CN115621764B - 功率端子连接结构、模块及连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率端子安装连接技术领域，提供一种功率端子连接结构、模块及连接方法，其中，功率端子连接结构包括端子以及陶瓷基板；陶瓷基板覆铜设置，陶瓷基板具有供端子连接的连接面；端子具有焊接面，连接面与焊接面贴合式设置，连接面与焊接面通过激光焊接进行结合。本连接结构中的连接面与焊接面直接连接，避免了在两者之间引入其它的焊料焊层结构，免去或大量减少了接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面与焊接面之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，确保了陶瓷基板与端子之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

Description

功率端子连接结构、模块及连接方法

技术领域

本发明涉及功率端子安装连接技术领域，特别是涉及一种功率端子连接结构、模块及连接方法。

背景技术

当前现有的功率模块，其端子普遍通过钎焊料钎焊在覆铜陶瓷基板上，钎焊料主要包括锡铅，锡铅银，锡银和锡银铜合金，它们的熔点范围在179-221℃。由于材料热膨胀系数的差异，在模块使用的过程中，端子的温度变化会出现热应力，钎焊料在热应力反复作用下会产生塑性变形。

具体地，覆铜陶瓷基板和端子的焊接面上需要形成合金连接层，而中间的钎焊料与端子和陶瓷基板的两个接触面均有着较大的膨胀系数差值，高低温度变化时，会产生相互不匹配的热膨胀量，此时，两种材料之间的接触面将会出现应力变化机械疲劳的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种功率端子连接结构、模块及连接方法，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

一种功率端子连接结构，包括端子以及陶瓷基板；

所述陶瓷基板覆铜设置，所述陶瓷基板具有供所述端子连接的连接面；

所述端子具有焊接面，所述连接面与所述焊接面贴合式设置，所述连接面与所述焊接面通过激光焊接进行结合。

与现有技术相对比，本连接结构中的连接面与焊接面直接连接，避免了在两者之间引入其它的焊料焊层结构，免去或大量减少了接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面与焊接面之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，确保了陶瓷基板与端子之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

在其中一个实施例中，所述连接面和/或所述焊接面包括焊接材料，所述焊接材料包括纯铜或铜合金。

在其中一个实施例中，所述焊接材料包括紫铜或无氧铜。

在其中一个实施例中，所述端子的厚度设置为0.3mm-2mm。

在其中一个实施例中，所述端子镂空设置有多个结构特征。

在其中一个实施例中，所述结构特征呈腰型孔设置。

本申请还提供了一种功率模块，包括上述方案所述的功率端子连接结构。

在其中一个实施例中，所述功率模块还包括：

芯片，所述芯片设置在所述陶瓷基板上，所述芯片与所述端子电气连接；

散热板，所述散热板贴合式设置在所述陶瓷基板底部；

以及

外壳，所述外壳罩设在所述陶瓷基板外，所述外壳与所述散热板贴合形成供所述陶瓷基板收纳安装的密闭空腔，所述端子的一端***所述密闭空腔与所述陶瓷基板连接，所述端子的另一端伸出外壳并呈悬臂状设置。

在其中一个实施例中，所述密闭空腔内填充有凝胶。

本申请还提供了一种功率端子的连接方法，所述方法包括以下步骤：

将陶瓷基板的连接面与端子的焊接面贴合连接，以得到待焊接的所述连接结构；

将待焊接的所述连接结构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧；

激光通过激光头对所述连接面与所述焊接面进行激光焊接，得到所述焊接连接结构。

在以往现有的锡膏焊接时，夹杂在端子与陶瓷基板之间的焊层，会因为工艺参数和材料原因存在空洞的问题，且在持续温度变化的冲击情况下，焊层空洞会持续变大，超声焊接(线性焊，扭矩焊)时会造成焊接部位接触界面存在边缘空洞或者中间区域空洞的情况，大大降低了载流截面积，导致连接结构的最终产品性能与设计计划性能相对比，会有较为明显的落差。反观本连接结构，激光焊接是将金属界面的金属进行融化，一定情况下确保焊接面没有焊缝或者焊缝极小，保证了良好电性能的机械连接。同时，激光焊接的激光头能够持续稳定地输出能量，从根本上保证了焊缝的高质量，产品的可重复性较好。另外，激光焊接中，激光头与产品是非接触式的焊接，给端子附近的电路设计和结构设计预留了更多的空间，设计具有更多灵活性。最后，激光焊接的是非接触式单点能量聚焦，对材料机械载荷较小，且激光焊接的速度较快，精度高，变形小。整体配合造就了端子与陶瓷基板的连接结构具有极高的连接稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中连接结构的具体结构示意图；

