CN100583566C - 用于功率半导体模块中的接触设备的压力接触弹簧 - Google Patents
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Abstract
创新性的压力接触弹簧(3)包括两个接触区(31，32)用于接触金属化的接触垫(1，2)，其中一个接触区具有接触末端(31)。压缩区(33)被置于所述接触区之间。所述接触末端以一外半径圆化。在高弹力的情况下，已圆化的接触末端自动穿入接触垫的金属层中，但仅轻微地穿入。
Description
技术领域
本发明涉及功率电子设备领域，特别地，涉及功率半导体模块领域。
本发明涉及根据权利要求1的特征部分之前条款的电压力接触弹簧、一种电接触设备和一种功率半导体模块。
背景技术
在当今的功率半导体模块中，接合线通常被用于半导体控制电极的接触，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅电极。接合线在这种情况下通常通过超声焊接到半导体的金属层(metallization)上。
要保护免受尘埃、潮湿影响并干净地绝缘功率半导体的电极，半导体和接合线典型地嵌入柔软的、电绝缘硅胶中。
这种系统在C.
等的“Skiip3”SEMIKRON Elektronik GmbH，(www.semikron.com/jahr2000/pcimskiip3.pdf)中公开。图4示出带有半导体芯片的半导体模块，所述半导体芯片借助于接合线而被接触。所述接合线附着在基片上并通过接触弹簧被连接到控制电路。
一个可选的技术是通过压力接触弹簧接触控制电极，然而所述技术仅用于没有硅胶的密封封装中。在这种情况下，带有圆锥形的或园柱形的弹簧的接触引脚被压在控制电极上。所述弹簧施加小弹力，例如1N的力。由于该小弹力，接触引脚将仅穿入电极的金属层一点，仅足以确保接触引脚和控制电极之间的可靠的接触。
当这种弹簧引脚用于以硅胶填充的模块时，产生了问题：或者弹簧被粘性的胶堵塞，因此阻碍了其移动；或者在某些工作条件下，由于粘性的胶，接触引脚不能与控制电极建立可靠的接触。
为了改善接触的可靠性，例如，可能增加弹力或使接触引脚末端变尖锐。结果接触引脚穿入电极的金属层较深，并且甚至当接触弹簧遭受所述胶的相对强烈的机械影响时，也将提供充分的连接。然而，随着弹力的增加，存在尖的接触引脚穿透金属层而损坏其下的电极的风险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供在开始所提及的电压力接触弹簧，利用所述电压力接触弹簧，可在所有工作条件下保证改进的接触。
所述目的通过具有独立权利要求1的特征的电压力接触弹簧来实现。
根据本发明的压力接触弹簧包括两个接触区以便接触导电接触垫，所述两个接触区之一包括接触末端。设置于接触区之间的是具有至少一个线曲率(curvature)的压缩区。从压缩区延伸并在接触末端终止的线的垂直部分沿弹力的方向伸展。根据本发明的压力接触弹簧的接触末端以一外半径圆化，所述外半径对应于线的厚度的一到三倍。
借助于压缩区和接触末端之间线的垂直部分，根据本发明的压力接触弹簧的接触末端被沿线的方向作用的整个的弹力压向接触末端。即使在高弹力下，圆化的接触末端也只穿入接触垫的金属层一点。
圆化的接触末端可通过在接触区使线弯曲的简单方式来制成。结果，接触末端不必费力地进行机械加工及精密抛光。
在一个实施例中，根据本发明的压力接触弹簧有具有厚度和深度的矩形的横截面。压力接触弹簧独有地在垂直于深度的平面内被弯曲。这实现了当被压到一起时压力弹簧只在该平面内弯曲的效果。
在一个实施例中，根据本发明的压力接触弹簧被用于电接触设备。所述压力接触弹簧用做接触设备的两个导电接触垫之间的导电连接，所述导电接触垫彼此相对排列。
接触垫以这种方式形成：它们防止接触末端穿透过深。例如，在带有对应圆化的接触末端以及4到12N的弹力的根据本发明的压力接触弹簧的情况下，它们具有从45到70Hv的硬度。
为了防止压力接触弹簧的接触末端在增加的弹簧压力下穿入接触设备的接触垫过深，导电接触垫有阻挡层，所述阻挡层被设置在表面层的下面，并由比该表面层材料更硬的材料组成。所述表面层因此可包括很软的材料，这确保与压力接触弹簧的接触末端的可靠连接。
阻挡层最好有间隙，所述间隙由表面层的较软的导电材料填充。
