用於功率半導體模塊中的接觸設備的壓力接觸彈簧的製作方法

2023-10-29 01:13:32 2

專利名稱：用於功率半導體模塊中的接觸設備的壓力接觸彈簧的製作方法
技術領域：
本發明涉及功率電子設備領域，特別地，涉及功率半導體模塊領域。
本發明涉及根據權利要求1的特徵部分之前條款的電壓力接觸彈簧、一種電接觸設備和一種功率半導體模塊。
背景技術：
在當今的功率半導體模塊中，接合線通常被用於半導體控制電極的接觸，例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的柵電極。接合線在這種情況下通常通過超聲焊接到半導體的金屬層(metallization)上。
要保護免受塵埃、潮溼影響並乾淨地絕緣功率半導體的電極，半導體和接合線典型地嵌入柔軟的、電絕緣矽膠中。
這種系統在C.Gbl等的「Skiip3」SEMIKRON Elektronik GmbH，(www.semikron.com/jahr2000/pcimskiip3.pdf)中公開。圖4示出帶有半導體晶片的半導體模塊，所述半導體晶片藉助於接合線而被接觸。所述接合線附著在基片上並通過接觸彈簧被連接到控制電路。
一個可選的技術是通過壓力接觸彈簧接觸控制電極，然而所述技術僅用於沒有矽膠的密封封裝中。在這種情況下，帶有圓錐形的或園柱形的彈簧的接觸引腳被壓在控制電極上。所述彈簧施加小彈力，例如1N的力。由於該小彈力，接觸引腳將僅穿入電極的金屬層一點，僅足以確保接觸引腳和控制電極之間的可靠的接觸。
當這種彈簧引腳用於以矽膠填充的模塊時，產生了問題或者彈簧被粘性的膠堵塞，因此阻礙了其移動；或者在某些工作條件下，由於粘性的膠，接觸引腳不能與控制電極建立可靠的接觸。
為了改善接觸的可靠性，例如，可能增加彈力或使接觸引腳末端變尖銳。結果接觸引腳穿入電極的金屬層較深，並且甚至當接觸彈簧遭受所述膠的相對強烈的機械影響時，也將提供充分的連接。然而，隨著彈力的增加，存在尖的接觸引腳穿透金屬層而損壞其下的電極的風險。

發明內容
因此，本發明的目的是提供在開始所提及的電壓力接觸彈簧，利用所述電壓力接觸彈簧，可在所有工作條件下保證改進的接觸。
所述目的通過具有獨立權利要求1的特徵的電壓力接觸彈簧來實現。
根據本發明的壓力接觸彈簧包括兩個接觸區以便接觸導電接觸墊，所述兩個接觸區之一包括接觸末端。設置於接觸區之間的是具有至少一個線曲率(curvature)的壓縮區。從壓縮區延伸並在接觸末端終止的線的垂直部分沿彈力的方向伸展。根據本發明的壓力接觸彈簧的接觸末端以一外半徑圓化，所述外半徑對應於線的厚度的一到三倍。
藉助於壓縮區和接觸末端之間線的垂直部分，根據本發明的壓力接觸彈簧的接觸末端被沿線的方向作用的整個的彈力壓向接觸末端。即使在高彈力下，圓化的接觸末端也只穿入接觸墊的金屬層一點。
圓化的接觸末端可通過在接觸區使線彎曲的簡單方式來製成。結果，接觸末端不必費力地進行機械加工及精密拋光。
在一個實施例中，根據本發明的壓力接觸彈簧有具有厚度和深度的矩形的橫截面。壓力接觸彈簧獨有地在垂直於深度的平面內被彎曲。這實現了當被壓到一起時壓力彈簧只在該平面內彎曲的效果。
在一個實施例中，根據本發明的壓力接觸彈簧被用於電接觸設備。所述壓力接觸彈簧用做接觸設備的兩個導電接觸墊之間的導電連接，所述導電接觸墊彼此相對排列。
