CN116666337A - 一种塑封功率模块线路引出结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塑封功率模块线路引出结构及其制造方法，涉及半导体封装和电气技术领域，结构包括电路板、包裹电路板的塑封体、嵌于塑封体中并用于将电路板与外界连通的若干个套筒、若干个两端压接式引脚，以及开设有通孔的PCB基板；方法包括将功率元件固定在电路板上，功率元件包括芯片和套筒；通过金属连线将芯片与套筒连接；使用塑封材料对功率元件和电路板进行塑封形成塑封体，并留出套筒与外界的连通孔；将两端压接式引脚的两端分别通过过盈配合的方式压入套筒和PCB基板；其中，两端压接式引脚与套筒的过盈配合强度高于两端压接式引脚与PCB基板过盈配合的强度。本发明可以提高塑封功率模块线路引出结构的紧凑性，从而减低塑封成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装和电气技术领域，更具体地说，涉及一种塑封功率模块线路引出结构及其制造方法。
背景技术
在传统塑封模块中，功率端子基本从功率模块单侧引出端子形成SIP(SingleInline Package)模块，或从功率模块的双侧引出端子形成DIP(Dual Inline Package)模块。功率模块内部会形成一定电路拓扑，实现电能转换。引出的不同端子(引脚)连接至拓扑中不同节点的位置，导致电位不同，因此这些端子之间需要留出一定的间隙，以满足电气间隙和爬电距离的要求。从而导致功率模块引出端子侧的长度大，增加了模块的尺寸。另外，有些引出端子需要通过绝缘基板(DBC,AMB,IMS)上的线路层连接至引出端子，再引出模块，导致会增加水平方向线路的长度(如红色虚线所示)，从而增加了寄生电感，导致模块的EMI干扰严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种塑封功率模块线路引出结构及其制造方法，以解决背景技术中提到的问题。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种塑封功率模块线路引出结构，包括电路板、包裹所述电路板的塑封体、嵌于所述塑封体中并用于将所述电路板与外界连通的若干个套筒、若干个两端压接式引脚，以及开设有通孔的PCB基板；
所述两端压接式引脚的底端过盈配合嵌入于所述套筒，所述两端压接式引脚的顶端过盈配合嵌入于所述PCB基板的通孔内；
所述过盈配合嵌入前，所述两端压接式引脚的底端直径D1、所述两端压接式引脚的顶端直径d1、所述套筒的内径D2以及所述PCB基板的通孔的内径d2满足如下关系：
D1>D2；
d1>d2；
D1-D2≥d1-d2。
优选的，当D1＝d1时，D2<＝d2-50um。
优选的，所述塑封体的顶面高出所述套筒的顶端至少50um。
优选的，所述两端压接式引脚的顶端与底端均为尖头形状。
优选的，所述电路板还与侧面引脚的一端连接。
优选的，所述侧面引脚露出所述塑封体后向所述PCB基板的方向弯折，并与所述PCB基板的位于边缘的通孔连接。
优选的，所述电路板的表面上还设置有若干个芯片；
所述芯片通过金属连线与所述套筒在电路板上的连接部件连接或与所述侧面引脚连接。
一种塑封功率模块线路引出结构的制造方法，用于制作上述结构的方法包括如下步骤：
将功率元件固定在电路板上，所述功率元件包括芯片和套筒；
通过金属连线将所述芯片与所述套筒在电路板上的连接部件连接；
使用塑封材料对所述功率元件和所述电路板进行塑封形成塑封体，并留出套筒与外界的连通孔；
将两端压接式引脚的一端通过过盈配合的方式压入套筒；
将两端压接式引脚的另一端通过过盈配合的方式压入PCB基板的通孔；
其中，两端压接式引脚与套筒的过盈配合强度高于所述两端压接式引脚与所述PCB基板过盈配合的强度。
优选的，在形成所述塑封体之前将侧面引脚的一端固定在所述电路板上，并在塑封时令所述侧面引脚露出所述塑封体的侧面，且露出后向PCB基板的方向弯折。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1、从模块塑封体表面引出的两端压接式引脚，可用于替代现有技术中从侧面引出的信号端子和功率端子(为侧面引脚)，从而能够减少侧面侧面引脚的使用数量，最终减少模块尺寸，从而降低塑封成本。另外也可以减少功率部分的寄生参数，起到进一步减少EMI干扰。
