(57)【要約】本発明は、パワーモジュールおよびパワーモジュールを製造するための方法に関する。このパワーモジュールは、１つのヒートシンクおよび付加製造を用いてこのヒートシンクに配設された電気絶縁および／または給電線のパターンを備える。このようなパワーモジュールを製造するための方法では、少なくとも１つの配線パターンが付加製造され、そしてこの配線パターンに配設される少なくとも１つの絶縁部が付加製造される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加製造された１つの配線パターン（１１０）と、および少なくとも当該配線パターンに配設された、付加製造された少なくとも１つの絶縁部（１２０）とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記少なくとも１つの前記配線パターン（１１０）が平坦な配線を備えることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記平坦部は、前記配線パターン（１１０）の量の少なくとも５０パーセント、好ましくは少なくとも８０パーセント、そして理想的には少なくとも９０パーセントとなっていることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
１つのヒートシンク（２０）を備え、当該ヒートシンクが、少なくとも部分的に、付加製造されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
１つ以上の構成部品が、３Ｄ印刷、好ましくはステレオリソグラフィー、および／または選択的レーザ焼結、および／またはプラズマ印刷、および／またはインクジェット印刷によって付加製造されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
少なくとも１つの基板、特に、セラミックで形成された１つの基板を備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記ヒートシンク（２０）は、前記少なくとも１つの基板に結合され、および／または前記ヒートシンク（２０）は、当該基板を形成することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記ヒートシンク（２０）および／または前記基板および／または前記配線パターン（１１０）は、金属を用いて、あるいは金属から、特に、アルミニウム、および／または銅、および／またはニッケル、および／または錫、および／または金、および／または銀、および／またはチタン、および／またはパラジウム、および／または鋼鉄、および／またはコバルトにより、および／またはこれらの金属の１つ以上から形成されている１つの合金により、および／または付加製造により、製造されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
好ましくは、前記配線パターン（１１０）、および／または前記基板、および／または前記ヒートシンク（２０）に焼結されている、少なくとも１つのパワー素子（９０）を備えることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
１つ以上の構成部品を備え、当該構成部品が、付加製造を用いて、特に、３Ｄ印刷を用いて製造されており、特に、受動および／または無線センサおよび／またはアンテナおよび／または抵抗器および／またはコンデンサおよび／またはインダクタおよび／または給電線の少なくとも１つ以上の部品が製造されていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
１つのパワーコンバータ、特に、１つのインバータまたは１つの整流器を形成することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のパワーモジュールを製造するための方法であって、少なくとも１つの配線パターン（１１０）が付加製造され、そして当該配線パターン（１１０）に配設される少なくとも１つの絶縁部（１２０）が付加製造されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
