DE102020208862A1 - Formwerkzeug zum verkapseln eines pin-fin-artigen leistungsmoduls und verfahren zum herstellen eines leistungsmoduls - Google Patents

Formwerkzeug zum verkapseln eines pin-fin-artigen leistungsmoduls und verfahren zum herstellen eines leistungsmoduls Download PDF

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Abstract

Es wird ein Formwerkzeug zum Verkapseln eines Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls mit Harz offenbart, wobei das Leistungsmodul ein DBC bzw. IMS, Leistungschips und mehrere Anschlüsse, die auf einer ersten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehen sind, und eine auf einer zweiten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehene Pin-Fin-Struktur umfasst, wobei das Formwerkzeug ferner Folgendes umfasst: eine Kavität zur Aufnahme des Leistungsmoduls, mehrere jeweils den Anschlüssen entsprechende Anschlussschutzelemente, die jeweils zum Aufnehmen zumindest eines Teils eines Anschlusses vorgesehen sind, ein am unteren Teil des Formwerkzeugs oder an der Seitenwand des Formwerkzeugs vorgesehenes Einspritzloch, wobei die erste Oberfläche dem unteren Teil des Formwerkzeugs zugewandt ist und sich das Einspritzloch unterhalb der ersten Oberfläche befindet, wenn das Leistungsmodul in der Kavität platziert ist. Während eines Spritzpressverfahrens werden die Anschlüsse und Rippen gut vor Harz geschützt. Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Verkapseln eines Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls und ein Verfahren zum Herstellen des Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein herkömmliches Leistungsmodul vor der Kapselung offenbart. Auf der vorderen Oberfläche eines DBC (Direct Bonded Copper) bzw. IMS (Insulated Metal Substrate) 1 sind Leistungschips 2, wie z. B. IGBTs oder SiC-Bauelemente, sowie Anschlüsse 31, 32, wie z. B. ein AC-Verbinder und ein DC-Verbinder eines Wechselrichters, vorgesehen. Ein Metallblock 4 zur Wärmedissipation ist mit der hinteren Oberfläche des DBC bzw. IMS 1 gekoppelt. Üblicherweise wird Gel oder Harz zum Verkapseln der Leistungschips 2, der Anschlüsse 31, 32 und der vorderen Oberfläche des DBC bzw. IMS verwendet. Wird Epoxidharz verwendet, so lässt sich das Leistungsmodul durch ein Spritzpressverfahren verkapseln. Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Formunterteil 51 mit einem Einspritzloch 511 versehen und das Formunterteil 51 und das Formoberteil 52 definieren eine Kavität 50 zur Aufnahme der Struktur gemäß Darstellung in 1. Das Epoxidharz wird über das Einspritzloch 511 nach oben eingespritzt und die Kavität 50 wird unter einem spezifischen Druck mit Epoxidharz gefüllt. Der Metallblock 4 kann für eine gute Unterstützung während des Spritzpressverfahrens sorgen. Nach Entfernen des Formunterteils und des Formoberteils ist ein gekapseltes Leistungsmodul mit dem Epoxidharz 6 gebildet, wie in 3 gezeigt ist. Jedoch sind außer den Leistungschips 2 auch die Anschlüsse 31, 32 vollständig durch das Epoxidharz 6 verkapselt. Es ist ein zusätzliches Bohrverfahren notwendig, da die Anschlüsse zur elektrischen Verbindung freiliegen müssen.
