專利名稱：插針型功率器件及其散熱結(jié)構(gòu)、引腳卡具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子元件散熱領(lǐng)域，具體地來說為一種插針型功率器件及其散熱結(jié)構(gòu)、引腳卡具。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)朝著大功率、高頻化、模塊化發(fā)展，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、電機(jī)控制以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域中。IGBT是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件，兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，通態(tài)壓降小，工作頻率高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。目前，市場(chǎng)上500 3000V，800 1800A的IGBT，因其耐高壓、功率大的特性，已成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件。而以提高自動(dòng)化程度及節(jié)能為主要目標(biāo)的變頻器產(chǎn)品，其主回路的組成形式一般有IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊電路和分離功率器件電路兩種電路形式。IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊電路體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力好但是價(jià)格較高。而現(xiàn)階段市場(chǎng)上各類變頻器產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，各品牌基本上處于“微利”時(shí)期，所以成本控制非常關(guān)鍵，鑒于此很多硬件工程師在小功率段的變頻器產(chǎn)品中使用分離功率器件電路代替IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊電路以降低產(chǎn)品成本。分離功率器件電路主要可分為兩種電路組成形式，分別是由整流橋、逆變橋、制動(dòng)管組成的電路形式和由整流橋、六個(gè)IGBT單管組成的逆變電路、制動(dòng)管組成的電路形式，而后一種電路形式的器件散熱效果要比前一種電路形式好，而散熱效果的好壞直接決定IGBT的性能。溫度特別是結(jié)溫對(duì)IGBT正常工作的影響主要有3個(gè)方面首先是IGBT的工作結(jié)溫受最大安全工作結(jié)溫的限制，同時(shí)IGBT正常工作的壽命也受溫度的影響。IGBT工作時(shí)結(jié)溫不能超過允許的最高溫度，結(jié)溫過高時(shí)芯片性能會(huì)降低，同時(shí)由于模塊內(nèi)部各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，溫度波動(dòng)的反復(fù)沖擊可能導(dǎo)致鍵合引線脫離焊片、表面金屬開裂以及內(nèi)部焊`料層空洞與分層等，從而引起器件壽命與可靠性的降低。其次是溫度梯度，即dT/dt產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成IGBT失效。由于IGBT模塊是一個(gè)由不同材料組成的多層結(jié)構(gòu)，鍵合引線和芯片結(jié)構(gòu)引起電流分布的不均導(dǎo)致每一層上的溫度分布并不完全一致，每一層的熱膨脹系數(shù)都不相同。長(zhǎng)期的重復(fù)熱膨脹與冷卻收縮可能會(huì)導(dǎo)致IGBT封裝內(nèi)部不同材料間的分層，同時(shí)還有可能引起焊料的脫落或強(qiáng)度下降，從而使器件的壽命與可靠性下降。最后是溫度引起IGBT通態(tài)與開關(guān)瞬態(tài)的工作特性發(fā)生改變。IGBT的工作特性受溫度的影響很大，IGBT的半導(dǎo)體物理常數(shù)與器件內(nèi)部參數(shù)都會(huì)隨溫度的變化而改變，從而導(dǎo)致IGBT的通態(tài)壓降、關(guān)斷電壓尖峰、電流拖尾時(shí)間、開通、關(guān)斷速度和損耗等性能指標(biāo)都發(fā)生變化，同時(shí)工作壽命也會(huì)隨溫度的變化而改變。