Titel

Verfahren zur Herstellung eines Schaltmoduls und eines zugehörigen Gittermoduls sowie ein zugehöriges Gittermodul und korrespondierende elektronische Baugruppe

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Schaltmoduls nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einem Verfah- ren zur Herstellung eines Gittermoduls nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 8 sowie von einem Gittermodul nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 1 und einer elektronischen Baugruppe mit einem solchen Gittermodul.

Üblicherweise wird bei Verfahren zur Herstellung von Schaltmodulen mindestens ein elektronisches Bauelement mit mindestens einen Kühlkörper gekoppelt und zumindest teilweise von einem Kunststoff umhüllt. Der Kühlkörper kühlt das elektronische Bauelement während des Betriebs des hergestellten Schaltmoduls.

In der Offenlegungsschrift DE 199 12 443 A1 wird ein Verfahren zur Montage und zur elektrischen Kontaktierung eines Leistungshalbleiterbauelements beschrieben, welches einen metallischen Kühlkörper umfasst. Der Kühlkörper ist als Träger für den Halbleiterchip ausgeführt und leitet gleichzeitig Wärme ab. Zudem stellt der Kühlkörper einen Anschlusskontakt für den Halbleiterchip zur Verfügung. Der Kühlkörper wird durch Laserschweißen mit einem Anschlusskontaktbereich eines Leiterzugs mechanisch und elektrisch und thermisch verbunden.

In der Offenlegungsschrift DE 101 54 878 A1 wird ein Halteelement zur Fixierung von mindestens einem an einer Leitplatte angeordneten elektronischen Leistungsbauteil an einem Kühlkörper beschrieben. Das Halteelement umfasst ein Federelement, durch welches das elektronische Leistungsbauteil gegen den Kühlkörper gedrückt wird.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Schaltmoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gittermoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 sowie das erfindungsgemäße Gittermodul und die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe, haben demgegenüber den Vorteil, dass sowohl gleiche als auch verschiedene elektronische Bauelemente in einem Modul zusammengefasst werden können, wobei diese Bauelemente unterschiedliche Bauhöhen und unterschiedliche Geometrien aufweisen können.

Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche einen mit elektronischen Bauelementen bestückten Substratträger zumindest teilweise mit Kunststoff umhüllen werden bei den erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise bereits verpackte bzw. umhäuste elektronische Bauelemente zumindest teilweise mit Kunststoff umhüllt um ein Schaltmodul bzw. ein Gittermodul zu fertigen.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltmoduls zur Verfügung, welches mindestens ein elektronisches Bauelement und mindestens einen Kühlkörper zum Kühlen des mindestens einen elektronischen Bauelements umfasst. Das mindestens eine elektronische Bauelement wird mit dem mindestens einen Kühlkörper gekoppelt und zumindest teilweise von einem Kunststoff umhüllt. Erfindungsgemäß werden das mindestens eine elektronische Bauelement und der mindestens eine Kühlkörper in ein Spritzwerkzeug eingelegt, wobei ein Federelement zwischen dem mindestens einen elektronischen Bauelement und einer Innenseite des Spritzwerkzeugs angeordnet wird. Das Federelement wird so an der Innenseite des Spritzwerkzeugs abgestützt, dass der mindestens eine Kühlkörper an eine Wand des Spritzwerkzeugs gedrückt wird. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Gittermoduls, welches mehrere Schaltmodule umfasst, werden die Bauteile der korrespondie- renden Schaltmodule in dasselbe Spritzwerkzeug eingelegt und in einem gemeinsamen Prozess umhüllt.

Zum teilweisen Umhüllen der elektronischen Bauelemente und der Kühlköper kann vorzugsweise ein flüssiger Kunststoff verwendet werden, welcher nach dem Umhüllungsprozess ausgehärtet wird.

Die elektronischen Bauelemente können als Leistungsbauelemente ausgeführt werden, welche im Betrieb große Mengen an Wärme produzieren.

