專利名稱：一種無焊接封裝的功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無焊接封裝的大功率高可靠性功率模塊。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的功率模塊封裝技術(shù)，都需要焊接來實(shí)現(xiàn)功率端子、信號端子的電學(xué)、機(jī)械連接，DBC襯底與散熱基板的連接。但是這樣的封裝方式，在溫度沖擊劇烈、振動強(qiáng)烈等嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境下，焊料層會出現(xiàn)應(yīng)力集中、焊點(diǎn)疲勞帶來的損傷，長期工作會直接導(dǎo)致模塊失效。但如不采用直接焊接作為電學(xué)、機(jī)械連接工藝，勢必需要找到一種合理的連接方式，以使在電學(xué)性能、機(jī)械連接等達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，實(shí)現(xiàn)更好的抗振動、熱沖擊帶來的損傷。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)出一種無焊接封裝的功率模塊。本實(shí)用新型要解決的是傳統(tǒng)功率模塊封裝采用焊接方式，導(dǎo)致功率端子、信號端子、DBC襯底、散熱基板在受溫度沖擊劇烈、振動強(qiáng)烈等條件下，焊料層出現(xiàn)應(yīng)力集中、焊點(diǎn)疲勞帶來損傷，直接導(dǎo)致模塊失效的問題。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路是直接進(jìn)行DBC襯底散熱，無需散熱基板的焊接。但無散熱基板的功率模塊安裝對于DBC襯底與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂厚度要求極高，一般要控制在30-50US之內(nèi)，大功率模塊直接將功率部分安裝在散熱器之上。但是DBC的固定如果沒有散熱基板的焊接，會在散熱器的表面上四個(gè)方向滑動，無法形成有效固定。因此，必須借助相關(guān)的外殼進(jìn)行配合固定。另外一個(gè)問題是，DBC由于結(jié)合功率芯片之后，本身存在內(nèi)凹現(xiàn)象，即使是用膨脹系數(shù)相對較小的材料，仍然無法避免這一現(xiàn)象。這就導(dǎo)致DBC中心部分相對于邊緣，與散熱器表面的距離過大，會造成DBC底面與散熱器表面距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過30us-50us這一距離。因此，還需要借助一個(gè)自上而下的壓力分配結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對于DBC平整度的二次調(diào)整。其次，對于功率端子、信號端子的電學(xué)性能、機(jī)械性能連接，要使用特殊的壓接處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，避免焊接存在的焊料損傷這一本質(zhì)問題。因此，設(shè)計(jì)功率端子與DBC表面銅層的連接，依靠施加在功率端子上端的垂直方向壓力，使得功率端子接觸面與DBC銅層形成咬合，達(dá)到電學(xué)性能的要求。這一咬合帶來的接觸，可以達(dá)到低接觸的電阻的電學(xué)性能要求，而其抗振動能力，又相比直接焊接有了質(zhì)的飛躍。這一連接方式不存在應(yīng)力集中、疲勞損傷的問題。信號端子的設(shè)計(jì)則依靠自身形變帶來垂直方向的接觸力，使得電學(xué)性能達(dá)到要求。控制形變的比例即可有效控制接觸點(diǎn)的壓力，形成一個(gè)類似咬合的有效接觸點(diǎn)。對于信號端子的連接電學(xué)性能要求而言，因?yàn)槠浔旧硎切‰娏髀窂?，因此對于接觸電阻的要求相對較低，對于穩(wěn)定接觸要求較高，但這樣的接觸已經(jīng)足以滿足驅(qū)動部分的要求。[0009]為此，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案是它包括外殼、功率端子、上蓋和信號端子，所述的外殼內(nèi)設(shè)有壓力分散支架、襯底結(jié)構(gòu)、功率端子和信號端子，上蓋下方設(shè)有襯片，襯底結(jié)構(gòu)邊側(cè)位于外殼的內(nèi)沿使其水平位置移動受限，襯底結(jié)構(gòu)豎直方向上方壓有壓力分散支架，上蓋把功率端子下部壓于襯底結(jié)構(gòu)的表層上。