CN105098554A - 电触刷、电子组件和用于制造电子组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在金属化层(51)和接触销(200)之间的电连接的建立。在此将电触刷(100)与该金属化层(51)相焊接。为了在焊接时防止该电触刷(100)的非受控的模糊，该电触刷(100)具有突出部(112)，其嵌入该金属化层(51)的凹痕(511)之中。

Description

电触刷、电子组件和用于制造电子组件的方法
技术领域
本发明涉及电子组件的电接触。
背景技术
为了所镀金属的电接触能够在其上焊接电触刷并且将接触销伸入电触刷之中。然而在将接触销与所镀金属电接触时存在以下问题，即该在流质的焊料之上的电触刷能够变得模糊，这将导致电触刷和接触销的定位的不确定性。
发明内容
本发明的任务在于提供一种电触刷，借助于该电触刷能够避免模糊的问题，以及提供一种电子组件，其具有精确地加以定位的电触刷，并且提供一种用于制造这样的电子组件的方法。
这些任务通过依据本发明的电触刷、通过依据本发明的电子组件以及通过依据本发明的用于制造电子组件的方法来得以解决。本发明的设计方案和改进方案均为从属权利要求的主题。
本发明的第一方面涉及一种在纵向方向上延伸的导电的电触刷，其具有第一末端和与所述第一末端对置的第二末端，以及在所述第一末端和所述第二末端之间延伸的轴。在所述第一末端处构造有第一冠部以及从所述第一冠部出发背离所述第二末端地延伸出去的凸出结构。
依据本发明的第二方面能够借助于这样的电触刷来实现一种电子组件。电子组件具有带有顶面和凹痕的第一金属化层，所述凹痕从所述顶面出发延伸进入所述第一金属化层。所述电触刷如此地设置在金属化层之上，使得所述凸出结构嵌入所述凹痕之中。由此能够通过所述凹痕的位置来非常精确地确定所述电触刷在所述金属化层之上的位置。
第三方面涉及一种用于制造这样的电子组件的方法。在此依据第一方面提供电触刷以及具有顶面和凹痕的第一金属化层，所述凹痕从所述顶面出发伸入所述第一金属化层之中。所述电触刷如此地设置在所述顶面之上，从而使得所述凸出结构嵌入所述凹痕之中。借助于焊料来如此地将所述电触刷与所述第一金属化层焊接，从而使得所述凸出结构在焊接之后也嵌入所述凹痕之中。
附图说明
接下来将借助于一些实施例参照所附的附图来阐述本发明。其中：
图1示出了具有凸出结构的电触刷的横截面；
图2示出了依据图1的以其第一末端为视角的电触刷的图示；
图3示出了穿过电路载体的分段的横截面，该分段具有设置有凹痕的金属化层；
图4示出了依据图3的电路载体的分段和凹痕之上的顶视图；
图5示出了穿过一个装置的横截面，该装置之中依据图1的电触刷如此地设置在依据图3的电路载体的金属化层之上，从而使得该凸出结构嵌入该凹痕之中；
图6示出了穿过依据图5的装置在将电触刷与该电路载体的金属化层焊接之后的横截面；
图7示出了一个电触刷的横截面，在该电触刷之中该凸出结构被构造为分段的环状；
图8示出了依据图7的以其第一末端为视角的电触刷的图示；
图9示出了穿过依据图7和图8的电触刷的第一末端在其凸出结构嵌入金属化层的凹痕之前的横截面；
图10示出了在具有圆柱地加以构造的凹痕的电路载体的金属化层之上的顶视图；
图11示出了一个示意图，从中可以看出该电触刷的侧向的空隙，其借助于其凸出结构嵌入金属化层的凹痕中地设置在该金属化层之上但是未被焊接至其上；
图12示出了一个金属化层以及具有凸出结构的电触刷，该电触刷如此地构造，从而使得其能够压入该金属化层的凹痕之中；
图13示出了依据图12的在将凸出结构嵌入凹痕之后的电触刷；
图14示出了具有设置有涂层的核的电触刷；
图15示出了一种电子组件，在电子组件之中接触销在依据图6的相应的装置之中分别伸入焊接在电路载体的金属化层之上的电触刷之中；
图16示出了依据图14的在将电路板延伸到该接触销的第二末端上之后的电子组件。
在附图中相同的附图标记描绘具有相同的或者相似的功能的相同的元件。
具体实施方式
图1示出了导电的电触刷100，其在纵向方向z之上加以延伸。该电触刷100具有第一末端11和与该第一末端11相对的第二末端12。该第二末端12在纵向方向z之上与第一末端11相互隔开。