マルチノズル法により付加製造され、特に、３Ｄ印刷されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールおよびパワーモジュールを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、コンバータ用のパワー電気モジュール（本発明の範囲においては、常にパワーモジュールと呼ぶ）は、きわめて優れた電気的、熱機械的特性、および高い電磁適合性を必要とする。またその堅牢性および寿命に対してもますます高い要求が課されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって本発明の課題は、従来技術に対して改善されたパワーモジュールを実現することである。特に、高いパワー密度、改善された寿命、コンパクトな構造、および低減されたインダクタンスが可能でなければならない。さらに本発明の課題は、改善されたパワーモジュールを製造するための方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
これらの本発明の課題は、請求項１に示す特徴ならびに請求項１２に示す特徴を有するパワーモジュールにより解決される。本発明の好ましい変形例は、これらに従属する下位請求項、以下の説明、および図に示されている。
【０００５】
本発明によるパワーモジュールは、付加製造された１つの配線パターンと、および少なくともこの配線パターンに配設された、付加製造された少なくとも１つの絶縁部とを備える。
【０００６】
好適には本発明によるパワーモジュールは、少なくとも１つのパワー素子を備え、このパワー素子に上記の配線パターンが電気的に接続されている。
【０００７】
本発明によるパワーモジュールは、上記の付加製造によって、その改善された製造可能性の結果、および上記のパワーモジュールの新たに可能な形状関係のおかげで、以下に示す利点を備える。
【０００８】
１つには、本発明によるパワーモジュールは、本発明により得られる付加製造された配線パターンを用いた、上記の改善された電気的接続部のおかげで、高いパワー密度を備える。さらに本発明によるパワーモジュールの長い寿命を容易に実現することができる。
【０００９】
さらに有利には、本発明によるパワーモジュールは、僅かな体積、すなわち設置スペースで製造することができる。特に、本発明によるパワーモジュールは、その外形に関し、たとえば大きな装置のさらなる構成部品によって規定されるような幾何形状的な寸法に合わせることができる。
【００１０】
付加製造可能な部分が多様であるために、本発明によるパワーモジュールは、同様に付加製造可能な多数の部品、たとえば受動的または能動的な電子デバイスを備えることができる。この結果本発明によるパワーモジュールでは、高い集積度が容易に実現可能である。
【００１１】
本発明によるパワーモジュールは、上記の付加製造のおかげで、特に、特別な目的のための、およびこのために僅かな生産量となるパワーモジュールにおいて、とりわけ安価に製造することができる。
【００１２】
さらにこのパワーモジュールは１つの多機能ハウジングを備え、このハウジング内には、上記の高い集積度のおかげでさらなる機能が実現可能である。特に、本発明によるパワーモジュールではシリコーンのグロブトップを省略でき、有利である。
【００１３】
さらに付加製造を用いることにより、多数の新たな高絶縁かつ高耐熱であると同時に印刷可能な材料を使用することができる。
【００１４】
好ましくは、本発明によるパワーモジュールでは、少なくとも１つの上記の配線パターンが平坦な配線を備え、すなわちこの配線パターンが平坦な延伸部と厚さ方向の１つの延伸部とを有する１つの平坦部を備え、ここで最も大きな、および／または最も小さな平坦な延伸部は、この厚さ方向の延伸部の少なくとも３倍、特に、少なくとも１０倍、好ましくは少なくとも３０倍、そして理想的には少なくとも１００倍の大きさとなっている。この際、上記の配線は、好適には、上記の平坦部分の少なくとも１つの部分を形成している。
【００１５】
好適には本発明によるパワーモジュールでは、上記の平坦部は、上記の配線パターンの量の少なくとも５０パーセント、好ましくは少なくとも８０パーセント、そして理想的には少なくとも９０パーセントとなっている。
【００１６】
上記の平坦な配線パターンのおかげで、動作中に発生するインダクタンスを容易に低減することができる。