接觸墊以這種方式形成它們防止接觸末端穿透過深。例如，在帶有對應圓化的接觸末端以及4到10N的彈力的根據本發明的壓力接觸彈簧的情況下，它們具有從45到70Hv的硬度。
為了防止壓力接觸彈簧的接觸末端在增加的彈簧壓力下穿入接觸設備的接觸墊過深，導電接觸墊有阻擋層，所述阻擋層被設置在表面層的下面，並由比該表面層材料更硬的材料組成。所述表面層因此可包括很軟的材料，這確保與壓力接觸彈簧的接觸末端的可靠連接。
阻擋層最好有間隙，所述間隙由表面層的較軟的導電材料填充。
在一個實施例中，根據本發明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設備用於功率半導體模塊。在這種情況下，功率半導體晶片的電極金屬層是接觸設備的接觸墊，所述接觸墊被接觸末端接觸。第二接觸墊是從模塊引出的端子。
根據本發明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設備的功率半導體模塊被填充以電絕緣膠。由於根據本發明的壓力接觸彈簧，因此保證了從模塊引出的端子與功率半導體晶片的電極之間的可靠接觸。壓力彈簧可經受得住增加的彈力而不會造成壓力接觸彈簧的接觸末端穿透功率半導體電極的金屬層。


本發明的優選實施例基於附圖解釋如下，其中圖1示出根據本發明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設備的示意圖；圖2示出如圖1所示的接觸設備，其中有根據本發明的壓力接觸彈簧的第一實施例；圖3示出如圖1所示的接觸設備，其中有根據本發明的壓力接觸彈簧的第二實施例；以及圖4示出有如圖1所示的接觸設備的功率半導體模塊的示意圖。
具體實施例方式
在所述附圖中，以相同方式作用的部件被提供有相同的標號。
圖1示意性地示出帶有根據本發明的壓力接觸彈簧3的功率半導體模塊的接觸設備。所述壓力接觸彈簧被夾住作為兩個導電接觸墊1和2之間的導電連接，所述導電接觸墊1和2相對設置。接觸墊1是功率半導體的控制電極的金屬層。示意性地示出的電極5通過絕緣層6與功率半導體4分開。接觸墊2是從模塊引出的控制端子，並包括如印刷電路板，所述印刷電路板被設置在模塊的殼蓋的內側。
根據本發明的壓力接觸彈簧由0.2～0.6mm厚的導電線來製造，例如由銅或銅鈹化合物製成的金屬線。所述線形成彈簧，並且如果合適，通過熱的方法而被硬化。隨後，在最後工作步驟中施加塗層之前，所述彈簧經歷trowal工藝(trowal process)以使邊緣圓化。所述塗層必須具有良好的導電性並且在與空氣接觸時必須不氧化或腐蝕或在與金屬表面接觸時發生化學反應。典型地，所述彈簧塗覆以貴金屬，如金。壓力接觸彈簧在未壓縮狀態有5到15mm之間的長度。
根據本發明的壓力接觸彈簧包括兩個接觸區31和32以便接觸接觸設備的接觸墊1和2。在所述兩個接觸區之間存在可壓縮的彈簧區33，所述可壓縮的彈簧區33包括至少一個線彎曲。第一接觸區31被形成一末端，而在所示實施例中第二接觸區32包括線彎曲。
在壓縮區33和接觸末端31之間，壓力接觸彈簧形成直線段34，所述直線段34沿由壓力區施加的彈力F的方向伸展。
接觸末端受壓於垂直於接觸墊1的彈力F，所述接觸末端被設置在直線段34的一端。這產生限定的接觸點，所述接觸點由於大的局部壓力而不能很容易地在接觸墊上移位。