2、采用过盈配合的方式，可以增加固定的牢固度，且设置两端压接式引脚与套筒的过盈配合强度高于两端压接式引脚与PCB基板过盈配合的强度，即，设置D1-D2≥d1-d2，可以使得在拆卸PCB基板时，在受同样的作用力时，PCB基板会先被拆卸下来，从而避免两端压接式引脚从套筒中脱离，增加结构的稳定性。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明组装示意图；
图3是现有结构到本发明结构的变化示意图；
图4是本发明方法的总体示意图。
图中：1、塑封体，2、侧面引脚，3、套筒，4、PCB基板，5、两端压接式引脚，6、芯片，7、电路板。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。
首先，对本申请涉及的部件进行具体介绍：
电路板7：电路板7是整个塑封功率模块的基础，用于安装功率元件(如芯片6和套筒3)。它可以由不同材料制成，如FR-4、铝基板、陶瓷基板等，以满足不同的热导率和机械强度需求。
塑封体1：塑封体1是由特定的塑封材料制成，用于包裹电路板7和功率元件，提供保护、绝缘和热传导功能。塑封材料可以是环氧树脂、硅橡胶等，具有良好的电气绝缘性和热传导性。
套筒3：套筒3是嵌入塑封体1中的金属部件，用于将电路板7与外界连通。套筒3可以由不同的金属材料制成，如铜、铝等，以满足不同的导电性能需求。
两端压接式引脚5：两端压接式引脚5是金属引脚，底端过盈配合嵌入套筒3，顶端过盈配合嵌入PCB基板4的通孔内。引脚的尖头形状有助于实现过盈配合。引脚材料可以是铜、镍、锡等，以提供良好的导电性能。
PCB基板4：PCB基板4是一个带有通孔的印刷电路板，用于连接两端压接式引脚5的顶端。基板可以由不同的材料制成，如FR-4、铝基板等，以满足不同的热导率和机械强度需求。
侧面引脚2：侧面引脚2是另一种用于连接电路板7和PCB基板4的金属引脚。它的一端与电路板7连接，另一端露出塑封体1的侧面并与PCB基板4的位于边缘的通孔连接。侧面引脚2可以由铜、镍、锡等材料制成。
芯片6：芯片6是电路板7上的功率元件，可以是功率MOSFET、IGBT等。芯片6通过金属连线与套筒3或侧面引脚2连接，以实现电气连接。
通过这些部件的组合和连接，可以实现一个具有良好导电性能和热传导性能的塑封功率模块线路引出结构。这个结构不仅可以减小模块尺寸，降低塑封成本，还可以减少功率部分的寄生参数，进一步降低EMI干扰。同时，采用过盈配合方式提高了组件之间的固定牢固度和结构稳定性。
更具体的，如图1所示为本发明实施例1，即本发明引出结构，包括如下部件：
(1)电路板7：作为功率模块的基础，电路板7上安装有功率元件，如芯片6和套筒3。芯片6通过金属连线与套筒3或侧面引脚2连接。其中：
电路板7：在一个实施例中，电路板7采用FR4材料制成，具有良好的热传导性和机械强度。在另一个实施例中，电路板7采用陶瓷基板，以提供更高的热导率和更稳定的性能。还可以采用金属基板，如铝基板或铜基板，以进一步提高热导率和降低热阻。
芯片6：在一个实施例中，芯片6可以是功率半导体器件，如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或SIC(碳化硅)器件。这些器件具有较高的开关速度和较低的导通压降。在另一个实施例中，芯片6可以是电源集成电路(Power IC)，用于控制和管理功率模块的工作。
金属连线：在一个实施例中，金属连线采用铜线或铝线制成，以实现较低的电阻和较高的电导率。在另一个实施例中，金属连线可以采用金线，具有优良的抗氧化性和可靠性。还可以采用其他合金材料，如铜铝合金、铜镍合金等，以实现不同的性能和成本需求。
套筒3：嵌入塑封体1中，用于将电路板7与外界连通。套筒3的顶端低于塑封体1的顶面。在一个实施例中，套筒3采用黄铜制成，以提供较高的电导率和较低的热膨胀系数。在另一个实施例中，套筒3可以采用不锈钢制成，具有较好的耐腐蚀性和较高的强度。还可以采用其他金属材料，如铝合金、锡合金等，以满足不同的性能和成本需求。