在一个实施例中，根据本发明的带有压力接触弹簧的接触设备用于功率半导体模块。在这种情况下，功率半导体芯片的电极金属层是接触设备的接触垫，所述接触垫被接触末端接触。第二接触垫是从模块引出的端子。
根据本发明的带有压力接触弹簧的接触设备的功率半导体模块被填充以电绝缘胶。由于根据本发明的压力接触弹簧，因此保证了从模块引出的端子与功率半导体芯片的电极之间的可靠接触。压力弹簧可经受得住增加的弹力而不会造成压力接触弹簧的接触末端穿透功率半导体电极的金属层。
附图说明
本发明的优选实施例基于附图解释如下，其中：
图1示出根据本发明的带有压力接触弹簧的接触设备的示意图；
图2示出如图1所示的接触设备，其中有根据本发明的压力接触弹簧的第一实施例；
图3示出如图1所示的接触设备，其中有根据本发明的压力接触弹簧的第二实施例；以及
图4示出有如图1所示的接触设备的功率半导体模块的示意图。
具体实施方式
在所述附图中，以相同方式作用的部件被提供有相同的标号。
图1示意性地示出带有根据本发明的压力接触弹簧3的功率半导体模块的接触设备。所述压力接触弹簧被夹住作为两个导电接触垫1和2之间的导电连接，所述导电接触垫1和2相对设置。接触垫1是功率半导体的控制电极的金属层。示意性地示出的电极5通过绝缘层6与功率半导体4分开。接触垫2是从模块引出的控制端子，并包括如印刷电路板，所述印刷电路板被设置在模块的壳盖的内侧。
根据本发明的压力接触弹簧由0.2～0.6mm厚的导电线来制造，例如由铜或铜铍化合物制成的金属线。所述线形成弹簧，并且如果合适，通过热的方法而被硬化。随后，在最后工作步骤中施加涂层之前，所述弹簧经历trowal工艺(trowal process)以使边缘圆化。所述涂层必须具有良好的导电性并且在与空气接触时必须不氧化或腐蚀或在与金属表面接触时发生化学反应。典型地，所述弹簧涂覆以贵金属，如金。压力接触弹簧在未压缩状态有5到15mm之间的长度。
根据本发明的压力接触弹簧包括两个接触区31和32以便接触接触设备的接触垫1和2。在所述两个接触区之间存在可压缩的弹簧区33，所述可压缩的弹簧区33包括至少一个线弯曲。第一接触区31被形成一末端，而在所示实施例中第二接触区32包括线弯曲。
在压缩区33和接触末端31之间，压力接触弹簧形成直线段34，所述直线段34沿由压力区施加的弹力F的方向伸展。
接触末端受压于垂直于接触垫1的弹力F，所述接触末端被设置在直线段34的一端。这产生限定的接触点，所述接触点由于大的局部压力而不能很容易地在接触垫上移位。
第二接触区32的线弯曲在接触点处有较大的支撑面，因此有较低的相对压制压力。所述线弯曲不能以固定的限定点支撑在第二接触垫2上，而是可移动的，这取决于压力接触弹簧被机械和/或热压力所压的强度。如果压力接触弹簧用于其中胶仅被引入第一接触垫区域的接触设备中，第二接触区域可形成为线弯曲，如实施例所示。如果整个的接触设备，特别是两个接触垫的区域被胶填充，那么第二接触区也可被提供有接触末端，以便在第二接触垫区域中也确保良好的接触。
在压力接触中，两个接触元件的接触面积Ab由Ab＝F/HV给出，其中F是接触力，而HV是较软的接触元件的硬度。
在所述接触设备中，压力接触弹簧3的接触弹簧31的形状连同弹力F及接触垫1表面的硬度HV因此决定了接触末端穿入接触垫的金属层11的深度。对于所给的弹力和金属层11的硬度，为了实现所希望的最大穿透深度，接触末端31以一外半径圆化，所述外半径在接触末端31和金属层11之间的实际接触区内对应于压力接触弹簧的线的厚度的一到三倍。
当以接触末端接触接触垫时，接触面积起先小，这使得接触末端有可能穿入接触垫中。接触末端一穿入接触垫中一点，接触面积的尺寸就增加了。随穿透深度增加而尺寸快速增加的接触面积提供增加的机械接触阻力。与传统的方式不同，变尖的接触末端、接触面积及对应的机械接触阻力甚至在很小的穿透深度下也很迅速地增加。选择接触末端圆化的适当半径允许：所希望的最大穿透深度对于所给的弹力、金属层的硬度和密度是固定的，例如固定到金属化层厚度的一半。
图2示出根据本发明的压力接触弹簧的接触末端31的第一实施例。直线段34结束于已圆化的末端31。接触末端有一外半径R，所述外半径大约两倍于线的厚度。
圆化可能是园柱形的，例如关于线的方向的垂直线对称；或是球形的，即关于接触末端的中心点圆形对称。
另外为了限制最大穿透深度，在表现于图2的接触设备的实施例中，阻挡层12被提供于接触引脚11的金属层中。阻挡层被提供在金属层表面的下面。所述阻挡层包括比表面区中的金属层材料更硬的材料，如氮化硅。阻挡层也可由硬的导电材料组成。接触垫的金属层11围绕阻挡层12。表面层用于压力接触弹簧的接触，而设置在阻挡层下面的金属层用于例如位于其下的多晶硅电极的接触。为了确保这两个金属层的最优电连接，阻挡层中提供了以金属层材料填充的间隙。
