CN101834144A

CN101834144A - 功率模块绝缘方法及功率模块组件

Info

Publication number: CN101834144A
Application number: CN200910119431A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·柏德松; 李欣; 王静
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE; Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: CN101834144B

Abstract

本发明公开了一种功率模块的绝缘方法以及功率模块组件，该方法包括如下步骤：在功率模块上引脚一侧设置绝缘材料层；以及将功率模块安装在印刷电路板上，使得所述绝缘材料层夹置在所述印刷电路板和功率模块之间；这种绝缘材料需要填充满功率模块和印刷电路板之间的空间。通过该方法，可以解决功率模块引脚之间的绝缘限制，使得使用该功率模块的电器可以满足污染等级3和过电压等级III的绝缘要求。

Description

功率模块绝缘方法及功率模块组件

技术领域

本发明总地来说涉及功率模块绝缘的方法以及用于该方法的功率模块组件。该功率模块，如IGBT模块，通常应用在例如变频器、电源等电力电子应用产品当中。

背景技术

近年来，产品越来越小型化，随着产品的小型化趋势，功率模块的尺寸越来越小，使得功率模块的引脚之间的距离缩短。这直接带来的问题是功率模块的引脚之间的爬电距离和电气间隙缩短，而使得功率模块不能满足产品标准中规定的污染等级3(DP3)、过电压等级III(OVC III)的应用场合。其中爬电距离(creeping distance)是指两个导体之间沿绝缘表面所测得的最短空间距离，在本发明的情况下为两个导体之间沿着绝缘材料表面的最短距离，通常产品应用的污染等级，对于爬电距离的影响很大；电气间隙(clearance)是指两个导体之间的最短空间放电距离。

但是，由于应用IGBT等功率模块的产品，如变频器、电源等，常常需要在恶劣的工作环境下工作。对于环境污染较高等的应用场合，为提高产品的可靠性，产品设计需要考虑应用于污染等级3(Pollution Degree 3)、过电压等级III(Over Voltage Category III)的限制。由于这种限制较为严格，虽然功率模块内部设计能够满足这种要求，但是由于功率模块的封装限制，功率模块引脚之间的距离满足不了要求。如果不采取额外措施，产品设计就不能达到这个要求。

在现有技术中，为了解决这个矛盾，通常采用的方法是在印刷电路板(PCB)上，两个导体之间开槽，从而增加了爬电距离，但是这种方法对电气间隙的限制没有任何作用。另外这种方法带来的问题是PCB的强度受到损坏，并且增加PCB的加工步骤，使得制造成本增大。

另外，还公知一种在导体表面上涂覆三防胶的方法。三防胶通常为液体，在将三防胶涂覆到导体表面上之后，三防胶会覆盖在导体的表面上，从而在三防胶凝固之后密封两个导体之间的空间，这起到的作用是排除两个引脚之间的空气并且防止灰尘等累积在导体之间的PCB上，来消除爬电距离和电气间隙的限制。但是正是由于三防胶通常是液态的，在将功率模块安装到PCB上之后，很难将三防胶注入到PCB与功率模块之间使得在每个引脚之间都均匀分布三防胶。简单的说，有些引脚之间存在三防胶，而有些引脚之间则没有三防胶，因此，对于PCB和功率模块之间的空间的绝缘，这种方案并不实用。

目前对于类似模块应用于过电压等级III的场合而带来的电气间隙的限制，还没有很好的解决方案。因此，需要一种功率模块绝缘的新方法，使得功率模块可以满足DP3和OVC III的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率模块绝缘方法，通过该方法，可以使功率模块满足污染等级3和过电压等级III的限制。

根据本发明的一个方面，提供了一种功率模块绝缘方法。该方法包括如下步骤：在功率模块上引脚一侧设置绝缘材料层；以及将功率模块安装在印刷电路板上，使得所述绝缘材料层夹置在所述印刷电路板和功率模块之间。

优选的是，所述绝缘材料是柔软的，使得在将功率模块安装到印刷电路板上时，该绝缘材料层被压缩；并且需要考虑到功率模块的尺寸误差，使得该绝缘材料充满功率模块和印刷电路板之间的空间。

