DE102022212608A1

DE102022212608A1 - Verfahren zum bilden eines leistungsmoduls und leistungsmodul

Info

Publication number: DE102022212608A1
Application number: DE102022212608.4A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2024-05-29

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bilden eines Leistungsmoduls (20) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Trägers (22); Anordnen einer elektrisch leitfähigen ersten Platte (24) auf dem Träger (22); Anordnen einer elektrisch leitfähigen zweiten Platte (26) neben der ersten Platte (24) auf dem Träger (22), wobei die erste Platte (24) eine erste Dicke (H1) aufweist und die zweite Platte (26) eine zweite Dicke (H2) aufweist und wobei die erste Dicke (H1) größer als die zweite Dicke (H2) ist; Anordnen einer Vakuumfolie (70) über dem Träger (22), der ersten Platte (24) und der zweiten Platte (26), derart, dass mindestens zwischen den Platten (24, 26) und der Vakuumfolie (70) ein Hohlraum (78) gebildet wird, wobei sich ein Gasauslass (72) zum Evakuieren des Hohlraums (78) durch die Vakuumfolie (70) erstreckt, und dass der Hohlraum (78) mit Ausnahme des Gasauslasses (72) gasdicht abgedichtet wird; Anordnen des Trägers (22) und der Platten (24, 26) mit der Vakuumfolie (70) in einer Kammer (82) eines Autoklaven (80); Evakuieren des Hohlraums (78) zwischen den Platten (24, 26) und der Vakuumfolie (70); Druckbeaufschlagen der Kammer (82) mit Gas, das eine Temperatur aufweist, die dazu ausreicht, die Platten (24, 26) an dem Träger (22) zu fixieren; Freisetzen des Gases aus der Kammer (82); Entfernen des Trägers (22) und der Platten (24, 26) mit der Vakuumfolie (70) aus der Kammer (82); Entfernen der Vakuumfolie (70) von dem Träger (22) und den Platten (24, 26); Anordnen mindestens eines Halbleiterschalters (60, 62) auf der ersten Platte (24); und elektrisches Koppeln des Halbleiterschalters (60, 62) mit der zweiten Platte (26).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Leistungsmoduls und ein Leistungsmodul, insbesondere ein durch das Verfahren hergestelltes Leistungsmodul.
Ein herkömmliches Leistungsmodul kann einen Träger, einen oder mehrere elektrisch leitfähige Abschnitte auf dem Träger und einen oder mehrere auf den Abschnitten montierte Halbleiterschalter umfassen. Der Träger kann eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern („Prepreg“) umfassen oder daraus bestehen. Die Halbleiterschalter können durch ein oder mehrere elektronische Bauteile des Leistungsmoduls gesteuert werden. Die Halbleiterschalter können als Hochgeschwindigkeits- und/oder Hochleistungsschaltvorrichtungen konfiguriert sein.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Bilden eines Leistungsmoduls wird eine Platte auf dem Träger angeordnet, und die Platte wird durch eine Presse gegen den Träger gepresst, so dass die Platte nach dem Anlegen des entsprechenden Drucks an dem Träger fixiert wird. Nach diesem Fixierschritt wird die Platte geätzt, so dass die Platte in Abschnitte getrennt wird, auf denen die Halbleiterschalter und die elektronischen Bauteile angeordnet sind, wobei die Abschnitte elektrisch gegeneinander isoliert sind und wobei die Abschnitte in einem gegebenen Abstand nebeneinander angeordnet sind.
Hinsichtlich der Halbleiterschalter ist es von Vorteil, einen dicken Abschnitt als Abstützung für den entsprechenden Halbleiterschalter zu haben. Der dicke Abschnitt zum Abstützen der Halbleiterschalter kann als Leistungsmuster bezeichnet werden. Der dicke Abschnitt kann zu einer guten Wärmeableitung von dem entsprechenden Halbleiterschalter beitragen. Ferner kann der dicke Abschnitt zu einer geringen Induktivität des Halbleitermoduls beitragen. Die geringe Induktivität des Halbleitermoduls kann zu einer hohen Leistungsfähigkeit des Halbleitermoduls führen. Um den dicken Abschnitt bereitzustellen, muss im Pressschritt eine entsprechend dicke Platte mit dem Träger gekoppelt werden. Der dicke Abschnitt weist jedoch ein entsprechend großes Gewicht auf und braucht einen entsprechend großen Platz, und an anderen Teilen des Leistungsmusters, die als Signalmuster bezeichnet werden können, wird weniger Wärme als am Leistungsmuster erzeugt, und eine dünne Platte kann für das Signalmuster ausreichend sein. Die Bereitstellung von Platten mit unterschiedlichen Dicken für das Leitungsmuster und das Signalmuster führt jedoch aufgrund der verschiedenen Dicken beim Anordnen der Platten in der Presse zu Problemen.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bilden eines Leistungsmoduls, das mindestens einen Halbleiterschalter umfasst, das einfach und kostengünstig ist, das dazu beiträgt, dass Wärme während des Betriebs des Leistungsmoduls ordnungsgemäß von dem Halbleiterschalter abgeleitet wird, das dazu beiträgt, dass das Leistungsmodul leicht ist und/oder das dazu beiträgt, dass das Leistungsmodul nicht viel Platz benötigt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Leistungsmoduls, das mindestens einen Halbleiterschalter umfasst, der auf eine einfache und kostengünstige Weise gebildet werden kann, wobei Wärme während des Betriebs des Leistungsmoduls ordnungsgemäß von dem Halbleiterschalter abgeleitet wird, das leicht ist und/oder das nicht viel Platz benötigt.