【００１７】
特に、本発明によるパワーモジュールを用いて、その改善された電気接続部のおかげで、本発明により設けられる平坦な配線パターンを用いて、２００℃より上の温度でのデバイスの動作が可能である。この結果、Ｓｉおよび／またはＳｉＣおよび／またはＧａＮのチップ技術が使用可能である。本発明により、改善された電流容量および改善された熱的および電気機械的な信頼性が容易に実現可能である。
【００１８】
有利には、本発明によるパワーモジュールは、従来技術で知られているような、はんだ接続部および／またはアルミニウムボンディング接続部を用いずに、形成可能である。有利には、本発明によるパワーモジュールは、容易に破損し得、そしてまた大きな寸法を備えるこのような電気的接続部を備える必要がない。これとは逆に本発明によるパワーモジュールは、堅牢かつコンパクトに形成可能である。
【００１９】
好適には本発明によるパワーモジュールは、１つのヒートシンクを備え、このヒートシンクは、少なくとも部分的に、付加製造されている。
【００２０】
本発明によれば、両面冷却を容易に実現することができ、すなわち好ましくは本発明によるパワーモジュールは、少なくとも２つのヒートシンクを備え、あるいは上記のパワー素子は、２つの互いに反対側の面に、これらに少なくとも１つのヒートシンクが熱的に接続されている。
【００２１】
本発明の１つの有利な変形例においては、本パワーモジュールは、少なくとも１つの基板、特に、セラミックで形成された１つの基板を備える。
【００２２】
好適には本発明によるパワーモジュールでは、適宜設けられる上記のヒートシンクは、上記の少なくとも１つの基板に結合され、および／またはこのヒートシンクは、この基板を形成する。
【００２３】
有利には、パワーモジュール用に分散されて使用されている多数の基板が上記の付加製造用の基板として可能となる。こうして特に、回路担体は、上記の付加製造プロセス用の基板基板として使用することができ、好ましくはＤＣＢおよび／またはＡＭＢのようなメタライズされたセラミックおよび／または回路基板として使用される。
【００２４】
さらに本発明によるパワーモジュールの電気的な配線パターンは、平坦な延伸部において、および厚さ方向において、集積された回路および極めて様々な応用例に適合可能である。
【００２５】
とりわけ有利には、本発明によるパワーモジュールのさらなる構成部品は、付加製造を用いて、特に、３Ｄ印刷を用いて製造されており、好適にはこのような構成部品は以下に挙げる部品の１つ以上の部品、受動的および／または無線のセンサおよび／またはアンテナおよび／または抵抗器および／またはコンデンサおよび／またはインダクタである。
【００２６】
特に、能動的および受動的な電子デバイスならびにこれらへの給電線は、付加製造を用いて、特に、３Ｄ印刷を用いて、容易に本発明によるパワーモジュールに組み込むことができる。
【００２７】
上記の付加製造を用いて、特に、３Ｄ印刷を用いて、本発明によるパワーモジュールの絶縁部および／または配線パターンを、高精細にかつ極めて正確に形成することができる。
【００２８】
好適には本発明によるパワーモジュールでは、付加製造された構成部品は、３Ｄ印刷、好ましくはステレオリソグラフィー、および／または選択的レーザ焼結、および／またはプラズマ印刷、および／またはインクジェット印刷を用いて製造されている。
【００２９】
有利には本発明によるパワーモジュールでは、適宜設けられる上記のヒートシンクおよび／または適宜設けられる上記の基板および／または上記の配線パターンは、金属を用いて、あるいは金属から、特に、アルミニウム、および／または銅、および／またはニッケル、および／または錫、および／または金、および／または銀、および／またはチタン、および／またはパラジウム、および／または鋼鉄、および／またはコバルトを用いて、および／またはこれらの金属の１つ以上から形成されている１つの合金を用いて、および／または付加製造を用いて製造されている。
【００３０】
好ましくは本発明によるパワーモジュールでは、適宜設けられる上記のヒートシンクは、アルミニウムグラファイトを用いて、あるいはこれから形成されている。
【００３１】
本発明によるパワーモジュールの１つの好ましい変形例においては、上記のヒートシンクは、冷却チャネルを備え、これらは冷却流体の通流のため、特に、空気の通流のために形成されている。