侧面引脚2：电路板7与侧面引脚2的一端连接，侧面引脚2露出塑封体1后向PCB基板4的方向弯折。在一个实施例中，侧面引脚2采用镀锡铜制成，以提供良好的导电性和防腐蚀性。在另一个实施例中，侧面引脚2可以采用镍铜合金，以提高引脚的强度和抗氧化性。还可以采用其他材料和表面处理工艺，如铝、锡等，以满足不同的性能和成本需求。
(2)塑封体1：由塑封材料制成，将电路板7及其上的功率元件包裹起来。塑封过程中，留出套筒3与外界的连通孔。
在一个实施例中，塑封体1采用环氧树脂(Epoxy Resin)制成，具有良好的电气绝缘性和热稳定性。在另一个实施例中，塑封体1可以采用硅橡胶(Silicone Rubber)制成，以提供较高的柔韧性和耐热性。还可以采用其他高分子材料，如聚酰亚胺(Polyimide)、聚苯硫醚(PPS)等，以满足不同的性能和环境需求。
(3)两端压接式引脚5：底端过盈配合嵌入套筒3，顶端过盈配合嵌入PCB基板4的通孔内。两端压接式引脚5的顶端与底端均为尖头形状。
在一个实施例中，两端压接式引脚5采用黄铜制成，以提供较高的电导率和较低的热膨胀系数。在另一个实施例中，两端压接式引脚5可以采用不锈钢制成，具有较好的耐腐蚀性和较高的强度。还可以采用其他金属材料，如铝合金、锡合金等，以满足不同的性能和成本需求。
(4)PCB基板4：具有通孔，用于与两端压接式引脚5的顶端过盈配合连接。侧面引脚2的另一端露出塑封体1的侧面并与PCB基板4的位于边缘的通孔连接。在一个实施例中，PCB基板4采用FR4材料制成，具有良好的机械强度和热传导性。在另一个实施例中，PCB基板4可以采用铝基板或铜基板制成，以提高热导率和降低热阻。还可以采用其他材料，如陶瓷基板、高频基板等，以满足不同的性能和应用需求。
如图2并参考图4所示，为本发明实施例二中的组装过程，可以包括如下步骤：
(1)准备材料和组件：根据所需性能、环境要求和成本预算，选择合适的电路板7材料(例如FR4、铝基板等)、塑封体1材料(例如环氧树脂、硅橡胶等)、套筒3材料(例如黄铜、不锈钢等)、两端压接式引脚5材料(例如黄铜、不锈钢等)、PCB基板4材料(例如FR4、铝基板等)、侧面引脚2材料(例如黄铜、不锈钢等)以及芯片6类型(例如功率MOSFET、IGBT等)。此外，可以根据需要预先设计和制作具有特定尺寸和形状的电路板7、PCB基板4和套筒3。
(2)组装电路板7：在此阶段，可以根据具体的电路需求，以及芯片6和套筒3的尺寸、形状和性能特点，对它们在电路板7上的布局进行优化。同时，可以选择合适的焊接方法(例如SMT、THT等)和连接材料(例如焊锡、导电胶等)来固定和连接芯片6、套筒3和侧面引脚2。
(3)塑封电路板7：在塑封过程中，可以根据实际应用需求和环境条件选择合适的塑封材料和工艺。例如，可以采用热固性塑封材料(例如环氧树脂)以提高耐温性能，或者采用柔性塑封材料(例如硅橡胶)以提高抗振性能。此外，可以通过优化塑封体1的形状和厚度来降低热阻和提高热传导效果。
(4)弯折侧面引脚2：弯折侧面引脚2时，可以根据实际安装和布线要求，对侧面引脚2的弯折角度和长度进行优化。同时，可以采用适当的弯折工具和方法来避免引脚2的损伤或断裂。
(5)压接两端压接式引脚5：在压接过程中，可以根据实际连接需求和设备尺寸，选择合适的压接工具和方法。此外，可以通过优化过盈配合的尺寸公差和材料弹性系数，以确保两端压接式引脚5与套筒3以及PCB基板4之间的过盈配合强度合适。在某些实施例中，可以在过盈配合的接触表面涂抹导电胶以增强电气连接的可靠性。同时，可以考虑在套筒3和PCB基板4的通孔内增加导电涂层，以提高电气连接性能。
(6)测试与验证：组装完成后，可以对整个结构进行电气、热学和机械性能测试，以验证其是否满足预期的性能要求。例如，可以通过电气测试检查导通和阻断特性，通过热学测试检查热阻和热传导性能，以及通过机械测试检查强度和耐振性能。此外，可以对实际应用环境中可能出现的各种环境条件(如温度、湿度、振动等)进行模拟测试，以确保在实际使用中具有良好的性能和可靠性。
(7)设备安装和维护：在实际应用中，可以根据设备的安装空间和布线要求，对PCB基板4和整个结构进行适当的安装和固定。此外，可以根据实际运行情况和预期寿命，对设备进行定期维护和检查，以确保其持续稳定运行。在某些实施例中，可以通过添加热散热器、风扇等辅助散热设备来提高设备的热管理性能。
