CN207652798U - 一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构 - Google Patents

Abstract

一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，涉及电力电子产品的电气排版结构及生产工艺领域，实用新型不再使用已往通用的焊接工艺，而是通过压力机械部件，以物理压力的方式把电力电子元器件的金属引脚和需要与其实现电气连接的印刷电路板的相应金属面压紧形成电气连接。本实用新型无须通过加热使印刷电路板升温，也不必担心电器件受高温而遭受损坏，只需通过压力机械部件的压紧外力，就可以达到在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间实现电气连接的目的。

Description

一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构

技术领域

本实用新型涉及电力电子产品的电气排版结构及生产工艺领域，特别是电力电子元器件如何完成电气连接的问题。

背景技术

现代的电子产品基本都有一个以上电路板来实现产品所需的基本电路，完成要达到的功能。电路板上的电子器件基本都是通过焊接的工艺来把器件的引脚连接到电路板上的焊盘或焊孔里，来完成电气连接的需要。电力电子领域也一样继承了这一特点，很多产品内部的电路板上大量地采用焊接工艺把电力电子器件和电子电路或电气系统中需要实现电气连接的其他电子器件或者其他电气部件通过电路板上的铜来实现电气连接，常见的这些在印刷电路板上使用的电力电子器件的焊接封装包括TO220、TO247、TO-3、1206、1210、2012、SOT223、SO8、TO251、TO252、TO263及常规电解电容的各种封装等。电力电子器件可以是MOSFET、IGBT、SCR或二极管，也可以是电阻、电容、电感、继电器、电流传感器芯片、接触器等引脚上需要走功率电流的各种元器件。

当电路板本身的热容量巨大时，以上这种焊接方式来完成连接带来一些困难和问题，这是因为焊接工艺需要的加热时间和基于硅锗材料的电子元器件能够承受的加热时间出现了矛盾。

如图1所示，器件1是大热容量的面贴式电力电子器件，器件2是普通小热容量的表面贴电子器件，3是电路板上和器件1的焊盘相连的有一定面积的铺铜。为了实现焊接，当前行业内最为合理的工艺是采用回流焊炉先缓慢预热整个电路板直到一个接近焊锡熔化的温度区域，譬如无铅工艺电路板焊接需要预加热及助焊剂活化区域接近180℃，再通过30秒左右时间升温到245℃并保持5秒左右来促使焊盘上的锡膏融化完成焊接。这种工艺和曲线对于普通电路板产品焊接是适用的，但是当图1中3因为变大变厚而变得热容量比较大时，铜皮温度对炉内热风温度的跟随会变得非常迟缓，它从180℃升温到245℃就需要好几分钟，而且炉温停留在245℃来融化锡膏的时间也必须加长到譬如60秒，这样就导致图1中2因为能很快跟随炉内热风的温度而停留在245℃太长时间，其内部很可能会损坏。为了不让器件2这样的小器件被热死就只能强行减少升温融锡时间和停留在245度这样的融化点时间，而这样又会带来和电路板3相连的器件1的焊接质量不能保证的问题，譬如因焊盘温度不够导致出现锡球这样的焊接不上问题或者更坏的看起来锡膏融化焊接上却是融化不彻底存在虚焊的情况。

还有必须指出的是功率板和控制板分开的思路不能从根本上解决上面的问题。譬如，在上面的问题中把所有图1中器件2这样的小器件移走到另一个单独的普通小热容量的电路板上，只留下器件1这样的电力电子器件在图1的有大热容量铺铜3这样的电路板或铝基板上，这样的做法看起来是有效的。但是这只能在一定范围内有效，原因是器件1的耐热能力终究是有限的，产品功率大幅增加时铜皮3必然大幅增加从而带来其热容量和热时间常数的大幅增加，这时虽然没有器件2的热失效，却有器件1的温度在铺铜3上的焊锡融化前温度过高而出现热失效现象。譬如，表面贴的电解电容内部都是液体，可以显而易见的预见在245℃高温下如果放置时间达数分钟计才能让其引脚的锡膏融化，那其液体气化爆出排气口是必然的事情。即使不是电解电容这样的含液体的电力电子器件，譬如内部结温承受在175℃的TO247封装的MOSFET器件，纵然是英飞凌这样的厂家生产出来的产品也只能规定最大承受能力是距离产品金属壁1.6毫米地方放置300℃热源10秒钟，而这个时间在锡膏接触金属的热容量巨大时并不能保证锡膏的可靠融化。