  • Zudem wird zur Verbesserung der Wärmedissipationsfähigkeit eine Pin-Fin-Struktur anstelle des Metallblocks verwendet. Gemäß der Darstellung in 4 ist die Pin-Fin-Struktur mit der hinteren Oberfläche des DBC bzw. IMS 1 gekoppelt und umfasst eine Metallplatte 41 und mehrere Rippen 42 an der Metallplatte 41. Während des schnellen Schaltens des Leistungschips erzeugte Wärme kann über die Rippen 42 schnell dissipiert werden. Gemäß der Darstellung in 5 und 6 wird der Freiraum zwischen zwei benachbarten Rippen, wenn das Leistungsmodul mit Pin-Fin-Struktur in der durch das Formunterteil 51 und das Formoberteil 52 gebildeten Kavität 50 platziert ist, ebenfalls mit Epoxidharz gefüllt, was inakzeptabel ist.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Um ein Verkapseln der Rippen und der Anschlüsse durch das Harz zu vermeiden, stellt die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug zum Verkapseln eines Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls mit Harz bereit. Das Leistungsmodul umfasst ein DBC bzw. IMS, Leistungschips und mehrere Anschlüsse, die auf einer ersten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehen sind, und eine auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehene Pin-Fin-Struktur. Das Formwerkzeug umfasst ferner eine Kavität zur Aufnahme des Leistungsmoduls, mehrere jeweils den Anschlüssen entsprechende Anschlussschutzelemente, die jeweils zum Aufnehmen zumindest eines Teils eines Anschlusses vorgesehen sind, ein am unteren Teil des Formwerkzeugs oder an der Seitenwand des Formwerkzeugs vorgesehenes Einspritzloch, wobei die erste Oberfläche der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs zugewandt ist und sich das Einspritzloch unterhalb der ersten Oberfläche befindet, wenn das Leistungsmodul in der Kavität platziert ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Anschlussschutzelement um eine an der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs vorgesehene Aussparung.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umschließt die Aussparung zumindest einen Teil des entsprechenden Anschlusses. Beispielsweise umschließt die Aussparung den oberen Teil des entsprechenden Anschlusses.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe der Aussparung geringer als die Höhe des entsprechenden Anschlusses. Somit ist der nicht durch die Aussparung aufgenommene Abschnitt jedes Anschlusses während des Spritzpressverfahrens in das Harz eingetaucht, und nach Aushärten des Harzes ist der nicht durch die Aussparung aufgenommene Abschnitt jedes Anschlusses verkapselt. Unterdessen ragt der durch die Aussparung aufgenommene Abschnitt jedes Anschlusses aus dem gehärteten Harz heraus, weshalb kein zusätzliches Bohrverfahren zum Bilden der elektrischen Verbindung nötig ist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwand der Aussparung elastisch. Vorzugsweise ist die Innenwand der Aussparung durch eine elastische Schicht, wie z. B. eine Gummischicht, bedeckt.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Pin-Fin-Struktur eine mit dem DBC bzw. IMS gekoppelte Metallplatte und auf der Metallplatte vorgesehene Rippen, wobei die Metallplatte eine mit den Rippen versehene mittlere Region und eine Randregion ohne Rippen umfasst, wobei sich die Randregion um die mittlere Region herum befindet. Wird das Harz nach oben eingespritzt, so könnte die Randregion verhindern, dass die Rippen während des Spritzpressverfahrens durch das Harz betroffen werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Stufenabschnitt an der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs zum Stützen der Peripherie der ersten Oberfläche vorgesehen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Formwerkzeug aus einem Formoberteil und einem Formunterteil zusammengesetzt, die Kavität ist durch die Innenwand des Formoberteils und die Innenwand des Formunterteils gebildet, die Anschlussschutzelemente und das Einspritzloch sind an dem Formunterteil vorgesehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls offenbart. Das Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls durch Verwenden des obengenannten Formwerkzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Platzieren des Leistungsmoduls in dem Formunterteil, wobei zumindest ein Teil jedes Anschlusses durch das entsprechende Anschlussschutzelement aufgenommen wird, Zusammensetzen des Formoberteils und des Formunterteils, Einspritzen von Epoxidharz über das Einspritzloch, sodass die erste Oberfläche mit Epoxidharz verkapselt wird, Entfernen des Formoberteils und des Formunterteils.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kavität vor dem Einspritzen des Epoxidharzes evakuiert.
  • Weitere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft veranschaulichen.
  • Figurenliste
  • Die beschriebenen Ausführungsformen und deren Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen am besten verständlich. Diese Zeichnungen beschränken auf keinerlei Weise etwaige Änderungen an Form und Detail, die durch Fachleute an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
    • 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Leistungsmoduls vor der Kapselung.
    • 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Formwerkzeugs zum Verkapseln des Leistungsmoduls gemäß Darstellung in 1.
    • 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines harzverkapselten Leistungsmoduls nach Entfernung des Formwerkzeugs gemäß dem Stand der Technik.
    • 4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmodul mit Pin-Fin-Struktur vor der Kapselung.
    • 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Leistungsmoduls gemäß Darstellung in 4, das gemäß dem Stand der Technik in dem Formwerkzeug platziert ist.
    • 6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines harzverkapselten Leistungsmoduls mit Pin-Fin-Struktur nach Entfernung des Formwerkzeugs gemäß dem Stand der Technik.
    • 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Formwerkzeugs zum Verkapseln des Leistungsmoduls mit Pin-Fin-Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls mit Pin-Fin-Struktur, das in dem Formwerkzeug von 7 platziert ist.
    • 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des verkapselten Leistungsmoduls von 8, wobei das Formwerkzeug entfernt ist.
    • 10 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Formunterteils zum Verkapseln eines Leistungsmoduls mit Pin-Fin-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 11 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls mit Pin-Fin-Struktur, das in dem Formunterteil von 10 platziert ist.
