專(zhuān)利名稱(chēng)：用于功率半導(dǎo)體模塊中的接觸設(shè)備的壓力接觸彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子設(shè)備領(lǐng)域，特別地，涉及功率半導(dǎo)體模塊領(lǐng)域。
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分之前條款的電壓力接觸彈簧、一種電接觸設(shè)備和一種功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今的功率半導(dǎo)體模塊中，接合線通常被用于半導(dǎo)體控制電極的接觸，例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的柵電極。接合線在這種情況下通常通過(guò)超聲焊接到半導(dǎo)體的金屬層(metallization)上。
要保護(hù)免受塵埃、潮濕影響并干凈地絕緣功率半導(dǎo)體的電極，半導(dǎo)體和接合線典型地嵌入柔軟的、電絕緣硅膠中。
這種系統(tǒng)在C.Gbl等的“Skiip3”SEMIKRON Elektronik GmbH，(www.semikron.com/jahr2000/pcimskiip3.pdf)中公開(kāi)。圖4示出帶有半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體模塊，所述半導(dǎo)體芯片借助于接合線而被接觸。所述接合線附著在基片上并通過(guò)接觸彈簧被連接到控制電路。
一個(gè)可選的技術(shù)是通過(guò)壓力接觸彈簧接觸控制電極，然而所述技術(shù)僅用于沒(méi)有硅膠的密封封裝中。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。由于該小彈力，接觸引腳將僅穿入電極的金屬層一點(diǎn)，僅足以確保接觸引腳和控制電極之間的可靠的接觸。
當(dāng)這種彈簧引腳用于以硅膠填充的模塊時(shí)，產(chǎn)生了問(wèn)題或者彈簧被粘性的膠堵塞，因此阻礙了其移動(dòng)；或者在某些工作條件下，由于粘性的膠，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(jié)果接觸引腳穿入電極的金屬層較深，并且甚至當(dāng)接觸彈簧遭受所述膠的相對(duì)強(qiáng)烈的機(jī)械影響時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供在開(kāi)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(jìn)的接觸。
所述目的通過(guò)具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的電壓力接觸彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧包括兩個(gè)接觸區(qū)以便接觸導(dǎo)電接觸墊，所述兩個(gè)接觸區(qū)之一包括接觸末端。設(shè)置于接觸區(qū)之間的是具有至少一個(gè)線曲率(curvature)的壓縮區(qū)。從壓縮區(qū)延伸并在接觸末端終止的線的垂直部分沿彈力的方向伸展。根據(jù)本發(fā)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(duì)應(yīng)于線的厚度的一到三倍。
借助于壓縮區(qū)和接觸末端之間線的垂直部分，根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧的接觸末端被沿線的方向作用的整個(gè)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(diǎn)。
圓化的接觸末端可通過(guò)在接觸區(qū)使線彎曲的簡(jiǎn)單方式來(lái)制成。結(jié)果，接觸末端不必費(fèi)力地進(jìn)行機(jī)械加工及精密拋光。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)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(dú)有地在垂直于深度的平面內(nèi)被彎曲。這實(shí)現(xiàn)了當(dāng)被壓到一起時(shí)壓力彈簧只在該平面內(nèi)彎曲的效果。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧被用于電接觸設(shè)備。所述壓力接觸彈簧用做接觸設(shè)備的兩個(gè)導(dǎo)電接觸墊之間的導(dǎo)電連接，所述導(dǎo)電接觸墊彼此相對(duì)排列。
接觸墊以這種方式形成它們防止接觸末端穿透過(guò)深。例如，在帶有對(duì)應(yīng)圓化的接觸末端以及4到10N的彈力的根據(jù)本發(fā)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(shè)備的接觸墊過(guò)深，導(dǎo)電接觸墊有阻擋層，所述阻擋層被設(shè)置在表面層的下面，并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(dǎo)電材料填充。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設(shè)備用于功率半導(dǎo)體模塊。在這種情況下，功率半導(dǎo)體芯片的電極金屬層是接觸設(shè)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(jù)本發(fā)明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設(shè)備的功率半導(dǎo)體模塊被填充以電絕緣膠。由于根據(jù)本發(fā)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(dǎo)體芯片的電極之間的可靠接觸。壓力彈簧可經(jīng)受得住增加的彈力而不會(huì)造成壓力接觸彈簧的接觸末端穿透功率半導(dǎo)體電極的金屬層。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例基于附圖解釋如下，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的帶有壓力接觸彈簧的接觸設(shè)備的示意圖；圖2示出如圖1所示的接觸設(shè)備，其中有根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧的第一實(shí)施例；圖3示出如圖1所示的接觸設(shè)備，其中有根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧的第二實(shí)施例；以及圖4示出有如圖1所示的接觸設(shè)備的功率半導(dǎo)體模塊的示意圖。