另外，还有一种情况，就是为了降低焊接难度在PCB排版布线上可以进行妥协调节减小铜皮的宽度和厚度，这样的调节参数来解决焊接问题的手法看似有效，却会转移问题到其他方面，譬如电路板上焊孔附近的铜皮在恶劣工作环境下大电流陡然升起传导时会被烧断，或者器件的引脚在焊孔里高温下松动带来电气的扰动甚至放电打火的现象。如果热容量大譬如6层2OZ铜厚的电路板有很多大面积的铺桐需要，在焊接大电流传导的器件到那些连接到大面积铜皮的焊孔或焊盘时，为了保证焊点的热量能聚集到焊锡熔化的温度，焊孔或焊盘的形状要成为十字型或花型，如图2所示，这样热传导在焊接过程中被限制住，大大降低焊接的难度。图2中的6是PCB板上流淌很大电流的铜皮区域，5是个容纳插脚器件的通孔，而标记了4的地方都是为了帮助焊接而形成的较窄铜皮位置，但恰恰是这些位置会在传递电流时被烧断或导致焊孔的热积聚，或导致焊点在产品需要的工作强度下变松软。

除了上面两个问题还有成本需要考虑。对于大功率的电子产品，依靠电路板完成功率传递时除了面临前面提及的焊接困难和铜皮可靠性问题，还有电路板本身的造价问题。一个6层，2OZ，高Tg的电路板每平方厘米的价格是一个2层，0.5OZ，普通Tg的电路板的10倍以上，而后者是大部分普通非大功率电子产品电路板的典型参数。板子面积在几百平方厘米时这就会导致几十到几百元的成本区别。另外，焊接加工成本也随着电路板热容量增加及焊接难度增加而成倍增加，因为要采用更好质量的锡膏，要耗费更多锡膏，要花费更长的时间来预热和焊接，要花费更多的工序和检验来保证加工结束时电路板上所有焊点的焊接品质和所有器件的完好性。对于铝基板的情况也是类似，一个高导热系数和高绝缘强度为中间层的铝基板的成本是前述的FR4基材电路板成本的几倍到十几倍。

综上所述，当产品的功率密度达到一定程度，基于PCB的大量商用电力电子元器件如何可靠地焊接到相应大功率PCB上有可靠性的难题，同时基于这些器件的PCB排版如何做到工作时的高可靠性也是棘手的问题，加上成本的考虑，如果能有技术可以在使用这些器件时做到连接起来既方便由可靠，同时低成本，那这样的技术实用价值必然会很大，尤其在大批量生产可靠产品的目标下。

实用新型内容

针对现有功率型电子元器件实现电气连接的技术的以上缺陷，本实用新型提出一种电力电子元器件电气压接结构，既适用于PCB上插脚型元器件，也适用于表面贴型的电子器件。

本实用新型的技术方案是：通过压力机械部件，使电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间形成物理接触方式实现电气连接。

本实用新型的特点是不再使用已往通用的焊接工艺，而是通过压力机械部件，以物理压力的方式把电力电子元器件的金属引脚和需要与其实现电气连接的印刷电路板的相应金属面压紧形成电气连接。

本实用新型无须通过加热使印刷电路板升温，也不必担心电器件受高温而遭受损坏，只需通过压力机械部件的压紧外力，就可以达到在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间实现电气连接的目的。

