cooling module to form a sintered connection between hen the at least one semiconductor module and the at least one housing part of the cooling module can be heated.

Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, dass zusätzlich zu der Druckerzeugung auf das Halbleitermodul und damit auf das mindestens eine Gehäuseteil des Kühlmoduls ein Gegendruck erzeugt werden kann, welcher von dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls auf das Halbleiterdmodul wirken kann. Damit kann während des Aufsinterprozesses des Halbleitermoduls auf das mindestens eine Gehäuseteil des Kühlmoduls ein dem Druck entgegenwirkender Gegendruck erzeugt werden. Der mittels der Gegendruckeinheit aufgebrachte Gegendruck ist vorzugsweise gleich hoch zu dem mittels der Druckeinheit aufgebrachten Druck, so dass vorzugsweise eine Druckausgleichheit während des Aufsinterprozesses ausgebildet werden kann. Gleiches gilt für die wirksamen Druckflächen. Durch die Erzeugung des Gegendrucks kann die auf das mindestens eine Gehäuseteil des Kühlmoduls während des Aufsinterns wirkende Kraft und damit Belastung reduziert werden, so dass damit auch die Wandstärke bzw. die Wanddicke des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls reduziert werden kann und damit der Wärmefluss und damit die Kühlwirkung des Kühlmoduls im späteren Betrieb des Halbleitermoduls verbessert werden kann. Durch die reduzierte Belastung des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls während des Aufsinterprozesses kann zudem nunmehr ein Gehäuseteil verwendet werden, in welchem eine fluidoffene Turbulenzblechstruktur integriert ist, da die Gefahr einer Deformation dieser Turbulenzblechstruktur während des Aufsinterprozesses wesentlich reduziert werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Deformation bzw. eine Beschädigung des Kühlmoduls in dem stoffschlüssigen Fügeprozess des Aufsinterns verhindert werden, auch wenn das Gehäuseteil eine relativ geringe Wandstärke aufweist. Zudem kann durch die Reduzierung der Gefahr einer Deformation des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls auch die Gefahr einer Deformation der auf dem Gehäuseteil aufgebrachten Sinterschicht reduziert werden, so dass eine nahezu spannungsfreie Sinterschicht erreicht werden kann, wodurch eine gute und stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls erreicht werden kann. Das Halbleitermodul kann beispielsweise ein Leistungshalbleitermodul, insbesondere ein IGBT-Halbleitermodul (IGBT = Biopolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) sein. Mittels des Verfahrens können auch zeitgleich zwei oder mehr Halbleitermodule auf dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls stoffschlüssig aufgesintert werden.According to the invention, it is now provided that, in addition to generating pressure on the semiconductor module and thus on the at least one housing part of the cooling module, a counter pressure can be generated which can act on the semiconductor module from the at least one housing part of the cooling module. In this way, during the sintering process of the semiconductor module on the at least one housing part of the cooling module, a counterpressure that counteracts the pressure can be generated. The counterpressure applied by means of the counterpressure unit is preferably equal to the pressure applied by means of the pressure unit, so that pressure equalization can preferably be established during the sintering process. The same applies to the effective pressure areas. By generating the counter pressure, the At least one housing part of the cooling module during the sintering-on force and thus the load can be reduced, so that the wall thickness or the wall thickness of the at least one housing part of the cooling module can be reduced and thus the heat flow and thus the cooling effect of the cooling module during later operation of the semiconductor module can be improved. Due to the reduced load on the at least one housing part of the cooling module during the sintering process, a housing part can now also be used in which a fluid-open turbulence plate structure is integrated, since the risk of deformation of this turbulence plate structure can be significantly reduced during the sintering process. By means of the method according to the invention, deformation or damage to the cooling module in the cohesive joining process of sintering on can be prevented, even if the housing part has a relatively small wall thickness. In addition, by reducing the risk of deformation of the at least one housing part of the cooling module, the risk of deformation of the sintered layer applied to the housing part can also be reduced, so that an almost tension-free sintered layer can be achieved, whereby a good and stable material connection between the semiconductor module and the at least one housing part of the cooling module can be reached. The semiconductor module can for example be a power semiconductor module, in particular an IGBT semiconductor module (IGBT = biopolar transistor with insulated gate electrode). By means of the method, two or more semiconductor modules can also be sintered cohesively onto the at least one housing part of the cooling module at the same time.

Zur Durchführung des Verfahrens kann das mindestens eine Gehäuseteil des Kühlmoduls in die Gegendruckeinheit eingebracht werden, wobei in der Gegendruckeinheit mindestens eine Druckkammer zur Erzeugung des Gegendrucks ausgebildet werden kann. Das Gehäuseteil kann damit für den Aufsinterprozess unmittelbar in die Gegendruckeinheit eingelegt werden. Die Gegendruckeinheit kann eine Art Widerlagervorrichtung ausbilden. Die Gegendruckeinheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie eine oder mehrere Druckkammern ausbilden kann, mittels welcher der Gegendruck auf das Gehäuseteil des Kühlmoduls aufgebracht werden kann. Die ein oder mehreren Druckkammern sind vorzugsweise unmittelbar an der dem Halbleitermodul abgewandten Oberfläche des Gehäuseteils des Kühlmoduls angeordnet, so dass die Druckkammern den Gegendruck unmittelbar auf das Gehäuseteil des Kühlmoduls aufbringen können. Die Druckkammern sind vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass über die gesamte Fläche der auszubildenden stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlmodul die ein oder mehreren Druckkammern angeordnet bzw. ausgebildet sind.To carry out the method, the at least one housing part of the cooling module can be introduced into the counterpressure unit, with at least one pressure chamber for generating the counterpressure being able to be formed in the counterpressure unit. The housing part can thus be placed directly in the counter-pressure unit for the sintering process. The counter-pressure unit can form a type of counter-bearing device. The counter-pressure unit is preferably designed such that it can form one or more pressure chambers by means of which the counter-pressure can be applied to the housing part of the cooling module. The one or more pressure chambers are preferably arranged directly on the surface of the housing part of the cooling module facing away from the semiconductor module, so that the pressure chambers can apply the counter pressure directly to the housing part of the cooling module. The pressure chambers are preferably arranged and designed in such a way that the one or more pressure chambers are arranged or formed over the entire area of the material connection to be formed between the semiconductor module and the cooling module.

