一种防腐防爆智能IPM变频模块的制作方法

本发明属于电子元件制造领域，具体涉及一种防腐防爆智能IPM变频模块。

背景技术：

IPM模块作为变频器的核心部件，其内部集成了功率开关器件和驱动电路，并配置有相应的故障检测电路，其性能好坏一定程度上决定了变频器的可靠性和可维护性。现有变频模块PCB采用直插元件配合人工焊接的生产工艺，生产和安装工序多，工艺复杂，生产效率低。由于元件采用直插的安装方式和不合理的封装形式，这类变频模块在出现故障后故障查找和维修过程复杂，造成维修成本增加。现有IPM变频模块并没有配备过流硬件保护功能，在故障发生电流过大时保护不及时，往往造成IPM变频模块整个高压回路故障，降低了产品的可靠性。除此之外，IPM变频模块内部元器件安排较为松散，仍有继续优化的空间，进一步缩小模块体积。

技术实现要素：

本发明针对现有IPM变频模块的不足，提出一种防腐防爆智能IPM变频模块结构。

一种防腐防爆智能IPM变频模块，包括PCB、八单元IGBT模块、前盖板、IPM塑胶外框和后盖板；

所述八单元IGBT功率模块，包括底部散热板、陶瓷铜基板、若干功率芯片、IGBT塑胶外框、塑胶封盖、限位柱。

陶瓷铜基板由下表面铜板层、中间陶瓷板层、上表面区域布线铜板层三部分组成；底部散热板上表面与陶瓷铜基板的下表面铜板层贴合；陶瓷铜基板的中间陶瓷层为绝缘层，陶瓷铜基板的上表面区域布线铜板层是功率芯片的表面贴装层，各芯片之间的电路连接通过铝线进行连接；IGBT塑胶外框由上往下将整个陶瓷铜基板的外边以及区域布线铜板层上的功率芯片包围在IGBT塑胶外框的内部，并同时将底部散热铜板的外周边包住部分深度；在陶瓷铜基板与功率芯片之上，塑胶外壳之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过塑胶封盖的安装高度，最后用塑胶封盖将功率芯片完全封在IGBT塑胶外框内部；所述的底部散热板的两端开有两个安装孔，安装孔内设有限位柱，限位柱与底部散热板的两个安装孔过盈配合；IGBT塑胶外框的两端也分别开有一个限位孔，限位孔与限位柱直径一致，限位柱套在IGBT塑胶外框的两端限位孔内。所述的IGBT塑胶外框上端开有四个安装槽，所述的塑胶封盖的四角分别留有凸出结构，与IGBT塑胶外框的凹槽相配合。

安装可控硅作为相比于传统七单元功率模块额外增加的第八个单元，用于实现传统智能模块外围电路中的继电器功能，提升了模块集成度；

在陶瓷铜基板上表面的布线铜板层设置有感温元件，该感温元件用来检测封装内部温度，使当内部温度达到一定温度后通过程序控制停止模块的继续使用，防止整个模块发生爆炸，达到安全生产的目的，并提升了模块集成度；

所述的IGBT塑胶外框沿长度方向上的两个边内都含有引脚，其中一个边含有7个引脚，另一个含有18个引脚，引脚都成Z字型结构，引脚的上边缘高出外框上边缘0.1mm，下边缘低于外框下方安装面边缘0.1mm，引脚的材料为铜，铜的外表面镀锡。

所述PCB上通过印刷电路和元器件焊接，实现IPM变频模块的电路原理；PCB上焊接的元器件，八单元IGBT模块焊接一侧，定义这一侧为反面，其他元件焊接在另外一侧，定义这一侧为正面；在PCB反面侧方留有2个焊盘，反面下方留有10个焊盘，这12个焊盘均与IPM塑胶外框相连接；在PCB上打两个通孔，通孔内径等于限位柱的外径，用于安装IGBT模块的定位；在PCB反面为八单元IGBT模块留有相应的焊盘，使用定位柱作为安装基准，按照IGBT模块尺寸分成两排，分别有7个和18个焊盘，用于八单元IGBT模块的焊接；IPM塑胶外框对应于PCB背面留有的焊盘位置，预埋了相应数量(侧面2个，下方10个)的铜柱焊盘，朝内一端用于与PCB进行贴片式焊接，朝外一端用于与整个模块外电路进行连接；IPM塑胶外框正面与反面均设计有台阶作为安装面，用于前盖板和后盖板的安装，正面留有四个安装直插卡口用于前盖板的固定；IPM塑胶外框下方左右两侧各留有一个安装孔，用于整个模块的安装固定；前盖板为PCB正面上焊接的高度较高的元器件留有相应形状的通孔，为八单元IGBT模块的限位柱留有两个通孔；前盖板左下方为石英陶瓷防爆保险丝设置了长方体凸起；后盖板整体为矩形薄板结构，按照八单元IGBT模块的外轮廓留有通孔，后盖板安装在IPM塑胶外框上，八单元IGBT模块的陶瓷铜基板外缘与后盖板平齐，在整个IPM变频模块安装时，模块反面与外部铝板贴合，用螺丝通过两个限位柱进行紧固，使铜基板与外部铝板紧密贴合，提升散热效果。