【００３２】
好ましくは、本発明によるパワーモジュールは、少なくとも１つのパワー素子を備え、このパワー素子は、好ましくはケイ素、および／または炭化ケイ素、および／または窒化ガリウムを用いて、あるいはケイ素、および／または炭化ケイ素、および／または窒化ガリウムから形成されている。
【００３３】
好ましくは本発明によるパワーモジュールでは、少なくとも１つの上記のパワー素子は、上記の配線パターン、および／または上記の基板、および／または上記のヒートシンクに焼結されている。
【００３４】
好適には本発明によるパワーモジュールは、１つのパワーコンバータ、特に、１つのインバータまたは１つの整流器を形成する。
【００３５】
特に、双方向性インバータ（Umrichter）では、熱的および機械的な特性の顕著な改善が可能である。さらに、電磁適合性を容易に改善することができる。
【００３６】
本発明によるパワーモジュールを製造するための本発明による方法では、少なくとも１つの配線パターンが付加製造され、および／またはこの配線パターンに配設される少なくとも１つの絶縁部が付加製造される。
【００３７】
本発明による製造方法を用いて、速やかな製品開発および市場導入も、また製品に関連した最先端テクノロジーの製造ステップも容易に可能である。
【００３８】
好ましくは本発明による方法は、以下に挙げる方法ステップの１つ以上を備える。
・基板、特に、冷却器有り／無しの、ＤＣＢ基板用の基板ハンドラ／マガジンを使用するステップ、
・適切な量の焼結ペーストおよび／またははんだペーストを印刷するステップ。
・デバイス、特に、半導体デバイスを取り付けるステップ、特に、３次元で正確に取り付けるステップ、
・銀焼結処理またははんだ処理によってデバイスを結合するステップ、
・無機および／または有機の絶縁材料の、パターニングされた３Ｄ印刷を行うステップ、
・パターニングされた金属材料、特に、１つ以上の配線パターンの、パターニングされた３Ｄ印刷を行うステップ、および
・製造されたパワーモジュールまたはその構成部品の電気的および／または光学的試験を行うステップ。
【００３９】
有利には、付加製造、特に、３Ｄ印刷を用いて、安価な、多層の構造、ならびにシステム部品、特に、センサ、および／またはロジックユニット、および／または制御、および／または調整ユニット、および／または状態モニタ用に構成および形成されているユニットの容易な組み込みが簡単に可能となる。
【００４０】
好ましくは、上記の付加製造は、以下に示す材料の１つ以上を用いて行われ、これらは金属（銅、および／またはニッケル、および／または錫、および／または金、および／または銀、および／またはアルミニウム、および／またはチタン、および／または白金、および／またはパラジウム、および／または鋼鉄、および／またはコバルト、および／または以上に挙げた金属の１つ以上から形成されている合金）、および／または電気的および／または熱的に伝導性の熱硬化性樹脂、および／または熱伝導性かつ電気伝導性のインク、および／または電気伝導性のペースト、および／または電気伝導性の感光性樹脂、および／または電気的に高絶縁性かつ熱伝導性の絶縁材料、および／またはメッキレジスト材料、および／または高温安定かつ高絶縁性の３Ｄ材料（特に、ＰＩおよび／またはＰＡＩおよび／またはＰｅｅｋ）である。特に、これらで最後に挙げた３Ｄ材料は、熱膨張率の観点から容易に調整することができ、こうして本発明によるパワーモジュールの熱機械的応力を低減することができ、そして信頼性が改善されている。
【００４１】
とりわけ好ましくは、本発明による方法では、マルチノズル処理を用いて付加製造され、特に、３Ｄ印刷される。
【００４２】
有利には、本発明のこの変形例においては、本発明によるパワーモジュールの、材料が異なる多くの構成部品、特に、樹脂の構成部品および金属の構成部品が、１つの単一の装置技術を用いて付加製造され、特に、マルチノズルの３Ｄ印刷を用いて製造される。有利には、マルチノズル印刷の製造ラインは、大きなコスト低減可能性を有する１つの連続製造プロセスを可能とする。
【００４３】
好ましくは本発明による方法では、事前に実施されたシミュレーションを用いて得られた結果が集められて、場合により生じるずれが補正される。
【００４４】
