CN113035790B - 焊接底座及功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种焊接底座及功率半导体模块，涉及功率模块制造技术领域。该焊接底座包括管状的主体，主体的第一端和第二端分别设置有垂直于主体外壁向外延伸的第一环形凸缘和第二环形凸缘，其特征在于，第一环形凸缘和第二环形凸缘中的至少一个的远离主体的凸缘表面上设置有环状凸台。该焊接底座的端面上设置有环状凸台，从而增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座的脱落。该功率半导体模块包括上述的焊接底座。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块制造技术领域，尤其涉及一种焊接底座及功率半导体模块。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称“IGBT”)是一种全控型功率半导体器件，辅助信号针能够连接IGBT功率半导体模块以及其上层的驱动电路板实现门极驱动控制或检测保护功能，因此，功率半导体模块通常会安装辅助信号针。目前，一体化管壳的安装方式被大量使用，辅助信号针需要嵌入功率半导体模块如图1所示的侧框10中，因此功率半导体模块辅助控制极的覆铜层需要延伸至侧框10且需要使用键合线进行连接。覆铜层占用衬板的有效利用面积，使得功率半导体模块的功率密度难以最大化提升。同时，由于键合线的振动耐受能力低，易在振动时发生断裂，使得功率半导体模块无法适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。
为了最大化提升功率半导体模块的功率密度，减小覆铜层的面积，焊接底座20开始受到广泛地关注并被使用，如图2所示，焊接底座20呈工字型结构，方形的辅助信号针与焊接底座20的内壁过盈配合，从而连接辅助信号针和衬板。然而，由于焊接底座20的端部为平面结构，焊接时焊料与其难以形成足够的结合面，因此焊接效果较差，容易脱落。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种焊接底座及功率半导体模块。该焊接底座的端面上设置有环状凸台，从而增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座的脱落。
第一方面，本发明提供了一种焊接底座，包括管状的主体，所述主体的第一端和第二端分别设置有垂直于所述主体外壁向外延伸的第一环形凸缘和第二环形凸缘，所述第一环形凸缘和所述第二环形凸缘中的至少一个的远离所述主体的凸缘表面上设置有环状凸台。利用该焊接底座，能够增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，提高了焊接强度，有利于避免焊接底座的脱落。
在第一方面的一个实施方式中，所述主体的内壁与所述环状凸台的连接处设置有倒圆。通过该实施方式，有利于焊料沿倒圆的表面逐渐向上堆积，从而有利于焊料流入环状凸台的内侧，增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，提高了焊接强度，有利于避免焊接底座的脱落。
在第一方面的一个实施方式中，所述倒圆的半径在0.1至0.5毫米之间。通过该实施方式，即可为焊料提供足够大的容纳空间，有利于增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，提高焊接强度；也可保持焊接底座的稳定性，有利于避免其在焊接过程中发生晃动或在焊接后发生倾斜。
在第一方面的一个实施方式中，所述焊接底座由铜或者铜合金制成。通过该实施方式，为焊料的选料提供了便利。
在第一方面的一个实施方式中，所述主体的内壁具有镍镀层；所述凸缘表面具有银、锡或金镀层。通过该实施方式，镍镀层可以起到阻焊的作用，避免焊料从倒圆处堆积至主体的内壁处；而焊料易与银、锡或金镀层相结合，有利于焊接底座通过凸缘表面牢固地固定在覆铜层上。
在第一方面的一个实施方式中，所述焊接底座的高度在2.0至5.0毫米之间，所述主体的内径在0.6至1.0毫米之间，所述第一环形凸缘的外径或所述第二环形凸缘的外径在2.5至4.0毫米之间，所述环状凸台的高度在0.05至0.25毫米之间，所述环状凸台到环形凸缘外边缘的距离在0.05至1.50毫米之间，所述环状凸台的外径在1.45至2.50毫米之间。
