一种大功率器件模块的安装方法与流程

1.本发明涉及器件安装技术领域，特别是指一种大功率器件模块的安装方法。


背景技术：

2.随着技术的不断进步，大功率器件（如晶闸管、整流管、igbt模块等）的应用越来越广泛。但是在大功率器件生产过程中大多数功率半导体的早期故障是由于错误的安装造成的。错误的安装导致的机械损伤会损害外壳的抗潮性或使半导体芯片破裂，造成过高的结温，导致器件寿命缩短。因此，提供一种能有效降低器件结温，提高其可靠性的安装方法很有必要。


技术实现要素：

3.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种大功率器件模块的安装方法，解决了现有技术中大功率器件安装质量低的问题。
4.本发明的技术方案是这样实现的：一种大功率器件模块的安装方法，步骤如下：s1：清理安装表面：对大功率器件模块的安装表面及散热片的安装表面进行处理，使安装表面的粗糙度及平整度满足安装要求；s2：涂敷导热脂：在大功率器件模块的安装表面及散热片的安装表面涂覆导热脂；s3：选择合适的安装位置：大功率器件模块按最小工作热阻的方式安装在散热片上；s4：对大功率器件模块进行固定：采用螺钉将大功率器件模块定位在散热片上，然后采用对角螺钉依次紧固的方式将大功率器件模块固定在散热片上；s5：端子连接：将大功率器件模块的端子连接到应用电路。
5.在步骤s3进行前在步骤s2的导热脂上再涂覆一层相变导热层。
6.涂覆相变导热层的具体步骤如下：a1：将固态的相变导热材料加热至相应的温度使其熔化至液态以降低相变导热材料的粘性；a2：将已液化的相变导热材料采用丝网印刷的方式涂覆在步骤s2的导热脂上。
7.步骤s1中粗糙度≤10um；平整度≤20um。
8.步骤s2中涂敷导热脂的厚度范围为50um~100um。
9.步骤s2中进行涂敷导热脂时，为保证导热脂涂覆的均匀性，在散热片的安装表面设置涂布掩膜，然后用无绒毛的刷子或橡胶滚轮进行导热脂的均匀涂覆。
10.步骤s3中当在散热片上只需安装一个大功率器件模块时，将大功率器件模块放置在散热片的正中心；当要在同一散热片上安装多个大功率器件模块时，每一个大功率器件模块的位置必须根据其在工作时产生的热量来进行依次安排，产确保热量及时排出。
11.步骤s4中采用对角螺钉依次紧固的具体过程如下：s4.1：首先将用于紧固的螺栓插入对应的螺孔，沿先对角线后临边的方向先用手
均匀旋入对应的螺孔，旋入过程力矩不超过0.5nm，旋入深度为螺栓具有螺纹柱的一半；s4.2：然后利用紧固工具，同样按照先对角线后临边的顺序，对螺栓进行二次拧紧，拧紧过程的力矩为3nm~6nm。
12.步骤s5端子连接前，在大功率器件模块上安装pcb板，在散热片上对应端子处设置支柱，端子上的母线经支柱连接到应用电路上。
13.所述散热片采用风冷散热或水冷散热。
14.本发明的有益效果为：本发明提供一种大功率器件模块的安装方法，通过该方法中散热片与大功率器件模块的有序正确安装，有效解决了安装过程中易出现过高结温的问题，延长大功率器件的工作寿命，规范了安装流程，提高了安装质量。在该方法中通过涂敷导热脂减小模块基板与散热片之间的热阻，改善模块的散热性能，形成良好的金属-金属接触界面。通过模块位置的合理安排，起到及时散热目的；紧固螺栓的合理布置及合理旋紧，确保导热脂的均匀性。器件端子与应用电路的连接，在保证散热性的前提下，减小对应端子上的应力，确保安装点的牢固性和有效性，有效延长器件的使用寿命，并确保器件的稳定性。本发明实现方式简单，在确保生产质量的同时有效降低了生产成本，提高了生产效率，是大功率器件安装的创新。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明导热脂涂覆均匀状态示意图。
17.图2为本发明导热脂涂覆非均匀状态示意图。
18.图3为四个螺钉紧固顺序示意图。
19.图4为八个螺钉紧固顺序示意图。
20.图5为三个模块八个螺钉安装示意图。
21.图6为螺栓夹安装示意图。
22.图7为大功率器件模块的端子连接到应用电路状态示意图。
23.图8为大功率器件模块上安装pcb板结构示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图5所示，实施例1，一种大功率器件模块的安装方法，步骤如下：s1：清理安装表面：对大功率器件模块的安装表面及散热片的安装表面进行处理，使安装表面的粗糙度及平整度满足安装要求。为在功率模块和散热器之间获得最佳热阻，首先，模块基板（大功率器件模块安装表面）和散热器应该是完好无损的，并且表面应被清理和除尘。再者，对于安装表面粗糙度有一定要求，粗糙度是指表面每处对表面高度的平均
