一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，涉及电力电子产品的电气排版结构及生产工艺领域，实用新型专利技术不再使用已往通用的焊接工艺，而是通过压力机械部件，以物理压力的方式把电力电子元器件的金属引脚和需要与其实现电气连接的印刷电路板的相应金属面压紧形成电气连接。本实用新型专利技术无须通过加热使印刷电路板升温，也不必担心电器件受高温而遭受损坏，只需通过压力机械部件的压紧外力，就可以达到在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间实现电气连接的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构
本技术涉及电力电子产品的电气排版结构及生产工艺领域，特别是电力电子元器件如何完成电气连接的问题。
技术介绍
现代的电子产品基本都有一个以上电路板来实现产品所需的基本电路，完成要达到的功能。电路板上的电子器件基本都是通过焊接的工艺来把器件的引脚连接到电路板上的焊盘或焊孔里，来完成电气连接的需要。电力电子领域也一样继承了这一特点，很多产品内部的电路板上大量地采用焊接工艺把电力电子器件和电子电路或电气系统中需要实现电气连接的其他电子器件或者其他电气部件通过电路板上的铜来实现电气连接，常见的这些在印刷电路板上使用的电力电子器件的焊接封装包括TO220、TO247、TO-3、1206、1210、2012、SOT223、SO8、TO251、TO252、TO263及常规电解电容的各种封装等。电力电子器件可以是MOSFET、IGBT、SCR或二极管，也可以是电阻、电容、电感、继电器、电流传感器芯片、接触器等引脚上需要走功率电流的各种元器件。当电路板本身的热容量巨大时，以上这种焊接方式来完成连接带来一些困难和问题，这是因为焊接工艺需要的加热时间和基于硅锗材料的电子元器件能够承受的加热时间出现了矛盾。如图1所示，器件1是大热容量的面贴式电力电子器件，器件2是普通小热容量的表面贴电子器件，3是电路板上和器件1的焊盘相连的有一定面积的铺铜。为了实现焊接，当前行业内最为合理的工艺是采用回流焊炉先缓慢预热整个电路板直到一个接近焊锡熔化的温度区域，譬如无铅工艺电路板焊接需要预加热及助焊剂活化区域接近180℃，再通过30秒左右时间升温到245℃并保持5秒左右来促使焊盘上的锡膏融化完成焊接。这种工艺和曲线对于普通电路板产品焊接是适用的，但是当图1中3因为变大变厚而变得热容量比较大时，铜皮温度对炉内热风温度的跟随会变得非常迟缓，它从180℃升温到245℃就需要好几分钟，而且炉温停留在245℃来融化锡膏的时间也必须加长到譬如60秒，这样就导致图1中2因为能很快跟随炉内热风的温度而停留在245℃太长时间，其内部很可能会损坏。为了不让器件2这样的小器件被热死就只能强行减少升温融锡时间和停留在245度这样的融化点时间，而这样又会带来和电路板3相连的器件1的焊接质量不能保证的问题，譬如因焊盘温度不够导致出现锡球这样的焊接不上问题或者更坏的看起来锡膏融化焊接上却是融化不彻底存在虚焊的情况。还有必须指出的是功率板和控制板分开的思路不能从根本上解决上面的问题。譬如，在上面的问题中把所有图1中器件2这样的小器件移走到另一个单独的普通小热容量的电路板上，只留下器件1这样的电力电子器件在图1的有大热容量铺铜3这样的电路板或铝基板上，这样的做法看起来是有效的。但是这只能在一定范围内有效，原因是器件1的耐热能力终究是有限的，产品功率大幅增加时铜皮3必然大幅增加从而带来其热容量和热时间常数的大幅增加，这时虽然没有器件2的热失效，却有器件1的温度在铺铜3上的焊锡融化前温度过高而出现热失效现象。譬如，表面贴的电解电容内部都是液体，可以显而易见的预见在245℃高温下如果放置时间达数分钟计才能让其引脚的锡膏融化，那其液体气化爆出排气口是必然的事情。即使不是电解电容这样的含液体的电力电子器件，譬如内部结温承受在175℃的TO247封装的MOSFET器件，纵然是英飞凌这样的厂家生产出来的产品也只能规定最大承受能力是距离产品金属壁1.6毫米地方放置300℃热源10秒钟，而这个时间在锡膏接触金属的热容量巨大时并不能保证锡膏的可靠融化。另外，还有一种情况，就是为了降低焊接难度在PCB排版布线上可以进行妥协调节减小铜皮的宽度和厚度，这样的调节参数来解决焊接问题的手法看似有效，却会转移问题到其他方面，譬如电路板上焊孔附近的铜皮在恶劣工作环境下大电流陡然升起传导时会被烧断，或者器件的引脚在焊孔里高温下松动带来电气的扰动甚至放电打火的现象。如果热容量大譬如6层2OZ铜厚的电路板有很多大面积的铺桐需要，在焊接大电流传导的器件到那些连接到大面积铜皮的焊孔或焊盘时，为了保证焊点的热量能聚集到焊锡熔化的温度，焊孔或焊盘的形状要成为十字型或花型，如图2所示，这样热传导在焊接过程中被限制住，大大降低焊接的难度。