CN103093908B - 功率电阻器 - Google Patents

Abstract

一种功率电阻器包括：第一和第二相反终端件；电阻元件，由多个电阻元件段形成，位于第一和第二相反终端件之间；至少一个分段导电条，将其中两个电阻元件段分开；和至少一个开口区域，位于第一和第二相反终端件之间，且将至少两个电阻元件段分开。多个电阻元件段的分开有助于将热量扩散遍布于功率电阻器内。功率电阻器或者其它电子部件可通过下列方式封装：利用导热且电绝缘的材料接合到散热翼片。

Description

功率电阻器

本申请是申请日为2007年9月27日、申请号为200780101481.3、发明名称为“功率电阻器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明大致涉及一种功率电阻器（power resistor），具有自立式（freestanding）元件。自立式电阻器具有电阻元件，其由具有充分厚度的材料形成，从而不借助于基底而自身支撑。更具体的，但是不是专有的，本发明涉及到使得功率电阻器的瓦特额定数最大。另外，本发明涉及使得热量穿过电阻器的电阻元件扩散，从而改善性能。

另外，本发明涉及使得功率电阻器的瓦特额定数最大同时使得电阻器的物理尺寸最小。对于薄膜电阻器技术来说这个问题已经解决，其中，电阻元件位于陶瓷基底上，该基底可以接合到功率IC封装的金属翼片，而不会将电阻元件电短路到金属翼片。这种方法不能解决金属条类型的电阻器，该电阻器不具有电绝缘基底，该基底可经过IC封装的电阻元件和金属散热翼片之间，提供相互之间的电隔离。

背景技术

对于这个问题不具有解决方案，使得电子工业不能具有金属条电阻的下列优点：超低欧姆值，功率脉冲处理，低TCR，低热EMF，负载寿命稳定性，以及高功率密度IC类型封装中的低TCR。

发明内容

根据本发明一个方面，提供一种功率电阻器。功率电阻器包括第一和第二相反的终端件和电阻元件，电阻元件由多个电阻元件段形成在第一和第二相反终端件之间。具有至少一个分段传导条，将其中两个电阻元件段分开，且在第一和第二相反终端件之间具有至少一个开启区域，并且将至少两个电阻元件段分开。电阻元件段的分隔有助于将热量扩散遍布于功率电阻器内。根据本发明另一个方面，功率电阻器或其它电子部件可通过下列方式封装：将功率电阻器或者其它电子元件利用导热的和电绝缘的材料结合到散热翼片，从而将散热翼片和电子元件以导热的关系机械连接，不会将散热翼片短路到电子元件。功率电阻器或其它电子元件可通过下列方式封装：将端子连接，并且形成模制主体从而封闭最终的装置。

一种制造功率电阻器的方法，包括：形成连接的金属条，提供第一和第二相反的终端件以及第一和第二相反终端件之间的电阻元件，其中第一终端件由第一外部金属条形成，电阻元件由中间条形成，第二相反终端件由第二相反外部金属条形成，三个条连接在一起以形成连接的金属条。然后方法提供：通过提供至少一个分段导电条以及至少一个开口区域，在第一和第二相反终端件之间，将电阻元件分段成多个电阻元件段，所述分段导电条将其中两个电阻元件段分开，所述开口区域位于第一和第二相反终端件之间，且将至少两个电阻元件段分开。多个电阻元件段的分开有助于将热量扩散遍布于功率电阻器内。

一种形成电子部件的方法，包括：提供电子元件，将电子元件结合到散热翼片，电子元件利用导热的和电绝缘的材料结合到散热翼片，从而将散热翼片和电阻元件机械连接，同时不会将散热翼片短路到电阻元件，将至少两个端子连接到电子元件，且将电子元件封闭在模制主体内。

根据另一个方面，功率电阻器包括第一和第二相反终端件以及第一和第二相反终端件之间的电阻元件，该电阻元件具有多个分开的电阻元件段。第一和第二相反的终端件和电阻元件通过导电材料和电阻材料的邻接（adjoining）条而形成为自立式金属条电阻器结构。分开的电阻元件段可以通过一个或多个导电条或者一个或多个开口区域分开，产生一个以上的热斑从而散布热量。每个电阻元件段可具有自己的修整图案从而控制电流并在每个段中产生一个以上的热斑。

