CN109195307A - 半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备 - Google Patents

半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备，所述半导体元件装配工艺包括：将多个经过剪脚成型的半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板；在散热器的安装面上设置导热绝缘层，并通过绝缘压条将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件压接固定在所述导热绝缘层表面，所述绝缘压条以机械方式固定到所述散热器。本发明通过调整半导体元件的安装顺序，可大大提高生产效率。

Description

半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备
技术领域
本发明涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，特别是电子器件的体积越来越小，电子器件的固定与散热问题也日益突出。目前变频器使用的TO-247晶体管(以下简称晶体管)，其工作时发热量较大，为避免晶体管过热损坏，需与散热器连接以快速散热，从而延长使用寿命。
现有晶体管与散热器的组装方式主要包括以下几种：
(1)用螺钉直接通过晶体管上的孔压接在散热器上，晶体管与散热器之间用矽胶垫进行绝缘隔离。多个晶体管安装时，每一晶体管需分别图上散热硅脂，安装过程繁琐。
(2)用单个塑胶盖压合，再用螺钉将塑胶盖压合在散热器上。此方式虽然能满足安全绝缘要求，但同样存在需分别安装每一晶体管的问题。
此外，上述晶体管组装时，需先将晶体管剪脚成型，再将晶体管与散热器通过晶体盖、压条等组装固定，最后将晶体管的管脚插入印制电路板进行手工焊接。在晶体管较多时，固定在散热器上的晶体管的管脚在插接到印制电路板时操作困难；手工焊接效率较低，且存在锡渣等不良问题，且需要手工补漆；整体自动化程度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述晶体管组装效率低、自动化程度不高的问题，提供一种半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种半导体元件装配工艺，包括：
将多个经过剪脚成型的半导体元件的引脚分别焊接固定在所述印制电路板上；
在散热器的安装面上设置导热绝缘层，并通过绝缘压条将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件压接固定在所述导热绝缘层表面，所述绝缘压条以机械方式固定到所述散热器。
在本发明所述的半导体元件装配工艺中，在将所述多个半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板上之前，包括：
将绝缘压条置于印制电路板上，并将所述多个经过剪脚成型的半导体元件分别插接到印制电路板，且所述绝缘压条位于所述半导体元件的主体与所述印制电路板之间。
在本发明所述的半导体元件装配工艺中，所述将所述半导体元件的引脚焊接固定在所述印制电路板包括：通过自动焊接设备将所述半导体元件的引脚焊接固定在所述印制电路板。
本发明还提供一种功率模块，所述功率模块包括散热器和多个半导体元件，且所述功率模块通过如上所述的半导体元件装配工艺组装而成。
在本发明所述的功率模块中，所述经过剪脚成型的半导体元件的管脚弯折成预设角度；所述多个半导体元件以上表面贴于所述绝缘压条下表面的方式插接到所述印制电路板，且所述半导体元件的管脚的弯折处突伸到所述绝缘压条的外侧。
在本发明所述的功率模块中，所述绝缘压条的顶面朝向所述印制电路板的内侧表面；所述绝缘压条的底面具有多个间隔设置的弹性凸部，且在所述绝缘压条固定到所述散热器时，每一所述半导体元件至少通过一个所述弹性凸部压接固定在所述导热绝缘层。
在本发明所述的功率模块中，所述绝缘压条的底面具有多个安装槽；所述安装槽的形状和尺寸与所述半导体元件的形状和尺寸匹配，且每一所述安装槽内具有至少一个所述凸部。
在本发明所述的功率模块中，所述绝缘压条上具有多个安装孔，所述散热器的安装面具有多个内螺纹孔，且所述安装孔、内螺纹孔的位置对应；所述绝缘压条通过螺钉固定在所述散热器上，且所述螺钉穿过所述安装孔并螺纹连接到所述内螺纹孔。
在本发明所述的功率模块中，所述印制电路板上具有多个操作窗，且所述操作窗的位置与绝缘压条上的安装孔的位置对应。
在本发明所述的功率模块中，所述绝缘压条上的安装槽排列成一行，且每一安装槽的中央具有一个所述弹性凸部。
在本发明所述的功率模块中，所述焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件排列成两行，且每一行半导体元件通过一个所述绝缘压条压接固定。
本发明还提供一种电力电子设备，包括如上所述的功率模块。
本发明的半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备，通过调整半导体元件的安装顺序，可大大提高生产效率。本发明还可提高自动化水平和生产质量，降低制造成本。