在第一末端11和第二末端12之间延伸有轴13。如图1所示，该轴能够可选地被构造为直管，其在纵向方向z之上加以延伸并且在轴线A方面是旋转对称的。
该轴13能够具有至少为其内径d13的长度l13和/或该长度l13最高为其内径d13的五倍。此外，轴13具有外径D13。由此能够得出该内径d13小于外径D13，外径D13和内径d13能够相互无关地加以选择。外径D13能够例如为至少2mm和/或最高4mm，内径d13能够例如最少0.4mm和/或最高2mm。此外，在外径D13和内径d13之间的差值例如为至少0.04mm。壁厚w13能够例如相应于最少0.02mm和/或最高1mm。
在第一末端11处构造有第一冠部(Kragen)111以及凸出结构112，该凸出结构从第一冠部111出发背离第二末端12地伸出，也就是说从第一冠部111出发与该纵向方向z相反地加以延伸。
第一冠部111具有与第二末端12疏远的底面111b。该底面拥有平的部分111a，其以垂直于纵向方向z的平面E来加以走向。从该平的部分111a出发该凸出结构112具有大于零的高度h112。该高度h112能够例如为至少0.1mm和/或为最高0.8mm。然而其也能够选择在所谓的下限之下或者在所谓的上限之上的任意值。
此外，该电触刷100具有在纵向方向之上的长度l100。该长度能够与其他尺寸无关地加以选择，其中，该电触刷100的长度l100当然大于轴13的长度l13。该电触刷100的长度例如能够至少为l13+2*w13+2*h112即至少为0.64mm，和/或最高为7mm。此外，该电触刷100能够垂直于纵向方向z地具有例如至少为0.8mm和/或最高为4mm的最大宽度b100。在为圆形的轴13的情况下，该最大宽度b100至少和外径D13一样大。
如在图2中所示出的从第一末端11(以纵向方向z为视角)的顶视图能够看出，该凸出结构112能够例如被构造为封闭的环状。
现在，该电触刷100能够焊接在金属化层51之上。此类的金属化层51在图3中加以示出。该金属化层能够原则上被任意地加以设置。该金属化层例如能够被构造为金属层，其也能够具有其他元件的组合的组成部分。在现有的示例中，该金属化层51为电路板5的组成部分，该电路板具有电绝缘的绝缘载体50，在该绝缘载体之上涂覆有该金属化层51。可选地，在该绝缘载体50与该金属化层51相反的面之上还能够设置有至少一个另外的金属化层52。
在任何情况下，该金属化层51均具有顶面51t，从该顶面出发凹痕511延伸进入该第一金属化层51。如在图4中所示出的从金属化层51出发的顶视图可以看出，该凹痕511例如被构造为封闭的环状。该凹痕511在任何情况下均如此地加以构造，使得该电触刷100借助于其第一末端11如此地置于该金属化层51之上，进而使得凸出结构112如图5所示的那样嵌入凹痕511之中。该凸出结构112嵌入凹痕511之中能够防止该电触刷100例如在其接下来被焊接至该金属化层51期间相对于该金属化层51而变得模糊。图6示出了依据图5的在将该电触刷100在使用焊料7的情况下焊接至金属化层51之后的装置。结果便是该电触刷100通过该焊料7材料决定地并且导电地与第一金属化层51相连接。此外能够看出该焊料7能够消除并且可选地也能够填满在凸出结构112和金属化层51之间的处于凹痕之中的空隙6。
如借助于另一个在图7中所示出的实施例能够看出，凸出结构112能够具有一个间隔113或者多个间隔113，通过这些间隙焊料7在将该电触刷100与金属化层51焊接时能够渗入位于其间的空隙6(图5)，由此能够确保可靠的焊接连接。图8示出了从第一末端11(以纵向方向z为视角)的顶视图。由此能够看出，凸出结构112通过多个间隔113例如被构造为分段的环。图9还示出了该电触刷100的第一末端11，在其如此地置于该金属化层51的顶面51t之上之前，使得该凸出结构112嵌入该金属化层51的凹痕511之中。在将其置于其上之后再次呈现为依据图5的装置并且在焊接了该金属化层51之后呈现为依据图6的装置。
大体上来说，在本发明之中该电触刷100与金属化层100的焊接能够如此地实现，即该电触刷100首先被如此地设置在该金属化层51之上，使得该凸出结构112嵌入该金属化层51的凹痕511之中并且然后该电触刷才与流质的焊料7进行接触，该焊料被用于将电触刷与金属化层51进行焊接。在流质的焊料7之间的该第一接触在该凸出结构112嵌入该金属化层51的凹痕511之中的时点得以实现。该状态一直保持至该焊料7的凝固。