图2中的6是PCB板上流淌很大电流的铜皮区域，5是个容纳插脚器件的通孔，而标记了4的地方都是为了帮助焊接而形成的较窄铜皮位置，但恰恰是这些位置会在传递电流时被烧断或导致焊孔的热积聚，或导致焊点在产品需要的工作强度下变松软。除了上面两个问题还有成本需要考虑。对于大功率的电子产品，依靠电路板完成功率传递时除了面临前面提及的焊接困难和铜皮可靠性问题，还有电路板本身的造价问题。一个6层，2OZ，高Tg的电路板每平方厘米的价格是一个2层，0.5OZ，普通Tg的电路板的10倍以上，而后者是大部分普通非大功率电子产品电路板的典型参数。板子面积在几百平方厘米时这就会导致几十到几百元的成本区别。另外，焊接加工成本也随着电路板热容量增加及焊接难度增加而成倍增加，因为要采用更好质量的锡膏，要耗费更多锡膏，要花费更长的时间来预热和焊接，要花费更多的工序和检验来保证加工结束时电路板上所有焊点的焊接品质和所有器件的完好性。对于铝基板的情况也是类似，一个高导热系数和高绝缘强度为中间层的铝基板的成本是前述的FR4基材电路板成本的几倍到十几倍。综上所述，当产品的功率密度达到一定程度，基于PCB的大量商用电力电子元器件如何可靠地焊接到相应大功率PCB上有可靠性的难题，同时基于这些器件的PCB排版如何做到工作时的高可靠性也是棘手的问题，加上成本的考虑，如果能有技术可以在使用这些器件时做到连接起来既方便由可靠，同时低成本，那这样的技术实用价值必然会很大，尤其在大批量生产可靠产品的目标下。
技术实现思路
针对现有功率型电子元器件实现电气连接的技术的以上缺陷，本技术提出一种电力电子元器件电气压接结构，既适用于PCB上插脚型元器件，也适用于表面贴型的电子器件。本技术的技术方案是：通过压力机械部件，使电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间形成物理接触方式实现电气连接。本技术的特点是不再使用已往通用的焊接工艺，而是通过压力机械部件，以物理压力的方式把电力电子元器件的金属引脚和需要与其实现电气连接的印刷电路板的相应金属面压紧形成电气连接。本技术无须通过加热使印刷电路板升温，也不必担心电器件受高温而遭受损坏，只需通过压力机械部件的压紧外力，就可以达到在电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间实现电气连接的目的。本技术有益效果：该目标金属面所属的金属体的体积和热容量可以很大，不再受制于焊接工艺。这一点对于大电流密度的场合非常有吸引力，它可以分别从电和热的角度提升产品性能。电的角度就是当前述金属体相对于PCB或者铝基板而言体积很大时从金属面传导大电流到后续的电气连接的路径上的等效电阻可以非常小，这样带来的发热功率明显下降的好处；热的角度就是金属体的形状可以做到非常有利于传导热的大体积大面积，前述金属体不会出现PCB上的铜皮烧断这样的问题。本技术特别适用于功率电子元器件的具体封装，如TO220、TO247、TO-3、TO-39、TO251、TO251、TO252、TO2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于通过压力机械部件，使电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间形成物理接触方式实现电气连接；所述压力机械部件为螺栓及配合的螺母，在所述目标金属面周围开设螺孔，所述螺栓穿置于螺孔内。
【技术特征摘要】
1.一种电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于通过压力机械部件，使电力电子元器件的金属引脚和目标金属面之间形成物理接触方式实现电气连接；所述压力机械部件为螺栓及配合的螺母，在所述目标金属面周围开设螺孔，所述螺栓穿置于螺孔内。2.根据权利要求1所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于在远离所述目标金属面的电力电子元器件的金属引脚的背面设置弹性材料。3.根据权利要求2所述电力电子元器件与印刷电路板的连接结构，其特征在于弹性材料和电力电子元器件的金属引脚之间还设置薄片。4.根据权利要求3所述电力电子元器件与印刷电路板的连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：周斌欣，
申请(专利权)人：周宗铭，
类型：新型
国别省市：安徽,34
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。