根据另一个方面，功率电阻器包括第一和第二相反终端件以及第一和第二相反终端件之间的电阻元件，电阻元件具有修整图案。第一和第二相反终端件以及电阻元件由导电材料和电阻材料的邻接的条形成为自立式电阻器结构。修整图案包括至少一个槽，该槽终止于孔中。

附图说明

图1示出了自立式电阻器的一个实施例，其具有由开口空间分开的两个段。

图2示出了自立式电阻器的一个实施例，其具有由分段导电条分开的两个段。

图3示出了自立式电阻器的一个实施例，其具有四个段并且利用金属条形成。

图4示出了自立式电阻器的一个实施例，其具有六个段并且利用金属条形成。

图5示出了自立式电阻器的一个实施例，其具有八个段并且利用金属条形成。

图6示出了用于形成自立式电阻器的方法的一个实施例，该电阻器利用金属条形成。

图7的透视图示出了在本发明一个实施例中使用的电阻元件。

图8的透视图示出了在本发明一个实施例中使用的另一个电阻元件。

图9的俯视图示出了根据本发明一个实施例结合到散热翼片的电阻元件。

图10的俯视图示出了根据本发明一个实施例结合到散热翼片的电阻元件，其中端子被连接。

图11的透视图示出了在模制之后并且在去除承载条之前根据本发明一个实施例的电子部件。

图12的仰视图示出了根据本发明一个实施例的电子部件。

图13的透视图示出了本发明的电子部件，具有两个端子。

图14的透视图示出了本发明的电子部件，具有四个端子。

图15的俯视图示出了电阻元件，具有修整图案的一个实施例，从而引导电流并增加热斑数目。

图16的俯视图示出了电阻元件，具有另一个修整图案，从而引导电流并增加热斑数目。

图17的俯视图示出了电阻元件，具有另一个修整图案。

图18的俯视图示出了电阻元件，具有另一个修整图案，其中，槽终止于孔中，从而扩散局部的热斑。

图19是图18所示的电阻元件的透视图。

具体实施方式

图3示出了自立式（free standing）电阻器10的一个实施例，电阻器由被分段的金属条（strip）形成。电阻器10具有第一导电条12和相反的第二导电条14以形成用于电阻器10的相反端子。开口区域16A示为在第一导电条12和相反的第二导电条14之间。分段导电条18A、18B也被示出。开口区域16A和分段导电条18A、18B用于将电阻器10的电阻元件分段为四段20、22、24、26。在四段20、22、24、26中的每一个内，槽28被切割从而调节电阻率且形成螺旋电流路径。

图3的结构提供了显著的优点。特别的，分段迫使热量在电阻元件的较大部分上扩散因此降低任一个部位中的峰值温度。特别的，与不具有分段导电条18A、18B且不具有开口区域的未分段电阻元件相比，由于电流被导入（routing）到电阻器10的通常未充分利用的区域中，热量被更多的散发掉。这个导入通过使用电阻元件段20、22、24、26来进行。这个分段和导入要求功率被相同地耗散在所有段中。

如果电阻元件段具有相同尺寸，电阻元件段可以被认为形成了行和列，例如图3中的行42A、42B和列41A、41B。在图3实施例中，具有总共四个段，布置为两列和通过开口区域16A形成的两行，该区域将第一行42A从第二行42B隔开。分段的导电条18A、18B将电阻元件段分成单独的列。

应当认为，图3的特定结构仅是多个实施例中的一种，其中分段导电条和开启区域用于将电阻元件分段以降低任一个部位中的峰值温度。在段的总数目、段的相对尺寸、段的相对排列、以及段的几何轮廓方面可以考虑变形。在修整几何轮廓、角度和位置方面也可考虑变化，用于操纵电流且增加热斑（hot spot）的数目。热斑是相比于电阻器其它区域具有可测量的更高温度的区域。

图4是另一个实施例的实例，其中六个电阻元件段20、22、24、26、30和32被示出，布置为两行42A、42B和三列41A、41B、41C。图4的实施例包括分段的导电条18A、18B、18C、18D以进一步使得电阻元件分段。