第二方面，本发明还提供了一种功率半导体模块，所述功率半导体模块包括上述的焊接底座。利用该功率半导体模块，通过在焊接底座的端面上设置环状凸台，从而增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座的脱落；同时，避免了使用键合线连接辅助信号针和衬板，因此有利于本实施方式的功率半导体模块适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率半导体模块包括依次叠置的基板、衬板和覆铜层，所述焊接底座与所述覆铜层焊接连接。通过该实施方式，有利于功率半导体模块能够向外传导辅助信号。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率半导体模块还包括辅助信号针，其插接在所述主体的中空腔中，其中，所述辅助信号针的截面形状为圆形，其与所述中空腔间隙配合；或者，所述辅助信号针的截面形状为方形，其与所述中空腔过盈配合。通过该实施方式，有利于功率半导体模块能够向外传导辅助信号。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率半导体模块为绝缘栅双极型晶体管模块。通过该实施方式，由于IGBT模块采用上述焊接底座，且该焊接底座的端面上设置有环状凸台，从而增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座的脱落，可以更好地固定辅助信号针，确保IGBT模块能够向外传导辅助信号；同时，避免了使用键合线连接辅助信号针和衬板，因此有利于IGBT模块适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。
本申请提供的焊接底座及功率半导体模块，相较于现有技术，具有如下的有益效果：
1、焊接底座的端面上设置有环状凸台，从而增大焊接底座与衬板上覆铜层的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座的脱落；
2、避免了使用键合线连接辅助信号针和衬板，因此有利于功率半导体模块适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境；
3、可以更好地固定辅助信号针，确保功率半导体模块能够向外传导辅助信号。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1显示了现有技术的侧框的结构示意图；
图2显示了现有技术的焊接底座的结构示意图；
图3显示了根据本发明一实施方式的焊接底座的立体结构示意图；
图4显示了根据本发明一实施方式的焊接底座的剖视示意图；
图5显示了根据本发明一实施方式的焊接后的焊接底座的剖视示意图；
图6显示了根据本发明一实施方式的焊接底座与辅助信号针的插接示意图；
图7显示了根据本发明一实施方式的功率半导体模块的局部结构示意图；
图8显示了根据本发明一实施方式的功率半导体模块的剖视示意图。
附图标记：
10-侧框；
20-焊接底座；
100-焊接底座；
110-主体；
111-中空腔；
120-第一环形凸缘；
130-第二环形凸缘；
140-环状凸台；
150-倒圆；
400-焊料；
500-管壳；
600-基板；
700-衬板；
800-覆铜层；
900-辅助信号针。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图3至图8所示，本实施方式提供了一种焊接底座100。如图3和图4所示，焊接底座100包括管状的主体110，主体110的第一端和第二端分别设置有垂直于主体110外壁向外延伸的第一环形凸缘120和第二环形凸缘130，第一环形凸缘120和第二环形凸缘130中的至少一个的远离主体110的凸缘表面上设置有环状凸台140。
环状凸台140增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，提高焊接强度，有利于避免焊接底座100的脱落。
由于环状凸台140凸出于环形凸缘，在环状凸台140的外侧形成了环状凹部。在焊接过程中，液态的焊料400可以充满环状凹部，从而增加焊料400与焊接底座100的结合面面积，提高焊接强度，有利于避免焊接底座100的脱落。完成焊接加工后，如图5所示，焊料400分布在环状凸台140外侧的环状凹部内，且与环状凸台140的外侧壁以及环状凹部的底面相结合。
由于焊接底座100只有一端需要与衬板700上覆铜层800焊接连接，因此第一环形凸缘120和第二环形凸缘130中的至少一个需要设置环状凸台140，焊接底座100使用设置有环状凸台140的环形凸缘与衬板700上覆铜层800焊接连接，从而增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，提高焊接强度，有利于避免焊接底座100的脱落。
当焊接底座100只有一端设置有环状凸台140，另一端的端面为平面结构时，由于平面的端面更易于加工，有利于降低焊接底座100的生产成本。但是在焊接时，需要工作人员对焊接底座100的两个端面进行挑选、辨别，使用具有环状凸台140的环形凸缘与衬板700上覆铜层800焊接连接。
当焊接底座100两端均设设置有环状凸台140时，工作人员可以使用焊接底座100的任一端与衬板700上覆铜层800焊接连接，无需对焊接底座100的两个端面进行挑选、辨别，有利于提高工作效率，也有利于避免错误地使用平面结构的端面与衬板700上覆铜层800焊接连接。
本实施方式由于在焊接底座100的端面上设置有环状凸台140，从而增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，提高了焊接强度，有利于避免焊接底座100的脱落。
如图4所示，可选地，本实施方式的主体110的内壁与环状凸台140的连接处设置有倒圆150。