Die Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Leistungsmoduls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägers; Anordnen einer elektrisch leitfähigen ersten Platte auf dem Träger, Anordnen einer elektrisch leitfähigen zweiten Platte neben der ersten Platte auf dem Träger, wobei die erste Platte eine erste Dicke aufweist und die zweite Platte eine zweite Dicke aufweist und wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist; Anordnen einer Vakuumfolie (bagging film) über dem Träger, der ersten Platte und der zweiten Platte, derart, dass mindestens zwischen den Platten und der Vakuumfolie ein Hohlraum gebildet wird, wobei sich ein Gasauslass zum Evakuieren des Hohlraums durch die Vakuumfolie erstreckt, und dass der Hohlraum mit Ausnahme des Gasauslasses gasdicht abgedichtet wird; Anordnen des Trägers und der Platten mit der Vakuumfolie in einer Kammer eines Autoklaven; Evakuieren des Hohlraums zwischen den Platten und der Vakuumfolie; Druckbeaufschlagen der Kammer mit Gas, das eine Temperatur aufweist, die dazu ausreicht, die Platten an dem Träger zu fixieren; Freisetzen des Gases aus der Kammer; Entfernen des Trägers und der Platten mit der Vakuumfolie aus der Kammer; Entfernen der Vakuumfolie von dem Träger und den Platten; Anordnen mindestens eines Halbleiterschalters auf der ersten Platte und elektrisches Koppeln des Halbleiterschalters mit der zweiten Platte.
Die dicke erste Platte kann dazu beitragen, dass während des Betriebs des Leistungsmoduls Wärme ordnungsgemäß von dem Halbleiterschalter abgeleitet wird. Die dünne zweite Platte kann dazu beitragen, dass das Leistungsmodul leicht und kompakt ist. Die Vakuumfolie ermöglicht ein leichtes Fixieren der Platten mit unterschiedlichen Dicken an dem Träger, weil der Druck durch die Vakuumfolie gleichmäßig verteilt wird. Insbesondere bietet die Vakuumfolie aufgrund des evakuierten Hohlraums und der druckbeaufschlagten Kammer einen gleichmäßigen Druck zu den umgebenden Komponenten, d. h. den Platten. Aufgrund der hohen Temperatur in der Kammer und aufgrund des Drucks werden die Platten ordnungsgemäß an dem Träger fixiert. Ferner kann das Verfahren auf eine einfache und kostengünstige Weise durchgeführt werden.
Der Halbleiterschalter kann durch einen oder mehrere Drahtbonds mit der zweiten Platte elektrisch gekoppelt werden. Der auf der dicken ersten Platte, d. h. einem Leistungsmuster, angeordnete Halbleiterschalter kann für Ströme verwendet werden, die größer sind als die Ströme, für die die dünne zweite Platte, d. h. ein Signalmuster, verwendet wird. Dies trägt zu einer sehr guten Wärmeableitung von dem Halbleiterschalter bei, insbesondere, wenn es sich dabei um einen Hochleistungshalbleiterchip handelt. Zum Beispiel kann der Halbleiterschalter dazu konfiguriert sein, Ströme von über 10 A zu handhaben, und das Signalmuster kann dazu konfiguriert sein, Ströme von kleiner gleich 10 A zu handhaben. Zusätzlich zu dem Halbleiterschalter können ein oder mehrere weitere Halbleiterschalter auf der ersten Platte angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere elektronische Bauteile zum Ansteuern des/der Halbleiteschalter(s) auf dem Signalmuster angeordnet werden und können mit dem einen oder den mehreren der Halbleiterschalter elektrisch gekoppelt werden.
