CN110392925A - 晶闸管和热开关器件及其组装技术 - Google Patents

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Abstract

一种器件，可以包括引线框架，其中引线框架包括中心部分和侧焊盘，侧焊盘相对于中心部分横向设置。器件还可以包括晶闸管器件，晶闸管器件包括半导体管芯并且还包括栅极，其中晶闸管器件设置在中心部分上的引线框架的第一侧上。器件还可以包括电耦接到晶闸管器件的栅极的正温度系数(PTC)器件，其中PTC器件设置在引线框架的第一侧上的侧焊盘上；以及热耦合器，第一端连接到晶闸管器件，第二端附接到PTC器件。

Description

晶闸管和热开关器件及其组装技术
技术领域
实施例涉及电涌保护器件领域，更具体地，涉及过电压保护器件和自复熔丝。
背景技术
晶闸管被广泛用于交流(AC)电力控制应用。与其他半导体开关一样，晶闸管在传导电流时产生热量。包含晶闸管的器件或装置通常包括用来测量或管理由晶闸管导致的热量产生的其他组件，包括散热器、冷却风扇或监测晶闸管体温的温度传感器。如果缺乏温度控制，晶闸管可能进入热失控状态，导致灾难性故障。在对成本敏感的应用中，大型散热器或冷却风扇不是可接受的解决方案，迫使设计人员将晶闸管的操作指定为远低于其最大操作额定值，以防止热量相关的故障。
出于这些和其他考虑，提供了本公开。
发明内容
示例性实施例涉及改进的保护器件。在一个实施例中，器件可以包括引线框架，其中引线框架包括中心部分和侧焊盘，侧焊盘相对于中心部分横向设置。器件还可以包括晶闸管器件，晶闸管器件包括半导体管芯并且还包括栅极，其中晶闸管器件设置在中心部分上的引线框架的第一侧上。器件还可以包括电耦接到晶闸管器件的栅极的正温度系数(PTC)器件，其中PTC器件设置在引线框架的第一侧上的侧焊盘上；以及可以包括热耦合器，热耦合器第一端连接到晶闸管器件，第二端附接到PTC器件。
在另一实施例中，方法可以包括：提供引线框架，引线框架具有中心部分和侧焊盘，其中侧焊盘相对于中心部分横向设置。方法还可以包括：将晶闸管器件固定到引线框架的中心部分的第一侧，晶闸管器件包括半导体管芯并且还包括栅极。方法还可以包括：将正温度系数(PTC)器件固定到引线框架的第一侧上的侧焊盘，并且将热耦合器的第一端连接到晶闸管器件，将热耦合器的第二端连接到PTC器件，其中晶闸管器件的栅极电连接到PTC器件。
附图说明
图1A显示了根据本实施例的器件的分解透视图；
图1B显示了根据本公开实施例的处于组装形式的器件的俯视平面图；
图1C提供了图1A的器件的一种实现方式的电路描绘；
图2A显示了处于组装的第一阶段的器件的布置的俯视平面图；
图2B显示了处于组装的第二阶段的器件的布置的俯视平面图；
图2C显示了处于组装的第三阶段的器件的布置的俯视平面图；
图3描绘了示出示例性PTC器件的特性的示例性图；以及
图4示出了用于根据本公开一些实施例的装置的组装的流程。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述本实施例，附图中示出了示例性实施例。实施例不应被解释为限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例将使得本公开全面和完整，并且将其范围充分传达给本领域技术人员。在全部附图中，相似的附图标记指代相似的元件。
在以下描述和/或权利要求中，可以使用术语“在……之上”、“覆盖”、“设置在……上”和“在……上方”。“在……之上”、“覆盖”、“设置在……上”和“在……上方”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“在……之上”、“覆盖”、“设置在……上”和“在……上方”可以意指两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在……上方”可以意指一个元件在另一个元件上方而不彼此接触，并且在两个元件之间可以具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以意指“和”，可以意指“或”，可以意指“异或”，可以意指“一个”，可以意指“一些，但不是全部”，可以意指“都不”和/或可以意指“二者”，尽管所要求保护的主题的范围不限于此。