第二接觸區32的線彎曲在接觸點處有較大的支撐面，因此有較低的相對壓制壓力。所述線彎曲不能以固定的限定點支撐在第二接觸墊2上，而是可移動的，這取決於壓力接觸彈簧被機械和/或熱壓力所壓的強度。如果壓力接觸彈簧用於其中膠僅被引入第一接觸墊區域的接觸設備中，第二接觸區域可形成為線彎曲，如實施例所示。如果整個的接觸設備，特別是兩個接觸墊的區域被膠填充，那麼第二接觸區也可被提供有接觸末端，以便在第二接觸墊區域中也確保良好的接觸。
在壓力接觸中，兩個接觸元件的接觸面積Ab由Ab＝F/HV給出，其中F是接觸力，而HV是較軟的接觸元件的硬度。
在所述接觸設備中，壓力接觸彈簧3的接觸彈簧31的形狀連同彈力F及接觸墊1表面的硬度Hv因此決定了接觸末端穿入接觸墊的金屬層11的深度。對於所給的彈力和金屬層11的硬度，為了實現所希望的最大穿透深度，接觸末端31以一外半徑圓化，所述外半徑在接觸末端31和金屬層11之間的實際接觸區內對應於壓力接觸彈簧的線的厚度的一到三倍。
當以接觸末端接觸接觸墊時，接觸面積起先小，這使得接觸末端有可能穿入接觸墊中。接觸末端一穿入接觸墊中一點，接觸面積的尺寸就增加了。隨穿透深度增加而尺寸快速增加的接觸面積提供增加的機械接觸阻力。與傳統的方式不同，變尖的接觸末端、接觸面積及對應的機械接觸阻力甚至在很小的穿透深度下也很迅速地增加。選擇接觸末端圓化的適當半徑允許所希望的最大穿透深度對於所給的彈力、金屬層的硬度和密度是固定的，例如固定到金屬化層厚度的一半。
圖2示出根據本發明的壓力接觸彈簧的接觸末端31的第一實施例。直線段34結束於已圓化的末端31。接觸末端有一外半徑R，所述外半徑大約兩倍於線的厚度。
圓化可能是園柱形的，例如關於線的方向的垂直線對稱；或是球形的，即關於接觸末端的中心點圓形對稱。
另外為了限制最大穿透深度，在表現於圖2的接觸設備的實施例中，阻擋層12被提供於接觸引腳11的金屬層中。阻擋層被提供在金屬層表面的下面。所述阻擋層包括比表面區中的金屬層材料更硬的材料，如氮化矽。阻擋層也可由硬的導電材料組成。接觸墊的金屬層11圍繞阻擋層12。表面層用於壓力接觸彈簧的接觸，而設置在阻擋層下面的金屬層用於例如位於其下的多晶矽電極的接觸。為了確保這兩個金屬層的最優電連接，阻擋層中提供了以金屬層材料填充的間隙。
圖3示出根據本發明的壓力接觸彈簧3的接觸末端31的另一實施例。接觸末端同樣被圓化，並有線的厚度的大約2.5倍的外半徑。然而，圓化由小的線彎曲在直線段34的端部形成。該接觸末端可通過簡單地使線彎曲以所希望的半徑形成，而不需要費力地切割及拋光操作。因為線彎曲的外半徑是半毫米的數量級，在實際接觸點的彈力基本上在直線段34的方向上作用。
用於壓力彈簧的線可具有圓的橫截面，或如圖3所表現的，有厚度為a、深度為b的矩形橫截面。典型的值是大約a＝0.3mm及b＝0.6mm。壓力接觸彈簧在垂直於線的深度的平面內彎曲。這使彈簧穩定並在垂直於接觸墊1的平面的方向上提供所希望的壓力。一線段被彎成三維的，例如螺旋形的，特別是在壓縮區33中，該線段將由於矽膠而失去更多的移動自由度，所述矽膠被引入半導體晶片和殼蓋之間的中間空間。因此二維彎曲的線段是優選的實施例。
圖4示意地示出根據本發明的帶有接觸墊的功率半導體模塊8，所述接觸墊帶有壓力接觸彈簧3。所述模塊包括殼83，也包括導電的頂板81及底板82，所述頂板81及底板82用做功率半導體4的功率端子。壓力接觸彈簧3被設置於功率半導體的控制電極區，即在控制電極的金屬層1與從模塊引出的控制端子2之間。所述模塊在功率半導體區中填充有電絕緣的矽膠，特別是在上功率電極和控制電極區。結果，功率電極和控制電極被巧妙地電絕緣。
