CN110400777A - 一种组合式电极及具有其的功率模块和封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式电极及具有其的功率模块和封装方法，包括：正电极和负电极，所述正电极和负电极均包括装配端、引出部、水平部和连接部，所述连接部的底部与安装面连接，所述连接部的顶部弯折至水平部的一端，水平部的另一端弯折至引出部，引出部与装配端相连接，所述装配端、引出部和水平部构成缓冲结构，所述正电极和负电极叠加设置，所述引出部、水平部和连接部位置相对。本发明通过改变电极的形状，在电极的电流路径上形成弯曲的缓冲结构，使电极具有较高的抗受力变形性能，从而降低了电极受力对焊接处产生影响导致变形或脱落的可能。

Description

一种组合式电极及具有其的功率模块和封装方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种组合式电极及具有其的功率模块和封装方法。

背景技术

随着功率模块电压及电流等级的提高，大功率模块电极的装配工艺、应力设计及杂散电感对电极过流的影响越来越明显，在模块封装环节易出现电极损伤甚至脱落，影响模块可靠性，装配端阻抗过大产生额外损耗，影响产品电性能。

现有高压大功率半导体模块的电极，一般是将电极底部引脚焊接到金属陶瓷衬板上，通过金属电路连接芯片。如图1所示，正、负电极平面处竖直并排布置，电极顶端设有安装孔，顶端装配部分错位到左右两侧后引出到封装壳体外部，通过螺母紧固与外部电路实现电性能连接。

高压模块一般使用的正、负电极采用竖直并排结构，以简化电极整体结构为前提，其电极底部引脚结构较复杂，这种电极结构的电流路径较大，会造成涡流损耗，并且垂直结构下，电极在折弯以及装配过程中所受向外或向内的应力作用在电极引脚焊接处，加之灌封胶水固化时产生应力于电极焊接脚上，在长期热循环应力作用下将导致电极焊接处产生局部裂纹甚至脱落，降低模块可靠性。

发明内容

本发明为解决上述电极焊接处可靠性不高的技术问题，提供一种组合式电极及具有其的功率模块和封装方法。

本发明提供一种组合式电极，其特征在于，包括：

正电极和负电极，所述正电极和负电极均包括装配端、引出部、水平部和连接部，所述连接部的底部与安装面连接，所述连接部的顶部弯折至水平部的一端，水平部的另一端弯折至引出部，引出部与装配端相连接，所述装配端、引出部和水平部构成缓冲结构，所述正电极和负电极叠加设置，所述引出部、水平部和连接部位置相对。

进一步的，所述组合式电极还包括输出电极，所述输出电极上设有弯折的缓冲部。

进一步的，所述正电极和负电极的装配端相背设置。

进一步的，所述正电极的装配端背向水平部弯折，并且与水平部平行，所述负电极的装配端朝向水平部弯折，并且与水平部平行。

进一步的，所述正电极的水平部的长度比负电极的水平部略长。

进一步的，所述引出部包括第一引出部和第二引出部，所述第一引出部垂直于安装面，第一引出部的底端与水平部相连，所述第二引出部一端与第一引出部的顶端相连接，另一端与装配端连接，所述第二引出部倾斜于安装面。

进一步的，所述连接部包括引脚和转接部，所述引脚与安装面连接，所述引脚弯折至转接部，所述转接部垂直于安装面并与水平部连接。

进一步的，所述正电极与负电极各有两个或多个引脚，所述正电极与负电极上分别设有电极切口，所述电极切口位于各引脚之间。

进一步的，所述装配端上设有装配孔。

进一步的，所述输出电极中间部分弯折形成弓形凸起的缓冲部，缓冲部的内壁形成缓冲槽。

进一步的，所述缓冲槽竖直方向的宽度为输出电极高度的10%-30%。

本发明还提供一种功率模块，包括上述任一项所述的组合式电极。

进一步的，所述功率模块还包括壳体和设置在壳体中的芯片、陶瓷衬板、底板、第一封装胶、第二封装胶，所述组合式电极和芯片焊接于陶瓷衬板上，所述陶瓷衬板固定在底板上，所述底板与壳体相连，所述壳体上设有若干电极引出孔和若干注胶孔，所述壳体内由下至上分别注有第一封装胶和第二封装胶。

进一步的，所述连接部与水平部的连接点为第一弯折点，所述第一弯折点的高度大于组合式电极下方芯片及连接线高度，小于第一封装胶高度；所述水平部与引出部的连接点为第二弯折点，所述第二弯折点的位置及方向与壳体上电极引出孔的位置相适应；所述第一引出部和第二引出部的连接点为第三弯折点，所述第三弯折点的高度小于第二封装胶高度，大于第一弯折点和第二弯折点的高度。