Bevorzugt ist jeder Druckkammer jeweils mindestens ein Dichtelement zugeordnet, so dass die Druckkammern jeweils über die Dichtelemente abgedichtet werden können. Durch die Abdichtung kann die Aufbringung eines konstanten Gegendrucks gewährleistet werden. Beispielsweise kann jede Druckkammer mittels eines Dichtelements an ihrer Außenumfangsfläche umschlossen sein, so dass eine vollumfängliche Abdichtung der einzelnen Druckkammern gewährleistet werden kann.Each pressure chamber is preferably assigned at least one sealing element, so that the pressure chambers can each be sealed by the sealing elements. The application of a constant counter pressure can be guaranteed by the seal. For example, each pressure chamber can be enclosed on its outer circumferential surface by means of a sealing element, so that a complete sealing of the individual pressure chambers can be ensured.

Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der ausgebildeten Druckkammern der Anzahl der aufzusinternden Halbleitermodule entsprechen kann. Damit kann jedem Halbleitermodul eine Druckkammer zugeordnet werden, wobei vorzugsweise die Größe bzw. die Fläche der Druckkammer im Wesentlichen der Größe bzw. der Fläche des ihr zugeordneten Halbleitermoduls entspricht. Hierdurch kann ein besonders guter Ausgleich des mittels der Gegendruckeinheit aufgebrachten Gegendrucks zum durch die Druckeinheit aufgebrachten Druck erfolgen. Weiter ist es aber auch möglich, dass die Anzahl der ausgebildeten Druckkammern kleiner oder höher als die Anzahl der aufzusinternden Halbleitermodule ist.It can preferably be provided that the number of pressure chambers formed can correspond to the number of semiconductor modules to be sintered on. A pressure chamber can thus be assigned to each semiconductor module, with the size or the area of the pressure chamber preferably corresponding essentially to the size or the area of the semiconductor module assigned to it. In this way, the counterpressure applied by means of the counterpressure unit can be compensated particularly well for the pressure applied by the pressure unit. However, it is also possible that the number of pressure chambers formed is smaller or higher than the number of semiconductor modules to be sintered on.

Der Gegendruck kann mittels eines Fluids aufgebracht werden, indem die Druckkammern der Gegendruckeinheit über ein Fluid druckbeaufschlagt werden können. Das Fluid kann eine Flüssigkeit, bevorzugterweise eine Hydraulikflüssigkeit, oder ein Gas insbesondere ein verflüssigtes Gas sein.The counter pressure can be applied by means of a fluid, in that the pressure chambers of the counter pressure unit can be pressurized by a fluid. The fluid can be a liquid, preferably a hydraulic liquid, or a gas, in particular a liquefied gas.

Die Höhe des Gegendrucks kann bevorzugt hydraulisch gesteuert werden. Durch die hydraulische Steuerung ist im Gegensatz zu einer pneumatischen Steuerung eine größere, feinfühligere und verlustfreie Kraftübertragung möglichThe level of the counter pressure can preferably be controlled hydraulically. In contrast to pneumatic control, the hydraulic control enables a larger, more sensitive and loss-free power transmission

Die Druckeinheit weist bevorzugt mindestens einen Druckzylinder, mindestens eine Druckplatte und mindestens ein auf der Oberfläche des mindestens einen Halbleitermoduls aufliegendes Druckkissen auf. Mittels des Druckzylinders kann ein Druck aufgebaut werden, welcher auf die dem mindestens einen Gehäuseteil des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche des Halbleitermoduls wirken kann. Um eine gleichmäßige Verteilung des Drucks auf die Fläche des Halbleitermoduls erreichen zu können, ist vorzugsweise mindestens eine Druckplatte vorgesehen, wobei von dem Druckzylinder der Druck auf die Druckplatte aufgebracht werden kann. Um das Halbleitermodul zu schützen, kann zwischen der Druckplatte und der Oberfläche des Halbleitermoduls ein Druckkissen angeordnet sein, wobei das Druckkissen vorzugsweise aus Silikon besteht und damit über das Druckkissen die bei Aufbringen des Drucks auf das Halbleitermodul wirkende Kraft noch besser auf die gesamte Fläche des Halbleitermoduls gleichmäßig verteilt werden kann.The printing unit preferably has at least one printing cylinder, at least one printing plate and at least one pressure pad resting on the surface of the at least one semiconductor module. By means of the pressure cylinder, a pressure can be built up which can act on the surface of the semiconductor module facing away from the at least one housing part of the cooling module. In order to be able to achieve a uniform distribution of the pressure on the surface of the semiconductor module, at least one pressure plate is preferably provided, wherein the pressure can be applied to the pressure plate by the pressure cylinder. In order to protect the semiconductor module, a pressure pad can be arranged between the pressure plate and the surface of the semiconductor module, the pressure pad preferably consisting of silicone and thus over the pressure pad, the force acting on the semiconductor module when the pressure is applied can be evenly distributed evenly over the entire surface of the semiconductor module.

Um auch beim Aufbringen des Drucks auf das Halbleitermodul eine möglichst große, feinfühlige und verlustfreie Kraftübertragung erreichen zu können, kann der mindestens eine Druckzylinder hydraulisch oder pneumatisch über ein Fluid gesteuert werden.In order to be able to achieve the greatest possible, sensitive and loss-free force transmission when the pressure is applied to the semiconductor module, the at least one pressure cylinder can be controlled hydraulically or pneumatically via a fluid.

