CN102222823A - 用于电子模块的压入连接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子模块的压入连接。公开了一种用于压入到第一接线元件的第一接触开口和第二接线元件的第二接触开口中的压力连接元件。该压力连接元件具有：伸长的基体，其用于穿过第二接线元件的第二接触开口直到到达第一接线元件的第一接触开口；第一压入区，其用于以力配合的方式接触第一接触开口；以及在纵向方向上与第一压入区间隔开的第二压入区，其用于以力配合的方式接触第二接触开口。

Description

用于电子模块的压入连接

技术领域

本发明涉及一种用于将电子模块（例如功率半导体模块）与电路板、供电线路等等连接的新型压入连接。

背景技术

在选择功率半导体模块时对应用者重要的方面是其简单的可处理性和安装。现代的模块壳体设计例如使用专门的压入技术（所谓的“PressFIT（压力配合）”技术），以便例如在单个制造步骤中将模块既与电路板又与冷却体连接。对于这样的连接，例如仅仅需要唯一的螺钉。因此，这样的压入连接为已知的焊接连接提供高质量的替代方案，并且因此满足高达55kW功率范围内的现代整流器设计的要求。这样的功率半导体模块可以用在不同的通用驱动装置、变频驱动装置、无中断电源（USV）、电感加热和焊接设备中以及用在风力发电装置、太阳能设备以及空调设备中。

适用于所述压入技术的模块壳体具有专门成形的可变形的压力接触元件（“压力配合”针脚），该压力接触元件在安装模块时被压入到电路板的相应接触孔中，其中压入力可以通过拧紧唯一的螺钉来产生。通过拧紧螺钉来进行电路板的接触孔中的压力接触元件的塑性形变。存在气密的接触区，该接触区对环境影响是非常鲁棒的。

可替代地，模块可以被压入到电路板中并且与压入过程无关地利用螺钉和其它装置被固定在冷却体处（在压入到电路板中之前或之后）。迄今为止，功率半导体模块作为整体仅仅被压入到电路板中。其它低电感的接线元件、例如带状导体对（亦称汇流排，即所谓的“busbar（汇流排）”）以其它方式被接触。

但是在安装电路板和模块以前必须保证压力接触元件不变形，因为否则可能在安装时出现问题。此外，模块壳体处的压力接触元件是在几何形状方面相对高成本地制造的接线元件。由于模块处接触元件的剩余变形，通常不可能在不耗费较高成本的情况下取消压力配合接触并且重新连接。

发明内容

本发明所基于的任务是，在构造在冷却体上或者利用压入技术接触汇流排或电路板以后能够再次容易地移除功率半导体模块。在此，冷却体和汇流排或电路板将保持在原位置，并且到冷却体和到汇流排或到电路板的模块连接被取消并且可以将模块拿出来。

该任务通过根据权利要求1所述的压力连接元件以及根据权利要求6所述的连接系统来解决。本发明的不同实施方式是从属权利要求的主题。

公开了一种用于压入到第一接线元件的第一接触开口和第二接线元件的第二接触开口中的压力连接元件。该压力连接元件具有：伸长的基体，其用于穿过第二接线元件的第二接触开口直到到达第一接线元件的第一接触开口；第一压入区，其用于以力配合的方式接触第一接触开口；以及在纵向方向上与第一压入区间隔开的第二压入区，其用于以力配合的方式接触第二接触开口。

此外公开了一种用于电子模块的连接系统。该连接系统包括：电子模块，该电子模块具有至少一个接线元件，该接线元件具有至少一个接触开口；至少一个外部接线元件，该外部接线元件具有第二接触开口；以及至少一个压力连接元件，该压力连接原价包括伸长的基体，该基体用于穿过外部接线元件的第二接触开口直到到达电子模块的第一接线元件的第一接触开口中，其中该压力连接元件包括：用于以力配合的方式接触第一接触开口的第一压入区以及在纵向方向上与第一压入区间隔开的用于以力配合的方式接触第二接触开口的第二压入区。外部接线元件例如可以由具有低电感的电路板或者带状导体对构成。