因此，解決好IGBT器件的散熱問題尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的散熱性問題，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于提供一種插針型功率器件，解決功率器件的散熱性問題。本實(shí)用新型還提供了一種針對(duì)如上所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型還提供了一種用于加工如上所述的插針型功率器件的引腳的卡具。本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案一種插針型功率器件，包括器件本體、位于器件本體一側(cè)的引腳和位于器件本體另一側(cè)的散熱焊盤，插針型功率器件通過散熱焊盤焊接在與插針型功率器件配套安裝的基板上；所述散熱焊盤為貼片結(jié)構(gòu)；所述引腳為折彎結(jié)構(gòu)，焊接在基板或者與插針型功率器件配套安裝的驅(qū)動(dòng)板上。一種上述插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，包括基板、焊貼在基板表面的插針型功率器件以及基板另一面裝配的散熱器，所述基板從上往下依次包括銅箔層、絕緣層和鋁板層，基板通過鋁板層裝配在散熱器上。進(jìn)一步地，所述插針型功率器件的引腳表貼焊接在基板上，其中引腳為無變向引線折彎的Z形結(jié)構(gòu)，包括折彎部分與未折彎部分，未折彎部分與器件本體連接，折彎部分通過表貼焊接在基板上，折彎部 分與未折彎部分通過斜體部分過渡。進(jìn)一步地，所述插針型功率器件的引腳為前向變向引線折彎的L形結(jié)構(gòu)，包括相互垂直的折彎部分與未折彎部分，未折彎部分與器件本體連接，折彎部分與外部連接的驅(qū)動(dòng)板相連；所述折彎部分與所述未折彎部分通過斜體部分過渡。進(jìn)一步地，所述引腳中引線的直徑或厚度D(T)小于O. 8mm，引線的折彎半徑R滿足D ⑴彡 R <1. 5D (T)；弓丨腳中引線的直徑或厚度D(T)為0.8mm彡D(T)<1. 2mm時(shí)，引線的折彎半徑R 為1. 5D (T) ^R<2. OD(T)；引腳中引線的直徑或厚度D(T)為1. 2mm彡D(T)時(shí)，引線的折彎半徑R為2D (T)彡 R0進(jìn)一步地，引線的折彎部分與斜體部分的折彎角度ω滿足90°彡ω < 180°。進(jìn)一步地，引線的折彎部分與未折彎部分之間的距離即偏心距V與引線的直徑或厚度 D (T)的滿足D (T) < O. 8mm，O. 8mm < V 彡 3mm ;0. 8mm 彡 D (T) <1. 2mm，偏心距 V 為
2.Omm 或 3. Omm ;1. 2mm < D (T),偏心距 V 為 3. Omm 或 4. 0mm。一種用于加工上述插針型功率器件的引腳卡具，其特征在于，包括固定座、后定位體、前定位體、固定卡爪以及沖壓模；其中后定位體、前定位體分別位于固定座的前后端，與固定座組成放置插針型功率器件本體的器件本體腔；插針型功率器件置于器件本體腔內(nèi)后，器件本體腔與插針型功率器件的器件本體之間具有空隙；固定卡爪置于前定位體上，固定卡爪置于前定位體之間穿過所加工引腳的引線，并固定引線；沖壓模緊貼固定卡爪的一側(cè)，向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。進(jìn)一步地，所述前定位體的表面為Z形變向結(jié)構(gòu)，包括上平面與下平面，上平面與下平面之間為傾斜面過渡，前定位體的高度與所加工引腳的偏心距V相等；固定卡爪置于前定位體的上表面；沖壓模的下端形狀與前定位體的傾斜面與下平面相吻合。進(jìn)一步地，所述器件本體腔為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，臺(tái)階結(jié)構(gòu)與器件本體和散熱焊盤形成的臺(tái)階相吻合；前定位體包括相互垂直的上表面和側(cè)面；固定卡爪置于前定位體的上表面；前定位體相互垂直的上表面和側(cè)面之間為切角過渡，切角部分為斜體部分；所述沖壓模包括獨(dú)立設(shè)置的前部沖壓模和后部沖壓模，所述前部沖壓模的下端形狀與前定位體的斜體部分的斜面相吻合，后部沖壓模緊貼前部沖壓模向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.插針型功率器件成型為貼片器件，使其散熱焊盤、器件引腳均可直接貼焊在基板上，使器件散熱效果更好；2.鋁基板的熱膨脹系數(shù)比一般的FR-4板小，更接近于銅箔的熱膨脹系數(shù)，這樣有利于保證印制電路板的質(zhì)量、可靠性；3.