[發明專利]一種電力電子元器件與印刷電路板的連接方法

在審

• 申請號: 201711381778.1
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN107911952A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 周斌欣
• 申請（專利權）人: 周宗銘
• 主分類號: H05K3/32
• 分類號: H05K3/32;H05K1/18
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明涉及電力電子產品的電氣排版結構及生產工藝領域，特別是電力電子元器件如何完成電氣連接的問題。

背景技術

現代的電子產品基本都有一個以上電路板來實現產品所需的基本電路，完成要達到的功能。電路板上的電子器件基本都是通過焊接的工藝來把器件的引腳連接到電路板上的焊盤或焊孔里，來完成電氣連接的需要。電力電子領域也一樣繼承了這一特點，很多產品內部的電路板上大量地采用焊接工藝把電力電子器件和電子電路或電氣系統中需要實現電氣連接的其他電子器件或者其他電氣部件通過電路板上的銅來實現電氣連接，常見的這些在印刷電路板上使用的電力電子器件的焊接封裝包括TO220、TO247、TO-3、1206、1210、2012、SOT223、SO8、TO251、TO252、TO263及常規電解電容的各種封裝等。電力電子器件可以是MOSFET、IGBT、SCR或二極管，也可以是電阻、電容、電感、繼電器、電流傳感器芯片、接觸器等引腳上需要走功率電流的各種元器件。

當電路板本身的熱容量巨大時，以上這種焊接方式來完成連接帶來一些困難和問題，這是因為焊接工藝需要的加熱時間和基于硅鍺材料的電子元器件能夠承受的加熱時間出現了矛盾。

如圖1所示，器件1是大熱容量的面貼式電力電子器件，器件2是普通小熱容量的表面貼電子器件，3是電路板上和器件1的焊盤相連的有一定面積的鋪銅。為了實現焊接，當前行業內最為合理的工藝是采用回流焊爐先緩慢預熱整個電路板直到一個接近焊錫熔化的溫度區域，譬如無鉛工藝電路板焊接需要預加熱及助焊劑活化區域接近180℃，再通過30秒左右時間升溫到245℃并保持5秒左右來促使焊盤上的錫膏融化完成焊接。這種工藝和曲線對于普通電路板產品焊接是適用的，但是當圖1中3因為變大變厚而變得熱容量比較大時，銅皮溫度對爐內熱風溫度的跟隨會變得非常遲緩，它從180℃升溫到245℃就需要好幾分鐘，而且爐溫停留在245℃來融化錫膏的時間也必須加長到譬如60秒，這樣就導致圖1中2因為能很快跟隨爐內熱風的溫度而停留在245℃太長時間，其內部很可能會損壞。為了不讓器件2這樣的小器件被熱死就只能強行減少升溫融錫時間和停留在245度這樣的融化點時間，而這樣又會帶來和電路板3相連的器件1的焊接質量不能保證的問題，譬如因焊盤溫度不夠導致出現錫球這樣的焊接不上問題或者更壞的看起來錫膏融化焊接上卻是融化不徹底存在虛焊的情況。

還有必須指出的是功率板和控制板分開的思路不能從根本上解決上面的問題。譬如，在上面的問題中把所有圖1中器件2這樣的小器件移走到另一個單獨的普通小熱容量的電路板上，只留下器件1這樣的電力電子器件在圖1的有大熱容量鋪銅3這樣的電路板或鋁基板上，這樣的做法看起來是有效的。但是這只能在一定范圍內有效，原因是器件1的耐熱能力終究是有限的，產品功率大幅增加時銅皮3必然大幅增加從而帶來其熱容量和熱時間常數的大幅增加，這時雖然沒有器件2的熱失效，卻有器件1的溫度在鋪銅3上的焊錫融化前溫度過高而出現熱失效現象。譬如，表面貼的電解電容內部都是液體，可以顯而易見的預見在245℃高溫下如果放置時間達數分鐘計才能讓其引腳的錫膏融化，那其液體氣化爆出排氣口是必然的事情。即使不是電解電容這樣的含液體的電力電子器件，譬如內部結溫承受在175℃的TO247封裝的MOSFET器件，縱然是英飛凌這樣的廠家生產出來的產品也只能規定最大承受能力是距離產品金屬壁1.6毫米地方放置300℃熱源10秒鐘，而這個時間在錫膏接觸金屬的熱容量巨大時并不能保證錫膏的可靠融化。

另外，還有一種情況，就是為了降低焊接難度在PCB排版布線上可以進行妥協調節減小銅皮的寬度和厚度，這樣的調節參數來解決焊接問題的手法看似有效，卻會轉移問題到其他方面，譬如電路板上焊孔附近的銅皮在惡劣工作環境下大電流陡然升起傳導時會被燒斷，或者器件的引腳在焊孔里高溫下松動帶來電氣的擾動甚至放電打火的現象。如果熱容量大譬如6層2OZ銅厚的電路板有很多大面積的鋪桐需要，在焊接大電流傳導的器件到那些連接到大面積銅皮的焊孔或焊盤時，為了保證焊點的熱量能聚集到焊錫熔化的溫度，焊孔或焊盤的形狀要成為十字型或花型，如圖2所示，這樣熱傳導在焊接過程中被限制住，大大降低焊接的難度。圖2中的6是PCB板上流淌很大電流的銅皮區域，5是個容納插腳器件的通孔，而標記了4的地方都是為了幫助焊接而形成的較窄銅皮位置，但恰恰是這些位置會在傳遞電流時被燒斷或導致焊孔的熱積聚，或導致焊點在產品需要的工作強度下變松軟。