CN112993616A

CN112993616A - 功率模块结构

Info

Publication number: CN112993616A
Application number: CN201911290617.0A
Authority: CN
Inventors: 方赏华; 李亮星; 赵凯; 时海定; 冯加云; 王玉麒; 方杰; 常桂钦; 徐凝华; 吴义伯
Original assignee: Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN112993616B

Abstract

本发明涉及一种功率模块结构，涉及半导体器件技术领域，用于改善端子与内部电路板之间的硬连接并提升功率模块的可靠性。本发明的功率模块结构，包括盖板、散热基板和弹性导电元件，由于在端子与内部电路板之间设置了弹性导电元件，并且仅弹性导电元件与内部电路板之间的连接为硬连接，而弹性导电元件与端子之间的连接为接触连接，因此在实现电气导通的前提下，使二者之间具有缓冲的余量，避免了现有技术中的硬连接及由此引入的不确定性，有利于功率模块结构在该连通界面可靠性的提升。

Description

功率模块结构

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别地涉及一种功率模块结构。

背景技术

在现有的功率模块结构中，端子作为自由零件，其一端通过硬连接与焊接到内部电路板上的套管连成一体，其另一端与外部电路板(PCBA)相连。其中，端子与内部电路板之间和/或与外部电路板之间的硬连接会引入的不确定性，不利于产品在该连通界面可靠性的提升；此外，在实际应用中，存在三个连接界面，即端子与PCBA之间的连接界面、端子与套管之间的连接界面以及套管与内部电路板之间的连接界面，这三个连接界面之间均为硬连接，因此需要通过系统策划和大量实验数据的积累，最终才能解决它们之间的矛盾并形成各界面的考核标准。

发明内容

本发明提供一种功率模块结构，用于改善端子与内部电路板之间的硬连接并提升功率模块的可靠性。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种功率模块结构，包括：

盖板，所述盖板上至少一体式地设置有一个端子；

散热基板，所述散热基板上设置有内部电路板，所述盖板盖合在所述散热基板上；以及

弹性导电元件，其设置在盖板与所述散热基板之前；

其中，所述弹性导电元件的一端与所述内部电路板固定连接，所述弹性导电元件的另一端与所述端子接触连接。

在一个实施方式中，所述弹性导电元件包括用于与所述端子相连的插接变形部以及用于与所述内部电路板固定相连的固定部；

其中，所述盖板上面向所述内部电路板的端面上设置有台阶孔，所述插接变形部的至少一部分设置在所述台阶孔中以与所述端子相连。

在一个实施方式中，所述插接变形部伸入所述台阶孔中并与所述端子相连的部位设置有用于减小电阻的触点。

在一个实施方式中，所述插接变形部与所述固定部一体成型或分体组装连接形成。

在一个实施方式中，所述插接变形部包括：

导电弹簧，其螺旋线垂直于所述内部电路板的工作面，所述导电弹簧的一端插入所述固定部中并与所述固定部相连；以及

导电柱；其设置在所述导电弹簧远离所述固定部的一端，所述导电柱设置在所述台阶孔中以与所述端子相连。

在一个实施方式中，所述插接变形部包括：

导电簧片，其一端插入所述固定部上开设的槽体中；以及

导电片，其设置在所述导电簧片远离所述固定部的一端，所述导电片设置在所述台阶孔中以与所述端子相连。

在一个实施方式中，所述导电簧片构造为S形或蛇形结构。

在一个实施方式中，所述插接变形部包括缓冲板以及设置在所述缓冲板远离所述固定部的一端的导电板，所述导电板设置在所述台阶孔中以与所述端子相连；

其中，所述缓冲板具有沿其侧部表面凸起的弯曲部以及限位柱，所述限位柱的一端固定于所述缓冲板，所述限位柱的另一端与所述固定部之间设置有间隙，所述间隙为所述缓冲板的最大缓冲行程。

在一个实施方式中，所述盖板与所述端子一体式形成。

在一个实施方式中，还包括位于所述散热基板上且环绕所述盖板的四周设置的框架，所述框架的侧部设置有功率母排；

其中，所述框架上设置有防差错连接柱，所述盖板上设置有防差错连接孔，所述盖板盖合在散热基板后，所述防差错连接柱伸入所述防差错连接孔中。

在一个实施方式中，所述盖板上至少设置有两个注胶孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：由于在端子与内部电路板之间设置了弹性导电元件，并且仅弹性导电元件与内部电路板之间的连接为硬连接，而弹性导电元件与端子之间的连接为接触连接，因此在实现电气导通的前提下，使二者之间具有缓冲的余量，避免了现有技术中的硬连接及由此引入的不确定性，有利于功率模块结构在该连通界面可靠性的提升。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1-3是本发明的不同实施例中功率模块结构的立体结构示意图；

