CN105448851B - 无底板均压式功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无底板均压式功率模块，覆金属陶瓷基板上均布有多个用于支承弹簧的顶块，盖板连接在外壳上，盖板内嵌接有加强板，加强板上设有穿出盖板对弹簧进行限位的多个上凸柱，或盖板底部设有多个对弹簧进行限位的上凹槽，多个弹簧设置在盖板上对应的上凸柱或上凹槽内并压接在对应的顶块上，功率端子为内孔设有螺纹的圆柱体，功率端子的外周设有至少一个限位块，各功率端子设置在盖板对应的功率端子孔内，功率端子上的限位块设置在盖板的限位槽内，控制端子穿过盖板上的控制端子孔伸出盖板外部。本发明盖板通过弹簧向覆金属陶瓷基板施加弹性压力，消除因覆金属陶瓷基板热胀冷缩而与散热器产生的间隙，保证功率模块工作时的正常散热。

Description

无底板均压式功率模块

技术领域

本发明涉及一种无底板均压式功率模块，属于功率模块制造技术领域。

背景技术

功率半导模块用于逆变焊机、各种开关电源的控制器以及电动汽车控制器等，其主要作用是将输入的直流电转变为三相交流电输出。而功率半导体模块，是一个或多个驱动单元与一个或多个功率模块组成三相电路工作。

功率模块包括铜板、覆金属陶瓷基板、半导体芯片、器件以及功率端子、控制端子和外壳，而半导体芯片、器件以及功率端子和控制端子焊接在覆金属陶瓷基板上并形成主电路，将硅凝胶层注在外壳内，功率端子穿出外壳上的盖板上的功率端子孔，将功率端子打弯后卡在外壳的螺母座上。为减少功率模块的体积，针对无铜低板功率模块是直接采用覆金属陶瓷基板(DBC)作为功率模块的底板，以主要起导热和电气隔绝的作用。但由于覆金属陶瓷基板是固定在散热器上，覆金属陶瓷基板会因热胀冷缩，容易与散热器产生间隙，影响功率模块的散热，继而会影响器件的散热，导致半导体芯片过热烧毁，影响功率模块的使用寿命及工作可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种无底板均压式功率模块，盖板通过均匀布设的弹簧向覆金属陶瓷基板施加弹性压力，消除因覆金属陶瓷基板热胀冷缩而与散热器产生的间隙，保证功率模块工作时的正常散热。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种无底板均压式功率模块，包括外壳，焊接在覆金属陶瓷基板上的半导体芯片以及功率端子和控制端子构成的电路，其特征在于：所述的覆金属陶瓷基板上均布有多个用于支承弹簧的顶块，覆金属陶瓷基板连接在外壳的底部，外壳内注有软的硅凝胶层，具有功率端子孔和控制端子孔的盖板连接在外壳上，所述的盖板内嵌接有加强板，加强板上设有用于功率端子穿过的第一通孔、用于控制端子穿过的第二通孔，加强板上设有穿出盖板对弹簧进行限位的多个上凸柱，或盖板底部设有多个对弹簧进行限位的上凹槽，多个弹簧设置在盖板上对应的上凸柱或上凹槽内并压接在对应的顶块上，所述功率端子为内孔设有螺纹的圆柱体，且功率端子的外周设有至少一个限位块，各功率端子穿出加强板上对应的第一通孔并设置在盖板对应的功率端子孔内，功率端子上的限位块设置在盖板的限位槽内，所述的控制端子穿过加强板上的第二通孔及盖板上的控制端子孔伸出盖板外部。

