接触元件、功率半导体模块和具有该模块的电路装置

摘要

本发明涉及接触元件、功率半导体模块和具有该模块的电路装置。其中该导电接触元件在纵向方向上延伸，并且具有第一端和与该第一端相对的第二端，该接触元件在该第一端处具有第一凸缘，所述第一凸缘实施为使得当该接触元件利以该第一凸缘在前的方式放置到与该纵向方向垂直的平面上时，所述第一凸缘同所述平面具有数量N1≥2且彼此间隔开的第一接触区域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接触元件，尤其涉及用于功率半导体模块的接触元件。

背景技术

功率半导体模块具有金属化的电路载体，其必须导电地连接至另外的元件，例如驱动单元，或者连接至平板导体，例如带状线(stripline)。为此使用的连接技术要求生产简单和低成本，另外要在发生机械应力和震动的环境中具有足够的长期稳定性。为此，该连接技术可具有焊接至电路载体的金属化部分上的接触元件。

通常需要提供一种实现上述特性和允许可靠和简单焊接的接触元件。另外通常需要提供一种功率半导体模块，还有一种具有半导体模块的电路装置，其中该功率半导体模块能够利用接触元件以简单的方式电接触连接。

发明内容

提供一种接触元件，其在纵向方向上延伸并且具有第一端和设置成与第一端相对的第二端。第一凸缘设置在第一端，所述第一凸缘是这样实现的，即当接触元件以第一凸缘在前的方式放置到垂直于纵向方向的平面上时，所述第一凸缘与所述平面具有数量N1≥2且彼此间隔开的第一接触区域。由于所述第一凸缘因此不是整个区域在一平面上，因此在第一凸缘和所述平面之间仍然有空闲区域(free regions)。如果所述平面例如由要在其上焊接接触元件的导体区域形成，那么，在焊接期间为液态的焊料可渗透在第一凸缘和导体区域之间，因此产生可靠、固定和持久的连接。

附图说明

下面将参照附图更详细地介绍本发明，其中

图1显示管状接触元件的透视图，其在沿竖直方向z的纵向方向上延伸，并且在彼此相对的两端具有设有连接板(web)的凸缘；

图2显示根据图1的透视图中的接触元件的示意图。

图3显示具有多个彼此间隔开的金属化部分的部分电路载体的透视图，其中将根据图1和2中的相应接触元件焊接至一些金属化部分；

图4显示根据图1和2中的接触元件的竖向截面图；

图5显示根据图1和2中与竖直方向z相反的接触元件的平面图；

图6显示装置的竖向截面图，其中根据图4的接触元件以凸缘在前的方式焊接至电路载体的金属化部分上，其中，所述凸缘具有直接与金属化部分接触的连接板。

图7显示根据图6的装置的图，不同之处是将焊料层配置在连接板和金属化部分之间；

图8显示根据图4中的接触元件与垂直于纵向方向的平面具有的接触区域，并且所述接触元件利用凸缘设置在所述平面上，其中这些接触区域形成一个分段的环；

图9显示对应于图8的装置，其中将接触区域以彼此呈辐条状的方式配置；

图10显示根据图4中的接触元件在垂直于纵向方向的平面E4中的横向截面图；

图11显示接触销的横向截面图；

图12显示根据图4中的接触元件的横向截面图，且对应于图10中的横向截面图，其中将具有过大尺寸的接触销推进接触元件中；

图13显示的功率半导体模块所具有的电路载体设有根据图6中的接触元件，其中将接触销插入接触元件中，并且从功率半导体模块的外壳伸出，以允许接触销电连接至印刷电路板，和