具體實(shí)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(biāo)號(hào)。
圖1示意性地示出帶有根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧3的功率半導(dǎo)體模塊的接觸設(shè)備。所述壓力接觸彈簧被夾住作為兩個(gè)導(dǎo)電接觸墊1和2之間的導(dǎo)電連接，所述導(dǎo)電接觸墊1和2相對(duì)設(shè)置。接觸墊1是功率半導(dǎo)體的控制電極的金屬層。示意性地示出的電極5通過(guò)絕緣層6與功率半導(dǎo)體4分開(kāi)。接觸墊2是從模塊引出的控制端子，并包括如印刷電路板，所述印刷電路板被設(shè)置在模塊的殼蓋的內(nèi)側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧由0.2～0.6mm厚的導(dǎo)電線來(lái)制造，例如由銅或銅鈹化合物制成的金屬線。所述線形成彈簧，并且如果合適，通過(guò)熱的方法而被硬化。隨后，在最后工作步驟中施加涂層之前，所述彈簧經(jīng)歷trowal工藝(trowal process)以使邊緣圓化。所述涂層必須具有良好的導(dǎo)電性并且在與空氣接觸時(shí)必須不氧化或腐蝕或在與金屬表面接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。典型地，所述彈簧涂覆以貴金屬，如金。壓力接觸彈簧在未壓縮狀態(tài)有5到15mm之間的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧包括兩個(gè)接觸區(qū)31和32以便接觸接觸設(shè)備的接觸墊1和2。在所述兩個(gè)接觸區(qū)之間存在可壓縮的彈簧區(qū)33，所述可壓縮的彈簧區(qū)33包括至少一個(gè)線彎曲。第一接觸區(qū)31被形成一末端，而在所示實(shí)施例中第二接觸區(qū)32包括線彎曲。
在壓縮區(qū)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(qū)施加的彈力F的方向伸展。
接觸末端受壓于垂直于接觸墊1的彈力F，所述接觸末端被設(shè)置在直線段34的一端。這產(chǎn)生限定的接觸點(diǎn)，所述接觸點(diǎn)由于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(qū)32的線彎曲在接觸點(diǎn)處有較大的支撐面，因此有較低的相對(duì)壓制壓力。所述線彎曲不能以固定的限定點(diǎn)支撐在第二接觸墊2上，而是可移動(dòng)的，這取決于壓力接觸彈簧被機(jī)械和/或熱壓力所壓的強(qiáng)度。如果壓力接觸彈簧用于其中膠僅被引入第一接觸墊區(qū)域的接觸設(shè)備中，第二接觸區(qū)域可形成為線彎曲，如實(shí)施例所示。如果整個(gè)的接觸設(shè)備，特別是兩個(gè)接觸墊的區(qū)域被膠填充，那么第二接觸區(qū)也可被提供有接觸末端，以便在第二接觸墊區(qū)域中也確保良好的接觸。
在壓力接觸中，兩個(gè)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(shè)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(duì)于所給的彈力和金屬層11的硬度，為了實(shí)現(xiàn)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(shí)際接觸區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)于壓力接觸彈簧的線的厚度的一到三倍。
當(dāng)以接觸末端接觸接觸墊時(shí)，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(diǎn)，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(jī)械接觸阻力。與傳統(tǒng)的方式不同，變尖的接觸末端、接觸面積及對(duì)應(yīng)的機(jī)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(dāng)半徑允許所希望的最大穿透深度對(duì)于所給的彈力、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(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧的接觸末端31的第一實(shí)施例。直線段34結(jié)束于已圓化的末端31。接觸末端有一外半徑R，所述外半徑大約兩倍于線的厚度。
圓化可能是園柱形的，例如關(guān)于線的方向的垂直線對(duì)稱(chēng)；或是球形的，即關(guān)于接觸末端的中心點(diǎn)圓形對(duì)稱(chēng)。