Der Gasauslasses wird gasdicht mit der Vakuumfolie gekoppelt. Der Gasauslass kann vor oder nach Anordnen der Vakuumfolie über dem Träger und den Platten mit der Vakuumfolie gekoppelt werden. Der Gasauslass kann dazu konfiguriert sein, mit dem Hohlraum und mit einer Vakuumpumpe zu kommunizieren. Der Gasauslass kann sich von dem Hohlraum zu der Vakuumpumpe erstrecken. Nach Evakuieren des Hohlraums und vor Druckbeaufschlagen der Kammer kann der Gasauslass geschlossen und von der Vakuumpumpe getrennt werden. Alternativ kann der Gasauslass mit der Vakuumpumpe gekoppelt werden, bis der Träger und die Platten mit der Vakuumfolie aus der Kammer entfernt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren vor dem Anordnen der Platten auf dem Träger: Trennen der ersten Platte in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, so dass der erste Abschnitt gegen den zweiten Abschnitt elektrisch isoliert und davon beabstandet wird; wobei der Halbleiterschalter auf dem zweiten Abschnitt angeordnet wird und mit dem ersten Abschnitt elektrisch gekoppelt wird. Wahlweise können ein oder mehrere weitere Halbleiterschalter auf dem zweiten Abschnitt angeordnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren vor dem Anordnen der Platten auf dem Träger: Trennen der zweiten Platte in einen dritten Abschnitt und einen vierten Abschnitt, so dass der dritte Abschnitt gegen den vierten Abschnitt elektrisch isoliert und davon beabstandet wird. Wenn das eine oder die mehreren elektronischen Bauteile zum Ansteuern des/der Halbleiterschalter(s) auf dem Signalmuster angeordnet werden sollen, können diese elektronischen Bauteile auf dem dritten Abschnitt angeordnet werden, und der/die Halbleiterschalter kann/können mit dem/den elektronischen Bauteil(en) auf dem dritten Abschnitt elektrisch gekoppelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die erste und/oder zweite Platte durch Sägen in die entsprechenden Abschnitte getrennt. Dies kann das Weglassen eines Ätzschritts zum Trennen der Platten in die entsprechenden Abschnitte ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Vakuumfolie so angeordnet, dass sie gasdicht mit einer Unterseite des Trägers gekoppelt wird, wobei die Unterseite des Trägers dem Halbleiterchip abgekehrt ist. Dies kann dazu beitragen, einen geeigneten Druck zwischen den Platten und dem Träger bereitzustellen. Die Vakuumfolie kann gasdicht mit der Unterseite des Trägers gekoppelt werden, so dass mindestens ein Teil der Unterseite frei von der Vakuumfolie ist. Alternativ kann die Vakuumfolie gasdicht mit einer lateralen Seitenfläche des Trägers gekoppelt werden. Alternativ kann die Vakuumfolie den Träger und die Platten vollständig umschließen. Alternativ kann der Träger mit den Platten auf einem Kühlkörper angeordnet werden, und die Vakuumfolie kann so angeordnet werden, dass sie den Träger, die Platten und zumindest teilweise den Kühlkörper umschließt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Vakuumfolie durch ein Vakuumdichtungsmittel gasdicht mit der Unterseite des Trägers gekoppelt. Dies trägt zu der gasdichten Anordnung der Vakuumfolie bei. Wenn der Träger an dem Kühlkörper angeordnet ist, kann die Vakuumfolie durch das Vakuumdichtungsmittel gasdicht mit der Unterseite des Kühlkörpers gekoppelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Gastemperatur in der Kammer zwischen 50° und 200°, z. B. zwischen 80° und 150°, z. B. bei 120°. Alternativ oder zusätzlich liegt ein Überdruck in der druckbeaufschlagten Kammer zwischen 10 kPa und 100 kPa, z. B. zwischen 30 kPa und 60 kPa über Atmosphärendruck. Alternativ oder zusätzlich liegt ein Unterdruck in dem evakuierten Raum zwischen 10^-3 hPa und 10^-8 hPa, z. B. zwischen 10^-4 hPa und 10^-6 hPa.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Halbleiterschalter durch mindestens einen Drahtbond elektrisch mit dem ersten und/oder dritten Abschnitt oder gegebenenfalls mit dem elektronischen Bauteil auf dem dritten Abschnitt gekoppelt. Dies kann dazu beitragen, dass der Halbleiterschalter leicht mit dem ersten und/oder dritten Abschnitt gekoppelt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Platte eine Dicke zwischen 100 µm und 1 cm auf; und/oder die zweite Platte weist eine Dicke zwischen 1 µm und 1 mm auf. Zum Beispiel weist die erste Platte eine Dicke zwischen 500 µm und 5 mm auf, und/oder die zweite Platte weist eine Dicke zwischen 35 µm und 500 µm auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst/umfassen die erste und/oder zweite Platte Kupfer oder ist/sind daraus hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Träger eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren: Anordnen eines elektrisch leitfähigen Signalstifts auf dem vierten Abschnitt, wobei der Signalstift dazu konfiguriert ist, das Leistungsmodul elektrisch mit einer externen Vorrichtung zu koppeln. Die externe Vorrichtung kann zum Kommunizieren mit dem elektronischen Bauteil und/oder dem/den Halbleiterschalter(n) konfiguriert sein.
Ein anderer Aspekt betrifft das Leistungsmodul. Das Leistungsmodul umfasst: den Träger; den elektrisch leitfähigen ersten Abschnitt und den elektrisch leitfähigen zweiten Abschnitt auf dem Träger, wobei der erste Abschnitt gegen den zweiten Abschnitt elektrisch isoliert und davon beabstandet ist und wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt jeweils die erste Dicke aufweisen; den elektrisch leitfähigen dritten Abschnitt und den elektrisch leitfähigen vierten Abschnitt auf dem Träger, wobei der dritte Abschnitt von dem vierten Abschnitt beabstandet ist, wobei der dritte Abschnitt und der vierte Abschnitt gegen den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt elektrisch isoliert und davon beabstandet sind, wobei der dritte Abschnitt und der vierte Abschnitt jeweils die zweite Dicke aufweisen, und wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist; den mindestens einen Halbleiterschalter auf dem zweiten Abschnitt, wobei der Halbleiterschalter mit dem ersten und dritten Abschnitt elektrisch gekoppelt ist; und den elektrisch leitfähigen Signalstift auf dem vierten Abschnitt, wobei der vierte Abschnitt mit dem dritten Abschnitt elektrisch gekoppelt ist und wobei der Signalstift zum elektrischen Koppeln des Leistungsmoduls mit der externen Vorrichtung konfiguriert ist.