图14显示根据图13的功率半导体模块，具有之后设置的印刷电路板。

具体实施方式

除非另有说明，相同的附图标记表示具有相同功能的相同元件。

图1显示接触元件100的图片，图2显示接触元件100的图示说明。接触元件100包括实施为圆柱管和具有圆柱轴线A的轴103。接触元件100具有在第一端101的第一凸缘111。此外，在与第一端101相对的第二端102处提供可选的第二凸缘112。在第一凸缘111的远离第二端102的一侧，第一凸缘111具有三个彼此间隔开的连接板，在图2中仅可分别看出了第一和第二连接板11和12，而隐蔽了第三连接板。此外，第一凸缘111在远离第二端一侧具有可选的平坦表面部分19，其垂直于纵向方向，并且连接板11和12延伸超出该平坦表面部分19。

相应地，第二凸缘112可在远离第一端101一侧具有可选的平坦表面部分29，并且第二凸缘的彼此间隔开的连接板21、22、23延伸超出该平坦表面部分29。

图3显示具有绝缘载体53的电路载体，彼此间隔的导体区域51施加在其上。根据图1和2的相应接触元件以其第一凸缘111在前并且因此其第一端101在前的方式焊接至这些接触区域51中的一些上。在纵向方向上与第一端101相对的第二端102处，接触元件100具有可选的第二凸缘112，例如，其实施为与第一凸缘111相同。在图3中可以看出上端102每个可有漏斗形部分，它有助于接触销插入相关接触元件100。

图4显示根据图2中的接触元件的竖向截面图。在本图中可以清楚地分别看出第一凸缘111的可选的平坦表面部分19和第二凸缘112的可选的平坦表面部分29。平坦表面部分19布置在与纵向方向z垂直的平面E1中。平坦表面部分29相应地布置在与纵向方向z垂直的平面E2中。第一凸缘111的连接板11、12延伸超出第一平坦表面部分19的高度为h1。第二凸缘112的连接板21、22延伸超出第二平坦表面部分29的高度为h2。彼此独立的高度h1和/或h2在每个情况下都小于1mm，例如10μm到200μm。接触元件100在轴103的纵向方向z上总共延伸长度1。所述长度1原则上可自由选择，且例如可为2mm至4mm。

此外，图4还显示出轴103的外部半径R103和内部半径r103，以及第一凸缘111的半径R111和第二凸缘112的半径R112。下面在图5中作进一步说明，第一凸缘111的连接板11、12、13可形成具有外部半径R1和内部半径r1的分段环。第二凸缘112的连接板21、22、23也可相应地形成具有外部半径R2和内部半径r2的分段环。在图4中同样描述了这些外部半径R1、R2和内部半径r1、r2。外部半径R1和/或R2每个可在例如0.5mm到2mm的范围，且可彼此独立选择，但是也可以是相同的。轴103的外部半径R103例如可为1mm至2mm，它的内部半径r103例如可为0.5mm至1mm。

图5显示根据图4中的接触元件100的第一凸缘111在竖直方向z上的平面图。该图显示出连接板11、12、13以互相间隔的方式沿第一凸缘111的周边布置。第一连接板11、12、13形成具有外部半径R1和内部半径r1的分段环。如图5中的典型实施例所示，外部半径R1的大小可选择成等于第一凸缘111的外部半径R111。然而，作为本说明的一种替代方案，也可选择分段环的外部半径R1小于第一凸缘111的外部半径R111。

此外从图5中得出，可选择分段环的内部半径r1大于轴103的内部半径r103。作为替代方案，也可选择分段环的内部半径rl和轴103的内部半径r103相等。

图4中示出的接触元件101的第二端可选地以与所述接触元件的第一端101完全一样的方式实施。举例说明，第一端101和第二端102可实施为关于垂直于纵向方向z的平面E4成镜面对称。然而，这种镜面对称是非强制的，举例说明，带有凸缘111和112的端101和102可构造为一样，但相对于彼此旋转。

