JP7290650B2 - METHOD AND JIG FOR MANUFACTURING PIN FIN TYPE POWER MODULE - Google Patents

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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。 The present invention relates to a method and jig for manufacturing a pin-fin power module.

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。 Referring to FIG. 1, a pin fin base plate 10 includes a metal plate 11 with a plurality of fins 12 on one side (the pin fin side). The other side (flat side) of the pin-fin base plate 10 is connected to the power module. The fins are in direct contact with the liquid cooling system. Therefore, the power module is not overheated. Therefore, the thermal cycle capability of the power module is significantly improved, extending the life of the power module.

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。 Conventional pin-fin power modules use silicone gel as an encapsulant. As shown in FIG. 1, except for the pin-fin base plate 10, the power module is provided with an insulating material 20 (such as Direct Bonded Copper (DBC), polymer film) and the insulating material 20. It further comprises a power chip 30 (IGBT, MOSFET, diode, etc.). An insulator 20 is connected to the flat side of the pin fin base plate 10 . Insulator 20 and power chip 30 are enclosed within housing 50 . The space inside the housing is filled with silicone gel 40 . The conventional pin-fin power module has a complicated structure and requires more steps in the manufacturing process, resulting in low manufacturing efficiency and high cost.

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。 To simplify the structure and manufacturing process of pin-fin power modules, a transfer-molded power module is presented. As shown in FIGS. 2 and 3, this power module uses an epoxy resin 60 as a sealant and does not require a housing. Lower mold 702 and upper mold 701 are used to manufacture a power module. A power module is placed in a cavity 700 between an upper mold 701 and a lower mold 702 . The pin fin side is placed on top surface 7021 of lower die 702 . Epoxy resin is injected into cavity 700 by pressure through opening 7011 above upper mold 701 . However, current manufacturing processes have the following drawbacks. 1) Current transfer molding processes require a flat bottom to prevent epoxy from penetrating between the bottom mold and the bottom surface of the power module. In the current process, there is a gap 800 between the fins 12 so that the epoxy penetrates between the lower mold and the bottom surface of the power module. 2) When the epoxy resin is injected, the pressure on the insulating material is not uniform and the force acting on each fin is also uneven. This can lead to cracking and/or bending of the insulating material and the base plate of the pin fins.

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。 One aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a pin-fin power module. This method includes the following steps. That is, (1) a step of providing a pin-fin type power module and a jig, wherein the power module includes a pin-fin base plate, an insulating material connecting the base plate, and a power chip provided on the insulating material. a base plate having a first surface and a second surface opposite the first surface, the first surface being connected to the insulating material, the second surface having a plurality of fins thereon; , a body having a flat upper surface and a flat lower surface, and holes provided on the upper surface of the body, the distribution of these holes being the same as the arrangement of the fins, and the opening of the holes being larger than the dimensions of the fins. The steps are also large and the hole length is not shorter than the fin length. (2) inserting the pin fins into the jig so that each fin is inside the corresponding hole; (3) Placing the power module combined with the jig in the cavity between the upper and lower molds, and at the same time placing the lower surface of the jig on top of the lower mold. (4) injecting the epoxy resin and performing the molding process, followed by (5) removing the jig from the base plate of the pin fins.

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。 Preferably, the opening of the holes depends on the thermal expansion of the fin material and/or the fixture material. Fixtures are made of carbon, copper, or steel.

好適には、絶縁材はＤＢＣまたはポリマーフィルムである。 Preferably, the insulating material is DBC or polymer film.

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。 Another aspect of the present invention is to provide a jig for manufacturing pin-fin power modules. The module comprises a surface having a plurality of protruding fins thereon. The jig includes a body having a flat upper surface and a flat lower surface, and a hole provided on the upper surface of the body. The distribution of these holes is identical to the fin arrangement. The opening of the holes is larger than the dimensions of the fins. Also, the hole length is no shorter than the fin length.

好適には、孔は貫通孔である。 Preferably the holes are through holes.

好適には、孔は非貫通孔である。 Preferably, the holes are blind holes.

好適には、孔の断面は、円形、楕円形、または菱形である。 Preferably, the cross-section of the holes is circular, elliptical or diamond-shaped.

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。1 is a cross-sectional view of a conventional gel-sealed pin-fin power module; FIG. 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。FIG. 4 is a cross-sectional view of a transfer-molded pin-fin power module; 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。FIG. 3 is a diagram showing molding of a pin-fin power module in upper and lower molds using epoxy resin according to a conventional method; 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。FIG. 3 shows an unencapsulated pin-fin power module before the molding process; 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。FIG. 10 shows a jig that protects the pin fins during the molding process; 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。It is a figure which shows insertion of a pin fin to the jig|tool provided with a through-hole. 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。FIG. 10 shows molding of a pin-fin power module using epoxy resin under the protection of a jig; 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。FIG. 10 is a diagram showing the pin-fin power module sealed with epoxy resin after peeling off the jig; 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。FIG. 10 shows the insertion of pin fins according to arrow A into a jig with blind holes; 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。FIG. 11 shows the combination of the pin fins and jig after the fins are completely inserted into the non-through holes; 非貫通孔を備える別の代替的な治具を示す図である。FIG. 11 shows another alternative fixture with blind holes;

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。 Embodiment 1: Referring to FIGS. 4 to 8, a pin-fin power module is manufactured by the following steps.

