[发明专利]一种电力电子元器件与印刷电路板的连接方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。