专利名称：一种无焊接封装的功率模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无焊接封装的大功率高可靠性功率模块。
背景技术：
传统的功率模块封装技术，都需要焊接来实现功率端子、信号端子的电学、机械连接，DBC衬底与散热基板的连接。但是这样的封装方式，在温度冲击剧烈、振动强烈等严苛的应用环境下，焊料层会出现应力集中、焊点疲劳带来的损伤，长期工作会直接导致模块失效。但如不采用直接焊接作为电学、机械连接工艺，势必需要找到一种合理的连接方式，以使在电学性能、机械连接等达到设计要求的情况下，实现更好的抗振动、热冲击带来的损伤。
发明内容
本发明的目的是设计出一种无焊接封装的功率模块。本发明要解决的是传统功率模块封装采用焊接方式，导致功率端子、信号端子、 DBC衬底、散热基板在受温度冲击剧烈、振动强烈等条件下，焊料层出现应力集中、焊点疲劳带来损伤，直接导致模块失效的问题。本发明的设计思路是直接进行DBC衬底散热，无需散热基板的焊接。但无散热基板的功率模块安装对于DBC衬底与散热器之间的导热硅脂厚度要求极高，一般要控制在 30-50us之内，大功率模块直接将功率部分安装在散热器之上。但是DBC的固定如果没有散热基板的焊接，会在散热器的表面上四个方向滑动， 无法形成有效固定。因此，必须借助相关的外壳进行配合固定。另外一个问题是，DBC由于结合功率芯片之后，本身存在内凹现象，即使是用膨胀系数相对较小的材料，仍然无法避免这一现象。这就导致DBC中心部分相对于边缘，与散热器表面的距离过大，会造成DBC底面与散热器表面距离远远超过30US-50US这一距离。因此，还需要借助一个自上而下的压力分配结构，来实现对于DBC平整度的二次调整。其次，对于功率端子、信号端子的电学性能、 机械性能连接，要使用特殊的压接处理技术来实现，避免焊接存在的焊料损伤这一本质问题。因此，设计功率端子与DBC表面铜层的连接，依靠施加在功率端子上端的垂直方向压力，使得功率端子接触面与DBC铜层形成咬合，达到电学性能的要求。这一咬合带来的接触，可以达到低接触的电阻的电学性能要求，而其抗振动能力，又相比直接焊接有了质的飞跃。这一连接方式不存在应力集中、疲劳损伤的问题。信号端子的设计则依靠自身形变带来垂直方向的接触力，使得电学性能达到要求。控制形变的比例即可有效控制接触点的压力，形成一个类似咬合的有效接触点。对于信号端子的连接电学性能要求而言，因为其本身是小电流路径，因此对于接触电阻的要求相对较低，对于稳定接触要求较高，但这样的接触已经足以满足驱动部分的要求。
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为此，本发明提出的技术方案是它包括外壳、功率端子、上盖和信号端子，所述的外壳内设有压力分散支架、衬底结构、功率端子和信号端子，上盖下方设有衬片，衬底结构边侧位于外壳的内沿使其水平位置移动受限，衬底结构竖直方向上方压有压力分散支架， 上盖把功率端子下部压于衬底结构的表层上。所述的功率端子与衬底结构的表层电路连接，功率端子设于压力分散支架内。所述的信号端子包括顶针、弹簧和外围套管，顶针、弹簧设于外围套管内，弹簧的二端设有顶针。所述的功率端子为扁平结构。所述的功率端子平面与衬底结构的表层电路平行压接。所述的衬片为柔性金属衬片，柔性金属衬片的功能是压紧功率端子避免功率端子的氧化腐蚀，同时使功率端子在外壳内的受力平均化。本发明的优点是避免传统功率模块封装中焊料在较为恶劣工况下带来的疲劳损伤、应力损伤带来的失效，尤其是在风力发电、强烈震动的场合，无焊接封装技术在功率模块中能够凸显其对于传统模块的优势，有更好的抗振动、热冲击效果。本发明直接依靠绝缘衬底散热，绝缘衬底在散热器表面横向位置、垂直纵向位置的固定依靠固定外壳和内嵌压力分散器件的受限制配合完成。这一受限制配合，是为不同材料热膨胀特性预留空间，因此适用于强震动应用场合的恶劣工况。本发明整个功率模块的封装，依赖于自上而下的紧固螺钉实现位置的固定，同时通过高强度上盖施加垂直方向的作用力在衬底、功率端子上，完成电学性能的可靠连接。
图1是无焊接封装功率模块三维立体示意图。图2是绝缘衬底与外壳配合示意图。图3是功率端子固定整体示意图。图4是功率端子低电感设计示意图。图5是功率端子与衬底DBC铜层压接方式示意图。
