CN116544220A - Dc-dc电源模块封装结构、及其封装方法和相应新电感结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DC‑DC电源模块封装结构、及其封装方法和相应新电感结构。本发明DC‑DC电源模块采用倒U型一体化层压内埋式基板的封装结构，采用集顶面基板、侧面基板、底面基板于一体的无焊接结构。DC‑DC电源芯片及外围器件焊接在顶面基板上，集具有输入降噪寄生电感的四片U型导体与输出滤波电感于一体的新电感焊接在底面基板上。在新电感磁体的对面两侧且左右对称地每侧各贴两片U型铜导体，四铜导体的顶部与底部分别与顶面基板与底面基板焊接，以此构成电源模块的输入输出大电流通路并经底面基板的焊盘对外连接。本发明封装结构由模块顶面散热以优化散热路径,具有产品结构紧凑、功率密度高、电磁噪声小、产品生产便捷、散热效果好、可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及一种DC-DC电源模块封装结构、及其封装方法和相应新电感结构，适用于各类需要DC-DC电源模块的应用场合。
背景技术
直流电源是各类用电装置正常运行的前提，其中的DC-DC开关电源模块因具有简单易用、体积小、整体可靠性高等特点而得到广泛应用，DC-DC电源模块主要由DC-DC电源芯片、滤波(或储能)电感及少数外围器件、基板、密封材料等封装组成。目前DC-DC电源模块常用的封装结构主要有如下三种：方案1：水平布局式封装结构(如附图1所示，其中：101：塑封；102：芯片；103：基板；105与106：电感A两个电极；104：电感A)，所有元器件都焊接在同一个基板上，然后用环氧树脂等材料将其密封封装成电源模块产品，具有防水防尘、可靠性高、内部电源芯片输入输出较容易引出等优点。存在的不足之处在于：空间利用率不高、功率密度低、PCB发热较严重。方案2：将电感架高后在其底部放置DC-DC电源芯片等(如附图2所示，其中：101：塑封；108与109：电感B两个架高电极；103：基板；102：芯片；107：电感B)，该结构具有方案1的主要优点外，其体积得以缩小，模块功率密度有所提高。存在的不足之处在于：电源芯片所在的PCB基板发热仍较严重，电源芯片与电感发热集中。方案3：采用双基板结构，将电感器焊接在两个基板之间(如附图3所示，其中：102：芯片；112：电感C；103：基板；111：顶面基板；110：左侧排针；113：右侧排针)，其中，电源芯片的散热由顶面基板向上散热，有较大改善。存在的不足之处在于：两块基板之间需要额外增加供电和信号连接通路，一般采用排针进行单独焊接，多个分立的供电以及信号通路增加了电源模块的加工难度，导致良品率与可靠性不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种DC-DC电源模块封装结构、及其封装方法和相应新电感结构。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种新电感结构，包括新电感本体(5)、新电感底电极(6)、新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)等四片U型导体；正面左导体(8)与背面左导体(8-1)在新电感本体(5)的左边对面两侧对称设置，正面右导体(9)与背面右导体(9-1)在新电感本体(5)的右边对面两侧对称设置；每片U型导体结构的两个侧面对应命名为底端(8A、9A、8-1A、9-1A)和顶端(8B、9B、8-1B、9-1B)；新电感本体(5)通过新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)等四片U型导体焊接在基板上。
进一步的，正面左导体(8)与背面左导体(8-1)、正面右导体(9)与背面右导体(9-1)流过的电流同向且等值或基本等值。
进一步的，新电感本体(5)经新电感底电极(6)、正面左导体(8)的底端(8A)、背面左导体(8-1)的底端(8-1A)、正面右导体(9)的底端(9A)、背面右导体(9-1)的底端(9-1A)焊接在底面基板内侧(4-1)；新电感本体(5)经新电感顶电极(7)、正面左导体(8)的顶端(8B)、背面左导体(8-1)的顶端(8-1B)、正面右导体(9)的顶端(9B)、背面右导体(9-1)的顶端(9-1B)焊接在顶面基板内侧(1-1)；电源芯片(10)及其外围元件Ⅰ(12-1)与外围元件Ⅱ(12-2)焊接在顶面基板外侧(1-2)。
