CN106298713A - 一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚 - Google Patents

一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚 Download PDF

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Abstract

一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚，该功率模块至少包括三个相互分离的模块：第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块，三个电路模块中至少有一个功率电路模块；该引脚至第一电路模块引出。该引脚包括：本体，该本体的上部与第一电路模块电性连接；第一连接面，设置在该本体的中部并与该本体具有一夹角，用于与第二电路模块电性连接；第二连接面，设置在该本体的末端，用于与第三电路模块电性连接。本发明可实现与三个电路模块在垂直方向上的互连，以组成集成度更高的功率模块，实现堆叠结构，从而减小***面积，提高功率密度。

Description

一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚
技术领域
本发明涉及一种半导体器件连接件，特别是一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚。
背景技术
高效率、高功率密度及高可靠性一直是业界对电源变换器的要求。高效率意味着减少能耗，利于节能减排、保护环境，并减少使用成本。高功率密度则意味着体积小、重量轻，减少材料成本、运输成本和空间需求，从而减少建设成本。高可靠性意味着更长的使用寿命以及维护成本。
半导体器件是决定电源变换器效率的重要因素之一。其在使用中往往不可避免还需要使用一些辅助材料，如固定半导体用的夹具、螺丝，用于辅助散热的散热垫(thermal pad)，等等。由于分立式器件的数量较多，因此这些材料的安装较为繁琐。而且由于分立式器件出于标准化的目的，通常其内部的空间利用率极低，对于典型的TO-247封装而言，参见如图1A-图1C，作为一种标准的分立器件封装，包括塑封料10、贴覆在塑封料10上的散热片20、封装在塑封料10内的芯片30电连接的引脚40，其芯片30占封装体塑封料10主平面(X-Y)的利用率通常在40％以下。为了应对进一步提升电源性能的需求，集成功率模块(Integrated Power Module)逐渐出现。其基本概念在于将多个面积较小的功率半导体器件(通常采用裸芯片)集成在一个模块中，如此有机会实现更高的空间利用率。
参见图2，图2为现有技术的智能功率模块示意图。图2所示的智能功率模块包含了功率器件50、磁性元件60(如变压器、电感等)、控制器件70和被动元器件80(如电阻、电容等)，它们共同被焊接在基板90上并形成电路功能连接，通过直插引脚40的方式形成与外部***板的连接。
为了进一步提高功率模块的散热能力和可靠性，目前业界采用高导热塑封料将所有的元器件密封在一个块体内，热量可以更好地通过塑封料传导至模块上的散热器100中发散出去。而引脚40可以通过与基板90的侧壁形成电气和机构连接(参见图3A、图3B)；引脚40也可以通过引线框架的方式焊接到基板90的一表面，然后通过弯折的方式引出到外部(参见图4)。
以上功率模块结构虽然集成度和功率密度较高，但是不足之处是占外部***板的面积仍然很大，为了进一步缩减功率模块的占地面积，可以将功率模块分成多个部分如两部分并互相堆叠，形成垂直堆叠结构的模块。如图5所示，图5为现有技术一垂直堆叠的功率模块结构示意图。典型的结构为功率器件50和磁性元件60放置于上面的上基板901上，而控制器件70和一部分被动元器件80则焊接在下面的下基板902上并与上基板901通过上引脚401垂直相连，下基板902通过下引脚402与***版垂直连接。该连接方式虽然实现了功率模块结构垂直方向上的堆叠，减少了占地面积，但是仍然存在以下缺点：
1)制作引脚与将引脚植入基板的工艺效率较低，成本较高；
2)上下两层基板之间的引脚连接会额外占用基板面积；