在各种实施例中，提供了一种混合器件，其包括诸如TRIAC(用于交流电的三极管)之类的晶闸管器件以及用作热开关的PTC器件。可以以提供改进设计的配置布置该装置，以更便于组装以及更好地集成到要保护的器件中。
如本文所使用的，术语“晶闸管器件”可以包括单个晶闸管、可控硅整流器(SCR)或TRIAC器件。如所周知，晶闸管器件涉及可控硅整流器，其中SCR由具有N型半导体区域或层以及P型半导体区域或层的布置的分层结构组成，例如，以P-N-P-N顺序的四层结构组成。在晶闸管中，栅极连接到四层器件的内层。与仅在一个方向上传导电流的单个晶闸管截然不同的是，可以将TRIAC视为可以在两个方向上发生电流传导的晶闸管类型。可以通过向栅极施加正电压或负电压来触发TRIAC。一旦被触发，即使栅极电流停止，TRIAC也会继续传导，直到主电流降到某个被称为保持电流的水平以下。
本实施例通过将正温度系数(PTC)型组件集成到紧凑型器件中以控制晶闸管器件的操作来提供对已知器件的改进。图1A显示了根据本实施例的器件100的分解透视图，而图1B显示了根据本公开实施例的处于组装形式的器件100的俯视平面图。另外，图1C提供了图1A的器件100的一种实现方式的电路描绘。如图1A所示，器件100包括引线框架102，其中引线框架102包括中心部分104和侧焊盘106，其中侧焊盘106相对于中心部分104横向设置。一般地，引线框架102可以由诸如包括铜材料的金属之类的导电材料构成，例如纯铜或铜合金。如图所示，引线框架102还可以包括第一主端子引线112、第二主端子引线114和栅极引线116。第二主端子引线114可以连接到中心部分104。器件100还可以包括晶闸管器件124。可以在半导体管芯中将晶闸管器件124形成为多层结构，其中不同的层具有与已知晶闸管器件中不同的掺杂极性。晶闸管器件124可以实现为TRIAC，其中晶闸管器件124包括栅极。如图1A所建议的，在组装时，晶闸管器件124设置在中心部分104上的引线框架102的第一侧150(如图1A所示的引线框架的上侧)上。因此，第二主端子引线114可以经由与上表面129相对的下表面上的晶闸管器件124的第二主端子电极(未示出)电连接到晶闸管器件124。
如图1A所示，器件100包括正温度系数(PTC)器件122，在各种实施例中，该器件可以是聚合物PTC器件。这种器件可以在很窄的温度范围内(例如，在10摄氏度或20摄氏度内)将电阻率改变10,000倍左右。如下面进一步讨论的，在组装时，PTC器件122可以电耦接到晶闸管器件124的栅极，具体地，可以将PTC器件122设置在引线框架102的第一侧150上的侧焊盘106上。如图1A中进一步描绘的，器件100可以包括热耦合器128，其在组装时，第一端130连接到晶闸管器件124的，第二端132附接到PTC器件122。热耦合器128可以是诸如铜臂之类的高导热体，其在晶闸管器件124和PTC器件122之间提供高热传导路径。因此，当晶闸管器件124在操作期间升温时，PTC器件122可以因此快速升温，从而获得与晶闸管器件124的温度接近的温度。
如图1中进一步所示，器件100可以包括主端子接触夹126，主端子接触夹126被布置为与第一主端子电极127接触而不与铜臂接触，即不触及热耦合器128。在组装时，主端子接触夹126可以在第一主端子引线112和晶闸管器件124的第一主端子(参见图1C的MT1)之间提供导电路径。因此，在器件100的操作期间，电流可以通过晶闸管器件124，在第一主端子引线112和第二主端子引线114之间传导。如下所述，在操作期间，这两个引线之间的电流可以通过经由栅极引线116供应的电流来调节。
在组装时，热耦合器128还可以用作设置在晶闸管器件124的上表面129上的栅极电极134和PTC器件122之间的电连接。因此，在操作期间，PTC器件122电串联在栅极引线116和栅极电极134之间。以这种方式，PTC器件122可以用作用于供应到晶闸管器件124的栅极电流的电流调节器。例如，在通过晶闸管器件124传导的电流不过大的中等电流操作条件下，晶闸管器件124的温度可以保持在最大结温Tjmax以下，如本领域所定义的。具体地，如果结温Tj增加至Tjmax以上，则漏电流可能足够高以触发晶闸管的敏感栅极。然后，晶闸管器件将失去保持在阻断状态的能力，并且将在未施加外部栅极电流的情况下开始电流传导。