一种DC-DC电源模块封装结构，DC-DC电源模块采用倒U型一体化层压内埋式基板的封装结构，采用集顶面基板(1)、侧面基板(2)、底面基板(4)于一体的无焊接结构，DC-DC电源芯片(10)及其外围元件(12-1)和(12-2)焊接在顶面基板(1)上，集具有输入降噪寄生电感的四片U型导体与输出滤波电感于一体的新电感结构焊接在底面基板(4)上，整个DC-DC电源模块可以采用环氧树脂密封封装。
进一步的，电源模块中的供电输入UIN、稳压输出UOUT的大电流通路由新电感底电极(6)、新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)分别与顶面基板内侧(1-1)、底面基板内侧(4-1)焊接在一起形成，并通过底面基板外侧(4-2)表面的输入焊盘Ⅰ(13)、输入焊盘Ⅱ(14)、输入焊盘Ⅲ(15)、输入焊盘Ⅵ(16)、输出焊盘(18)对外连接；此外电源模块中所需的测控信号经侧面基板(2)设置的信号过孔(3)将顶面基板(1)与底面基板(4)进行无焊接的连通，并从底面基板外侧(4-2)表面的信号过孔焊盘(17)输出以监测DC-DC电源模块的运行状态或输入DCDC模块外部控制，反馈等信息。
进一步的，所述的信号过孔(3)有多个，均匀布置在侧面基板(2)中，且每个信号过孔(3)对应一个信号过孔焊盘(17)。
进一步的，所述的U型的导体结构为铜导体，共4片，左右对称地每侧各贴两片，即正面左导体(8)与背面左导体(8-1)对称的同时正面左导体(8)与正面右导体(9)对称。
一种DC-DC电源模块封装方法，包括如下步骤：
步骤(1)、先做好底面基板(4)，并在底面基板外侧(4-2)表面预先设置DC-DC电源模块的对外连接焊盘，其中四个输入焊盘(13、14、15、16)对称设置；在底面基板内侧(4-1)预设焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)的焊盘；
步骤(2)、在底面基板内侧(4-1)表面焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)；
步骤(3)、层压PCB，形成侧面基板(2)，在侧面基板(2)内预设信号过孔(3)；
步骤(4)、在新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)预先敷设焊料，层压顶面基板(1)，实现顶面基板内侧(1-1)表面与新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)间的焊接，并实现顶面基板(1)与侧面基板(2)中信号过孔(3)间的连接；
步骤(5)、在顶面基板外侧(1-2)表面上焊接电源芯片(10)及其外围元件；步骤(6)、用环氧树脂(11)对电源模块进行包裹密封封装，形成DC-DC电源模块封装结构。
本发明的DC-DC电源模块采用倒U型一体化层压内埋式基板的封装结构，采用集顶面基板、侧面基板、底面基板于一体的无焊接结构。DC-DC电源芯片及其外围器件焊接在顶面基板上，集具有输入降噪寄生电感的四片U型导体与输出滤波电感于一体的新电感焊接在底面基板上。在新电感磁体的对面两侧且左右对称地每侧各贴两片U型铜导体，四铜导体的顶部与底部分别与顶面基板与底面基板焊接，以此构成电源模块的输入输出大电流通路并经底面基板的焊盘对外连接，且因这四片铜导体贴在新电感磁体外侧而具寄生电感属性，将其两两并联后分布于模块供电输入回路的正负支路中，使得对供电输入可能存在的高频噪声进行滤波并抵消输入侧产生的电磁噪声。本发明的电源模块结构，由模块顶面散热以优化散热路径。本发明具有产品结构紧凑、功率密度高、电磁噪声小、产品生产便捷、散热效果好、可靠性高等特点。
本发明的有益效果如下：
