CN103140103A - 智能功率模块的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能功率模块的封装结构，各端子呈台阶形，端子包括竖置的连接柱、设置在连接柱下部的上键合座、底部的下键合座以及上键合座与下键合座之间竖置的连接座，外壳具有窗口，窗口四周具有环形的台阶面，各端子间隔嵌接在外壳窗口的至少两侧边，各端子的连接座设置在外壳内、下键合座固定在窗口的下台阶面处、上键合座固定在窗口的上台阶面处、连接柱穿出外壳的上端面，主电路板密封固定在外壳的底部，各端子的下键合座通过金属键合丝与主电路板键合，各端子的上键合座通过金属键合丝与设置在外壳内的驱动电路板键合，盖板扣合在外壳顶部，各端子的连接柱穿出盖板。本发明结构合理，体积小，端子键合牢固，调试方便，能提高工作可靠性。

Description

智能功率模块的封装结构

技术领域

本发明涉及一种智能功率模块的封装结构，属于功率模块制造技术领域。

背景技术

智能功率模块（简称IPM）广泛应用于交流电机变频调速和直流电机斩波调速以及各种高性能电源，如UPS、感应加热、电焊机、有源补偿、DC-DC等以及工业电气自动化等领域，有着广阔的市场。传统智能功率半导体模块主要包括外壳、主电路板和驱动电路板，半导体芯片等各器件和多个端子焊接在覆金属陶瓷基板并构成主电路板，而焊接有集成电路芯片及各器件的印刷电路板构成驱动电路板，为减小功率模块的体积，将驱动电路板通过螺钉安装外壳上，端子需穿出外壳盖板上的端子孔和驱动电路板上的端子孔，再通过焊料将端子焊接在驱动电路板上，通过端子实现与功率半导体模块外部电路的连接以及驱动信号的输入输出。

目前功率模块上的端子大都通过焊料高温烧结在覆金属陶瓷基板的金属层上，端子包括电极端子和信号端子，在焊接过程中，高温下会使覆金属陶瓷基板的金属层与端子在焊料层处产生焊接应力，而智能功率模块的工作环境是在-40℃至125℃进行循环，因此经过一段时间工作后，最终会引起覆金属陶瓷基板的金属层与端子连接处脱落，而产生焊接疲劳现象，从而影响到整体功率器件的寿命。其次，端子采用焊料焊接在覆金属陶瓷基板的金属层上，不仅对覆金属陶瓷基板的金属层表面及端子表面要求较高，尤其覆金属陶瓷基板的金属层即铜箔与各端子的铜材之间还会存在热膨胀差别，焊接性能不高，而影响导其电性。同时焊接过程不仅需要焊料、助焊剂以及焊接时的保护性气体，不仅高温烧结焊接工序时间长，而且所产生的高温又易导致其他部位材料金属特性弱化，加之焊接过程中的焊料流淌以及阻焊油墨等因素，又会造成焊接面沾污的风险，现有的端子焊接均存在着焊接面不易控制，工艺操作复杂，焊接效率低的问题。再则，电极端子需要进行打弯工艺，但电极端子的折弯的力度和角度不易控制，使折弯工艺要求较高，一方面电极端子在折弯处还会产生裂纹，因裂纹的存在而造成局部电阻增加的问题。另一方面折弯后的多个电极端子不容易在同一高度，还会造成驱动电路板与信号端子接触不良而引起的接触电阻过大，进而造成局部过热的现象，也会影响端子连接处的牢固性。

现有驱动电路板通过螺钉旋接在在外壳顶部的螺纹孔内，会因操作不当易造成螺纹孔滑牙，尤其智能功率模块经常用于振动较大的场所，由于驱动电路板不能可靠安装在外壳上，故而引起各端子与外部电路之间的电气连接不可靠，进而影响功率半导体模块的使用寿命。另外在智能功率模块装配过程中，由于各信号端子需穿出外壳的盖板上的端子孔才能与驱动电路板焊接，盖板上的端子孔虽然能对各端子进行一定的限位，而盖板采用绝缘塑料注塑而成，因盖板产生变形而影响各端子的安装效率和装配质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构合理，体积小，端子键合牢固，调试方便，能提高工作可靠性的智能功率模块的封装结构。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种智能功率模块的封装结构，包括外壳、主电路板以及驱动电路板和多个端子，其特征在于：所述各端子呈台阶形，端子包括竖置的连接柱、设置在连接柱下部的上键合座、底部的下键合座以及位于上键合座与下键合座之间竖置的连接座，所述的外壳具有窗口，窗口四周具有环形的台阶面，各端子间隔嵌接在外壳窗口的至少两侧边，各端子的连接座设置在外壳内、下键合座固定在窗口的下台阶面处、上键合座固定在窗口的上台阶面处、连接柱穿出外壳的上端面，主电路板密封固定在外壳的底部，各端子的下键合座通过金属键合丝与主电路板键合，各端子的上键合座通过金属键合丝与设置在外壳内的驱动电路板键合，盖板扣合在外壳顶部，各端子的连接柱穿出盖板。

