CN111863763A - 一种结构紧凑型ipm功率模块 - Google Patents

一种结构紧凑型ipm功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑型IPM功率模块，包括设置于底板上的绝缘基板，绝缘基板上设置功率电路；以及位于绝缘基板上方的控制电路板；还包括固定于底板上的外壳，外壳四周设置端子，端子尾部插入控制电路板四周对应设置的连接孔中，固定并电性连接控制电路板；同时，端子头部伸出外壳电性连接外部电路；所述控制电路板通过针形电极电性连接所述绝缘基板。本发明结构紧凑型IPM功率模块增加了集成控制和评估逻辑单元的PCB板，PCB板仅靠端子支撑并固定，简化外壳结构，降低工艺难度。本发明中单个绝缘基板已形成电气回路，可以进行电性能测试，提前筛选出问题芯片并更换，避免整个模块的失效报废，降低成本。

Description

一种结构紧凑型IPM功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种结构紧凑型IPM功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
当前电力电子功率模块逐步向集成化、智能化方向发展，IPM模块应运而生。IPM模块相较于标准的功率模块，增加了额外的控制和评估逻辑单元，且集成在功率模块内部的PCB上。
国际主流公司推出的IPM功率模块已被广泛的应用，其便捷性及可靠性得到市场的认可。
如图1所示，现有功率模块去除盖板的示意图，其基本结构为：芯片3通过焊料焊接到绝缘基板2，绝缘基板通过焊料焊接到底板1，铝线5键合连接芯片3和绝缘基板2，最终键合到外壳7上的端子8，形成电气回路。
如图2所示，现有功率模块侧面剖视简化示意图，端子8注塑在外壳7中，外壳7与底板1间通过密封胶粘接，键合铝线5连接绝缘基板2和端子8。由于密封胶本身具有弹性，所以在加速度的较大的振动过程中，外壳与底板间会有相对位移，键合铝线的根部很有可能出现疲劳断裂。
但现有的IPM功率模块多为新的封装结构，对原有系统的兼容性较差，其适配过程必然导致大量原有系统部件的报废，代价较大。所以有必要开发一种既可以兼容现有封装结构，又可以实现智能化的功率模块。
目前市场上的IPM模块要到模块封装完成后才能进行相关电性能测试，待发现失效后直接导致整只模块的报废，造成不必要的损失和浪费。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种结构紧凑型IPM功率模块，在保证现有封装尺寸不变的情况下，优化内部结构，增加集成控制和评估逻辑单元的PCB板，实现现有封装的智能化。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种结构紧凑型IPM功率模块，包括设置于底板上的绝缘基板，绝缘基板上设置功率电路；以及位于绝缘基板上方的控制电路板；还包括固定于底板上的外壳，外壳周边设置有端子，端子尾部与控制电路板接触，并电性连接控制电路板；同时，端子头部伸出外壳电性连接外部电路；所述控制电路板通过针形电极电性连接所述绝缘基板。
进一步地，所述控制电路板上设置有连接孔，所述端子尾部插入控制电路板的连接孔中，固定并电性连接控制电路板。
进一步地，所述控制电路板固定在所述外壳上，所述端子尾部与控制电路板的焊盘接触，电性连接控制电路板。
进一步地，外壳的四周设置有端子。
进一步地，所述端子包括端子头部和端子尾部，呈U型结构；端子头部包括伸出外壳的头部连接部；端子尾部包括尾部支撑部和尾部连接部，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，尾部支撑部对控制电路板进行支撑和限位。
进一步地，所述端子包括端子头部和端子尾部，端子尾部设置于控制电路板上方，端子头部设置于端子尾部上方；端子头部包括伸出外壳的头部连接部；端子尾部包括尾部支撑部和尾部连接部，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，尾部支撑部对控制电路板进行支撑和限位。
进一步地，所述尾部连接部为刚性连接结构或弹性连接结构。
进一步地，所述针形电极焊接在绝缘基板上，头部插入控制电路对应设置的连接孔中；针形电极头部为刚性连接结构或弹性连接结构。
进一步地，所述针形电极焊接在绝缘基板上，包括缓冲部；针形电极与控制电路板压接时，所述缓冲部变形产生弹力使针形电极端部与控制电路板紧密接触。
进一步地，所述针形电极焊接在控制电路板上，包括缓冲部；针形电极与绝缘基板压接时，所述缓冲部变形产生弹力使针形电极端部与绝缘基板紧密接触。
有益效果：本发明结构紧凑型IPM功率模块增加了集成控制和评估逻辑单元的PCB板，PCB板可以仅靠端子支撑并固定，简化外壳的结构，降低工艺难度。
本发明可以在未封壳阶段，模块内部电器回路已形成，可以进行电性能测试，提前筛选出问题芯片并更换，避免整个模块的失效报废，极大的降低成本。
本发明中PCB板与模块使用press-fit连接，属于弹性连接，且内部连接的针形电极具有缓冲结构，可以提高振动的可靠性；省去焊锡焊接步骤，避免锡珠飞溅对模块内部的污染。
附图说明
图1是现有功率模块示意图；
图2是现有功率模块侧面剖视简化示意图；
图3是本发明的IPM功率模块示意图；
图4是本发明的IPM功率模块去除PCB的内部示意图；
图5是本发明的IPM功率模块侧面剖视简化示意图；
图6是本发明的IPM功率模块的端子结构示意图；图6A为刚性连接结构，图6B为弹性连接结构；
图7是本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图；
