TW201644027A - 垂直連接的功率模組及其堆疊連接的引腳 - Google Patents

Abstract

一種垂直連接的功率模組及其堆疊連接的引腳，該功率模組至少包括三個相互分離的模組：第一電路模組、第二電路模組和第三電路模組，三個電路模組中至少有一個功率電路模組。引腳包括：本體，該本體的上部與第一電路模組電性連接；第一連接面，設置在該本體的中部並與該本體具有一夾角，用於與第二電路模組電性連接；第二連接面，設置在該本體的末端，用於與第三電路模組電性連接。本發明可實現與三個電路模組在垂直方向上的互連，以組成集成度更高的功率模組，實現堆疊結構，從而減小系統面積，提高功率密度。

Description

垂直連接的功率模組及其堆疊連接的引腳

本發明涉及一種半導體器件連接件，特別是一種垂直連接的功率模組及其堆疊連接的引腳。

高效率、高功率密度及高可靠性一直是業界對電源變換器的要求。高效率意味著減少能耗，利於節能減排、保護環境，並減少使用成本。高功率密度則意味著體積小、重量輕，減少材料成本、運輸成本和空間需求，從而減少建設成本。高可靠性意味著更長的使用壽命以及維護成本。

半導體器件是決定電源變換器效率的重要因素之一。其在使用中往往不可避免還需要使用一些輔助材料，如固定半導體用的夾具、螺絲，用於輔助散熱的散熱墊（thermal pad），等等。 由於分立式器件的數量較多，因此這些材料的安裝較為繁瑣。而且由於分立式器件出於標準化的目的，通常其內部的空間利用率極低，對於典型的TO-247封裝而言，參見如圖1A至圖1C，作為一種標準的分立器件封裝，包括塑封料10、貼覆在塑封料10上的散熱片20、封裝在塑封料10內的芯片30電連接的引腳40，其芯片30占封裝體塑封料10主平面（X-Y）的利用率通常在40%以下。為了應對進一步提升電源性能的需求，集成功率模組（Integrated Power Module）逐漸出現。其基本概念在於將多個面積較小的功率半導體器件（通常採用裸芯片）集成在一個模組中，如此有機會實現更高的空間利用率。

參見圖2，圖2為現有技術的智能功率模組示意圖。圖2所示的智能功率模組包含了功率器件50、磁性元件60（如變壓器、電感等）、控制器件70和被動元器件80（如電阻、電容等），它們共同被焊接在基板90上並形成電路功能連接，通過直插引腳40的方式形成與外部系統板的連接。

為了進一步提高功率模組的散熱能力和可靠性， 目前業界採用高導熱塑封料將所有的元器件密封在一個塊體內，熱量可以更好地通過塑封料傳導至模組上的散熱器100中發散出去。而引腳40可以通過與基板90的側壁形成電氣和機構連接（參見圖3A、圖3B）；引腳40也可以通過引線框架的方式焊接到基板90的一表面，然後通過彎折的方式引出到外部（參見圖4）。

以上功率模組結構雖然集成度和功率密度較高，但是不足之處是占外部系統板的面積仍然很大，為了進一步縮減功率模組的占地面積，可以將功率模組分成多個部分如兩部分並互相堆疊，形成垂直堆疊結構的模組。如圖5所示，圖5為現有技術一垂直堆疊的功率模組結構示意圖。典型的結構為功率器件50和磁性元件60放置於上面的上基板901上，而控制器件70和一部分被動元器件80則焊接在下面的下基板902上並與上基板901通過上引腳401垂直相連，下基板902通過下引腳402與系統版垂直連接。該連接方式雖然實現了功率模組結構垂直方向上的堆疊，減少了占地面積，但是仍然存在以下缺點：

1）製作引腳與將引腳植入基板的工藝效率較低，成本較高；

2）上下兩層基板之間的引腳連接會額外佔用基板面積；

3）該結構整體難以進行塑封，不方便散熱，且結構可靠性較差。

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的上述缺陷，提供一種用於垂直連接功率模組內部堆疊結構的引腳。