图2是本发明一实施例中结构特征的具体结构示意图；

图3是本发明一实施例中连接面与焊接面的具体结构示意图；

图4是本发明一实施例中功率模块的具体结构示意图；

图5是本发明一实施例中连接结构的焊接原理示意图；

图6是本发明一实施例中连续型焊接轨迹的原理示意图；

图7是本发明一实施例中单点型焊接轨迹的原理示意图；

图8是本发明一实施例中焊斑叠加型焊接轨迹的原理示意图。

附图标记说明：

10、端子；101、焊接面；102、结构特征；20、陶瓷基板；201、连接面；30、芯片；40、散热板；50、外壳；60、密闭空腔；70、夹具治具；80、激光头。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

当前现有的功率模块，其端子普遍通过钎焊料钎焊在覆铜陶瓷基板上，由于材料热膨胀系数的差异，高低温度变化时，会产生相互不匹配的热膨胀量，此时，两种材料之间的接触面将会出现应力变化机械疲劳的问题。基于此，本申请提供一种功率端子连接结构、模块及连接方法，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点，其具体方案如下：

如图1、图2以及图3所示，本申请提供的一种功率端子10连接结构，包括端子10以及陶瓷基板20。其中，在该实施例中，陶瓷基板20为覆铜陶瓷基板，陶瓷基板20具有供端子10连接的连接面201。端子10具有焊接面101，连接面201与焊接面101贴合式设置，连接面201与焊接面101通过激光焊接进行结合。

需要说明的是，在该实施例中，连接面201与焊接面101整体为直接贴合式焊接连接，且焊接的方式为激光焊接，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

与现有技术相对比，本连接结构中的连接面201与焊接面101直接连接，避免了在两者之间引入其它的焊料焊层结构，免去或大量减少了接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，确保了陶瓷基板20与端子10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

进一步的作用效果详述，在以往现有的锡膏焊接时，夹杂在端子10与陶瓷基板20之间的焊层，会因为工艺参数和材料原因存在空洞的问题，且在持续温度变化的冲击情况下，焊层空洞会持续变大，超声焊接(线性焊，扭矩焊)时会造成焊接部位接触界面存在边缘空洞或者中间区域空洞的情况，大大降低了载流截面积，导致连接结构的最终产品性能与设计计划性能相对比，会有较为明显的落差, 同时，超声焊接会导致铜下面的陶瓷出现暗裂，产品会出现绝缘失效或者不满足的情况。反观本连接结构，激光焊接是将金属界面的金属进行融化，一定情况下确保焊接面没有焊缝或者焊缝极小，保证了良好电性能的机械连接。同时，激光焊接的激光头80能够持续稳定地输出能量，从根本上保证了焊缝的高质量，产品的可重复性较好。另外，激光焊接中，激光头80与产品是非接触式的焊接，给端子10附近的电路设计和结构设计预留了更多的空间，设计具有更多灵活性。最后，激光焊接的是非接触式单点能量聚焦，对材料机械载荷较小，且激光焊接的速度较快，精度高，变形小。整体配合造就了端子10与陶瓷基板20的连接结构具有极高的连接稳定性。

在一实施例中，对连接面201以及焊接面101作出进一步的细化，其中，连接面201和/或焊接面101包括焊接材料，焊接材料包括纯铜或铜合金。

需要说明的是，在该实施例中，陶瓷基板20为覆铜陶瓷基板，覆铜材料可以为纯铜或铜合金，另外，已知同质合金的连接能够确保接触界面在持续的温度变化中的有较高的剪切强度和机械连接可靠性，故在该实施例中，连接面201与焊接面101的材质均为纯铜或铜合金设置，如此的设置，能够令端子10与陶瓷基板20的接触界面均为同一材质，从连接结构的根本上提高整体的连接稳定性。