Die technischen Wirkungen, Vorteile, Merkmale und/oder Ausführungsformen, wie oben bezüglich des Verfahrens zum Bilden des Leistungsmoduls erläutert, können auf die technischen Wirkungen, Vorteile, Merkmale und/oder Ausführungsformen des Leistungsmoduls übertragen werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Platte eine Dicke zwischen 100 µm und 1 cm auf und/oder weist die zweite Platte eine Dicke zwischen 1 µm und 1 mm auf. Zum Beispiel weist die erste Platte eine Dicke zwischen 500 µm und 5 mm auf und/oder weist die zweite Platte eine Dicke zwischen 35 µm und 500 µm auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst/umfassen die erste und/oder zweite Platte Kupfer oder ist/sind daraus hergestellt. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Träger eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern oder besteht daraus.
Wahlweise ist das elektronische Bauteil auf dem dritten Abschnitt angeordnet und ist mit dem Halbleiterschalter und dem vierten Abschnitt elektrisch gekoppelt. Ferner kann das Leistungsmodul den Kühlkörper umfassen, auf dem der Träger angeordnet ist.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und erläutert. Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen detaillierter beschrieben.

1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls.
2 zeigt eine Seitenansicht von Ausführungsbeispielen von Platten des Leistungsmoduls von 1.
3 zeigt eine Seitenansicht der Platten von 2, die auf einem Träger des Leistungsmoduls von 1 angeordnet sind.
4 zeigt eine Seitenansicht der Platten auf dem Träger von 3 mit einem Ausführungsbeispiel einer Vakuumfolie.
5 zeigt eine Seitenansicht der in 4 gezeigten Anordnung, die in einer Kammer eines Autoklaven angeordnet ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammenfassender Form in der nachfolgenden Bezugszeichenliste aufgeführt. Grundsätzlich sind in den Figuren identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20. Das Leistungsmodul 20 umfasst einen Träger 22, eine elektrisch leitfähige erste Platte 24 über dem Träger 22, eine elektrisch leitfähige zweite Platte 26 über dem Träger 22 neben der ersten Platte 24, mindestens einen Halbleiterschalter, z. B. einen ersten Halbleiterschalter 60 und einen zweiten Halbleiterschalter 62, die auf der ersten Platte 24 angeordnet sind und mit der zweiten Platte 26 elektrisch gekoppelt sind, und wahlweise einen Kühlkörper 28 unterhalb des Trägers 22. Das Leistungsmodul 20 kann eine Halbbrücke bilden und/oder kann in einem Gleichrichter oder Wechselrichter angeordnet sein.
Die erste und/oder zweite Platte 24, 26 kann/können Kupfer umfassen oder daraus hergestellt sein. Der Träger 22 kann eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern umfassen oder daraus bestehen. Der Träger 22 kann elektrisch isolierend sein. Der Kühlkörper 28 kann Aluminium umfassen oder daraus hergestellt sein. Der Kühlkörper 28 kann eine oder mehrere Kühlrippen (in den Figuren nicht gezeigt) umfassen.
Wahlweise kann die erste Platte 24 in einen ersten Abschnitt 50 und einen zweiten Abschnitt 52 getrennt sein, so dass zwischen dem ersten Abschnitt 50 und dem zweiten Abschnitt 52 ein erster Spalt 34 gebildet wird. Der erste Spalt 34 kann sich von einer Seite der ersten Platte 24, die dem Träger 20 abgekehrt ist, zu dem Träger 20 erstrecken. Der erste Spalt 34 kann durch Sägen gebildet werden und/oder einem Sägeschnitt entsprechen.
Wahlweise kann auch die zweite Platte 26 in einen dritten Abschnitt 54 und einen vierten Abschnitt 56 getrennt sein, so dass zwischen dem dritten Abschnitt 54 und dem vierten Abschnitt 56 ein zweiter Spalt 36 gebildet wird. Der zweite Spalt 36 kann sich von einer Seite der zweiten Platte 26, die dem Träger 20 abgekehrt ist, zu dem Träger 20 erstrecken. Der zweite Spalt 36 kann durch Sägen gebildet werden und/oder einem Sägeschnitt entsprechen.
Der erste und zweite Halbleiterschalter 60, 62 können auf dem zweiten Abschnitt 52 angeordnet sein. Der erste Halbleiterschalter 60 kann z. B. durch einen Drahtbond 68 mit dem ersten Abschnitt 50 elektrisch gekoppelt sein. Der erste Halbleiterschalter 60 kann auch z. B. durch einen elektrischen Kontakt (nicht gezeigt) des ersten Halbleiterschalters 60 an einer Unterseite des ersten Halbleiterschalters 60 mit dem zweiten Abschnitt 52 elektrisch gekoppelt sein. Darüber hinaus kann der erste Halbleiterschalter 60 z. B. durch einen anderen Drahtbond 68 mit dem zweiten Halbleiterschalter 62 elektrisch gekoppelt sein. Der zweite Halbleiterschalter 62 kann z. B. durch einen elektrischen Kontakt (nicht gezeigt) des zweiten Halbleiterschalters 62 an einer Unterseite des zweiten Halbleiterschalters 62 mit dem zweiten Abschnitt 52 elektrisch gekoppelt sein. Darüber hinaus kann der zweite Halbleiterschalter 62 z. B. durch einen anderen Drahtbond 68 mit dem dritten Abschnitt 54 elektrisch gekoppelt sein.
