DE102018201263B3

DE102018201263B3 - A METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING A PIN-FIN POWER MODULE

Info

Publication number: DE102018201263B3
Application number: DE102018201263.6A
Authority: DE
Inventors: Xiaoguang LIANG
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2021513217A; CN111527598A; WO2019145154A1; JP7290650B2; EP3747046A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls werden offenbart. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Bereitstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls und einer Vorrichtung, wobei das Leistungsmodul eine Pin-Fin-Basisplatte, Isoliermaterial, das die Basisplatte und auf dem Isoliermaterial bereitgestellte Leistungschips verbindet, umfasst, die Vorrichtung beinhaltet einen Hauptteil, das eine flache obere Oberfläche und eine flache untere Oberfläche und auf der oberen Oberfläche des Hauptteils vorgesehene Löcher aufweist, wobei die Verteilung der Löcher dieselbe wie die Anordnung der Finnen ist, die Öffnung der Löcher größer als die Abmessung der Finnen ist und die Länge der Löcher nicht kürzer als die der Finnen ist, Einsetzen der Pin-Finnen in die Vorrichtung, so dass sich jede Finne im Inneren des entsprechenden Lochs befindet, Platzieren des mit der Vorrichtung kombinierten Leistungsmoduls in einen Hohlraum zwischen einer oberen Gussform und einer unteren Gussform, während die untere Oberfläche der Vorrichtung auf der oberen Oberfläche dem unteren Gussform platziert wird, Durchführen des Gießprozesses durch Einspritzen von Epoxidharz, Entfernen der Vorrichtung von den Pin-Finnen. Der Druck wird während des Epoxidharzgießens gleichmäßig verteilt, da die flache Oberfläche die untere Gussform kontaktiert, womit das Pin-Fin-Brechen oder -Biegen vermieden werden kann.

A method and apparatus for making a pin-fin power module are disclosed. The method includes: providing a pin-fin power module and a device, wherein the power module comprises a pin-fin base plate, insulating material connecting the base plate and power chips provided on the insulating material, the device includes a body that is a flat upper surface and a flat lower surface and having holes provided on the upper surface of the main part, wherein the distribution of the holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is larger than the dimension of the fins and the length of the holes is not shorter than that is, of the fins, inserting the pin fins into the device so that each fin is inside the corresponding hole, placing the power module combined with the device into a cavity between an upper mold and a lower mold, while the lower surface of the fins Device on the upper surface de M is placed in the lower mold, performing the casting process by injecting epoxy resin, removing the device from the pin fins. The pressure is evenly distributed during the epoxy molding because the flat surface contacts the lower mold, thus avoiding pin-fin breaking or bending.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls bzw. Leistungsmoduls mit Stiftkühlkörper.The invention relates to a method and a device for producing a pin-fin power module or power module with pin heat sink.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bezugnehmend auf 1 beinhaltet eine Pin-Fin-Basisplatte 10 eine Metallplatte 11 mit mehreren Finnen (Kühlrippen) 12 auf einer Seite (der Pin-Fin-Seite) und die andere Seite (die flache Seite) der Pin-Fin-Basisplatte 10 ist mit einem Leistungsmodul verbunden. Die Finnen kontaktieren ein Flüssigkeitskühlsystem direkt, so dass das Leistungsmodul nicht überhitzt wird. Somit wird die thermische Zyklierfähigkeit des Leistungsmoduls signifikant verbessert und die Lebensdauer des Leistungsmoduls wird verlängert.Referring to 1 includes a pin-fin base plate 10 a metal plate 11 with several fins (cooling fins) 12 on one side (the pin-fin side) and the other side (the flat side) of the pin-fin base plate 10 is connected to a power module. The fins contact a liquid cooling system directly so that the power module does not overheat. Thus, the thermal cycling capability of the power module is significantly improved and the lifetime of the power module is extended.

