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彈簧連接——一種可靠、無需焊接的電氣連接技術(shù)

時間:2012-09-17 15:49:22來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:?賽米控產(chǎn)品,連同其內(nèi)部采用的3億多組彈片(或彈簧等),已在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、風(fēng)力裝置、汽車工業(yè)、大型家電和牽引機(jī)械等應(yīng)用中發(fā)揮著不可估量的巨大作用

在賽米控,長期以來,采用彈簧實現(xiàn)電氣連接已成為一種設(shè)計上的慣例。早在90年代,賽米控開發(fā)了第一款SKiiP模塊(intelligentintegratedPower,智能集成功率模塊),該產(chǎn)品適合于高可靠性要求、環(huán)境極為苛刻的場合應(yīng)用。所謂極端情況,一個典型的例子就是功率器件經(jīng)受多次高低溫負(fù)載循環(huán)。這些對可靠性要求較高的應(yīng)用主要包括:電梯、起重機(jī)、風(fēng)動裝置和牽引驅(qū)動系統(tǒng)。第一代SKiiP模塊采用彈簧連接技術(shù)取代了傳統(tǒng)模塊中的一些焊接點,原因在于,當(dāng)模塊遭遇多次溫度突變時,底板和基層之間的焊接不良很可能導(dǎo)致設(shè)備失靈或者故障。結(jié)合這種壓接系統(tǒng),那么彈簧就在功率元器件和驅(qū)動之間建立起了連接。這里,彈簧的作用是從控制端子和輔助端子引出電氣接觸點,而功率端子則由固體銅排,在壓力泡沫的作用下實現(xiàn)彈性接觸。在模塊中,彈簧并不是用戶接口,從模塊外部是看不見的。

圖1首款用于電梯和起重機(jī)的SKiiP模塊

 

支持彈性連接技術(shù)的一個最有力的證據(jù)在于:與傳統(tǒng)的基座設(shè)計和簡單裝配相比,該技術(shù)能使產(chǎn)品承受更多的溫度循環(huán)次數(shù),而這恰恰是品質(zhì)考察的關(guān)鍵指標(biāo)之一,從這個意義上說,彈性連接不失為一種具有革命性的創(chuàng)新設(shè)計。第一代SKiiP系統(tǒng)由散熱器、功率部分和驅(qū)動器組成,可以很容易地通過機(jī)械方式完成所有子器件的組裝,這為初次嘗試彈性連接技術(shù)提供了合適的條件,相比之下,焊接或插塞連接則既浪費時間又增加成本,而且插塞接觸器還會嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的可靠性。隨后,這些優(yōu)勢又被賦予功率模塊,彈性連接技術(shù)也在應(yīng)用中得到了進(jìn)一步完善。賽米控于1996年推出的MiniSKiiP®系列功率模塊,就在輔助連接和功率連接中同時采用了彈性連接技術(shù)。

圖2在PCB連接上采用了彈簧連接技術(shù)的MiniSKiiP模塊

彈簧連接技術(shù)之所以能贏得市場的充分肯定,除性能方面的優(yōu)勢外,還在于其較低的投資和加工成本。制造商不必花錢購買焊接設(shè)備,更免去了產(chǎn)品裝配過程中的焊接工作。此外,由于彈性接觸技術(shù)自身的特點,其靈活性也是傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的,人們可以毫不費力地對PCB和驅(qū)動器件進(jìn)行裝配或拆卸,同時該技術(shù)還能避免由于振動引起的焊接裂縫和焊料疲勞問題。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,散熱器和功率系統(tǒng)之間的尺寸、位置誤差也不再是什么難題,只要PCB接觸面積做得稍稍大一些,就可以完全解決這個問題。就PCB本身而言,這種靈活性還意味著設(shè)計者能夠更自由地選擇VIAS的位置和整體布局方式。一般來說,決定變頻器使用壽命的關(guān)鍵因素是功率模塊所能承受的溫度循環(huán)次數(shù),然而,由于成本原因,事實上許多標(biāo)準(zhǔn)變頻器都在極端惡劣的工況下工作,因此,功率模塊以及模塊內(nèi)部的連接方式必須能夠承受頻繁的溫度巨變的考驗。

什么是彈簧連接?

