CN220021102U - 基于轴向式的扁平化二极体 - Google Patents

Abstract

基于轴向式的扁平化二极体，涉及半导体技术领域。通过对芯片焊接朝向的设定，让负极上斜面的区域接触于芯片，使铜片对芯片的应力降到较低水平（接近于跳线）；同时相比于传统模块的clip结构，正极金属板直接与芯片接触，更加有利于热量的耗散，提高散热性能；芯片与水平面呈θ角（θ≤45°）的设定，使平行或垂直于二极体的作用力被分解后再传递给芯片，分解后的作用力为传统焊接方向的cosθ倍或sinθ倍。

Description

基于轴向式的扁平化二极体

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及基于轴向式的扁平化二极体。

背景技术

当前，太阳能光伏发电技术已成为最有潜力的可再生技术之一，其主要是通过将太阳能辐射光能储存到太阳能电池中，从而产生电能。与其他的电力系统发电相比，其产生电能的过程更为简单，其主要是通过将太阳光能中的光子转变为电子，进行产生电能，不仅能够保护环境，同时还能杜绝资源浪费，同时由于太阳光分布范围较为广泛，因此对其进行开发和利用是十分便捷的。太阳能光伏发电系统在运行的过程中，当其中有一片电池片被遮挡时，这片电池片不发电就作为负载消耗其他电池片产生的电能，时间过长必然导致组件烧毁，所以为了使组件不被损坏，必须在其两端并联一颗旁路二极体，被遮挡时让电流从二极体正向流过，从而保护组件。

光伏旁路二极体安装在接线盒中，能够保护组件在发生光斑效应时不被损坏，当二极体启动时，组件的短路电流（Isc）从二极体正向流过，二极体会产生温升。早期在组件功率较小时，常规的二极体即可满足温升条件（二极体结温Tj≤200℃），但为了尽快实现平价上网，各大组件厂家推出了高功率组件，从而降低用电成本。

随着短路电流逐渐加大，对二极体性能的要求越来越高，早期的贴片式封装（TO263）已经面临淘汰，如今，各大组件大厂纷纷将二极体的选型转向轴向和定制模块。

轴向和模块各互有优劣势，轴向产品成本低，封装利用率高；模块则是封装成本高，利用率低，但是有更高的应用上限，轴向因局限于线径的技术瓶颈，当电流继续增加时，轴向产品可能会面临淘汰。

如果只是将轴向封装粗暴的搬运为模块，并不是一个可实现量产化的更高电流通断能力的有效方案，因为较高的散热需求所对应的铜尺寸会产生超出芯片承受上限的应力，导致普遍性的产品事故。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提供了一种应力小，组装高效简便，满足未来更大电流需求的基于轴向式的扁平化二极体。

本实用新型的技术方案是：基于轴向式的扁平化二极体，包括：

负极金属板，内端部设有负极上斜面，所述负极上斜面上设有与芯片适配的安装位；

正极金属板， 内端部设有与负极上斜面适配的正极下斜面；

芯片，固定设置在安装位内，其顶面与所述正极下斜面连接；

塑封体，包裹在所述芯片上。

具体的，所述负极金属板的外端部设有负极下斜面。

具体的，所述正极金属板的外端部设有正极上斜面。

具体的，所述正极下斜面上设有与芯片连接的弧形凸起。

具体的，所述安装位为安装槽。

具体的，所述芯片的P面与正极金属板连接，N面与负极金属板连接。

具体的，所述安装位位于负极上斜面的中部。

具体的，所述芯片与正极下斜面的中部连接。

具体的，所述芯片与水平面的夹角为θ角；所述θ角≤45°。

具体的，所述负极金属板为负极铜板；所述正极金属板为正极铜板。

本实用新型有益效果：

本案通过对芯片焊接朝向的设定，让负极上斜面的区域接触于芯片，使铜片对芯片的应力降到较低水平（接近于跳线）；同时相比于传统模块的clip结构，正极金属板直接与芯片接触，更加有利于热量的耗散，提高散热性能；芯片与水平面呈θ角（θ≤45°）的设定，使平行或垂直于二极体的作用力被分解后再传递给芯片，分解后的作用力为传统焊接方向的cosθ倍或sinθ倍。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，