Zur Erreichung einer möglichst stabilen und langlebigen stoffschlüssigen Sinterverbindung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlmodul kann mittels der Erwärmungseinheit vorzugsweise eine Erwärmung des mindestens einen Halbleitermoduls, der mindestens einen Sinterschicht und des mindestens einen Gehäuseteils des Kühlmoduls auf eine Temperatur > 200 °C, bevorzugt auf einer Temperatur > 240 °C, erfolgen.To achieve the most stable and long-lasting cohesive sintered connection between the semiconductor module and the cooling module, the heating unit can preferably be used to heat the at least one semiconductor module, the at least one sintered layer and the at least one housing part of the cooling module to a temperature> 200 ° C, preferably to one temperature > 240 ° C.

Zur Ausbildung der mindestens einen Sinterschicht kann bevorzugt ein pulverförmiges Metallmaterial verwendet werden. Besonders bevorzugt kann als Sinterschicht ein Silbermaterial verwendet werden. Eine aus Silbermaterial ausgebildete Sinterschicht zeichnet sich durch eine besonders gute Temperaturstabilität aus, so dass im späteren Betrieb eine sichere und stabile Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlmodul auch bei stark schwankenden Temperaturen gewährleistet werden kann. Des Weiteren zeichnet sich die Sinterschicht durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Dauerfestigkeit, insbesondere bei starken Temperaturgradienten, aus.A powdery metal material can preferably be used to form the at least one sintered layer. A silver material can particularly preferably be used as the sintered layer. A sintered layer formed from silver material is characterized by particularly good temperature stability, so that a secure and stable connection between the semiconductor module and the cooling module can be ensured during later operation, even when temperatures fluctuate greatly. Furthermore, the sintered layer is characterized by high thermal conductivity and high fatigue strength, in particular with strong temperature gradients.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend anhand der Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are illustrated in more detail below with reference to the description of preferred embodiments of the invention with reference to the following figures.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden mehrerer Halbleitermodule mit einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls gemäß der Erfindung,
  • 2 eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden mehrerer Halbleitermodule mit einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls gemäß der Erfindung,
  • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung und eines weiteren Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden eines Halbleitermoduls mit einem Gehäuseteil eines Kühlmoduls, und
  • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung und eine weiteren Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden eines Halbleitermoduls mit zwei Kühlmodulen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a device and a method for integrally connecting several semiconductor modules with a housing part of a cooling module according to the invention,
  • 2 a further schematic representation of a device and a method for integrally connecting several semiconductor modules with a housing part of a cooling module according to the invention,
  • 3 a schematic representation of a further device and a further method for the material connection of a semiconductor module with a housing part of a cooling module, and
  • 4th a schematic representation of a further device and a further method for the material connection of a semiconductor module with two cooling modules.

1 und 2 zeigen jeweils eine Vorrichtung 100 zum Ausführen eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden von Halbleitermodulen 10, 11, 12 an einem Gehäuseteil 13 eines Kühlmoduls. Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung werden exemplarisch drei Halbleitermodule 10, 11, 12 an einer Außenfläche 14 des Gehäuseteils 13 mittels eines Aufsinterprozesses stoffschlüssig befestigt. 1 and 2 each show a device 100 for carrying out a method for the integral connection of semiconductor modules 10 , 11 , 12 on a housing part 13 a cooling module. At the in 1 and 2 The embodiment shown are three semiconductor modules as an example 10 , 11 , 12 on an outside surface 14th of the housing part 13 firmly attached by means of a sintering process.

Zum Aufsintern wird zunächst eine Sinterschicht 15, 16, 17 auf die Außenfläche 14 des verkupferten oder kupfer/silber- beschichteten Gehäuseteils 13 aufgebracht, wobei pro Halbleitermodul 10, 11, 12 eine Sinterschicht 15, 16, 17 auf die Außenfläche 14 des Gehäuseteils 13 aufgebracht wird. Damit sind bei der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung drei Sinterschichten 15, 16, 17 nebeneinander auf der Außenfläche 14 des Gehäuseteils 13 aufgebracht. Für die Sinterschicht 15, 16, 17 kann ein Silbermaterial verwendet werden.A sintered layer is first used for sintering 15th , 16 , 17th on the outside surface 14th of the copper-plated or copper / silver-coated housing part 13 applied, with per semiconductor module 10 , 11 , 12 a sintered layer 15th , 16 , 17th on the outside surface 14th of the housing part 13 is applied. This means that the in 1 and 2 embodiment shown three sintered layers 15th , 16 , 17th side by side on the outer surface 14th of the housing part 13 upset. For the sintered layer 15th , 16 , 17th a silver material can be used.

Auf die Sinterschichten 15, 16, 17 wird jeweils ein Halbleitermodul 10, 11, 12 aufgesetzt, welche an dem Gehäuseteil 13 befestigt werden sollen. Die Halbleitermodule 10, 11, 12 können Leistungshalbleitermodule, beispielsweise IGBT-Module, sein. Die Halbleitermodule 10, 11, 12 werden jeweils flächig auf einer Sinterschicht 15, 16, 17 aufgesetzt, derart, dass jede Sinterschicht 15, 16, 17 vollständig von einem Halbleitermodul 10, 11, 12 überdeckt ist.On the sintered layers 15th , 16 , 17th becomes one semiconductor module each 10 , 11 , 12 put on, which on the housing part 13 should be attached. The semiconductor modules 10 , 11 , 12 can be power semiconductor modules, for example IGBT modules. The semiconductor modules 10 , 11 , 12 are each flat on a sintered layer 15th , 16 , 17th put on in such a way that each sintered layer 15th , 16 , 17th entirely from a semiconductor module 10 , 11 , 12 is covered.