Der mindestens eine Kühlkörper kann beispielsweise als metallischer Körper mit guten Wärmeleitfähigkeiten ausgeführt werden.

In vorteilhafter Weise können durch das Federelement unterschiedliche Bauhöhen und unterschiedliche Geometrien der elektronischen Bauelemente während des Herstellungsverfahrens ausgeglichen werden. Somit können trotz ungenauer Mechanik der einzelnen elektronischen Bauteile in vorteilhafter Weise im Verbund hoch genaue Mechaniken geschaffen werden.

Des Weiteren wird ein Gittermodul mit mindestens zwei elektronischen Bauelementen vorgeschlagen, welche bereits verpackt und/oder umhäust und in einem Verbund angeordnet sind, wobei jedes elektronische Bauelement der Verbundanordnung jeweils mit einem Kühlkörper gekoppelt und zumindest teilweise mit Kunststoff umhüllt ist. Erfindungsgemäß bilden die Kühlkörper jeweils einen Teil der äußeren Fläche des Gittermoduls und sind zum Entwärmen der elektronischen Bauelemente über die äußere Fläche in einer Ebene angeordnet.

Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe umfasst mindestens ein solches Gittermodul mit mindestens zwei elektronischen Bauelementen.

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Gittermodul als Modul und nicht als toleranzbehaftete einzeln verpackte Bauelemente montiert werden. Durch die Anordnung der Kühlkörper in einer Ebene ist in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Entwärmung der elektronischen Bauelemente möglich. Zudem erleichtert die Kunststoffhülle in vorteilhafter Weise die Positionierung des Git- termoduls. Des Weiteren können durch die Verbundanordnung geringere Toleranzen ermöglicht werden, die lediglich durch den Spritzprozess ergeben.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiter- bildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls und des im unabhängigen Anspruch 8 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Gittermoduls sowie eines im unabhängigen Anspruch 1 1 angegebenen Gittermoduls möglich.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls kann das mindestens eine elektronische Bauelement von dem Federelement gegen den mindestens einen Kühlkörper gedrückt werden. In vorteilhafter Weise kann das mindestens eine elektronische Bauelement vor dem Umhüllen zuverlässig über die Federkraft des Federelements mit dem korrespondierenden Kühlkörper formschlüssig und/oder kraftschlüssig gekoppelt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls kann das mindestens eine elektronische Bauelement mit dem mindestens einen Kühlkörper von dem Federelement in eine vorgegebene Richtung ausgerichtet werden. In vorteilhafter Weise können der Kühlkörper und das korrespondierenden Bauelement durch das Ausrichten in eine vorgegebene Position innerhalb des Schaltmoduls überführt werden. Da die elektronischen Bauelemente einzeln ausgerichtet werden, können die elektronischen Bauelemente in vorteilhafter Weise im Verbund des umhüllenden Materials sehr kleine Toleranzen, sowohl in der Ebene als auch hinsichtlich der Aufspannfläche in der Höhe aufweisen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Herstellung eines Schaltmoduls können unterschiedliche Bauhöhen und/oder Toleranzen der elektronischen Bauelemente durch die korrespondierenden Federelemente ausgeglichen werden. In vorteilhafter Weise können elektronische Bauelemente mit unterschiedlichen Bauhöhen und Toleranzen im selben Spritz- Werkzeug angeordnet und in einem gemeinsamen Prozess umhüllt werden. In vorteilhafter Weise kann durch den gemeinsamen Umhüllungsprozess Zeit eingespart werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls kann eine Auflagefläche des Federelements an dem mindestens einen elektronischen Bauelement beim Umhüllen ausgespart werden. Dies ermöglicht, dass das Federelement nach dem Umhüllungsprozess von dem fertigen Schaltmodul entfernt werden kann, wenn das mindestens eine elektronische Bauelement über die umhüllende Masse mit dem Kühlkörper ge- koppelt ist. In vorteilhafter Weise kann die Aussparung der Auflagefläche über das Spritzwerkzeug erzielt werden, wenn