对于在图4中示出镜面对称的接触元件100，图5对应于接触元件100的与竖直方向z相反的图。适应于该图的说明和附图标记放在括号中。

图6显示根据图4的接触元件100焊接至电路载体50的金属化部分51上。金属化部分51都为平坦形式或至少在焊接接触元件100的部分中是平坦的。这样，纵向轴线A理想地垂直于平坦金属化部分51或者垂直于其平坦部分。因为接触元件100位在金属化部分51上，并因此与后者接触，所以至少在平坦表面部分19的区域，所使用的焊料40的厚度h1对应于第一凸缘111的连接板11以及连接板12、13(这可以从图5中看出)延伸超出平坦部分19的平面E1的高度。

在图6的视图的一种变化中，接触元件100不必与金属化部分51直接接触。如图7所示，举例说明，有可能是焊料40中具有厚度d40的部分也保持在第一凸缘111的连接板11和金属化部分51之间。厚度d40例如可从大于0mm至100mm。根据图7的布置例如可由接触元件100和金属化部分51之间的焊接连接造成，该焊接连接通过首先将焊膏形式的焊料40施加至金属化部分51的方式形生。将接触元件100放置到所述焊膏上。之后，融化该焊膏并且接着冷却到其熔点以下。由于融化期间液态焊料40的润湿行为，焊料40呈现图7中示出的形式。在这种情况下焊料40的具有厚度d40的局部层保持在第一凸缘111的连接板11和金属化部分51之间。

图8显示根据图4中的接触元件100在以第一凸缘111在前的方式放置到平坦区域上例如金属化部分51上时与该平面的接触区域11’、12’、13’。该接触区域11’、12’和13’按照所述顺序对应于第一凸缘111的连接板11、12、13。

由于第一凸缘111的连接板的矩形结构(在竖向截面中)，如图4所示的基于连接板11的例子那样，因此接触区域11’、12’、13’的外形与由根据图5显示出的连接板11、12、13的外形一样。但是，连接板11、12、13不必具有矩形竖向截面。举例来说，根据图4中的连接板11，在示出的截面图中，可从面向第二端112的一侧向远离第二端102的一侧成锥形渐缩。这样，图8中所示的接触区域11’、12’、13’将在径向方向上比显示的更窄。

根据图4和5所述的接触元件100的第一连接板11、12、13形成分段环。作为替代地或附加地，彼此间隔开的连接板11、12、13可相对于彼此沿径向延伸，因此产生如图9中的例子所示的接触区域11”、12”、13”。

图10显示根据图4中的接触元件100在与纵向方向z垂直的平面E4中的截面视图。轴103的圆柱环形结构清楚地在本图中示出。轴103具有等于内部半径r103二倍的内部直径。为了借助于接触元件100与图6和7中的金属化部分51接触，将接触销插入到接触元件100的轴103中，该接触销是导电性地连接到或者可以导电性地连接到其它电子元件。

图11显示适合于此目的的接触销200的示范实施例的截面图。该接触销200具有除了圆角之外基本上为方形的截面。在示出的截面平面中，接触销200在截面中具有最大尺寸D200。所述最大尺寸D200选择为大于根据图6、7和10中的接触元件的轴103的内部半径R103的二倍。所以，当根据图11中的接触销200插入到根据图6、7和10中的接触元件100时，产生接触元件100和接触销200之间固定的导电连接，其中轴103在接触销200插入期间由于接触销200的过大的尺寸发生轻微地变形，这可以通过参考图12的例子进行说明，图12是与根据图10和11中的截面图对应的截面图。

图13显示具有电路载体50的功率半导体模块300，该电路载体50除其它外包括具有彼此间隔开的平坦部分51a、51b、51c的结构化金属化部分51。将每个接触元件100焊接至金属化部分51的平坦部分之一上，其中接触元件100例如实施为上述接触元件100之一，金属化部分51如参照图6和7中所示。在本功率半导体模块中，电路载体50实施为在相对侧面上提供有金属化部分51、52的陶瓷衬底53。所用的陶瓷53例如可为氧化铝或氮化铝。例如也可选择铜或铜合金作为金属化部分51、52的材料。每个功率半导体芯片1被施加在金属化部分51a和51c上，并通过接合线30导电地连接至金属化部分51b。