    • 12 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Formunterteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben. Ein Formwerkzeug zum Verkapseln eines Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls mit Harz und ein Verfahren zum Herstellen des Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls werden unter Bezugnahme auf 4, 7 bis 9 beschrieben. Gemäß Darstellung in 4 umfasst das Leistungsmodul ein DBC bzw. IMS 1, Leistungschips 2, mehrere Anschlüsse 31, 32, die auf einer ersten Oberfläche des DBC bzw. IMS 1 vorgesehen sind, und eine auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des DBC bzw. IMS 1 vorgesehene Pin-Fin-Struktur. Die Leistungschips, wie z. B. SiC-Bauelemente, und die Anschlüsse, wie z. B. AC-Verbinder und DC-Verbinder, sind auf dem DBC bzw. IMS verschweißt. Die Pin-Fin-Struktur umfasst eine mit dem DBC bzw. IMS 1 gekoppelte Metallplatte 41 und auf der Metallplatte 41 vorgesehene Rippen 42. Die Metallplatte 41 ist durch einen Wärmeleitklebstoff mit dem DBC bzw. IMS gekoppelt, sodass die während des Schaltens der Leistungschips erzeugte Wärme zu den Rippen 42, die in ein Kühlmittel eingetaucht sind, übertragen wird.
  • Unter Bezugnahme auf 7 und 8 umfasst das Formwerkzeug ein Formunterteil 501 und ein Formoberteil 502. Eine Kavität 500 zur Aufnahme des Leistungsmoduls gemäß Darstellung in 4 wird durch das Formunterteil 501 und das Formoberteil 502 gebildet. Auf der Innenfläche des unteren Teils des Formunterteils 501 sind mehrere Anschlussschutzelemente 5011, 5012 vorgesehen, die jeweils den Anschlüssen 31, 32 entsprechen und jeweils zum Aufnehmen zumindest eines Teils eines Anschlusses vorgesehen sind. Die Tiefe der Aussparung ist geringer als die Höhe des entsprechenden Anschlusses. Bei jedem Anschlussschutzelement handelt es sich um eine Aussparung mit einer elastischen Schicht. Somit wird, wenn das Leistungsmodul mit nach oben gerichteten Rippen 42 und nach unten gerichteten Anschlüssen in der Kavität 500 platziert wird, jeder Anschluss gut geschützt, da ein Teil jedes Anschlusses, beispielsweise der obere Teil jedes Anschlusses, durch die elastische Schicht jeder Aussparung umschlossen wird.
  • Das Formunterteil 501 umfasst ferner ein am unteren Teil des Formwerkzeugs vorgesehenes Einspritzloch 5013, wobei die erste Oberfläche des DBC bzw. IMS dem unteren Teil des Formwerkzeugs zugewandt ist und sich das Einspritzloch unterhalb der ersten Oberfläche befindet, wenn das Leistungsmodul in der Kavität platziert ist. Das Epoxidharz wird über das Einspritzloch 5013 in die Kavität 500 eingespritzt.
  • Im Unterschied zu einem herkömmlichen Formwerkzeug mit ebenem unteren Teil wird das Leistungsmodul umgedreht mit gut geschützten Anschlüssen platziert. Nicht durch die Anschlussschutzelemente aufgenommene Abschnitte der Anschlüsse werden dem über das Einspritzloch 5013 eingespritzten Epoxidharz ausgesetzt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls unter Verwendung des obengenannten Formwerkzeugs bereit, das Folgendes umfasst: Platzieren des Leistungsmoduls in dem Formunterteil, wo der obere Teil jedes Anschlusses durch das entsprechende Anschlussschutzelement aufgenommen wird; Zusammensetzen des Formoberteils und des Formunterteils zum Bilden der Kavität 500; und Einspritzen von Epoxidharz nach oben über das Einspritzloch 5013, wobei Leistungschips und freiliegende Anschlüsse mit Fließen des Epoxidharzes in dem Epoxidharz eingetaucht werden. Nach Verfestigung des Epoxidharzes wird das Formwerkzeug entfernt und ein verkapseltes Leistungsmodul gemäß Darstellung in 9 ist fertiggestellt. Dank des Schutzes der Anschlussschutzelemente sind die oberen Teile 311, 321 jedes Anschlusses 31, 32 nicht durch das Epoxidharz verkapselt und liegen somit frei, was hinsichtlich elektrischer Verbindung wünschenswert ist, und es ist verglichen mit dem Spritzpressverfahren unter Verwendung eines herkömmlichen Formwerkzeugs kein zusätzliches Bohrverfahren notwendig.
  • Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 10 und 11 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform offenbart. Eine Metallplatte umfasst eine mit Rippen versehene mittlere Region und eine Randregion 401 ohne Rippen um die mittlere Region herum. Wird Harz nach oben eingespritzt, so könnte die Randregion verhindern, dass die Rippen während eines Spritzpressverfahrens durch das Harz betroffen werden.
  • Bei dieser Ausführungsform ist ein Stufenabschnitt 7 an der Innenfläche des unteren Teils eines Formunterteils 501 zum Stützen der Peripherie der ersten Oberfläche vorgesehen und ein Einspritzloch ist an der Seitenwand des Formunterteils vorgesehen. Gemäß Darstellung in 11 verhindert der Stufenabschnitt 7, dass das Epoxidharz die Seitenwand der Metallplatte und die Rippen 42 betrifft.
  • Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 12 wird ein Formunterteil 501 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Diese Ausführungsform ist der in 10 und 11 gezeigten Ausführungsform ähnlich, ein Stufenabschnitt 7 ist an der Innenfläche des unteren Teils eines Formunterteils 501 zum Stützen der Peripherie der ersten Oberfläche vorgesehen. Mehrere Anschlussschutzelemente 5011, 5012 mit inneren Gummielementen sind am Boden des Formunterteils vorgesehen und ein Einspritzloch 5013 ist an der Seitenwand des Formunterteils vorgesehen. Die höchste Position des Einspritzlochs ist unterhalb der ersten Oberfläche, wenn das Leistungsmodul in der Kavität platziert ist.
  • Eine Reihe alternativer Strukturelemente und Verarbeitungsschritte wurde für die bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen. Somit ist, obgleich die Erfindung mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, die Beschreibung für die Erfindung veranschaulichend und nicht als die Erfindung beschränkend aufzufassen. Fachleuten können verschiedene Modifikationen und Anwendungen in den Sinn kommen, ohne vom wahren Wesen und Schutzumfang der Erfindung gemäß der Definition durch die angehängten Ansprüche abzuweichen.

Claims (10)

  1. Formwerkzeug zum Verkapseln eines Pin-Fin-artigen Leistungsmoduls mit Harz, wobei das Leistungsmodul ein DBC bzw. IMS, Leistungschips, mehrere Anschlüsse, die auf einer ersten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehen sind, und eine auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des DBC bzw. IMS vorgesehene Pin-Fin-Struktur umfasst, wobei das Formwerkzeug ferner Folgendes umfasst: eine Kavität zur Aufnahme des Leistungsmoduls, mehrere jeweils den Anschlüssen entsprechende Anschlussschutzelemente, die jeweils zum Aufnehmen zumindest eines Teils eines Anschlusses vorgesehen sind, ein am unteren Teil des Formwerkzeugs oder an der Seitenwand des Formwerkzeugs vorgesehenes Einspritzloch, wobei die erste Oberfläche der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs zugewandt ist und sich das Einspritzloch unterhalb der ersten Oberfläche befindet, wenn das Leistungsmodul in der Kavität platziert ist.
  2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Anschlussschutzelement um eine an der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs vorgesehene Aussparung handelt.
  3. Formwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Aussparung zumindest einen Teil des entsprechenden Anschlusses umschließt.
  4. Formwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Tiefe der Aussparung geringer als die Höhe des entsprechenden Anschlusses ist.
  5. Formwerkzeug nach Anspruch 2, wobei eine Innenwand der Aussparung aus elastischem Material besteht.
  6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pin-Fin-Struktur eine mit dem DBC bzw. IMS gekoppelte Metallplatte einschließlich einer mit den Rippen versehenen mittleren Region und einer Randregion ohne Rippen um die mittlere Region herum umfasst.
  7. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Stufenabschnitt an der Innenfläche des unteren Teils des Formwerkzeugs zum Stützen der Peripherie der ersten Oberfläche vorgesehen ist.
  8. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Formwerkzeug aus einem Formoberteil und einem Formunterteil zusammengesetzt ist, die Kavität durch eine Innenwand des Formoberteils und eine Innenwand des Formunterteils gebildet ist, die Anschlussschutzelemente und das Einspritzloch an dem Formunterteil vorgesehen sind.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls unter Verwendung des Formwerkzeugs nach Anspruch 8, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Platzieren des Leistungsmoduls in dem Formunterteil, wobei zumindest ein Teil jedes Anschlusses durch das entsprechende Anschlussschutzelement aufgenommen wird, Zusammensetzen des Formoberteils und des Formunterteils, Einspritzen von Epoxidharz über das Einspritzloch, sodass die erste Oberfläche mit Epoxidharz verkapselt wird, Entfernen des Formoberteils und des Formunterteils.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kavität vor dem Einspritzen des Epoxidharzes evakuiert wird.
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