CN106298688B - 封装型功率电路模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种封装型功率电路模块，该封装型功率电路模块包括：一压力板，该压力板包括若干凸出的压力柱；一框架；一基板，该基板承载功率电路，该功率电路包括至少一个功率开关器件芯片；其中，框架设置于基板与压力板之间，框架承载压力板，基板、压力板与框架构成一大致闭合空间；当压力板承受一外界压力时，压力柱抵住基板与基板绝缘接触，从而将外界压力均匀传导至基板。

Description

封装型功率电路模块
技术领域
本发明涉及功率电路，尤其涉及一种封装型功率电路模块的装配结构。
背景技术
功率电路模块是功率转换电路中较为常见的模块。这些功率电路模块通常可以实现直流/直流或交流/直流之间的转换。这些功率电路模块通常是个完整的功率电路。这种功率电路中通常至少包括一个功率开关器件芯片，通过一个控制器控制该功率开关器件芯片的开通与关断来实现电源的转换。这种功率开关器件芯片也被本领域技术人员称之为开关管。
通常而言，不同功率等级的功率电路模块其尺寸不大相同，相应的封装形式也会有所不同。一般而言，功率越大的功率电路模块其尺寸也会越大。与此同时，当此功率较大的功率电路模块应用于一系统板时，通常也需要为此功率较大的功率电路模块配备相应的散热器。
功率电路模块通常是以一种封装形式的功率电路模块应用于系统板。此类封装型的功率电路模块通常会包括：基板、封装基板的塑封壳和对基板散热的散热器。不同类型的基板其对应的封装结构可能会有少许不同。以下以基板为典型的无铜基板进行举例说明此类封装型功率电路模块结构。
基板上承载有功率开关器件芯片以及相应的控制电路，通过焊料和引线键合工艺实现基板上元器件及芯片之间的互连。对应于此基板的封装外壳包括框架、连接板、缓冲垫和压力板。该连接板与该框架连接构成一密封空间，基板置于该密封空间内。该连接板包括连接板本体、桥单元和门极信号端子；而桥单元和门极信号端子位于连接板本体的周边，当连接板与基板以及框架组装在一起时，这些桥单元以及门极信号端子引出基板上功率电路与外部系统板连接的端子。基板通过导热硅脂与散热器接触散热。为了使基板和散热器良好接触，实现传递均匀分布压力的目的，需要使用压力板、缓冲垫及桥单元三部分组件。其中，缓冲垫位于压力板与桥单元之间，压力板通过模块紧固螺钉施加压力，通过缓冲垫均匀作用于桥单元，最终通过桥单元的压力点均匀作用于基板上，从而使基板和散热器良好接触，并通过在基板与散热器的接触面上涂导热硅脂，以降低功率模块和散热器之间的热阻。另外，由于基板上的元器件和芯片易受外界环境影响，在连接板与框架构成密封空间时在其连接处需要密封材料进行密封处理。
由此可见，传统的功率较大的封装型功率电路模块的结构比较复杂，导致装配过程也比较繁杂，不利于降低封装型功率电路模块的制作成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种装配结构及装配工艺简单的封装型功率电路模块。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
本发明提供了一种封装型功率电路模块，包括：一压力板，该压力板包括若干凸出的压力柱；一框架；一基板，该基板承载功率电路，该功率电路包括至少一功率开关器件芯片；其中，框架设置于基板与压力板之间，框架承载压力板，基板、压力板与框架构成一大致闭合空间；当压力板承受一外界压力时，压力柱抵住基板，并与基板绝缘接触，而将外界压力均匀传导至基板。
在一些实施例中，压力板包括一第一弹性模量材料和一第二弹性模量材料，第一弹性模量材料的弹性模量小于第二弹性模量材料的弹性模量。
在一些实施例中，第二弹性模量材料的弹性模量大于第一弹性模量材料的弹性模量的两倍。
在一些实施例中，压力板还包括一主体，若干压力柱垂直于该主体且设置于该主体朝向基板的一侧。