偏离程度，散热片的粗糙度不应超10um，这是因为在此范围内，表面的凹凸不平在涂敷导热脂以后能够很好地接触在一起，减少接触热阻。平整度是指相对于参考平面，测试平面在一定范围内的偏离程度，平整度不得大于20um，如果平整度超过这个范围，模块紧固后，模块的基板在垂直方向上会受到不均匀的力，这样一来会导致模块内部受到不均匀的应力而损坏。
26.s2：涂敷导热脂：在大功率器件模块的安装表面及散热片的安装表面涂覆导热脂。当模块工作时有很大的散热量时，在模块与散热片之间的空隙必须被填上良好的导热材料，否则，模块基板与散热片之间的热阻会很大，并且与两者的表面粗糙度密切相关，一般这种专用的导热脂的热阻约为60℃/w/in，而空气的热阻为1200℃/w/in，可见导热脂的热阻远小于空气的热阻，涂上导热脂以后可以极大地减小接触热阻，改善模块的散热性能。为了避免在模块和散热片之间产生空隙，必须在两者的接触面图涂上导热脂，其主要功能是减小两者之间的接触热阻，形成良好的金属-金属接触界面。
27.在将功率模块安装到散热器之前，两者中的接触面均应涂上一层均匀的、尽可能薄的导热脂，厚度一般控制在50um到100um之间。在涂导热脂的时候一定要注意控制导热脂的厚度，这是因为，如果过厚的话，就会不必要地增加两者的接触热阻，而如果过少的话，两者的接触面之间就会留有空隙，同样会增加接触热阻。推荐使用无绒毛的刷子或橡胶滚轮来完成这一工作，我们应该根据安装面积和两者的表面情况来计算所需的导热脂的用量，可以使用专用的量具来控制用量，在模块的边缘能观察到导热脂的界线就说明所涂的量就已经足够了，过多的导热脂应该被按压出来。为了控制涂敷的导热脂的厚度及分布的均匀性，需要使用专用的涂布掩膜；然后可采用无绒毛的刷子或橡胶滚轮来涂敷。可使用含有少量硅脂的导热脂或不含硅脂的导热脂。
28.如图2所示：如果模块和散热片上有较大面积脱离接触，使用以后在基板上就会发现空白区域；如图1所示：而涂布得较好的区域呈树枝状，以次判定其涂覆均匀性。
29.下面是针对几种类型的模块，导热脂的用量，确保涂覆均匀：140mmx73 mm 模块：1.02cm3=0.06 in3；140mmx130 mm 模块：1.82 cm3=0.11 in3；140mmx190 mm 模块：2.66cm3=0.16 in3。
30.s3：选择合适的安装位置：大功率器件模块按最小工作热阻的方式安装在散热片上。因为模块工作时的热阻随着模块的安装位置的变化而变化，所以在安装模块时一定要选择合适的位置来进行安装。
31.当在散热片上只需安装一个模块的时候，应将其放置在散热片的正中心，这样一来可以减小其工作热阻。
32.当要在同一散热片上安装多个模块的时候，每一个模块的位置必须根据其在工作时产生的热量来进行安排，以允许产生热量较多的模块能及时将热量散出，模块间的热量分布尽量一致。散热量大的电器模块，给予大面积。
33.s4：对大功率器件模块进行固定：采用螺钉将大功率器件模块定位在散热片上，然后采用对角螺钉依次紧固的方式将大功率器件模块固定在散热片上。
34.步骤s4中采用对角螺钉依次紧固的具体过程如下：s4.1：首先将用于紧固的螺栓插入对应的螺孔，沿先对角线后临边的方向先用手
均匀旋入对应的螺孔，旋入过程力矩不超过0.5nm，旋入深度为螺栓具有螺纹柱的一半；s4.2：然后利用紧固工具，同样按照先对角线后临边的顺序，对螺栓进行二次拧紧，拧紧过程的力矩为3nm~6nm。
35.上述过程中应竭力避免重复安装螺栓，每种模块都有一个最大的固定的重复安装次数。为了获得好的热接触，螺栓的紧固应按照一定的次序，螺栓的安装应使用特殊的工具，按照对角线次序进行，同时在安装的时候注意不要破坏导热脂的均匀性。
36.以图3为例，螺栓紧固顺序为：1-2-3-4；以图4、5为例：螺栓紧固顺序为：1-2-3-4-5-6-7-8。当使用电动或气动螺丝起子来进行第一步安装的时候，必须保证力矩不超过0.5nm，第二步安装应用手动配合力矩扳手来完成，不论是铜基板还是alsic基板，这么一个安装程序要严格遵循，以使模块的基板和散热片逐步而紧密地与散热片结合在一起。因为导热脂的渗透作用，在条件允许时，应在数小时之后再次紧固螺栓。同样为了避免有任何额外的力加在端子上，螺栓的插入深度必须加以控制，在选择用于紧固功率端子的螺栓时，注意螺栓的有效长度应控制在6.5mm到10mm之间，而且，在计算有效长度的时候，应将母线的厚度加进去。母线与功率端子的连接应该使其承受尽可能小的力，即使在很恶劣的条件下。