3)该结构整体难以进行塑封，不方便散热，且结构可靠性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于垂直连接功率模块内部堆叠结构的引脚。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于功率模块垂直堆叠连接的引脚，所述引脚至第一电路模块引出，所述引脚还包括：
本体，所述本体的上部与所述第一电路模块电性连接；
第一连接面，设置在所述本体的中部并与所述本体具有一夹角，用于与第二电路模块电性连接；
第二连接面，设置在所述本体的末端，用于与第三电路模块电性连接。
上述的引脚，其中，所述第一连接面与所述本体的夹角大于0度小于或等于180度。
上述的引脚，其中，所述夹角为90度。
上述的引脚，其中，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述本体的中间有一U型槽，所述第一连接面与所述U型槽相啮合而为I型，所述第一连接面自其与本体的交接处弯折而与所述本体呈所述夹角。
上述的引脚，其中，所述第一连接面为I形，位于本体的一侧且与未交接的本体之间具有一平行间距，所述第一连接面自与所述本体的交接处弯折与所述本体呈一夹角。
上述的引脚，其中，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述第一连接面为台阶面，与所述本体的其他部分均垂直。
上述的引脚，其中，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述第二连接面呈三角形或梯形。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种垂直堆叠连接的功率模块，其中，包括：
至少三个功率模块：第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块；
引脚，所述引脚至所述第一电路模块引出，所述引脚还包括：
本体，所述本体的上部与所述第一电路模块电性连接；
第一连接面，设置在所述本体的中部并与所述本体具有一夹角，用于与第二电路模块电性连接；
第二连接面，设置在所述本体的末端，用于与第三电路模块电性连接。
上述的功率模块，其中，所述第一连接面与所述本体的夹角等于90度。
上述的功率模块，其中，所述第二电路模块包括基板以及位于基板上的电路，所述基板上设有对应于所述本体的通孔以及用于与所述第一连接面连接的焊盘。
上述的功率模块，其中，所述通孔与所述焊盘相邻近。
本发明的技术效果在于：
本发明的引脚结构适合垂直堆叠模块(如功率模块或控制模块)之间或垂直堆叠模块和外部***板之间互联，实现堆叠结构，从而减小了外部***板的面积，提高了功率密度。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A为现有技术的TO-247封装结构示意图；
图1B为图1A的侧视图；
图1C为图1A的后视图；
图2为现有技术的智能功率模块示意图；
图3A为现有技术的一种塑封功率模块结构示意图；
图3B为图3A引脚电连接示意图；
图4为现有技术的另一种塑封功率模块结构示意图；
图5为现有技术一垂直堆叠的功率模块结构示意图；
图6为本发明第一实施例的功率模块结构示意图；
图7为本发明第二实施例的功率模块结构示意图；
图8为本发明第三实施例的功率模块结构示意图；
图9A为本发明第四实施例的功率模块结构示意图；
图9B为图9A的侧视图；
图10为本发明一实施例与外部***版连接示意图；
图11为本发明另一实施例与外部***版连接示意图；
图12A为本发明第一实施例的接脚结构示意图；
图12B为图12A弯折前结构示意图；
图12C为图12A的侧视图；
图13为本发明第二实施例的接脚结构示意图(弯折前)；
图14为本发明第三实施例的接脚结构示意图(弯折前)；
图15A为本发明第四实施例的接脚结构示意图；
图15B为图15A的侧视图；
图16为本发明第五实施例的接脚结构示意图；
图17为本发明一实施例的基板结构示意图；
图18为本发明另一实施例的基板结构示意图；
图19-图20为本发明第五实施例的接脚连接工艺示意图。
其中，附图标记
现有技术
10 塑封料
20 散热片
30 芯片
40 引脚
401 上引脚
402 下引脚
50 功率器件
60 磁性元件
70 控制器件
80 被动元器件
90 PCB基板
901 上基板
902 下基板
100 散热器