本實(shí)用新型中的鋁基板比FR-4更適合用作變頻器產(chǎn)品中有大電流、大功率、高散熱要求的IGBT功率板，并且把鋁基板鋁板的那面直接安裝在散熱器上散熱效果更好；鋁板面直接與散熱器接觸散熱效果更好，而且安裝非常簡(jiǎn)單、方便；使電路板在過電流能力、散熱能力、電磁波屏蔽能力等方面都有很大提升，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明完全滿足變頻器運(yùn)行要求；4.所采用的基板與目前PCB制板常用板材環(huán)氧玻璃布層壓板(FR-4)相比較，鋁基板具有散熱性能好、電磁波屏蔽性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)；5.弓丨線折彎為使元器件便于在印制板上安裝固定或消除應(yīng)力，人為在元器件弓I線施加外力，使之產(chǎn)生的永久形變；無變向引線折彎引線折彎后，引線的伸展方向沒有發(fā)生改變；6.卡具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，有效的去除了本體與引線之間的拉力，防止引線與本體之間破裂。同時(shí)通過控制固定模的后定位體的位置和間隙就可以加工出滿足裝配尺寸要求的功率半導(dǎo)體器件。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型基板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實(shí)施例6插針型功率器件的引腳卡具的結(jié)構(gòu)示意圖(擠壓成型前)；圖5為實(shí)施例6插針型功率器件的引腳卡具的結(jié)構(gòu)示意圖(擠壓成型后)；圖6為實(shí)施例7插針型功率器件的引腳卡具的結(jié)構(gòu)示意圖(擠壓成型后)；圖7為實(shí)施例8插針型功率器件的引腳卡具的結(jié)構(gòu)示意圖(擠壓成型后)；其中，I為插針型功率器件，11為器件本體，12為引腳，13為散熱焊盤，2為基板，3為散熱器，4為驅(qū)動(dòng)板，21為銅箔層，22為絕緣層，23為鋁板層，121為未折彎部分，122為斜體部分，123為折彎部分,41為后定位體,42為前定位體,43為沖壓模,44為固定座,45為固定卡爪，46為間隙，47為器件本體腔，421為上平面，422為下平面，423側(cè)面，431前部沖壓模，432后部沖壓模。
具體實(shí)施方式
[0045]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)地說明—種插針型功率器件散熱結(jié)構(gòu)的實(shí)施例實(shí)施例1如圖1所示，一種插針型功率器件散熱結(jié)構(gòu)，包括基板2、焊貼在基板表面的插針型功率器件I以及基板另一面裝配的散熱器3，其中插針型功率器件I包括器件本體11、位于器件本體11 一側(cè)的引腳12和位于器件本體11另一側(cè)的散熱焊盤13，插針型功率器件I通過引腳12和散熱焊盤13焊接在基板2上；引腳12與散熱焊盤13為貼片結(jié)構(gòu)，表貼焊接在基板2上。如圖2所示，本實(shí)用新型中基板2從上往下依次包括銅箔層21、絕緣層22和鋁板層23，基板2通過鋁板層23直接裝配在散熱器上，使散熱效果更好。引腳12為無變向引線折彎的Z形結(jié)構(gòu)，包括折彎部分123與未折彎部分121，未折彎部分121與器件本體11連接，折彎部分123通過表貼焊接在基板上。引腳為無變向引線折彎為永久形變。折彎部分與未折彎部分通過斜體部分122連接。本實(shí)施例中引腳中引線的直徑或厚度D(T)為O. 7mm，引線的折彎半徑R為
O.8mm ;引線的折彎半徑R即折彎部分123與斜體部分122之間的折彎弧度。引線的折彎部分123與斜體部分122的折彎角度ω為135°。引線的折彎部分 123與未折彎部分121之間的距離偏心距V為2mm。實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于，引腳中引線的直徑或厚度D(T)為1mm，引線的折彎半徑 R 為1. 5mm ；引線的折彎部分與斜體部分的折彎角度滿足100°引線的折彎部分與未折彎部分之間的距離即偏心距V為2. 0mm。實(shí)施例3與實(shí)施例1的不同之處在于，引腳中引線的直徑或厚度D (T)為2mm，引線的折彎半徑R為5_。引線的折彎部分與與斜體部分的折彎角度ω為100°。引線的折彎部分與未折彎部分之間的距離即偏心距V為4. 0mm。實(shí)施例4如圖3所示，與實(shí)施例1的不同之處在于，插針型功率器件散熱結(jié)構(gòu)，包括基板2、焊貼在基板表面的插針型功率器件I以及基板另一面裝配的散熱器3，其中插針型功率器件I包括器件本體11、位于器件本體11 一側(cè)的引腳12和位于器件本體11另一側(cè)的散熱焊盤13，插針型功率器件I通過散熱焊盤13焊接在基板2上；散熱焊盤13為貼片結(jié)構(gòu)，表貼焊接在基板2上。