图4是图1所示盖板的正面立体结构示意图；

图5是图1所示盖板的背面立体结构示意图；

图6是图1所示盖板的局部剖视图；

图7是图1所示的功率模块结构的局部剖视图；

图8是图7在A处的放大图；

图9是图1所示的功率模块结构的局部结构示意图；

图10-12是本发明的不同实施例中弹性导电元件的立体结构示意图；

图13是本发明的另一实施例中盖板的立体结构示意图。

附图标记：

1-端子；

2-盖板；21-台阶孔；211-第一孔；212-第二孔；22,23-防差错连接孔；24-注胶孔；

3-散热基板；31-散热片；

4-框架；41,42-防差错连接柱；

5-功率母排；6-连接件；

7-弹性导电元件；71-插接变形部；

711-导电弹簧；712-导电柱；

713-导电簧片；714-导电片；

715-缓冲板；716-弯曲部；717-限位柱；718-导电板；

72-固定部；721-增强底面；722-槽体；723-铰链；

8-内部电路板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，本发明提供一种功率模块结构，包括盖板2以及散热基板3，盖板2上至少一体式地设置有一个端子1；散热基板3上设置有内部电路板8，盖板2盖合在散热基板3上。其中，端子1与内部电路板8之间通过弹性导电元件7相连并电气导通。

在使用时，端子1的一端通过弹性导电元件7与内部电路板8电气连通，另一端与外部电路板(PCBA，未图示)相连从而与外部电路板电气连通。

需要说明的是，本发明的内部电路板8是指位于盖板2以及散热基板3形成的空腔中的电路板，如陶瓷电路板；外部电路板(PCBA)是指位于盖板2的外侧的电路板，在使用时，本发明的功率模块结构通过端子1与外侧的电路板电气连通。

进一步地，本发明所述的端子优选为如图1-3中所示的压入连接(press-fit)端子。如图8所示，压入连接端子的上端构造为枣核形(或称为梭形)且内部中空的结构，其径向尺寸大于外部电路板中的导电插件孔的直径，因此当将其插入外部电路板的导电插件孔中时，其会发生变形从而保证与外部电路板之间的电气导通。

此外，本发明所述的端子还可以是任意形状的焊接端子或者其他端子(未图示)，其可以与外部电路板通过焊接等方式形成电气连接。

下面以图1-3所示的压入连接端子为例对本发明的功率模块结构进行详细地说明。

进一步地，弹性导电元件7在自然状态下的高度大于或等于端子1与内部电路板8之间的距离。从而使盖板2盖合在散热基板3上时，弹性导电元件7的两端分别与端子1与内部电路板8相连，或者弹性导电元件7稍微地被压缩。具体来说，弹性导电元件7的其中一端与内部电路板8固定连接，例如焊接，以形成稳定的电气连接基体，而弹性导电元件7的另一端可以与端子1接触连接，从而能够避免连接界面之间的过约束现象。

因此通过弹性导电元件7可以使得端子1与内部电路板8之间不仅形成电气连接，并且具有机械缓冲功能。因此能够吸收或消除功率模块结构在实际使用过程中从其内部或外部引入的热应力、机械应力或电应力，从而间接提高了端子1与电路间及其他界面之间连接的可靠性。

现有技术中，由于端子并未与盖板集成为一体，因此其一般是采用一端与内部电路板焊接，另一端贯穿盖板后与外部电路板插接相连；或者直接将端子的两端分别与内部电路板和外部电路板焊接，无论是哪种方式，都会使端子处于硬连接的状态，从而在承受应力时，在诸如焊接部位等应力集中或者薄弱环节容易出现损坏或损伤。

而与现有技术不同的是，本发明的功率模块结构中，端子1是集成在盖板2上，且由于在端子1与内部电路板8之间设置了弹性导电元件7，因此在实现电气导通的前提下，使二者之间具有缓冲的余量，因此弹性导电元件7能够吸收应力，从而避免了现有技术中的硬连接及由此引入的不确定性，有利于功率模块结构在该连通界面可靠性的提升。

此外，本发明功率模块结构，仅弹性导电元件7与内部电路板8之间的连接为硬连接，而弹性导电元件7与端子1之间的连接为接触连接，因此能够减少连接界面之间的相互矛盾，从而使本发明的功率模块结构在研发时无需要投入巨大的实验成本和资源，且不确定性更小，从而使用更可靠。