本发明
1 第一电路模块
11 基板
12 磁性元件
13 功率器件
14 被动元器件
15 塑封料
2 第二电路模块
21 基板
211 通孔
22 控制器
23 功率器件
24 被动元器件
3 引脚
31 本体
32 引脚端子
33 第一连接面
331 弯折面
34 第二连接面
37 第一分支
38 第一连接面
39 第三分支
4 焊盘
5 引线框架
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图6-图9B，图6为本发明第一实施例的功率模块结构示意图，图7为本发明第二实施例的功率模块结构示意图，图8为本发明第三实施例的功率模块结构示意图，图9A为本发明第四实施例的功率模块结构示意图，图9B为图9A的侧视图。本发明的垂直连接的功率模块，包括至少三个垂直堆叠连接的模块，如第一电路模块1、第二电路模块2和第三电路模块(图未示)，功率模块之间通过引脚3电连接。通常情况下，第三电路模块为外部***板。其中，第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块，至少有一电路模块为功率电路模块。所谓功率电路模块包括至少一个用于电源转换的功率开关。第二电路模块可以是控制电路模块控制功率电路模块。
第一电路模块1包含了第一电路模块的基板11以及位于基板11上的功率转换电路。其中功率转换电路通常会包括一些磁性元件12(如变压器、电感等)、功率器件13等，它们共同被焊接在基板11上并形成电路功能连接，通过引脚3形成与第二电路模块2和第三电路模块的电连接。第二电路模块2包括第二电路模块2的基板21以及位于基板21上的功率转换电路。其中功率转换电路通常会包括控制器22、功率器件23及被动元器件80(如电阻、电容等)。基板21上设置有通孔211，在与通孔211相邻的位置设置有焊盘4以用于引脚3通过通孔211时与焊盘4连接，实现第二电路模块2与第一电路模块1以及第三电路模块的电连接。其中，第一电路模块的基板11和第二电路模块的基板21通常可以为印刷电路板，但在此并不局限为印刷电路板。因该第一电路模块1和第二电路模块2及第三电路模块上的功率转换电路、元器件件之间的连接关系以及工作原理等均为功率转换器中较成熟的现有技术，故在此不做赘述，下面仅对本发明的引脚结构予以详细说明。
参见图10及图11，图10为本发明一实施例所展示的第一电路模块与第二电路模块连接示意图，图11为本发明另一实施例所展示的第一电路模块和第二电路模块连接的示意图，其中外部***板图未示。其中，第一电路模块1与第二电路模块2互连的引脚3可以有两种方式实现：一种是通过基板的侧壁引出焊盘4，使引脚端子32焊在侧壁上形成电连接(参见图3B)；另外一种是用引线框架制成引脚3，与基板的上表面或者下表面焊接，并且在成型后通过弯折的方式形成引脚3(参见图4)。如图10和11所示引脚3至第一电路模块1引出，引脚3与外部***板进行连接的部分可以弯折成J形或鸥翼形(gull-wing)的SMD型引脚，这样可以做成表贴器件，通过表面贴装(SMT)工艺与外部***板焊接。
参见图12A-图12C，图12A为本发明第一实施例的接脚结构示意图，图12B为图12A弯折前结构示意图，图12C为图12A的侧视图。本发明的用于垂直连接的功率模块堆叠连接的引脚3，该引脚3的本体31的上部引脚端子32与第一电路模块1电性连接，该引脚3还包括：
第一连接面33，设置在本体31的中部并与本体31具有一夹角，用于与第二电路模块2电性连接，并沿与第二模块2的基板平行的第一方向对所述第二电路模块2限位，同时，沿与该第一方向垂直的第二方向对该第二电路模块2限位。该第一连接面33与本体31的夹角大于0度小于或等于180度，优选该夹角为90度。本实施例中，本体31的中间有一U型槽，第一连接面33与该U型槽相啮合而为I型，第一连接面33自其与本体的交接处弯折而与本体31呈预先设定的夹角。在其他实施例中，如图13所示，本体中所开U型槽为开放型的，本体自第一连接面38与本体的连接处分成三支：第一分支37、第一连接面38和第二分支39；第一分支37和第二分支39的末端可作为第二连接面。在图12A至图12C所示实施例中，第一连接面33和第二连接面34及本体31为一体成型件，第二连接面34，设置在本体31的末端，用于与第三电路模块电性连接，第二连接面34可呈三角形或梯形。