Ein traditionelles Pin-Fin-Leistungsmodul verwendet Silikongel als Versiegelungsmittel. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Leistungsmodul, mit Ausnahme der Pin-Fin-Basisplatte 10, ein Isoliermaterial 20 (wie etwa DBC (Direktgebondetes Kupfer), Polymerfilm) und auf dem Isoliermaterial 20 bereitgestellte Leistungschips 30 (IGBT, MOSFET, Diode usw.). Das Isoliermaterial 20 ist mit der flachen Seite der Pin-Fin-Basisplatte 10 verbunden. Das Isoliermaterial 20 und die Leistungschips 30 sind in einem Gehäuse 50 eingekapselt und der Raum im Innern des Gehäuses ist mit Silikongel 40 gefüllt. Das traditionelle Pin-Fin-Leistungsmodul weist eine komplizierte Struktur auf und benötigt mehr Schritte in dem Herstellungsprozess, was zu geringer Herstellungseffizienz und höheren Kosten führt.A traditional pin-fin power module uses silicone gel as a sealant. As in 1 is shown includes the power module, except for the pin-fin base plate 10 , an insulating material 20 (such as DBC (direct bonded copper), polymer film) and on the insulating material 20 provided power chips 30 (IGBT, MOSFET, diode, etc.). The insulating material 20 is with the flat side of the pin-fin base plate 10 connected. The insulating material 20 and the power chips 30 are in a housing 50 encapsulated and the space inside the case is with silicone gel 40 filled. The traditional pin-fin power module has a complicated structure and requires more steps in the manufacturing process, resulting in lower manufacturing efficiency and higher costs.

Um die Struktur des Pin-Fin-Leistungsmoduls und den Herstellungsprozess zu vereinfachen, wird ein Spritzpress-Leistungsmodul präsentiert. Wie in 2 - 3 gezeigt ist, wird in diesem Leistungsmodul Epoxidharz als ein Versiegelungsmittel verwendet und kein Gehäuse ist nötig. Eine untere Gussform 702 und eine obere Gussform 701 werden zum Herstellen des Leistungsmoduls verwendet. Das Leistungsmodul wird in dem Hohlraum 700 zwischen der oberen Gussform 701 und der unteren Gussform 702 platziert und die Pin-Fin-Seite wird auf der oberen Oberfläche 7021 der unteren Gussform 702 platziert. Das Epoxidharz wird unter Druck durch eine Öffnung 7011 an der oberen Gussform 701 in den Hohlraum 700 eingespritzt. Allerdings weist der aktuelle Herstellungsprozess die folgenden Nachteile auf: 1) ein aktueller Spritzpressprozess benötigt einen flachen Boden, um Epoxidharz daran zu hindern, zwischen die untere Gussform und die untere Oberfläche des Leistungsmoduls einzudringen. Im aktuellen Prozess wird das Epoxidharz zwischen die untere Gussform und die untere Oberfläche des Leistungsmoduls eindringen, da es zwischen den Finnen 12 Lücken 800 gibt. 2) Wenn Epoxidharz eingespritzt wird, ist der Druck auf das Isoliermaterial nicht gleichmäßig und auf jede Finne einwirkende Kräfte sind ebenfalls nicht gleichmäßig, was Brechen und/oder Biegen von Isoliermaterial- und Pin-Fin-Basisplatte verursachen kann.To simplify the structure of the pin-fin power module and the manufacturing process, a transfer molding power module is presented. As in 2 - 3 is shown in this power module epoxy resin is used as a sealant and no housing is needed. A lower mold 702 and an upper mold 701 are used to make the power module. The power module will be in the cavity 700 between the upper mold 701 and the lower mold 702 placed and the pin-fin side is on the top surface 7021 the lower mold 702 placed. The epoxy resin is pressurized through an opening 7011 at the upper mold 701 in the cavity 700 injected. However, the current manufacturing process has the following disadvantages: 1) a current transfer molding process requires a flat bottom to prevent epoxy from penetrating between the lower mold and the lower surface of the power module. In the current process, the epoxy resin will penetrate between the lower mold and the lower surface of the power module as it is between the fins 12 Gaps 800 gives. 2) When epoxy is injected, the pressure on the insulating material is not uniform and forces acting on each fin are also not uniform, which can cause breakage and / or flexing of insulating material and pin-fin baseplate.