附图说明

下面根据附图中所示的示例详细阐述本发明。

图1a示意性地示出具有用于与电路板接触的压力配合针脚的功率半导体模块；

图1b示出另一模块，其中压入和安装在冷却体上分开进行；

图2以侧视图示意性地示出根据本发明的用于借助于可压入的连接元件来连接电子模块和相应接线元件的系统的示例；

图3示出根据本发明的连接元件的示例的侧视图，该连接元件具有两个用于压入到模块接线元件以及电路板、有孔的带状导体等等中的压入区；

图4以侧视图示意性地示出根据本发明的用于借助于可压入连接元件来连接电子模块和相应接线元件的系统的另一示例，其中为了将模块与彼此相叠的接线元件连接，连接元件具有不同的长度；

图5以侧视图示意性地示出根据本发明的用于借助于可压入连接元件来连接电子模块和相应接线元件的系统的示例，其中模块壳体具有间隔件作为接线元件的支座；

图6示出与图5类似的系统，其中在两个彼此相叠的接线元件之间布置绝缘层，连接元件穿过该绝缘层；

图7示出与图6类似的系统，其中在绝缘载体元件处布置多个连接元件，该载体元件穿过绝缘层并且引导部被用绝缘层隔离；

图8示出与图2类似的系统，其中模块侧的接线元件被构造为套管并且被布置在衬底处，并且连接元件被引导穿过模块；

图9示出与图8类似的系统，其中模块侧的接线元件被构造成有孔的接线元件并且被构造在衬底处，并且连接元件被引导穿过模块；

图10示出来自图3的处于载体上的具有压出装置的连接元件。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示具有相同或相似含义的相同或相似的部件。

图1a示意性地示出具有多个用于与电路板20接触的压力配合针脚30的功率半导体模块10。在所示示例中，模块10借助于螺钉40被压入到电路板20中并且同时被用螺钉固定在冷却体处，其中由于在拧入螺钉时在模块10上所施加的力，压力配合针脚10被压入到电路板20的相应接触孔中。在图1b中在没有电路板的情况下以透视图示出另一模块10，该另一模块10具有布置在模块壳体处的压力配合针脚30。该模块首先被旋紧在冷却体处，并且之后可以与此无关地压入到电路板中。图1中所示的压力连接系统尤其是在T. Stolze，M. Thoben,M. Koch，R. Severin的论文“Reliability of pressFIT connections”（PCIM的学报，欧洲，2008年）中进行描述。

图2以侧视图示意性地示出根据本发明的用于电子模块的用于可靠地电接触电子模块的连接系统的示例。本示例涉及具有至少一个、在该情况下为多个模块接线元件11的功率半导体模块10，所述模块接线元件11被布置在模块壳体的外侧。接线元件11例如由一件扁平导体（具有近似为矩形截面的带状导体）构成，该扁平导体垂直于模块壳体的表面101地从模块中引出并且在模块之外被弯曲90°，使得扁平导体的一部分与模块10的壳体表面101平行。在模块接线元件11的与表面平行的这些片段中分配设置一个或多个接触开口11’（例如通孔）。

可以给一个或多个模块接线元件11分配模块外部的接线元件，其中该模块外部的接线元件可以是电路板20（导体卡（Leiterkarte））或另一扁平导体或带状导体20’（汇流排），并且同样具有与模块接线元件11的接触开口11’相对应的接触开口。

通过可压入到接触开口中的压力连接元件30保证电子模块10与外部接线元件（例如电路板20）或外部接线元件的可靠电连接，其中压力连接元件总是被压入到两个相应的开口中。在图3中示出根据本发明的压力连接元件的示例。