更优的是，在该实施例中，对焊接材料作出进一步的细化，其中，焊接材料包括紫铜或无氧铜所包括的所有牌号。与现有技术相对比，激光焊接直接将端子10的铜材直接与覆铜陶瓷基板20表面的铜材直接焊接，避免中间引入其它的焊层结构，同质合金连接确保接触界面在持续的温度变化中的有较高剪切强度和机械连接可靠性。另外，铜材质的焊接材料与现有技术焊接层中锡膏成分的电导率相对比，铜材质的焊接材料的热导率有较大的提高，使用激光焊接后的载流能力有明显的提高，能够有效降低模块的封装电阻和寄生电感。具体的是，在该实施例中，连接面201与焊接面101的焊接材料均为无氧铜。

进一步的扩展，端子10的厚度可以根据实际的功能需求进行设置，同时，还可以将端子10的厚度设置为不均匀，具体的是，端子10的厚度设可置为0.3mm-2mm，而在该实施例中，端子10的厚度设置为1mm。

更优的是，在该实施例中，端子10镂空设置有多个结构特征102。端子10镂空设置能够提高端子10整体的散热效率。另外，端子10的一些安装结构中，需要结构内填充凝胶，以提高整体结构的内部结构稳定性，应用本端子10时，镂空的结构特征102能够让凝胶整体通过，能够提高端子10与凝胶的整体结合效果，此时，固化后的凝胶能够对端子10起到较大的定位锁紧性能，促进连接结构的内部结构稳定性。具体的是，在该实施例中，结构特征102呈腰型孔设置。

参照图4所示，本申请还提供了一种功率模块，包括上述方案中提及的功率端子10连接结构，功率模块还包括芯片30、散热板40以及外壳50，其中，芯片30设置在陶瓷基板20上，且芯片30与端子10电气连接。散热板40贴合式设置在陶瓷基板20底部，外壳50罩设在陶瓷基板20外，外壳50与散热板40贴合形成供陶瓷基板20收纳安装的密闭空腔60，端子10的一端***密闭空腔60与陶瓷基板20连接，端子10的另一端伸出外壳50并呈悬臂状设置。

在该实施例中，端子10与陶瓷基板20通过连接面201与焊接面101实现直接式激光焊接连接，避免了在两者之间引入其它的焊料焊层结构，免去或大量减少了接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，确保了陶瓷基板20与端子10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

在该实施例中，密闭空腔60内填充有凝胶。端子10镂空设置有多个结构特征102。端子10镂空设置能够提高端子10整体的散热效率。在本功率模块的整体结构中，需要结构内填充凝胶或树脂，以提高整体结构的内部结构稳定性以及绝缘能力，应用本端子10时，镂空的结构特征102能够让凝胶整体通过，能够提高端子10与凝胶的整体结合效果，此时，固化后的凝胶能够对端子10起到较大的定位锁紧性能，促进连接结构的内部结构稳定性。具体的是，在该实施例中，结构特征102呈腰型孔设置。

参照图5所示，本申请还提供了一种功率端子10的连接方法，方法包括以下步骤：

将陶瓷基板20的连接面201与端子10的焊接面101贴合连接，以得到待焊接的连接结构；

将待焊接的连接结构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧；

激光通过激光头80对连接面201与焊接面101进行激光焊接，得到焊接连接结构。

具体的是，在该实施例中，在所述将待焊接的连接结构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧步骤时，连接面201与焊接面101的预压紧可以借助注塑外壳50与散热板40。实际操作时，利用螺栓连接注塑外壳50与散热板40，促使与注塑外壳50连接的端子10紧压在设置在散热板40上的陶瓷基板20上，促使连接面201紧压在焊接面101上，如此实现将待焊接的连接结构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧的步骤。