本发明的端子呈台阶形结构，因此能通过机械方式加工而成，能很好的控制端子的尺寸和平整度，由于多个端子是间隔嵌接在外壳的窗口至少两侧边，因此当外壳制得后，可以实现所有端子的上键合座控制在同一平面，同时所有端子的下键合座也控制在同一平面，本发明将端子固定在外壳上，尤其各端子的下键合座固定在窗口的下台阶面、上键合座固定在窗口的上台阶面上，使各端子与外壳连接部分能被包裹在外壳内，大大加强各端子连接的牢固程度，由于各端子不会晃动，能避免其晃动而造成的功率损失。本发明将主电路板密封固定在外壳底部时，由于各端子的下接合座在窗口的下台阶面处、上接合座位于窗口的上台阶面上，在通过金属键合丝将各端子的下键合座与主电路板进行键合以及将上键合座与驱动电路板键合时，通过外壳对各端子连接座的包裹，各端子的上、下键合座均不会晃动，能大幅度提高各端子键合点的牢固程度和可靠性，解决了主电路板及驱动电路板与端子接触不良而引起的接触电阻过大，进而造成局部过热的问题。本发明由于无需对端子进行折弯工艺，故能提高端子自身的强度及键合点的连接强度，在震动环境下，能最大程度减少各端子在承受机械振动、机械应力以及热应力时而作用于其键合点处，保证了智能功率模块在恶劣环境下的工作可靠性。本发明智能功率模块功率的端子采用双键合平台结构，端子与主电路板及驱动电路板都通过金属键合丝键合连接，一方面取代以往在主电路板和驱动板与端子焊接工艺，可减少端子焊接所需的面积，可以使主电路板及驱动电路板设计的更小，进一步减小智能功率模块的整体体积，另一方面将主电路板和驱动电路板通过外壳集成在一起，减少了外部连接导线，简化电路结构，调试方便简单，可使功率器件可靠导通与关断，不易受到外部干扰，进一步提高其工作可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明智能功率模块的结构示意图。

图2是图1的侧视结构示意图。

图3是本发明智能功率模块的爆炸结构示意图。

图4是本发明端子的结构示意图。

图5是本发明外壳的结构示意图。

图6是图5的A向结构示意图。

其中：1—外壳，1-1—侧座，1-2—安装孔，1-3—槽口，1-4—限位凸柱，1-5—下台阶面，1-6—上台阶面，1-7—支承台面，1-8—凸环边，1-9—支承柱，1-10—凸台，1-11—下止口，1-12—内凹槽，2—盖板，3—端子，3-1—连接柱，3-2—上键合座，3-3—连接座，3-4—下键合座，4—主电路板，5—金属键合丝，6—驱动电路板，6-1—侧限位槽。

具体实施方式

见图1-3所示，本发明的智能功率模块的封装结构，包括外壳1、主电路板4以及驱动电路板6和多个端子3，半导体芯片、电容、电阻、二极管以及各端子3均焊接在覆金属绝缘基板的金属层上以实现电路连接并构成主电路板4进行功率的变换，而驱动电路板6由印刷电路板和焊接在印刷电路板板上的电阻、电容、二极管、集成电路等构成，以此实现驱动信号的输入输出。见图4所示，本发明的各端子3呈台阶形，端子3包括竖置的连接柱3-1、设置在连接柱3-1下部的上键合座3-2、底部的下键合座3-4以及位于上键合座3-2与下键合座3-4之间竖置的连接座3-3，其连接柱3-1、上键合座3-2、连接座3-3和下键合座3-4均与外壳1固定，端子3的连接柱3-1为倒T形，本发明的端子3为电极端子和信号端子。