US 2013/0322019 A1 offenbart ein Kühlkörpergerät für zumindest eine elektronische Komponente, umfassend Kühlkörpermittel, ein Substrat für die zumindest eine elektronische Komponente, welches das Kühlkörpermittel abdeckt, weiter umfassend ein Mittel zur thermischen Kopplung zwischen dem Substrat und dem Kühlkörpermittel, welches von einem ersten Material gebildet ist, das verschieden ist von einem zweiten Material, von dem das Kühlkörpermittel gebildet ist. US 2013/0322019 A1 discloses a heat sink apparatus for at least one electronic component comprising heat sink means, a substrate for the at least one electronic component covering the heat sink means, further comprising means for thermal coupling between the substrate and the heat sink means formed of a first material that is different is of a second material of which the heat sink means is formed.

DE 11 2012 005 791 T5 offenbart einen rippenintegrierten Typ Halbleiterbauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Halbleiterbauteil weist eine metallische Grundplatte auf, auf der in einem stehenden Zustand angeordnete Rippen auf einer ersten Hauptfläche durch Integralverarbeitung ausgebildet sind, eine Isolierschicht, die auf einer zweiten Hauptfläche der Grundplatte ausgebildet ist, wobei die zweite Hauptfläche der ersten Hauptfläche der Grundplatte entgegengesetzt ist, ein Schaltungsmuster, das an der Isolierschicht fixiert ist, und ein Halbleiterelement, das an das Schaltungsmuster angefügt ist. DE 11 2012 005 791 T5 discloses a fin-integrated type semiconductor device and a method of manufacturing the same. The semiconductor device has a metallic base plate on which ribs arranged in a standing state are formed on a first major surface by integral processing, an insulating layer formed on a second major surface of the base plate, the second major surface being opposite to the first major surface of the base plate, a circuit pattern fixed to the insulating layer and a semiconductor element attached to the circuit pattern.

Die Rippen sind mit Schlitzen ausgebildet, die in der Dickenrichtung der Rippe hindurch verlaufen.The ribs are formed with slits extending in the thickness direction of the rib.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls, beinhaltend: (1) Bereitstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls und einer Vorrichtung, wobei das Leistungsmodul eine Pin-Fin-Basisplatte, Isoliermaterial, das die Basisplatte und die auf dem Isoliermaterial bereitgestellten Leistungschips verbindet, umfasst. Die Basisplatte weist eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche auf. Die erste Oberfläche ist mit dem Isoliermaterial verbunden und die zweite Oberfläche weist mehrere Finnen darauf auf. Die Vorrichtung beinhaltet einen Hauptteil, der eine flache obere Oberfläche und eine flache untere Oberfläche und auf der oberen Oberfläche des Hauptteils vorgesehene Löcher aufweist, wobei die Verteilung der Löcher dieselbe wie die Anordnung der Finnen ist, die Öffnung der Löcher größer als die Abmessung der Finnen ist und die Länge der Löcher nicht kürzer als die der Finnen ist. (2) Einsetzen des Pin-Fin in die Vorrichtung, so dass sich jede Finne im Inneren des entsprechenden Lochs befindet. (3) Platzieren des mit der Vorrichtung kombinierten Leistungsmoduls in einen Hohlraum zwischen einer oberen Gussform und einer unteren Gussform, während die untere Oberfläche der Vorrichtung auf der oberen Oberfläche der unteren Gussform platziert wird. (4) Durchführen des Gießprozesses durch Einspritzen von Epoxidharz, gefolgt von (5) Entfernen der Vorrichtung von der Pin-Fin-Basisplatte.One aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a pin-fin power module including: ( 1 ) Providing a pin-fin power module and a device, wherein the power module comprises a pin-fin base plate, insulating material connecting the base plate and the power chips provided on the insulating material. The base plate has a first surface and a second surface opposite the first surface. The first surface is bonded to the insulating material and the second surface has a plurality of fins thereon. The apparatus includes a body having a flat top surface and a flat bottom surface and holes provided on the top surface of the body, the distribution of the holes being the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes being larger than the dimension of the fins and the length of the holes is not shorter than that of the fins. ( 2 ) Insert the pin fin into the device so that each fin located inside the corresponding hole. ( 3 ) Placing the power module combined with the device into a cavity between an upper mold and a lower mold while placing the lower surface of the device on the upper surface of the lower mold. ( 4 ) Performing the casting process by injecting epoxy resin, followed by ( 5 ) Remove the device from the pin-fin baseplate.