Das eigentliche Sintern bzw. Aufsintern der Halbleitermodule 10, 11, 12 auf dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls erfolgt unter Zufuhr von Wärme und unter Aufbringen eines Drucks, so dass die Halbleitermodule 10, 11, 12 auf das Gehäuseteil 13 aufgepresst werden. Um dies zu erreichen, weist die Vorrichtung 100 für das Aufsintern eine Druckeinheit 18, eine Gegendruckeinheit 19 und eine Erwärmungseinheit 20 auf. Die Erwärmungseinheit kann als Kammerofen oder als Heizplatte ausgeführt sein.The actual sintering or sintering of the semiconductor modules 10 , 11 , 12 on the housing part 13 the cooling module takes place with the supply of heat and with the application of a pressure, so that the semiconductor modules 10 , 11 , 12 on the housing part 13 be pressed on. To achieve this, the device 100 a pressure unit for sintering 18th , a counter pressure unit 19th and a heating unit 20th on. The heating unit can be designed as a chamber furnace or as a heating plate.

Mittels der Druckeinheit 18 wird ein Druck auf eine dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche 21, 22, 23 der Halbleitermodule 10, 11, 12 aufgebracht.By means of the pressure unit 18th is a pressure on the housing part 13 surface facing away from the cooling module 21st , 22nd , 23 of the semiconductor modules 10 , 11 , 12 upset.

Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung weist die Druckeinheit 18 drei Druckzylinder 24, 25, 26, drei Druckplatten 27, 28, 29 und drei Druckkissen 30, 31, 32 auf, so dass die Anzahl der Druckzylinder 24, 25, 26, der Druckplatten 27, 28, 29 und der Druckkissen 30, 31, 32 der Anzahl der aufzusinternden Halbleitermodule 10, 11, 12 entspricht.At the in 1 The embodiment shown has the printing unit 18th three printing cylinders 24 , 25th , 26th , three printing plates 27 , 28 , 29 and three pressure pads 30th , 31 , 32 on so the number of printing cylinders 24 , 25th , 26th , the printing plates 27 , 28 , 29 and the pressure pad 30th , 31 , 32 the number of semiconductor modules to be sintered on 10 , 11 , 12 corresponds.

Die drei Druckzylinder 24, 25, 26 sind hydraulisch gesteuert, so dass mittels eines Fluids Druck über die Druckzylinder 24, 25, 26 auf die Druckplatten 27, 28, 29 aufgebracht werden kann. Jeder Druckplatte 27, 28, 29 ist ein Druckzylinder 24, 25, 26 zugeordnet.The three printing cylinders 24 , 25th , 26th are hydraulically controlled, so that by means of a fluid pressure over the pressure cylinder 24 , 25th , 26th on the printing plates 27 , 28 , 29 can be applied. Any printing plate 27 , 28 , 29 is a printing cylinder 24 , 25th , 26th assigned.

Die Druckplatten 27, 28, 29 weisen hier die gleiche Breite und Länge auf wie die Halbleitermodule 10, 11, 12, so dass sich die Druckplatten 27, 28, 29 jeweils über die gesamte Fläche der Halbleitermodule 10, 11, 12 erstrecken.The printing plates 27 , 28 , 29 have the same width and length as the semiconductor modules 10 , 11 , 12 so that the printing plates 27 , 28 , 29 each over the entire surface of the semiconductor modules 10 , 11 , 12 extend.

Die Druckplatten 27, 28, 29 liegen dabei nicht unmittelbar auf den Halbleitermodulen 10, 11, 12 auf, sondern zwischen den Halbleiterleitermodulen 10, 11, 12 und den Druckplatten 27, 28, 29 ist jeweils ein Druckkissen 30, 31, 32 angeordnet, welche beispielsweise mit Luft befüllt sein können, um eine gleichmäßigere Verteilung des Drucks von den Druckplatten 27, 28, 29 auf die Halbleitermodule 10, 11, 12 erreichen zu können. Die Breite und Länge der Druckkissen 30, 31, 32 entspricht hier der Breite und Länge der Druckplatten 27, 28, 29 bzw. der Breite und Länge der Halbleitermodule 10, 11, 12.The printing plates 27 , 28 , 29 do not lie directly on the semiconductor modules 10 , 11 , 12 on, but between the semiconductor conductor modules 10 , 11 , 12 and the printing plates 27 , 28 , 29 is a pressure pad each 30th , 31 , 32 arranged, which can be filled with air, for example, to a more even distribution of the pressure from the printing plates 27 , 28 , 29 on the semiconductor modules 10 , 11 , 12 to be able to achieve. The width and length of the pressure pad 30th , 31 , 32 corresponds here to the width and length of the printing plates 27 , 28 , 29 or the width and length of the semiconductor modules 10 , 11 , 12 .

Mittels der Druckeinheit 18 kann vorzugsweise eine Flächenpressung von ungefähr 25 MPa auf die Halbleitermodule 10, 11, 12 und damit auf die auszubildende stoffschlüssige Verbindung zwischen den Halbleitermodulen 10, 11, 12 und dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls aufgebracht werden.By means of the pressure unit 18th can preferably apply a surface pressure of approximately 25 MPa on the semiconductor modules 10 , 11 , 12 and thus to the material connection to be formed between the semiconductor modules 10 , 11 , 12 and the housing part 13 of the cooling module.