其中：所述的顶块上设有对弹簧进行限位的下凸柱或下凹槽，弹簧套装在下凸柱上或设置在下凹槽内。

所述盖板上在功率端子孔下部设有向下延伸的用于套在功率端子上的套筒，且套筒的筒壁上设有与限位槽相通的通槽。

所述功率端子的外周对称设有至少两个限位块，盖板上各功率端子孔设有对应的至少两个限位槽和至少两个通槽。

所述限位块高度与功率端子的高度相同，且限位块的截面为矩形或V形。

本发明在覆金属陶瓷基板上均布有多个用于支承弹簧的顶块，可将多个弹性支承各自顶块及盖板上，通过盖板给弹簧一个预压力，促使弹簧顶在覆金属陶瓷基板上，使覆金属陶瓷基板贴合在散热器上，尤其本发明采用多个弹簧均布设置在盖板与覆金属陶瓷基板之间，能将弹性支承力均匀作用在覆金属陶瓷基板上，以消除功率模块在工作时，因覆金属陶瓷基板热胀冷缩而与散热器产生的间隙，保证半导体芯片工作时的正常散热。本发明盖板内嵌接有加强板，能提高盖板的强度，消除盖板压接在弹簧上时对盖板产生形变的影响。本发明在加强板上设有对弹簧进行限位的上凸柱，或盖板上设有多个对弹簧进行限位的上凹槽，多个弹簧设置在盖板上对应的上凸柱或上凹槽内并压接在对应的顶块上，在各弹簧的弹力压接在覆金属陶瓷基板上时，还能通过弹簧吸收外部的振动而进行缓冲，始终保持覆金属陶瓷基板与散热器的紧密连接，加之本发明在顶块也上设有对弹簧进行限位的下凸柱或下凹槽，方便各弹簧的安装。本发明功率端子上设有限位块，而盖板上设有对应的限位槽内，因此通过盖板上的限位槽对功率端子上的限位块进行限位和导向，减少在安装过程中功率端子与覆金属陶瓷基板焊接处所产生应力。本发明的功率端子采用内孔设有螺纹的圆柱体，由于功率端子没有弯折结构，因此使功率模块具有较低的电感，而能降低功率模块的寄生电感，而能进一步提高功率模块的功率密度及工作可靠性。本发明采用圆柱体的功率端子，因此能将功率模块高度控制的很低，加之功率模块不设有铜底板，能有效的降低功率模块的总高度及封装体积，实现功率模块的小型化。

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是本发明无底板均压式功率模块的结构示意图。

图2是本发明无底板均压式功率模块的爆炸结构示意图。

图3是本发明无底板均压式功率模块的剖视结构示意图。

图4是本发明加强板的结构示意图。

图5是本发明盖板的结构示意图。

图6是本发明盖板安装有功率端子后的结构示意图。

图7是本发明功率端子的结构示意图。

其中：1—盖板，1-1—功率端子孔，1-2—限位槽，1-3—控制端子孔，1-4—安装孔，1-5—套筒，1-6—通槽，2—功率端子，2-1—限位块，3—控制端子，4—外壳，5—T形衬套，6—加强板，6-1—第一通孔，6-2—上凸柱，6-3—第二通孔，7—弹簧，8—顶块，8-1—下凸柱，9—覆金属陶瓷基板，10—半导体芯片，11—硅凝胶层。

具体实施方式

见图1～3所示，本发明无底板均压式功率模块，包括外壳4及焊接在覆金属陶瓷基板9上的半导体芯片10以及功率端子2和控制端子3构成的电路，可将半导体芯片10以及功率端子2和控制端子3一次性焊接在覆金属陶瓷基板9上，该电路是本领域常规的半导体芯片10及器件连接在覆金属陶瓷基板9上构成半桥电路、斩波电路、H桥电路或全桥电路，能满足功率模块的不同功能要求。本发明可将覆金属陶瓷基板直接固定散热器上，由于覆金属陶瓷基板9下部不设有铜底板，因此功率模块具有较低的热阻，能降低功率模块输出功率的损耗，提高功率模块的稳定性和可靠性。

见图1～6所示，本发明覆金属陶瓷基板9上均布有多个用于支承弹簧7的顶块8，可将顶块8焊接在覆金属陶瓷基板9上，本发明各顶块8上设有对弹簧7进行限位的下凸柱8-1或下下凹槽，将多个弹簧7套装在对应的下凸柱8-1上或下凹槽内，在盖板1刀安装在外壳4时时通过盖板1压接在弹簧7上，而弹簧7的弹性力作用于顶块8上，继而作用在覆金属陶瓷基板9上，由于顶块8是均布在覆金属陶瓷基板9上，而弹簧7自身的特性而作用于覆金属陶瓷基板9上，始终保持覆金属陶瓷基板9与散热器紧密连接。

见图1～6所示，本发明覆金属陶瓷基板9连接在外壳4底部，外壳4内注有软的硅凝胶层11，一方面通过硅凝胶层11将覆金属陶瓷基板9连接在外壳4上，另一方面通过硅凝胶层11的半导体芯片10及键合连接的铝丝进行保护，具有功率端子孔1-1和控制端子孔1-3的盖板1连接在外壳4上，本发明可通过设置在盖板1四角安装孔1-4内的T形衬套5与外壳4上的固定套固定连接，将盖板1连接在外壳4上，并通过盖板1给弹簧7提供预压力。

见图2～6所示，本发明盖板1内嵌接有加强板6，该加强板6可采用金属材料或高强度的材料制成的板，可通过注塑的方式将加强板6镶嵌在盖板1中，以增加盖板1的强度，且不会大幅度提高制作成本，解决盖板1提供给弹簧7预压力而造成盖板1变形的问题。见图4所示，本发明加强板6上设有用于功率端子2穿过的第一通孔6-1和用于控制端子3穿过的第二通孔6-3，且加强板6上还设有穿出盖板1对弹簧7进行限位的上凸柱6-2，本发明还可在盖板1上设有多个对弹簧7进行限位的上凹槽，多个弹簧7设置在盖板1各自对应的上凸柱6-2或上凹槽内并压接在对应的顶块8上，多个弹簧7的弹力通过各顶块8作用于覆金属陶瓷基板9上，将覆金属陶瓷基板9顶在散热器上而能保持紧密贴合，能消除功率模块在工作时，覆金属陶瓷基板9因热胀冷缩与散热器产生的间隙，保证功率模块上的半导体芯片工作时的正常散热。