图5是另一个实施例的实例，其中，八个电阻元件段20、22、24、26、34、36、38和40被示出，布置为列41A、41B和四行42A、42B、42C、42D。图5实施例中，具有三个开启区域16A、16B、16C，它们提供用于使得电阻元件分段。另外，共线的分段导电条18A、18B、18E和18F被示出。

所示实施例中，相对于电阻元件段的限定，一定程度的对称被保持，其中，电阻元件的尺寸相对于彼此被保持，这使得制造和设计更加简单，有助于描述，然而，这种对称不需要总是存在，取决于最终电阻器的所需特性。然而，通过将电阻元件分段，产生多个不同热斑，迫使热量被散发到元件的较大部分上，因此降低了任一个部位中的峰值温度。

图6示出了根据本发明用于制造金属条功率电阻器的方法的一个实施例。EVANOHM精度电阻合金，或者其它类型的电阻元件，例如但不限于包括镍和铬的合金，可用于形成电阻合金。电阻合金可以通过利用最终的双金属材料滚压而被包铜，所述材料被卷绕在卷轴上。步骤44提供形成连接金属条。步骤46提供去除铜或者其它材料。去除可以通过蚀刻、研磨、削磨或者其它去除方法进行。蚀刻可通过化学或者电化学方式进行，以从电阻元件段去除包铜，而在适于形成分段导电条的位置处留下包铜。然后可进行冲孔，如步骤48所示，以形成开口区域，且同样使得各个电阻器单个化（singulate）。步骤49，每个电阻元件段的电阻可以通过切槽被改变或者调节。使用的方法允许功率电阻器的卷盘-卷盘的制造。

本发明另一个方面涉及封装，特别涉及功率IC封装中的功率电阻器，其具有模制在封装中的整体散热器，或者可替换的，具有薄的覆层，用于封闭电阻器组件，同时留下散热器被暴露。在不需要被分段的电阻元件的上下文环境中描述了金属条电阻器，然而，应当认为，电阻元件可以如上所述被分段，从而将热量扩散遍布于功率电阻器内。功率IC封装包括管芯或者元件，该元件可以是所公开的任意电阻器，包括图1-5所示的那些，以及其它结构的电阻器。

封装可根据上述的分段电阻元件或者其它类型电阻元件而使用，包括Rainer的美国专利No.5,604,477中描述的那些，这里整体引为参考。这样的实施例中，表面安装电阻器可通过下列方式形成：将三个材料条以边缘-边缘关系连接在一起，其中中间条由电阻材料形成，端部条形成了终端区域。这种电阻器由Vishay Dale Electronics公司以WSL的名称提供。图7示出了在本发明情况中这种封装的一个实施例。图7中，电阻器50具有由中间条形成的电阻元件52以及由导电条形成的相反端子54、56。槽58切割在电阻元件52中以调节电阻。

另一个类型的电阻元件在Smith等的美国专利No.7,190,252中描述。这种实施例中，电阻器具有折叠在电阻元件下面的终端件，导热和电绝缘的填充物被夹在电阻元件和终端件之间并且结合在二者之间。这种电阻器由Vishay Dale Electronics公司以WSH的名称提供。这种结构具有另外的优点，即电阻器的非翼片侧上的大的终端件，其用于进一步扩散热量并且降低热斑温度。图8示出了在本发明情况中这种封装的一个实施例。图8中，电阻器60具有电阻元件62，其中终端件64、66折叠在电阻元件62下面。槽68示为切割到电阻元件62中。

图7和8的电阻器可用在标准部件封装中。标准部件封装在电子工业中用于使得供应商之间的变动最小化，并且将PCB设计阶段的不同封装设计的数目最小化。这些的实例为TO-126，TO-220，TO-247，TO-263等。图13所示的部件具有TO-220封装。功率IC封装包括散热翼片、端子或引线、以及模制主体。在封装的内部，具有管芯或者元件，其限定了部件的电特性，有源或者无源的。图1-5、图7-8的电阻器是这种元件的实例。同样在封装的内部的是元件和端子之间的电连接以及元件和散热翼片之间的热连接。