附图说明
图1是本发明半导体元件装配工艺第一实施例的流程示意图；
图2是本发明半导体元件装配工艺第二实施例的流程示意图；
图3是本发明功率模块实施例的示意图；
图4是本发明功率模块中绝缘压条实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明半导体元件装配工艺第一实施例的流程示意图，其可用于将半导体元件装配到散热器，以通过散热器对半导体元件进行散热，避免半导体元件过热损坏。本实施例中的半导体元件装配工艺包括：
步骤S11：将多个经过剪脚成型的半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)。
上述半导体元件可以为TO-247封装的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)或其他类似的晶体管，其可实现开关功能，且在工作时发热量较大。
步骤S12：在散热器的安装面上设置导热绝缘层，并通过绝缘压条将焊接固定在印制电路板的多个半导体元件压接固定在导热绝缘层的表面，上述绝缘压条以机械方式(例如螺钉等)固定到散热器。这样，绝缘压条在实现半导体元件固定的同时，还可实现印制电路板与半导体元件之间的电气隔离，减小功率模块的尺寸。
上述绝缘压条具体可由树脂材料加工而成，其本身具有较好的绝缘性能，并具有一定的弹性。该绝缘压条在插接半导体元件时还可作为抬高治具，以确保各个半导体元件基本位于同一平面内。
具体地，上述散热器包括基板，该基板的上表面为安装面，且基板的安装面的背面具有散热翅片。当然，在具体应用中，上述散热器也可以为水冷散热器。导热绝缘层可由导热绝缘膜构成，其覆盖在散热器基板的整个安装面(至少覆盖半导体元件的固定处)，该导热绝缘层不仅具有较好的绝缘性能，而且可实现导热。
与先锁后装(即先将半导体元件固定到散热器，在将半导体元件的引脚与印制电路板焊接固定)方式相比，本实施例的半导体元件装配工艺通过先将半导体元件焊接固定到印制电路板，再将半导体元件固定到散热器，能够提升生产效率，降低制造成本。
上述绝缘压条的顶面(该顶面的表面平整)朝向印制电路板的内侧表面(即朝向半导体元件的表面)，且该绝缘压条的底面具有多个间隔设置的弹性凸部，且在绝缘压条固定到散热器时，每一半导体元件至少通过一个弹性凸部压接固定在导热绝缘层。由于弹性凸部的存在，即使各个半导体元件因尺寸误差而不在一个平面，也可保证各个半导体元件都能与导热绝缘层充分接触，保证热交换效率。
上述绝缘压条的底面还可具有多个安装槽，且该安装槽的形状和尺寸与半导体元件的形状和尺寸匹配，每一安装槽内具有至少一个凸部。通过安装槽可实现相邻半导体元件的电气隔离，从而相邻半导体元件的间距可适当缩小，提高产品的功率密度。
如图2所示，是本发明半导体元件装配工艺第二实施例的流程示意图，该实施例的方法包括：
步骤S21：将绝缘压条置于印制电路板上，并将经过剪脚成型的多个半导体元件分别插接到印制电路板，且上述绝缘压条位于所述半导体元件的主体与所述印制电路板之间。
步骤S22：将多个半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板。
步骤S23：在散热器的安装面上设置导热绝缘层，并通过绝缘压条将焊接固定在印制电路板的多个半导体元件压接固定在导热绝缘层的表面，上述绝缘压条以机械方式(例如螺钉等)固定到散热器。
本实施例中，绝缘压条可作为插接半导体元件的抬高治具，确保各个半导体元件基本位于同一平面内。此外，在上述步骤S22中，为提高自动化水平和生产质量，可通过自动焊接设备进行半导体元件的引脚焊接。上述自动焊接设备具体可以采用波峰焊等设备。通过自动焊接设备(例如波峰焊接)替代手工焊接(点焊)，可提升焊点质量。
如图3所示本发明还提供一种功率模块，该功率模块可应用于变频器、逆变器等电力电子设备。本实施例的功率模块包括散热器21和多个半导体元件25，且该功率模块通过如图1所示的半导体元件装配工艺组装而成，即多个半导体元件25焊接固定到印制电路板24后，通过绝缘压条23压接固定到散热器21的安装面的导热绝缘层22上。上述半导体元件可以为TO-247封装的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,MOSFET)或其他类似的晶体管，其可实现开关功能，且在工作时发热量较大。
特别地，上述经过剪脚成型的半导体元件25的管脚弯折成预设角度(例如90°)，多个半导体元件25以上表面贴于绝缘压条23下表面的方式插接到印制电路板24，且半导体元件25的管脚的弯折处突伸到绝缘压条23的外侧。上述绝缘压条不仅可实现半导体元件25的压接固定，而且在将半导体元件25插接到印制电路板24时可作为抬高治具，以确保各个半导体元件25基本位于同一平面内。
在上述的功率模块中，如图4所示，绝缘压条23的底面具有多个间隔设置的弹性凸部231，且在绝缘压条23固定到散热器21时，每一半导体元件25至少通过一个弹性凸部231压接固定在导热绝缘层22。
上述绝缘压条23的底面可设置多个安装槽232，该安装槽232的形状和尺寸与半导体元件25的形状和尺寸匹配(每一安装槽232可放置一个半导体元件25或多个半导体元件25)，且每一安装槽232具有至少一个凸部231。上述安装槽232可由多个挡墙隔成，并通过挡墙增加相邻半导体元件25之间的爬电距离，从而提高功率模块的功率密度。