另外為了限制最大穿透深度，在表現(xiàn)于圖2的接觸設(shè)備的實(shí)施例中，阻擋層12被提供于接觸引腳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(qū)中的金屬層材料更硬的材料，如氮化硅。阻擋層也可由硬的導(dǎo)電材料組成。接觸墊的金屬層11圍繞阻擋層12。表面層用于壓力接觸彈簧的接觸，而設(shè)置在阻擋層下面的金屬層用于例如位于其下的多晶硅電極的接觸。為了確保這兩個(gè)金屬層的最優(yōu)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(jù)本發(fā)明的壓力接觸彈簧3的接觸末端31的另一實(shí)施例。接觸末端同樣被圓化，并有線的厚度的大約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(guò)簡(jiǎn)單地使線彎曲以所希望的半徑形成，而不需要費(fèi)力地切割及拋光操作。因?yàn)榫€彎曲的外半徑是半毫米的數(shù)量級(jí)，在實(shí)際接觸點(diǎn)的彈力基本上在直線段34的方向上作用。
用于壓力彈簧的線可具有圓的橫截面，或如圖3所表現(xiàn)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于線的深度的平面內(nèi)彎曲。這使彈簧穩(wěn)定并在垂直于接觸墊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(qū)33中，該線段將由于硅膠而失去更多的移動(dòng)自由度，所述硅膠被引入半導(dǎo)體芯片和殼蓋之間的中間空間。因此二維彎曲的線段是優(yōu)選的實(shí)施例。
圖4示意地示出根據(jù)本發(fā)明的帶有接觸墊的功率半導(dǎo)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(dǎo)電的頂板81及底板82，所述頂板81及底板82用做功率半導(dǎo)體4的功率端子。壓力接觸彈簧3被設(shè)置于功率半導(dǎo)體的控制電極區(qū)，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(dǎo)體區(qū)中填充有電絕緣的硅膠，特別是在上功率電極和控制電極區(qū)。結(jié)果，功率電極和控制電極被巧妙地電絕緣。
標(biāo)號(hào)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(qū)33 壓縮區(qū)34 直線段4 功率半導(dǎo)體芯片5 控制電極6 絕緣層8 功率半導(dǎo)體模塊81，82 功率端子83 模塊殼
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電線的電壓力接觸彈簧(3)，帶有—第一接觸區(qū)(31)，用于接觸第一導(dǎo)電接觸墊(1)，接觸末端(31)設(shè)置于所述第一接觸區(qū)中以接觸所述接觸墊；—第二接觸區(qū)(32)，用于接觸第二導(dǎo)電接觸墊(2)；以及—壓縮區(qū)(33)，具有至少一個(gè)線曲率，設(shè)置于所述第一接觸區(qū)(31)與所述第二接觸區(qū)(32)之間；直線段(34)，所述直線段(34)從所述壓縮區(qū)(33)延伸并終止于接觸末端(31)，在彈力(F)的方向上伸展；特征在于—所述接觸末端(31)被以外半徑(R)圓化，以及—所述外半徑(R)對(duì)應(yīng)于所述線的厚度(a)的一到三倍。
2.如權(quán)利要求1的壓力接觸彈簧，特征在于—所述線在所述第一接觸區(qū)中彎曲，以及—該線彎曲形成所述接觸末端(31)。
3.如權(quán)利要求2的壓力接觸彈簧，特征在于—所述線有厚度(a)、深度(b)的矩形橫截面，以及—所述彈簧在垂直于所述深度(b)的平面內(nèi)被彎曲。
4.一種電接觸設(shè)備，包括—第一導(dǎo)電接觸墊(1)；—第二導(dǎo)電接觸墊(2)；以及—所述第一和第二接觸墊之間的導(dǎo)電連接(3)。所述的兩個(gè)接觸墊彼此相對(duì)設(shè)置而所述連接是如權(quán)利要求1到3之一所要求的夾在所述的兩個(gè)接觸墊之間的電接觸彈簧(3)。
5.如權(quán)利要求4的接觸設(shè)備，特征在于—所述第一接觸墊(1)具有從45到70Hv的硬度，并且在于彈力(F)在4到12N之間。
6.如權(quán)利要求4的接觸設(shè)備，特征在于—所述接觸設(shè)備包括裝置，利用所述裝置，當(dāng)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(shí)，防止其穿透所述第一接觸墊(1)。
7.如權(quán)利要求6的接觸設(shè)備，特征在于—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(gòu)成的阻擋層(12)，所述阻擋層(12)設(shè)置于所述表面層(11)下面。
8.如權(quán)利要求7的接觸設(shè)備，特征在于—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(dǎo)體模塊(8)，包括—至少一個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(4)，帶有至少一個(gè)有金屬層(2)的電極，以及—如權(quán)利要求4到8之一所要求的至少一個(gè)電接觸設(shè)備，所述電極金屬層(2)是所述接觸設(shè)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(shè)備的第二接觸墊。
10.如權(quán)利要求9的功率半導(dǎo)體模塊，特征在于—所述功率半導(dǎo)體模塊(8)在所述第一和第二接觸墊之間的區(qū)中被填充以電絕緣膠(9)。
全文摘要
創(chuàng)新性的壓力接觸彈簧(3)包括兩個(gè)接觸區(qū)(31，32)用于接觸金屬化的接觸墊(1，2)，其中一個(gè)接觸區(qū)具有接觸末端(31)。壓縮區(qū)(33)被置于所述接觸區(qū)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(dòng)穿入接觸墊的金屬層中，但僅輕微地穿入。
文檔編號(hào)H01R13/24GK1820395SQ03826900
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者埃貢·赫倫, 杰羅姆·阿薩爾 申請(qǐng)人:Abb瑞士有限公司