如上所述，盖板2上一体式地设置端子1，使端子1能够与盖板2形成一个整体，不仅有利于与弹性导电元件7的接触连接，更有利于提高生产效率。

其中，端子1可以作为镶嵌零件集成到盖板2上。将端子1集成到盖板2上，可以通过模具成型保证所有端子1的功能特征在相对可控且精确的高度范围内，能够提升产品良率，从而间接降低产品生产和品质成本。并且由于端子1集成到盖板2上，因此所有端子1能够随盖板2通过专用工装一次装配到位，以提高生产效率。

进一步地，每一个端子1均可作为一个独立的导电零件被当作镶嵌件与盖板2通过注塑或其他成型方式集成为一体。

端子1可根据实际情况和需要进行设置。例如针对单一产品，如图1所示，端子1可以进行一对一定制，即端子1的数量和位置严格按照产品需求的端子1的数量和设置位置来进行排布。或者如图2所示，针对系列化产品，在端子1单价极低的情况下，端子1还可按照矩阵式排布在盖板2上，在实际应用中，则对不需要的端子1进行剪除操作。或者如图3所示，还可按照系列化产品对端子1关于数量、排布方式和位置的全部要求，在模具上按照物料编码相应地增加或减少模具零件，以同一套模具实现所有盖板2的定制化需求。

由此，在设计阶段就系统地考虑所有系列化产品的需求，从而降低产品开发的成本。

具体来说，弹性导电元件7包括用于与端子1相连的插接变形部71以及用于与内部电路板8固定相连的固定部72；其中，盖板2上面向内部电路板8的端面上设置有台阶孔21，插接变形部7的至少一部分设置在台阶孔21中以与端子1相连。

进一步地，插接变形部71伸入台阶孔21中并与端子1相连的部位设置有用于减小电阻的触点(未图示)。例如设置银触点，以减小插接变形部71与端子1之间的接触电阻。其中，触点可以是在插接变形部71的端部通过镀层或涂层形成。

进一步地，插接变形部71与固定部72一体成型或分体组装连接形成。其中，在盖板2安装之前，固定部72就已经通过专用焊接工装与内部电路板8焊接为一体。

在一些可选的实施例中，如图10所示，插接变形部71包括导电弹簧711和导电柱712。其中，导电弹簧711的螺旋线垂直于内部电路板8的工作面，导电弹簧711的一端插入固定部72中并与固定部72相连。导电柱712设置在导电弹簧711远离固定部72的一端，导电柱711设置在台阶孔21中以与端子1相连。

如图6和8所示，台阶孔21包括沿盖板2的高度方向依次设置的第一孔211和第二孔212，第一孔211的直径大于第二孔212的直径，使导电柱711能够穿过第一孔211并伸入第二孔212中。端子1设置在盖板2上台阶孔21的相应位置处，且端子1的端部通过台阶孔21裸露出来。因此当导电柱711伸入第二孔212中后即可与端子1相连，由于固定部72与内部电路板8相连，因此即可使端子1和内部电路板8电气导通。

如上所述，可以在导电柱712的端部设置银触点，以减小其与端子1之间的接触电阻。

在一些可选的实施例中，如图11所示，插接变形部71包括导电簧片713和导电片714。其中，导电簧片713的一端插入固定部72上开设的槽体722中；导电片714设置在导电簧片713远离固定部72的一端，导电片714设置在台阶孔21中以与端子1相连。

进一步地，导电簧片714构造为S形或蛇形结构，即导电簧片714通过产生弹性形变来缓冲应力。导电簧片714通过材料选型、尺寸选择以及S形或蛇形结构的匹配设计来保证盖板2装配后对导电接触界面力的要求。

此外，固定部27与导电簧片714可以通过硬连接集成为一体，可以如图11所示，固定部27可以通过铰链723与槽体722中的导电簧片713的端部相连接。

如上所述，可以在导电片714的端部设置银触点，以减小其与端子1之间的接触电阻。

在一些可选的实施例中，如图12所示，插接变形部71包括缓冲板715以及设置在缓冲板715远离固定部72的一端的导电板718，导电板718设置在台阶孔21中以与端子1相连。其中，缓冲板715具有沿其侧部表面凸起的弯曲部716以及限位柱717，弯曲部716向着远离缓冲板715的方向凸起，并且在缓冲板715的另一侧形成空腔，从而使缓冲板715能够通过产生弹性形变来缓冲应力。

弯曲部716可以对称于限位柱717的方式设置两个。进一步地，限位柱717的一端固定于缓冲板715，限位柱717的另一端与固定部72之间设置有间隙d，间隙d为缓冲板715的最大缓冲行程。即缓冲板715发生最大形变时，限位柱717的另一端与固定部72相接触，从而避免盖板2装配过程中的误操作引起的损伤或压塌弯曲部716。

