一种功率模块端子及焊接方法
阅读说明：本技术 一种功率模块端子及焊接方法 (Power module terminal and welding method ) 是由 柯攀 齐放 戴小平 曾亮 姚亮 刘洋 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种功率模块端子及焊接方法,属于功率模块制造技术领域,用于解决目前功率模块端子连接强度低、通电流能力低的技术问题,此端子包括针杆和针帽,所述针帽上设有用于与所述针杆过盈配合的针孔,所述针帽的一端设有翻边,所述翻边于针帽另一端的一侧设有用于与超声焊接头配合的配合面,所述翻边的另一侧则形成焊接面。本发明具有结构简单、连接强度大、生产工艺窗口大、通电流能力强、垂直度好、生产效率高等优点。(The invention discloses a power module terminal and a welding method, belongs to the technical field of power module manufacturing, and is used for solving the technical problems of low connection strength and low current carrying capacity of the conventional power module terminal. The invention has the advantages of simple structure, high connection strength, large production process window, high current carrying capacity, high verticality, high production efficiency and the like.)
技术领域
本发明主要涉及功率模块端子制造技术领域，特指一种功率模块端子及焊接方法。
背景技术
随着功率半导体往高频小型化发展，对于电感的要求是越来越严格，因此模块的功率端子和驱动端子需要尽量放置在芯片周边，以降低寄生电感，减小模块体积。如图1所示的针式端子使用较为广泛。其中端子由针帽和针杆组成，针帽如图2所示，一般设计成“工”字型，使用时，不用区分方向；针杆则如图3所示，为四边形棱柱直杆，针帽和针杆之间通过插针机，利用材料的过盈配合形成稳定的连接。
在使用时，目前的工艺是采用焊料将针帽焊接在衬板上，这种方法存在几个问题：
1、针帽焊接后的垂直度无法保证，对于后续插针工艺有一定的影响；
2、焊接时对于锡膏量的控制要求非常高，若锡膏偏多，则锡膏会沿着针帽内壁爬锡，影响下一步的插针工艺；若锡膏偏少，则针帽焊接后的强度不够，在实际应用中会存在端子脱落的风险；
3、通流能力小，棱柱型针杆与针帽内圆孔过盈配合时，棱柱型的四边与材料的过盈度一般为0.1mm，过电流时，容易产生局部热点；而如果过盈度偏大，则插针时力量太大，针帽材料会破裂；若过盈度偏小，则形成的力量偏小，不能满足稳定连接的应用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通流能力大、连接强度大的、保证针帽垂直度的功率模块端子及焊接方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种功率模块端子，包括针杆和针帽，所述针帽上设有用于与所述针杆过盈配合的针孔，所述针帽的一端设有翻边，所述翻边于针帽另一端的一侧设有用于与超声焊接头配合的配合面，所述翻边的另一侧则形成焊接面。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述配合面与所述针帽之间呈圆弧过渡状。
所述针帽的针孔为圆孔，所述针杆为多边形棱柱。
所述多边形棱柱的侧棱数量为五条以上。
所述针杆为圆杆，所述针孔为多边形棱柱孔。
所述多边形棱柱孔的侧棱数量为三条以上。
所述翻边上设有一个以上的切口。
本发明还公开了一种基于如上所述的功率模块端子的焊接方法，包括步骤：
