CN109195328A - 半导体元件装配工艺、功率模块以及电力电子设备 - Google Patents

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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：将经过剪脚成型的多个半导体元件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；将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件的下表面贴于所述导热绝缘层并使用金属压条压接固定，所述金属压条以机械方式固定到所述散热器，且所述金属压条与所述半导体元件的上表面之间具有第一绝缘层、所述金属压条与所述印制电路板之间具有第二绝缘层。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，提高自动化水平和生产质量，降低制造成本。

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：
将经过剪脚成型的多个半导体元件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；
将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件的下表面贴于所述导热绝缘层并使用金属压条压接固定，所述金属压条以机械方式固定到所述散热器，且所述金属压条与所述半导体元件的上表面之间具有第一绝缘层、所述金属压条与所述印制电路板之间具有第二绝缘层。
在本发明所述的半导体元件装配工艺中，在将经过剪脚成型的多个半导体元件分别焊接固定在印制电路板上之前，包括：将经过剪脚成型的多个所述半导体元件分别插接到所述印制电路板。
在本发明所述的半导体元件装配工艺中，所述将经过剪脚成型的多个半导体元件分别焊接固定在印制电路板上包括：通过自动焊接设备将所述多个半导体元件分别焊接固定在所述印制电路板上。
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，所述金属压条包括主体部以及多个相互独立的压脚，且所述多个压脚分别弹性连接到所述主体部；在压接固定所述半导体元件时，所述主体部固定在所述散热器上，每一所述压脚位于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间并对一个半导体元件施力。
在本发明所述的功率模块中，所述半导体元件的管脚弯折成90°，且所述经过剪脚成型的多个半导体元件以上表面平行于所述印制电路板的内侧表面的方式排列成两行；所述金属压条上的多个压脚排列成一行，且每一行半导体元件分别用一个金属压条压接固定。
在本发明所述的功率模块中，所述金属压条的主体部和压脚由同一金属板加工而成；所述主体部包括水平条板和垂向条板，且所述垂向条板的第一侧边垂直连接在所述水平条板的边缘；所述压脚连接在所述垂向条板的第二侧边，且所述压脚与所述垂向条板的夹角小于90°；所述压脚的自由端具有折角，且在所述压脚压接到所述半导体元件时，所述折角的底部贴于所述半导体元件的上表面。
在本发明所述的功率模块中，所述垂向条板的第二侧边具有多个第一释压孔，且所述第一释压孔与所述压脚间隔设置。
在本发明所述的功率模块中，所述第一绝缘层和第二绝缘层由套接在所述金属压条的压脚的绝缘套或者所述金属压条的压脚上的包塑层构成，且所述绝缘套或包塑层位于所述压脚以下的部分构成第一绝缘层、位于所述压脚以上的部分构成第二绝缘层。
在本发明所述的功率模块中，所述第一绝缘层由贴于所述半导体元件上表面的绝缘麦拉片构成；所述第二绝缘层由贴于所述印制电路板内侧表面的绝缘麦拉片构成。
在本发明所述的功率模块中，所述金属压条的主体部具有多个固定孔，所述散热器的安装面上具有多个对应的内螺纹孔，所述金属压条通过螺钉固定到所述散热器，且所述螺钉穿过所述固定孔并螺纹连接到所述内螺纹孔。
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，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金属压条实施例的示意图；
图5是本发明功率模块中金属压条实施例的截面示意图；
图6是本发明功率模块中金属压条实施例的俯视图。
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：将经过剪脚成型的多个半导体元件分别焊接固定到印制电路板(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。
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可具有散热翅片。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。