图2是本实用新型的侧部结构示意图，

图3是本实用新型内部结构示意图，

图4是负极金属板的立体结构示意图，

图5是正极金属板与芯片连接状态立体结构示意图，

图6是过冷轧机轧制出成品异形铜带的立体结构示意图，

图7是正极框架的结构示意图，

图8是负极框架的结构示意图，

图9是垂直作用力F分解结构示意图，

图10是平行作用力F分解结构示意图，

图11是负极金属板与芯片连接状态结构示意图，

图12是本案产品热仿真示意图，

图13-1是现有产品一的立体结构示意图，

图13-2是图13-1的热仿真示意图，

图14-1是现有产品二的立体结构示意图，

图14-2是图14-1产品的热仿真示意图；

图中100是负极金属板，110是负极上斜面，120是安装位，130是负极下斜面，

200是正极金属板，210是正极下斜面，220是正极上斜面，

300是芯片，

400是塑封体，

510是正极框架，511是正极定位孔；

520是负极框架，521是负极定位孔。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、 “下”、 “左”、 “右”、 “竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明， “多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、 “相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接 ；可以是机械连接，也可以是电连接 ；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

类比于目前流行的轴式产品，其引线直径决定了通流能力的上限，如下表可以看出安全电流与引线半径存在对应关系：

目前的引线直径为2mm，基本是工艺上限，当通断电流大于35A以上时，2.0引线已不再适用，更大直径的引线目前很难造出来，并且随着引线加粗，结构应力会增加很多，依然会面临无法批量生产的问题。

本实用新型如图1-11所示；基于轴向式的扁平化二极体，包括：

负极金属板100，内端部设有负极上斜面110，所述负极上斜面110上设有与芯片300适配的安装位120；

正极金属板200， 内端部设有与负极上斜面110适配的正极下斜面210；

芯片300，固定设置在安装位120内，其顶面与所述正极下斜面210连接；

塑封体400，包裹在所述芯片300上。本案中塑封体400包裹在芯片300和焊接区域周围的环氧塑胶体，用于保护核心器件免受外界环境影响，以及提供结构支撑、耐压、绝缘等作用。

正极金属板200与负极金属板100分别为单独的原材料制作而成，通过芯片300焊接后合为一体式。正极金属板200与负极金属板100分别设有穿孔，便于与组件的汇流带连接。

负极金属板100进一步优化，所述负极金属板100的外端部设有负极下斜面130。这种设计结构与安装位120和上斜面110呈旋转对称结构，预设的连筋切除起始位是下斜面130，这样传导至芯片300的力经过对称轴旋转，则变成垂直于芯片300并远离芯片的向外的力，对延申到芯片的切除应力，具有转化消除作用，达到保护芯片减小受到应力的目的。

所述安装位120为安装槽，安装槽与上斜面110平行，是上斜面上凹进去的一块方形或圆形区域，具有不超过芯片厚度的深度，凹面光滑，与芯片300相适配，是芯片装配的承载区域。

正极金属板200进一步优化，所述正极金属板200的外端部设有正极上斜面220。与负极下斜面130一样，对延申到芯片的切除应力，具有消化消除作用，达到保护芯片减小受到应力的作用。另外，上斜面220与下斜面130，作为二极体的正负两个连接端子，本身就是互为旋转对称结构，在线盒组装或者汇流带焊接时，两个连接端子受到外力挤压的同时对二极体本身也有一定的缓冲作用。

所述正极下斜面210上设有与芯片300连接的弧形凸起。

芯片300进一步限定，所述芯片300的P面通过焊料与正极金属板200连接，N面通过焊料与负极金属板100连接，焊料是一种粘结剂或者固态焊片，连接正极金属板20013与芯片300P面，负极金属板100与芯片300N面，具有导电、散热、应力小的特点。

所述安装位120位于负极上斜面110的中部。

所述芯片300与正极下斜面210的中部连接。

轴向式正负极平衡结构，即芯片P面、N面同时具有跳线产品只有N面具备的等量散热通道，具有同等成本下，相比于跳线式二极体更佳的散热性能，可以大幅提升产品性能。

所述芯片300与水平面的夹角为θ角；所述θ角≤45°。45°是芯片能被装载的最大角度，此时摩擦力和承载力相等，如果角度更大，承载力逐渐降低，芯片会因为自重下沉，影响装配质量。另外，因为铜材厚度和芯片的相对尺寸差距较大，实际的θ角会很小，不会出现承载力很小的情况，并且θ角越小越好，工艺允许的情况下，更小的θ角将有更薄的结构，对芯片的影响更小。