本发明在DC-DC电源模块内采用电源芯片与电感的叠层组合结构，缩小了占板面积与体积、提高功率密度，并采用模块顶面散热以优化散热路径。在倒U型内埋式无焊接一体化基板的侧面基板中设置了小信号过孔，将电源芯片(或晶圆)中必要的测控信号无焊接的连接到底面基板并输出。采用新结构的电感并内埋，该新结构电感既具有电感原有的功能，又因在电感磁体外侧设置的四片铜导体，不仅具有寄生电感属性起降噪作用，且四片铜导体的顶部与底部分别与顶面基板与底面基板焊接在一起，起到了顶面基板、底面基板间的大电流通路作用。通过合理的电路设计，电感外侧所设四片铜导体中的电流及方向彼此对称并可相互抵消输入侧的电磁噪声，避免了这些铜导体电流对电感磁性能的影响，且优化了DC-DC电源模块的EMI性能。本发明具有产品结构紧凑、功率密度高、电磁噪声小、产品生产便捷、散热效果好、可靠性高等特点。
附图说明
图1为现有的水平布局式电源模块的典型结构示意图(侧视图)；
图2为现有的采用架高电感的电源模块示意图(侧视图)；
图3为现有的双基板电源模块示意图(侧视图)；
图4为本发明的内埋式基板示意图(侧视图)；
图5为本发明的新电感结构示意图(侧视图)；
图6为本发明的新电感结构示意图(顶视图)；
图7为本发明的新电感结构示意图(底视图)；
图8为本发明中的新电感结构示意图(立体图)；
图9为本发明的新封装结构示意图(侧视图)；
图10为本发明的新封装结构示意图(顶视图)；
图11为本发明的新封装结构示意图(底视图)；
图12为本发明的新电源模块电路原理图示例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图4-12所示，一种DC-DC电源模块封装结构、及其封装方法和相应新电感结构，具体实现如下：
如图5～8所示，新电感包括新电感本体(5)、新电感底电极(6)、新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)等U型的四片导体。如图5和8所示，所述的U型的四片导体结构相同，均有底端(8A、9A、8-1A、9-1A)和顶端(8B、9B、8-1B、9-1B)。其中，正面左导体(8)与背面左导体(8-1)在新电感本体(5)的左边对面两侧对称设置，正面右导体(9)与背面右导体(9-1)在新电感本体(5)的右边对面两侧对称设置。正面左导体(8)与背面左导体(8-1)、正面右导体(9)与背面右导体(9-1)流过的电流同向且等值或接近。
如图4、8～11所示，本发明一种DC-DC电源模块封装方法中的DC-DC电源模块，采用倒U型一体化层压内埋式基板的封装结构，采用集顶面基板(1)、侧面基板(2)、底面基板(4)于一体的无焊接结构。如图10～11所示，DC-DC电源芯片(10)及其外围元件(12-1)和(12-2)焊接在顶面基板(1)上，集具有输入降噪寄生电感的四片U型导体与输出滤波电感于一体的新电感焊接在顶面基板(1)和底面基板(4)上。如图9所示，本发明的DC-DC电源模块可以整体采用环氧树脂密封封装。
如图7和8所示，新电感本体(5)经新电感底电极(6)、正面左导体(8)的底端(8A)、背面左导体(8-1)的底端(8-1A)、正面右导体(9)的底端(9A)、背面右导体(9-1)的底端(9-1A)焊接在底面基板内侧(4-1)；新电感本体(5)经新电感顶电极(7)、正面左导体(8)的顶端(8B)、背面左导体(8-1)的顶端(8-1B)、正面右导体(9)的顶端(9B)、背面右导体(9-1)的顶端(9-1B)焊接在顶面基板内侧(1-1)；电源芯片(10)及其外围元件Ⅰ(12-1)与外围元件Ⅱ(12-2)焊接在顶面基板外侧(1-2)。
如图4、8～12所示，电源模块中的供电输入UIN、稳压输出UOUT的大电流通路由新电感底电极(6)、顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)分别与顶面基板内侧(1-1)、底面基板内侧(4-1)焊接在一起形成，并通过底面基板外侧(4-2)表面的输入焊盘Ⅰ(13)、输入焊盘Ⅱ(14)、输入焊盘Ⅲ(15)、输入焊盘Ⅵ(16)、输出焊盘(18)对外连接。此外电源模块中所需的测控信号经侧面基板(2)设置的信号过孔(3)将顶面基板(1)与底面基板(4)进行无焊接的连通，并从底面基板外侧(4-2)表面的信号过孔焊盘(17)输出以监测DC-DC电源模块的运行状态或输入DCDC模块外部控制，反馈信号。