IPM塑胶外框将PCB板和八单元IGBT模块包围在IPM塑胶外框的内部；在PCB的正面，IPM塑胶外框之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过前盖板的安装面；在PCB的反面，塑胶外壳之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过后盖板的安装面；防腐防爆智能IPM变频模块整体留有四个安装孔，分别是IPM塑胶外框下方的两个安装孔和限位柱的两个安装孔；防腐防爆智能IPM变频模块的安装面为后盖板的外侧面，安装时应保证八单元IGBT模块的铜基板与外部铝板紧密贴合以便散热；

PCB正反面焊接的元件均使用贴片方式焊接；

正面上方的变压器也使用特殊设计的贴片式变压器元件；

PCB正面左下角安装有石英陶瓷防爆保险丝，在流过整个模块的电流过大时保险丝熔断，起到保护电路的作用。并可以避免产生明火，防止在外环境存在可燃性气体情况下引发爆炸。

将八单元IGBT功率模块安装在PCB反面，在不影响功率模块散热的前提下，缩小了模块的整体体积；

IPM塑胶外框的下方和左侧均含有引脚，其中下边缘含有10个引脚，引脚整体成Z字型结构，并在一端打孔；左边缘含有两个引脚，引脚整体为平面，在IPM塑胶外框外部的矩形部分打孔。12个引脚朝内的一端均需要与PCB上的焊盘进行贴片式焊接，因此这些引脚的焊接端面均需比PCB的安装端面高出0.1mm，引脚的材料为铜，铜的外表面镀锡。

IGBT塑胶外框的加工流程如下：1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有7个引脚，另一片上有18个引脚，引脚两端均有铜片连接；2)在铜片的适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构；3)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工；4)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片切断，便于后续封装焊接。该加工工艺在引脚的弯折和注塑的过程中，始终保持引脚之间的连接，这样的方式可以保证注塑加工过程中引脚位置的稳定和形状的一致性，在注塑加工完成之后再切断连接铜片，解除引脚之间的连接；

IPM塑胶外框的加工流程如下：1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有2个引脚，另一片上有10个引脚，引脚两端均有铜片连接；2)分别在两片铜片上相应的位置上打孔；3)在10个引脚的铜片适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构；4)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工；5)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片切断。该加工工艺在引脚的弯折和注塑的过程中，始终保持引脚之间的连接，这样的方式可以保证注塑加工过程中引脚位置的稳定和形状的一致性，在注塑加工完成之后再切断连接铜片，解除引脚之间的连接。

本发明有益效果如下：

本发明专利相比于现有技术具有以下优势：本IPM变频模块PCB上所有元件均采用贴片方式焊接，PCB与IPM塑胶外框之间的安装也采用贴片焊接的方式，设计这样的结构和安装方式可以简化加工工艺，生产流程可以通过自动化生产线完成，大幅度提升生产效率；本IPM变频模块中的功率模块采用八单元IGBT模块，该结构的功率模块完全采用贴片工艺，使生产工艺简单化、提高生产效率，使功率模块的体积变得更小、更轻更薄；所述功率模块进行了功能区域划分，上下桥臂布局充分考虑电磁兼容性能，使功率模块的引脚布置更加合理化；所述功率模块在一整块陶瓷铜基板上同时集成了驱动模块、IGBT功能模块和感温元件等，特别集成了可控硅作为第八个单元，将继电器功能集成在功率模块中，使其集成度更高；所述功率模块的内部设置有感温元件，可以随时监测功率模块内部温度变化，可以在内部温度升至过高时停止功率器件的工作，防止功率模块因过温而爆炸，提高产品安全性能；所述功率模块因所有元器件完成采用贴片工艺，且采用专用电子封装胶进行封装，方便在产品因部分元件坏后的维修工作，降低了使用成本，提高了使用率；创新设计塑胶外框结构，外框与铜基板之间采用平面焊接方式，进一步提升产品可靠性。通过合理的空间布局，将八单元IGBT模块安装在PCB反面，在保证电路原理和充分散热的前提下，大幅度缩小了IPM变频模块体积；由于所有PCB上所有元件均采用贴片工艺进行安装，且焊接之后在PCB正反面均使用专用电子封装胶进行封装，提高了模块的防腐蚀性能的同时，也方便故障后的维修，从而降低了维修成本，提高使用率；为模块设计石英陶瓷防爆保险装置，起到防止爆炸作用。