Bevorzugt hängt die Öffnung der Löcher von der Wärmeausdehnung des Finnenmaterials und/oder des Vorrichtungsmaterials ab. Die Vorrichtung besteht aus Carbon, Kupfer oder Stahl.Preferably, the opening of the holes depends on the thermal expansion of the fin material and / or the device material. The device is made of carbon, copper or steel.

Bevorzugt ist das Isoliermaterial DBC oder Polymerfilm.Preferably, the insulating material is DBC or polymer film.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Vorrichtung zum Herstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls, wobei das Modul eine Oberfläche mit mehreren vorstehenden Finnen auf dieser beinhaltet, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Hauptteil, der eine flache obere Oberfläche und eine flache untere Oberfläche aufweist, Löcher, bereitgestellt auf der oberen Oberfläche des Hauptteils, wobei die Verteilung der Löcher dieselbe wie die Anordnung der Finnen ist, die Öffnung der Löcher größer als die Abmessung der Finnen ist und die Länge der Löcher nicht kürzer als die der Finnen ist.Another aspect of the present invention is to provide a device for manufacturing a pin-fin power module, the module including a surface with a plurality of protruding fins thereon, the device comprising: a body having a flat upper surface and a flat surface lower surface, holes provided on the upper surface of the main part, wherein the distribution of the holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is larger than the dimension of the fins and the length of the holes is not shorter than that of the fins ,

Bevorzugt sind die Löcher Durchgangslöcher.Preferably, the holes are through holes.

Bevorzugt sind die Löcher Sacklöcher.Preferably, the holes are blind holes.

Bevorzugt ist der Querschnitt der Löcher rund, oval oder diamantförmig.Preferably, the cross section of the holes is round, oval or diamond-shaped.

Figurenlistelist of figures

1 is a cross section through a traditional gel-sealed pin-fin power module.
2 is a cross section through an injection-molded pin-fin power module.
3 illustrates casting the pin-fin power module with epoxy in the upper mold and the lower mold in a traditional manner.
4 illustrates the unsealed pin-fin power module prior to the casting process.
5 illustrates a device protecting the pin-fin during the casting process.
6 illustrates insertion of the pin-fin into a through-hole device.
7 illustrates casting the pin-fin power module with epoxy under the protection of the device.
8th illustrates the epoxy-sealed pin-fin power module after removal of the device.
9 illustrates insertion of the pin-fin in a blind holes device by the arrow A ,
10 illustrates the combination of the pin-fin and the device after the fins have been fully inserted into the blind holes.
11 illustrates another alternative blind holes device having.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Ausführungsform 1: Bezugnehmend auf 4 - 8, wird das Pin-Fin-Leistungsmodul mittels der folgenden Schritte hergestellt:embodiment 1 : Referring to 4 - 8th , the pin-fin power module is manufactured using the following steps:

Zunächst Bereitstellen eines Pin-Fin-Leistungsmoduls und einer Vorrichtung 9. Das Leistungsmodul umfasst eine Pin-Fin-Basisplatte 1, Isoliermaterial (ein DBC) 2, das die Basisplatte 1 und auf dem DBC 2 bereitgestellte Leistungschips 3 verbindet. Die Basisplatte 1 weist eine erste Oberfläche 11 und eine der ersten Oberfläche 11 gegenüberliegende zweite Oberfläche 12 auf. Die erste Oberfläche 11 ist mit dem DBC 2 verbunden und die zweite Oberfläche 12 weist mehrere Finnen 121 darauf auf. Die Vorrichtung 9 beinhaltet einen Carbon-Hauptteil, der eine flache obere Oberfläche und eine flache untere Oberfläche und mehrere auf der oberen Oberfläche des Hauptteils vorgesehene Durchgangslöcher 91 aufweist, wobei die Verteilung der Durchgangslöcher dieselbe wie die Anordnung der Finnen ist, die Öffnung der Löcher größer als die Abmessung der Finnen ist und die Länge der Durchgangslöcher dieselbe wie die der Finnen ist.First, provide a pin-fin power module and device 9 , The power module includes a pin-fin baseplate 1 , Insulating material (a DBC) 2 that the base plate 1 and on the DBC 2 provided power chips 3 combines. The base plate 1 has a first surface 11 and one of the first surface 11 opposite second surface 12 on. The first surface 11 is with the DBC 2 connected and the second surface 12 has several fins 121 on it. The device 9 includes a carbon body having a flat upper surface and a flat lower surface and a plurality of through holes provided on the upper surface of the main body 91 wherein the distribution of the through holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is larger than the dimension of the fins, and the length of the through holes is the same as that of the fins.

Einsetzen des Pin-Fin in die Vorrichtung, wie in 6 gezeigt ist, insbesondere Einsetzen jeder Finne 121 in das entsprechende Durchgangsloch 91. Somit werden die Finnen durch die Vorrichtung geschützt.Insert the pin-fin into the device, as in 6 is shown, in particular insertion of each fin 121 in the corresponding through hole 91 , Thus, the fins are protected by the device.

Beziehen wir uns nun auf 7, Platzieren des Leistungsmoduls kombiniert mit der Vorrichtung in einem Hohlraum 400 zwischen einer oberen Gussform 41 und einer unteren Gussform 42. Das Leistungsmodul wird stabilisiert, da die untere Oberfläche der Vorrichtung auf der oberen Oberfläche der unteren Gussform platziert ist, und alle Finnen sind geschützt. Dann Durchführen des Gießprozesses durch Einspritzen von Epoxidharz 5. Danach, Entfernen der Vorrichtung von dem Pin-Fin, wobei das durch Epoxidharz versiegelte Pin-Fin-Leistungsmodul ausgebildet wird, wie in 8 gezeigt ist.Let's get in touch now 7 Placing the power module combined with the device in a cavity 400 between an upper mold 41 and a lower mold 42 , The power module is stabilized because the lower surface of the device is placed on the upper surface of the lower mold, and all the fins are protected. Then perform the casting process by injecting epoxy resin 5 , Thereafter, removing the device from the pin-fin, forming the epoxy-sealed pin-fin power module, as in FIG 8th is shown.

Mit der Hilfe der Vorrichtung wird der Druck während des Epoxidharzgießens gleichmäßig verteilt, da eine flache Oberfläche die untere Gussform kontaktiert, womit das DBC-Brechen oder -Biegen vermieden werden kann. Unterdessen werden die Finnen eher unwahrscheinlich unter dem Schutz der Vorrichtung während des Gießprozesses brechen oder biegen.With the aid of the device, the pressure is evenly distributed during epoxy molding because a flat surface contacts the lower mold, thus preventing DBC breakage or bending. Meanwhile, the fins are unlikely to break or bend under the protection of the device during the casting process.