步骤S13：将焊接固定在印制电路板的多个半导体元件的下表面贴于导热绝缘层并使用金属压条压接固定，上述金属压条以机械方式(例如螺钉等)固定到散热器的基板，且金属压条与半导体元件的上表面之间具有第一绝缘层、所述金属压条与所述印制电路板之间具有第二绝缘层。上述第一绝缘层可由贴于半导体元件上表面的绝缘麦拉片构成，第二绝缘层则可由贴于印制电路板内侧表面的绝缘麦拉片构成。
与先锁后装(即先将半导体元件固定到散热器，再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。
在上述步骤S13中使用的金属压条，具体可包括主体部以及多个相互独立的压脚，且多个压脚分别弹性连接到主体部；在压接固定半导体元件时，主体部固定在散热器上，每一压脚位于第一绝缘层和第二绝缘层之间并对一个半导体元件施力。由于压脚弹性连接在主体部，因此即使各个半导体元件存在尺寸差异，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。
特别地，上述步骤S12中的第一绝缘层和第二绝缘层也可由套接在金属压条的压脚的绝缘套构成，且该绝缘套位于压脚以下的部分构成第一绝缘层、位于压脚以上的部分构成第二绝缘层。此外，上述第一绝缘层和第二绝缘层也可由金属压条的压脚上的包覆层(该包覆层为绝缘材料)构成，且该包覆层位于压脚以下的部分构成第一绝缘层、位于压脚以上的部分构成第二绝缘层。
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以下步骤：
步骤S21：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。
步骤S22：将上述多个半导体元件焊接固定到印制电路板
步骤S23：在散热器的安装面上设置导热绝缘层。
步骤S24：将焊接固定在印制电路板的多个半导体元件的下表面贴于导热绝缘层并使用金属压条压接固定，上述金属压条以机械方式(例如螺钉等)固定到散热器的基板，且金属压条与半导体元件的上表面之间具有第一绝缘层、所述金属压条与所述印制电路板之间具有第二绝缘层。
该实施例通过在焊接前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，可进一步提高焊接作业的效率。
此外，在上述步骤S21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，是本发明功率模块实施例的示意图，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26，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26焊接固定到印制电路板24后，通过金属压条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-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。
特别地，上述半导体元件26的管脚弯折成90°，且经过剪脚成型的多个半导体元件26的上表面平行于印制电路板24的内侧表面(即朝向半导体元件26的表面)。
在上述功率模块中，金属压条23包括主体部231以及多个相互独立的压脚232，且多个压脚232分别弹性连接到主体部231。在压接固定半导体元件26时，主体部231以机械方式固定在散热器21上，每一压脚232位于第一绝缘层和第二绝缘层之间并对一个半导体元件26施力。上述第一绝缘层位于压脚232与半导体元件26之间，用于实现金属压条23与半导体元件26之间的绝缘；第二绝缘层位于印制电路板24和压脚232之间，用于实现金属压条23与印制电路板24之间的绝缘。通过相互独立且分别弹性连接到主体部231的多个压脚232，可对各个半导体元件26单独进行压接，从而保证各个半导体元件26都能与导热绝缘层22充分接触，保证热交换效率。
上述第一绝缘层具体可由贴于半导体元件26上表面的绝缘麦拉片构成；第二绝缘层则可由贴于印制电路板24内侧表面(即朝向半导体元件26一侧的表面)的绝缘麦拉片构成。
此外，上述第一绝缘层和第二绝缘层还可由套接在金属压条23的压脚232的绝缘套构成，且绝缘套位于压脚232以下的部分构成第一绝缘层、位于压脚232以上的部分构成第二绝缘层。上述第一绝缘层和第二绝缘层还可由金属压条23的压脚232上的包覆层(该包覆层为绝缘材料)构成，且该包覆层位于压脚232以下的部分构成第一绝缘层、位于压脚以上的部分构成第二绝缘层。该结构可避免第一绝缘层和第二绝缘层的移动，提高绝缘稳定性。
为提高功率密度，焊接固定在印制电路板24的多个半导体元件26排列成两行，金属压条23上的多个压脚232排列成一行，且印制电路板24上的每一行半导体元件26分别用一个金属压条23压接固定，即印制电路板24上的两行半导体元件26分别通过两个金属压条23压接固定。当然，在实际应用中，印制电路板24上的半导体元件26也可根据需要采用其他排布方式，并通过对应的一个或多个金属压条23压接固定。