das Spritzwerkzeug beispielsweise eine Innenwandung umfasst, welche das Federelement von dem umhüllenden Material abtrennt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls kann eine von dem mindestens einen elektronischen Bauelement abgewandte Fläche des mindestens einen Kühlkörpers beim Umhüllen ausgespart und planar ausgerichtet werden. In vorteilhafter Weise kann das fertiggestellte Schaltmodul durch die planare Fläche einfach auf einer Ebene, welche beispielsweise als Teil einer Leiterplatte und/oder eines Stanzgitters ausgeführt ist, angeordnet werden. Des Weiteren kann die Wärme, welche von dem elektronischen Bauelement auf den Kühlköper übertragen wird, über die ausgesparte Fläche in der Umhüllung vom Kühlkörper weiter abgeleitet werden, wobei der Kühlkörper durch die ausgesparte Fläche direkt für eine Kühlung durch weitere Kühlelemente zugänglich ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Entwärmung des Schaltmoduls realisiert werden. Des Weiteren kann das fertiggestellte Schaltmodul über die ausgesparte Fläche des Kühlkörpers elektrisch kontaktiert werden, wenn der Kühlköper aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine Verbauung des Schaltmoduls durch eine Slug Down Methode und/oder eine Slug Up Methode.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltmoduls können elektrische Verbindungselemente mit dem mindestens einem elektronischen Bauelement elektrisch leitend verbunden und zumindest teilweise umhüllt werden. In vorteilhafter Weise können die elektrischen Verbindungselemente nach dem Umhüllungsprozess aus der Umhül- lungsmasse herausragen und somit in vorteilhafter Weise einfach kontaktiert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gittermoduls können während des Umhüllungsprozesses zwischen den Schaltmodulen Stege ausgebildet werden. In vorteilhafter Weise kann durch die Ausbildung von Stegen, Material und Gewicht eingespart werden. Des Weiteren könnten die einzelnen Schaltmodule beispielsweise durch Zerschneiden der Stege einfach voneinander getrennt werden, so dass die Anfertigung von vielen Schaltmodulen in einem Umhüllungsprozess erleichtert werden kann.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gittermoduls kann beim Umhüllungsprozess mindestens ein Zentrierbolzen ausgebildet werden. Der ausgebildete Zentrierbolzen kann in vorteilhafter Weise ein Ausrichten des Gittermoduls auf einer Leiterplatte und/oder in einer Baugruppe erleichtern. Hierfür kann der Zentrierbolzen in eine vorgegebene Aussparung eingeführt werden, so dass eine Translationsbewegung des Gittermoduls unterbunden und eine Rotationsbewegung um den Zentrierbolzen ermöglicht wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gittermoduls kann der umhüllende Kunststoff mindestens einen Zentrierbolzen ausbilden, um die Positionierung des Gittermoduls bei der Montage zu erleichtern.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gittermoduls können gleich ausgerichtete elektrische Verbindungselemente der elektronischen Bauelemente auf der den Kühlkörpern abgewandten Seite angeordnet werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gleichzeitige elektrische Kontaktie- rung, beispielsweise über Stanzgitter.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gittermoduls kann der umhüllende Kunststoff beispielsweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff sein. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gittermoduls sind die Kühlkörper an mindestens eine Wärmesenke angebunden, um eine gute Wärmeableitung zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die elektronischen Bauelemente über Kunststoffstege miteinander verbunden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Material für die Kunststoffhülle des Bauteilverbunds eingespart werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Spritzwerkzeugs mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schaltmodul.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gittermoduls.

Fig. 3 zeigt eine schematische Perspektive Darstellung des Gittermoduls aus Fig. 2.