1)超声焊接头拾取所述针帽，使所述超声焊接头的端面与所述针帽的翻边的配合面相贴合；
2)启动超声焊接，将翻边的焊接面焊接于焊接体上，使得翻边与焊接体融为一体；
3)所述超声焊接头释放针帽；
4)将所述针杆插设于所述针帽的针孔内，形成过盈配合。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤1)中，通过所述超声焊接头上的拾取孔套设在所述针帽上，形成过盈配合以进行拾取；并在步骤3)中，将所述超声焊接头从针帽上抽出以进行释放。
在步骤1)中，通过在所述超声焊接头上的拾取孔与针帽之间涂上粘性体以进行拾取，并在步骤3)中，将所述超声焊接头从针帽上抽出以进行释放。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的功率模块端子，在进行焊接时，超声焊接头与针帽的翻边的配合面相互配合，使得翻边另一侧的焊接面与焊接体(如衬板等)进行超声焊接，焊接面随着焊接头一起高频振动，翻边在焊接头的压力下，焊接面与衬板进行摩擦，由于摩擦生热，焊接面与衬板材料局部熔化，固化后形成原子间的连接，此种连接方式不同于锡膏焊接，不存在连接界面，连接强度较大，可靠性高，生产工艺窗口大、通电流能力大；另外，在焊接的同时，通过超声焊接头的垂直精度可以保证焊接后的针帽垂直度，方便后续针杆的插针工艺。
本发明的功率模块端子，其中针孔与针杆之间为多线条接触或者多边形针孔与圆柱状针杆接触配合的方式，在增加接触面积以保证通流能力的同时，也能够保证合适的过盈度。
本发明的焊接方法，不同于锡膏焊接，不存在连接界面，连接强度较大，可靠性高，生产工艺窗口大、通电流能力大；另外，在焊接的同时，通过超声焊接头的垂直精度可以保证焊接后的针帽垂直度，方便后续针杆的插针工艺；而且可以依托于现有自动化程度高的超声波焊接设备，进行全自动化生产，提高生产效率。
附图说明
图1为现有技术中针式结构端子的结构示意图。
图2为现有技术中针帽的结构示意图。
图3为现有技术中针杆的结构示意图。
图4为发明的端子在实施例的立体结构示意图。
图5为发明的端子在实施例的主视结构示意图。
图6为本发明的针帽在具体应用时的实施例图。
图7为本发明的针杆在实施例一的主视结构示意图之一。
图8为本发明的针杆在实施例一的截面结构示意图之一。
图9为本发明的针杆在实施例一的主视结构示意图之二。
图10为本发明的针杆在实施例一的截面结构示意图之二。
图11为本发明的针帽在实施例一的立体结构示意图之一。
图12为本发明的针帽在实施例一的主视结构示意图之一。
图13为本发明的针帽在实施例一的侧视结构示意图之一。
图14为本发明的针帽在实施例一的立体结构示意图之二。
图15为本发明的针帽在实施例一的主视结构示意图之二。
图16为本发明的针帽在实施例一的侧视结构示意图之二。
图17为本发明的针帽在实施例二的立体结构示意图之一。
图18为本发明的针帽在实施例二的主视结构示意图之一。
图19为本发明的针帽在实施例二的侧视结构示意图之一。
图20为本发明的针帽在实施例二的立体结构示意图之二。
图21为本发明的针帽在实施例二的主视结构示意图之二。
图22为本发明的针帽在实施例二的侧视结构示意图之二。
图中标号表示：1、针杆；2、针帽；201、翻边；2011、配合面；2012、焊接面；2013、切口；202、针孔；3、焊接头；301、拾取孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：
如图4至16所示，本实施例的功率模块端子，包括针杆1和针帽2，针帽2上设有用于与针杆1过盈配合的针孔202，针帽2的一端设有翻边201，翻边201于针帽2另一端的一侧设有用于与超声焊接头3配合的配合面2011，翻边201的另一侧则形成焊接面2012。在进行焊接时，超声焊接头3与针帽2的翻边201的配合面2011相互配合，使得翻边201另一侧的焊接面2012与焊接体(如衬板等)进行超声焊接，焊接面2012随着焊接头3一起高频振动，翻边201在焊接头3的压力下，焊接面2012与衬板进行摩擦，由于摩擦生热，焊接面2012与衬板材料局部熔化，固化后形成原子间的连接，此种连接方式不同于锡膏焊接，不存在连接界面，连接强度较大，可靠性高，生产工艺窗口大、通电流能力大；另外，在焊接的同时，通过超声焊接头3的垂直精度可以保证焊接后的针帽2垂直度，方便后续针杆1的插针工艺。