Zusätzlich zu der Druckeinheit 18 ist eine Gegendruckeinheit 19 vorgesehen, mittels welcher zeitgleich zum Aufbringen des Drucks mittels der Druckeinheit 18 ein Gegendruck auf eine dem Halbleitermodul 10, 11, 12 abgewandte Oberfläche 33 des Gehäuseteils 13 des Kühlmoduls aufgebracht wird. Der aufgebrachte Gegendruck entspricht im Wesentlichen dem von der Druckeinheit 18 aufgebrachten Druck, so dass vorzugsweise ein Kräftegleichgewicht bzw. Druckgleichgewicht zwischen dem Druck und dem Gegendruck erreicht werden kann. Der durch die Gegendruckeinheit 19 aufgebrachte Gegendruck wirkt in eine Richtung entgegen der Richtung des durch die Druckeinheit 18 aufgebrachten Drucks.In addition to the printing unit 18th is a counter pressure unit 19th provided, by means of which at the same time for applying the pressure by means of the printing unit 18th a back pressure on one of the semiconductor module 10 , 11 , 12 averted surface 33 of the housing part 13 of the cooling module is applied. The counter-pressure applied essentially corresponds to that of the printing unit 18th applied pressure, so that preferably an equilibrium of forces or pressure equilibrium between the pressure and the counterpressure can be achieved. The one through the counter pressure unit 19th applied counterpressure acts in a direction opposite to the direction of the pressure unit 18th applied pressure.

Für den Aufsinterprozess wird das Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls in die Gegendruckeinheit 19 eingebracht, wie in 1 und 2 zu erkennen ist. Zur Erzeugung des Gegendrucks werden in der Gegendruckeinheit 19 ein oder mehrere Druckkammern 34, 35, 36 ausgebildet.The housing part is used for the sintering process 13 of the cooling module in the counter pressure unit 19th introduced, as in 1 and 2 can be seen. To generate the counter pressure, the counter pressure unit 19th one or more pressure chambers 34 , 35 , 36 educated.

Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist jedem Halbleitermodul 10, 11, 12 jeweils eine Druckkammer 34, 35, 36 zugeordnet, so dass hier die Anzahl der Druckkammern 34, 35, 36 der Anzahl der Halbleitermodule 10, 11, 12 entspricht. Die Druckkammern 34, 35, 36 sind unmittelbar an der dem Halbleitermodul 10, 11, 12 abgewandten Oberfläche 33 des Gehäuseteils 13 des Kühlmoduls angeordnet, so dass die Druckkammern 34, 35, 36 den Gegendruck unmittelbar auf das Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls aufbringen können. Die Druckkammern 34, 35, 36 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass über die gesamte Fläche der auszubildenden stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Halbleitermodul 10, 11, 12 und dem Gehäuseteil 13 die Druckkammern 34, 35, 36 angeordnet bzw. ausgebildet sind.At the in 1 embodiment shown is each semiconductor module 10 , 11 , 12 one pressure chamber each 34 , 35 , 36 assigned so that here the number of pressure chambers 34 , 35 , 36 the number of semiconductor modules 10 , 11 , 12 corresponds. The pressure chambers 34 , 35 , 36 are directly on the semiconductor module 10 , 11 , 12 remote surface 33 of the housing part 13 of the cooling module arranged so that the pressure chambers 34 , 35 , 36 the counter pressure directly on the housing part 13 of the cooling module can apply. The pressure chambers 34 , 35 , 36 are arranged and designed such that over the entire area of the material connection to be formed between the semiconductor module 10 , 11 , 12 and the housing part 13 the pressure chambers 34 , 35 , 36 are arranged or formed.

In dem Gehäuseteil 13 sind Turbulenzbleche 37, 38, 39 angeordnet, welche unmittelbar an der Oberfläche 33 des Gehäuseteils 13 angeordnet sind. Hierbei sind drei Turbulenzbleche 37, 38, 39 vorgesehen, so dass jedem Halbleitermodul 10, 11, 12 ein Turbulenzblech 37, 38, 39 zugeordnet ist. Die Druckkammern 34, 35, 36 sind im Bereich der Turbulenzbleche 37, 38, 39 ausgebildet, so dass unmittelbar im Bereich der Turbulenzbleche 37, 38, 39 der Gegendruck erzeugt werden kann.In the housing part 13 are turbulence plates 37 , 38 , 39 arranged directly on the surface 33 of the housing part 13 are arranged. Here are three turbulence plates 37 , 38 , 39 provided so that each semiconductor module 10 , 11 , 12 a turbulence plate 37 , 38 , 39 assigned. The pressure chambers 34 , 35 , 36 are in the area of the turbulence plates 37 , 38 , 39 formed so that directly in the area of the turbulence plates 37 , 38 , 39 the back pressure can be generated.

Die Höhe des Gegendrucks wird hydraulisch gesteuert, indem die Druckkammern 34, 35, 36 mittels eines Fluids druckbeaufschlagt werden.The level of back pressure is controlled hydraulically by the pressure chambers 34 , 35 , 36 be pressurized by means of a fluid.

Jede Druckkammer 34, 35, 36 ist mit einem Dichtelement 40, 41, 42 abgedichtet, wobei sich die Dichtelemente 40, 41, 42 jeweils um die Außenumfangsfläche der Druckkammern 34, 35, 36 erstrecken.Every pressure chamber 34 , 35 , 36 is with a sealing element 40 , 41 , 42 sealed, the sealing elements 40 , 41 , 42 each around the outer peripheral surface of the pressure chambers 34 , 35 , 36 extend.

Zusätzlich zu der Druckeinheit 18 und der Gegendruckeinheit 19 weist die Vorrichtung 100 eine Erwärmungseinheit 20 auf, mittels welcher während des Aufsinterprozesses die Halbleitermodule 10, 11, 12, die Sinterschichten 15, 16, 17 und das Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls auf eine Temperatur von vorzugsweise mehr als 200 °C erwärmt werden, um eine Sinterverbindung zwischen den Halbleitermodulen 10, 11, 12 und dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls ausbilden zu können.In addition to the printing unit 18th and the counter pressure unit 19th instructs the device 100 a heating unit 20th on, by means of which the semiconductor modules during the sintering process 10 , 11 , 12 , the sintered layers 15th , 16 , 17th and the housing part 13 of the cooling module are heated to a temperature of preferably more than 200 ° C. in order to create a sintered connection between the semiconductor modules 10 , 11 , 12 and the housing part 13 to be able to train the cooling module.