上述绝缘压条23可通过以下方式固定到散热器21：在绝缘压条23设置多个安装孔233，并在散热器21的安装面上设置多个对应的内螺纹孔，绝缘压条23通过螺钉固定到散热器21，且上述螺钉穿过安装孔233并螺纹连接到内螺纹孔。当然，在实际应用中，绝缘压条23也可通过其他任一现有的机械方式固定到散热器21，例如卡扣等。
上述印制电路板24可完全覆盖绝缘压条，以减小产品的体积。为方便绝缘压条23的固定操作，可在印制电路板24上设置多个操作窗241，且操作窗241的位置与绝缘压条23上的安装孔233的位置对应。
特别地，上述安装槽232可垂直于绝缘压条23的长度方向设置，多个安装槽232沿绝缘压条23的长度方向排列成一行，且每一安装槽232的中央具有一个弹性凸部232。
上述安装槽232的一侧可具有开口，半导体元件25的引脚通过该开口突伸到绝缘压条23的外侧，并插接到印制电路板24。多个安装孔233可位于安装槽232的同一侧，即远离半导体元件25的引脚的一侧。当然，在实际应用中，也可在绝缘压条23上设置引脚孔，安装槽232内的半导体元件25的引脚穿过引脚孔插接到印制电路板24。
在上述功率模块中，焊接固定在印制电路板24的多个半导体元件25可排列成两行，且每一行半导体元件25通过一个绝缘压条23压接固定。
本发明还提供一种电力电子设备，该电力电子设备可以为变频器、逆变器等，且该电力电子设备包括如上所述的功率模块。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种半导体元件装配工艺，其特征在于，包括：
将多个经过剪脚成型的半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板上；
在散热器的安装面上设置导热绝缘层，并通过绝缘压条将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件压接固定在所述导热绝缘层表面，所述绝缘压条以机械方式固定到所述散热器。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，在将多个半导体元件的引脚分别焊接固定在印制电路板上之前，包括：
将绝缘压条置于所述印制电路板上，并将所述多个经过剪脚成型的半导体元件分别插接到印制电路板，且所述绝缘压条位于所述半导体元件的主体与所述印制电路板之间。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述将所述半导体元件的引脚焊接固定在所述印制电路板包括：通过自动焊接设备将所述半导体元件的引脚焊接固定在所述印制电路板。
4.一种功率模块，其特征在于，所述功率模块包括散热器和多个半导体元件，且所述功率模块通过如权利要求1-3中任一项所述的半导体元件装配工艺组装而成。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述经过剪脚成型的半导体元件的管脚弯折成预设角度；所述多个半导体元件以上表面贴于所述绝缘压条下表面的方式插接到所述印制电路板，且所述半导体元件的管脚的弯折处突伸到所述绝缘压条的外侧。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘压条的顶面朝向所述印制电路板的内侧表面，且所述绝缘压条的底面具有多个间隔设置的弹性凸部；在所述绝缘压条固定到所述散热器时，每一所述半导体元件至少通过一个所述弹性凸部压接固定在所述导热绝缘层。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘压条的底面具有多个安装槽；所述安装槽的形状和尺寸与所述半导体元件的形状和尺寸匹配，且每一所述安装槽内具有至少一个所述凸部。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘压条上具有多个安装孔，所述散热器的安装面具有多个内螺纹孔，且所述安装孔、内螺纹孔的位置对应；所述绝缘压条通过螺钉固定在所述散热器上，且所述螺钉穿过所述安装孔并螺纹连接到所述内螺纹孔。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其特征在于，所述印制电路板上具有多个操作窗，且所述操作窗的位置与绝缘压条上的安装孔的位置对应。
10.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘压条上的安装槽排列成一行，且每一安装槽的中央具有一个所述弹性凸部。
11.根据权利要求10所述的功率模块，其特征在于，所述焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件排列成两行，且每一行半导体元件通过一个所述绝缘压条压接固定。
12.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求4-11中任一项所述的功率模块。
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