Mindestens einer der Halbleiterschalter 60, 62 kann ein Hochleistungshalbleiterchip sein. Der Hochleistungshalbleiterchip kann zur Verarbeitung von hohen Spannungen, zum Beispiel von mehr als 100 V, und/oder hohen Strömen, zum Beispiel von mehr als 10 A, konfiguriert sein. Die Halbleiterschalter 60, 62 können SiC, GaN oder GaO umfassen. Die Halbleiterschalter 60, 62 können jeweils ein Transistor, z. B. ein FWD, ein IGBT und/oder ein MOSFET, sein.
Wahlweise kann ein elektronisches Bauteil 64 zum Ansteuern des ersten und/oder zweiten Halbleiterschalters 60, 62 auf dem dritten Abschnitt 54 angeordnet sein. Das elektronische Bauteil 64 kann z. B. durch einen anderen Drahtbond 68 mit dem zweiten Halbleiterschalter 62 und/oder z. B. durch einen oder mehrere weitere Drahtbonds (nicht gezeigt) mit dem vierten Abschnitt 56 elektrisch gekoppelt sein. Das elektronische Bauteil 64 kann einen Chip zum Ansteuern der Halbleiterschalter 60, 62 umfassen.
Die erste Platte 24 weist eine erste Dicke H1 auf, und die zweite Platte 26 weist eine zweite Dicke H2 auf (siehe 1 und 2). Die erste Dicke H1 ist größer als die zweite Dicke H2. Die erste Dicke H2 kann in einem Bereich von 100 µm bis 1 cm, z. B. von 500 µm bis 5 mm, z. B. von 1 mm bis 3 mm, liegen. Die zweite Dicke H2 kann in einem Bereich von 1 µm bis 1 mm, z. B. von 10 µm bis 500 µm, z. B. von 35 µm bis 500 µm, liegen.
Die Halbleiterschalter 60, 62, die auf der dickeren ersten Platte 24, insbesondere dem dickeren zweiten Abschnitt 52, angeordnet sind, können für Ströme verwendet werden, die größer als die Ströme sind, für die das elektronische Bauteil 64 auf der dünneren zweiten Platte 26, insbesondere dem dünneren dritten Abschnitt 54, verwendet werden kann. Zum Beispiel können der erste und zweite Halbleiterschalter 24, 26 zur Handhabung von Strömen, die größer als 10 A sind, konfiguriert sein, und das elektronische Bauteil 64 kann zur Handhabung von Strömen, die kleiner gleich 10 A sind, konfiguriert sein. In diesem Zusammenhang kann die erste Platte 24 als „Leistungsmuster“ bezeichnet werden, und die zweite Platte 26 kann als „Signalmuster“ bezeichnet werden.
Wenn kein Hochleistungshalbleiterschalter 60, 62 auf dem ersten Abschnitt 50 angeordnet ist, kann der erste Abschnitt 50 wahlweise aus der zweiten Platte 26 und/oder aus einer anderen Platte mit der zweiten Dicke H2 gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Abschnitt 52 in zwei oder mehr Teilabschnitte, die voneinander beabstandet und gegeneinander elektrisch isoliert sind, getrennt sein, wobei jeder der Halbleiterschalter 60, 62 auf einem anderen der Teilabschnitte angeordnet sein kann.
Ein elektrisch leitfähiger Kontaktstift 66 kann auf der zweiten Platte 26, insbesondere dem vierten Abschnitt 56, angeordnet und elektrisch damit gekoppelt sein. Der Kontaktstift 66 kann zum mechanischen und/oder elektrischen Koppeln des Leistungsmoduls 20 mit einem Treiber oder einer Treiberplatte (nicht gezeigt) des Leistungsmoduls 20 und/oder einer externen Vorrichtung, z. B. einer Batterie oder einer Last, vorgesehen sein.
Wahlweise kann das Leistungsmodul 20 in einen (nicht gezeigten) Vergusskörper eingebettet sein, z. B. durch Vergießen. Der Vergusskörper kann ein Gehäuse des Leistungsmoduls 20 bereitstellen.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Zustände des Leistungsmoduls 20 während eines Verfahrens zum Bilden des Leistungsmoduls 20, wobei 1 den Endzustand des Leistungsmoduls 20 zeigt. Ferner werden die 1 bis 5 dazu verwendet, mehrere Schritte des Verfahrens zu beschreiben.
2 zeigt eine Seitenansicht von Ausführungsbeispielen der Platten 24, 26 des Leistungsmoduls von 1. Insbesondere zeigt 2 einen Zustand des Verfahrens zum Bilden des Leistungsmoduls 20, in dem die erste Platte 24, die die erste Dicke H1 aufweist, und die zweite Platte 26, die die zweite Dicke H2 aufweist, bereitgestellt sind. Darüber hinaus wird die erste Platte 24 nach dem Bereitstellen der Platten 24, 26 in den ersten Abschnitt 50 und den zweiten Abschnitt 52 getrennt, und die zweite Platte 26 wird in den dritten Abschnitt 54 und dem vierten Abschnitt 56 getrennt. Der erste Abschnitt 50 ist durch den ersten Spalt 34 von dem zweiten Abschnitt 52 getrennt. Der dritte Abschnitt 54 ist durch den zweiten Spalt 36 von dem vierten Abschnitt 56 getrennt. Die Platten 24, 26 können durch Sägen in die entsprechenden Abschnitte 50, 52, 54, 56 getrennt werden.