Die in 2 gezeigte Ausgestaltung einer Vorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausgestaltung, wobei hier jedoch die Druckeinheit 18 nur einen Druckzylinder 24 und eine Druckplatte 27 aufweist, wobei die Druckplatte 27 sich über alle drei Halbleitermodule 10, 11, 12 und auch über alle drei Druckkissen 30, 31, 32 erstreckt.In the 2 Shown embodiment of a device 100 essentially corresponds to the in 1 embodiment shown, but here the printing unit 18th only one printing cylinder 24 and a printing plate 27 having, the pressure plate 27 over all three semiconductor modules 10 , 11 , 12 and also about all three pressure pads 30th , 31 , 32 extends.

Auch die Gegendruckeinheit 19 weist nur eine Druckkammer 34 auf, welche sich über alle drei Halbleitermodule 10, 11, 12 erstreckt. Auch ist in dem Gehäuseteil 13 ein Turbulenzblech 37 angeordnet, welches sich über die gesamte Fläche des Gehäuseteils 13 erstreckt, auf welcher die Halbleitermodule 10, 11, 12 angeordnet sind.Also the counter pressure unit 19th has only one pressure chamber 34 on, which extends over all three semiconductor modules 10 , 11 , 12 extends. Also is in the housing part 13 a turbulence plate 37 arranged, which extends over the entire surface of the housing part 13 extends on which the semiconductor modules 10 , 11 , 12 are arranged.

Das Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden der Halbleitermodule 10, 11, 12 mit dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls entspricht ansonsten dem zu 1 beschriebenen Verfahren.The process for the material connection of the semiconductor modules 10 , 11 , 12 with the housing part 13 of the cooling module otherwise corresponds to that 1 described procedure.

3 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher die Druckeinheit 18 als eine ortsfeste Aufnahmeeinheit ausgebildet ist, in welche das Halbleitermodul 10 eingelegt ist, so dass das Halbleitermodul 10 von der Druckeinheit 18 bzw. der Aufnahmeeinheit zumindest bereichsweise umschlossen ist. Über die als ortsfeste Aufnahmeeinheit ausgebildete Druckeinheit 19 kann ein Druck auf eine dem Gehäuseteil 13 des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche 21 des Halbleitermoduls 10 aufgebracht werden. 3 shows an embodiment in which the printing unit 18th is designed as a stationary receiving unit in which the semiconductor module 10 is inserted so that the semiconductor module 10 from the printing unit 18th or the receiving unit is at least partially enclosed. Via the printing unit designed as a stationary receiving unit 19th can be a pressure on the housing part 13 surface facing away from the cooling module 21st of the semiconductor module 10 be applied.

Die Gegendruckeinheit 19 weist eine Druckkammer 34 auf, in welcher ein Gegendruck erzeugt wird, der auf eine dem Halbleitermodul 10 abgewandte Oberfläche 33 des Gehäuseteils 13 des Kühlmoduls aufgebracht wird. Die Druckkammer 34 weist hier ein arretierbares und verschiebbar gelagertes, Gehäuseteil 43 auf, welches, wie mit dem Pfeil 49 angedeutet, in Richtung des Halbleitermoduls 10 und von dem Halbleitermodul 10 weg bewegt werden kann. Die in ihrem Druck regelbare Druckversorgung 48 regelt den Innendruck der Druckkammer 34.The counter pressure unit 19th has a pressure chamber 34 on, in which a counter pressure is generated, which on one of the semiconductor module 10 averted surface 33 of the housing part 13 of the cooling module is applied. The pressure chamber 34 has here a lockable and displaceably mounted housing part 43 on which, as with the arrow 49 indicated, in the direction of the semiconductor module 10 and from the semiconductor module 10 can be moved away. The pressure supply with adjustable pressure 48 regulates the internal pressure of the pressure chamber 34 .

Das Turbulenzblech 37 ist hier in einer wannenförmigen Aufnahme 44 angeordnet. Das Dichtelement 40 ist zwischen der wannenförmigen Aufnahme 44 und dem Gehäuseteil 43 der Druckkammer 34 angeordnet, um eine Abdichtung der Druckkammer 34 hin zu der Aufnahme 44 erreichen zu können.The turbulence sheet 37 is here in a tub-shaped recording 44 arranged. The sealing element 40 is between the tub-shaped receptacle 44 and the housing part 43 the pressure chamber 34 arranged to seal the pressure chamber 34 towards the recording 44 to be able to achieve.

4 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher ein Halbleitermodul 10 zwischen zwei Kühlmodulen und damit zwischen zwei Gehäuseteilen 13 jeweils eines Kühlmoduls angeordnet wird. Die Druckeinheit 18 und die Gegendruckeinheit 19 sind hier gleich ausgebildet, wobei die Gegendruckeinheit 19 und damit die Druckeinheit 18 bei der in 4 gezeigten Ausgestaltung der in 3 gezeigten Ausgestaltung entsprechen. 4th shows an embodiment in which a semiconductor module 10 between two cooling modules and thus between two housing parts 13 each one cooling module is arranged. The pressure unit 18th and the counter pressure unit 19th are designed the same here, with the counter-pressure unit 19th and thus the printing unit 18th at the in 4th embodiment shown in 3 correspond embodiment shown.

