专利名称：一种无接触焊接点型开关电源模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开关电源模块的工艺结构，特别是高功率密度开关电源模块的工艺结构。
现有的开关电源模块，以DC-DC直流变换器型开关电源模块为例，已能做到在所谓的半块砖(HALF BRICK)结构61×57.9×12.7mm3体积内实现150瓦功率输出，即功率密度可达到54.8W/inch3(3.34W/mm3)。为实现如此高的功率密度，现在常用的工艺结构是采用铝基覆铜板1作为基板，如
图1所示，用厚度小于10mm的平面磁芯制作平面型变压器2，再把变压器2和其他大功率半导体器件3一起用表面贴装工艺焊接在铝基覆铜板1上以实现电气互连。这种工艺结构存有如下的不足之处1.平面变压器2受磁芯高度和体积空间的限制，其线圈绕组不能用常规的漆包线绕制而必须采用一定厚度的铜箔4经特制模具冲压后组合而成，如图2所示，这种平面型变压器线圈在制作时铜箔4必须经过特定的防氧化和绝缘处理，工艺复杂，要求高。而且对不同规格型号的设计要求开不同的模具，所以这种平面变压器结构成本高，工艺控制困难。2.现有的这种高功率密度开关电源模块，其变压器的初次级端头5与其他功率器件3之间的互连，是将变压器的端头5用铅锡焊膏再流焊工艺焊接到铝基覆铜板相应的焊盘上，由于铅锡焊接本身固有的弊病如铅锡材料电阻率大易形成空洞等，这样在端头5焊接处就存在接触电阻，当有大电流通过时在接触电阻上就有较大的电压降进而引起内部的功率耗散，从而降低了开关电源模块的转换效率，内热阻增加，可靠性下降；在大批量生产中就会影响产品的成品率。
本实用新型的目的就是为了解决以上问题，提出一种无接触焊接点型开关电源模块的工艺结构。
为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案开关电源模块包括变压器、上表面支持功率器件的印刷电路板和基板。
所述变压器的线圈绕组直接由普通的印刷电路板形成，并且在同一块印刷电路板上直接印刷大功率器件的安装焊接图形。
所述基板起到散热和机械固定的作用。将已制成绕组线圈并已焊接有功率器件的印刷电路板安装在变压器磁芯中间，再整体安装在基板上，用一定厚度和体积大小的散热金属块安放在印刷电路板与基板之间，而且散热金属块必须直接垫在功率器件所在印刷电路板处的正下方。基板可以采用铝基覆铜板，散热金属块优选铜块。
开关电源模块的基板还可以采用经过加工的整体金属底座，用以代替上述铜块和铝基覆铜板。金属底座的形状与上述铜块和铝基覆铜板的联合形状相似；金属底座上的凸起也垫在功率器件所在印刷电路板处的正下方。
综上所述，本实用新型提出的高功率密度开关电源模块工艺结构归纳起来有如下的优点1.用印刷电路板制作变压器线圈绕组从根本上解决了焊点接触电阻问题，实现无焊接点型变压器电气互连结构，提高了开关电源模块的转换效率和其他电性能。2.用环氧印刷电路板制作变压器线圈绕组，可利用常规的印制板(PCB板)生产工艺，工艺通用化，控制方便，成本低；同时线圈绕组防氧化和绝缘可靠。3.铜之类导热性良好的金属块直接安放在功率发热器件所在印刷电路板处下面，可形成良好的热通路，使得开关电源模块的内热阻大大降低；同时由于铜块的热容量较大，对吸收功率器件因瞬态大电流引起的瞬态热量非常有效，这是一种良好的瞬态热沉结构，因此整体热性能和可靠性大大提高。
下面以两个实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。在各实施例中，同一结构部分标以相同标号，并省略重复的说明。
图1是现有技术带有接触焊接点的电源模块结构示意图；图2是图1中平面变压器2的结构组成图，其线圈绕组由几片铜箔经模具压制而成；图3是本实用新型无接触焊接点型开关电源模块实施例一的结构组成示意图；图4是本实用新型无接触焊接点型开关电源模块实施例二的结构组成示意图。
实施例一以设计一个输入电压48伏，输出电压5伏，输出电流30安培，输出功率150瓦的直流到直流转换器型开关电源模块为例。按图1现有的工艺结构，假设变压器端头5焊接点处有1毫欧姆的接触电阻，在30安培电流通过时，焊接点处将有30×1＝30(毫伏特)的电压降，同时焊接点处会有30×30×1＝900(毫瓦)的功率耗散，由此可见，对150瓦的功率输出将使转换效率降低近1％；我们知道，1毫欧姆的电阻是微乎其微的，实际上焊接点处的接触电阻远远大于1毫欧姆，由此可见，消除焊接点及其带来的接触电阻的影响对产品性能有相当大的提高。
如图3，平面变压器的线圈绕组201直接由普通的环氧印刷电路板6(PCB板)形成，同时在同一块印刷电路板6上直接设计大功率器件3(如大功率肖特基整流二极管)的安装焊接图形，这样从变压器的端头到功率器件之间的电气连接就不存在端头焊接点的接触电阻问题，属于直接连接，这就从根本上解决了端头焊接点接触电阻大的问题。