In dem in 2 gezeigten Zustand können der erste und der zweite Abschnitt 50, 52 und/oder der dritte und der vierte Abschnitt 54, 56 wahlweise in einer Ebene vor oder hinter der Zeichnungsebene immer noch miteinander gekoppelt sein und können in einem späteren Schritt des Verfahrens, z. B. nach dem Fixieren der Platten 24, 26 an dem Träger 22 und vor dem Fertigstellen des Leistungsmoduls 20, vollständig voneinander getrennt werden.
3 zeigt eine Seitenansicht der Platten 24, 26 von 2, die auf dem Träger 22 des Leistungsmoduls 20 von 1 angeordnet sind. Wahlweise kann der Träger 22 auf dem Kühlkörper 28 angeordnet werden, insbesondere vor oder nach dem Anordnen der Platten 24, 26 auf dem Träger 22.
4 zeigt eine Seitenansicht der Platten 24, 26 auf dem Träger 22 von 3 mit einem Ausführungsbeispiel einer Vakuumfolie 70. Die Vakuumfolie 70 ist mindestens über dem Träger 22 und den Platten 24 angeordnet, derart, dass mindestens zwischen den Platten 24, 26 und der Vakuumfolie 70 und wahlweise zwischen den freiliegenden Teilen der Träger 22 in den Spalten 34, 36 und der Vakuumfolie 70 ein Hohlraum 78 gebildet wird.
Die Vakuumfolie 70 kann gasdicht mit einer lateralen Seitenfläche des Trägers 22 oder mit einer Unterseite 30 des Trägers 22 gekoppelt werden, so dass mindestens ein Teil der Unterseite 30 des Trägers 22 frei von der Vakuumfolie 70 ist. Alternativ kann die Vakuumfolie 70 so angeordnet werden, dass sie den Träger 22 und die Platten 24, 26 vollständig umschließt. Wenn der Kühlkörper 28 angeordnet wird, kann die Vakuumfolie 70 auch den Kühlkörper 28 vollständig oder teilweise umschließen. Im letzteren Fall kann die Vakuumfolie 70 zum Beispiel so angeordnet werden, dass sie gasdicht mit einer Unterseite 32 des Kühlkörpers 28 gekoppelt wird, wobei die Unterseite 32 des Kühlkörpers 28 dem Träger 22 abgekehrt ist. Die Vakuumfolie 70 kann durch ein Vakuumdichtungsmittel 74 gasdicht mit der Unterseite 32 des Kühlkörpers 28 gekoppelt werden. Wenn der Kühlkörper 28 nicht angeordnet wird, kann die Vakuumfolie 70 durch das Vakuumdichtungsmittel 74 gasdicht mit der Unterseite 30 des Trägers 22 gekoppelt werden.
Es kann sich ein Gasauslass 72 zum Evakuieren des Hohlraums 78 durch die Vakuumfolie 70 erstrecken. Der Hohlraum 78 kann mit Ausnahme des Gasauslasses 72 gasdicht abgedichtet sein. So kann der Gasauslass 72 gasdicht mit der Vakuumfolie 70 gekoppelt sein. Der Gasauslass 72 kann vor oder nach Anordnen der Vakuumfolie 70 über den Träger 22, die Platte 24 und gegebenenfalls den Kühlkörper 28 mit der Vakuumfolie 70 gekoppelt werden. Der Gasauslass 72 kann dazu konfiguriert sein, mit dem Hohlraum 78 und mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) zum Evakuieren des Hohlraums 78 zu kommunizieren. Der Gasauslass 72 kann sich von dem Hohlraum 78 zu der Vakuumpumpe erstrecken. Der Hohlraum 78 kann durch die Vakuumpumpe über den Gasauslass 72 evakuiert werden.
5 zeigt eine Seitenansicht der in 4 gezeigten Anordnung, die in einer Kammer 82 eines Autoklaven 80 angeordnet ist. In diesem Zustand des Verfahrens ist der Hohlraum 78 zwischen dem Träger 22, den Platten 24, 26, und der Vakuumfolie 70 evakuiert, wie anhand der Vakuumfolie 70 zu sehen ist, die sich an die Platten 24, 26, den Träger 22, zumindest teilweise in die Spalte 34 und gegebenenfalls den Kühlkörper 28 anschmiegt. Die Kammer 82 kann mit einem Gas, z. B. Luft, über einen Gaseinlass 76 des Autoklaven 80 mit Druck beaufschlagt werden, so dass in der Kammer 82 ein Überdruck erzeugt werden kann, wobei das Gas eine Temperatur aufweist, die hoch genug ist, um die Platten 24, 26 an dem Träger 22 zu fixieren. Der Überdruck des Gases in der Kammer 82 und der Unterdruck in dem Hohlraum 78 kann einen vorbestimmten Druck an den Platten 24, 26 zu dem Träger 22 bereitstellen, so dass die Platten 24, 26 an dem Träger 22 fixiert werden. Wenn der Kühlkörper 28 angeordnet ist, wird der Träger 22 ferner gegen den Kühlkörper 28 gepresst, und der Kühlkörper 28 wird an dem Träger 22 fixiert. Wahlweise kann zwischen den Platten 24, 26 und dem Träger 22 und/oder zwischen dem Träger 22 und dem Kühlkörper 28 ein Klebstoff vorgesehen werden.