该凹痕511并非必须强制的构造为封闭的环，如其在图4中所示出的那样。与之相反地，该凹痕511基本上能够任意地加以成形。在依据图11的示例之中，该凹痕被构造为孔状，由此使得其能够特别简单地加以制造。然而，能够使用任意的方法来制造该凹痕。例如合适的也能够为其他技术诸如铣削、冲压、掩膜蚀刻、放电加工、激光切割或任何其他蚀刻技术。
原则上来说，并非仅该凹痕511能够任意地加以成形，而是凸出结构112也能够如此。区别在于凸出结构112和所属的凹痕511如此地相互一致，从而使得该凹痕511能够确保针对与相应的产品相关的与该金属化层51固定焊接的电触刷100的足够精确的定位。如在图11中所示出的那样，电触刷100的凸出结构112和所属的金属化层51的凹痕511如此地相互配对，从而使得该电触刷100当其如此地置于该金属化层51之上时使得该凸出结构112嵌入该金属化层51的凹痕511之中，在垂直于纵向方向z的方向上相对于该金属化层51具有大于零的空隙s100。该配对如今能够如此地加以设计，使得该电触刷100在垂直于纵向方向z的方向上所具有的整个空隙s100最高为0.2mm。
替代地或者附加地，该配对能够如此地加以设计，使得该电触刷100在垂直于纵向方向z的方向上所具有的整个间隙s100最小为0.01mm。由此使得将凸出结构112放置在凹痕511之中变得简单。
同样地也能够使得该凸出结构112相对于所属的凹痕511具有余量并且在焊接之前压入该凹痕511之中。图12和图13分别示出了刚好在嵌入之前和之后的装置。通过该压入使得该电触刷100首先预固定至该金属化层51。然后如前所述地在压入之后通过构造在金属化层51和电触刷100之间的材料决定的且导电的连接来实现该焊接。
为了简化该金属化层51与电触刷100的装配，该电触刷100的第二末端12具有和第一末端11一样的标准便足够了。由此使得在装配过程中的该电触刷100的其他情况下所必须的辅助变得多余，例如当该电触刷100从仓库或者其他备用容器所获得的并且以这样的方式加以获取的。该标准能够尤其是针对整个电触刷100有效，该电触刷依据针对电触刷100所设定的专利权利要求来加以构造，在所涉及的专利权利要求中所提及的特征对于该电触刷100也同样是适用的，当该第一末端11和第二末端12通常交替地加以关联时，即当第一末端11被设置为第二末端12并且第二末端12被设置为第一末端11时。其中，“在所涉及的专利权利要求中所提及的特征”同样包含整个专利权利要求的特征，这些特征之中与所涉及的专利权利要求强制地相关联。此外，该第一末端11和第二末端12同样能够同样地当前也能够相互区别地加以构造。
从纵向方向z来加以观察，其相对于电触刷100的方向恰好相反，当第一末端11和第二末端12通常地交换时。
这样的设计方案的第一示例在图1中加以示出。在此在第二末端12处构造第一冠部121以及第二凸出结构122，该第二凸出结构从第二冠部121出发背离第一末端11地伸出，即，从第二冠部121出发以纵向方向z加以延伸。第二凸出结构122同样如第一凸出结构112地加以构造。
在图7中示出了另一个示例。在此，该第一凸出结构112具有一个间隔113或者多个间隔113，并且第二凸出结构122也具有一个或者多个间隔123。该第一凸出结构112和第二凸出结构122其中能够被构造为分段的环。
因为电触刷100如其在前所描述的那样能够得以使用用于高电流的导体，所以其能够具有高的导电性，例如至少10MS/m金属化层/m。电触刷100能够例如由铜或者铜合金组成或者由钢组成。
此外如在图14中所示的那样，电触刷100能够具有核150，其被设置完全或者部分具有涂层151。此类的涂层151能够例如至少存在于该第一末端11的范围之中。该核例如由铜或者铜合金或者由钢制成。与此无关地，涂层151能够例如由以下材料中的一种或者多种所组成或者具有以下材料中的一种或者多种：锌、金、镍。