在一些实施例中，主体包含第一弹性模量材料，压力柱由第二弹性模量材料制成。
在一些实施例中，压力柱包含有第一弹性模量材料。
在一些实施例中，压力柱与基板接触的端部为第一弹性模量材料制成。
在一些实施例中，封装型功率电路模块还包括一金属加强筋，金属加强筋设置于主体以增强主体的结构强度。
在一些实施例中，基板上设置有若干引脚，主体对应设置有若干引脚孔便于若干引脚通过；封装功率电路模块通过穿过主体的引脚与一外部系统电路板电性连接。
在一些实施例中，第一弹性模量材料的弹性模量小于500Mpa。
在一些实施例中，压力板为一体成型的压力板。
在一些实施例中，第一弹性模量材料和第二弹性模量材料均为热塑型性绝缘材料。
在一些实施例中，基板相对承载功率开关器件芯片的另一面连接有一散热器。
在一些实施例中，框架的一端与压力板连接，框架的另一端与散热器连接。
在一些实施例中，框架包括支撑部和限位部，支撑部支撑压力板且包围基板，限位部限制基板的移动。
在一些实施例中，限位部垂直于支撑部，且限位部卡位于基板承载有功率开关器件芯片的一面。
在一些实施例中，压力板与框架为一体成型。
在一些实施例中，封装型功率电路模块还包括紧固件，紧固件连接压力板与散热器。
在一些实施例中，功率电路的功率大于和等于50千瓦。
在一些实施例中，大致闭合空间内填充有密封胶覆盖基板上的功率开关器件芯片。
本发明提供的封装型功率电路模块，利用对压力板作用压力，通过压力板内部不同弹性模量材料的缓冲变形，使通过压力板的压力柱传递到基板上的压力更均匀分布，减小基板集中受力受损的风险，简化了封装型功率电路模块的装配过程，提高了装配效率，降低了封装型功率电路模块的结构成本。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1A和图1B为本发明一个实施例的封装型功率电路模块的结构图。
图2A-图2C为本发明实施例的封装型功率电路模块与散热器的装配示意图。
图3A-图3F为发明实施例的封装型功率电路模块中的压力板的多种结构图。
图4为本发明实施例的封装型功率电路模块中的压力板对基板的施压方式示意图。
图5为本发明另一个实施例的封装型功率电路模块的结构图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
图1A和图1B为本发明一个实施例的封装型功率电路模块的结构图。如图1A所示，本发明一个实施例的封装型功率电路模块1包括：基板10、压力板11、框架12及功率开关器件芯片13。
其中，在基板10包括相对且平行的第一表面和第二表面，第一表面上形成有电路图形，承载封装型功率电路模块1中的功率电路。封装型功率电路模块1一般适用于功率高于和等于50千瓦的功率电路，但本发明不以此为限。该功率电路包括至少一个功率开关器件芯片13。功率开关器件芯片13可通过焊料等材料固定于基板10的第一表面上，其上表面的表面电极和基板10第一表面上的电路图形可通过导电材料(如焊线、铜片)等实现封装型功率电路模块1内部的电连接，再通过焊接或导电胶粘接等工艺将引脚(terminal)14固定并电连接到基板10的第一表面，实现封装型功率电路模块1与外部的电连接。此外，功率开关器件芯片13还可通过倒装芯片(flip chip)等方式与基板10电连接，本发明不以此为限。
基板10例如可以为直接敷铜(Direct Bonding Copper，DBC)基板、直接敷铝(Direct Bonding Aluminum，DBA)基板、低温共烧陶瓷(Low-Temperature Co-firedCeramic，LTCC)基板、直接电镀铜(Direct Plated Copper，DPC)基板、金属绝缘(InsulateMetal Substrate，IMS)基板及印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)等，但本发明不限于此。