为了将金属化部分51a、51b、51c电连接至原则上所需要的任何其它电子元件，将接触销200插入接触元件100中的每一个。接触销200的上端202可连接至该其它元件或可以已经表示为它的一个组成部分。

所述的其它电子元件可布置在壳体70在内部或外侧。为了连接布置在壳体70外侧的外部电子元件，接触销200的上端202通向外壳70中的开口并从外壳70中伸出。

为了将功率半导体模块300导电地连接至另外的元件，所述元件可提供开口，这些开口在该元件中的布置方式对应于接触销200的相互布置方式。

在图13中，将布置在外壳70外侧的印刷电路板400作为另外的元件。该印刷电路板400具有结构化金属化部分451以及镀通孔401，接触销200的端202通过镀通孔401插入印刷电路板400，使得该端202至少进入该镀通孔401并且可选择地穿过该镀通孔401伸出。

为了在接触销200与镀通孔401以及分别连接其上的金属化部分451的金属化部段之间产生固定且持久的连接，如果相关的接触销的上端202相对于对应开口401具有过大的尺寸，该连接可以构造为压配连接(“压配接触”)。但是，作为压配连接的替代方案，插入到开口401中的接触销200也可以焊接至印刷电路板400的金属化部分451的对应部段。图14显示将印刷电路板400放置在功率半导体模块300上形成的电路装置。

代替压配连接，在一个或多个接触销200的情况中，上端202可以弹簧状方式构造，以允许与外部元件有可靠和持久的电接触。这种接触销的上端同样的具有拧接眼(screw-on eye)、螺旋式端子或螺纹(thread)。

为了说明发明原理，上面介绍了不同的示范实施例。但是，本发明也涉及除了上述之外的配置。因此，举例说明，代替凸缘111、112分别所示的彼此间隔开的三个连接板11、12、12或21、22、23，还可以是提供两个、四个或更多连接板。此外，轴103的形状不必实施为圆柱环形的形式。同样可想到其它形状，只要确保通过将接触销插入至接触元件100的轴103中能够产生可靠和持久的导电连接即可。举例说明，如果轴103实施为仅部分为圆柱环形的形式，和/或如果其具有供合适截面的接触销可压配其中的窄部，这就足够了。

另外，接触元件100不必对称地构造。但是，如果分别布置在轴103相对侧上的端101、102具有提供有连接板的凸缘111和112，这是有利的，因为那么可以利用拾放(pick and place)方法将接触元件同半导体芯片和/或其它元件一起放置在有焊膏的电路载体上，并且能以公知的焊膏熔化步骤焊接到电路载体，而不必在放置过程期间考虑接触元件100是否被准确定向或“它是颠倒的”。

代替图13和14中所示的印刷电路板400，其它外部元件也可以压合和/或焊接至从功率半导体模块300伸出的接触销200的端202上。这样的其它元件例如可为平带状导体，例如带状线(stripline)。当然，以这样的方式将功率半导体模块300的不同的接触销200或接触销组连接至不同的外部元件同样是可能的。

如上可以看出，由于第一凸缘不是整个区域都在该平面上，所以在第一凸缘和该平面之间仍然有空闲区域。如果所述平面例如是由要焊接接触元件的导体区域形成，在焊接时为液态的焊料可渗透在第一凸缘和导体区域之间，因此产生可靠、固定和持久的连接。

接触元件例如可通过提供具有两个、三个或更多连接板的凸缘实现。利用所述连接板的高度和/或形状，可至少在所形成的焊接连接的一些位置处建立接触元件与导体区域之间的限定距离。

导体区域例如可为功率半导体模块的电路载体的金属化部分。该接触元件例如可以管状形式实施，以便导电的接触销可插入到焊接好的接触元件中。接触销从接触元件伸出的那部分可用于将功率半导体模块导电地连接至外部元件，例如驱动电路板或平板导体。