引腳12為前向變向引線折彎的L形結(jié)構(gòu)，包括相互垂直的折彎部分123和未折彎部分121，未折彎部分121與器件本體11連接，折彎部分123與外部連接的驅(qū)動(dòng)板4相連。弓丨腳中引線的直徑或厚度D(T)為2臟，引線的折彎半徑R為5mm。實(shí)施例5與實(shí)施例4的不同之處在于，折彎部分123與所述未折彎部分121通過斜體部分122過渡；[0067]弓丨腳中引線的直徑或厚度D(T)為1mm，引線的折彎半徑R為1.5mm?！N用于加工插針型功率器件的引腳卡具的實(shí)施例實(shí)施例6如圖4和5所示，一種用于加工插針型功率器件的引腳為無變向引線折彎的Z形結(jié)構(gòu)(實(shí)施例1-3)的卡具，包括固定座44、后定位體41、前定位體42、固定卡爪45以及沖壓模43,其中后定位體41、前定位體42分別位于固定座44的前后端，與固定座44組成放置插針型功率器件的器件本體腔47 ;前定位體42的表面為Z形變向結(jié)構(gòu)，包括上平面421與下平面422，上平面421與下平面422之間為傾斜面過渡，前定位體42的高度與所加工引腳的偏心距V相等；固定卡爪45置于前定位體42的上表面，用于固定引腳；沖壓模43的下端形狀與前定位體42的傾斜面與下平面相吻合。傾斜面與下平面之間的夾角ω滿足90°≤ ω < 180°。器件本體腔47的長(zhǎng)度大于加工插針型功率器件本體與散熱焊盤的長(zhǎng)度，器件本體腔47與器件本體之間留有空隙46。實(shí)施例7 如圖6所示，一種用于加工插針型功率器件的引腳為變向引線折彎的L形結(jié)構(gòu)(實(shí)施例4)的卡具。與實(shí)施例6的不同之處在于器件本體腔47為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，臺(tái)階結(jié)構(gòu)與器件本體11和散熱焊盤13形成的臺(tái)階相吻合；前定位體42包括相互垂直的上表面421和側(cè)面423 ;固定卡爪45置于前定位體的上表面421，固定卡爪45與前定位體的上表面421的寬度相同。沖壓模43緊貼固定卡爪的一偵牝向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。沖壓模43下端為平面結(jié)構(gòu)。實(shí)施例8如圖7所示，一種用于加工插針型功率器件的引腳為變向引線折彎的L形結(jié)構(gòu)(實(shí)施例5)的卡具。與實(shí)施例7的不同之處在于前定位體相互垂直的上表面421和側(cè)面423之間為切角過渡，切角部分為斜體部分122 ;沖壓模包括獨(dú)立設(shè)置的前部沖壓模431和后部沖壓模432，前部沖壓模431的下端形狀與前定位體的斜體部分的斜面相吻合，后部沖壓模432緊貼前部沖壓模431向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。本實(shí)用新型的卡具的使用過程如下所示將插針型功率器件安裝在器件本體腔內(nèi)，使得器件本體與前定位體之間留有間隙，將固定卡爪固定在前定位體的上表面上，將引腳的引線固定，向下擠壓沖壓模，使得引線的一端向下彎曲成型。在固定卡爪施加壓力固定引線后，沖壓模向下壓力向下折彎引線，在沖壓模向下移動(dòng)到位后，引線成形完成。不論壓力的大小(確保引線厚度無形變的情況下)，由于引線表面有錫鉛鍍層，所以一般無法使用固定模絕對(duì)卡住引線，在剪切力的作用下，一定會(huì)有沿水平方向的拉力，即本體會(huì)有水平方向的拉力的位移。保留間隙，在本體移動(dòng)后可以防止本體靠向前定位體的臺(tái)階，本卡具有效的去除了本體與引線之間的拉力，防止引線與本體之間破裂。同時(shí)通過控制固定模的后定位體的位置和間隙大小就可以加工出滿足裝配尺寸要求的功率半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求1.一種插針型功率器件，其特征在于，包括器件本體、位于器件本體一側(cè)的引腳和位于器件本體另一側(cè)的散熱焊盤，插針型功率器件通過散熱焊盤焊接在與插針型功率器件配套安裝的基板上；所述散熱焊盤為貼片結(jié)構(gòu)；所述引腳為折彎結(jié)構(gòu)，焊接在基板或者與插針型功率器件配套安裝的驅(qū)動(dòng)板上。
2.一種如權(quán)利要求1所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括基板、焊貼在基板表面的插針型功率器件以及基板另一面裝配的散熱器，所述基板從上往下依次包括銅箔層、絕緣層和鋁板層，基板通過鋁板層裝配在散熱器上。