图9中示出了散热翼片72。元件70，可以是电阻元件，如上所述，被结合到散热翼片72的第一侧75。元件70具有终端区域71、73。结合可通过下列方式进行：施加粘附增进剂例如Dow Corning Sylgard到散热翼片72和元件70。然后，导热然而电绝缘的材料施加到散热翼片72。这个材料是糊膏（paste）或者液体，且包括弹性材料（Dwo Corning Q1-4010），该材料被固体颗粒填充，该颗粒导热但是电绝缘，如氮化硼粉末（COMBAT氮化硼工业粉末-GradePHPP325），以及氧化铝陶瓷球粒。氧化铝球粒具有0.001’’-0.005’’的直径，且主要目的是将电阻元件和散热翼片分开，从而它们将不会接触，因此阻止二者之间的电短路。球粒将足够小从而使得元件70和散热翼片72之间的距离最小，从而优化从元件70到翼片72的传热率。除了上述材料，本发明考虑，具有不同成分的其它材料可以替换，只要它们实现了使得热传递最大化并且在元件70和散热翼片72之间产生非导电结合的相同目的。在结合过程中，元件70和翼片72被挤压在一起，然后在压力下加热，从而确保当结合在一起时它们处于最优传热关系。使用这些材料和结合技术将同样应用到结合其它类型的元件，包括将箔片元件结合到散热翼片72。这还使得陶瓷上的薄膜或者箔片类型元件能够朝着散热翼片结合薄膜或者箔片侧，使得具有下列优点：将发热元件直接热耦合到散热翼片，且将基底在非散热器侧上用作热扩散器。相对于穿过陶瓷然后进入散热翼片72中的路程，这个结合定向降低了传热路径长度。任一种情况中，芯片电阻器类型元件将是适当的，因为终端件周围的封套（wrap）应当将端子远离散热翼片连接，从而避免电短路。

接下来如图10，端子74、76焊接在电阻元件70上。端子74、76由导电材料制成，例如铜合金，且通过承载条78彼此连接，该条设定端子间隔。承载条78之后被去除和丢弃。端子74、76对齐到电阻元件70上的终端件。焊膏施加到端子74、76和电阻元件70终端区域71、73，然后被加热以使得焊剂反流以将端子74、76机械地和电地连接到电阻元件。连接端子的整个步骤可以通过下列方式去除：使得端子作为元件终端件的统一部分。端子可以从已经被焊接到电阻材料的铜终端材料被冲下。这种替换方案将增加焊接条材料的使用，因此增加材料成本。所述替换方法减少了制造步骤且取消了焊接。这允许装置操作温度被增加到焊剂回流温度以上且通过消除内部焊接接头而增加了装置可靠性。将元件70安装到翼片72和将端子74、76安装到元件70的步骤可以被颠倒，不会影响装置的性能。

保护覆层（未示出）然后施加到元件70和端子组件，以覆盖将被包覆成型的部分。这个覆层将把元件70从由于模铸化合物粘合到元件而造成的应力隔离（buffer）。这个子组件然后被放入模腔中，模腔随后被填充环氧树脂模制化合物。模腔构造成使得散热翼片（见图12）的非元件侧77与模腔接触，使它不会被包覆成型因此在模制主体的后侧上暴露。图11示出了模制主体80。这提供了配合表面，用于安装到外部散热器或者用于传递热量的底座。

对于包覆成型的另一个选择是利用保形覆层（conformal coating）来涂覆子组件的元件侧（侧75），仍然留下散热翼片72的非元件侧（相反侧77）暴露用于与外部散热器配合。本发明的这种实现方式将以机械强度为代价产生较低的制造成本。模制操作之后是去除毛刺操作，从而从主体80、终端74、76和散热翼片72的边缘去除任何过多的模制复合物。

每个最终的部件然后通过激光或者墨水标记器被标记，具有与产品类型相关的信息。承载条78通过剪切操作被去除，产生图13所示的部件。如果部件是电阻器，每个电阻器被测试电阻，然后放置在所需的封装材料中用于运输。

应当认为，所述实施例使用两个端子。然而如图14，可使用四个端子74、76、84、86，例如当在需要最好的TCR和电阻偏差的应用中需要Kelvein测量连接时。

应当认为，这种类型的封装不仅可与所示的功率电阻器一起使用，而且可以与其它类型的电子部件一起使用，它们不必包括电阻元件作为电子元件的一部分。所述封装是有用的，其中需要模制在封装中的内部散热器。但是，如上所述，模制可以被去除并且薄覆层用于封闭电阻器组件的，同时使得散热器暴露。