进一步的，如图10和11所示，本发明所述的信号过孔(3)有多个，均匀布置在侧面基板(2)上，且每个信号过孔(3)对应一个信号过孔焊盘(17)。
进一步的，新电感本体5为矩形立体式。
进一步的，所述的U型的导体结构为铜导体，共4片，左右对称地每侧各贴两片，即正面左导体(8)与背面左导体(8-1)对称的同时正面左导体(8)与正面右导体(9)对称。
DC-DC电源模块装方法实现如下：
步骤(1)、如图4、11所示，先做好底面基板(4)，并在底面基板外侧(4-2)表面预先设置DC-DC电源模块的对外连接焊盘，如图11所示，其中四个输入焊盘对称设置。在底面基板内侧(4-1)预设焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)(见附图8)的焊盘；
步骤(2)、在底面基板内侧(4-1)表面焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)；
步骤(3)、层压PCB，形成侧面基板(2)，在侧面基板(2)内预设信号过孔(3)(见附图4、9)；
步骤(4)、如图4～8所示，在新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)预先敷设焊料，层压顶面基板(1)，实现顶面基板内侧(1-1)表面与新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)间的焊接，并实现顶面基板(1)与侧面基板(2)中信号过孔(3)间的连接；
步骤(5)、如图4、9、10所示，在顶面基板外侧(1-2)表面上焊接电源芯片(10)及其必要的外围元件；
步骤(6)、如图9所示，用环氧树脂(11)对电源模块进行包裹密封封装，形成DC-DC电源模块产品的整体。
进一步的，本发明通过将这四片铜导体贴在新电感磁体外侧而具寄生电感属性，将其两两并联后分布于模块供电输入回路的正负支路中，并使正背面左侧(右侧)两导体电流等值同向，使得对供电输入可能存在的高频噪声进行滤波并抵消输入侧产生的电磁噪声。本发明的电源模块结构，由模块顶面散热以优化散热路径。本发明还将电源模块中所需的测控信号利用侧面基板中的信号过孔在顶面基板与底面基板间无焊接的连通，并从底面基板中的焊盘输出以监测DC-DC电源模块的运行状态或输入DCDC模块外部的控制，反馈信号。本发明具有产品结构紧凑、功率密度高、电磁噪声小、产品生产便捷、散热效果好、可靠性高等特点。
进一步的，本发明的DC-DC电源模块产品的应用实施过程如下：
用户只要将本发明的DC-DC电源模块产品及其所需的输出滤波电容器Co1(见附图12)焊接在其应用系统中相关的电路板上，接通本发明的DC-DC电源模块的直流供电电源后即可给用户的应用系统进行稳压供电。
以上连接的实施过程即构成如附图12所示电源电路原理图的降压型DC-DC电源模块。
1)本发明以降压型DC-DC电源模块为例，同样容易据此拓展到升压型、升/降型DC-DC电源模块，因此，这些拓展也属于本发明的保护范围之内。
2)对新电感电极位置、及其外侧四片金属导体的位置设置与电流流向等做适当的重新布置组合也能达到类似效果，因此，这些重新布置组合也属于本发明的保护范围之内。
3)倒U型内埋式基板也可用除了在侧面基板中间采用信号过孔方式无焊接地将顶面基板与底面基板相连通方式以外的其他类似方式，因此，此类无焊接式的顶面基板与底面基板间的信号连接方式调整也属于本发明的保护范围之内。
4)倒U型基板可以将新结构内埋器件部分内埋或完整内埋，内埋程度的调节属于本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新电感结构，其特征在于包括新电感本体(5)、新电感底电极(6)、新电感顶电极(7)以及四片U型导体，四片U型导体包括正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)；正面左导体(8)与背面左导体(8-1)在新电感本体(5)的左边对面两侧对称设置，正面右导体(9)与背面右导体(9-1)在新电感本体(5)的右边对面两侧对称设置；每片U型导体结构的两个侧面对应命名为底端(8A、9A、8-1A、9-1A)和顶端(8B、9B、8-1B、9-1B)；新电感本体(5)通过新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)焊接在基板上。
