JP2021513217A

JP2021513217A - ピンフィン型パワーモジュールを製造する方法および治具

Info

Publication number: JP2021513217A
Application number: JP2020541446A
Authority: JP
Inventors: シャオグアンリャン
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: JP7290650B2; WO2019145154A1; DE102018201263B3; EP3747046A1; CN111527598A

Abstract

ピンフィン型パワーモジュールを製造する方法および治具が開示される。方法は、ピンフィン型パワーモジュールおよび治具を提供するステップであって、パワーモジュールは、ピンフィンのベースプレートと、ベースプレートを接続する絶縁材と、絶縁材の上に設けられたパワーチップと、を備え、治具は、平坦な上面および平坦な下面を有する本体と、本体の上面の上に設けられた孔と、を備え、孔の分布はフィンの配置と同一であり、孔の開口はフィンの寸法よりも大きく、孔の長さは、フィンの長さよりも短くないステップと、各フィンが対応する孔の内側にくるように、ピンフィンを治具に挿入するステップと、治具と組み合わされたパワーモジュールを、上型と下型との間のキャビティ内に配置するステップであって、同時に、治具の下面を下型の上面の上に配置するステップと、エポキシ樹脂を注入して成形プロセスを行うステップと、ピンフィンから治具を取り外すステップと、を含む。平坦な面が下型に接触しているため、圧力がエポキシ樹脂成形中に均一に分布される。したがって、絶縁材およびピンフィンの割れ、または曲がりを回避できる。

Description

本発明は、ピンフィン型パワーモジュールを製造する方法および治具に関する。

図１を参照すると、ピンフィンのベースプレート１０は、一方の側（ピンフィン側）に複数のフィン１２を備えるメタルプレート１１を含む。ピンフィンのベースプレート１０の他方の側（平坦な側）は、パワーモジュールに接続されている。フィンは液冷システムに直接接触する。そのため、パワーモジュールが過熱されることがない。したがって、パワーモジュールの熱サイクル能力が著しく改善され、パワーモジュールの寿命が延びる。

従来のピンフィン型パワーモジュールは、封止剤としてシリコーンゲルを使用する。図１に示すように、ピンフィンのベースプレート１０を除いて、パワーモジュールは、(ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ：Direct Bonded Copper)、ポリマーフィルムのような）絶縁材２０、および絶縁材２０の上に設けられた（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等の）パワーチップ３０をさらに備える。絶縁材２０は、ピンフィンのベースプレート１０の平坦な側に接続されている。絶縁材２０およびパワーチップ３０はハウジング５０内に封入されている。ハウジング内部の空間はシリコーンゲル４０で充填されている。従来のピンフィン型パワーモジュールは構造が複雑で、製造工程により多くのステップを必要とするため、製造効率が低く、コストが高くなる。

ピンフィン型パワーモジュールの構造および製造プロセスを簡略化するために、トランスファーモールドされたパワーモジュールを提示する。図２〜図３に示すように、このパワーモジュールでは、封止剤としてエポキシ樹脂６０が使用されており、ハウジングは不要である。下型７０２と上型７０１は、パワーモジュールを製造するために使用される。パワーモジュールは、上型７０１と下型７０２との間のキャビティ７００内に配置される。ピンフィン側は、下型７０２の上面７０２１の上に配置される。エポキシ樹脂は、上型７０１の上の開口部７０１１を通して、圧力によってキャビティ７００内に注入される。しかしながら、現在の製造プロセスには次の欠点がある。すなわち、１）現在のトランスファーモールドプロセスは、エポキシ樹脂が、下型とパワーモジュールの底面との間に浸透するのを防止するために、平坦な底部を必要とする。現在のプロセスでは、フィン１２の間に間隙８００があるため、エポキシ樹脂が下型とパワーモジュールの底面との間に浸透する。２）エポキシ樹脂が注入されているとき、絶縁材料にかかる圧力が均一でなく、各フィンに作用する力もまた不均一である。これにより、絶縁材料およびピンフィンのベースプレートの割れおよび／または曲げが発生する可能性がある。