在焊接连接焊接底座100与衬板700上覆铜层800时，倒圆150的设置，有利于焊料400沿倒圆150的表面逐渐向上堆积，从而有利于焊料400流入环状凸台140的内侧，增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，提高了焊接强度，有利于避免焊接底座100的脱落。完成焊接加工后，如图5所示，焊料400分布在环状凸台140内侧，且倒圆150的表面被焊料400所覆盖。
辅助信号针900从焊接底座100远离覆铜层800的一端***主体110的中空腔111中，该端设置倒圆150，可以避免划伤辅助信号针900，也有利于引导辅助信号针900顺利进入主体110的中空腔111内。
可选地，本实施方式的倒圆150的半径在0.1至0.5毫米之间。
倒圆150的半径过小，无法为焊料400提供足够的容纳空间，且不利于增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，因此不利于提高焊接强度，有可能引发焊接底座100从衬板700覆铜层800表面脱落。
倒圆150的半径过大，则会导致环状凸台140的端面面积过小，在焊接过程中，不利于保持焊接底座100的稳定性，不利于环状凸台140与衬板700上覆铜层800之间的焊接连接，有可能导致焊接底座100在焊接过程中发生晃动或在焊接完成后发生倾斜，不利于焊接底座100的固定。
因此，倒角的半径设置在0.1至0.5毫米之间：即可为焊料400提供足够大的容纳空间，有利于增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，提高焊接强度；也可保持焊接底座100的稳定性，有利于避免其在焊接过程中发生晃动或在焊接后发生倾斜。
可选地，本实施方式的焊接底座100由铜或者铜合金制成。由于焊接底座100需要固定在覆铜层800上，铜或者铜合金制成的焊接底座100与铜制成的覆铜层800焊接连接，有利于提高焊接的牢固性，又由于焊料400只需要与铜相适配，因此也为焊料400的选料提供了便利。
可选地，本实施方式的主体110的内壁具有镍镀层；凸缘表面具有银、锡或金镀层。
由于焊料400不易与镍镀层相结合，因此可以避免焊料400从倒圆150处堆积至主体110的内壁处，起到阻焊的作用，使得焊料400被限制在倒圆150处并聚集在倒圆150处形成较牢固的焊接面，有利于提高焊接强度，从而有利于避免焊接底座100的脱落。
凸缘表面具有银、锡或金镀层，由于焊料400易与银、锡或金镀层相结合，有利于焊接底座100牢固地固定在覆铜层800上。
可选地，本实施方式的焊接底座100的高度在2.0至5.0毫米之间，主体110的内径在0.6至1.0毫米之间，第一环形凸缘120的外径或第二环形凸缘130的外径在2.5至4.0毫米之间，环状凸台140的高度在0.05至0.25毫米之间，环状凸台140到环形凸缘外边缘的距离在0.05至1.50毫米之间，环状凸台140的外径在1.45至2.50毫米之间。
其中，焊接底座100的高度主要取决于辅助信号针900的高度，需要保证辅助信号针900不发生晃动。焊接底座100主体110的内径主要与辅助信号针900的截面尺寸相适配，因此取决于辅助信号针900的截面尺寸。第一环形凸缘120的外径或第二环形凸缘130的外径主要取决于焊接底座100的高度，焊接底座100的高度越大，为了保证焊接底座100的稳定性，第一环形凸缘120的外径或第二环形凸缘130的外径越大。
环形凸台的高度过大，焊料400无法与形成在环状凸台140外侧的环状凹部的底面充分结合，减小了焊料400与焊接底座100间的结合面面积，不利于避免焊接底座100的脱落。环状凸台140的高度过小，无法为焊料400提供足够大的容纳空间，也不利于增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积。因此，环状凸台140的高度在0.05至0.25毫米之间，即可保证焊料400与环状凹部的底面充分结合，也可为焊料400提供足够大的容纳空间，从而增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座100的脱落。
环状凸台140到环形凸缘外边缘的距离在0.05至1.50毫米之间，环状凸台140的外径在1.45至2.50毫米之间，且环形凸缘的外径在2.5至4.0毫米之间，有利于为位于环状凸台140外侧的焊料400提供足够大的容纳空间。
如图7和图8所示，本实施方式还提供了一种功率半导体模块，该功率半导体模块包括上述的焊接底座100。
由于功率半导体模块采用上述焊接底座100，该焊接底座100的端面上设置有环状凸台140，从而增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座100的脱落。
键合线的振动耐受能力低，易在振动时发生断裂，使得采用键合线连接辅助信号针900和衬板700的功率半导体模块无法适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。由于本实施方式采用焊接底座100连接辅助信号针900和衬板700，避免了使用键合线连接辅助信号针900和衬板700，因此有利于本实施方式的功率半导体模块适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。