见图5、6所示，本发明外壳1具有窗口，窗口四周具有环形的台阶面，该台阶面为下部的下台阶面1-5、上部的上台阶面1-6，位于下台阶面1-5与上台阶面1-6之间的支承台面1-7，多个端子3间隔嵌接在外壳1窗口的至少两侧边，见图1-3以及图5、6所示，本发明的各端子3间隔嵌接在外壳1窗口的四周边，或各端子3间隔嵌接在外壳1窗口的两侧边或三侧边，且各端子3的连接座3-3设置在外壳1内、下键合座3-4固定在窗口的下台阶面1-5处、上键合座3-2固定在窗口的上台阶面1-6处、连接柱3-1穿出外壳1的上端面，主电路板4密封固定在外壳1的底部，见图6的示，外壳1在窗口的底部设有下止口1-11，主电路板4设置在窗口的下止口1-11内并与外壳1密封连接，通过密封胶将主电路板4固定在外壳1的底部，将智能功率模块安装在散热器上时，主电路板4h的覆金属绝缘基板作为散热体，由于无需采用铜底板，故能降低散热热阻，也减少了功率模块重量与体积，同时也节省了材料和降低制造成本。见图1-3所示，本发明各端子3的下键合座3-4通过金属键合丝5与主电路板4键合，各端子3的上键合座3-2通过金属键合丝5与设置在外壳1内的驱动电路板6键合，金属键合丝5可采用铝丝、铜丝或铜合金丝，或铝丝及铝合金丝以及现有金丝或银丝等，通过端子3实现与外部电源及设备的连接以及驱动信号的输入输出。见图1-3以及图5和图6所示，本发明外壳1在窗口内设有支承台面1-7和限位凸柱1-4，驱动电路板6设置在支承台面1-7上，驱动电路板6上的侧限位槽6-1与限位凸柱1-4相配，将驱动电路板6安装在外壳1内，本发明外壳1在窗口的下台阶面1-5上还设有支承柱1-9，支承柱1-9与支承台面1-7为同一平面，以此增加驱动电路板6支承在外壳1上的支承面积。发明的驱动电路板6也可直接卡接在窗口内，将驱动电路板6可靠支承在外壳1内。本发明由于各端子3均被外壳1包裹，加强了各端子3的连接牢固程度，故在通过超声波进行键合时各端子3不会晃动，提高端子3键合点的牢固程度，而避免因端子3晃动而产生的功率损失。见图1-3所示，本发明的盖板2扣合在外壳1顶部，各端子3的连接柱3-1穿出盖板2，见图5、6所示，本发明外壳1的顶面设置凸环边1-8，盖板2扣合在外壳1的凸环边1-8，各端子3则穿出盖板2，将主电路板4与驱动电路板6集成在一起外壳1内，能简化电路，便于调试。

见图1-3以及图4、5所示，本发明外壳1两侧设有带安装孔1-2的侧座1-1，可通过紧固件将外壳1安装散热器上，侧座1-1的两端设有凸台1-10，凸台1-10上部具有套管，侧座1-1上设有用于应力释放的槽口1-3，外壳1底部位于窗口的周边设有间隔的内凹槽1-12，可通过槽口1-3和内凹槽1-12可减少智能功率模块安装在散热器上时，紧固件所产生的应力对主电路板4的冲击。

Claims (8)

1.一种智能功率模块的封装结构，包括外壳（1）、主电路板（4）以及驱动电路板（6）和多个端子（3），其特征在于：所述各端子（3）呈台阶形，端子（3）包括竖置的连接柱（3-1）、设置在连接柱（3-1）下部的上键合座（3-2）、底部的下键合座（3-4）以及位于上键合座（3-2）与下键合座（3-4）之间竖置的连接座（3-3），所述的外壳（1）具有窗口，窗口四周具有环形的台阶面，各端子（3）间隔嵌接在外壳（1）窗口的至少两侧边，各端子（3）的连接座（3-3）设置在外壳（1）内、下键合座（3-4）固定在窗口的下台阶面（1-5）处、上键合座（3-2）固定在窗口的上台阶面（1-6）处、连接柱（3-1）穿出外壳（1）的上端面，主电路板（4）密封固定在外壳（1）的底部，各端子（3）的下键合座（3-4）通过金属键合丝（5）与主电路板（4）键合，各端子（3）的上键合座（3-2）通过金属键合丝（5）与设置在外壳（1）内的驱动电路板（6）键合，盖板（2）扣合在外壳（1）顶部，各端子（3）的连接柱（3-1）穿出盖板（2）。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）两侧设有带安装孔（1-2）的侧座（1-1），侧座（1-1）的两端设有凸台（1-10），凸台（1-10）上具有套管，且侧座（1-1）上设有用于应力释放的槽口（1-3）。

3.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）在窗口的底部设有下止口（1-11），安装在外壳（1）底部的主电路板（4）设置在窗口的下止口（1-11）内。

4.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）的顶面设置凸环边（1-8），盖板（2）扣合在外壳（1）的凸环边（1-8）上。

5.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）底部位于窗口的周边设有间隔的内凹槽（1-12）。

6.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）在窗口内设有支承台面（1-7）和限位凸柱（1-4），驱动电路板（6）设置在支承台面（1-7）上，且驱动电路板（6）上的侧限位槽（6-1）与限位凸柱（14）相配。

7.根据权利要求1或6所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述外壳（1）在窗口的下台阶面（1-5）上还设有支承柱（1-9），支承柱（1-9）与支承台面（1-7）为同一平面。

8.根据权利要求1所述的智能功率模块的封装结构，其特征在于：所述端子（3）的连接柱（3-1）为倒T形。

Images