附图说明：

图1为本发明整体安装的侧上方视图；

图2为本发明整体的侧上方爆炸视图；

图3-1为IPM塑胶外框的主视图；

图3-2为IPM塑胶外框的左侧剖面视图；

图4-1为本发明整体安装的侧上方视图；

图4-2为本发明整体的侧上方爆炸视图；

图4-3为底部散热铜板的侧上方视图；

图4-4为定位柱的侧上方视图；

图4-5为定位柱与底部散热铜板的安装视图；

图4-6为陶瓷铜基板的侧上方视图；

图4-7为陶瓷铜基板的侧视图；

图4-8为功率芯片安装在陶瓷铜基板上的俯视图；

图4-9为IGBT塑胶外框侧上方视图；

图4-10为IGBT塑胶外框侧面剖视图；

图4-11为塑胶封盖的侧上方视图；

图5-1为PCB的正面主视图；

图5-2为PCB的反面主视图；

图6-1为前盖板的主视图；

图6-2为前盖板的左视图；

图7为后盖板的主视图；

图8-1为IGBT塑胶外框引脚加工示意图；

图8-2为IGBT塑胶外框加工过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1所示为防腐防爆智能IPM变频模块整体视图，留有四个安装孔，用于模块的安装，模块底部留有10个安装引脚，左侧留有2个安装引脚；

图2所示为防腐防爆智能IPM变频模块的爆炸视图，用于说明各个部件的相对位置，从后至前分别是后盖板2-1、IGBT模块2-2、IPM塑胶外框2-3、PCB 2-4和前盖板2-5，具体的安装方式在下文详述。

图3-1为IPM塑胶外框的主视图。IPM塑胶外框为塑胶和经过预处理的铜片复合而成。外框整体为矩形框结构，下方左右两边各留有一个安装孔3-1，安装孔用于整个IPM变频模块的安装固定。IPM塑胶外框左侧内嵌2个铜制引脚3-2，用于外接主回路滤波电容逆变正负极。IPM塑胶外框下方内嵌10个铜制引脚3-3，10个引脚分别外接电源进线、负极、制动输出、变频输出和接地，每个引脚均经过两次弯折，弯折角度均为90°，弯折后效果如图3-2左视图中3-5所示的Z字型结构。引脚靠内一端需要与PCB上的焊盘相连接，因此引脚的宽度和间隔配合PCB下方的焊盘位置而确定。引脚焊接端的边缘高出所处的IPM塑胶外框边缘0.1mm，该设计为了保证引脚在焊接时与焊盘充分贴合。引脚靠外一端需要进行钻孔处理，铜制引脚需要贯穿，并再向下继续在塑胶材料中攻丝，作为IPM变频模块对外的紧固连接接口。IPM塑胶外框与前盖板的安装面上，开有4个安装直插卡口3-4，用于配合前盖板的安装。

图4-1所示为八单元IGBT功率模块整体视图，该模块整体为扁平矩形结构，留有两个安装孔，用于模块的安装与焊接，模块两侧共留有25个引脚,用于与PCB上的电路进行连接。

图4-2所示为IGBT功率模块的爆炸视图，用于说明各个部件的相对位置，具体的安装方式在下文详述。

图4-3为底部散热铜板的侧上方视图，底部散热铜板为厚度均匀的铜制薄板，两端对称的开两个圆孔4-7，用于安装定位柱。图4-4为定位柱的侧上方视图，定位柱为中空的铜制圆柱体，圆柱体下部分外径与底部散热铜板留孔的内径相等，两者采用过盈配合进行安装，安装视图如图4-5所示。

图4-6所示为陶瓷铜基板的侧上方视图，图4-7所示为侧视图，由铜板层4-10、中间陶瓷板层4-9、上表面区域布线铜板层4-8压合而成。在区域涂铜区的相应部分，分别采用贴片方式焊接各个功率芯片，功率芯片之间使用金属连接线进行连接，各个功率芯片的安装位置和各个功率芯片之间的连接方式如图4-8所示，黑色连线为铝丝。