為了實現上述目的，本發明提供了一種用於功率模組垂直堆疊連接的引腳，該引腳至第一電路模組引出，該引腳還包括：

本體，該本體的上部與該第一電路模組電性連接；

第一連接面，設置在該本體的中部並與該本體具有一夾角，用於與第二電路模組電性連接；

第二連接面，設置在該本體的末端，用於與第三電路模組電性連接。

上述的引腳，其中，該第一連接面與該本體的夾角大於0度小於或等於180度。

上述的引腳，其中，該夾角為90度。

上述的引腳，其中，該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該本體的中間有一U型槽，該第一連接面與該U型槽相嚙合而為I型，該第一連接面自其與本體的交接處彎折而與該本體呈該夾角。

上述的引腳，其中，該第一連接面為I形，位於本體的一側且與未交接的本體之間具有一平行間距，該第一連接面自與該本體的交接處彎折與該本體呈一夾角。

上述的引腳，其中，該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該第一連接面為臺階面，與該本體的其他部分均垂直。

上述的引腳，其中，該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該第二連接面呈三角形或梯形。

為了更好地實現上述目的，本發明還提供了一種垂直堆疊連接的功率模組，其中，包括：

至少三個功率模組：第一電路模組、第二電路模組和第三電路模組；

引腳，該引腳至該第一電路模組引出，該引腳還包括：

本體，該本體的上部與該第一電路模組電性連接；

第一連接面，設置在該本體的中部並與該本體具有一夾角，用於與第二電路模組電性連接；

第二連接面，設置在該本體的末端，用於與第三電路模組電性連接。

上述的功率模組，其中，該第一連接面與該本體的夾角等於90度。

上述的功率模組，其中，該第二電路模組包括基板以及位於基板上的電路，該基板上設有對應於該本體的通孔以及用於與該第一連接面連接的焊盤。

上述的功率模組，其中，該通孔與該焊盤相鄰近。

本發明的技術效果在於：

本發明的引腳結構適合垂直堆疊模組(如功率模組或控制模組)之間或垂直堆疊模組和外部系統板之間互聯，實現堆疊結構，從而減小了外部系統板的面積，提高了功率密度。

以下結合圖式和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。

10‧‧‧塑封料
20‧‧‧散熱片
30‧‧‧芯片
40‧‧‧引腳
401‧‧‧上引腳
402‧‧‧下引腳
50‧‧‧功率器件
60‧‧‧磁性元件
70‧‧‧控制器件
80‧‧‧被動元器件
90‧‧‧PCB基板
901‧‧‧上基板
902‧‧‧下基板
100‧‧‧散熱器
本發明
1‧‧‧第一電路模組
11‧‧‧基板
12‧‧‧磁性元件
13‧‧‧功率器件
14‧‧‧被動元器件
15‧‧‧塑封料
2‧‧‧第二電路模組
21‧‧‧基板
211‧‧‧通孔
22‧‧‧控制器
23‧‧‧功率器件
24‧‧‧被動元器件
3‧‧‧引腳
31‧‧‧本體
32‧‧‧引腳端子
33‧‧‧第一連接面
331‧‧‧彎折面
34‧‧‧第二連接面
37‧‧‧第一分支
38‧‧‧第一連接面
39‧‧‧第三分支
4‧‧‧焊盤
5‧‧‧引線框架

圖1A為現有技術的TO-247封裝結構示意圖；
圖1B為圖1A的側視圖；
圖1C為圖1A的後視圖；
圖2為現有技術的智能功率模組示意圖；
圖3A為現有技術的一種塑封功率模組結構示意圖；
圖3B為圖3A引腳電連接示意圖；
圖4為現有技術的另一種塑封功率模組結構示意圖；
圖5為現有技術一垂直堆疊的功率模組結構示意圖；
圖6為本發明第一實施例的功率模組結構示意圖；
圖7為本發明第二實施例的功率模組結構示意圖；
圖8為本發明第三實施例的功率模組結構示意圖；
圖9A為本發明第四實施例的功率模組結構示意圖；
圖9B為圖9A的側視圖；
圖10為本發明一實施例與外部系統版連接示意圖；
圖11為本發明另一實施例與外部系統版連接示意圖；
圖12A為本發明第一實施例的接腳結構示意圖；
圖12B為圖12A彎折前結構示意圖；
圖12C為圖12A的側視圖；
圖13為本發明第二實施例的接腳結構示意圖（彎折前）；
圖14為本發明第三實施例的接腳結構示意圖（彎折前）；
圖15A為本發明第四實施例的接腳結構示意圖；
圖15B為圖15A的側視圖；
圖16為本發明第五實施例的接腳結構示意圖；
圖17為本發明一實施例的基板結構示意圖；
圖18為本發明另一實施例的基板結構示意圖；
圖19至圖20為本發明第五實施例的接腳連接工藝示意圖。