在该实施例中，D1、D2、d1和d2满足以下关系：
D1>D2
d1>d2
D1-D2≥d1-d2
其中，D1为两端压接式引脚5的底端直径，D2为套筒3的内径，d1为两端压接式引脚5的顶端直径，d2为PCB基板4的通孔内径。
D1、D2、d1和d2之间的关系可以根据具体应用和所需的过盈配合强度进行调整。例如，对于高温环境或振动较大的场景，可以增加D1-D2和d1-d2的差值，以提高连接强度。
在某些实施例中，D1和d1可以根据压接过程中产生的应力以及所用材料的弹性模量进行调整。例如，可以选择具有较高弹性模量的材料以提高过盈配合的稳定性。
在其他实施例中，可以设计具有不同形状的套筒3和两端压接式引脚5，以提供不同的过盈配合特性。例如，可以使用锥形或圆锥形的套筒和引脚，以实现自锁定的过盈配合。
在另一些实施例中，可以通过改变套筒3和PCB基板4的通孔的内径d2以及两端压接式引脚5的顶端直径d1，从而改变两端压接式引脚5与PCB基板4过盈配合的强度。这可以根据实际应用场景的需求进行调整。
在某些情况下，可以根据所使用的材料的热膨胀系数对D1、D2、d1和d2进行调整。由于温度变化可能导致过盈配合的强度发生变化，因此需要考虑热膨胀对过盈配合的影响。
在图3所示的实施例中，本发明方法进一步优化了塑封功率模块的尺寸，降低了成本并提高了性能。通过替代功率端子，实现了更紧凑的设计，使得功率模块更适用于高密度集成和小型化的应用场景。以下是对这一步的拓展：
高密度集成：通过替代功率端子，实现了更高的集成度，这使得更多的功能单元可以被集成到一个较小的尺寸内。在许多应用场景中，这种高密度集成可以带来更高的性能和更低的功耗。
小型化：替代功率端子的设计使得模块的尺寸得到了显著减小，从而使其更适用于空间受限的应用场景。例如，穿戴式设备、无人机和微型机器人等领域可以从这种小型化设计中受益。
降低EMI干扰：由于功率端子被替代，电路板上的信号传输路径缩短，从而有助于降低电磁干扰(EMI)。这对于保证设备的稳定性和可靠性至关重要，尤其是在高速信号传输和高频应用中。
灵活性：替代功率端子的设计使得塑封功率模块具有更高的灵活性。在不同的应用场景中，可以根据实际需求对模块进行定制和调整，以满足特定的性能和尺寸要求。
降低成本：替代功率端子的设计可以降低整个模块的制造成本。由于模块尺寸减小，所需的材料和制造成本也相应降低，从而使得整个模块更具经济性。
可见图3所示本发明实施例实现了功率模块尺寸的进一步缩小。这种设计不仅具有较高的集成度和小型化优势，还有助于降低EMI干扰、提高灵活性和降低成本，从而使得塑封功率模块更具竞争力和广泛的应用前景。
结合上面所有的实施例，可以看出本发明具备如下优点：
空间优化：通过减少侧面引脚的使用数量，模块的侧面空间得到有效利用，可以降低模块尺寸，使得模块更加紧凑。这对于需要在有限空间内集成多个模块的应用场景(如汽车电子、航空航天等)非常有益。
散热性能提升：减少侧面引脚的使用，有助于改善模块的散热性能。由于两端压接式引脚从模块表面引出，与散热器之间的距离减小，从而提高热传导效率，降低模块的工作温度。
降低寄生参数：两端压接式引脚具有更短的电气路径，相较于侧面引脚，可以减少寄生电感、电容等参数，有助于提高模块的电气性能。此外，通过优化引脚布局，可以进一步降低模块内部的电磁干扰(EMI)。
简化生产工艺：由于两端压接式引脚直接从模块表面引出，可以简化生产工艺，减少制造难度。这有助于提高生产效率，降低生产成本。
提高可靠性：两端压接式引脚具有较高的过盈配合强度，相比侧面引脚更加稳定可靠。这种稳定性可以在拆卸或维修过程中避免引脚与套筒之间的连接损坏，从而提高整体模块的可靠性和耐用性。
结构稳定性：通过优化过盈配合强度，可以确保在拆卸或维修过程中，受同样的作用力下，PCB基板会先被拆卸下来，从而避免两端压接式引脚从套筒中脱离。这有助于提高整体结构的稳定性，降低维修过程中出现问题的风险。
增强连接可靠性：两端压接式引脚与套筒之间的过盈配合强度较高，有助于在模块受到机械应力或热应力时，保持连接的可靠性，避免连接松动或断裂。
提高抗振动性：在某些高振动环境下(如汽车、航空航天等应用)，较高的过盈配合强度有助于提高模块的抗振动性能，从而降低因振动引起的连接故障。