所述的功率端子與襯底結(jié)構(gòu)的表層電路連接，功率端子設(shè)于壓力分散支架內(nèi)。所述的信號端子包括頂針、彈簧和外圍套管，頂針、彈簧設(shè)于外圍套管內(nèi)，彈簧的二端設(shè)有頂針。所述的功率端子為扁平結(jié)構(gòu)。所述的功率端子平面與襯底結(jié)構(gòu)的表層電路平行壓接。所述的襯片為柔性金屬襯片，柔性金屬襯片的功能是壓緊功率端子避免功率端子的氧化腐蝕，同時(shí)使功率端子在外殼內(nèi)的受力平均化。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是避免傳統(tǒng)功率模塊封裝中焊料在較為惡劣工況下帶來的疲勞損傷、應(yīng)力損傷帶來的失效，尤其是在風(fēng)力發(fā)電、強(qiáng)烈震動的場合，無焊接封裝技術(shù)在功 率模塊中能夠凸顯其對于傳統(tǒng)模塊的優(yōu)勢，有更好的抗振動、熱沖擊效果。本實(shí)用新型直接依靠絕緣襯底散熱，絕緣襯底在散熱器表面橫向位置、垂直縱向位置的固定依靠固定外殼和內(nèi)嵌壓力分散器件的受限制配合完成。這一受限制配合，是為不同材料熱膨脹特性預(yù)留空間，因此適用于強(qiáng)震動應(yīng)用場合的惡劣工況。本實(shí)用新型整個(gè)功率模塊的封裝，依賴于自上而下的緊固螺釘實(shí)現(xiàn)位置的固定，同時(shí)通過高強(qiáng)度上蓋施加垂直方向的作用力在襯底、功率端子上，完成電學(xué)性能的可靠連接。

圖I是無焊接封裝功率模塊三維立體示意圖。圖2是絕緣襯底與外殼配合示意圖。圖3是功率端子固定整體示意圖。圖4是功率端子低電感設(shè)計(jì)示意圖。圖5是功率端子與襯底DBC銅層壓接方式示意圖。 圖6是信號端子連接方式。圖7是信號引線內(nèi)部彈簧配合方式示意圖。圖8是彈簧形變產(chǎn)生接觸力的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖所示，本實(shí)用新型包括外殼3、功率端子4、功率端子5、功率端子9、上蓋6和信號端子7。所述的外殼3內(nèi)設(shè)有壓力分散支架2、襯底結(jié)構(gòu)I、功率端子4、功率端子5、功率端子9和信號端子7。上蓋6下方設(shè)有襯片10。襯底結(jié)構(gòu)I邊側(cè)位于外殼3的內(nèi)沿使其水平位置移動受限，襯底結(jié)構(gòu)I豎直方向上方壓有壓力分散支架2，上蓋6把功率端子4、功率端子5、功率端子9下部壓于襯底結(jié)構(gòu)的表層上。所述的功率端子4、功率端子5、功率端子9與襯底結(jié)構(gòu)I的表層電路連接，功率端子4、功率端子5、功率端子9設(shè)于壓力分散支架2內(nèi)。[0027]所述的信號端子7包括頂針11、彈簧13和外圍套管12，頂針11、彈簧13設(shè)于外圍套管12內(nèi)，彈簧13的二端設(shè)有頂針11。功率端子4、功率端子5為扁平結(jié)構(gòu)。所述的功率端子4、功率端子5、功率端子9平面與襯底結(jié)構(gòu)I的表層電路面平行壓接。所述的襯片10為柔性金屬襯片，柔性金屬襯片的功能是壓緊功率端子避免功率端子的氧化腐蝕，同時(shí)使功率端子在外殼3內(nèi)的受力平均化。本實(shí)用新型所述的功率模塊的特點(diǎn)是I)襯底結(jié)構(gòu)I在外殼3內(nèi)壁限定的范圍內(nèi)做受限制的橫向運(yùn)動。功率模塊作為最高溫度點(diǎn)的熱源，在工作中產(chǎn)生大量的熱量，所以襯底結(jié)構(gòu)I的溫度在工作中將達(dá)到上百攝氏度，因此存在材料特性的膨脹?？紤]襯底材料與外殼3的材料差異帶來的膨脹，在襯底結(jié)構(gòu)I與外殼3的配合上要預(yù)留一定間距作為緩沖，使襯底結(jié)構(gòu)I在外殼3內(nèi)壁限定的范圍內(nèi)做受限制的橫向運(yùn)動。這一運(yùn)動范圍不影響整個(gè)模塊封裝中的位移要求和配合精度， 也不會影響整個(gè)模塊的電絕緣性能、接觸性能；2)功率端子4、功率端子5和功率端子9依靠外殼限定孔位進(jìn)行受限制運(yùn)動配合，使得功率端子4、功率端子5和功率端子9與襯底結(jié)構(gòu)I的配合位置被外殼3間接的固定，達(dá)到配合的精度要求,并形成抵御強(qiáng)震動的能力；3)功率端子4和功率端子5的結(jié)構(gòu)與排布方式形成一個(gè)典型的低電感功率端子結(jié)構(gòu)。