另外，封装允许金属条电阻器被使用，而不是薄膜类型的电阻器。这是显著的，因为薄膜电阻器使用陶瓷基底从而为薄膜层提供机械支撑。这个基底是电绝缘的，并且当二者被结合在一起用于传热目的时，还用于将薄膜元件从IC封装的金属散热翼片电隔离。

金属条电阻器不具有陶瓷基底，且由于下列事实获得了它的机械强度，即它是相对厚的金属件。问题然后变为如何将金属条电阻器结合到金属散热器，而不会使得二者电短路，同时将它们热耦合在一起。一个方案将是将金属条电阻器元件结合到基底，然后将基底的相反侧结合到金属散热翼片。虽然这将有效，但是不能有效地将热能从电阻器元件传递到金属散热翼片。因此，克服了有效热传递方法中基底不存在，允许金属条电阻器技术利用功率IC类型封装的优点，其有助于来自电阻元件的20W-50W的瓦特数，其单独的将在1W和5W之间。不具有陶瓷还缩短了电阻元件和散热翼片之间的热传递路径，降低了元件工作温度。相对于高功率封装中的薄膜类型电阻器，克服这个问题给金属条电阻器技术提供了性能上的优点。具体的优点是较低的欧姆值，改善的脉冲功率处理，改善的TCR以及改善的负载寿命稳定性。

如上所述，本发明提供将电流导入电阻器的通常未被充分利用的区域中。另外的考虑被进行，修整（trim）或者修整图案用于引导电流。图1-5和7-8示出了由槽形成的蜿蜒的电流路径，该槽从电阻元件的边缘向内延伸。然而这种修整图案仅仅是代表性的，且为了方便而示出。本发明另一个方面提供了修整图案，例如图15、16和17所示的。注意所示角度和几何轮廓的差异。这种激光修整图案可用于避免电流集边（crowding）或者否则控制或者导入电流。注意，如果电阻元件被分段，每个电阻元件段可具有其自己的修整图案，独立于其它电阻元件段的任何修整图案。

根据本发明另一个方面，图18和19示出了电阻元件52，具有另一个修整图案，其中槽58终止于孔90中，从而展开局部的热斑。在电流路径中，孔90可具有任何形状，不具有尖锐拐角。虽然不希望限制到操作理论，应当认为，这个结构将热量扩散到较大区域上，因此可用于有助于使得热斑温度最小化，且使得电阻元件的冷热区域之间的温度差最小。因此，电流可以以这种方式被操纵。

注意，本发明可考虑各种变形和替换方案，包括这里描述的那些。

Claims (20)

1.一种功率电阻器，包括：

第一终端件和第二相反终端件；

电阻元件，其由多个电阻元件段形成，位于第一终端件和第二相反终端件之间；

至少一个分段导电条，其将其中的两个电阻元件段分隔开；

至少一个连续的开口区域，其形成位于第一终端件和第二相反终端件之间的直线路径，且将至少两个电阻元件段分隔开；以及

其中所述多个电阻元件段的分隔有助于将热量扩散遍布于功率电阻器中。

2.如权利要求1所述的功率电阻器，其中，电阻元件包括被导电材料包覆的电阻材料，其中导电材料的一部分被蚀刻掉。

3.如权利要求1所述的功率电阻器，还包括：

散热翼片，其中电阻元件利用导热并且电绝缘的材料被结合到散热翼片，从而将散热翼片和电阻元件机械连接，同时不会使得散热翼片短路到电阻元件；以及

封闭电阻元件的模制主体。

4.如权利要求1所述的功率电阻器，其中，电阻元件是薄膜电阻元件。

5.如权利要求1所述的功率电阻器，其中，所述多个电阻元件段包括至少四个电阻元件段。

6.一种功率电阻器，包括：

第一终端件和第二相反终端件；

电阻元件，其位于第一终端件和第二相反终端件之间，且所述电阻元件包括多个分开的电阻元件段；

其中第一终端件和第二相反终端件、以及电阻元件是由导电材料与电阻材料的邻接条以自立式电阻器结构形成；

其中，至少两个分开的电阻元件段被导电条分开；并且

其中，至少两个分开的电阻元件段被连续的开口区域分开，所述开口区域形成位于第一终端件和第二相反终端件之间的直线路径。

7.一种功率电阻器，包括：

电阻元件，其具有上面和下面，所述电阻元件包括具有上面和下面的第一终端件区域，所述电阻元件包括具有上面和下面的第二终端件区域,至少一个连续的开口区域形成位于第一终端件区域和第二相反终端件区域之间的直线路径；