本实用新型有益效果：该目标金属面所属的金属体的体积和热容量可以很大，不再受制于焊接工艺。这一点对于大电流密度的场合非常有吸引力，它可以分别从电和热的角度提升产品性能。电的角度就是当前述金属体相对于PCB或者铝基板而言体积很大时从金属面传导大电流到后续的电气连接的路径上的等效电阻可以非常小，这样带来的发热功率明显下降的好处；热的角度就是金属体的形状可以做到非常有利于传导热的大体积大面积，前述金属体不会出现PCB上的铜皮烧断这样的问题。

本实用新型特别适用于功率电子元器件的具体封装，如TO220、TO247、TO-3、TO-39、TO251、TO251、TO252、TO254、TO257、TO258、TO262、TO263、TO264这样的封装，这是因为它们的功率密度相对而言大一些，采用以往的焊接方法较为困难，不利于生产。

进一步地，为了防止产品的使用过程中压力机械部件的机械外力变小而使金属引脚和目标金属面之间出现间隙，电阻变大，本实用新型在远离所述目标金属面的电力电子元器件的金属引脚的背面设置弹性材料。通过弹性材料的缓冲量，可保障金属引脚和目标金属面始终处于紧密的接触和电气连接，这样的结构就有弹性材料的弹性形变来保证机械振动下金属脚对金属接触面之间的良好压力。

弹性材料一般是如硅橡胶这样的材料及其与其他辅材如玻纤的合成材料，一般其邵氏A测试硬度在100以下。这样的硬度使得该弹性材料在和金属引脚接触时可能因为压力过大带来金属引脚嵌入弹性材料过深引发其撕裂的情况，为了防止这一问题出现，本实用新型还在弹性材料和电力电子元器件的金属引脚之间还设置薄片。通过薄片加大与弹性材料的接触面积，从而降低压强，使弹性材料保持完好。

以上薄片可以是金属薄片，在机械外力下该薄片会变形并填充目标金属面上的空隙，从而增加导电面积，降低接触电阻。当压力和温度要求不高时，也可以是其他材料譬如是一层薄的塑料薄片。

当目标金属面的表面粗糙度不够高时，本实用新型还在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间设置金属垫片。只要金属垫片的厚度合适，能够在施加的压力下变形填补大部分空隙，那这样的措施会大大增加需要的导电接触面积和散热接触面积，降低表面粗糙度的要求，使得本实用新型更具有操作性。

另外，如在机械压力下变形来填充目标金属面表面空隙的薄片不能完全填充空隙时，本实用新型还在电力电子元器件的金属引脚或目标金属面的表面涂抹导电膏。可进一步降低接触电阻和提升传热能力。导电膏是一种掺杂了很多细微导电金属及氧化物颗粒的脂类混合体，常见于电力系统母线排连接中。

还有，考虑到接触面的粗糙度的问题，因为如果电子器件的引脚被压在一个非常粗糙的目标金属面上时，即使压力很好，也会因为实际接触点很少而带来接触电阻很大。另外，考虑有些目标金属面易发生氧化的问题，接触面的氧化会带来不导电的氧化物逐渐填满接触面的问题。因此，本实用新型还可在目标金属面的表面设置表面光滑的金属镀层。以增加接触的可靠性，可有效防止接触电阻在使用后期变得恶化。

本实用新型对电力电子器件完成所需连接的物理形状具有一定的普适性，表现为可以在不改变器件其生产出来后的原始状态下实现连接，也可以相对于其原始状态而言对其引脚采取弯曲变形的措施后来实现连接。

通常电力电子元器件的金属引脚都为直形的，为了使相应的引脚与目标金属面接触，所述电力电子元器件的金属引脚还可以通过折弯后和目标金属面之间形成物理接触。这样的措施可以简化形成它和目标金属面挤压的机械结构。