37.根据大功率器件型号不同，可在模块上安装螺栓夹，防止螺栓松动；首先应将钩状的螺栓夹穿过模块的相应部位，将螺栓夹插入至其第一个锁住位置（如图6所示），这样才可以进行后面的操作。然后用力f1（大约10n左右）将螺栓夹后部下压使其钳在模块的侧面。
38.s5：端子连接：将大功率器件模块的端子连接到应用电路。
39.如图7所示：为了减小功率端子上的拉力，直流电源母线必须另外通过专门的支柱加以支撑。功率端子的受力最好沿着与基板垂直的方向，沿着其它方向的力应予以避免。模块的功率端子应避免承受任何方向的大的拉力，应保证安装点是牢固而有效的，这样安装和应用中相关的力仅作用在模块的固定板上，而不是模块本身。半桥模块(half-bridge) 模块的安装应保证每一个功率端子承受的拉力不超过200n，每一个控制端子所承受的拉力不超过50n，单个开关(single switch) 模块的安装应保证每一个功率端子承受的压力不超过200n。
40.在连接过程中注意以下事项：1. 主端子、控制端子不要采用回流焊，其它部分焊接时的热量，焊剂，清洗剂等不要影响到模块。2. 请避免温度、湿度的急剧变化，特别是模块的表面不能结露。3. 不能放在腐蚀性气体，尘埃多的场所。4. 安装的igbt、ic是抗静电能力弱的元件，应避免高压静电加于主端子，控制端子上。
41.实施例2，在实施例1的基础上，本实施例中在步骤s3进行前在步骤s2的导热脂上再涂覆一层相变导热层。导热硅脂可以填充功率模块和散热器之间的气隙，使其两表面很好的接触，但是导热硅脂的附着性比较差，容易从这两个表面之间渗漏，导致表面之间产生气隙。另外，在施加力矩紧固其安装时的机械应力加速了导热硅脂的渗漏，从而导致热阻增加，影响散热，严重的情况会导致器件失效。使用相变导热层可以很好的解决这个问题。
42.涂覆相变导热层的具体步骤如下：a1：保证散热器表面平整，将固态的相变导热材料加热至相应的温度使其熔化至液态以降低相变导热材料的粘性。a2：将已液化的相变导热材料采用丝网印刷的方式涂覆在步骤s2的导热脂上。将已液化的相变导热材料涂敷在散热器与功率模块相接触的表面，涂敷时可以直接涂敷，也可用丝网印刷（丝网印刷可以准确的控制相变导热材料的形状，厚度），然后使相变导热材料冷却，使相变材料紧紧地粘附于
散热器表面，减小热阻。
43.本实施例中散热片采用风冷散热或水冷散热。采用风冷散热时，采用风机加速空气流动。对于大功率的功率模块，使用液冷散热器能够实现更好的散热效果。液冷散热系统的工作原理就是利用水泵把液体从储水器中抽出来，通过水管流进水箱，然后再从水箱的另外一个口出来，通过水管流回储水器，就这样不断循环，把热量从热源的表面带走。对于液冷散热器，液体路径设置在散热片上，其很重要的一点是如何保持液体路径的密封，保证传热路径的畅通，防止内部材料氧化。另外一定要注意保持安装界面（模块的底板和散热器安装表面）清洁，表面无颗粒，无污染。
44.以igbt模块为例，由于液冷存在路径的差异，在入口处散热效果好，而在出水口时散热效果差一些，所以需要注意模块的安装位置。在同一个散热器上安装多个igbt模块时，要根据各igbt模块发生的功耗来决定安装的位置。对发生功耗大的igbt模块，安装在散热效果更好的地方。
45.本实施例中端子连接前，如图8所示，在大功率器件模块上安装pcb板，在散热片上对应端子处设置支柱，端子上的母线经支柱连接到应用电路上。不管是对于风冷散热还是液冷散热，在模块装配时，电气连接总线或者pcb板总线装配必须在模块的高度误差范围内。向模块安装印刷线路板（pcb）时，通过自攻螺钉固定，自攻螺钉的长度为印刷线路板厚度，裕量为5~8mm，紧固力矩应为从模块的垂直方向拧入，建议用手拧紧，避免高速紧固工具易导致模块壳体受损。
46.根据需要也可在大功率器件模块与散热片之间加装alsic底板，以提高散热效率。alsic为脆性材料，所以在安装时一定要注意逐次递增力矩，且要以正确的安装顺序紧固，以免将底板弄裂。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。