如本领域中已知的，可以根据具体的TRIAC或晶闸管器件来确定Tjmax的值。例如，在一些示例中，Tjmax可以是110℃、120℃、130℃、或140℃，或150℃。实施例不限于该上下文。当温度在Tjmax以下时，可以将PTC器件122设计为作为相对低的电阻器件操作。因此，足够的栅极电流可以流过从栅极引线116到栅极电极134的电路，从而提供晶闸管器件124的目标操作。当温度接近Tjmax或达到Tjmax时，可以将PTC器件122设计为具有接近Tjmax的跳闸温度，其中PTC器件122作为相对高的电阻器件操作。在一个具体的实施例中，可以将PTC器件122设计为具有130℃的跳闸温度，而用作晶闸管器件124的TRIAC的Tjmax为150℃。以这种方式，可以从晶闸管器件124的栅极截断电流，所通过晶闸管器件124传导的电流减小，从而限制晶闸管器件124的进一步升温。这种电流限制可以防止对晶闸管器件124和周围组件的损坏，其中在失控的热条件下，这种损坏可能以其他方式发生在缺少PTC器件122的器件中。如图1A进一步所示，器件100可以包括散热器138，用于在引线框架102和外部散热器之间提供热连接。器件100还可以包括陶瓷衬底136，陶瓷衬底136通过焊料140连接到散热器138，并且在引线框架102和散热器138之间提供电隔离。散热器138暴露于外部条件并连接到外部散热器(未示出)，该散热器可以是最终产品的外壳。
转到图1B，其示出了器件100的变型的组装图，其中器件100还包括图1A中未示出的壳体144。壳体144可以是如已知器件中那样的固体模制材料，其将上文描述的其他部件包住。在操作中，器件100可以方便地耦接到要调节的任何电路或一组器件或组件，例如在AC应用中。图1C提供了器件100的一种实现方式的电路表示，其中器件100包括TRIAC作为晶闸管器件124。因此，借助于PTC器件122，可以在通过TRIAC的两个相对方向上发生电流调节。
图2A显示了可以被称为组装的第一阶段(不是组装的开始)的处于组装阶段的器件202的布置200的俯视平面图。在该示例中，器件202可以与上文描述的器件100基本相同。布置200包括在组装期间容纳多个器件的框架，其中器件的切割(切割后的器件的示例参见图1B)可以在组装完成之后进行。在图2A的组装阶段，晶闸管器件124例如通过焊接固定到引线框架102的中心部分104。栅极电极134和第一主端子电极127设置在上表面129上，面朝外(向上)并且不与保持晶闸管器件124的中心部分104直接电接触。另外，晶闸管器件124的下表面上的第二主端子电极(未示出)与中心部分104电接触。此外，PTC器件122例如通过焊接连接到侧焊盘106。
图2B显示了处于组装的第二阶段的器件的布置200的俯视平面图。在该组装阶段，热耦合器128就位，用于实现将PTC器件122电连接到晶闸管器件124，以及将PTC器件122热耦接到晶闸管器件124。可以将热耦合器128焊接到PTC器件122，并且可以是以粘附到栅极电极134的金属夹的形式，以及可以通过焊接或引线绑定附接到栅极电极。此外，第一主端子接触夹126就位，并且可以焊接到第一主端子引线112。例如使用焊接来将第一主端子接触夹126布置为与第一主端子电极127接触，而不与热耦合器128接触。在所示的实施例中，第一主端子接触夹126具有“C”形，以便提供大的表面区域，以耦接到第一主端子电极127，而不与栅极电极134接触。第一主端子电极127可以是其他形状。另外，在图2B的实施例中，热耦合器128可以在第一主端子接触夹126的平面上方延伸，以便在第一主端子接触夹126上方延伸，而不与第一主端子接触夹126接触，如图所示。热耦合器128可以是其他形状，例如，图1A的实施例中的直角形状。
图2C显示了处于组装的第三阶段的器件202的布置200的俯视平面图，其中将用于形成最终器件的给定组件集合封装在壳体204中，例如环氧树脂材料。例如，将晶闸管器件与对应的PTC器件一起封装在给定壳体中，而栅极引线116、第一主端子引线112和第二主端子引线114延伸到壳体204外部。随后，可以对布置200进行切割以形成如图1B中所示的一组单个器件。
在一些实施例中，可以确定PTC器件122的大小以便以不延伸超出侧焊盘106的方式装配在侧焊盘106上。在一些实施例中，在图2A的平面图中，PTC器件122可以具有矩形或正方形形状，其中PTC器件的大小为60mil×60mil或更小。实施例不限于该上下文。