图3中所示的压力连接元件30包括（在纵向方向上）伸长的基体33，该基体33具有两个在纵向方向上彼此间隔开的压入区A和B。根据本发明的示例，压入区A的最大外部尺寸D1（垂直于纵向方向测得）小于压入区B的最大外部尺寸D2。基体也可以具有另外的在纵向方向上与压入区A和B间隔开的压入区（未示出）。为了使得易于将压入区A和B压入到相应的接触开口中，压力连接元件30可以在压入区的区域中具有弹性元件31，该弹性元件31被构造为使得其在被压入到相应的接触开口中时发生弹性和/或塑性形变，并且给接触开口的内侧施加接触力。为此目的，弹性元件31例如可以具有孔眼形、叉形或者螺旋形或者每种其它的可容易变形的几何形状。作为替代方案，接触开口（例如模块接线元件11的接触开口11’）可以被构造为可弹性和/或塑性形变的。在这种情况下，压力连接元件可以具有例如拥有正方形或圆形截面的实心几何形状。在每种情况下，相应的接触区（区A和B）和相应接线元件（参见2，模块接线元件11或引导接线元件20’）的对应接触开口都必须彼此协调为使得保证可靠的力配合的连接（并且因此也保证可靠的低欧姆的电接触）。

压力连接元件的接触区可以被构造为非常相同的。除了图1和3中所示的被挖槽的孔眼形以外，接触区还可以具有其它合适的形状，例如构成接触区的螺旋、星形或X形的接触区等等。

在电子模块10中常常包含半导体开关，例如用于整流器的构造的一个或多个功率晶体管半桥。在这种情况下所期望的是半导体开关的负载接线端子的可靠的、低欧姆的电连接。为了将功率电感保持得尽可能小（并且以便在开关高负载电流时避免高功率电感的缺点），（外部）引导接线元件20’常常被实施成平行的条状导体或带状导体（带状导体对），在所述条状导体或带状导体中分别反平行地流动有相同的负载电流。在此，带状导体被引导为与电子模块壳体的表面110平行并且与该表面110相距不同间距。在图4中示出这种情况。

给每个带状导体20’分配自己的模块接线元件11、12，其中为每个由带状导体和接线元件构成的对设置不同长度的连接元件30，以便补偿各个带状导体与模块壳体的表面110相距的不同间距。带状导体的配备有接触开口的区域在水平方向（即与表面110平行延伸的方向）上彼此错开，使得处于更里面的（即在模块壳体处更近的）带状导体20不妨碍另一处于更外面的带状导体的压力连接元件30穿透直到被分配给该带状导体的模块接线元件（参见图4中的接线元件12）中。

为了对来自图4的压力连接系统的安装进行更简单地构造，可以在电子模块处——更确切而言在模块壳体的表面110处——和/或在接线元件10、11、12、20、20’之间设置间隔件40、41、42，在所述间隔件处存在相应的接线元件。图5中示出对此的示例。间隔件40、41、42实际上形成接线元件的支座。间隔件40基本上用作模块接线元件11、12、13的支座，所述模块接线元件11、12、13垂直地从模块壳体的表面110伸出并且在模块10之外被弯曲90°，使得接线元件11、12、13的支脚与表面110平行。在模块接线元件11、12、13的与表面110平行延伸的支脚中也布置有接触开口（例如冲压出的孔），在安装的过程中将压力连接元件30压入到所述接触开口中。接触元件11、12、13的与电子模块10的表面110平行的部分在压入压力连接元件30时的弯曲被间隔件40阻止，其中这些间隔件40跨越表面110与接线元件11、12、13之间的空间，使得接触元件实际上紧贴模块壳体。在此，间隔件40可以是模块壳体的一体化的组成部分。但是间隔件40将不覆盖接触开口（例如接触开口11’），使得可以无问题地使连接元件30穿透有关接触开口。

间隔件41充当外部接触元件20或电路板20的支座（参见图1）。间隔件41比间隔件40长一些，使得外部接线元件处于相关模块接线元件11、13的上面一些。间隔件40与41的长度差（垂直于表面101测得）大约对应于适当的压力连接元件30的两个压入区A和B的间距。如果如已经在图4中所示的那样将多个外部接线元件（电路板20或带状导体20’）与电子模块连接，则与模块壳体表面101最接近的接线元件20’被安放在间隔件41处，位于其上的另外的外部接线元件20’被安放在相应位于其下的接线元件（例如带状导体20’）处的至少一个间隔件42上方，使得获得由接线元件和间隔件构成的叠层（间隔件41、第一外部接线元件20’、间隔件42、第二外部接线元件20’等等）。间隔件（图5中为间隔件42）必要时可以具有贯通开口，在安装状态下使压力连接元件30穿过该贯通开口。