需要注意的是，在将待焊接的连接结构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧该步骤中，除了利用螺栓连接注塑外壳50与散热板40，还能使用夹具治具70，只要能够实现连接面201与焊接面101的预压紧即可，具体不做限制。

与现有技术相对比，本焊接方式中的连接面201与焊接面101直接连接，避免了在两者之间引入其它的焊料焊层结构，免去或大量减少了接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，确保了陶瓷基板20与端子10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

进一步的作用效果详述，在以往现有的锡膏焊接时，夹杂在端子10与陶瓷基板20之间的焊层，会因为工艺参数和材料原因存在空洞的问题，且在持续温度变化的冲击情况下，焊层空洞会持续变大，超声焊接(线性焊，扭矩焊)时会造成焊接部位接触界面存在边缘空洞或者中间区域空洞的情况，大大降低了载流截面积，导致连接结构的最终产品性能与设计计划性能相对比，会有较为明显的落差。反观本连接结构，激光焊接是将金属界面的金属进行融化，一定情况下确保焊接面没有焊缝或者焊缝极小，保证了良好电性能的机械连接。同时，激光焊接的激光头80能够持续稳定地输出能量，从根本上保证了焊缝的高质量，产品的可重复性较好。另外，激光焊接中，激光头80与产品是非接触式的焊接，给端子10附近的电路设计和结构设计预留了更多的空间，设计具有更多灵活性。最后，激光焊接的是非接触式单点能量聚焦，对材料机械载荷较小，且激光焊接的速度较快，精度高，变形小。整体配合造就了端子10与陶瓷基板20的连接结构具有极高的连接稳定性。

参照图6、图7以及图8所示，具体的是，对连接面201以及焊接面101进行焊接时，焊接纹路可以设置成连续，单点或者焊斑叠加，具体的是，在该实施例中，焊接纹路为连续焊接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (9)

1.一种功率模块，其特征在于，包括端子以及陶瓷基板；

所述陶瓷基板具有供所述端子连接的连接面；

所述端子具有焊接面，所述连接面与所述焊接面贴合式设置，所述连接面与所述焊接面通过激光焊接进行结合；所述端子镂空设置有多个结构特征；

所述功率模块还包括：

芯片，所述芯片设置在所述陶瓷基板上，所述芯片与所述端子电气连接；

散热板，所述散热板贴合式设置在所述陶瓷基板的底部；

以及外壳，所述外壳罩设在所述陶瓷基板外，所述外壳与所述散热板贴合形成供所述陶瓷基板收纳安装的密闭空腔，所述端子的一端***所述密闭空腔与所述陶瓷基板连接，所述端子的另一端伸出外壳并呈悬臂状设置；

所述密闭空腔内填充有凝胶，所述结构特征能够让凝胶通过。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述连接面和/或所述焊接面包括焊接材料，所述焊接材料包括纯铜或铜合金。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述焊接材料包括紫铜或无氧铜。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述端子的厚度设置为0.3mm-2mm。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述结构特征呈腰型孔设置。

6.一种功率模块的连接方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块的连接方法包括以下步骤：

将陶瓷基板的连接面与端子的焊接面贴合连接，以得到待焊接的连接结构；

将待焊接的所述连接结构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧；

通过激光头对所述连接面与所述焊接面进行激光焊接，得到所述连接结构。

7.根据权利要求6所述的功率模块的连接方法，其特征在于，所述将待焊接的所述连接结构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧的步骤具体包括：

利用螺栓连接注塑外壳与散热板，促使与注塑外壳连接的所述端子紧压在设置在散热板上的陶瓷基板上，进而促使所述连接面紧压在所述焊接面上，以得到待焊接的连接结构。

8.根据权利要求6所述的功率模块的连接方法，其特征在于，所述将待焊接的所述连接结构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧的步骤具体包括：

使用夹具治具促使所述连接面紧压在所述焊接面上，以得到待焊接的连接结构。

9.根据权利要求6至8任一项所述的功率模块的连接方法，其特征在于，所述通过激光头对所述连接面与所述焊接面进行激光焊接，得到所述连接结构的步骤中，焊接纹路为连续焊接、单点焊接或者焊斑叠加。

Images