本实用新型所述压力机械部件为螺栓及配合的螺母，在所述目标金属面周围开设螺孔，所述螺栓穿置于螺孔内。本实用新型该压力机械部件通用性好，方便生产加工，方便组装。

附图说明

图1为现有焊接工艺下电路板上的铺铜连着大热容量电力电子表面贴器件但没有和小热容量的普通表面贴电子器件相连时的示意图。

图2为现有焊接工艺下为了降低焊接难度的PCB焊盘式样及导致的有大电流时其铜皮薄弱位置示意图。

图3为通孔电子器件的一种结构示意图。

图4为本实用新型通孔电子器件的引脚被弯曲预处理后，在以螺栓完成挤压式连接之前的位置关系示意图。

图5为本实用新型通孔电子器件的引脚被弯曲预处理后的完成电气连接的基本实现方法示意图。

图6为具有金属薄片保护弹性材料的本实用新型的一种结构示意图。

图7为具有金属垫片的本实用新型的一种结构示意图。

图8为具有镀层的金属体的本实用新型的一种结构的示意图。

图9为本实用新型通孔器件的引脚不进行弯曲预处理保持原始出厂状态下的完成电气连接的基本实现方法示意图。

图10为图9的俯视图。

图11为本实用新型表面贴器件的完成电气连接的基本实现方法示意图。

图12为图11的俯视图。

图13为图11中沿着螺栓44和45朝着电路板方向切开时的剖示图。

具体实施方式

图5显示了本实用新型最基本的一种连接方法。

图3中的TO220或者TO247封装的MOSFET的金属框架面7与漏极D脚在封装内部实际为一体相连金属，一般为表面镀镍的铜合金材料，MOSFET设有直形的源极S引脚8。

如图4、5所示，在电力电子元器件A的两侧分别设置金属体11和12，直形的源极S引脚8被弯曲处理后形成U字形源极S引脚9，就可以被挤压到金属体12的表面上进行电气连接。在形成U字形源极S引脚9和MOSFET的塑封壳体之间设置弹性材料10，起到固定时填补机械空隙及修正装配误差和抗振动作用。

本实用新型弹性材料是指天然橡胶，硅胶，丁腈橡胶，氯丁橡胶等不容易产生永久塑性形变的材料，具体选取还需考虑工作温度范围及压力大小等因素，还可以考虑含塑料成分或者玻纤成分这样的合成材料。

通常需要在避开电力电子元器件A金属体11和12上分别开设至少两对通孔13，通过在每对通孔13中穿入螺栓14，并以螺母旋紧，以达到电力电子元器件A被足够的机械外力夹持在两个金属体11和12之间。只要这个机械外力在工作中始终保持充分的强度，U字形源极S引脚9和金属体12之间的电气接触效果就可以和焊接的效果媲美。

在金属体11上通过螺钉连接电气连接片套件16，在金属体12上通过螺钉连接电气连接片套件17。通过电气连接片套件16和17就可以方便地引入用户的电缆电器。就能实现以下电路连接：一个引入用户的电缆电器通过电气连接片套件16和金属体11导通，金属体11与电力电子元器件A的金属框架面7导通，电力电子元器件A的U字形源极S引脚9和金属体12导通，金属体12又与另一个引入用户的电缆电器导通。

虽然图5只有一个MOSFET的案例，但图5结构可以方便地扩展实现多个MOSFET的并联连接，当并联个数增加时，工作电流增加，本实用新型的优势会变得明显。

图6显示了加入金属薄片18的连接方法。在弹性材料10和U字形源极S引脚9之间还设置金属薄片18，在压力下原先相对细窄的U字形源极S引脚9形成的深嵌入弹性材料10内的状况可以通过金属薄片18来改善，同样的压力需求下，金属薄片18对弹性材料10形成的是个相对宽广的面压面的状况，降低压强，大大降低弹性材料表面被撕扯破坏裂开的可能性。注意金属薄片18的厚度要小，允许其在压力水平下变形来修正紧固时需要的机械误差。

当压力和温度要求不高时，以上金属薄片18也可以用塑料薄片替代。

图7显示了目标金属面上加入填充空隙用铜皮的连接方法。

当金属体19和20表面粗糙度不够高时，金属体19和20和金属框架面7与U字形源极S引脚9接触时其表面不会平整。这时，就需要考虑加入金属垫片21来填补金属框架面7和金属体19之间的空隙，加入金属薄片22来填补U字形源极S引脚9和金属体20之间的空隙，只要金属垫片21、22的厚度合适，能够在施加的压力下变形填补大部分空隙，那这样的措施会大大增加需要的导电接触面积和散热接触面积，降低表面粗糙度的要求，使得本实用新型技术更具有操作性。