压力板11至少包括两种不同弹性模量的材料：弹性模量较低的第一弹性模量材料和弹性模量较高的第二弹性模量材料。压力板11包括：主体(main body)110和至少一个凸起的压力柱(protrusion body)111，主体110为大致与基板10平行的平板，压力柱111垂直于主体110且设置于主体110朝向基板10的一侧，均呈竖直结构，主体110与压力柱111可以为一体成型结构。其中，压力柱111直接绝缘接触基板10的第一表面，以将作用于主体110的压力通过压力柱111更均匀地传递到基板10上。此外，主体110上设置有对应于引脚14的引脚孔141，以便于引脚14穿过压力板11。压力板11的生产可采用双色或多色注塑成型工艺，采用双色注塑机或多色注塑机来实现批量生产。
框架12位于基板10与压力板11之间，承载压力板11，起到对压力板11限位及结构支撑的作用，合理分配压力板11的部分压力的传递，此外还可以起到控制封装型功率电路模块1高度一致性的作用。在一些实施例中，如图1A所示，以基板10一侧的框架12为例说明，框架12具有支撑部121和限位部122。支撑部121支撑压力板11且包围基板10。限位部122垂直于支撑部121，且卡位于基板10的第一表面上，以限制基板10的移动。此外，框架12和主体110、及基板10形成闭合空间。由于功率开关器件芯片13容易受湿气、离子、粉尘等的影响，可在框架12和主体110形成的大致闭合空间中，全部或部分地填充密封材料(Encapsulation)15对其进行保护，同时密封材料15还将压力柱111包覆于其中。压力板11的主体部分110上可以开有灌胶孔(图中未示意出，以便密封材料15灌入图1A所示的大致闭合空间。
然而在图1B所示实施例中，框架12中的支撑部121并不与压力板11接触，而是间隔有若干距离。压力板11可以通过其压力柱111进行支撑，框架12也可通过框架12的限位部122予以支撑。那么，在此压力板11与框架12不直接接触的情况下，压力板11与框架12的组合可以通过组合件，例如螺钉和螺孔的方式组合，最终压力板11、框架12和基板10构成一个并非完全闭合的空间。
图2A-图2C为本发明实施例的封装型功率电路模块1与散热器3的装配示意图。基板10相对承载功率开关器件芯片13另一面连接有散热器3。框架12的一端与压力板11连接，其另一端与散热器3连接。作用到压力板11上的压力可由紧固封装型功率电路模块1的紧固件4(例如螺钉)的预紧力提供，如图2A所示，紧固件4穿过框架12的本体，以将封装型功率电路模块1与散热器3固定。当紧固件4为螺钉时，框架12的本体内部具有与紧固件4匹配的螺纹结构。如图2B所示，紧固件4位于框架12的外侧，穿过压力板11后与散热器3固定。
图2C示意了框架12与压力板11不直接接触的情况下，压力板11与框架12的一种组装方式。同图1B所示实施例，框架12中的支撑部121并不与压力板11接触，而是间隔有若干距离。压力板11可以通过压力柱111进行支撑，框架12可以通过框架12的限位部122予以支撑。紧固件4穿过框架12的本体，以将封装型功率电路模块1与散热器3固定。
本发明提供的封装型功率电路模块，利用对压力板作用压力，主要通过压力板内部弹性模量较低的第一弹性材料的缓冲变形，使通过压力板的压力柱传递到基板上的压力更均匀分布，减小基板集中受力受损的风险，提高设计可靠性，降低了封装型功率电路模块的结构成本，简化了封装型功率电路模块的装配过程。