在以上实施例的变型中，PTC器件122的电特性可以根据要保护的晶闸管器件124的电特性定制。作为示例，可以由跳闸温度来表征给定的PTC器件。跳闸温度对应于将低温状态(传导状态)与高温状态(高阻抗状态)分离的温度，低温状态下电阻相对较低且随着温度升高而相对缓慢地增长，高温状态下电阻变得相对高得多且随着温度升高而相对快速地增长。图3提供了示出作为温度的函数的示例性200mil正方形PTC测试芯片的电阻的示例性图，其中电阻以对数标度绘制。在该示例中，跳闸温度可以指定为大约125℃。在该温度以下，电阻在几欧姆以下，并且在25℃和125℃之间的100℃范围内仅增加一个数量级。在跳闸温度以上，电阻仅在10℃内就增加了四个数量级(104)。因此，当电流在最初的“冷”条件(温度小于125℃)下通过PTC芯片传导，且随后PTC芯片的温度增加并超过125℃仅几度时，流过PTC芯片的电流可以减小许多个数量级，其他条件相同。通过如上所述地将图3的PTC芯片耦接到晶闸管器件(例如TRIAC)，可以有效地利用这些特性，其中TRIAC在例如125℃至145℃范围内具有最大结温。以这种方式，当TRIAC温度超过125℃时，可以通过减小经由栅极端子和PTC芯片供应的栅极电流来间接控制TRIAC的温度。该限制通过将TRIAC经历的最大温度的持续时间和值限制在诸如Tjmax的目标最大水平来防止电流/热失控场景。因此，对TRIAC器件的操作的控制得以保持。另外，PTC芯片的存在允许TRIAC器件在接近或等于Tjmax的情况下操作，这是对现有已知的TRIAC器件操作的改进，其中操作温度可以被限制为低得多的温度，以防止热失控和对器件的潜在损坏。
仅作为说明性示例，在TRIAC的传导状态下，当需要100mA的栅极电流时，栅极驱动器可以施加高达12V的电压。这种情况导致最大阻抗为120欧姆。在阻断状态下，最大可以施加20V且将栅极电流限制为小于0.1mA，以在125℃温度下将TRIAC保持在关断(OFF)状态。在这种情况下，要求的阻抗为200千欧(kOhm)或更高。通过根据本实施例布置的60mil×60mil的PTC器件可以容易地实现电阻中这种多于三个数量级的改变。值得注意的是，图3中所示的使用200mil×200mil的PTC芯片的阻抗值相对于60mil×60mil的管芯放大了大约11倍。
值得注意的是，为了改进诸如器件100之类的器件的设计，可以考虑PTC器件122和晶闸管器件124之间的热耦合。例如，晶闸管器件的Tjmax或其他设计限制可以为130℃。在器件100的器件结构的操作下，PTC器件122和晶闸管器件124之间的热耦合可以使得在晶闸管器件达到130℃时，设置在侧焊盘106上的PTC器件122的温度可以达到110℃。因此，可以将PTC器件122布置为具有110℃范围内的跳闸温度，使得当PTC器件122超过110℃时触发高阻抗状态，与晶闸管器件124温度超过130℃时的情况相对应。
图4示出了根据本公开的另外的实施例的流程400。在框402处，提供引线框架，其中引线框架具有中心部分和侧焊盘，其中侧焊盘相对于中心部分横向设置。在各种实施例中，引线框架可以包括三条引线，其中一条引线连接到中心部分。
在框404处，将晶闸管器件(例如TRIAC)固定到引线框架的中心部分的第一侧。晶闸管器件可以包括具有栅极的半导体管芯。栅极可以包括形成在半导体管芯的上表面上的栅极触点。
在框406处，将PTC器件固定到引线框架的第一侧上的侧焊盘。例如，可以将PTC器件焊接到侧焊盘上。在框408处，热耦合器在第一端连接到晶闸管器件，在第二端连接到PTC器件。热耦合器可以用于将晶闸管器件电连接到PTC器件，同时还在PTC器件和晶闸管器件之间提供高导热性。
尽管已经参考某些实施例公开了本实施例，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的领域和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行多种修改、变更和改变。因此，本实施例不限于所描述的实施例，并且可以具有由所附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。