2.根据权利要求1所述的一种新电感结构，其特征在于正面左导体(8)与背面左导体(8-1)、正面右导体(9)与背面右导体(9-1)流过的电流同向且等值。
3.根据权利要求2所述的一种新电感结构，其特征在于新电感本体(5)经新电感底电极(6)、正面左导体(8)的底端(8A)、背面左导体(8-1)的底端(8-1A)、正面右导体(9)的底端(9A)、背面右导体(9-1)的底端(9-1A)焊接在底面基板内侧(4-1)；新电感本体(5)经新电感顶电极(7)、正面左导体(8)的顶端(8B)、背面左导体(8-1)的顶端(8-1B)、正面右导体(9)的顶端(9B)、背面右导体(9-1)的顶端(9-1B)焊接在顶面基板内侧(1-1)；电源芯片(10)及其外围器件Ⅰ(12-1)与外围器件Ⅱ(12-2)焊接在顶面基板外侧(1-2)。
4.一种DC-DC电源模块封装结构，其特征在于DC-DC电源模块采用U型一体化层压内埋式基板的封装结构，采用集顶面基板(1)、侧面基板(2)、底面基板(4)于一体的无焊接结构，DC-DC电源芯片U型(10)及其外围元件(12-1)和(12-2)焊接在顶面基板(1)上，集具有输入降噪寄生电感的四片U型导体与输出滤波电感于一体的新电感结构焊接在底面基板(4)U型上，且整个DC-DC电源模块可以采用环氧树脂密封封装。
5.如权利要求4所示的一种DC-DC电源模块封装结构，其特征在于电源模块中的供电输入UIN、稳压输出UOUT的大电流通路由新电感底电极(6)、新电感顶电极(7)、正面左导体(8)、背面左导体(8-1)、正面右导体(9)、背面右导体(9-1)分别与顶面基板内侧(1-1)、底面基板内侧(4-1)焊接在一起形成，并通过底面基板外侧(4-2)表面的输入焊盘Ⅰ(13)、输入焊盘Ⅱ(14)、输入焊盘Ⅲ(15)、输入焊盘Ⅵ(16)、输出焊盘(18)对外连接；此外电源模块中所需的测控信号经侧面基板(2)设置的信号过孔(3)将顶面基板(1)与底面基板(4)进行无焊接的连通，并从底面基板外侧(4-2)表面的信号过孔焊盘(17)输出以监测DC-DC电源模块的运行状态。
6.如权利要求5所示的一种DC-DC电源模块封装结构，其特征在于所述的信号过孔(3)有多个，均匀布置在侧面基板(2)中，且每个信号过孔(3)对应一个信号过孔焊盘(17)。
7.如权利要求5或6所示的一种DC-DC电源模块封装结构，其特征在于所述的U型导体结构为铜导体，共4片，左右对称地每侧各贴两片，即正面左导体(8)与背面左导体(8-1)对称的同时正面左导体(8)与正面右导体(9)对称。
8.一种DC-DC电源模块封装方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)、先做好底面基板(4)，并在底面基板外侧(4-2)表面预先设置DC-DC电源模块的对外连接焊盘，其中四个输入焊盘(13、14、15、16)对称设置；在底面基板内侧(4-1)预设焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)的焊盘；
步骤(2)、在底面基板内侧(4-1)表面焊接新电感底电极(6)及其外围四片铜导体的底端(8A、8-1A、9A、9-1A)；
步骤(3)、层压PCB，形成侧面基板(2)，在侧面基板(2)内预设信号过孔(3)；
步骤(4)、在新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)预先敷设焊料，层压顶面基板(1)，实现顶面基板内侧(1-1)表面与新电感顶电极(7)及其外围四片铜导体的顶端(8B、8-1B、9B、9-1B)间的焊接，并实现顶面基板(1)与侧面基板(2)中信号过孔(3)间的连接；
步骤(5)、在顶面基板外侧(1-2)表面上焊接电源芯片(10)及其外围元件；
步骤(6)、可选用环氧树脂(11)对电源模块进行包裹密封封装，形成DC-DC电源模块封装结构。
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