Bei der in 4 gezeigten Ausgestaltung weist damit auch die Druckeinheit 18 eine Druckkammer 45 auf. Die Druckkammer 45 weist ein verschiebbar gelagertes Gehäuseteil 46 auf, welches, wie mit dem Pfeil angedeutet, in Richtung des Halbleitermoduls 10 und von dem Halbleitermodul 10 weg bewegt werden kann. Durch ein Verschieben des Gehäuseteils 46 kann das Volumen in der Druckkammer 45 verkleinert oder vergrößert werden, um den erzeugten Druck regeln und feineinstellen zu können. Auch die Druckkammer 34 der Gegendruckeinheit 19 weist ein verschiebbar gelagertes Gehäuseteil 43 auf, welches, wie mit dem Pfeil 49 angedeutet, in Richtung des Halbleitermoduls 10 und von dem Halbleitermodul 10 weg bewegt werden kann. Die in ihrem Druck regelbare Druckversorgung 48 regelt den Innendruck der Druckkammer 34.At the in 4th The embodiment shown thus also has the printing unit 18th a pressure chamber 45 on. The pressure chamber 45 has a displaceably mounted housing part 46 on, which, as indicated by the arrow, in the direction of the semiconductor module 10 and from the semiconductor module 10 can be moved away. By moving the housing part 46 can be the volume in the pressure chamber 45 can be reduced or enlarged in order to regulate and fine-tune the pressure generated. Also the pressure chamber 34 the counter pressure unit 19th has a displaceably mounted housing part 43 on which, as with the arrow 49 indicated, in the direction of the semiconductor module 10 and from the semiconductor module 10 can be moved away. The pressure supply with adjustable pressure 48 regulates the internal pressure of the pressure chamber 34 .

Beide Kühlmodule weisen jeweils ein Turbulenzblech 37 auf, welches jeweils in einer wannenförmigen Aufnahme 44 angeordnet ist. Bei der Druckeinheit 18 ist ein Dichtelement 47 zwischen der wannenförmigen Aufnahme 44 und dem Gehäuseteil 46 der Druckkammer 45 angeordnet, um eine Abdichtung der Druckkammer 45 hin zu der Aufnahme 44 erreichen zu können.Both cooling modules each have a turbulence plate 37 each in a tub-shaped recording 44 is arranged. At the pressure unit 18th is a sealing element 47 between the tub-shaped receptacle 44 and the housing part 46 the pressure chamber 45 arranged to seal the pressure chamber 45 towards the recording 44 to be able to achieve.

Sowohl in der Druckeinheit 18 als auch in der Gegendruckeinheit 19 wird der Druck bzw. Gegendruck hydraulisch gesteuert.Both in the printing unit 18th as well as in the counter pressure unit 19th the pressure or counter pressure is controlled hydraulically.

Das Halbleitermodul 10 ist hier in einer Sandwichanordnung zwischen zwei Kühlmodulen angeordnet, wobei zum Verbinden der Kühlmodule mit dem Halbleitermodul 10 an zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen bzw. Oberflächen des Halbleitermoduls 10 jeweils eine Sinterschicht 15 angeordnet wird, welche mittels jeweils einer Erwärmungseinheit 20 zusammen mit dem Halbleitermodul 10 und den beiden Gehäuseteilen 13 erwärmt werden, um eine Sinterverbindung auszubilden.The semiconductor module 10 is arranged here in a sandwich arrangement between two cooling modules, for connecting the cooling modules to the semiconductor module 10 on two opposite side faces or surfaces of the semiconductor module 10 one sintered layer each 15th is arranged, each by means of a heating unit 20th together with the semiconductor module 10 and the two housing parts 13 are heated to form a sintered joint.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausgestaltungen. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiven Einzelheiten räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.The embodiment of the invention is not limited to the preferred embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solutions shown even in the case of fundamentally different designs. All of the features and / or advantages arising from the claims of the description or the drawings, including structural details of spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in a wide variety of combinations.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
Vorrichtungcontraption
1010
HalbleitermodulSemiconductor module
1111
HalbleitermodulSemiconductor module
1212
HalbleitermodulSemiconductor module
1313
GehäuseteilHousing part
1414th
AußenflächeExterior surface
1515th
SinterschichtSintered layer
1616
SinterschichtSintered layer
1717th
SinterschichtSintered layer
1818th
DruckeinheitPressure unit
1919th
GegendruckeinheitCounter pressure unit
2020th
ErwärmungseinheitHeating unit
2121st
Oberflächesurface
2222nd
Oberflächesurface
2323
Oberflächesurface
2424
DruckzylinderPrinting cylinder
2525th
DruckzylinderPrinting cylinder
2626th
DruckzylinderPrinting cylinder
2727
Druckplatteprinting plate
2828
Druckplatteprinting plate
2929
Druckplatteprinting plate
3030th
DruckkissenPressure pad
3131
DruckkissenPressure pad
3232
DruckkissenPressure pad
3333
Oberflächesurface
3434
DruckkammerPressure chamber
3535
DruckkammerPressure chamber
3636
DruckkammerPressure chamber
3737
TurbulenzblechTurbulence plate
3838
TurbulenzblechTurbulence plate
3939
TurbulenzblechTurbulence plate
4040
DichtelementSealing element
4141
DichtelementSealing element
4242
DichtelementSealing element
4343
GehäuseteilHousing part
4444
Aufnahmeadmission
4545
DruckkammerPressure chamber
4646
GehäuseteilHousing part
4747
DichtelementSealing element
4848
DruckversorgungPressure supply
4949
Pfeilarrow

Claims (10)