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。 First, a pin-fin power module and a jig 9 are provided. The power module comprises a pin-fin base plate 1 , an insulating material (DBC) 2 connecting the base plate 1 , and a power chip 3 provided on the DBC 2 . The base plate 1 has a first surface 11 and a second surface 12 facing the first surface 11 . The first surface 11 is connected to DBC2. The second surface 12 also has a plurality of fins 121 thereon. The jig 9 includes a carbon body having a flat upper surface and a flat lower surface, and a plurality of through holes 91 provided on the upper surface of the main body. The distribution of through-holes is the same as the arrangement of fins. The opening of the holes is larger than the dimensions of the fins. Also, the length of the through holes is the same as the length of the fins.

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。 Insert the pin fins into the jig as shown in FIG. More specifically, each fin 121 is inserted into the corresponding through hole 91 . Thus, the fins are protected by the jig.

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。 Referring now to FIG. 7, the power module combined with the jig is placed in cavity 400 between upper mold 41 and lower mold 42 . The power module is stable because the lower surface of the jig is placed on the upper surface of the lower mold and all the fins are protected. Next, the epoxy resin 5 is injected and the molding process is performed. Thereafter, as shown in FIG. 8, the jig is removed from the pin fins to form a pin fin power module sealed with epoxy resin.

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。 With the aid of the jig, the pressure is evenly distributed during epoxy resin molding because the flat surface is in contact with the lower mold. Therefore, cracking or bending of the DBC can be avoided. The fins, on the other hand, are under the protection of the jig during the molding process and are resistant to cracking or bending.

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。 Embodiment 2: Referring now to FIGS. 9-10, in an alternative solution, a steel fixture 9 with blind holes 91 is used. The length of the blind holes is the same as the length of the fins. All fins 121 are inserted into corresponding blind holes 91 according to arrow A before molding. After that, the pin fins are stably supported by the jig. A jig with blind holes is sufficiently stable so that the pressure on the power module is evenly distributed during the molding process.

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。 Embodiment 3: Referring now to FIG. 11, another alternative fixture is provided with blind holes 91 . However, the length of non-through hole 91 is longer than the length of fin 121 . As such, there is a vertical gap 800 between each fin and the corresponding blind hole. The vertical direction is parallel to the length direction of the fin.

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。 Several alternative structural elements and processing steps are proposed for the preferred embodiment. Therefore, although the invention has been described with reference to particular embodiments, this description is illustrative of the invention and should not be construed as limiting the invention. Various modifications and applications may occur to those skilled in the art without departing from the true spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (8)

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、を含み、
前記孔は貫通開口であり、
前記治具は炭素または金属製である、方法。 A method for manufacturing a pin-fin type power module, comprising:
providing a pin-fin power module and a fixture, the power module comprising a pin-fin base plate, an insulating material connecting the base plate, and a power chip provided on the insulating material; The base plate has a first surface and a second surface facing the first surface, the first surface being connected to the insulating material, and the second surface having a plurality of surfaces on the second surface. and said jig comprises a body having a flat upper surface and a flat lower surface, and holes provided on said upper surface of said body, said hole distribution being the same as the arrangement of said fins. wherein the opening of the hole is larger than the dimension of the fin and the length of the hole is no shorter than the length of the fin;
inserting the pin fins into the jig so that each fin is inside a corresponding hole;
placing the power module combined with the jig in a cavity between an upper mold and a lower mold, and simultaneously placing the lower surface of the jig above the upper surface of the lower mold; and
injecting an epoxy resin and performing a molding process;
removing the jig from the pin fin ;
the hole is a through opening,
The method , wherein the jig is made of carbon or metal . 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。 2. Method according to claim 1, wherein the opening of the holes depends on the thermal expansion of the material of the fins and/or the material of the jig. 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。 2. The method of claim 1, wherein the cross-section of said fins is circular, elliptical, or diamond-shaped. 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。 2. The method of claim 1, wherein the cross-section of said holes is circular, elliptical, or diamond-shaped. 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。 2. The method of claim 1, wherein the insulating material is DBC or polymer film. 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く、
前記孔は貫通孔であり、
前記治具は炭素または金属製である、治具。 A jig for manufacturing a pin-fin power module, the module comprising a surface and a plurality of protruding fins above the surface, the jig comprising:
a body having a flat upper surface and a flat lower surface;
a hole provided on the top surface of the body;
the distribution of the holes is the same as the arrangement of the fins, the opening of the holes is larger than the dimensions of the fins and the length of the holes is not shorter than the length of the fins;
the hole is a through hole,
A jig, wherein the jig is made of carbon or metal . 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６に記載の治具。 7. A jig according to claim 6 , wherein the opening of said holes depends on the thermal expansion of said fin material and/or said jig material. 前記孔の断面は円形、楕円形、または菱形である、請求項６に記載の治具。 7. The jig of claim 6 , wherein the cross-section of said holes is circular, elliptical, or diamond-shaped.
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