优选的是，所述绝缘材料耐高温，所述绝缘材料可以承受在将功率模块的引脚焊接到印刷电路板的过程中的温度。

优选的是，所述绝缘材料层由可以承受一定耐电压绝缘等级的材料制成。具体耐电压等级的要求，根据不同的应用产品标准和该绝缘材料的尺寸，耐电压等级有所变化。

所述绝缘材料优选的为泡沫或硅树脂。

另外，所述方法还可以包括：在将功率模块焊接到印刷电路板上之后，在印刷电路板的顶面上涂覆一层涂层，优选的是，所述涂层是三防胶。

所述方法还可以包括：在将绝缘材料层设置在功率模块上之前，将散热器安装到功率模块的顶面上。

根据本发明的另一方面，提供了一种功率模块组件，该功率模块组件包括设置在引脚一侧上的绝缘材料层。

优选的是，所述绝缘材料层由可以承受一定耐电压绝缘等级的材料制成。具体耐电压等级的要求，根据不同的应用产品标准和该绝缘材料的尺寸，耐电压等级有所变化。所述绝缘材料优选的为泡沫或硅树脂。

通过将绝缘材料层设置在功率模块和印刷电路板之间，降低了限制区域的污染等级，去除了限制区域的空气，从而消除了爬电距离和电气间隙的限制，由此可以满足产品设计对于污染等级3和过电压等级III的要求。

附图说明

图1示出了根据本发明的功率模块安装到印刷电路板上的视图；

图2示出绝缘材料层的剖视图；以及

图3示出了功率模块安装到印刷电路板上的视图，图示了绝缘材料层中孔的不同尺寸。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。应该理解，在此图示和描述的具体实施方式仅仅是举例性的，而不作为对本发明的限制。

如图1所示，通常功率模块1与散热器2安装到一起，然后将功率模块1的引脚11插入到印刷电路板4上相对应的焊盘41中。并且通过螺栓3将散热器2与印刷电路板4连接到一起，从而将功率模块1与印刷电路板4安装到一起。然后，将印刷电路板4翻转，对从焊盘41突出的每个引脚11进行焊接，从而完成功率模块1与印刷电路板4的机械和电气连接。

但是，如在背景技术中所述，随着功率模块1的尺寸越来越小，引脚11之间的距离缩短，使得引脚间的距离不能满足产品设计对于爬电距离和电气间隙限制。

为了解决这个问题，根据本发明的优选实施方式，在将功率模块1的引脚11插入到印刷电路板4的相应焊盘41中之前，在功率模块1的引脚11一侧安装绝缘材料层5。该绝缘材料层5可以具有适当的形状和厚度，以便基本上覆盖功率模块1的引脚区域；并且，该绝缘材料层5具有与引脚相对应的孔51，以便引脚11可以穿过该孔51而突出出来。

在将绝缘材料层5安装到功率模块1上之后，将功率模块1的引脚11插入到印刷电路板4的焊盘41中。并且与上面相同，通过螺栓3将散热器2与印刷电路板4连接在一起。在拧紧螺栓3的过程中，功率模块1与印刷电路板4之间的距离缩短，绝缘材料层5将受到压缩。由于绝缘材料的尺寸已经考虑到模块的尺寸误差，该压缩能使绝缘材料层5充分填充满功率模块1和印刷电路板4之间的空间。

在将散热器2安装到印刷电路板4上之后，类似的，通过焊接，将功率模块1的引脚11与印刷电路板4的焊盘41相连接，从而实现机械和电气连接。

在如此安装之后，为了提高在印刷电路板4的与安装有功率模块的侧面相反的侧面(以下称为印刷电路板4的顶面)上的绝缘，可以在该顶面上涂覆绝缘涂层6，该绝缘涂层6例如可以是三防胶。

作为绝缘材料层5的材料，该材料需要满足这样的条件，即：材料可以拉伸和压缩；不导电，具备一定介电性能；耐高温，即承受将功率模块的引脚焊接到印刷电路板的焊盘上的温度，该温度通常为450℃，持续时间为3～5秒；材料是柔软的，从而在将功率模块安装到印刷电路板上时受到压缩，这种压缩导致绝缘材料层对功率模块1的引脚之间的待绝缘区域进行填充。从而一方面密封该区域而使得灰尘无法累积在功率模块的引脚附近以及引脚之间的印刷电路板表面上；另一方面排出该区域内的空气，从而防止引脚之间出现空间放电。供选择的材料包括泡沫或者硅橡胶，作为示例，表1中列出了一些适用的硅橡胶以及它们的特性。