在其他实施例中，请参阅图15A至15B，该第一连接面33和第二连接面34及本体31为一体成型件，第一连接面33为台阶面，与本体31的其他部分均垂直。第一连接面33可实现第二电路模块2的基板21与第一电路模块1的连接和第三电路模块的连接，同时也利于第一连接面33对第一电路模块1整体起一定的支撑作用。其中第二连接面34呈梯形可插接入第三电路模块。引脚3为一金属材料件，如铜、镍、铝或其合金。该引脚3可以与第二电路模块2的基板21连接，其中第一连接面33在与第二电路模块2的基板21上焊盘连接的同时可以借助本体31对第二电路模块2的基板21在两个维度或方向：水平和垂直方向上限位。参见图7，与上述实施例不同的是，作为第一连接面33的金属片延伸并弯折一弯折面331，形成了另一连接面，该弯折面331可以***第二电路模块2的基板21预先做好的通孔211，这样可以起到更好的限位和结构加固的作用，并且该弯折面331从第二电路模块2的基板21伸出的部分可以与下面的焊盘4进行焊接，形成额外的电路连接。
参见图14，图14为本发明第三实施例的接脚结构示意图(弯折前)。在此实施例中，第一连接面33并未弯折。于本实施例中，第一连接面33为I形，本体31下部分别为平行的第一分支37和第二分支38，二者之间具有一平行间距。第二分支38自与本体31的交接处弯折与本体31呈一夹角，这样该第二分支38作为第一连接面33与第二电路模块2中基板21上的焊盘连接，同时也能起到对第一电路模块1一定的支撑作用。第二电路模块2中基板21上开有对应于第一分支37的孔供其通过而连接第三电路模块。参见图16，图16为本发明第五实施例的接脚结构示意图。本实施例中，第一连接面33和所述第二连接面34及本体31为一体成型件。本体31中部的第一连接面33为分布于本体31两侧相对内凹的两个内阶梯面，本体31中部的两个侧边内凹之后延伸出相对窄细的本体31下部的第二连接面34。对应地，第二电路模块2的基板21上开有供呈梯形状或三角状的第二连接面34通过的孔，在与孔相邻的位置对应于第一连接面33接触的基板位置设置有第二电路模块2的焊盘，以便第二电路模块2通过第一连接面33而与第三电路模块连接，同时本实施例中的第一连接面33也可一定程度对第一电路模块1起到一定的支撑作用。
图16所示的引脚实施例进一步可以参考图19所示实施例制作，如图19所示引脚3需预先做成引线框架5的形式，并且与第一电路模块1的上或下表面的焊盘4焊接。然后用塑封料15以注塑的方式把内部的电路板和内引脚3包封起来(参见图20)，最后将引脚3整体弯折，弯折后引脚3如图16中引脚所示。引脚3中与第二电路模块2的基板21焊接的第一连接面33在引脚3本体31的中部位置，借助该第一连接面33与第二电路模块2的基板21上焊盘的焊接可实现第二电路模块2的基板21的限位和定位。在此实施例中，增加引脚的中部位置的厚度，相应地利于增加第一连接面33的面积。塑封后第一电路模块的引脚3进行弯折后，可以采用与以上实施例类似的表贴工艺焊接在第二电路模块2的基板21上(参见图9A、图9B)。
虽然以上实施例对本发明中引脚结构有揭露如上：引脚包括一本体，本体的上部连接第一电路模块，本体中部设有一第一连接面与第二电路模块连接，本体的末端设有第二连接面与第三电路模块连接。通常情况下，第三电路模块为一基板面积较大的外部***板。以上不同实施例，分别有例举第一连接面的具体结构，例如本体的分割体，I型结构、较短的分支，或者是台阶面，亦或是本体中部两侧的内凹面，这些均例举了如何实现引脚与第二电路模块的连接。但引脚的第一连接面的实施例并不局限于在此例举的实施例，相应的一些可能的改动或变形应被包括在本发明中引脚结构的保护范围。
对应于引脚中部第一连接面的位置，第二电路模块的基板上会设置相应的通孔和焊盘。一些具体的实施例请参见图17、18，图17为本发明一实施例中第二电路模块的基板结构示意图，图18为本发明另一实施例中第二电路模块的基板结构示意图。其中，第二电路模块2的基板21在供引脚3通过的通孔211的位置可以镂空或者做成半开口的形状，而通孔211的旁边基板表面设置有焊盘4(如图17所示)，以与引脚3的第一连接面33焊接在一起。这里引脚3的第一连接面33同时起到了两方面的作用：一是与第二电路模块2的基板21的电气连接，另一是第一电路模块1和第二电路模块2上下两层结构的连接支撑和限位。值得说明的是，以上例举的第二电路模块2的基板21上通孔211以及焊盘的位置对应的为以上引脚的实施例中第一连接面33为台阶面或者I型的实施例，若对应于图16所示引脚的实施例，对应的第二电路模块2的基板21上的焊盘会位于通孔211的两侧而与分布于引脚本体31中部两侧的内凹面的第一连接面33电性连接。因此，对应于引脚3不同的第一连接面，相应的第二电路模块2的基板21上的通孔211以及对应焊盘的位置需做相应的调整。