本发明还提供一种上述所述的功率模块的封装方法，包括以下步骤：

将装配端未折弯的组合式电极固定在陶瓷衬板上，将装配端由电极引出孔引出至壳体外；

由注胶孔向模块内部注入第一封装胶；

第一封装胶固化后由注胶孔向模块内部注入第二封装胶，使第二封装胶固化后封住注胶孔；

将组合式电极的装配端折弯成型。

本发明通过改变电极的形状，在电极的电流路径上形成弯曲的缓冲结构，使电极具有较高的抗受力变形性能，从而降低了电极受力对焊接处产生影响导致变形或脱落的可能。

附图说明

图1是现有技术提供的功率电极结构示意图。

图2是本发明实施例提供的正负电极结构示意图。

图3是本发明实施例提供的正负电极结构截面图。

图4是本发明实施例提供的输出电极结构示意图。

图5是本发明实施例提供的输出电极结构截面图。

图6是本发明实施例提供的功率模块结构示意图。

图7是本发明实施例提供的功率模块结构截面图。

附图说明：装配端10、装配孔11，引出部20、第一引出部21、第二引出部22，水平部30，连接部40、引脚41、转接部42，电极切口50，缓冲部60、缓冲槽61。正电极100，负电极200，输出电极300，壳体400、电极引出孔410、注胶孔420，陶瓷衬板500，底板600，第一封装胶700，第二封装胶800。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提供一种组合式电极，如图2所示，包括：正电极100和负电极200，所述正电极100和负电极200均包括装配端10、引出部20、水平部30和连接部40，所述连接部40的底部与安装面连接，所述连接部40的顶部弯折至水平部30的一端，水平部30的另一端弯折至引出部20，引出部20与装配端10相连接，所述装配端10、引出部20和水平部30构成缓冲结构，所述正电极100和负电极200叠加设置，所述引出部20、水平部30和连接部40位置相对。

本发明实施例中涉及的组合式电极，如图2所示，包括正电极100和负电极200。本发明实施例的一种具有应力缓冲功能的组合式电极，通过改变电极的形状，在电极的电流路径上形成弯曲的缓冲结构 (所述装配端、引出部和水平部构成缓冲结构)，使电极具有较高的抗受力变形性能，从而降低了电极受力对焊接处产生影响导致变形或脱落的可能性。

根据本发明实施例的组合式电极，如图2和图3所示，所述正电极100和负电极200的装配端10相背设置。所述正电极100的装配端10背向水平部30弯折，并且与水平部30平行，所述负电极200的装配端10朝向水平部30弯折，并且与水平部30平行。所述正电极100的水平部30的长度比负电极200的水平部30略长。所述引出部20包括第一引出部21和第二引出部22，所述第一引出部21垂直于安装面，第一引出部21的底端与水平部30相连，所述第二引出部22一端与第一引出部21的顶端相连接，另一端与装配端10连接，所述第二引出部22倾斜于安装面。所述装配端10上设有装配孔11。

在具体实施中，正电极100和负电极200整体并排贴近，最小间距取决于封装材质及安全间隙设计，本实施例为一种应用于3.3kV高压大功率半桥IGBT模块的组合式电极，其优选的最小安全间隙为1.5mm。所述正电极100和所述负电极200的装配端10均平行于水平部30，为方便装配，向不同方向弯折，互成平角，即正电极100的装配端10背向水平部30弯折，所述负电极200的装配端10朝向水平部20弯折。所述第二引出部22初始延伸倾斜逆向上增宽至装配宽度后，竖直延伸向上至正电极与负电极顶部装配端10。装配端10可以在模块组装完成后进行折弯，也可更换壳体设计进行预先折弯。

根据本发明实施例的组合式电极，如图2和图3所示，所述连接部40包括引脚41和转接部42所述引脚41与安装面连接，所述引脚41弯折至转接部42，所述转接部42垂直于安装面并与水平部30连接。所述正电极100与负电极200各有两个或多个引脚41，所述正电极100与负电极200上分别设有电极切口50，所述电极切口50位于各引脚41之间。

在具体实施中，所述正电极100与负电极200的引脚41各有两个或多个，根据焊接设备、工艺程度及安全载流量要求，可设计电极引脚41的相应尺寸及数量。所述正电极100和负电极200的引脚41相背设置。所述正电极100和负电极200的整体材质为铜，所述装配端10表面镀镍，引脚41为裸铜。所述电极切口50宽度不影响电极过流能力，深度不小于电极各引脚41的电流汇集点。本实施例中，正电极100和负电极200各有两个引脚41，电极切口50在电极水平部30和转接部42连接处的中间部分。