下面結合圖式對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述：

參見圖6至圖9B，圖6為本發明第一實施例的功率模組結構示意圖，圖7為本發明第二實施例的功率模組結構示意圖，圖8為本發明第三實施例的功率模組結構示意圖，圖9A為本發明第四實施例的功率模組結構示意圖，圖9B為圖9A的側視圖。本發明的垂直連接的功率模組，包括至少三個垂直堆疊連接的模組，如第一電路模組1、第二電路模組2和第三電路模組（圖未示），功率模組之間通過引腳3電連接。通常情況下，第三電路模組為外部系統板。其中，第一電路模組、第二電路模組和第三電路模組，至少有一電路模組為功率電路模組。所謂功率電路模組包括至少一個用於電源轉換的功率開關。第二電路模組可以是控制電路模組控制功率電路模組。

第一電路模組1包含了第一電路模組的基板11以及位於基板11上的功率轉換電路。其中功率轉換電路通常會包括一些磁性元件12（如變壓器、電感等）、功率器件13等，它們共同被焊接在基板11上並形成電路功能連接，通過引腳3形成與第二電路模組2和第三電路模組的電連接。第二電路模組2包括第二電路模組2的基板21以及位於基板21上的功率轉換電路。其中功率轉換電路通常會包括控制器22、功率器件23及被動元器件80（如電阻、電容等）。基板21上設置有通孔211，在與通孔211相鄰的位置設置有焊盤4以用於引腳3通過通孔211時與焊盤4連接，實現第二電路模組2與第一電路模組1以及第三電路模組的電連接。其中，第一電路模組的基板11和第二電路模組的基板21通常可以為印刷電路板，但在此並不局限為印刷電路板。因該第一電路模組1和第二電路模組2及第三電路模組上的功率轉換電路、元器件件之間的連接關係以及工作原理等均為功率轉換器中較成熟的現有技術，故在此不做贅述，下面僅對本發明的引腳結構予以詳細說明。

參見圖10及圖11，圖10為本發明一實施例所展示的第一電路模組與第二電路模組連接示意圖，圖11為本發明另一實施例所展示的第一電路模組和第二電路模組連接的示意圖，其中外部系統板圖未示。其中，第一電路模組1與第二電路模組2互連的引腳3可以有兩種方式實現：一種是通過基板的側壁引出焊盤4，使引腳端子32焊在側壁上形成電連接（參見圖3B）；另外一種是用引線框架製成引腳3，與基板的上表面或者下表面焊接，並且在成型後通過彎折的方式形成引腳3（參見圖4）。如圖10和11所示引腳3至第一電路模組1引出，引腳3與外部系統板進行連接的部分可以彎折成J形或鷗翼形（gull-wing）的SMD型引腳，這樣可以做成表貼器件，通過表面貼裝（SMT）工藝與外部系統板焊接。

參見圖12A至圖12C，圖12A為本發明第一實施例的接腳結構示意圖，圖12B為圖12A彎折前結構示意圖，圖12C為圖12A的側視圖。本發明的用於垂直連接的功率模組堆疊連接的引腳3，該引腳3的本體31的上部引腳端子32與第一電路模組1電性連接，該引腳3還包括：

第一連接面33，設置在本體31的中部並與本體31具有一夾角，用於與第二電路模組2電性連接，並沿與第二模組2的基板平行的第一方向對該第二電路模組2限位，同時，沿與該第一方向垂直的第二方向對該第二電路模組2限位。該第一連接面33與本體31的夾角大於0度小於或等於180度，優選該夾角為90度。本實施例中，本體31的中間有一U型槽，第一連接面33與該U型槽相嚙合而為I型，第一連接面33自其與本體的交接處彎折而與本體31呈預先設定的夾角。在其他實施例中，如圖13所示，本體中所開U型槽為開放型的，本體自第一連接面38與本體的連接處分成三支：第一分支37、第一連接面38和第二分支39；第一分支37和第二分支39的末端可作為第二連接面。在圖12A至圖12C所示實施例中，第一連接面33和第二連接面34及本體31為一體成型件，第二連接面34，設置在本體31的末端，用於與第三電路模組電性連接，第二連接面34可呈三角形或梯形。在其他實施例中，請參閱圖15A至15B，該第一連接面33和第二連接面34及本體31為一體成型件，第一連接面33為臺階面，與本體31的其他部分均垂直。第一連接面33可實現第二電路模組2的基板21與第一電路模組1的連接和第三電路模組的連接，同時也利於第一連接面33對第一電路模組1整體起一定的支撐作用。其中第二連接面34呈梯形可插接入第三電路模組。引腳3為一金屬材料件，如銅、鎳、鋁或其合金。該引腳3可以與第二電路模組2的基板21連接，其中第一連接面33在與第二電路模組2的基板21上焊盤連接的同時可以借助本體31對第二電路模組2的基板21在兩個維度或方向：水平和垂直方向上限位。參見圖7，與上述實施例不同的是，作為第一連接面33的金屬片延伸並彎折一彎折面331，形成了另一連接面，該彎折面331可以插入第二電路模組2的基板21預先做好的通孔211，這樣可以起到更好的限位和結構加固的作用， 並且該彎折面331從第二電路模組2的基板21伸出的部分可以與下面的焊盤4進行焊接，形成額外的電路連接。