Ausführungsform 2: nunmehr bezugnehmend auf 9 - 10, wird bei einer alternativen Lösung eine Stahlvorrichtung 9 mit Sacklöchern 91 verwendet. Die Länge der Sacklöcher ist dieselbe wie die der Finnen. Vor dem Gießen, Einsetzen aller Finnen 121 in die entsprechenden Sacklöcher 91 durch den Pfeil A, dann ist der Pin-Fin zuverlässig durch die Vorrichtung abgestützt. Die Vorrichtung mit den Sacklöchern ist stabil genug, damit während des Gießprozesses der Druck auf das Leistungsmodul gleichmäßig verteilt wird.embodiment 2 : now referring to 9 - 10 In an alternative solution, a steel device becomes 9 with blind holes 91 used. The length of the blind holes is the same as that of the fins. Before pouring, inserting all fins 121 in the corresponding blind holes 91 through the arrow A , then the pin-fin is reliably supported by the device. The blind hole device is sturdy enough to evenly distribute the pressure on the power module during the casting process.

Ausführungsform 3: nunmehr bezugnehmend auf 11, sind in einer weiteren alternativen Vorrichtung Sacklöcher 91 vorgesehen, wobei die Länge der Sacklöcher 91 allerdings länger als die der Finnen 121 ist, so dass es einen vertikalen Spalt 800 zwischen jeder Finne und dem entsprechenden Sackloch gibt. Die vertikale Richtung ist parallel zu der Längsrichtung der Finnen.embodiment 3 : now referring to 11 , are in a further alternative device blind holes 91 provided, the length of the blind holes 91 but longer than the Finns 121 is, so there is a vertical gap 800 between each fin and the corresponding blind hole. The vertical direction is parallel to the longitudinal direction of the fins.

Claims

A method of manufacturing a pin-fin power module, comprising: Providing a pin-fin power module and apparatus, the power module comprising a pin-fin base plate, insulating material connecting the base plate and power chips provided on the insulating material, the base plate having a first surface and a second surface opposite the first surface on, the first surface is bonded to the insulating material, and the second surface has a plurality of fins thereon, the device including a main part having a flat top surface and a flat bottom surface, and holes provided on the top surface of the main part the distribution of the holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is greater than the dimension of the fins and the length of the holes is not shorter than that of the fins, Inserting the fins into the device so that each fin is inside the corresponding hole, Placing the power module combined with the device in a cavity between an upper mold and a lower mold while placing the lower surface of the device on the upper surface of the lower mold, Performing the casting process by injecting epoxy resin, Remove the device from the fins.

Method according to Claim 1 , wherein the holes are through-holes.

Method according to Claim 1 , wherein the holes are blind holes.

Method according to Claim 3 where there is a gap between each fin and the corresponding blind hole.

Method according to Claim 1 , wherein the device is made of carbon or metal.

Method according to Claim 1 wherein the opening of the holes depends on the thermal expansion of the fin material and / or the device material.

Method according to Claim 1 , where the cross-section of the fins is round, oval or diamond-shaped.

Method according to Claim 1 , wherein the cross section of the holes is round, oval or diamond-shaped.

Method according to Claim 1 wherein the insulating material is DBC or a polymer film.

A device for manufacturing a pin-fin power module, the module including a surface with a plurality of protruding fins thereon, the device comprising: a main part having a flat upper surface and a flat lower surface, Holes provided on the upper surface of the body, wherein the distribution of the holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is larger than the dimension of the fins and the length of the holes is not shorter than that of the fins.

Device after Claim 10 , wherein the holes are through-holes.

Device after Claim 10 , wherein the holes are blind holes.

Device after Claim 1 , wherein the device is made of carbon or metal.

Device according to one of Claims 10 - 13 wherein the opening of the holes depends on the thermal expansion of the fin material and / or the device material.

Device according to one of Claims 10 - 13 , wherein the cross section of the holes is round, oval or diamond-shaped.