如图8所示，可选地，本实施方式的功率半导体模块包括依次叠置的基板600、衬板700和覆铜层800，焊接底座100与覆铜层800焊接连接。
其中，基板600可以，但不仅限于由铜或铝碳化硅(AlSiC)制成。可选地，衬板700为陶瓷衬板700，可以，但不仅限于由氧化铝、氮化铝或者氮化硅等绝缘陶瓷制成。可选地，芯片可以焊接在衬板700上，上述芯片可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称“IGBT”)芯片。
焊接底座100与覆铜层800焊接连接，从而连接辅助信号针900和衬板700，使得功率半导体模块能够向外传导辅助信号。
由于焊接底座100可以布置在衬板700上覆铜层800的任一位置而不必被侧框的结构所限制，所以可以将焊接底座100安装在并联的IGBT芯片的中间，从而提高IGBT芯片的并联均流特性。
如图6至图8所示，可选地，本实施方式的功率半导体模块还包括辅助信号针900，其插接在主体110的中空腔111中，其中，辅助信号针900的截面形状为圆形，其与中空腔111间隙配合；或者，如图6所示，辅助信号针900的截面形状为方形，其与中空腔111过盈配合。
当辅助信号针900与中空腔111间隙配合时，需要焊接连接辅助信号针900和焊接底座100，从而使功率半导体模块能够向外传导辅助信号。
辅助信号针900可以，但不限于由铜或者铜合金制成，且具有镍、锡或金的表面镀层。其中，焊料400不易与镍镀层相结合，可以在辅助信号针900表面形成阻焊区，锡或金的表面镀层易与焊料400相结合，可以在辅助信号针900表面形成易焊区。
如图8所示，辅助信号针900的高度要高于功率半导体模块的管壳500高度，以便于辅助信号针900穿出管壳500与功率半导体模块上层的驱动电路板连接，从而顺利向外传导辅助信号。
可选地，辅助信号针900还可以采用压接(press-fit)或焊接等连接方式与功率半导体模块上层的驱动电路板相连接。
可选地，本实施方式的功率半导体模块为绝缘栅双极型晶体管模块。
由于IGBT模块采用上述焊接底座100，该焊接底座100的端面上设置有环状凸台140，从而增大焊接底座100与衬板700上覆铜层800的焊接结合面面积，有利于避免焊接底座100的脱落，可以更好地固定辅助信号针900，确保IGBT模块能够向外传导辅助信号。
键合线的振动耐受能力低，易在振动时发生断裂，使得采用键合线连接辅助信号针900和衬板700的IGBT模块无法适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。由于本实施方式采用焊接底座100连接辅助信号针900和衬板700，避免了使用键合线连接辅助信号针900和衬板700，因此有利于本实施方式的IGBT模块适用于三合一或多合一车辆的电驱控制器等高振动环境。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种焊接底座，包括管状的主体，所述主体的第一端和第二端分别设置有垂直于所述主体外壁向外延伸的第一环形凸缘和第二环形凸缘，其特征在于，所述第一环形凸缘和所述第二环形凸缘中的至少一个的远离所述主体的凸缘表面上设置有环状凸台；
所述焊接底座的高度在2.0至5.0毫米之间，所述主体的内径在0.6至1.0毫米之间，所述第一环形凸缘的外径或所述第二环形凸缘的外径在2.5至4.0毫米之间，所述环状凸台的高度在0.05至0.25毫米之间，所述环状凸台到环形凸缘外边缘的距离在0.05至1.50毫米之间，所述环状凸台的外径在1.45至2.50毫米之间。
2.根据权利要求1所述的焊接底座，其特征在于，所述主体的内壁与所述环状凸台的连接处设置有倒圆。
3.根据权利要求2所述的焊接底座，其特征在于，所述倒圆的半径在0.1至0.5毫米之间。
4.根据权利要求1所述的焊接底座，其特征在于，所述焊接底座由铜或者铜合金制成。
5.根据权利要求1所述的焊接底座，其特征在于，所述主体的内壁具有镍镀层；所述凸缘表面具有银、锡或金镀层。
6.一种功率半导体模块，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的焊接底座。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，包括依次叠置的基板、衬板和覆铜层，所述焊接底座与所述覆铜层焊接连接。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，还包括辅助信号针，其插接在所述主体的中空腔中，其中，
所述辅助信号针的截面形状为圆形，其与所述中空腔间隙配合；或者，
所述辅助信号针的截面形状为方形，其与所述中空腔过盈配合。
9.根据权利要求7或8所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块为绝缘栅双极型晶体管模块。
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