在本发明中，功率模块应是实现电源转换的功率模块，例如直流/直流转换电路，亦或者是交流/直流，直流/交流，交流/交流转换电路或者PFC电路等。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于功率模块垂直堆叠连接的引脚，所述引脚至一第一电路模块引出，其特征在于，所述引脚包括：
本体，所述本体的上部与所述第一电路模块电性连接；
第一连接面，设置在所述本体的中部，用于与一第二电路模块电性连接；
第二连接面，设置在所述本体的末端，用于与一第三电路模块电性连接；
其中所述第一电路模块、第二电路模块和所述第三电路模块，至少有一电路模块为功率电路模块，所述功率电路模块包括至少一个用于电源转换的功率开关。
2.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述第一连接面为所述本体的分割体，所述第一连接面与所述本体的夹角大于0度小于或等于180度。
3.如权利要求2所述的引脚，其特征在于，所述夹角为90度。
4.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述本体的中间有一U型槽，所述第一连接面与所述U型槽相啮合而为I型，所述第一连接面自其与本体的交接处弯折而与所述本体呈所述夹角。
5.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述第一连接面为I形，位于本体的一侧且与未交接的本体之间具有一平行间距，所述第一连接面自与所述本体的交接处弯折与所述本体呈一夹角。
6.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述第一连接面为台阶面，与所述本体的其他部分均垂直。
7.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述第二连接面呈三角形或梯形。
8.如权利要求1所述的引脚，其特征在于，所述本体中部两侧相向内凹延伸出比所述本体的上部窄的本体下部，所述第一连接面位于所述本体两侧的内凹面。
9.一种垂直堆叠连接的功率模块，其特征在于，包括：
至少三个功率模块：第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块；其中所述第一电路模块、第二电路模块和所述第三电路模块，至少有一电路模块为功率电路模块，所述功率电路模块包括至少一个用于电源转换的功率开关；
引脚，所述引脚至所述第一电路模块引出，所述引脚还包括：
本体，所述本体的上部与所述第一电路模块电性连接；
第一连接面，设置在所述本体的中部，用于与第二电路模块电性连接；
第二连接面，设置在所述本体的末端，用于与第三电路模块电性连接。
10.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述第一连接面为所述本体的分割体，所述第一连接面与所述本体的夹角大于0度小于或等于180度。
11.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述第一连接面和所述第二连接面及所述本体为一体成型件，所述第一连接面为台阶面，与所述本体的其他部分均垂直。
12.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述本体中部两侧相向内凹延伸出比所述本体的上部窄的本体下部，所述第一连接面位于所述本体两侧的内凹面。
13.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述第二电路模块包括基板以及位于基板上的功率转换电路，所述基板上设有对应于所述本体的通孔以及用于与所述第一连接面连接的焊盘。
14.如权利要求10所述的功率模块，其特征在于，所述通孔与所述焊盘相邻近。
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