本発明の一態様は、ピンフィン型パワーモジュールを製造する方法を提供することである。この方法は、以下のステップを含む。すなわち、（１）ピンフィン型パワーモジュールおよび治具を提供するステップであって、パワーモジュールは、ピンフィンのベースプレートと、ベースプレートを接続する絶縁材と、絶縁材の上に設けられたパワーチップと、を備え、ベースプレートは、第１面と、第１面に対向する第２面と、を備え、第１面は絶縁材に接続され、第２面はその上に複数のフィンを備え、治具は、平坦な上面および平坦な下面を有する本体と、本体の上面の上に設けられた孔と、を備え、これらの孔の分布はフィンの配置と同一であり、孔の開口はフィンの寸法よりも大きく、孔の長さはフィンの長さよりも短くない、ステップ。(２)各フィンが対応する孔の内側にくるように、ピンフィンを治具に挿入するステップ。(３)治具と組み合わされたパワーモジュールを、上型と下型との間のキャビティ内に配置するステップであって、同時に、治具の下面を下型の上面の上に配置するステップ。(４)エポキシ樹脂を注入して成形プロセスを行うステップと、続いて（５)ピンフィンのベースプレートから治具を取り外すステップ。

好適には、孔の開口はフィンの材料および／または治具の材料の熱膨張に依存する。治具は炭素、銅、または鋼製である。

好適には、絶縁材はＤＢＣまたはポリマーフィルムである。

本発明の別の態様はピンフィン型パワーモジュールを製造する治具を提供することである。このモジュールは、その上に複数の突出するフィンを有する面を備える。治具は、平坦な上面および平坦な下面を有する本体と、本体の上面の上に設けられた孔と、を備える。これらの孔の分布はフィンの配置と同一である。孔の開口はフィンの寸法よりも大きい。また、孔の長さはフィンの長さよりも短くない。

好適には、孔は貫通孔である。

好適には、孔は非貫通孔である。

好適には、孔の断面は、円形、楕円形、または菱形である。

従来のゲル封止されたピンフィン型パワーモジュールの断面図である。トランスファーモールドされたピンフィン型パワーモジュールの断面図である。従来の方法によって、エポキシ樹脂を用いる上型と下型内でのピンフィン型パワーモジュールの成形を示す図である。成形プロセス前の未封止のピンフィン型パワーモジュールを示す図である。成形プロセス中にピンフィンを保護する治具を示す図である。貫通孔を備える治具へのピンフィンの挿入を示す図である。治具の保護下で、エポキシ樹脂を用いるピンフィン型パワーモジュールの成形を示す図である。治具を剥がした後の、エポキシ樹脂で封止されたピンフィン型パワーモジュールを示す図である。非貫通孔を備える治具への、矢印Ａに従うピンフィンの挿入を示す図である。フィンが完全に非貫通孔に挿入された後の、ピンフィンと治具との組み合わせを示す図である。非貫通孔を備える別の代替的な治具を示す図である。

実施形態１：図４〜図８を参照し、ピンフィン型パワーモジュールは、以下のステップによって製造される。

まず、ピンフィン型パワーモジュールおよび治具９を提供する。パワーモジュールは、ピンフィンのベースプレート１と、ベースプレート１を接続する絶縁材（ＤＢＣ）２と、ＤＢＣ２の上に設けられたパワーチップ３と、を備える。ベースプレート１は、第１面１１と、第１面１１に対向する第２面１２と、を備える。第１面１１はＤＢＣ２に接続されている。また、第２面１２はその上に複数のフィン１２１を備える。治具９は、平坦な上面および平坦な下面を有する炭素製本体と、本体の上面の上に設けられた複数の貫通孔９１と、を備える。貫通孔の分布はフィンの配置と同一である。孔の開口はフィンの寸法よりも大きい。また、貫通孔の長さはフィンの長さと同一である。

図６に示すように、ピンフィンを治具に挿入する。より具体的には、各フィン１２１を対応する貫通孔９１に挿入する。このようにして、フィンが治具によって保護される。

次に図７を参照すると、治具と組み合わされたパワーモジュールを、上型４１と下型４２との間のキャビティ４００内に配置する。治具の下面が下型の上面の上に配置されており、すべてのフィンが保護されているため、パワーモジュールは安定している。次に、エポキシ樹脂５を注入して成形プロセスを行う。その後、図８に示すように、ピンフィンから治具を取り外し、エポキシ樹脂で封止されたピンフィンパワーモジュールを形成する。