Übliche Verfahren zum Herstellen eines Schaltmoduls koppeln in einem Verfahrensschritt mindestens ein elektronisches Bauelement mit mindestens einem Kühlkörper. Die Kopplung kann beispielsweise über ein Schweißverfahren erfol- gen, wobei das mindestens eine elektronische Bauelement fest mit dem mindestens einen Kühlkörper verschweißt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt werden das mindestens eine elektronische Bauelement und der mindestens eine Kühlkörper zumindest teilweise von einem Kunststoff umhüllt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden das mindestens eine elektronische Bauelement 22 und der mindestens eine Kühlkörper 24 eines Schaltmoduls 20 erfindungsgemäß in ein Spritzwerkzeug 30 eingelegt, wobei ein Federelement 32 zwischen dem mindestens einen elektronischen Bauelement 22 und einer Innenseite 34 des Spritzwerkzeugs 30 angeordnet wird. Hierbei wird das Federelement 32 so an der Innenseite 34 des Spritzwerkzeugs 30 abgestützt, dass der mindestens eine Kühlkörper 24 an eine Wand 36 des Spritzwerkzeugs 30 gedrückt wird. Auf diese Weise wird der mindestens eine Kühlkörper 24 durch das Federelement 32 an der Wand 36 des Spritzwerkzeugs 30 fixiert, so dass Fertigungstoleranzen des elektronischen Bauelements 22 und dem Kühlkörper 24 in einer ersten Raumrichtung z ausgeglichen werden können, wobei eine Positionsänderung des Kühlkörpers 24 während des Umhüllungsvorgangs durch die Kraft des Federelements 32 unterbunden werden kann. Umfasst das Schaltmodul mehrere elektronische Bauelemente 22 mit unterschiedlichen Bauhöhen und/oder Toleranzen können diese durch die korrespondierenden Federelemente 32 ausgeglichen werden. Als umhüllender Kunststoff 26 kann beispielsweise ein glasfaser- verstärkter Kunststoff verwendet werden.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, kann das mindestens eine elektronische Bauelement 22 eine Aussparung aufweisen, in welcher der mindestens ein Kühlkörper 24 angeordnet wird. Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Schaltmodule 20 weisen jeweils ein bereits verpacktes bzw. eingehäustes elektronisches Bauelement 22 und einen Kühlkörper 24 auf.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird das mindestens eine elektronische Bauelement 22 von dem Federelement 32 gegen den mindestens einen Kühlkörper 24 gedrückt. Auf diese Weise entstehen eine formschlüssige und/oder eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen elektronischen Bauelement 22 und dem mindestens einen Kühlkörper 24. Es wäre auch möglich mehrere elektronische Bauelemente 22 mit einem Kühlkörper 24 zu koppeln, wobei jedes elektronische Bauelement 22 von einem korrespondierenden Federele- ment 32 gegen den Kühlkörper 24 gedrückt wird.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird das mindestens eine elektronische Bauelement 22 mit dem mindestens einen Kühlkörper 24 von dem Federelement 32 in eine vorgegebene Richtung z ausgerichtet.

Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, wird eine Auflagefläche 22.1 des Federelements 32 an dem mindestens einen elektronischen Bauelement 22 beim Umhüllen ausgespart. Auf diese Weise kann das Federelement 32 am Ende des Herstellungsprozesses einfach entfernt werden, wobei eine in Fig. 3 dargestellte Aussparung 26.1 in dem Bereich der Auflagefläche 22.1 im Schaltmodul 20 entsteht. Diese Aussparung kann anschließend mit einem geeigneten Füllmaterial gefüllt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin das Federelement 32 nicht zu entfernen und ebenfalls zu umhüllen.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, wird eine von dem mindestens einem elektronischen Bauelement 22 abgewandte Fläche 24.1 des mindestens einen

Kühlkörpers 24 beim Umhüllen ausgespart und planar ausgerichtet. Auf diese Weise entsteht nach dem Umhüllungsvorgang eine planare Fläche des Schaltmoduls 20, wobei der mindestens eine Kühlkörper 24 über die ausgesparte Fläche 24.1 leicht zu weiteren Kühlung zugänglich ist.