图8是本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图；
图9是本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图；
图10是本发明的IPM功率模块另一种实施例的端子结构示意图；
图11是本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图3所示，本发明所述的结构紧凑型IPM功率模块，包括底板1，设置于底板上的绝缘基板2，绝缘基板通过焊料焊接到底板1。芯片3及针形电极4通过焊料焊接到绝缘基板，同时通过铝线5键合连接芯片和绝缘基板，形成功率回路。绝缘基板上方设置控制电路板6，即，绝缘基板位于模块下层，控制电路板位于模块上层，优化模块内部结构。控制电路板上设有控制回路，控制电路板PCB通过针形电极4与绝缘基板2电性连接，将控制回路与功率回路连接。
本发明的结构紧凑型IPM功率模块还包括固定于底板上的外壳7，外壳四周设置若干端子8，端子本体固定于外壳上，端子8注塑在外壳7中，端子8的结构相同，并且可以根据实际电路拓扑需要，灵活设置端子8的数量和位置，外壳7与底板1间通过密封胶粘接。端子8实现开关芯片驱动信号传输、温度及电流采样、电源输入及输出的功能，端子尾部插入控制电路板四周对应设置的连接孔中，固定并电性连接控制电路板；端子头部伸出外壳电性连接外部电路，所有端子头部均不位于控制电路板PCB的正上方；控制电路板PCB与外壳端子连接，使得模块回路与外部系统回路衔接。
如图4所示，去除PCB的IPM功率模块的下层示意图，针形电极4的位置设置考虑铝线键合的空间，因此可以与芯片3在同一工序焊接，可以极大的提高生产效率。当然也可以在DBC焊接后再焊接。同时，在DBC焊接到底板之前，每片DBC均可以进行电性能测试，尽早筛选出失效芯片，避免整只模块的报废，降低生产成本。
如图5所示，IPM功率模块侧面剖视简化示意图，针形电极头部与外壳端子尾部均设有连接结构，在外壳7固定到底板1后，将控制电路板PCB上的连接孔分别对准针形电极头部与外壳端子尾部，施力缓慢按压，将针形电极头部与外壳端子尾部插入控制电路板PCB连接孔内，实现稳固连接。
针形电极4焊接在绝缘基板2上，针形电极头部插入控制电路板6对应设置的连接孔中。针形电极头部连接部为刚性连接或弹性连接。
针形电极头部和外壳端子尾部连接部可以是普通针状，即通过锡焊刚性连接；也可以是press-fit结构，即弹性连接。由于press-fit连接为弹性连接，所以在振动过程中具有一定缓冲作用，减小振动过程相对位移造成的疲劳损伤。另外，press-fit结构取代锡焊连接，可以提高生产效率，避免焊锡过程中飞溅锡珠的污染。
如图6所示，本发明的IPM功率模块的端子结构示意图，端子8包括端子头部8-1和端子尾部8-2，呈U型结构；端子头部8-1包括伸出外壳的头部连接部；端子尾部8-2包括尾部支撑部8-3和尾部连接部8-4，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，尾部支撑部对控制电路板进行支撑和限位。
其中，尾部连接部8-4可以是类似press-fit的弹性结构，如图6B，也可以是刚性结构，如图6A。
如图7所示，本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图，针形电极4焊接在绝缘基板DBC上，针形电极设有缓冲部4-1。
施力按压控制电路板PCB时，使得外壳端子尾部插入控制电路板PCB的连接孔内，针形电极与控制电路板压接。在压接过程中，针形电极端部与控制电路板PCB逐渐接触，其缓冲部4-1变形产生弹力使针形电极端部与控制电路板PCB紧密接触。
如图8所示，本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图，针形电极4预先焊接在控制电路板PCB上，针形电极设有缓冲部4-1。
施力按压控制电路板PCB时，使得外壳端子尾部插入控制电路板PCB的连接孔内，针形电极与绝缘基板DBC压接。在压接过程中，针形电极端部与绝缘基板逐渐接触，其缓冲部变形产生弹力使针形电极端部与绝缘基板紧密接触。
如图9所示，本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图，针形电极预先焊接在控制电路板PCB上，控制电路板通过外壳端子固定在外壳上，在安装外壳的过程中，针形电极端部与绝缘基板DBC逐渐接触。当外壳安装到位后，针形电极缓冲部变形产生弹力使端部与DBC紧密接触。
如图10所示，本发明的IPM功率模块另一种实施例的端子结构示意图，端子包括端子头部和端子尾部，端子尾部设置于控制电路板上方，端子头部设置于端子尾部上方。
端子头部包括伸出外壳的头部连接部；端子尾部包括尾部支撑部8-3和尾部连接部8-4，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，支撑部对控制电路板进行支撑和限位。其中，尾部连接部8-4可以是类似press-fit的弹性结构，也可以是刚性结构。
如图11所示，本发明的IPM功率模块另一种实施例的侧面剖视简化示意图，针形电极4焊接在绝缘基板上。先将控制电路板锁紧在外壳上，保证外壳端子尾部与控制电路板紧密连接。然后在安装外壳的过程中，针形电极端部与控制电路板逐渐接触。当外壳完全固定到底板后，针形电极端部与控制电路板形成紧密连接。外壳端子尾部和针形电极均可以设有缓冲结构。
绝缘基板由三层结构，中间的绝缘层材料一般为Al2O3、AlN、Si3N4或其它绝缘材料中的一种，绝缘层的两侧设置有金属层，如Cu、Al等。