表1

如图2所示，绝缘材料层5可以具有与功率模块1类似的尺寸，以便覆盖功率模块1的引脚一侧；并且，在绝缘材料层5上形成有与功率模块1的引脚11相对应的孔51，孔51的直径可以与引脚11的直径基本相同。由此在安装在功率模块1上之后，引脚11与绝缘材料紧密接触，参见图3中的1#。这种结构的优点在于绝缘材料层5可以定位准确。但是这种结构的缺点在于由于孔51的直径基本上与引脚11的相同，因此安装过程中，有可能会对引脚11施加不必要的力。并且在焊接过程中，绝缘材料层5有可能阻碍焊料充分浸润引脚，从而有可能带来焊接问题；而且由于绝缘材料层紧贴引脚，加大了焊接温度对绝缘材料的温度影响。另外，孔51的直径可以大于引脚11的直径，参见图3中的3#。在这种情况下，由于孔51的直径较大，绝缘材料层5有可能在安装过程中移动而不能良好定位，而且如果孔太大，对绝缘性能也会产生一定影响；优选的是，孔51的直径略大于引脚11的直径，参见图3中的2#。这种优选方法避免了可能带来的焊接质量问题，也可以减小焊接温度对绝缘材料的影响，而且可以对绝缘材料较好的定位。

从上面的描述可以看出，根据本发明的方法，绝缘材料层夹置在功率模块和印刷电路板之间，对功率模块的引脚之间的区域进行填充，从而去除了该区域内的空气并且防止灰尘累积在该区域内，使得使用功率模块的电器可以满足污染等级3和过电压等级III的绝缘要求。

另外，尽管在上面的描述中，功率模块与绝缘材料层单独提供，并且在功率模块焊接到印刷电路板上时，将绝缘材料层安装到功率模块上。但是也可以提供一种功率模块组件，这种功率模块组件包括功率模块以及设置在功率模块引脚一侧上的绝缘材料层。也就是说，在功率模块组件出厂时，预先在其引脚一侧上设置的绝缘材料层，并且，这里所说的绝缘材料层设置在功率模块引脚一侧不仅包括绝缘材料层和功率模块为单独元件，且二者组装到一起；而且包括利用适当的方法，如粘结，融合或者其它方式等将绝缘材料层结合到功率模块上而成为功率模块整体的一部分。

虽然上面参照附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员可以理解到本发明并不局限于在此描述的实施方式，而是在不背离本发明的精髓和范围的前提下，可以作出各种修改和变化，本发明的范围仅由所附的权利要求书及其等价物限定。

Claims

1.一种功率模块绝缘方法，该方法包括如下步骤：

在功率模块上引脚一侧设置绝缘材料层；以及

将功率模块安装在印刷电路板上，使得所述绝缘材料层夹置在所述印刷电路板和功率模块之间，以充满功率模块和印刷电路板之间的空间。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘材料作为功率模块的组件，与功率模块结合在一起应用；该绝缘材料也可以结合到功率模块一起，成为功率模块的一部分。

3.如权利要求1到2中任一项所述的方法，其中，所述绝缘材料层由柔软的材料制成。使得在将功率模块安装到印刷电路板上时，该绝缘材料层被压缩。

4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述绝缘材料层由可以承受在将功率模块的引脚焊接到印刷电路板的过程中的温度的材料制成。

5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，所述绝缘材料层由可以承受一定耐电压绝缘等级的材料制成。

6.如权利要求1到5所述的方法，其中，所述材料为泡沫或硅橡胶。

7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其中，所述绝缘材料层具有孔，所述孔与所述功率模块的引脚相对应，在所述设置绝缘材料层的步骤，所述功率模块的引脚穿过所述绝缘材料层的孔突出。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述孔的直径略大于所述引脚的直径。

9.如权利要求1所述的方法，还包括：

将功率模块的引脚焊接到所述印刷电路板的焊盘上；以及

在印刷电路板的与安装功率模块的底面相反的顶面上设置绝缘层。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述设置绝缘层的步骤包括：

将三防胶涂覆在所述印刷电路板的顶面上，完全覆盖功率模块突出PCB的引脚；及

三防胶凝固。

11.一种功率模块组件，包括功率模块和设置在所述功率模块的引脚一侧的绝缘材料层。

12.如权利要求11所述的功率模块组件，其中，所述绝缘材料层由柔软的材料制成，使得在将功率模块组件安装到印刷电路板上时，该绝缘材料层被压缩。

13.如权利要求11所述的功率模块组件，其中，所述绝缘材料层由可以承受在将功率模块的引脚焊接到印刷电路板的过程中的温度的材料制成。

14.如权利要求11所述的功率模块组件，其中，所述绝缘材料层由可以承受一定耐电压绝缘等级的材料制成。

15.如权利要求13或14所述的功率模块组件，其中，所述材料为泡沫或硅橡胶。

16.如权利要求11到15中任一项所述的功率模块组件，其中，所述绝缘材料层具有孔，所述孔与所述功率模块的引脚相对应，在所述设置绝缘材料层的步骤，所述功率模块的引脚穿过所述绝缘材料层的孔突出。

17.如权利要求16所述的功率模块组件，其中，所述孔的直径大于所述引脚的直径。