在这种情形下，以非常小的间距彼此平行延伸的带状导体对20’具有特别的意义。这样的带状导体对20’具有如下的间距：所述间距小得使得在反平行地流动的电流的情况下，带状导体对的电感与单个导体相比大大降低。通常，在带状导体对的两个带状导体之间布置薄的绝缘层（参见图5）。两个带状导体之间的间距通常小于一行带状导体。

图5的示例中的间隔件42的功能也可以承担两个平行引导的带状导体20’（带状导体对）之间的绝缘层（绝缘层42，例如膜）。该变型方案在图6中示出。为了能够使在绝缘层42’的背向模块10一侧所布置的带状导体20’与相应的模块接线元件12接触，绝缘层具有通孔，所述通孔与接触开口对齐并且在安装状态下压力连接元件30’穿过所述通孔。除此之外，图6中的示例对应于之前阐述的图5的示例。

在图7中示出根据本发明的压力连接系统的另一示例。图6中所示的系统是来自图5或6的示例的替代方案。为了在使用至少双层带状导体（带状导体对）的情况下简化电子模块和接线元件11、12、13、20、20’的安装，可以给端部处的压力连接元件30配备由绝缘材料构成的伸长的端部件34。在此，该伸长的端部件34具有与压力连接元件30本身类似的外部尺寸（横切于纵向方向），使得压力连接元件30可以以端部件34穿透不同电势的一层或多层带状导体（被绝缘层42’隔开），以便使最下面的带状导体20’在此处不与位于其上的带状导体短路的情况下与相应的模块接线元件11接触。为了保证可靠的绝缘，在将带状导体对20’的两个带状导体隔开的绝缘层42’与压力连接元件30之间的空间中布置密封体70。在最简单的情况下，将O环用作密封元件。

为了能够在安装时简单地处理多个压力连接并且同时进行压入，可以在必要时通过端部件34将多个压力连接元件30固定在载体35处。于是，载体35支承多个（例如用于接触模块接触元件11所需的所有）压力连接元件30，使得这些压力连接元件可以被一起压入。

在迄今为止所述的示例中，电子模块10的接线元件11、12、13穿过模块壳体的表面110被向外引导。在图8和9中所示的示例中，模块接线元件被直接布置在电子模块10的“底部”处的衬底11上并且可以穿过模块壳体中的开口从外部到达。

在图8中，模块接线元件被构造成套管14，可以将压力连接元件30压入所述套管14中。在此，由套管14形成的接触开口的内壁和有关压力连接元件的相应压入区A形成力配合的连接并且由此还形成可靠的低欧姆的电连接。作为图8中所示套管的替代方案，也可以如图9中所示那样利用接触开口11’将条状接线元件11（参见图2和4至7）直接固定在模块10的底部处的衬底处，其中压力连接元件30与接线元件11的接触开口啮合并且形成力配合的连接。

在图10中还示出来自图7至9的载体元件35的替代方案。载体元件36——如来自图7至9的示例中的载体元件35那样——支承至少一个压力连接元件30。但是至少一个杠杆37与载体元件36连接，借助于所述杠杆37可以以简单方式再次取消所压入的压力连接元件30。通过如下方式引起该取消：借助于杠杆37产生接线元件11（被压入到压力连接元件30中）与载体元件36之间的力。由于压力连接元件30被固定在载体元件处，因此压力连接元件30被从接线元件的接触孔中拉出。

Claims (15)

1.用于压入到第一接线元件（11，12，13，14）的第一接触开口和第二接线元件（20，20’）的第二接触开口中的压力连接元件（30）；该压力连接元件（30）具有：