图8显示了目标金属面加入镀层后的连接方法。金属体20上的细微坑洼在长期振动微摩擦下会积累脱落的氧化物，大部分情况下氧化物不导电，譬如铝金属面在空气下的自然生成氧化膜是不导电的，这样对于本实用新型针对的挤压代替焊接的效果会带来副作用，主要是增加了接触电阻。这时通过在金属体20上镀镍镀铬或其他金属镀层的工艺可以保护金属面，并减少非导电性氧化物填充细微坑洼的现象，保持小的接触电阻和高可靠性。图8中镀层24设置在金属体19侧面上的和金属垫片21接触面上，镀层23设置在金属体20侧面上的和金属垫片22接触的侧面上。

注意，也可以不设置金属垫片21或22，使镀层24或者23直接和MOSFET金属框架面7或者U字形源极S引脚9直接接触。

图9、10显示了管脚不弯曲时的一种连接方法，侧视图9和俯视图10两部分来展示同一个连接构造。

MOSFET器件B的金属框架面7通过螺丝27紧固到金属体30上完成该MOSFET的漏极和金属体30之间的电气连接；同时该MOSFET的引脚8不需要弯曲，而是直接通过螺丝28和29及金属压片25来挤压接触到金属体31上，完成该MOSFET的源极对金属体31的电气连接。26是绝缘套包裹住该MOSFET的8脚以外的剩余2个引脚来保证电气绝缘，同时电路板24用来焊接和引导前述的剩余2个引脚到需要的电气控制回路中去，注意这里的焊接只牵涉到弱电信号的焊接，没有任何难度。图9、10中47为焊接点。

图11和12显示了表面贴器件的基本连接方法。

DPAK或者D2PAK这样的封装的MOSFET的控制信号引脚（G）36还是通过传统手段焊接到电路板37上，来传递和引入控制电路实现对此器件的控制。电路板37被绝缘材料38隔开，实现电路板37与金属体33之间的电气隔离；而金属体33是大电流引脚（S）35需要实现电气连接的目标；通过弹性填充物41和金属压片39，螺丝44和45可以压紧引脚35到33上，同时金属体33和引脚36及电路板重叠的区域是事先机械加工过的挖空区域，刚好能能够容纳电路板37和绝缘材料38的厚度，这样能保证引脚35被压紧时引脚36不会相对弯曲大的角度从而保护36不受损，不从其根部折断脱落。另一侧，螺丝42和43固定到金属体32上，压紧金属压片40和弹性填充物41到电子器件的另一个大电流传导体（D）34上，并让引脚34完成对需要的金属体32的电气连接。

图13是图11沿着螺栓44和45向电路板方向切下形成的剖示图，展示了金属体33挖空区域的技术细节。可以看到金属体33的和引脚35接触的左边部分要比引脚36所对应的其右边部分高，左边和右边的边界在引脚35和36的中间区域。

Claims (8)

1.一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于通过压力机械部件，使电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间形成物理接触方式实现电气连接；所述压力机械部件为螺栓及配合的螺母，在所述目标金属面周围开设螺孔，所述螺栓穿置于螺孔内。

2.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于在远离所述目标金属面的电力电子元器件的金属引脚的背面设置弹性材料。

3.根据权利要求2所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于弹性材料和电力电子元器件的金属引脚之间还设置薄片。

4.根据权利要求3所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于所述薄片为金属薄片或塑料薄片。

5.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间设置金属垫片。

6.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于在电力电子元器件的金属引脚或目标金属面的表面涂抹导电膏。

7.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于在目标金属面的表面设置表面光滑的金属镀层。

8.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于所述电力电子元器件的金属引脚折弯后和目标金属面之间形成物理接触。