图15示出了具有电路载体5的功率半导体模块300，如其前述的那样，该功率半导体模块也具有模块壳体70。金属化层51是结构化的(可选的)，从而使得其具有至少两个相互隔开的平的部分51a、51b、和51c。在该金属化层51之上例如焊接有多个电触刷100。电触刷100的数量以及其在该金属化层51之上的分布能够原则上为任意的并且与所制造的电路和所期望的该电路的分层有关地加以选择。这些电触刷100中的每个能够如前所述的电触刷100般地加以构造并且以前述的方式与该金属化层51相焊接。在任何情况下，该电触刷100分别具有凸出结构112，该凸出结构嵌入该金属化层51的相应的凹痕511之中。
在该功率半导体模块之中，绝缘载体50被构造为介电的陶瓷层，相互对置的面上设置有金属化层51或52。该陶瓷层的陶瓷例如能够为氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)或者氧化锌(ZrO2)。该电路载体5能够例如被构造为DCB-基体(DCB＝DirectCopperBonding：直接铜键合)、DAB-基体(DAB＝DirectAluminumBonding：直接铝键合)、AMB-基体(AMB＝ActiveMetalBrazing：活性金属钎焊)或者IMS-基体(IMS＝InsulatedMetalSubstrate：绝缘金属基体)。上和/或下金属化层51或52能够相互不相关地分别具有在0.05mm至2.5mm范围内的厚度。绝缘载体20的厚度能够例如在0.1mm至2mm的范围之中。比所给出的厚度更大的或者更小的厚度然而也同样是可行的。
该些金属化层51、52的材料能够例如选择为铜或者铜合金。在该金属化层51之上至少安置有一个功率半导体芯片1并且此外通过可选的键合金属丝30导电地加以连接。原则上来说，然而此类的功率半导体芯片1的布线也能够任意地加以实现。一个或者多个功率半导体芯片1以及(一个或者多个)电触刷100能够安置在壳体70之中。
为了将该金属化层51的分段51a、51b、51c电地连接至基本上为任意其他的电子部件，在每个电触刷100之中插入导电的接触销200的第一末端201。在该插入时，第一末端201插入位于轴13之中的电触刷100的容纳区域113(参见图1和图7)之中。在插入之前该容纳区域113相对于插入其中的第一末端11来说具有较小的尺寸。该接触销200的与相应的第一末端201对置的第二末端202能够与其他的部件相连接或者已经示出相同的组成部分。其他的电子部件能够设置在该功率半导体模块的模块壳体70的内部或者外部。
只要该模块壳体70完全设置好了，那么与该金属化层51相焊接的电触刷100在将接触销200的第一末端201插入该电触刷100之前或者之后如此地设置在该壳体70之中，从而使得接触销200在插入电触刷100之后从该模块壳体70伸出，进而使得第二末端201位于模块壳体70之外。
接触销200能够垂直于其纵向方向地具有原则上为任意的横截面。例如，接触销200垂直于其纵向方向具有最小0.16mm2和/或最高5mm2的横截面。
对于安置在该壳体70的外部的外置的电子部件的连接端来说，该接触销200的第二末端202从该壳体70引出并且由此使得从该功率半导体模块300的外侧是可接入的，进而使得其在那能够得以电连接。
为了将该功率半导体模块300与另外的部件导电地加以连接，该部件能够设置有开口，该开口在另外的部件之中相应地相互设置用于设置该接触销200。在图15中作为另外的部件设置有电路板400，其被设置在该壳体70的外部。该电路板400具有结构化的金属化层451，以及过孔接触401，借助于该些过孔接触该电路板400被设置在该接触销200的第二末端202之上，从而使得该第二末端202至少进入该过孔接触401之中并且可选地贯穿该过孔接触401。
为了在接触销200和过孔接触401之间制造固定的且持久的连接以及与此相应的该金属化层451的连接的金属化分段，该连接能够被设计为压入连接(“Press-Fit-Kontakt”：压接接触)。当所涉及的接触销的第二末端202相对于相应的开口401具有较大的间隙时。
该第二末端202进入电路板400的所属的电接触开口401的压入能够例如根据DIN41611-9:1987-12：“非焊接的电连接；非绝缘的线圈连接；概念、特征值、要求、检测”来实现。或者根据DINEN(IEC)60352-5，2008-11：“非焊接的连接-部分5：压入连接-一般要求、检测方法和使用提示(IEC60352-5:2008)”，这两者均包含在柏林的Beuth出版有限公司之中。