以下では図に示された実施例を参照して、本発明が詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による１つの方法を用いて製造された本発明による１つのパワーモジュールを長手方向断面で概略的に示す。
【図２】上記の本発明による方法をフロー図で概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１に示すパワーモジュール１０を製造するために、まず１つのヒートシンク２０がアルミニウムグラファイトから成る平坦部として３Ｄ印刷される。このヒートシンク２０の３Ｄ印刷では、同時にこのヒートシンク２０に冷却チャネル３０が設けられ、このヒートシンク２０の長手方向の中央レベル面に沿って互いに平行かつ等間隔な貫通部のように、このヒートシンク２０を貫通する。これらの冷却チャネル３０は、冷却流体の通流のために形成されている。これらの冷却チャネル３０は、基本的にこのパワーモジュールを空冷するためにも適している。これらの冷却チャネル３０の代替としてあるいはまたは追加的に、このヒートシンク２０の露出した１つの平坦面４０に冷却フィン５０が印刷され、これらはこのヒートシンク２０の平坦面４０から垂直に延伸している。これらの冷却フィン５０は、完成した３Ｄ印刷部分においては、このヒートシンク２０を空冷するために良く知られているように寸法決めされ、形成されている。
【００４７】
代替としてこのヒートシンク２０は、他に特に図示しない実施例においては、３Ｄ印刷されず、むしろ１つの他の製造方法を用いて製造され、そして本発明によるパワーモジュール１０のさらなる製造ステップ用に、以下に説明するように用いられる。
【００４８】
ヒートシンク２０の露出された平坦側面４０に対して反対側の平坦側面６０は、平坦な面として形成されている。この平坦側面６０上には、１つの絶縁層７０が全面的に印刷される。この絶縁層７０は、図示した実施例においては１つの無機セラミック、ここでは窒化アルミニウムにより印刷される。さらなる図示しない、上記の図示されたものの他に対応する実施例においては、この絶縁層はその代りに他の材料、その他の無機セラミック、たとえば窒化ケイ素または１つの有機電気絶縁体のようなものから形成される。この絶縁層は、非導電体となり、ただし大きな熱伝導性を備える。この絶縁層７０は、図示された実施例においては、薄層としてヒートシンク２０上に印刷されている。さらに、特に図示しない、上記の図示されたもの以外に対応する実施例においては、この絶縁層７０はその代りにヒートシンク２０上にスプレー塗布または接着される。これに対応してこのヒートシンク２０は１つの基板を形成する。代替としてまたは追加的に、このヒートシンク２０の代わりに１つの基板が存在してよく、この基板にはパワー素子９０に対して離間したこの基板の側面に、１つのヒートシンクが結合されている。
【００４９】
絶縁層７０上には、平坦にパターニングされた１つの銅層８０がメタライジング部として印刷され、こうしてこの絶縁層７０は、１つの回路基板に相当する１つの基板を形成する。このパターニングされた銅層８０には、平坦部分として形成されているパワー素子９０（ここではＩＧＢＴ）が、良く知られているように、銀焼結技術を用いて取り付けられる。このためこのパターニングされた銅層８０は、焼結ペースト９４を用いて、印刷によってコーティングされ、この上にこれらのパワー素子９０が焼結結合されている。このパターニングされた銅層８０の個々のパターン要素ならびにこの上にそれぞれ結合されたパワー素子９０は、これらのそれぞれのパワー素子９０と銅層８０とを結合している焼結ペースト９４と共に、それぞれ平坦な延伸部において、３Ｄ印刷で取り付けられる１つのさらなる絶縁層９６によって互いに電気的に絶縁されている。さらに、特に図示しない、上記の図示されたもの以外に対応する実施例においては、ＩＧＢＴの代わりに、炭化ケイ素チップおよび窒化ガリウムチップ、すなわち化合物半導体ベースの集積回路が配設されている。
【００５０】
ヒートシンク２０の反対側にあるこのパワー素子９０の平坦面１００上で、このパワー素子９０は、同様にメタライズされ、そしてこのパワーモジュール１０の他の部分と銅配線１１０を介して電気的に接続されている。
【００５１】