這種功率端子本身的扁平結(jié)構(gòu)有助于降低自身電感；其次其PN端子電流方向相反，這種排布方式，相互間距離盡可能的小，使用絕緣襯片進(jìn)行電絕緣，進(jìn)一步利用其互感效應(yīng)降低電感值，達(dá)到低電感；4)功率端子4、功率端子5和功率端子9與襯底電路結(jié)構(gòu)的連接，是通過垂直方向上給功率端子4、功率端子5和功率端子9施加一個(gè)壓力，完成功率端子4、功率端子5和功率端子9底端與襯底電路表層的電氣連接，并達(dá)到低接觸電阻的連接性能。功率端子4、功率端子5和功率端子9實(shí)現(xiàn)這一連接性能，需做的一些特殊處理，首先功率端子4、功率端子5和功率端子9本身需要進(jìn)行特殊鍍層處理，使得接觸點(diǎn)不會氧化、磨損導(dǎo)致接觸電阻變化。其次，在功率端子4、功率端子5和功率端子9的接觸區(qū)域按照垂直壓力、接觸電阻要求進(jìn)行優(yōu)化處理。功率端子4、功率端子5和功率端子9接觸面的處理，使得接觸面的多點(diǎn)點(diǎn)接觸隨著壓力施加形成小區(qū)域面接觸，使得電學(xué)性能連接達(dá)到最優(yōu)化；5)信號端子7與襯底表面電路的連接用點(diǎn)接觸連接方式。信號端子7在整個(gè)功率模塊中的作用并非流經(jīng)大電流，而是小電流的控制信號，因此，對于接觸電阻的要求相對較低，選用點(diǎn)接觸連接方式；6)信號端子7在上蓋6以垂直方向固定之后，兩端的頂針11只能在垂直方向上做相對運(yùn)動。當(dāng)整個(gè)功率模塊封裝時(shí)，上端將有驅(qū)動板安裝在上蓋6上，會給驅(qū)動信號系統(tǒng)施加一個(gè)自上而下的垂直壓力。這一壓力會給使得內(nèi)部彈簧13形變而產(chǎn)生雙向的反作用力，使得兩端的頂針11與相對應(yīng)的接觸面緊密連接，實(shí)現(xiàn)良好的電學(xué)性能連接，又具有良好的抗震動能力。
權(quán)利要求1.一種無焊接封裝的功率模塊，包括外殼、功率端子、上蓋和信號端子，其特征在于所述的外殼內(nèi)設(shè)有壓力分散支架、襯底結(jié)構(gòu)、功率端子和信號端子，上蓋下方設(shè)有襯片，襯底結(jié)構(gòu)邊側(cè)位于外殼的內(nèi)沿，襯底結(jié)構(gòu)豎直方向上方壓有壓力分散支架，上蓋把功率端子下部壓于襯底結(jié)構(gòu)的表層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無焊接封裝的功率模塊，其特征收于所述的功率端子與襯底結(jié)構(gòu)的表層電路連接，功率端子設(shè)于壓力分散支架內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無焊接封裝的功率模塊，其特征收于所述的信號端子包括頂針、彈簧和外圍套管，頂針、彈簧設(shè)于外圍套管內(nèi)，彈簧的二端設(shè)有頂針。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無焊接封裝的功率模塊，其特征收于所述的功率端子為扁平結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無焊接封裝的功率模塊，其特征收于所述的功率端子的底平面與襯底結(jié)構(gòu)的表層電路平行壓接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無焊接封裝的功率模塊，其特征收于所述的襯片為柔性金屬襯片，柔性金屬襯片的功能是壓緊功率端子避免功率端子的氧化腐蝕，同時(shí)使功率端子在外殼內(nèi)的受力平均化。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種無焊接封裝的功率模塊，它包括外殼、功率端子、上蓋和信號端子，所述的外殼內(nèi)設(shè)有壓力分散支架、襯底結(jié)構(gòu)、功率端子，上蓋下方設(shè)有襯片，襯底結(jié)構(gòu)邊側(cè)位于固定外殼的內(nèi)沿使其水平位置移動受限，襯底結(jié)構(gòu)豎直方向上壓有壓力分散支架，上蓋把功率端子下部壓于襯底結(jié)構(gòu)的表層上。本實(shí)用新型適用于風(fēng)力發(fā)電、強(qiáng)烈震動的場合。
文檔編號H01L25/00GK202523704SQ20112056803
公開日2012年11月7日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者呂鎮(zhèn), 姚禮軍, 汪水明, 錢峰 申請人:嘉興斯達(dá)微電子有限公司