替代于压入连接能够然而使得引入该开口401的接触销200也与该电路板400的金属化层451的对应的分段相焊接。图16示出了通过设置电路板400于功率半导体模块300之上来产生电路装置。
替代于压入或者焊接连接能够在接触销200的一个或者多个之中弹性地设置第二末端202，从而实现与外部的部件的安全的且持久的电接触。同样地，此类的接触销的上面的末端也能够具有螺孔、螺钉或者螺纹。
替代于在图15和图16之中所示出的电路板400也能够压接和/或焊接或者以任意其他的方式电连接该接触销200的从该功率半导体模块300伸出的第二末端202。此类的其他的部件能够例如为平带状代替例如带状线。同样地，以这样的方式来将该功率半导体模块300的不同的接触销200或者接触销组件与不同的外部部件相连接也是可能的。此外，能够在该金属化层51的相同的分段之上如前所述地焊接两个或者多个电触刷100并且在其中分别插入接触销200以相互导电地并联连接，以便提高电流载流能力。
同样地，在图15和图16中示出了该功率半导体模块300的可选的底板60，在金属化层52处的电路载体5通过焊接或者烧结连接材料决定地与该底板相连接。只要不存在该底板60，那么该金属化层52便悬空地设置在该功率半导体模块300的底面处。

Claims (26)

1.一种在纵向方向(z)上延伸的导电的电触刷(100)，其具有第一末端(11)和与所述第一末端(11)对置的第二末端(12)，以及轴(13)，所述轴在所述第一末端(11)和所述第二末端(12)之间延伸，其中，在所述第一末端(11)处构造有第一冠部(111)，以及凸出结构(112)，所述第一凸出结构从所述第一冠部(111)出发背离所述第二末端(112)地延伸出去。
2.根据权利要求1所述的电触刷，其中，所述轴(13)被构造为直管，所述直管在纵向方向(z)上加以延伸。
3.根据权利要求2所述的电触刷，其中，所述直管具有在2mm至4mm范围内的外径(D13)。
4.根据权利要求3所述的电触刷，其中，该管具有至少为所述外径(D13)的长度(l13)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电触刷，其中，所述管具有至少为0.4mm范围内的内径(D13)，其中，所述内径(d13)小于所述外径(D13)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，其中，
所述第一冠部(11)具有远离所述第二末端(12)的底面(111b)；
所述底面(111b)具有平的部分(111a)，所述部分以垂直于所述纵向方向(z)的平面(E)加以走向；以及
所述凸出结构(112)从所述平的部分(111a)出发具有在0.1mm至0.8mm的范围内的高度(h112)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，其中，所述凸出结构(112)被构造为封闭的或者分段的环。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，其中，所述电触刷在纵向方向(z)上具有在0.64mm至7mm范围内的长度(l100)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，其中，垂直于所述纵向方向(z)具有在0.8mm至4mm范围内的最大宽度(b100)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，所述电触刷的导电性在温度为300K时为至少10金属化层/m。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，所述电触刷由铜或者铜合金或者由钢制成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电触刷，所述电触刷具有设置有涂层(151)的核(150)。
13.根据权利要求12所述的电触刷，其中，所述核(150)由铜或者铜合金或者由钢制成。
14.根据权利要求13所述的电触刷，其中，所述涂层由以下材料中的一种所组成或者具有以下材料中的一种或者多种：锌、金、镍。
15.一种电子组件，其具有：