これらの銅配線１１０は一緒に１つの平坦部を形成し、すなわちこのパワー素子９０の平坦面１００に対し垂直な方向のこれらの銅配線１１０の延伸部は、この平坦面１００の平坦な延伸方向におけるこれらの銅配線１１０の最も小さな延伸部よりも１桁、好ましくは２桁小さくなっている。
【００５２】
パワー素子９０も、また銅配線１１０も、これらのヒートシンク２０の反対側にある面では、３Ｄ印刷で取り付けられたさらなる１つの絶縁層１２０によって覆われており、こうしてこのパワー素子９０は、このパワーモジュール１０の中に完全に埋設されている。この絶縁層の、ヒートシンク２０の反対側にある面では、貫通接続部１３０が、３Ｄ印刷を用いて（絶縁層１２０とほぼ一緒にマルチノズル技術を用いて）実装され、これらは３Ｄ印刷を用いて製造された平面接続部１４０に合流し、そしてこれらの平面接続部１４０は、以上により、埋設された銅配線１１０において電気的に導通して接続されている。これらの平面接続部１４０には、この結果、埋設されていないさらなる部品１５０が結合される。基本的にはこれらのさらなる部品１５０も３Ｄ印刷を用いて製造されていてよい。たとえばこのような部品１５０は、受動的および／または無線のセンサ、および／またはアンテナ、および／または抵抗器、および／またはコンデンサ、および／またはインダクタであってよい。さらに、３Ｄ印刷された１つの給電線がこれらの部品１５０に接続されていてよい。
【００５３】
基本的にはさらに、特に図示しない実施例においては、パワー素子９０にもう１つの絶縁層が印刷されてよく、この絶縁層自体に３Ｄ印刷を用いて製造されたもう１つのヒートシンクが結合される。さらなる実施例においては、さらに、絶縁層とヒートシンクとの間に、一連の配線パターンおよび絶縁層が印刷されてよい。
【００５４】
本発明による方法を用いて製造された、本発明によるパワーモジュール１０は、１つのコンバータ、特に、１つのインバータまたは１つの整流器を形成する。
【００５５】
本発明による方法は、上記で説明した具体的な実施例のみを参照して規定されるものではない。むしろ本発明による方法は、以下で概略的に図２に示されているように一般的に規定されるべきものである。
【００５６】
本発明による方法の最初に、１つの基板交換器Ｈが１つの基板を選択し、そして次の製造プロセスへ転送する。さらにこの基板は、まず１つの印刷機ＰＲに渡され、この印刷機はこの基板に銀ペーストを用いて印刷する。続いてこの基板は実装装置ＰＰに渡され、この実装装置はこの基板に半導体チップを実装し、ここでこれらの半導体チップはこの銀ペースト上に設置される。これらの半導体チップは、この銀ペーストを用いて銀焼結処理（ＡＳ）を用いて、この基板に結合される。さらにこれらの半導体チップは、小さな圧力および低い温度でこの基板に対して押圧され、この後硬化が行われる。
【００５７】
続いて１つの３Ｄ印刷機ＰＣを用いて、１つの適合したノズルを用いて１つのパターニングされた３Ｄ絶縁部（すなわち１つの３Ｄ印刷された絶縁部）がこれらの半導体チップの上に取り付けられ、この後さらなる硬化ステップが続く。続いてこの３Ｄ印刷機のもう１つのノズルＤＤＤを用いて、パターニングされた１つの３Ｄ金属層（すなわち３Ｄ印刷された１つの金属層）がこの３Ｄ絶縁部上に取り付けられる。
【００５８】
上記の３Ｄ印刷の後、ここまで製造されたこのパワーモジュールは、まず非接触で、すなわちこの場合には光学的に、たとえば１つの光学顕微鏡ＯＴを用いて検査される。光学的検査に合格した後、１つの電気的なテストスタンド（ＴＥ）での電気的検査が続く。
【００５９】
図２に示す製造プロセスの最後で、１つのパッケージステーションＰＳにおいてパッケージングが行われ、そしてさらにこのパワーモジュールの出荷が行われる。
【００６０】
当然ながら本発明による方法では、３Ｄ印刷機ＰＣを用いた３Ｄ絶縁部の３Ｄ印刷、ならびにさらなるノズルＤＤＤを用いたパターニングされた金属層の３Ｄ印刷の方法ステップは、互いに入れ替えられてもよく、あるいは何回も交替で続いて行われてもよい。さらに、パッケージステーションＰＳを用いた最後のパッケージングおよび出荷を除く全方法ステップが、ループＬを用いて何回も実行されてよい。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2019530977.tif 000007
2019530977.tif 000008
2019530977.tif 000009
2019530977.tif 000010