如以上实施例所提及，为了使压力板11在承受压力时能够起到缓冲压力的作用，压力板11包括了第一弹性模量材料，第一弹性模量材料为低弹性模量材料(material withlow elastic modulus)。采用低弹性模量材料的目的主要是因为低弹性模量材料具有较大的缓冲作用，在压力板11承受压力时，压力板11沿压力方向的变形较大，利用第一弹性模量材料的变形而一定程度较好地缓解压力板所承受的压力，并将所承受之压力均匀施加在基板10上，减小基板10集中受力受损的风险。通过压力板将外界受力均匀转化至基板，也利于提高基板10与散热器3之间的贴合度，从而利于降低封装型功率电路模块1的热阻。低弹性模量材料，根据压力、基板10受力面积和压力板11变形大小的需求，可选择弹性模量值小于500Mpa的材料。低弹性模量材料例如包括：热塑性橡胶(Thermoplastic Rubber，TPR)、热塑性弹性体(Thermoplastic Elastomer，TPE)等，其中优选弹性模量为200Mpa左右的TPE材料。
此外，压力板11至少还包括一种第二弹性模量材料，第二弹性模量材料为常规结构材料(normal structural material)，例如聚碳酸酯、尼龙、聚丙烯等非金属材料，或者铝、铜、钢、不锈钢等金属和金属合金材料。此外，为了利于压力板11的制作和成型，第二弹性模量材料也可以为热塑性绝缘材料。第二弹性模量材料利于提高压力板11的强度，以缓解压力板11中第一弹性模量的变形导致压力板11变形过于严重，使得整个压力板11受力时产生的弹性形变控制在预期设计的范围内。在此实施例的应用中，较好的会让第二弹性模量材料的弹性模量大于等于两倍的第一弹性模量材料的弹性模量。
图3A-图3F为本发明封装型功率电路模块中的压力板的多种实施例的结构图。如图3A所示的压力板的实施例中，主体110包括上、下两部分1101和1102，其中下部1102的材料采用第一弹性模量材料，从而使主体110起到压力缓冲的作用。当然在其他压力板的实施例中，压力板的主体的其他部分也可为第一弹性模量制作，例如中间或上部。也可如图3B所示的压力板的实施例，压力柱111整体均为第一弹性模量材料，以使直接与基板10接触的压力柱111起到压力缓冲的作用。还可如图3C所示的压力板的实施例，仅压力柱111的顶端1111，即与基板10接触的部分为第一弹性模量材料，以使压力柱111的顶端1111起到压力缓冲的作用。当然在其他的实施例中，压力板中的压力柱与压力板的主体连接的一端为第一弹性模量制作。也可以将以上所例举的压力板的实施例进行组合，例如如图3D所示，主体110的中间部分1103的材料为第一弹性模量材料制作，同时压力柱111的顶端1111的材料也为第一弹性模量材料制作，使得主体110和压力柱111的顶端1111各起到缓冲变形的作用。
为进一步增加主体的强度，还可在压力板中增设加强筋。加强筋较佳地可以采用金属材质进行制作，当然也可以采用其他材料制作并不限制于金属材料。增设加强筋的一实施例如图3E所示压力板中主体110中增加金属加强筋(reinforcing rib)1105，由于压力板11的厚度有限且金属加强筋1105的厚度如果太薄不能起到加强左右，因此金属加强筋1105的厚度选择1mm～2mm左右，在该实施例中，主体110起到缓冲压力的作用。此外，对于金属材质的金属加强筋除了起到增加结构强度的作用外，还可起到封装型功率电路模块屏蔽层的作用。增设加强筋的另一具体实施例还可如图3F所示，在主体110的上部1101的中间加入金属加强筋1105，主体110的下部1102为第一弹性模量材料制作，以使主体110具有一定强度的同时起到缓冲压力的作用。上述给出的各种结构仅为示例说明，但本发明不限于此，任何可使得压力板能够起到缓冲压力作用的结构及材料使用，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
图4为本发明另一实施例的封装型功率电路模块的示意图。如图4所示的实施例中，压力板11的压力柱111有的会直接对基板10的表面接触，然而也有的压力柱会和基板10上的功率开关器件芯片13绝缘接触或者其他类型的芯片接触。为了避免在功率开关器件芯片13边缘或者其他类型芯片的边缘产生应力集中的问题，压力柱111与功率开关器件芯片13边缘或者其他类型芯片的边缘之间的距离D1或D2需大于0.5mm。实则，在实际的压力柱的位置的排放的设计中，在保证压力柱能尽量均匀分布的前提下，尽量不要直接接触基板上的芯片。但是在没有办法改变基板上芯片位置排放的前提下，也可以让少数压力柱直接与基板上的芯片表面直接接触。