Nach einer vorbestimmten Dauer, die zum ordnungsgemäßen Fixieren der Platten 24, 26 an dem Träger 42 ausreicht, wird das Gas aus der Kammer 82 freigesetzt. Danach können der Träger 22 und die Platten 24, 26, die von der Vakuumfolie 70 umgeben sind, aus der Kammer 82 entfernt werden, und die Vakuumfolie 70 kann von dem Träger 22, den Platten 24, 26 und gegebenenfalls dem Kühlkörper 28 entfernt werden.
Nach dem Evakuieren des Hohlraums 78, z. B. durch die Vakuumpumpe, und vor dem Druckbeaufschlagen der Kammer 82 kann der Gasauslass 72 geschlossen und von der Vakuumpumpe getrennt werden. Alternativ kann der Gasauslass 72 mit der Vakuumpumpe gekoppelt werden, bis der Träger 22, die Platten 24, 26 und gegebenenfalls der Kühlkörper 28 mit der Vakuumfolie 70 aus der Kammer 82 entfernt werden.
Die hohe Gastemperatur in der Kammer 82 kann zwischen 50° und 200°, z. B. zwischen 80 und 150°, z. B. bei 120°, liegen. Der Überdruck in der druckbeaufschlagten Kammer 82 kann zwischen 10 kPa und 100 kPa, z. B. zwischen 30 kPa und 60 kPa über Atmosphärendruck, liegen. Alternativ oder zusätzlich kann der Unterdruck in dem evakuierten Raum zwischen 10^-3 hPa und 10^-8 hPa, z. B. zwischen 10^-4 hPa und 10^-6 hPa, liegen.
Dann können die Halbleiterschalter 24, 26 auf dem zweiten Abschnitt 52 angeordnet werden, und wahlweise kann das elektronische Bauteil 64 auf dem dritten Abschnitt 54 angeordnet werden, wie z. B. in 1 gezeigt ist. Ferner kann der Signalstift 66, z. B. durch Löten oder Verkleben, auf der zweiten Platte 26, insbesondere auf dem vierten Abschnitt 56, angeordnet werden, wie in 1 gezeigt ist. Schließlich können die Drahtbonds 68 zum elektrischen Koppeln des ersten Abschnitts 50 mit dem ersten Halbleiterschalter 60, des ersten Halbleiterschalters 60 mit dem zweiten Halbleiterschalter 62, des zweiten Halbleiterschalters 62 mit dem elektronischen Bauteil 64 und/oder des elektronischen Bauteils 64 mit dem vierten Abschnitt 56 und über den vierten Abschnitt 56 mit dem Signalstift 66 angeordnet werden.
Obgleich die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben worden ist, sind solch eine Darstellung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten. Insbesondere wird die Erfindung nicht durch die obigen Ausführungsformen eingeschränkt. Zum Beispiel kann es mehr oder weniger Halbleiterschalter 60, 62, elektronische Bauteile 64, entsprechende Platten 24, 26, insbesondere entsprechende Abschnitte 50, 52, 54, 56, und/oder entsprechende Drahtbonds 28 geben. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können von dem Fachmann bei Ausübung der beanspruchten Erfindung anhand einer genauen Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden.
In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen/umfassend“ keine anderen Elemente aus, und der unbestimmte Artikel „ein/eine/einer“ schließt keinen Plural aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in verschiedenen voneinander abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil genutzt werden kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Schutzumfang einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

20: Leistungsmodul
22: Träger
24: erste Platte
26: zweite Platte
28: Kühlkörper
30: Unterseite des Trägers
32: Unterseite des Kühlkörpers
34: erster Spalt
36: zweiter Spalt
50: erster Abschnitt
52: zweiter Abschnitt
54: dritter Abschnitt
56: vierter Abschnitt
60: erster Halbleiterschalter
62: zweiter Halbleiterschalter
64: elektronisches Bauteil
66: Kontaktstift
68: Drahtbond
70: Vakuumfolie
72: Gasauslass
74: Vakuumdichtungsmittel
76: Gaseinlass
78: Hohlraum
80: Autoklav
82: Kammer
H1 - H2: Dicke eins und zwei

Claims

Verfahren zum Bilden eines Leistungsmoduls (20), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägers (22); Anordnen einer elektrisch leitfähigen ersten Platte (24) auf dem Träger (22); Anordnen einer elektrisch leitfähigen zweiten Platte (26) neben der ersten Platte (24) auf dem Träger (22), wobei die erste Platte (24) eine erste Dicke (H1) aufweist und die zweite Platte (26) eine zweite Dicke (H2) aufweist und wobei die erste Dicke (H1) größer als die zweite Dicke (H2) ist; Anordnen einer Vakuumfolie (70) über dem Träger (22), der ersten Platte (24) und der zweiten Platte (26), derart, dass mindestens zwischen den Platten (24, 26) und der Vakuumfolie (70) ein Hohlraum (78) gebildet wird, wobei sich ein Gasauslass (72) zum Evakuieren des Hohlraums (78) durch die Vakuumfolie (70) erstreckt, und dass der Hohlraum (78) mit Ausnahme des Gasauslasses (72) gasdicht abgedichtet wird; Anordnen des Trägers (22) und der Platten (24, 26) mit der Vakuumfolie (70) in einer Kammer (82) eines Autoklaven (80); Evakuieren des Hohlraums (78) zwischen den Platten (24, 26) und der Vakuumfolie (70); Druckbeaufschlagen der Kammer (82) mit Gas, das eine Temperatur aufweist, die dazu ausreicht, die Platten (24, 26) an dem Träger (22) zu fixieren; Freisetzen des Gases aus der Kammer (82); Entfernen des Trägers (22) und der Platten (24, 26) mit der Vakuumfolie (70) aus der Kammer (82); Entfernen der Vakuumfolie (70) von dem Träger (22) und den Platten (24, 26); Anordnen mindestens eines Halbleiterschalters (60, 62) auf der ersten Platte (24); und elektrisches Koppeln des Halbleiterschalters (60, 62) mit der zweiten Platte (26).