见图5～7所示，本发明功率端子2为内孔设有螺纹的圆柱体，可采用内孔设有螺纹的铜套，方便将引出端通过紧固件安装在功率端子2上。见图7所示，本发明功率端子2外周设有至少一个限位块2-1，功率端子2穿出加强板6上的第一通孔6-1并设置在盖板1上对应的功率端子孔1-1内，功率端子2上的限位块2-1设置在盖板1的限位槽1-2内，通过限位槽削除装拆引导件过程中，产生在功率端子2与覆金属陶瓷基板9焊接处的应力，控制端子3穿过加强板6上的第二通孔6-3及盖板1上的控制端子孔1-3伸出盖板1外部，通过控制端子3与其它电路连接，输入各控制信号。

见图5、7所示，本发明的盖板1上在功率端子孔1-1下部设有向下延伸的用于套在功率端子2上的套筒1-5，且套筒1-5的筒壁上设有与限位槽1-2相通的通槽1-6，在不增加功率模块高度的前提下，当盖板1这安装在外壳4上时，通过盖板1上的限位槽1-2及通槽1-6对功率端子2上的限位块2-1进行限位，以增加对功率端子2进行限位的长度。见图1、5～7所示，本发明的功率端子2的外周对称设有至少两个限位块2-1，盖板1上各功率端子孔1-1设有对应的至少两个限位槽1-2和至少两个通槽1-6，本发明限位块2-1高度与功率端子2的高度相同，也可小于功率端子2的高度，功率端子2上且限位块2-1的截面为矩形或V形或凸弧形，盖板1上的限位槽1-2以及套筒1-5上的通槽1-6形状与限位块2-1的形状对应。

Claims (5)

1.一种无底板均压式功率模块，包括外壳(4)，焊接在覆金属陶瓷基板(9)上的半导体芯片(10)以及功率端子(2)和控制端子(3)构成的电路，其特征在于：所述的覆金属陶瓷基板(9)上均布有多个用于支承弹簧(7)的顶块(8)，覆金属陶瓷基板(9)连接在外壳(4)的底部，外壳(4)内注有软的硅凝胶层(11)，具有功率端子孔(1-1)和控制端子孔(1-3)的盖板(1)连接在外壳(4)上，所述的盖板(1)内嵌接有加强板(6)，加强板(6)上设有用于功率端子(2)穿过的第一通孔(6-1)、用于控制端子(3)穿过的第二通孔(6-3)，加强板(6)上设有穿出盖板(1)对弹簧(7)进行限位的多个上凸柱(6-2)，或盖板(1)底部设有多个对弹簧(7)进行限位的上凹槽，多个弹簧(7)设置在盖板(1)上对应的上凸柱(6-2)或上凹槽内并压接在对应的顶块(8)上，所述功率端子(2)为内孔设有螺纹的圆柱体，且功率端子(2)的外周设有至少一个限位块(2-1)，各功率端子(2)穿出加强板(6)上对应的第一通孔(6-1)并设置在盖板(1)对应的功率端子孔(1-1)内，功率端子(2)上的限位块(2-1)设置在盖板(1)的限位槽(1-2)内，所述的控制端子(3)穿过加强板(6)上的第二通孔(6-3)及盖板(1)上的控制端子孔(1-3)伸出盖板(1)外部。

2.根据权利要求1所述的无底板均压式功率模块，其特征在于：所述的顶块(8)上设有对弹簧(7)进行限位的下凸柱(8-1)或下凹槽，弹簧(7)套装在下凸柱(8-1)上或设置在下凹槽内。

3.根据权利要求1所述的无底板均压式功率模块，其特征在于：所述盖板(1)上在功率端子孔(1-1)下部设有向下延伸的用于套在功率端子(2)上的套筒(1-5)，且套筒(1-5)的筒壁上设有与限位槽(1-2)相通的通槽(1-6)。

4.根据权利要求1或3所述的无底板均压式功率模块，其特征在于：所述功率端子(2)的外周对称设有至少两个限位块(2-1)，盖板(1)上各功率端子孔(1-1)设有对应的至少两个限位槽(1-2)和至少两个通槽(1-6)。

5.根据权利要求1所述的无底板均压式功率模块，其特征在于：所述限位块(2-1)高度与功率端子(2)的高度相同，且限位块(2-1)的截面为矩形或V形。