图4-9为IGBT塑胶外框侧上方视图，IGBT塑胶外框为塑胶和经过弯折的铜片复合而成。外框整体为中空的矩形结构，两端各留有一个安装孔4-11，安装孔的内径与定位柱上部分的外径相等。IGBT塑胶外框中内嵌25个铜片4-13作为模块引脚，各个铜片均经过两次弯折，弯折角度均为90°，整体成Z字型如图4-11中阴影部分所示。铜片的宽度和间距配合陶瓷铜基板上各个芯片的位置而确定。铜片上边缘高出外框上边缘0.1mm，铜片下边缘低于外框下方安装面边缘0.1mm，该设计为了保证引脚在焊接时与焊盘充分贴合。IGBT塑胶外框上端开有四个安装槽4-12，用于配合塑胶封盖的安装。

图4-11所示为塑胶封盖结构，塑胶封盖整体上为均匀厚度的矩形结构，四角分别留有凸出结构4-14，与IGBT塑胶外框的凹槽4-12相配合。

八单元IGBT功率模块，包括底部散热铜板4-6、陶瓷铜基板、功率芯片4-3、外壳和定位柱4-5。所述陶瓷铜基板由上层布线铜板层、中间层陶瓷层和下层铜板层组成，所述功率芯片包括可控硅、快恢复二极管、IGBT芯片、感温元件和驱动元件，所述外壳包括IGBT塑胶外框4-2和塑胶封盖4-1。

陶瓷铜基板由下表面铜板层、中间陶瓷板层、上表面区域布线铜板层三部分组成。底部散热板上表面与陶瓷铜基板的下表面铜板层贴合。陶瓷铜基板的中间陶瓷层为绝缘层，陶瓷铜基板的上表面区域布线铜板层是功率芯片的表面贴装层，各个芯片均采用贴片方式进行焊接安装。各芯片之间的电路连接通过铝丝进行连接。将IGBT塑胶外框从上往下套住陶瓷铜基板及其上的功率芯片，且嵌入IGBT塑胶外框的外接引脚与陶瓷铜基板的上表面的布线铜板层相应区域涂铜对接并进行焊接，方便功率模块的外部连接，在IGBT塑胶外框内部注入封装树脂，最后在封装树脂上表面盖上塑胶封盖。

上述功率模块的陶瓷铜基板上的功率芯片集成有可控硅、快恢复二极管、IGBT芯片、感温元件和驱动元件等。其中可控硅为相比于传统七单元功率模块额外增加的第八个单元，用于实现传统智能模块外围电路中的继电器功能。各功率芯片及元件之间通过区域涂铜之间的铝丝进行连接。

上述陶瓷铜基板上表面的布线铜板层进行了区域划分，将强弱电元件进行了合理布局，提升了功率模块的可靠性。

上述功率模块增加了感温元件，感温元件布置在整个区域布线铜板层中大功率芯片附近，可以实时监测功率模块内部温度，能有效的避免功率模块因为温度过高而造成爆炸的生产安全问题。

图5-1为PCB的正面主视图，该面按照变频器原理设计的电路进行元件布局和布线，除了IGBT模块之外其他所有的元器件均以贴片的形式焊接在PCB的正面，其中5-1位置安装贴片式变压器，5-2位置安装石英陶瓷防爆保险丝。PCB中部靠下位置有两个通孔5-3，通孔内径与限位柱的外径相等，IGBT模块的限位柱插入该通孔以确定安装位置。图5-2为PCB的反面主视图，在两个通孔之间的区域，配合IGBT模块引脚的位置，配置有25个焊盘5-4用于焊接。PCB下方有10个焊盘5-5，对应于IPM塑胶外框的10个铜制引脚3-3。PCB右侧有2个焊盘5-6，对应于IPM塑胶外框侧面的2个铜制引脚3-2。

图6-1为前盖板的主视图，图6-2为前盖板的左视图，前盖板整体上为开有多个孔的矩形结构，各个孔对应于PCB正面焊接的高度较高的元器件，并为八单元IGBT模块的限位柱留有两个通孔6-1。左下方设置有长方体凸起6-2，前盖板安装后该装置内部为PCB的石英陶瓷防爆保险丝。前盖板四角配置有4个用于安装的直插插头6-3，配合IPM塑胶外框的四个直插卡口3-4，用于前盖板的安装与紧固。

图7为后盖板的主视图，后盖板整体为矩形薄板结构，留有八单元IGBT模块铜基板形状的通孔7-1。后盖板安装在IPM塑胶外框上后，铜基板外缘与后盖板平齐，以便于功率模块的散热。