參見圖14，圖14為本發明第三實施例的接腳結構示意圖（彎折前）。在此實施例中，第一連接面33並未彎折。於本實施例中，第一連接面33為I形，本體31下部分別為平行的第一分支37和第二分支38，二者之間具有一平行間距。第二分支38自與本體31的交接處彎折與本體31呈一夾角，這樣該第二分支38作為第一連接面33與第二電路模組2中基板21上的焊盤連接，同時也能起到對第一電路模組1一定的支撐作用。第二電路模組2中基板21上開有對應於第一分支37的孔供其通過而連接第三電路模組。參見圖16，圖16為本發明第五實施例的接腳結構示意圖。本實施例中，第一連接面33和該第二連接面34及本體31為一體成型件。本體31中部的第一連接面33為分佈於本體31兩側相對內凹的兩個內階梯面，本體31中部的兩個側邊內凹之後延伸出相對窄細的本體31下部的第二連接面34。對應地，第二電路模組2的基板21上開有供呈梯形狀或三角狀的第二連接面34通過的孔，在與孔相鄰的位置對應於第一連接面33接觸的基板位置設置有第二電路模組2的焊盤，以便第二電路模組2通過第一連接面33而與第三電路模組連接，同時本實施例中的第一連接面33也可一定程度對第一電路模組1起到一定的支撐作用。

圖16所示的引腳實施例進一步可以參考圖19所示實施例製作，如圖19所示引腳3需預先做成引線框架5的形式，並且與第一電路模組1的上或下表面的焊盤4焊接。然後用塑封料15以注塑的方式把內部的電路板和內引腳3包封起來（參見圖20），最後將引腳3整體彎折，彎折後引腳3如圖16中引腳所示。引腳3中與第二電路模組2的基板21焊接的第一連接面33在引腳3本體31的中部位置，借助該第一連接面33與第二電路模組2的基板21上焊盤的焊接可實現第二電路模組2的基板21的限位和定位。在此實施例中，增加引腳的中部位置的厚度，相應地利於增加第一連接面33的面積。塑封後第一電路模組的引腳3進行彎折後，可以採用與以上實施例類似的表貼工藝焊接在第二電路模組2的基板21上（參見圖9A、圖9B）。

雖然以上實施例對本發明中引腳結構有揭露如上：引腳包括一本體，本體的上部連接第一電路模組，本體中部設有一第一連接面與第二電路模組連接，本體的末端設有第二連接面與第三電路模組連接。通常情況下，第三電路模組為一基板面積較大的外部系統板。以上不同實施例，分別有例舉第一連接面的具體結構，例如本體的分割體，I型結構、較短的分支，或者是臺階面，亦或是本體中部兩側的內凹面，這些均例舉了如何實現引腳與第二電路模組的連接。但引腳的第一連接面的實施例並不局限於在此例舉的實施例，相應的一些可能的改動或變形應被包括在本發明中引腳結構的保護範圍。