具体地，上述金属压条23的主体部231和压脚232可由同一金属板加工(例如将金属板冲孔后弯折)而成。如图4～5所示，主体部231包括水平条板2311和垂向条板2312，且垂向条板2312的第一侧边垂直连接在水平条板2311的边缘；多个压脚232分别连接在垂向条板2312的第二侧边，且压脚232与垂向条板2312的夹角小于90°，该夹角的具体角度可根据半导体元件26的厚度调整。并且，上述压脚232的自由端具有折角，在压脚232压接到半导体元件26时，折角的底部贴于半导体元件26的上表面(第一绝缘层的上表面)。通过该结构，可避免金属件的边缘刮伤第一绝缘层，从而保证第一绝缘层的绝缘性能。
为避免半导体元件26的表面受压过大，上述金属压条23的垂向条板2312的第二侧边具有多个第一释压孔2313，且该第一释压孔2313与压脚232间隔设置。通过第一释压孔2313，可提高压脚232的弹性变形幅度，降低焊接到印制电路板24的半导体元件26的剪脚精度。同时该第一释压孔2313还可减小压脚232对半导体元件26的压力，避免对第一绝缘层及半导体元件26的损伤。
同样地，还可在每一压脚232上增加第二释压孔2321，该第二释压孔2321可减小压脚232对半导体元件26的压力，避免对第一绝缘层及半导体元件26的损伤。
上述金属压条23可通过以下方式固定到散热器21：在金属压条23的主体部231设置多个固定孔2314，并在散热器21的安装面上设置多个对应的内螺纹孔，金属压条23通过螺钉固定到散热器，且上述螺钉穿过固定孔2314并螺纹连接到内螺纹孔。当然，在实际应用中，金属压条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。
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：
将经过剪脚成型的多个半导体元件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；
将焊接固定在所述印制电路板的多个半导体元件的下表面贴于所述导热绝缘层并使用金属压条压接固定，所述金属压条以机械方式固定到所述散热器，且所述金属压条与所述半导体元件的上表面之间具有第一绝缘层、所述金属压条与所述印制电路板之间具有第二绝缘层。
2.根据权利要求1所述的半导体元件装配工艺，其特征在于，在将经过剪脚成型的多个半导体元件分别焊接固定在印制电路板上之前，包括：将经过剪脚成型的多个所述半导体元件分别插接到所述印制电路板。
3.根据权利要求2所述的半导体元件装配工艺，其特征在于，所述将经过剪脚成型的多个半导体元件分别焊接固定在印制电路板上包括：通过自动焊接设备将所述多个半导体元件分别焊接固定在所述印制电路板上。
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，所述金属压条包括主体部以及多个相互独立的压脚，且多个所述压脚分别弹性连接到所述主体部；在压接固定所述半导体元件时，所述主体部固定在所述散热器上，每一所述压脚位于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间并对一个半导体元件施力。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述半导体元件的管脚弯折成90°，且所述经过剪脚成型的多个半导体元件以上表面平行于所述印制电路板的内侧表面的方式排列成两行；所述金属压条上的多个压脚排列成一行，且每一行半导体元件分别用一个金属压条压接固定。
7.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述金属压条的主体部和压脚由同一金属板加工而成；所述主体部包括水平条板和垂向条板，且所述垂向条板的第一侧边垂直连接在所述水平条板的边缘；所述压脚连接在所述垂向条板的第二侧边，且所述压脚与所述垂向条板的夹角小于90°；所述压脚的自由端具有折角，且在所述压脚压接到所述半导体元件时，所述折角的底部贴于所述半导体元件的上表面。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述垂向条板的第二侧边具有多个第一释压孔，且所述第一释压孔与所述压脚间隔设置。
9.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层由套接在所述金属压条的压脚的绝缘套或者所述金属压条的压脚上的包塑层构成，且所述绝缘套或包塑层位于所述压脚以下的部分构成第一绝缘层、位于所述压脚以上的部分构成第二绝缘层。
10.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第一绝缘层由贴于所述半导体元件上表面的绝缘麦拉片构成；所述第二绝缘层由贴于所述印制电路板内侧表面的绝缘麦拉片构成。
11.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述金属压条的主体部具有多个固定孔，所述散热器的安装面上具有多个对应的内螺纹孔，所述金属压条通过螺钉固定到所述散热器，且所述螺钉穿过所述固定孔并螺纹连接到所述内螺纹孔。
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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