治具の助けで、平坦な面が下型に接触しているため、圧力がエポキシ樹脂成形中に均一に分布される。したがって、ＤＢＣの割れ又は曲がりを回避できる。一方、フィンは、成形プロセス中に治具の保護下にあり、割れにくい、または曲がりにくい。

実施形態２：次に図９〜図１０を参照すると、代替的な解決策において、非貫通孔９１を備える鋼製治具９を使用する。非貫通孔の長さは、フィンの長さと同一である。成形前に、全てのフィン１２１を、矢印Ａに従って対応する非貫通孔９１に挿入する。その後、ピンフィンは治具によって安定して支持される。非貫通孔を備える治具は、パワーモジュールにかかる圧力が成形プロセス中に均一に分布されるよう、十分に安定している。

実施形態３：次に図１１を参照すると、別の代替的な治具には、非貫通孔９１が備えられている。しかしながら、非貫通孔９１の長さはフィン１２１の長さよりも長い。そのため、各フィンと対応する非貫通孔との間に、垂直の間隙８００がある。垂直方向は、フィンの長さ方向と平行する。

好適な実施形態について、いくつかの代替的な構造要素および処理ステップが提案されている。したがって、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、この説明は本発明を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、多様な変更および適用を想起する可能性がある。

Claims

ピンフィン型パワーモジュールを製造する方法であって、
ピンフィン型パワーモジュールおよび治具を提供するステップであって、前記パワーモジュールは、ピンフィンのベースプレートと、前記ベースプレートを接続する絶縁材と、前記絶縁材の上に設けられたパワーチップと、を備え、前記ベースプレートは、第１面と、前記第１面に対向する第２面と、を備え、前記第１面は前記絶縁材に接続され、前記第２面は、前記第２面の上に複数のフィンを備え、前記治具は、平坦な上面および平坦な下面を有する本体と、前記本体の前記上面の上に設けられた孔と、を備え、前記孔の分布は前記フィンの配置と同一であり、前記孔の開口は前記フィンの寸法よりも大きく、前記孔の長さは、前記フィンの長さよりも短くないステップと、
各フィンが対応する孔の内側にくるように、前記ピンフィンを前記治具に挿入するステップと、
前記治具と組み合わされた前記パワーモジュールを、上型と下型との間のキャビティ内に配置するステップであって、同時に、前記治具の前記下面を、前記下型の上面の上に配置するステップと、
エポキシ樹脂を注入して成形プロセスを行うステップと、
前記ピンフィンから前記治具を取り外すステップと、を含む方法。
前記孔は貫通開口である、請求項１に記載の方法。
前記孔は非貫通開口である、請求項１に記載の方法。
各フィンと対応する非貫通開口との間に間隙がある、請求項３に記載の方法。
前記治具は炭素または金属製である、請求項１に記載の方法。
前記孔の開口は、前記フィンの材料および／または前記治具の材料の熱膨張に依存する、請求項１に記載の方法。
前記フィンの断面は円形、楕円形、または菱形である、請求項１に記載の方法。
前記孔の断面は円形、楕円形、または菱形である、請求項１に記載の方法。
前記絶縁材は、ＤＢＣまたはポリマーフィルムである、請求項１に記載の方法。
ピンフィン型パワーモジュールを製造する治具であって、前記モジュールは面を備え、前記面の上に複数の突出するフィンを備え、前記治具は、
平坦な上面および平坦な下面を有する本体と、
前記本体の前記上面の上に設けられた孔と、を備え、
前記孔の分布は前記フィンの配置と同一であり、前記孔の開口は前記フィンの寸法よりも大きく、前記孔の長さは前記フィンの長さよりも短くない、治具。
前記孔は貫通孔である、請求項１０に記載の治具。
前記孔は非貫通孔である、請求項１０に記載の治具。
前記治具は炭素または金属製である、請求項１０に記載の治具。
前記孔の開口は、前記フィンの材料および／または前記治具の材料の熱膨張に依存する、請求項１０〜１３の何れかに記載の治具。
前記孔の断面は円形、楕円形、または菱形である、請求項１０〜１３の何れかに記載の治具。