上述智能IPM变频模块全部元件均采用贴片的方式进行焊接，相比于传统的IPM变频模块将IGBT模块放置在PCB正面，本发明将IGBT模块配置在PCB背面，并设计后盖板中空结构7-1，在保证散热的前提下缩小了PCB的大小，进而缩小了IPM变频模块的体积。

上述智能IPM变频模块的正反面PCB在完成贴片元件焊接之后，前后盖板安装之前，需要在IPM塑胶外框之内，盖板安装面之内填充专用电子封装胶，可以提高模块的耐腐蚀性能。

上述智能IPM变频模块配置了石英陶瓷防爆保险装置5-2，在流过整个模块的电流过大时保险丝熔断，起到保护电路的作用，进一步提升模块的安全性。

本发明部分核心部件加工流程如下：

1.IGBT塑胶外框的加工流程

1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有7个引脚，另一片上有18个引脚，引脚两端均有铜片连接；

2)在铜片的适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构，如图8-1所示；

3)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工，加工过程中为图8-2所示；

4)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片8-1、8-2切断，便于后续封装焊接，由此完成IGBT塑胶外框的加工。

2.IPM塑胶外框的加工流程

1)1)取适当大小和厚度的铜片，按照引脚尺寸切割为两片，其中一片上有2个引脚，另一片上有10个引脚，引脚两端均有铜片连接；

2)分别在两片铜片上相应的位置上打孔；

3)在10个引脚的铜片适当位置进行弯折，使引脚成Z字型结构；

4)将完整的两片铜片作为整体加入注塑机中进行注塑加工；

5)注塑加工完成后，对所有引脚进行表面镀锡，并将连接引脚的铜片切断。

上述加工工艺在引脚的弯折和注塑的过程中，始终保持引脚之间的连接，这样的方式可以保证注塑加工过程中引脚位置的稳定和形状的一致性，在注塑加工完成之后再切断连接铜片，解除引脚之间的连接。

八单元IGBT功率模块制造及安装流程如下：

1)分别完成底部散热铜板、定位柱、陶瓷铜基板、IGBT塑胶外框、塑胶封盖的制作，陶瓷铜基板和IGBT塑胶外框的加工流程如上文所述；

2)将定位柱安装入底部铜基板的安装孔中，两者之间采用过盈配合；

3)在底部散热铜板上涂一层焊剂，于相应位置放置陶瓷铜基板，将两者进行气体保护高温焊接，由此陶瓷铜基板的下表面与底部散热铜板的上表面紧密贴合，以保证散热充分；

4)对焊接后的陶瓷铜基板进行清洗；

5)采用钢网锡浆印刷工艺在陶瓷铜基板的上表面涂一层焊剂，相应位置放置各个功率元件，并以定位柱为定位标准安装IGBT塑胶外框，此时IGBT塑胶外框上各个引脚与陶瓷铜基板上的焊盘一一对应，整体进行气体保护回流焊接；

6)在功率器件和陶瓷铜基板的相应位置焊接铝丝，由此完成模块内部电路部分的焊接；

7)在陶瓷铜基板与功率芯片之上，塑胶外壳之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过塑胶封盖的安装高度；

8)将塑胶封盖安装在塑胶外壳的相应安装位置；

9)对功率模块进行静态测试和动态测试；

10)测试通过后，将测试数据和产品型号打印在产品外壳上，其中产品的测试数据以二维码方式进行表达，完成功率模块的封装。

本发明制造及安装流程如下：

1)分别完成IPM塑胶外框、PCB、IGBT功率模块、前盖板和后盖板的加工制作；

2)使用钢网印刷工艺在PCB正面刷锡浆，使用贴片机完成PCB正面贴片元件的贴片，之后进行回流焊；

3)使用钢网印刷工艺在PCB反面焊盘上刷锡浆，将完成上一步焊接的PCB嵌入IPM塑胶外框，PCB反面焊盘与IPM塑胶外框引脚贴合，将IGBT功率模块的限位柱插入PCB的通孔，IGBT功率模块的引脚与PCB反面焊盘相贴合，使用专用风枪在260℃～280℃下进行焊接，由此完成电路部分焊接；

4)对电路部分进行测试，合格后进行下一步；

5)在PCB与贴片元件之上、IPM塑胶外框之内的空间填注专用电子封装胶，填注高度不超过前后盖板的安装高度；

6)安装前盖板，将四个安装直插卡头插入IPM塑胶外框相应的安装直插卡口中；

7)安装后盖板，保证IGBT模块的铜基板外缘与后盖板外缘平齐，使用胶水对后盖板四周进行固定；

8)使用激光打印在IPM塑胶外框上打印产品型号，由此完成整个IPM变频模块的封装。