图6是信号端子连接方式。图7是信号引线内部弹簧配合方式示意图。图8是弹簧形变产生接触力的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的说明。如图所示，本发明包括外壳3、功率端子4、功率端子5、功率端子9、上盖6和信号端子7。所述的外壳3内设有压力分散支架2、衬底结构1、功率端子4、功率端子5、功率端子9和信号端子7。上盖6下方设有衬片10。衬底结构1边侧位于外壳3的内沿使其水平位置移动受限，衬底结构1竖直方向上方压有压力分散支架2，上盖6把功率端子4、功率端子5、功率端子9下部压于衬底结构的表层上。所述的功率端子4、功率端子5、功率端子9与衬底结构1的表层电路连接，功率端子4、功率端子5、功率端子9设于压力分散支架2内。所述的信号端子7包括顶针11、弹簧13和外围套管12，顶针11、弹簧13设于外围套管12内，弹簧13的二端设有顶针11。功率端子4、功率端子5为扁平结构。所述的功率端子4、功率端子5、功率端子9 平面与衬底结构1的表层电路面平行压接。所述的衬片10为柔性金属衬片，柔性金属衬片的功能是压紧功率端子避免功率端子的氧化腐蚀，同时使功率端子在外壳3内的受力平均化。本发明所述的功率模块的特点是
1)衬底结构1在外壳3内壁限定的范围内做受限制的横向运动。功率模块作为最高温度点的热源，在工作中产生大量的热量，所以衬底结构1的温度在工作中将达到上百摄氏度，因此存在材料特性的膨胀。考虑衬底材料与外壳3的材料差异带来的膨胀，在衬底结构1与外壳3的配合上要预留一定间距作为缓冲，使衬底结构1在外壳3内壁限定的范围内做受限制的横向运动。这一运动范围不影响整个模块封装中的位移要求和配合精度，也不会影响整个模块的电绝缘性能、接触性能；
2)功率端子4、功率端子5和功率端子9依靠外壳限定孔位进行受限制运动配合，使得功率端子4、功率端子5和功率端子9与衬底结构1的配合位置被外壳3间接的固定，达到配合的精度要求，并形成抵御强震动的能力；
3)功率端子4和功率端子5的结构与排布方式形成一个典型的低电感功率端子结构。 这种功率端子本身的扁平结构有助于降低自身电感；其次其PN端子电流方向相反，这种排布方式，相互间距离尽可能的小，使用绝缘衬片进行电绝缘，进一步利用其互感效应降低电感值，达到低电感；
4)功率端子4、功率端子5和功率端子9与衬底电路结构的连接，是通过垂直方向上给功率端子4、功率端子5和功率端子9施加一个压力，完成功率端子4、功率端子5和功率端子9底端与衬底电路表层的电气连接，并达到低接触电阻的连接性能。功率端子4、功率端子5和功率端子9实现这一连接性能，需做的一些特殊处理，首先功率端子4、功率端子5和功率端子9本身需要进行特殊镀层处理，使得接触点不会氧化、磨损导致接触电阻变化。其次，在功率端子4、功率端子5和功率端子9的接触区域按照垂直压力、接触电阻要求进行优化处理。功率端子4、功率端子5和功率端子9接触面的处理，使得接触面的多点点接触随着压力施加形成小区域面接触，使得电学性能连接达到最优化；
5)信号端子7与衬底表面电路的连接用点接触连接方式。信号端子7在整个功率模块中的作用并非流经大电流，而是小电流的控制信号，因此，对于接触电阻的要求相对较低， 选用点接触连接方式；
6)信号端子7在上盖6以垂直方向固定之后，两端的顶针11只能在垂直方向上做相对运动。当整个功率模块封装时，上端将有驱动板安装在上盖6上，会给驱动信号系统施加一个自上而下的垂直压力。这一压力会给使得内部弹簧13形变而产生双向的反作用力，使得两端的顶针11与相对应的接触面紧密连接，实现良好的电学性能连接，又具有良好的抗震动能力。
权利要求
1.一种无焊接的功率模块，包括外壳、功率端子、上盖和信号端子，其特征在于所述的外壳内设有压力分散支架、衬底结构、功率端子和信号端子，上盖下方设有衬片，衬底结构边侧位于外壳的内沿，衬底结构竖直方向上方压有压力分散支架，上盖把功率端子下部压于衬底结构的表层上。
2.根据权利要求1所述的无焊接功率模块，其特征收于所述的功率端子与衬底结构的表层电路连接，功率端子设于压力分散支架内。
3.根据权利要求1所述的无焊接功率模块，其特征收于所述的信号端子包括顶针、弹簧和外围套管，顶针、弹簧设于外围套管内，弹簧的二端设有顶针。
4.根据权利要求1所述的无焊接功率模块，其特征收于所述的功率端子为扁平结构。
5.根据权利要求1所述的无焊接功率模块，其特征收于所述的功率端子的底平面与衬底结构的表层电路平行压接。
6.根据权利要求1所述的无焊接功率模块，其特征收于所述的衬片为柔性金属衬片， 柔性金属衬片的功能是压紧功率端子避免功率端子的氧化腐蚀，同时使功率端子在外壳内的受力平均化。
全文摘要
本发明公开了一种无焊接封装的功率模块，它包括外壳、功率端子、上盖和信号端子，所述的外壳内设有压力分散支架、衬底结构、功率端子，上盖下方设有衬片，衬底结构边侧位于固定外壳的内沿使其水平位置移动受限，衬底结构竖直方向上压有压力分散支架，上盖把功率端子下部压于衬底结构的表层上。本发明适用于风力发电、强烈震动的场合。
文档编号H01L23/36GK102522390SQ201110454940
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者吕镇, 姚礼军, 汪水明, 钱峰 申请人:嘉兴斯达微电子有限公司