如图6所示，翻边201的配合面2011与针帽2之间呈圆弧过渡状，与焊接头3的内边缘圆角相吻合；另外，翻边201边缘与针帽2的间距至少大于0.2mm，以保证焊接面积以及焊接头3的操作空间，而翻边201的厚度一般大于0.2mm，以保证连接的强度，其中针帽2的材质需要和衬板的材质保持一致，以保证最终形成原子间的连接，一般是紫铜、无氧铜、铍铜、锡磷青铜，需要材料韧性高，电镀或者裸铜均可以。具体地，焊接头3为圆柱形，在其端部设有拾取孔301(盲孔)，在进行焊接时，将针帽2置于焊接头3的拾取孔301内，同时焊接头3的端部压在针帽2的翻边201的配合面2011上，从而保证焊接的可靠性。
如图11～13所示，本实施例中，针帽2呈T型，针孔202为圆孔，针杆1为多边形棱柱，如图7和图8所示，多边形棱柱的侧棱数量为五条；或者如图9和图10所示，多边形棱柱的侧棱数量为六条。由于上述针杆1与针孔202之间为线接触，通过增加侧棱的数量，可以保证足够的通流能力，但是针杆1与针孔202之间的线接触较多时，在插针时会需要较大的压力，而且过盈超过一定范围时会使得针帽2破裂，因此，上述多边形棱柱的侧棱数量兼顾过盈配合程度以及通流能力，进行最佳选择，一般选择在5～8条之间；当然，在其它实施例中，也可以根据实际情况进行合适的选择。
如图14～16所示，本实施例中，为了降低翻边201过程中的应力，可以将翻边201进行切口2013，以降低材料的应力。其中切口2013的大小、数量可以根据实际需要进行选择。
另外，除了采用上述针帽2与针杆1分离的结构之外，也可以将针帽2与针杆1设计成一体化结构。
本发明还公开了一种基于如上所述的功率模块端子的焊接方法，包括步骤：
1)超声焊接头3拾取针帽2，使超声焊接头3的端面与针帽2的翻边201的配合面2011相贴合；
2)启动超声焊接，将翻边201的焊接面2012焊接于焊接体上，使得翻边201与焊接体融为一体；
3)超声焊接头3释放针帽2；
4)将针杆1插设于针帽2的针孔202内，形成过盈配合。
本发明的焊接方法，不同于锡膏焊接，不存在连接界面，连接强度较大，可靠性高，生产工艺窗口大、通电流能力大；另外，在焊接的同时，通过超声焊接头3的垂直精度可以保证焊接后的针帽2垂直度，方便后续针杆1的插针工艺；而且可以依托于现有自动化程度高的超声波焊接设备，进行全自动化生产，提高生产效率。
本实施例中，针帽2与焊接头3的夹持和释放方法可以利用针帽2在焊接前质量轻，焊接后与衬板成一体而不易脱开的原理来设计，在步骤1)中，通过超声焊接头3上的拾取孔301套设在针帽2上，形成过盈配合以进行拾取；并在步骤3)中，将超声焊接头3从针帽2上抽出以进行释放。具体地，拾取时，针帽2与焊接头3的拾取孔301过盈形成连接，焊接后由于针帽2与衬板连接强度远大于过盈带来的力量，焊接头3从针帽2中脱开。当然，在其它实施例中，也可以针帽2外壁涂上一层具有粘性的胶体，拾取时，胶将焊接头3与针帽2黏连起来，焊接后，焊接头3从针帽2中脱开。
实施例二：
如图17～22所示，本实施例与实施例一的区别在于针杆1的形状与针孔202的形状不同，具体地，在本实施例中，针杆1为圆柱形，而针帽2以及针孔202则均呈多边形棱柱，此时针杆1与针孔202之间的接触面积相较于实施例一中的线接触的接触面积有所增大，通过控制盈度，可以达到既保证合适强度又有较好的通流能力。如图17～19所示，针帽2及针孔202均为正方形结构。或者如图20～22所示，针帽2及针孔202采用六边形结构。当然，在其它实施例中，也可以实际情况选择五边形或更多边的结构。另外，多边形的翻边201同样需要切口2013，切口2013的设计则沿对角线方向，对口大小则根据实际情况进行选择。其它未述内容与实施例一相同，在此不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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