继续参考图4，以压力板11的主体110采用第二弹性模量材料及压力柱111采用第一弹性模量材料为例，说明第一弹性模块材料厚度的计算。在图4所示的实施例中，即计算压力柱111的高度。
当对压力板11施加压力时，第一弹性模量材料的厚度由使变形基板表面平整所需的压力、第一弹性模量材料的弹性模量和框架12限位等因素所确定。根据上文的分析，第一弹性模量材料的弹性模量远低于第二弹性模量材料的弹性模量，因此，可以近似认为所有的弹性变形均发生在第一弹性模量材料上，此时压力柱111的高度可以通过如下公式进行设计：
H＝A*E*△H/F
其中，F为压力板11作用到变形基板10使其表面平整的压力，单位为N；
A为压力柱111压力方向横截面面积，单位为m2；
E为第一弹性模量材料的弹性模量，单位为Pa；
△H为第一弹性模量材料的弹性变形高度，单位为m；
H为压力柱111的高度，即如图4所示的H1或H2，单位为m。
在如图4所示的实施例中，第一弹性模量材料因为完全使用在压力柱111中，因此可以通过上述公式计算第一弹性模量材料的厚度，即压力柱111的高度。而在例如图3A、3C-3F所示的其他实施例中，第一弹性模量材料的厚度，在保证第一弹性模量材料的弹性变形高度△H至少大于基板10在装配状态下的初始翘曲值(通常在50um-1mm之间)的前提下，可以通过模拟或者实验得出。
例如，为了保证第一弹性模量材料能够充分吸收由于工艺制程中的各类公差，第一弹性模量材料的厚度H通常被设置成第一弹性模量材料的弹性变形高度△H的2倍或以上。如在此实施例中，第一弹性模量材料的弹性变形高度至少要大于等于基板的初始翘曲值在0.3mm时，对应的第一弹性模量的厚度H以0.6mm以上为宜，优选范围为1mm-2mm。此外，H的高度还受压力板作用到变形基板使其表面平整的压力F值影响，F值由基板所需要承受的压应力决定。典型条件下，在封装型功率电路模块1的基板10和散热器3之间需要设置一层热界面材料(Thermal Interface Material，TIM)以降低其界面热阻，而TIM材料的导热能力和所承受的压应力相关，压应力较大时导热能力亦越好，一般压应力的水平取5PSI-40PSI之间，该压应力水平和基板面积的乘积定义了F值。因此，在充分吸收基板初始变形的基础上，H值还需要叠加该提供F力的高度，以封装型功率电路模块高度为30mm为例，该叠加高度在1mm-4mm左右。综合上面描述，高度H值的优选范围在2mm-6mm之间。出于控制封装型功率电路模块高度一致性的考虑，通常还可以在压力板和散热器之间通过刚性外壳形成一距离控制单元(图中未示出)，以调节模块高度的一致性。
图5为本发明另一个实施例的封装型功率电路模块的结构图。在图1所示的封装型功率电路模块1中，压力板11和框架12分别为独立的组件，通过装配后共同形成一壳体。与图1所示的封装型功率电路模块1不同的是，在图5所示的实施例中，封装型功率电路模块2中的压力板21和框架22为一体成型结构，可采用双色或多色注塑成型工艺生产。采用一体成型结构而构成一壳体时，由于其在紧固件预紧力作用下，压力板21高度压缩变形，框架22也需要承受压缩变形。为避免框架22压缩变形影响其和基板20形成的封闭腔体，除了在压力板21中增加第一弹性模量材料外(图5中以压力柱211采用第一弹性模量材料为例)，也可以在框架22中增加第一弹性模量材料，如图5所示在限位部222及部分地支撑部221中增加第一弹性模量材料，以缓冲压缩变形。