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls (10, 11, 12) mit mindestens einem Gehäuseteil (13) eines Kühlmoduls mit den folgenden Schritten: - Aufbringen mindestens einer Sinterschicht auf dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls oder des Halbleitermoduls, - Positionieren des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12) auf der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17), - Aufbringen eines Drucks auf eine dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche (21, 22, 23) des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12) mittels einer Druckeinheit (18), - Aufbringen eines Gegendrucks auf eine dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) abgewandte Oberfläche (33) des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls mittels einer Gegendruckeinheit (19), und - Erwärmen des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12), der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17) und des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls mittels einer Erwärmungseinheit (20) zur Ausbildung einer Sinterverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) und dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls.Method for integrally connecting at least one semiconductor module (10, 11, 12) to at least one housing part (13) of a cooling module with the following steps: - Application of at least one sintered layer on the at least one housing part (13) of the cooling module or the semiconductor module, - Positioning the at least one semiconductor module (10, 11, 12) on the at least one sintered layer (15, 16, 17), - applying a pressure to a surface (21, 22, 23) of the at least one semiconductor module (10, 11, 12) facing away from the at least one housing part (13) of the cooling module by means of a printing unit (18), Applying a counterpressure to a surface (33) of the at least one housing part (13) of the cooling module facing away from the at least one semiconductor module (10, 11, 12) by means of a counterpressure unit (19), and - heating the at least one semiconductor module (10, 11, 12), the at least one sintered layer (15, 16, 17) and the at least one housing part (13) of the cooling module by means of a heating unit (20) to form a sintered connection between the at least one semiconductor module (10, 11, 12) and the at least one housing part (13) of the cooling module. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls in die Gegendruckeinheit (19) eingebracht wird, wobei in der Gegendruckeinheit (19) mindestens eine Druckkammer (34, 35, 36) zur Erzeugung des Gegendrucks ausgebildet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the at least one housing part (13) of the cooling module is introduced into the counterpressure unit (19), at least one pressure chamber (34, 35, 36) for generating the counterpressure being formed in the counterpressure unit (19). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Druckkammer (34, 35, 36) mittels mindestens eines Dichtelements (40, 41, 42) abgedichtet wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the at least one pressure chamber (34, 35, 36) is sealed by means of at least one sealing element (40, 41, 42). Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ausgebildeten Druckkammern (34, 35, 36) der Anzahl der aufzusinternden Halbleitermodule (10, 11, 12) entspricht.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that the number of pressure chambers (34, 35, 36) formed corresponds to the number of semiconductor modules (10, 11, 12) to be sintered on. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Gegendrucks hydraulisch oder pneumatisch gesteuert wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the level of the counter pressure is controlled hydraulically or pneumatically. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinheit (18) mindestens einen Druckzylinder (24, 25, 26), mindestens eine Druckplatte (27, 28, 29) und mindestens ein auf der Oberfläche (21, 22, 23) des Halbleitermoduls (10, 11, 12) aufliegendes Druckkissen (30, 31, 32) aufweist.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the printing unit (18) has at least one printing cylinder (24, 25, 26), at least one printing plate (27, 28, 29) and at least one on the surface (21, 22, 23) of the semiconductor module (10, 11 , 12) has overlying pressure pad (30, 31, 32). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckzylinder (24, 25, 26) hydraulisch oder pneumatisch gesteuert wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the at least one pressure cylinder (24, 25, 26) is controlled hydraulically or pneumatically. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erwärmungseinheit (20) eine Erwärmung des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12), der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17) und des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls auf eine Temperatur > 200 °C erfolgt.Method according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that by means of the heating unit (20) the at least one semiconductor module (10, 11, 12), the at least one sintered layer (15, 16, 17) and the at least one housing part (13) of the cooling module are heated to a temperature> 200 ° C takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinterschicht (15, 16, 17) ein Silbermaterial verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that a silver material is used as the sintered layer (15, 16, 17). Vorrichtung (100) zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens eines Halbleitermoduls (10, 11, 12) mit mindestens einem Gehäuseteil (13) eines Kühlmoduls, wobei mindestens eine Sinterschicht (15, 16, 17) auf dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls aufgebracht ist und das mindestens eine Halbleitermodul (10, 11, 12) auf der mindestens einen Sinterschicht (15, 16, 17) positioniert ist, mit einer Druckeinheit (18), mittels welcher ein Druck auf eine dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls abgewandte Oberfläche (21, 22, 23) des mindestens einen Halbleitermoduls (10, 11, 12) aufbringbar ist, einer Gegendruckeinheit (19), mittels welcher ein Gegendruck auf eine dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) abgewandte Oberfläche (33) des mindestens einen Gehäuseteils (13) des Kühlmoduls mittels einer Gegendruckeinheit (19) aufbringbar ist, und einer Erwärmungseinheit (20), mittels welcher das mindestens eine Halbleitermodul (10, 11, 12), die mindestens eine Sinterschicht (15, 16, 17) und das mindestens eine Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls zur Ausbildung einer Sinterverbindung zwischen dem mindestens einen Halbleitermodul (10, 11, 12) und dem mindestens einen Gehäuseteil (13) des Kühlmoduls erwärmbar ist.Device (100) for integrally connecting at least one semiconductor module (10, 11, 12) to at least one housing part (13) of a cooling module, with at least one sintered layer (15, 16, 17) being applied to the at least one housing part (13) of the cooling module and the at least one semiconductor module (10, 11, 12) is positioned on the at least one sintered layer (15, 16, 17), with a pressure unit (18), by means of which pressure can be applied to a surface (21, 22, 23) of the at least one semiconductor module (10, 11, 12) facing away from the at least one housing part (13) of the cooling module, a counter-pressure unit (19) by means of which a counter-pressure can be applied to a surface (33) of the at least one housing part (13) of the cooling module facing away from the at least one semiconductor module (10, 11, 12) by means of a counter-pressure unit (19), and a heating unit (20), by means of which the at least one semiconductor module (10, 11, 12), the at least one sintered layer (15, 16, 17) and the at least one housing part (13) of the cooling module to form a sintered connection between the at least one semiconductor module (10, 11, 12) and the at least one housing part (13) of the cooling module can be heated.
DE102019204683.5A 2019-04-02 2019-04-02 Method and device for the material connection of at least one semiconductor module to at least one housing part of a cooling module Pending DE102019204683A1 (en)

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