具体的，所述正电极100和负电极200在最小间隙下整体并行排布，正电极100和负电极200每个部分的结构形状、大小相近，电流路径基本完全对称重叠，电流方向相反，使得正电极100和负电极200通入电流时，可以最大限度地抵消相邻部位产生的杂散电感；正电极100和负电极200，主体横向布置，输出电极300弯折成凸起结构，可以较大程度缓解电极在安装时产生的应力，且在引脚41之间设置电极切口50缓冲，减少焊接过程产生应力，提高模块可靠性，延长模块使用寿命。

根据本发明实施例的组合式电极，如图4和图5所示，所述组合式电极还包括输出电极300，所述输出电极300上设有弯折的缓冲部60。所述输出电极300中间部分弯折形成弓形凸起的缓冲部60，缓冲部60的内壁形成缓冲槽61。所述缓冲槽61竖直方向的宽度为输出电极300高度的10%-30%。

在具体实施中，所述输出电极300上设置缓冲部60，在电极中间部分弯折一个弓形凸起，凸起的内壁形成一个方形缓冲槽61，凸起方向面向芯片及安装面方向，缓冲槽61的位置在输出电极300中间部位，缓冲槽61的竖直方向宽度优选为输出电极300高度的20%，槽壁厚度与输出电极300厚度相同。

本发明实施例还提供一种功率模块，如图6和图7所示，包括上述任一项所述的组合式电极。所述功率模块还包括壳体400和设置在壳体中的芯片、陶瓷衬板500、底板600、第一封装胶700、第二封装胶800，所述组合式电极和芯片焊接于陶瓷衬板500上，所述陶瓷衬板500固定在底板600上，所述底板600与壳体400相连，所述壳体400上设有若干电极引出孔410和若干注胶孔420，所述壳体400内由下至上分别注有第一封装胶700和第二封装胶800。

在具体实施中，所述连接部40与水平部30的连接点为第一弯折点，所述第一弯折点的高度大于组合式电极下方芯片及连接线高度，小于第一封装胶700高度；所述水平部30与引出部20的连接点为第二弯折点，所述第二弯折点的位置及方向与壳体400上电极引出孔410的位置相适应；所述第一引出部21和第二引出部22的连接点为第三弯折点，所述第三弯折点的高度小于第二封装胶800高度，大于第一弯折点和第二弯折点的高度。

具体的，所述正电极100和负电极200超声焊接于陶瓷衬板500安装面的上层铜箔，陶瓷衬板上层铜箔与陶瓷衬板下层铜箔固定在起绝缘、散热及支撑作用的陶瓷衬板上，正电极100和负电极200主体横向布置于芯片和陶瓷衬板500上方。在模块内部注入第一封装胶700实现模块内部的电气绝缘，最后注入第二封装胶800，进一步保护模块内部免受外部环境的影响，并在一定程度上增强整个模块的机械强度。本实施例中的第一封装胶700选用硅凝胶，第二封装胶800选用环氧树脂。

本发明还提供一种上述所述的功率模块的封装方法，包括以下步骤：

将装配端未折弯的组合式电极固定在陶瓷衬板上，将装配端由电极引出孔引出至壳体外；

由注胶孔向模块内部注入第一封装胶；

第一封装胶固化后由注胶孔向模块内部注入第二封装胶，使第二封装胶固化后封住注胶孔；

将组合式电极的装配端折弯成型。

根据本发明实施例的功率模块，所述壳体400为一整个壳体结构，可以减少安装工序，避免多种安装块匹配性问题。本实施例壳体400上留有三个注胶孔420，可灌注封装胶，还可以通过注胶孔420检查装配壳体后模块内部结构的完好性。

在具体实施中，在电极装配完成后，将电极装配端穿过壳体电极引出孔，壳体边缘通过涂敷一次密封胶与底板整合半成品进行封装密封，并在四角位置通过安装螺钉加固壳体与底板之间的装配强度。作为上述技术方案的进一步衍生，可以根据资源选择灌注不同种类的环氧树脂进行密封，在结构设计时根据产品结构，可预留若干对称的注胶孔，注胶孔形状可以是方形或圆形等。

根据本发明实施例的功率模块封装方法，未折弯装配端直接引出至封装壳体外，在灌装胶保护下最后进行电极装配端的折弯成型，可以简化现有功率模块中配合多个塑胶安装块涂胶拼接在电极上的封装结构，增强模块密封效果，加固电极抗应力强度，降低模块结构设计复杂度。通过增加灌注第二封装胶的的工艺，可以达到电极装配后再进行折弯成型的要求，简化模块封装结构及工艺设计，同时增强了模块的密封效果、机械强度以及电极抗应力性，提高模块可靠性。