伸长的基体（33），用于穿过第二接线元件（20，20’）的第二接触开口直到到达第一接触元件（11，12，13，14）的第一接触开口；

第一压入区（A），用于以力配合的方式接触第一接触开口；以及

在纵向方向上与第一压入区（A）间隔开的第二压入区（B），用于以力配合的方式接触第二接触开口。

2.根据权利要求1所述的压力连接元件，其中第一和第二压力区（A，B）能够弹性和/或塑性变形。

3.根据权利要求2所述的压力连接元件，其中在基体（33）处在第一压入区（A）的区域中以及在第二压入区（B）的区域中分别布置至少一个弹性元件（31；32）。

4.根据权利要求1至3之一所述的压力连接元件，其中第一压入区（A）与第二压入区（B）相比具有更小的最大外部尺寸（D1），其中该最大外部尺寸是垂直于基体（33）的纵向方向测得的。

5.根据权利要求1至4之一所述的压力连接元件，具有至少一个另外的在纵向方向上与第一和第二压入区间隔开的压入区，该压入区用于与另一接线元件的接触开口进行接触。

6.用于电子模块的连接系统，该连接系统具有：

电子模块（10），该电子模块（10）具有至少一个第一接线元件（11，12，13，14），该第一接线元件具有至少一个第一接触开口；

至少一个外部接线元件（20，20’），该外部接线元件具有第二接触开口；以及

至少一个压力连接元件（30，30’），包括伸长的基体（33），该基体（33）用于穿过外部接线元件（20，20’）的第二接触开口直到到达电子模块（10）的第一接线元件（11，12，13，14）的第一接触开口，其中压力连接元件（30，30’）包括用于以力配合的方式接触第一接触开口的第一压入区（A）以及在纵向方向上与第一压入区（A）间隔开的用于以力配合的方式接触第二接触开口的第二压入区（B）。

7.根据权利要求6所述的连接系统，该连接系统进一步包括：

至少一个载体元件（35，36），在该载体元件（35，36）处将所述至少一个压力连接元件（30，30’）布置或固定为使得该载体元件（35，36）在所压入的压力连接元件的情况下紧贴在外部接线元件（20，20’）处。

8.根据权利要求7所述的连接系统，其中在载体元件（36）处铰接至少一个杠杆，利用所述杠杆在所压入的压力连接元件（30，30’）的情况下能够给外部连接元件施加力，该力在压力连接元件（30，30’）的纵向方向上作用并且使得能够将压力连接元件（30，30’）从电子模块（10）的第一接线元件（11，12，13，14）的接触开口中拉出。

9.根据权利要求6至8之一所述的连接系统，其中外部接线元件（20，20’）是电路板、带状导体或者带状导体对。

10.根据权利要求6至9之一所述的连接系统，其中第一接线元件（11，12，13，14）或者第二连接元件（20，20’）或者这两个接线元件被安放在电子模块的壳体处。

11.根据权利要求10所述的连接系统，其中所述连接元件（11，12，13，14；20，20’）的至少之一紧贴在与电子模块的壳体连接的间隔件处。

12.根据权利要求6至11之一所述的连接系统，其中

所述至少一个外部接线元件（20’）包括至少两个带状导体，其中所述带状导体彼此平行地延伸并且分别被绝缘层（42’）或间隔件（42）彼此隔开，并且其中所述带状导体的端部彼此错开并且具有接触孔；

电子模块具有至少两个分别被分配给带状导体的接线元件（11，12），所述接线元件（11，12）分别具有与带状导体的接触孔相对应的接触孔；并且其中

每个扁平导体的至少一个压力连接元件与相应的接线元件（11，12）连接。

13.根据权利要求6至12之一所述的连接系统，其中电子模块（10）的接线元件（11，12）被固定在模块底部处的衬底处并且压力连接元件从模块的上侧穿过模块壳体到达接线元件。

14.根据权利要求6至12之一所述的连接系统，其中多个压力连接元件被布置在共同的载体（35，36）上并且与该载体（35，36）连接。

15.根据权利要求14所述的连接系统，其中载体（36）包括用于取消压力连接的装置，其中该用于取消的装置尤其是杠杆元件。

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