散热翼片，其中电阻元件的下面利用导热并且电绝缘的材料被结合到散热翼片，从而将散热翼片和电阻元件机械连接，同时不会使得散热翼片电连接到电阻元件；

封闭电阻元件的模制主体；以及

第一终端件，其电连接至所述电阻元件的第一终端件区域的上面并且从所述模制主体延伸；和

第二终端件，其电连接至所述第二终端件区域的上面并从所述模制主体延伸；

所述第一终端件和所述第二终端件在同一方向上延伸并从所述模制主体的同一侧延伸。

8.如权利要求7所述的功率电阻器，其中，电阻元件是金属条电阻元件。

9.如权利要求7所述的功率电阻器，其中，电阻元件是由在第一终端件区域和第二相反终端件区域之间的多个电阻元件段以及将其中两个电阻元件段分隔开的至少一个分段导电条所形成。

10.如权利要求9所述的功率电阻器，其中所述多个电阻元件段的分隔有助于将热量扩散遍布于功率电阻器中。

11.如权利要求7所述的功率电阻器，其中，第一终端件区域由第一外部金属条形成，电阻元件由中间条形成，并且第二相反终端件区域由第二相反外部金属条形成，所述三个条被连接在一起。

12.如权利要求11所述的功率电阻器，其中，中间条包括被导电材料包覆的电阻材料，其中导电材料的一部分被蚀刻掉。

13.一种形成功率电阻器的方法，包括：

提供具有上面和下面的电阻元件，所述电阻元件包括多个槽，所述槽被构造成调整所述电阻元件的电阻，所述电阻元件包括具有上面和下面的第一终端件区域，所述电阻元件包括具有上面和下面的第二终端件区域,至少一个连续的开口区域形成位于第一终端件区域和第二相反终端件区域之间的直线路径；

利用导热并且电绝缘的材料将电阻元件的下面结合到散热翼片，从而将散热翼片和电阻元件机械连接，同时不会使得散热翼片短路到电阻元件；

将第一终端件连接到所述电阻元件的第一终端件区域的上面；和将第二终端件连接到所述电阻元件的第二终端件区域的上面；以及，

将电阻元件封闭在模制主体内，其中，所述第一终端件和所述第二终端件在同一方向上延伸并从所述模制主体的同一侧延伸。

14.如权利要求13所述的方法，其中，电阻元件是由在第一终端件区域和第二终端件区域之间的多个电阻元件段以及将其中两个电阻元件段分隔开的至少一个分段导电条所形成。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述多个电阻元件段的分隔有助于将热量扩散遍布于功率电阻器中。

16.如权利要求13所述的方法，其中，第一终端件区域由第一外部金属条形成，电阻元件由中间条形成，并且第二相反终端件区域由第二相反外部金属条形成，所述三个条被连接在一起。

17.如权利要求16所述的方法，其中，中间条包括被导电材料包覆的电阻材料，其中导电材料的一部分被蚀刻掉。

18.一种形成电子部件的方法，包括：

提供具有上面和下面的电子元件，所述电子元件包括具有上面和下面的第一终端件区域以及具有上面和下面的第二终端件区域,至少一个连续的开口区域形成位于第一终端件区域和第二相反终端件区域之间的直线路径；

将电子元件的下面结合到散热翼片，电子元件利用导热并且电绝缘的材料被结合到散热翼片，从而将散热翼片和电阻元件机械连接，同时不会将散热翼片短路到电阻元件；

将第一端子连接到所述电子元件的第一终端件区域的上面；

将第二端子连接到所述电子元件的第二终端件区域的上面，以及将电子元件封闭在模制主体内，其中，所述第一端子和所述第二端子在同一方向上延伸并从所述模制主体的同一侧延伸。

19.如权利要求18所述的方法，其中，电子元件是电阻元件。

20.如权利要求18所述的方法，其中，提供电子元件的步骤包括形成具有多个电阻元件段的电阻元件。