制作变压器线圈绕组用的印刷电路板6可以是双面印刷电路或者是多层印刷电路。双面印刷电路制作工艺简单，成本低；采用双面环氧印刷电路板时，可根据实际使用中具体的输出电流和输出功率大小选择铜箔的厚度，目前可做到双面各0.5mm厚的铜箔，中间环氧介质层厚度最薄可到0.2mm，在环氧印刷电路板图形腐蚀工艺中对较厚的铜箔可适当增加腐蚀时间，图形设计时适当加宽线条间的距离即可，这些都属于通用的工艺，大批量生产是完全可行的。
开关电源模块的基板仍采用铝基覆铜板1，以保证良好的散热和安装机械强度，将已制成绕组线圈201并已焊接有功率器件3的环氧印刷电路板6安装在变压器磁芯202、203中间，再整体安装在铝基覆铜板1上。如图3，由于环氧印刷电路板6安装在变压器磁芯202、203中间，环氧印刷电路板6的底部和铝基覆铜板1之间隔有磁芯203，也就是铝基覆铜板1除与磁芯203接触外，与环氧印刷电路板6其他部分是悬空的。解决方法之一是用一定厚度和体积大小的铜块7安放在环氧印刷电路板6与铝基覆铜板1之间，关键点是铜块7必须直接垫在功率器件3所在印刷电路板处的正下方，使功率器件3发出的热量通过铜块7与铝基覆铜板1之间形成的热通路散发出去。铝基覆铜板1上表面经腐蚀工艺处理，形成如图3所示的铜箔101与铜块7接触。铜块7既能导热又能起到环氧印刷电路板6与铝基覆铜板1之间固定的作用。铜块7也可以用其他热传导系数大的材料代替，如铝、钛等。
铜块7的加工无特别要求，只要表面平整两面镀锡即可，和功率器件3的安装焊接方式一样，可用表面贴装机实现自动安放，工艺简单。实施例二环氧印刷电路板6与铝基覆铜板1之间悬空问题的解决方法之二是，采用加工成型的整体金属底座8代替实施例一中的铜块和铝基覆铜板，如图4所示。整体金属底座8上表面的凸起801正是实施例一中铜块7的大小和位置。金属底座8上的凸起801正好垫在功率器件3所在印刷电路板处的正下方，为了绝缘，在功率器件3与凸起801之间粘有绝缘导热胶。这样的整体金属底座8同样能起到导热、固定安装和增加机械强度的作用。金属底座8通常采用散热性能和绝缘性能良好的铝材料，可以通过一次冲压或铸锻成型，或通过金加工成型。
综上所述，本实用新型所公开的这种高功率密度开关电源模块工艺结构和内部互连方式可以非常有效地解决现有相关产品和技术中存在的问题，同时这种工艺结构和互连方式在其他要求高功率密度.大电流.低热阻的模块化产品设计中也有很好的利用价值。
权利要求1.一种无接触焊接点型开关电源模块，包括基板(1)、变压器、上表面支持功率器件(3)的印刷电路板(6)，其特征在于变压器的线圈绕组(201)直接由印刷电路板(6)形成，同时印刷电路板(6)上还印刷有大功率器件的安装焊接图形；印刷电路板(6)安装在变压器磁芯(202、203)中间，再整体安装在基板(1)上；在印刷电路板(6)与基板(1)之间还安放有散热金属块(7)，而且散热金属块(7)垫在功率器件(3)所在印刷电路板处的正下方。
2.根据权利要求1所述的开关电源模块，其特征在于所述基板(1)是经过腐蚀工艺处理的铝基覆铜板，所述散热金属块(7)是铜块。
3.根据权利要求2所述的开关电源模块，其特征在于所述铜块(7)上表面镀锡与所述印刷电路板(6)通过焊接互相连接，所述铜块(7)下表面镀锡与所述铝基覆铜板上铜箔(101)通过焊接互相连接。
4.一种无接触焊接点型开关电源模块，包括基板(1)、变压器、上表面支持功率器件(3)的印刷电路板(6)，其特征在于变压器的线圈绕组(201)直接由印刷电路板(6)形成，同时印刷电路板(6)上还印刷有大功率器件的安装焊接图形；基板(1)是经过加工成型的整体金属底座(8)，印刷电路板(6)安装在变压器磁芯(202、203)中间，再整体安装在金属底座(8)上，金属底座(8)上的凸起(801)正好垫在功率器件(3)所在印刷电路板处的下方。
5.根据权利要求4所述的开关电源模块，其特征在于所述的金属底座(8)采用散热性能良好的铝材料。
6.根据权利要求4或5所述的开关电源模块，其特征在于所述的金属底座(8)通过一次冲压或铸锻成型，或通过金加工成型。
7.根据权利要求4或5所述的开关电源模块，其特征在于所述的凸起(801)与印刷电路板(6)之间粘有绝缘导热胶。
8.根据权利要求6所述的开关电源模块，其特征在于所述的凸起(801)与印刷电路板(6)之间粘有绝缘导热胶。
9.根据权利要求1或4所述的开关电源模块，其特征在于所述的印刷电路板(6)是双面印刷电路或多层印刷电路。
专利摘要一种无接触焊接点型开关电源模块,包括基板(1)、变压器、上表面支持功率器件(3)的PCB板(6),变压器的线圈绕组(201)由PCB板形成;将PCB板安装在变压器磁芯(202、203)中间,再整体安装在基板上,散热块(7)安放在PCB板与基板之间且垫在功率器件所在PCB板处的正下方。基板也可以是整体金属底座,金属底座上的凸起垫在功率器件所在PCB板处的正下方。这样的结构既实现无焊接点型变压器电气互连,又具有良好的散热性能和机械强度。
文档编号H05K1/00GK2385497SQ9921736
公开日2000年6月28日 申请日期1999年8月2日 优先权日1999年8月2日
发明者程群 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司