3.按照權(quán)利要求2所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述插針型功率器件的引腳表貼焊接在基板上，其中引腳為無變向引線折彎的Z形結(jié)構(gòu)，包括折彎部分與未折彎部分，未折彎部分與器件本體連接，折彎部分通過表貼焊接在基板上，折彎部分與未折彎部分通過斜體部分過渡。
4.按照權(quán)利要求2所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述插針型功率器件的引腳為前向變向引線折彎的L形結(jié)構(gòu)，包括相互垂直的折彎部分和未折彎部分，未折彎部分與器件本體連接，折彎部分與外部連接的驅(qū)動(dòng)板相連；所述折彎部分與所述未折彎部分通過斜體部分過渡。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述引腳中引線的直徑或厚度D(T)小于O. 8mm，引線的折彎半徑R滿足D(T) ^ R< 1. ⑴；引腳中引線的直徑或厚度D(T)為0.8mm彡D(T) <1. 2mm時(shí)，引線的折彎半徑R為1. 5D (T)彡R<2.0D⑴；引腳中引線的直徑或厚度D(T)為1. 2mm彡D(T)時(shí)，引線的折彎半徑R為2D (T)彡 R0
6.按照權(quán)利要求3所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，引線的折彎部分與斜體部分的折彎角度ω滿足90° ^ ω < 180°。
7.按照權(quán)利要求3所述的插針型功率器件的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，引線的折彎部分與未折彎部分之間的距離即偏心距V與引線的直徑或厚度D(T)的滿足D (T) < O. 8mm，O. 8mm < V 彡 3mm ;0. 8mm 彡 D (T) <1. 2mm，偏心距 V 為2.Omm 或 3. Omm ;1. 2mm < D (T),偏心距 V 為 3. Omm 或 4. 0mm。
8.一種用于加工權(quán)利要求1所述的插針型功率器件的引腳卡具，其特征在于，包括固定座、后定位體、前定位體、固定卡爪以及沖壓模；其中后定位體、前定位體分別位于固定座的前后端，與固定座組成放置插針型功率器件本體的器件本體腔；插針型功率器件置于器件本體腔內(nèi)后，器件本體腔與插針型功率器件的器件本體之間具有空隙；固定卡爪置于前定位體上，固定卡爪置于前定位體之間穿過所加工引腳的引線，并固定引線；沖壓模緊貼固定卡爪的一側(cè)，向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。
9.按照權(quán)利要求8所述的引腳卡具，其特征在于，所述前定位體的表面為Z形變向結(jié)構(gòu)，包括上平面與下平面，上平面與下平面之間為傾斜面過渡，前定位體的高度與所加工引腳的偏心距V相等；固定卡爪置于前定位體的上表面；沖壓模的下端形狀與前定位體的傾斜面與下平面相吻合。
10.按照權(quán)利要求8所述的引腳卡具，其特征在于，所述器件本體腔為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，臺(tái)階結(jié)構(gòu)與器件本體和散熱焊盤形成的臺(tái)階相吻合；前定位體包括相互垂直的上表面和側(cè)面；固定卡爪置于前定位體的上表面；前定位體相互垂直的上表面和側(cè)面之間為切角過渡，切角部分為斜體部分；所述沖壓模包括獨(dú)立設(shè)置的前部沖壓模和后部沖壓模，所述前部沖壓模的下端形狀與前定位體的斜體部分的斜面相吻合，后部沖壓模緊貼前部沖壓模向下擠壓引線，使得引線擠壓彎曲成型。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電子元件散熱領(lǐng)域，具體地來說為一種插針型功率器件及其散熱結(jié)構(gòu)、引腳卡具。該插針型功率器件包括器件本體、位于器件本體一側(cè)的引腳和位于器件本體另一側(cè)的散熱焊盤，插針型功率器件通過引腳和散熱焊盤焊接在基板上；所述引腳與散熱焊盤為貼片結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型插針型功率器件成型為貼片器件，使其散熱焊盤、引腳均可直接貼焊在基板上，使器件散熱效果更好。
文檔編號(hào)H01L21/48GK202905700SQ201220471099
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者馬維, 魏信, 王茂峰, 池家武 申請(qǐng)人:深圳市步科電氣有限公司