本发明实施例的电极顶部装配螺钉时所受向下应力或向上拉扯力，以及灌封胶水固化后产生的应力，可通过正负电极的水平部以及输出电极的缓冲部缓解，而电极两个或多个引脚之间的焊接应力通过电极切口缓冲，由此极大提高了电极的装配强度及长期工作可靠性。

本发明提供一种具有应力缓冲功能的组合式电极及具有其的功率模块和封装方法，通过改变电极的形状，在电极的电流路径上形成弯曲的缓冲结构和缓冲段，使电极具有较高的抗受力变形性能，从而降低了电极受力对焊接处产生影响导致变形或脱落的可能性；通过改变正电极和负电极的结构、位置，使得电流路径从装配端至焊接端，在正电极和负电极每一个结构部分电流方向相反、电流路径相同、距离一致靠近，抑制杂散电感的生成，进而提升功率模块的电性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种组合式电极，其特征在于，包括：

正电极和负电极，所述正电极和负电极均包括装配端、引出部、水平部和连接部，所述连接部的底部与安装面连接，所述连接部的顶部弯折至水平部的一端，水平部的另一端弯折至引出部，引出部与装配端相连接，所述装配端、引出部和水平部构成缓冲结构，所述正电极和负电极叠加设置，所述引出部、水平部和连接部位置相对。

2.如权利要求1所述的一种组合式电极，其特征在于，所述组合式电极还包括输出电极，所述输出电极上设有弯折的缓冲部。

3.如权利要求1所述的一种组合式电极，其特征在于，所述正电极和负电极的装配端相背设置。

4.如权利要求3所述的一种组合式电极，其特征在于，所述正电极的装配端背向水平部弯折，并且与水平部平行，所述负电极的装配端朝向水平部弯折，并且与水平部平行。

5.如权利要求4所述的一种组合式电极，其特征在于，所述正电极的水平部的长度比负电极的水平部略长。

6.如权利要求1所述的一种组合式电极，其特征在于，所述引出部包括第一引出部和第二引出部，所述第一引出部垂直于安装面，第一引出部的底端与水平部相连，所述第二引出部一端与第一引出部的顶端相连接，另一端与装配端连接，所述第二引出部倾斜于安装面。

7.如权利要求1所述的一种组合式电极，其特征在于，所述连接部包括引脚和转接部，所述引脚与安装面连接，所述引脚弯折至转接部，所述转接部垂直于安装面并与水平部连接。

8.如权利要求7所述的一种组合式电极，其特征在于，所述正电极与负电极各有两个或多个引脚，所述正电极与负电极上分别设有电极切口，所述电极切口位于各引脚之间。

9.如权利要求1所述的一种组合式电极，其特征在于，所述装配端上设有装配孔。

10.如权利要求2所述的一种组合式电极，其特征在于，所述输出电极中间部分弯折形成弓形凸起的缓冲部，缓冲部的内壁形成缓冲槽。

11.如权利要求10所述的一种组合式电极，其特征在于，所述缓冲槽竖直方向的宽度为输出电极高度的10%-30%。

12.一种功率模块，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的组合式电极。

13.如权利要求12所述的一种功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括壳体和设置在壳体中的芯片、陶瓷衬板、底板、第一封装胶、第二封装胶，所述组合式电极和芯片焊接于陶瓷衬板上，所述陶瓷衬板固定在底板上，所述底板与壳体相连，所述壳体上设有若干电极引出孔和若干注胶孔，所述壳体内由下至上分别注有第一封装胶和第二封装胶。

14.如权利要求13所述的一种功率模块，其特征在于，所述连接部与水平部的连接点为第一弯折点，所述第一弯折点的高度大于组合式电极下方芯片及连接线高度，小于第一封装胶高度；所述水平部与引出部的连接点为第二弯折点，所述第二弯折点的位置及方向与壳体上电极引出孔的位置相适应；所述第一引出部和第二引出部的连接点为第三弯折点，所述第三弯折点的高度小于第二封装胶高度，大于第一弯折点和第二弯折点的高度。

15.一种如权利要求13或14所述的功率模块的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

将装配端未折弯的组合式电极固定在陶瓷衬板上，将装配端由电极引出孔引出至壳体外；

由注胶孔向模块内部注入第一封装胶；

第一封装胶固化后由注胶孔向模块内部注入第二封装胶，使第二封装胶固化后封住注胶孔；

将组合式电极的装配端折弯成型。