Claims (10)

1.一种结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，包括设置于底板(1)上的绝缘基板(2)，绝缘基板上设置功率电路；
以及位于绝缘基板(2)上方的控制电路板(6)；
还包括固定于底板(1)上的外壳(7)，外壳周边设置有端子(8)，端子尾部(8-2)与控制电路板接触，并电性连接控制电路板；
同时，端子头部(8-1)伸出外壳电性连接外部电路；
所述控制电路板(6)通过针形电极(4)电性连接所述绝缘基板。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述控制电路板上设置有连接孔，所述端子尾部(8-2)插入控制电路板的连接孔中，固定并电性连接控制电路板。
3.根据权利要求1所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述控制电路板固定在所述外壳(7)上，所述端子尾部(8-2)与控制电路板的焊盘接触，电性连接控制电路板。
4.根据权利要求2或3所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，外壳的四周设置有端子(8)。
5.根据权利要求2所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述端子(8)包括端子头部(8-1)和端子尾部(8-2)，呈U型结构；
端子头部(8-1)包括伸出外壳的头部连接部；
端子尾部(8-2)包括尾部支撑部(8-3)和尾部连接部(8-4)，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，尾部支撑部对控制电路板进行支撑和限位。
6.根据权利要求2所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述端子(8)包括端子头部(8-1)和端子尾部(8-2)，端子尾部(8-2)设置于控制电路板(6)上方，端子头部(8-1)设置于端子尾部(8-2)上方；
端子头部(8-1)包括伸出外壳的头部连接部；
端子尾部(8-2)包括尾部支撑部(8-3)和尾部连接部(8-4)，尾部连接部插入控制电路板连接孔内，尾部支撑部对控制电路板进行支撑和限位。
7.根据权利要求5或6所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述尾部连接部(8-4)为刚性连接结构或弹性连接结构。
8.根据权利要求1所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述针形电极(4)焊接在绝缘基板(2)上，头部插入控制电路对应设置的连接孔中；针形电极头部为刚性连接结构或弹性连接结构。
9.根据权利要求1所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述针形电极(4)焊接在绝缘基板上，包括缓冲部(4-1)；
针形电极与控制电路板压接时，所述缓冲部变形产生弹力使针形电极端部与控制电路板紧密接触。
10.根据权利要求1所述的结构紧凑型IPM功率模块，其特征在于，所述针形电极(4)焊接在控制电路板上，包括缓冲部(4-1)；
针形电极与绝缘基板压接时，所述缓冲部变形产生弹力使针形电极端部与绝缘基板紧密接触。
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