如上所述，可以在导电板718的端部设置银触点，以减小其与端子1之间的接触电阻。

需要说明的是，本发明的插接变形部71并不限于上述实施方式，可以理解地，只要是通过产生弹性形变来缓冲应力的结构均应落入本发明的保护范围之内。

此外，在上述可选的实施例中，固定部72与内部电路板8相连的端面均可设置为增强底面721，增强底面721可以通过机械加工或腐蚀工艺制造获得，该增强底面721能够促使固定部72与内部电路板8的焊接界面得以增强。例如增强底面721可以构造为凹凸不平的底面，以增强与内部电路板8的连接。

此外，本发明的功率模块结构还包括位于散热基板3上且环绕盖板2的四周设置的框架4，框架4的侧部设置有功率母排5。如图7和9所示，框架4上设置有防差错连接柱41,42，盖板2上设置有防差错连接孔22,23，盖板2与散热基板3盖合后，防差错连接柱41,42伸入防差错连接孔22,23中。

防差错连接柱41,42分别设置在框架4的不同侧边上，例如，防差错连接柱41设置在框架4的前侧靠左的位置处，防差错连接柱42设置在框架4的后侧靠右的位置处。如图4和5所示，防差错连接孔22,23设置在盖板2的相应位置处，防差错连接柱41,42具有防差错功能(防呆功能)，从而能避免盖板2与框架4的装配错误；此外，防差错连接孔22,23还可对盖板2的装配起到导向和定位功能。

此外，框架4上还设置有连接件6，其中，连接件6可以是镶嵌在框架4中的螺母(锈钢螺母或铜螺母)或者开设在框架4上的自攻螺钉装配孔，通过上述连接件6，能够将盖板2、框架4以及散热基板3固定连接成一个整体，从而保证端子1与内部电路板8实现可靠连通。例如，连接件6在框架4的轴向边缘等间距地设置。

可以理解地，连接件6的数量和设置方式并不局限与本发明图示的方式，而是可以按照实际需要进行设置，本发明对此并不进行限定。

进一步地，散热基板3远离内部电路板8的一侧设置有散热片31，从而保证对内部电路板8的正常散热。

在一些实施例中，如图13所示，盖板2上至少设置有两个注胶孔24。在上述实施例中，框架4安装并注硅凝胶固化后再安装盖板2，虽然能够通过肉眼直接观测注胶过程和注胶质量，但在装配盖板2过程中可能会因为弹性导电元件7的扰动而引发内部硅凝胶结构的破裂。因此考虑到以上风险，在盖板2上开设两个或多个注胶孔24，如此便可以在盖板2装配后通过注胶孔24向功率模块的内部进行硅凝胶的灌注，也避免了上述潜在的风险。

需要说明的是，本发明并不对注胶孔24的具体位置和排布方式进行限定，可以根据实际需要选择性地设置。

上述实施例中的弹性导电元件7由导电材料制成，例如金属材料，以实现电气导通。

综上所述，本发明的功率模块结构，其避免了端子1与内部电路板8之间的硬连接及由此引入的不确定性，有利于功率模块结构在该连通界面可靠性的提升。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种功率模块结构，其特征在于，包括：

盖板，所述盖板上一体式地设置有至少一个端子；

弹性导电元件，其设置在盖板与所述散热基板之间；

其中，所述弹性导电元件的一端与所述内部电路板相连，所述弹性导电元件的另一端与所述端子相连。

2.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述弹性导电元件包括用于与所述端子相连的插接变形部以及用于与所述内部电路板固定相连的固定部；

3.根据权利要求2所述的功率模块结构，其特征在于，所述插接变形部伸入所述台阶孔中并与所述端子相连的部位设置有用于减小电阻的触点。

4.根据权利要求2或3所述的功率模块结构，其特征在于，所述插接变形部与所述固定部一体成型或分体组装连接形成。

5.根据权利要求2或3所述的功率模块结构，其特征在于，所述插接变形部包括：

6.根据权利要求2或3所述的功率模块结构，其特征在于，所述插接变形部包括：

导电簧片，其一端插入所述固定部上开设的槽体中；以及

7.根据权利要求6所述的功率模块结构，其特征在于，所述导电簧片构造为S形或蛇形结构。

8.根据权利要求2或3所述的功率模块结构，其特征在于，所述插接变形部包括缓冲板以及设置在所述缓冲板远离所述固定部的一端的导电板，所述导电板设置在所述台阶孔中以与所述端子相连；

9.根据权利要求1-3中任一项所述的功率模块结构，其特征在于，还包括位于所述散热基板上且环绕所述盖板的四周设置的框架，所述框架的侧部设置有功率母排；

10.根据权利要求1-3中任一项所述的功率模块结构，其特征在于，所述盖板上至少设置有两个注胶孔。