本发明提供的封装型功率电路模块，利用对压力板作用压力，通过压力板内部不同弹性模量材料的缓冲变形，使通过压力板的压力柱传递到基板上的压力更均匀分布，减小基板集中受力受损的风险，简化了封装型功率电路模块的装配过程，提高了装配效率，降低了封装型功率电路模块的结构成本。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求范围内的各种修改和等效置换。

Claims (19)

1.一种封装型功率电路模块，其特征在于，包括：
一压力板，所述压力板包括若干凸出的压力柱；其中，所述压力板包括一第一弹性模量材料和一第二弹性模量材料，所述第一弹性模量材料的弹性模量小于所述第二弹性模量材料的弹性模量；
一框架；
一基板，所述基板承载所述功率电路，所述功率电路包括至少一功率开关器件芯片；
其中，所述框架设置于所述基板与所述压力板之间，所述框架承载所述压力板，所述基板、所述压力板与所述框架构成一大致闭合空间；
当所述压力板承受一外界压力时，所述压力柱抵住所述基板，并与所述基板绝缘接触，而将所述外界压力均匀传导至所述基板。
2.根据权利要求1所述封装型功率电路模块，所述第二弹性模量材料的弹性模量大于所述第一弹性模量材料的弹性模量的两倍。
3.根据权利要求1所述封装型功率电路模块，所述压力板还包括一主体，所述若干压力柱垂直于所述主体且设置于所述主体朝向所述基板的一侧。
4.根据权利要求3所述封装型功率电路模块，所述主体包含所述第一弹性模量材料，所述压力柱由所述第二弹性模量材料制成。
5.根据权利要求3所述的封装型功率电路模块，所述压力柱包含有所述第一弹性模量材料。
6.根据权利要求5所述的封装型功率电路模块，所述压力柱与所述基板接触的端部为第一弹性模量材料制成。
7.根据权利要求3所述封装型功率电路模块，还包括一金属加强筋，所述金属加强筋设置于所述主体以增强所述主体的结构强度。
8.根据权利要求3所述封装型功率电路模块，所述基板上设置有若干引脚，所述主体对应设置有若干引脚孔便于所述若干引脚通过；所述封装功率电路模块通过穿过所述主体的引脚与一外部系统电路板电性连接。
9.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，所述第一弹性模量材料的弹性模量小于500Mpa。
10.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，所述压力板为一体成型的压力板。
11.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，所述第一弹性模量材料和所述第二弹性模量材料均为热塑性绝缘材料。
12.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，所述基板相对承载所述功率开关器件芯片的另一面连接有一散热器。
13.根据权利要求12所 述的封装型功率电路模块，所述框架的一端与所述压力板连接，所述框架的另一端与所述散热器连接。
14.根据权利要求13所述的封装型功率电路模块，所述框架包括支撑部和限位部，所述支撑部支撑所述压力板且包围所述基板，所述限位部限制所述基板的移动。
15.根据权利要求14所述的封装型功率电路模块，其中所述限位部垂直于所述支撑部，且所述限位部卡位于所述基板承载有所述功率开关器件芯片的一面。
16.根据权利要求13所述的封装型功率电路模块，其中所述压力板与所述框架为一体成型。
17.根据权利要求13所述的封装型功率电路模块，还包括紧固件，所述紧固件连接所述压力板与所述散热器。
18.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，其中所述功率电路的功率大于和等于50千瓦。
19.根据权利要求1所述的封装型功率电路模块，其中所述大致闭合空间内填充有密封胶覆盖所述基板上的功率开关器件芯片。
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