所述负极金属板100为负极铜板；所述正极金属板200为正极铜板，铜板材质是铜含量至少大于99.65%的C19210铜材，随着铜含量的增加，应至少保证有足够的结构强度（随着铜含量增加，强度会越来越弱）。

本案正极铜板和负极铜板分别通过相应的铜带加工而成，加工方式为：

1）采用初始厚度为0.8mm（±30%）厚度的铜带，通过锻压机的模锻锤对初始铜带快速锤锻，得到初始异形铜带，通过高温退火重新组合晶体结构，消除铜带内应力，再经过表面处理异物、毛刺、杂物等之后，通过冷轧机轧制出成品异形铜带，如图6所示。

2）将异形铜带放入框架冲切模具进行冲压，可以在异形铜带的基础上得到装配需要的正极和负极框架520，如图7-8所示。

3）正极框架510与负极框架520装配；

将芯片300放入负极框架520的安装位120，通过焊料焊接，芯片300与水平面呈θ角。

正极框架510通过若干正极定位孔511，使正极下斜面210上弧形凸起与芯片300焊接，本案中负极框架410同样设有若干用于定位的负极定位孔521。芯片300上方因为是正极下斜面210的区域，厚度较其它区域较薄（平均厚度约为0.25mm），焊接应力相比于0.8mm厚度的铜片直接焊接，应力要小接近70%（正应力：σ=W/A(kg/mm²，剪切应力σ=Ws/A(kg/mm²)。

安装位120承载焊料与芯片300，焊接完成后的芯片300与水平面呈θ角；呈θ角的结构设计，施加于产品平行或者垂直的力F传递到芯片300时，会被分解为Fa和Fb，如如9-10所示：

参照图9所示，图中垂直作用力F被分解为垂直于芯片300的Fa=Fcosθ，平行于芯片300的Fb=Fsinθ；图中Fa为正压力，Fb为剪切力。

参照图10所示，图中平行作用力F被分解为平行于芯片300的Fa=Fcosθ，垂直于芯片300的Fb=Fsinθ；图中Fa为剪切力，Fb为正压力。

Fa和Fb均小于F的原始力，所以对芯片300受力有更好的缓冲作用。

芯片300焊接区域因上下分别呈斜面，因此正极金属板200和负极金属板100的铜片面积可以增加到很大，而不用担心受到铜片厚度的影响，理论上提高了铜材散热的上限，同时因为两端铜板都是和芯片300直接接触（紧间隔了一层焊料），使正极和负极都拥有等量的散热效率，基本上实现了散热面积的充分利用，成本利用率比较高。

参照图12、图13-1、图14-1，选取不同的结构型号与本案对比散热和应力：

从图12仿真图显示，热量已经遍布正极和负极端子（颜色越深热量越高），而常规型号，如图13-2所示，只有右侧一极端子散热明显，另外一极变化量很小，也能看出本案对于两端子散热的充分利用。

通过应力仿真测试，获得下表数据：

编号	本案产品	图13-1产品	图14-1产品
				芯片正面应力值	201.4Mpa	205.6 Mpa	248.4 Mpa
芯片背面应力值	205.4MPa	205.7 Mpa	245.1 Mpa

从对比结果可以看出，本案产品相比于常规型号图13-1产品，因为充分利用了芯片P面的散热通道，散热有明显的提升，同时与散热能力接近的图14-1产品，应力值差距明显，所以本案同步改善了散热与应力。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，包括：

负极金属板（100），内端部设有负极上斜面（110），所述负极上斜面（110）上设有与芯片适配的安装位；

正极金属板（200）， 内端部设有与负极上斜面（110）适配的正极下斜面（210）；

芯片（300），固定设置在安装位（120）内，其顶面与所述正极下斜面（210）连接。

2.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述负极金属板（100）的外端部设有负极下斜面（130）。

3.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述正极金属板（200）的外端部设有正极上斜面（220）。

4.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述正极下斜面（210）上设有与芯片（300）连接的弧形凸起。

5.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述安装位（120）为安装槽。

6.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述芯片（300）的P面与正极金属板（200）连接，N面与负极金属板（100）连接。

7.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述安装位（120）位于负极上斜面（110）的中部。

8.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述芯片（300）与正极下斜面（210）的中部连接。

9.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述芯片（300）与水平面的夹角为θ角；所述θ角≤45°。

10.根据权利要求1所述的基于轴向式的扁平化二极体，其特征在于，所述负极金属板（100）为负极铜板；所述正极金属板（200）为正极铜板。