第一金属化层(51)，其具有顶面(51t)和凹痕(511)，所述凹痕从所述顶面(51t)出发延伸进入所述第一金属化层(51)；以及
电触刷(100)，其依据前述权利要求中任一项来加以构造并且如此地安置在所述顶面(51t)之上，使得所述凸出结构(112)嵌入所述凹痕(511)之中。
16.根据权利要求15所述的电子组件，其中，所述电触刷(100)通过焊料(7)与所述第一金属化层(51)导电地连接。
17.根据权利要求15或16所述的电子组件，其具有导电的接触销(200)，所述接触销具有第一末端(201)和与所述第一末端(201)对置的第二末端(201)，其中，所述接触销(200)的第一末端(201)嵌入所述电触刷之中。
18.根据权利要求17所述的电子组件，其具有壳体(70)，在所述壳体之中安置有所述电触刷(100)，其中，所述接触销(200)从所述壳体(70)伸出，从而使得所述第二末端(201)处于所述壳体(70)之外。
19.一种用于制造电子组件(400)的方法，其具有以下步骤：
提供具有顶面(51t)和凹痕(511)的第一金属化层(51)，所述凹痕从所述顶面(51t)出发伸入所述第一金属化层(51)之中；以及
提供依据权利要求1至14中任一项地加以构造的电触刷(100)；
将所述电触刷(100)设置在所述金属化层(51)之上，从而使得所述凸出结构(112)嵌入所述凹痕(551)之中；以及
借助于焊料(7)来如此地焊接所述电触刷(100)和所述第一金属化层(51)，从而使得所述凸出结构(112)在焊接之后嵌入所述凹痕(511)之中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述电触刷(100)和所述凹痕(511)如此地相互配对，从而使得所述电触刷(100)当其在焊接之前如此地设置在所述第一金属化层(51)之上，从而使得所述凸出结构(112)嵌入所述凹痕(511)之中，垂直于所述纵向方向(z)地具有0.2mm的最大间隙(S100)和/或具有最小0.01mm的最小间隙(S100)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述焊料(7)在焊接之后消除凹痕(511)之中在所述第一金属化层(51)和所述凸出结构(112)之间加以构造的空隙。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述凸出结构(112)在将所述电触刷(100)设置在所述接触层(51)之上时压入所述凹痕(511)之中。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，具有以下步骤：
提供导电的接触销(200)，其具有第一末端(201)和与所述第二末端(201)对置的第二末端(202)；以及
在焊接之后将所述接触销(200)的所述第一末端(201)伸入所述电触刷(100)之中。
24.根据权利要求23所述的方法，具有以下步骤：
提供壳体(70)；以及
将所述电触刷(100)在将所述接触销(200)的所述第一末端(201)伸入所述电触刷(100)中之前或者之后如此地设置在所述壳体(70)之中，使得所述接触销(200)在所述接触销(200)伸入所述电触刷(100)之后从所述壳体(70)伸出，从而使得所述第二末端(201)位于所述壳体(70)之外。
25.根据权利要去23或24所述的方法，其中，
所述电触刷(100)具有在所述轴(13)之中加以构造的容纳区域(113)，所述容纳区域在伸入之前相对于所提供的接触销(200)的所述第一末端(201)具有较小尺寸；以及
所述接触销(200)的所述第一末端(201)在伸入时被压入所述容纳区域(113)之中。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，具有以下步骤：
提供电路板(200)，其具有电的接触开口(401)；以及
在所述接触销(200)的所述第一末端(201)伸入所述电触刷(100)中之后将所述接触销(200)的第二末端(202)压入所述接触开口(401)之中。
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