Claims (17)

1.一种器件，包括：
引线框架，所述引线框架包括：
中心部分；
侧焊盘，所述侧焊盘相对于所述中心部分横向设置；
晶闸管器件，所述晶闸管器件包括半导体管芯并且还包括栅极，其中所述晶闸管器件设置在所述中心部分上的所述引线框架的第一侧上；
正温度系数PTC器件，电耦接到所述晶闸管器件的栅极，其中所述PTC器件设置在所述引线框架的第一侧上的侧焊盘上；以及
热耦合器，第一端连接到所述晶闸管器件，第二端附接到所述PTC器件。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述引线框架包括铜材料。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述热耦合器包括铜臂，所述铜臂将所述栅极电连接到所述PTC器件。
4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述晶闸管器件包括上表面，所述上表面包括栅极电极和第一主端子电极，其中所述第一主端子电极围绕所述栅极电极且与所述栅极电极电隔离。
5.根据权利要求4所述的器件，还包括主端子接触夹，所述主端子接触夹被布置为与所述第一主端子电极接触同时不与所述铜臂接触。
6.根据权利要求4所述的器件，所述引线框架还包括：
第一主端子引线，电耦接到所述晶闸管器件的所述第一主端子电极；
第二主端子引线，电耦接到与所述上表面相对的下表面上的所述晶闸管器件的第二主端子电极；以及
栅极引线，电耦接到所述PTC器件。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述铜臂连接到所述PTC器件的第一表面，并且其中所述栅极引线连接到所述PTC器件的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述晶闸管器件包括TRIAC。
9.根据权利要求1所述的器件，其中，所述PTC器件包括聚合物PTC。
10.根据权利要求1所述的器件，其中，所述PTC器件包括跳闸温度，其中所述晶闸管器件包括最大结温，并且其中所述最大结温超过所述跳闸温度20℃或更少。
11.一种方法，包括：
提供引线框架，所述引线框架包括：
中心部分；以及
侧焊盘，所述侧焊盘相对于所述中心部分横向设置；
将晶闸管器件固定到所述引线框架的中心部分的第一侧，所述晶闸管器件包括半导体管芯并且还包括栅极；
将正温度系数PTC器件固定到所述引线框架的第一侧上的侧焊盘；以及
将热耦合器的第一端连接到所述晶闸管器件，将所述热耦合器的第二端连接到所述PTC器件，其中所述晶闸管器件的栅极电连接到所述PTC器件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热耦合器包括铜臂，所述铜臂将所述栅极电连接到所述PTC器件。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述晶闸管器件的上表面上提供栅极电极和第一主端子电极，其中所述第一主端子电极围绕所述栅极电极且与所述栅极电极电隔离；以及
将主端子接触夹固定到所述第一主端子电极，同时不与所述铜臂或所述栅极电极接触。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将第一主端子引线连接到所述主端子接触夹；
将第二主端子引线耦接到与所述上表面相对的下表面上的所述晶闸管器件的第二主端子电极；以及
将栅极引线连接到所述PTC器件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述热耦合器的第二端连接到所述PTC器件包括将所述热耦合器连接到所述PTC器件的第一表面，并且其中将所述栅极引线连接到所述PTC器件包括将所述栅极引线连接到所述PTC器件的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述晶闸管器件包括TRIAC。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述PTC器件包括聚合物PTC。
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