方便维修与升级：在需要对PCB基板进行维修或升级时，可以更容易地将基板拆卸下来，而不会破坏两端压接式引脚与套筒之间的连接。这有助于提高设备的维修效率和可维护性。
延长使用寿命：由于两端压接式引脚与套筒之间的连接更加稳定可靠，模块在长时间运行过程中能够保持较高的性能，从而延长整个设备的使用寿命。
综上所述，采用从模块塑封体表面引出的两端压接式引脚，可以优化模块尺寸、提高性能、简化生产工艺，降低EMI干扰，为电力电子设备、汽车电子、可再生能源系统等领域提供更高效、可靠的解决方案。采用过盈配合方式增加固定牢固度，并设置两端压接式引脚与套筒的过盈配合强度高于两端压接式引脚与PCB基板过盈配合的强度，可以提高模块的稳定性、可靠性、抗振动性，方便维修与升级，并延长使用寿命。这对于需要高可靠性、长寿命的应用场景(如电力电子设备、汽车电子、可再生能源系统等)具有重要意义。
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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，包括电路板(7)、包裹所述电路板(7)的塑封体(1)、嵌于所述塑封体(1)中并用于将所述电路板(7)与外界连通的若干个套筒(3)、若干个两端压接式引脚(5)，以及开设有通孔的PCB基板(4)；
所述两端压接式引脚(5)的底端过盈配合嵌入于所述套筒(3)，所述两端压接式引脚(5)的顶端过盈配合嵌入于所述PCB基板(4)的通孔内；
所述过盈配合嵌入前，所述两端压接式引脚(5)的底端直径D1、所述两端压接式引脚(5)的顶端直径d1、所述套筒(3)的内径D2以及所述PCB基板(4)的通孔的内径d2满足如下关系：
D1>D2；
d1>d2；
D1-D2≥d1-d2。
2.根据权利要求1所述塑封功率模块线路引出结构，当D1＝d1时，D2<＝d2-50um。
3.根据权利要求1所述塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，所述塑封体(1)的顶面高出所述套筒(3)的顶端至少50um。
4.根据权利要求1所述塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，所述两端压接式引脚(5)的顶端与底端均为尖头形状。
5.根据权利要求1所述塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，所述电路板(7)还与侧面引脚(2)的一端连接。
6.根据权利要求5所述塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，所述侧面引脚(2)露出所述塑封体(1)后向所述PCB基板(4)的方向弯折，并与所述PCB基板(4)的位于边缘的通孔连接。
7.根据权利要求5所述塑封功率模块线路引出结构，其特征在于，所述电路板(7)的表面上还设置有若干个芯片(6)；
所述芯片(6)通过金属连线与所述套筒(3)在电路板上的连接部件连接或与所述侧面引脚(2)连接。
8.一种塑封功率模块线路引出结构的制造方法，其特征在于，用于制作权利要求1至7任一所述结构的方法包括如下步骤：
将功率元件固定在电路板(7)上，所述功率元件包括芯片(6)和套筒(3)；
通过金属连线将所述芯片(6)与所述套筒(3)在电路板上的连接部件连接；
使用塑封材料对所述功率元件和所述电路板(7)进行塑封形成塑封体(1)，并留出套筒(3)与外界的连通孔；
将两端压接式引脚(5)的一端通过过盈配合的方式压入套筒(3)；
将两端压接式引脚(5)的另一端通过过盈配合的方式压入PCB基板(4)的通孔；
其中，两端压接式引脚(5)与套筒(3)的过盈配合强度高于所述两端压接式引脚(5)与所述PCB基板(4)过盈配合的强度。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，在形成所述塑封体(1)之前将侧面引脚(2)的一端固定在所述电路板(7)上，并在塑封时令所述侧面引脚(2)露出所述塑封体(1)的侧面，且露出后向PCB基板(4)的方向弯折。
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