對應於引腳中部第一連接面的位置，第二電路模組的基板上會設置相應的通孔和焊盤。一些具體的實施例請參見圖17、18，圖17為本發明一實施例中第二電路模組的基板結構示意圖，圖18為本發明另一實施例中第二電路模組的基板結構示意圖。其中，第二電路模組2的基板21在供引腳3通過的通孔211的位置可以鏤空或者做成半開口的形狀，而通孔211的旁邊基板表面設置有焊盤4（如圖17所示），以與引腳3的第一連接面33焊接在一起。這裡引腳3的第一連接面33同時起到了兩方面的作用：一是與第二電路模組2的基板21的電氣連接，另一是第一電路模組1和第二電路模組2上下兩層結構的連接支撐和限位。值得說明的是，以上例舉的第二電路模組2的基板21上通孔211以及焊盤的位置對應的為以上引腳的實施例中第一連接面33為臺階面或者I型的實施例，若對應於圖16所示引腳的實施例，對應的第二電路模組2的基板21上的焊盤會位於通孔211的兩側而與分佈於引腳本體31中部兩側的內凹面的第一連接面33電性連接。因此，對應於引腳3不同的第一連接面，相應的第二電路模組2的基板21上的通孔211以及對應焊盤的位置需做相應的調整。

在本發明中，功率模組應是實現電源轉換的功率模組，例如直流/直流轉換電路，亦或者是交流/直流，直流/交流，交流/交流轉換電路或者PFC電路等。

本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬�本發明所附的申請專利範圍的保護範圍。

 

1‧‧‧第一電路模組

11‧‧‧基板

12‧‧‧磁性元件

13‧‧‧功率器件

14‧‧‧被動元器件

15‧‧‧塑封料

2‧‧‧第二電路模組

21‧‧‧基板

22‧‧‧控制器

23‧‧‧功率器件

24‧‧‧被動元器件

3‧‧‧引腳

31‧‧‧本體

32‧‧‧引腳端子

33‧‧‧第一連接面

34‧‧‧第二連接面

4‧‧‧焊盤

Claims (14)

1. 一種用於功率模組垂直堆疊連接的引腳，其中該引腳包括：
   　　本體，該本體的上部與該第一電路模組電性連接；
   　　第一連接面，設置在該本體的中部，用於與一第二電路模組電性連接；以及
   　　第二連接面，設置在該本體的末端，用於與一第三電路模組電性連接;
   　　其中該第一電路模組、第二電路模組和該第三電路模組，至少有一電路模組為功率電路模組，該功率電路模組包括至少一個用於電源轉換的功率開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該第一連接面為該本體的分割體，該第一連接面與該本體的夾角大於0度小於或等於180度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之引腳，其中該夾角為90度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該本體的中間有一U型槽，該第一連接面與該U型槽相嚙合而為I型，該第一連接面自其與本體的交接處彎折而與該本體呈該夾角。
5. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該第一連接面為I形，位於本體的一側且與未交接的本體之間具有一平行間距，該第一連接面自與該本體的交接處彎折與該本體呈一夾角。
6. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該第一連接面為臺階面，與該本體的其他部分均垂直。
7. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該第二連接面呈三角形或梯形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之引腳，其中該本體中部兩側相向內凹延伸出比該本體的上部窄的本體下部，該第一連接面位於該本體兩側的內凹面。
9. 一種垂直堆疊連接的功率模組，其中包括：
   　　至少三個功率模組：第一電路模組、第二電路模組和第三電路模組；其中該第一電路模組、第二電路模組和該第三電路模組，至少有一電路模組為功率電路模組，該功率電路模組包括至少一個用於電源轉換的功率開關；
   　　引腳，該引腳至該第一電路模組引出，該引腳還包括：
   　　　　本體，該本體的上部與該第一電路模組電性連接；
   　　　　第一連接面，設置在該本體的中部，用於與第二電路模組電性連接；以及
   　　　　第二連接面，設置在該本體的末端，用於與第三電路模組電性連接。
10. 如申請專利範圍第9項所述之功率模組，其中該第一連接面為該本體的分割體，該第一連接面與該本體的夾角大於0度小於或等於180度。
11. 如申請專利範圍第9項所述之功率模組，其中該第一連接面和該第二連接面及該本體為一體成型件，該第一連接面為臺階面，與該本體的其他部分均垂直。
12. 如申請專利範圍第9項所述之功率模組，其中該本體中部兩側相向內凹延伸出比該本體的上部窄的本體下部，該第一連接面位於該本體兩側的內凹面。
13. 如申請專利範圍第9項所述之功率模組，其中該第二電路模組包括基板以及位於基板上的功率轉換電路，該基板上設有對應於該本體的通孔以及用於與該第一連接面連接的焊盤。
14. 如申請專利範圍第10項所述之功率模組，其中該通孔與該焊盤相鄰近。