標號列表1 第一接觸墊，電極金屬層11 表面層12 阻擋層13 間隙2 第二接觸墊3 壓力接觸彈簧31，32 接觸區33 壓縮區34 直線段4 功率半導體晶片5 控制電極6 絕緣層8 功率半導體模塊81，82 功率端子83 模塊殼
權利要求
1.一種導電線的電壓力接觸彈簧(3)，帶有—第一接觸區(31)，用於接觸第一導電接觸墊(1)，接觸末端(31)設置於所述第一接觸區中以接觸所述接觸墊；—第二接觸區(32)，用於接觸第二導電接觸墊(2)；以及—壓縮區(33)，具有至少一個線曲率，設置於所述第一接觸區(31)與所述第二接觸區(32)之間；直線段(34)，所述直線段(34)從所述壓縮區(33)延伸並終止於接觸末端(31)，在彈力(F)的方向上伸展；特徵在於—所述接觸末端(31)被以外半徑(R)圓化，以及—所述外半徑(R)對應於所述線的厚度(a)的一到三倍。
2.如權利要求1的壓力接觸彈簧，特徵在於—所述線在所述第一接觸區中彎曲，以及—該線彎曲形成所述接觸末端(31)。
3.如權利要求2的壓力接觸彈簧，特徵在於—所述線有厚度(a)、深度(b)的矩形橫截面，以及—所述彈簧在垂直於所述深度(b)的平面內被彎曲。
4.一種電接觸設備，包括—第一導電接觸墊(1)；—第二導電接觸墊(2)；以及—所述第一和第二接觸墊之間的導電連接(3)。所述的兩個接觸墊彼此相對設置而所述連接是如權利要求1到3之一所要求的夾在所述的兩個接觸墊之間的電接觸彈簧(3)。
5.如權利要求4的接觸設備，特徵在於—所述第一接觸墊(1)具有從45到70Hv的硬度，並且在於彈力(F)在4到12N之間。
6.如權利要求4的接觸設備，特徵在於—所述接觸設備包括裝置，利用所述裝置，當所述壓力接觸彈簧的接觸末端(31)穿入所述第一接觸墊中時，防止其穿透所述第一接觸墊(1)。
7.如權利要求6的接觸設備，特徵在於—所述裝置包括多層的第一接觸墊(1)、由比表面層(11)的材料更硬的材料構成的阻擋層(12)，所述阻擋層(12)設置於所述表面層(11)下面。
8.如權利要求7的接觸設備，特徵在於—所述阻擋層(12)有間隙(13)，所述間隙(13)以所述表面層(11)的材料填充。
9.一種功率半導體模塊(8)，包括—至少一個功率半導體晶片(4)，帶有至少一個有金屬層(2)的電極，以及—如權利要求4到8之一所要求的至少一個電接觸設備，所述電極金屬層(2)是所述接觸設備的第一接觸墊，而從所述模塊引出的端子(1)是所述接觸設備的第二接觸墊。
10.如權利要求9的功率半導體模塊，特徵在於—所述功率半導體模塊(8)在所述第一和第二接觸墊之間的區中被填充以電絕緣膠(9)。
全文摘要
創新性的壓力接觸彈簧(3)包括兩個接觸區(31，32)用於接觸金屬化的接觸墊(1，2)，其中一個接觸區具有接觸末端(31)。壓縮區(33)被置於所述接觸區之間。所述接觸末端以一外半徑圓化。在高彈力的情況下，已圓化的接觸末端自動穿入接觸墊的金屬層中，但僅輕微地穿入。
文檔編號H01R13/24GK1820395SQ03826900
公開日2006年8月16日 申請日期2003年8月22日 優先權日2003年8月22日
發明者埃貢·赫倫, 傑羅姆·阿薩爾 申請人:Abb瑞士有限公司