Wie Aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, werden elektrische Verbindungselemente 28, mit mindestens einem elektronischen Bauelement 22 elektrisch leitend verbunden und zumindest teilweise umhüllt. Hierbei kann ein Ende der Verbindungselemente 28 nach dem Umhüllungsprozess aus dem Schaltmodul heraus- ragen und ein einfaches Kontaktieren des korrespondierenden elektronischen

Bauelements 22 ermöglichen.

Wie aus Fig. 2 und 3 weiter ersichtlich ist, können auch mehrere Schaltmodule 10, welche mindestens ein elektronisches Bauelement 22 und mindestens einen Kühlkörper 24 umfassen zu einem Gittermodul 10 zusammengefasst werden, in dem die Baugruppen 22, 24 der korrespondierenden Schaltmodule 20 in dasselbe Spritzwerkzeug 30 eingelegt und in einem gemeinsamen Prozess mit Kunststoff 26 umhüllt werden. Die dargestellten elektronischen Bauelemente 22 weisen die gleiche Form und Bauhöhe auf, es wäre aber auch denkbar, dass die Schaltmodule 10 unterschiedliche Bauelemente mit verschiedenen Bauhöhen aufweisen, wobei die unterschiedlichen Bauhöhen über die korrespondierenden Federelemente 32 ausgeglichen werden können.

Wie aus Fig. 2 und 3 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbei- spiel des erfindungsgemäßen Gittermoduls 10 neun elektronische Bauelemente

22, welche bereits verpackt und/oder umhäust sind, in einem Verbund angeordnet. Jedes der elektronischen Bauelemente 22 der Verbundanordnung ist jeweils mit einem Kühlkörper 24 gekoppelt und zumindest teilweise mit Kunststoff 26 umhüllt. Erfindungsgemäß bilden die Kühlkörper 24 jeweils einen Teil der äuße- ren Fläche des Gittermoduls 10 bilden und sind zum Entwärmen der elektronischen Bauelemente 22 über die äußere Fläche in einer Ebene angeordnet. Die einzelnen elektronischen Bauelemente 22 sind über Kunststoffstege 12 miteinander verbunden.

Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, bildet der umhüllende Kunststoff 26 im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gittermoduls 10 zwei Zentrierbolzen 14 aus. Die gleich ausgerichteten elektrischen Verbindungselemente 28 bzw. Leitungsanschlüsse der elektronischen Bauelemente 22 sind auf der den Kühlkörpern 24 abgewandten Seite angeordnet und können beispielsweise einfach über ein entsprechendes nicht dargestelltes Stanzgitter elektrisch kontaktiert werden. Zur gleichmäßigen Wärmeabfuhr können die Kühlkörper 24 an mindestens eine nicht dargestellte Wärmesenke angebunden werden.

Wie aus Fig. 2 und 3 weiter ersichtlich ist, umfasst ein Gittermodul 10, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, mindestens ein Schaltmodul 20. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst neun Schaltmodule 20. Diese Schaltmodule 20 können identisch ausgeführt werden und ähnliche Aufgaben erfüllen oder unterschiedlich ausgeführt werden und unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Ein solches Gittermodul 10 kann zusammen mit anderen nicht dargestellten Bauteilen beispielsweise als Leistungsschaltstufe in einer elektronischen Baugruppe eingesetzt werden.

Da die elektronischen Bauelemente 22 und Kühlkörper 24 der Schaltmodule einzeln ausgerichtet werden, können die elektronischen Bauelemente 22 in vorteilhafter Weise im Verbund des umhüllenden Materials sehr kleine Toleranzen, sowohl in der Ebene x-y als auch hinsichtlich der Aufspannfläche in der Höhe z aufweisen. Das bedeutet, dass durch das umhüllende Material die umlaufenden Toleranzen der elektronischen Bauteile 22 und der Kühlkörper 24 in x-Richtung und y-Richtung und die Toleranz in der Höhe z durch unterschiedliche Materialdicken der Umhüllung ausgeglichen werden können.