图3示出根据本发明的压力接触弹簧3的接触末端31的另一实施例。接触末端同样被圆化，并有线的厚度的大约2.5倍的外半径。然而，圆化由小的线弯曲在直线段34的端部形成。该接触末端可通过简单地使线弯曲以所希望的半径形成，而不需要费力地切割及抛光操作。因为线弯曲的外半径是半毫米的数量级，在实际接触点的弹力基本上在直线段34的方向上作用。
用于压力弹簧的线可具有圆的横截面，或如图3所表现的，有厚度为a、深度为b的矩形横截面。典型的值是大约a＝0.3mm及b＝0.6mm。压力接触弹簧在垂直于线的深度的平面内弯曲。这使弹簧稳定并在垂直于接触垫1的平面的方向上提供所希望的压力。一线段被弯成三维的，例如螺旋形的，特别是在压缩区33中，该线段将由于硅胶而失去更多的移动自由度，所述硅胶被引入半导体芯片和壳盖之间的中间空间。因此二维弯曲的线段是优选的实施例。
图4示意地示出根据本发明的带有接触垫的功率半导体模块8，所述接触垫带有压力接触弹簧3。所述模块包括壳83，也包括导电的顶板81及底板82，所述顶板81及底板82用做功率半导体4的功率端子。压力接触弹簧3被设置于功率半导体的控制电极区，即在控制电极的金属层1与从模块引出的控制端子2之间。所述模块在功率半导体区中填充有电绝缘的硅胶，特别是在上功率电极和控制电极区。结果，功率电极和控制电极被巧妙地电绝缘。
标号列表
1 第一接触垫，电极金属层
11 表面层
12 阻挡层
13 间隙
2 第二接触垫
3 压力接触弹簧
31，32 接触区
33 压缩区
34 直线段
4 功率半导体芯片
5 控制电极
6 绝缘层
8 功率半导体模块
81，82 功率端子
83 模块壳
Claims (8)
1.一种由导电线制成的压力接触弹簧(3)，具有
第一接触区(31)，用于接触第一导电接触垫(1)，已圆化的接触末端(31)设置于所述第一接触区中以接触所述接触垫，并且
所述接触末端(31)具有外半径(R)，所述外半径对应于所述导电线的厚度(a)的一到三倍；
第二接触区(32)，用于接触第二导电接触垫(2)；以及
压缩区(33)，具有至少一个线曲率，设置于所述第一接触区(31)与所述第二接触区(32)之间；
直线段(34)，所述直线段(34)从所述压缩区(33)延伸并终止于接触末端(31)，在弹力F的方向上伸展；
特征在于：
所述导电线在所述第一接触区被弯曲，并且
所述导电线的弯曲形成所述接触末端(31)。
2.如权利要求1的压力接触弹簧，特征在于：
所述导电线有厚度(a)、深度(b)的矩形横截面，以及
所述压力接触弹簧的接触末端(3 1)沿着垂直于所述深度(b)的方向而取的横截面是弯曲形状的。
3.一种电接触设备，包括：
第一导电接触垫(1)；
第二导电接触垫(2)；以及
所述第一导电接触垫和第二导电接触垫之间的导电连接(3)，
所述的两个接触垫彼此相对设置而所述连接是如权利要求1或2所要求的夹在所述的两个接触垫之间的压力接触弹簧(3)。
4.如权利要求3的接触设备，特征在于：
所述第一导电接触垫(1)具有从45Hv到70Hv的硬度，并且所述压力接触弹簧(3)的弹力F在4N到12N之间。
5.如权利要求3的接触设备，特征在于：
所述第一导电接触垫(1)是多层的，还包括阻挡层(12)，利用所述阻挡层，当所述压力接触弹簧的接触末端(31)穿入所述第一导电接触垫(1)中时，防止其穿透所述第一导电接触垫(1)，所述阻挡层(12)设置于所述第一导电接触垫(1)的表面层(11)下面，由比所述表面层(11)的材料更硬的材料构成。
6.如权利要求5的接触设备，特征在于：
所述阻挡层(12)有间隙(13)，所述间隙(13)以所述表面层(11)的材料填充。
7.一种功率半导体模块(8)，包括：
至少一个功率半导体芯片(4)，带有至少一个有金属层(2)的电极，以及
如权利要求3到6之一所要求的至少一个电接触设备，
所述金属层(2)是所述接触设备的第一接触垫，而从所述模块引出的端子(1)是所述接触设备的第二接触垫。
8.如权利要求7的功率半导体模块，特征在于：
所述功率半导体模块(8)在所述第一接触垫和所述第二接触垫之间的区中被填充以电绝缘胶(9)。
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