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, vor dem Anordnen der Platten (24, 46) auf dem Träger (22): Trennen der ersten Platte (24) in einen ersten Abschnitt (50) und einen zweiten Abschnitt (52), so dass der erste Abschnitt (50) gegen den zweiten Abschnitt (52) elektrisch isoliert und davon beabstandet wird, wobei der Halbleiterschalter (60, 62) auf dem zweiten Abschnitt (50) angeordnet wird und mit dem ersten Abschnitt (50) elektrisch gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend, vor dem Anordnen der Platten (24, 26) auf dem Träger (22): Trennen der zweiten Platte (26) in einen dritten Abschnitt (54) und einen vierten Abschnitt (56), so dass der dritte Abschnitt (54) gegen den vierten Abschnitt (56) elektrisch isoliert und davon beabstandet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die erste und/oder zweite Platte (24, 26) durch Sägen in die entsprechenden Abschnitte (50, 52, 54, 56) getrennt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumfolie (70) so angeordnet wird, dass sie gasdicht mit einer Unterseite (30) des Trägers (22) gekoppelt wird, wobei die Unterseite (30) des Trägers (22) dem Halbleiterchip (24, 26) abgekehrt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Vakuumfolie (70) durch ein Vakuumdichtungsmittel (74) gasdicht mit der Unterseite (30) des Trägers (22) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gastemperatur in der Kammer (82) zwischen 50° und 200°, z. B. zwischen 80° und 150°, z. B. bei 120°, liegt, und/oder ein Überdruck in der druckbeaufschlagten Kammer (82) zwischen 10 kPa und 100 kPa, z. B. zwischen 30 kPa und 60 kPa über Atmosphärendruck, liegt, und/oder ein Unterdruck in dem evakuierten Hohlraum (78) zwischen 10^-3 hPa und 10^-8 hPa, z. B. zwischen 10^-4 hPa und 10^-6 hPa, liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Halbleiterschalter (60, 62) durch mindestens einen Drahtbond (68) elektrisch mit dem ersten und/oder dritten Abschnitt (50, 54) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Platte (24) eine Dicke zwischen 100 µm und 1 cm aufweist; und/oder die zweite Platte (26) eine Dicke zwischen 1 µm und 1 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Platte (24, 26) Kupfer umfasst/umfassen oder daraus hergestellt ist/sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (22) eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, umfassend: Anordnen eines elektrisch leitfähigen Signalstifts (66) auf dem vierten Abschnitt (56), wobei der Signalstift (66) dazu konfiguriert ist, das Leistungsmodul (20) elektrisch mit einer externen Vorrichtung zu koppeln.
Leistungsmodul (20), umfassend einen Träger (22); einen elektrisch leitfähigen ersten Abschnitt (50) und einen elektrisch leitfähigen zweiten Abschnitt (52) auf dem Träger (22), wobei der erste Abschnitt (50) gegen den zweiten Abschnitt (52) elektrisch isoliert und davon beabstandet ist und wobei der erste Abschnitt (50) und der zweite Abschnitt (52) jeweils die erste Dicke (H1) aufweisen; einen elektrisch leitfähigen dritten Abschnitt (54) und einen elektrisch leitfähigen vierten Abschnitt (56) auf dem Träger (22), wobei der dritte Abschnitt (54) von dem vierten Abschnitt (56) beabstandet ist, wobei der dritte Abschnitt (54) und der vierte Abschnitt (56) gegen den ersten Abschnitt (50) und den zweiten Abschnitt (52) elektrisch isoliert und davon beabstandet sind, wobei der dritte Abschnitt (54) und der vierte Abschnitt (56) jeweils die zweite Dicke (H2) aufweisen, und wobei die erste Dicke (H1) größer als die zweite Dicke (H2) ist; mindestens einen Halbleiterschalter (60, 62) auf dem zweiten Abschnitt (52), wobei der Halbleiterschalter (60, 62) mit dem ersten und dritten Abschnitt (50, 54) elektrisch gekoppelt ist; und einen elektrisch leitfähigen Signalstift (66) auf dem vierten Abschnitt (56), wobei der vierte Abschnitt (56) mit dem dritten Abschnitt (54) elektrisch gekoppelt ist und wobei der Signalstift (66) zum elektrischen Koppeln des Leistungsmoduls (20) mit einer externen Vorrichtung konfiguriert ist.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 13, wobei die erste Platte (24) eine Dicke zwischen 100 µm und 1 cm aufweist; und/oder die zweite Platte (26) eine Dicke zwischen 1 µm und 1 mm aufweist.
Leistungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Träger (22) eine oder mehrere Schichten aus vorimprägnierten Fasern umfasst oder daraus besteht; und/oder mindestens einer der Abschnitte (50, 52, 54, 56) Kupfer umfasst oder daraus hergestellt ist.