用于電氣連接的彈簧技術(shù)其實很常見,用于連接移動電話和手持設(shè)備的彈出式接口,以及移動電話內(nèi)部的彈片式SIM卡接口。從廣義上講,那么,連接壓力又是什么呢?舉例來說,用于將電線或者功率母排固定在模塊上的螺栓連接,其壓強(qiáng)約為50N/mm²,對接觸面作微觀檢測,可以發(fā)現(xiàn)只在很小的區(qū)域內(nèi)有電流通過,這個區(qū)域通常被稱為A點,半徑為10µm,有效電流密度20A。

此外,彈性連接技術(shù)在計算機(jī)板卡中也有著廣泛的應(yīng)用。這里,區(qū)域內(nèi)的接觸壓強(qiáng)通常為10N/mm²。而在半導(dǎo)體模塊中,接觸壓強(qiáng)因彈片形狀的不同從20到100N/mm²不等。為了確保彈性連接系統(tǒng)能夠與各種機(jī)械或電氣設(shè)備完美結(jié)合,賽米控研發(fā)出了多款產(chǎn)品。例如,螺旋形彈性接觸系統(tǒng)專為輔助連接和功率連接而設(shè)計,其額定電流為3A,而MiniSKiiP®系列產(chǎn)品的額定電流則達(dá)到了20A。

圖3SEMiX®系列螺旋形彈簧

圖4MiniSKiiP®系列彈簧

除了彈簧的外形、材料,彈簧的表面也決定其連接特性。在功率模塊中,最為典型的接觸壓力為5N,此時接觸面最好采用鍍銀材料。而在移動電話中,允許的最大接觸壓力僅為2N,因此接觸面最好采用鍍金材料。另外,為了減小磨損,彈簧的頭部應(yīng)設(shè)計為圓形。對于PCB,為保證接觸匹配,可采用任何基于HAL錫、鎳金或化學(xué)錫材料的標(biāo)準(zhǔn)無鉛PCB。

對于變頻器來說,最為重要的是,在變頻器整個壽命期內(nèi)都應(yīng)確保彈性接觸的可靠性,即便在極端溫度條件下也應(yīng)做到這一點。為此,新型接觸系統(tǒng)除了要通過熱循環(huán)測試、負(fù)載循環(huán)測試、倉儲測試等常規(guī)品質(zhì)測試以外,還要接受許多項附加品質(zhì)測試,以確保其可靠性。

因為彈簧連接系統(tǒng)拆卸很容易,所以,還應(yīng)考慮系統(tǒng)遭遇溫度波動和氣體腐蝕時的情況。為了確保在模塊的使用過程中彈簧的性能不減小,因此,彈性接觸系統(tǒng)必須通過根據(jù)IEC(國際電工委員會)60068-2-43標(biāo)準(zhǔn)制定的氣體腐蝕測試。測試中采用10ppm的H2S和混合氣體,測試結(jié)束后,接觸電阻仍維持在較低數(shù)值(每個接觸面約為10mΩ),這是由于在壓力作用下,有電流通過的區(qū)域(A點)處于密封狀態(tài),與氣體完全隔離,因此不會被腐蝕。此外,電流還會促使“微焊點”的形成,從而獲得一種非常理想的電氣接觸。當(dāng)然,在機(jī)械力或熱力的作用下,彈性接觸點的位置有可能發(fā)生變化,但是巨大的彈性壓力仍足以將之前形成的部分氧化層破壞掉,并再次構(gòu)造一個良好的接觸面。綜合以上事實,由于特定材料的優(yōu)良接觸特性和電流作用下的“微焊點”效應(yīng),壓力接觸已成為一種趨于完美的電氣接觸方式。為對實際效果加以驗證,賽米控還作了大量的熱循環(huán)測試,并在溫變過程中測定接觸電阻。

一般而言,大幅度振動對任何接觸系統(tǒng)而言都是一個相當(dāng)棘手的問題,對于受到循環(huán)壓力的焊腳來說,周期性的大幅振蕩會導(dǎo)致焊接疲勞,并最終引發(fā)接觸不良。此時,彈簧連接的最大優(yōu)勢得到了顯現(xiàn),因為彈簧能隨著接觸點的位置變化而移動,這種作用被稱為“微振動”。在賽米控作過的一系列不同振幅的測試中,彈性接觸部位均為出現(xiàn)任何接觸不良。

事實證明,即使在最惡劣的環(huán)境中,彈簧連接仍表現(xiàn)出近乎完美的可靠性。2003年,賽米控推出了SEMiX®,它是該公司產(chǎn)品家族的代表作之一,SEMiX®是一款有基板的模塊式產(chǎn)品,其基座的驅(qū)動器接口采用彈簧連接實現(xiàn)。今天,賽米控產(chǎn)品,連同其內(nèi)部采用的3億多組彈片(或彈簧等),已在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、風(fēng)力裝置、汽車工業(yè)、大型家電和牽引機(jī)械等應(yīng)用中發(fā)揮著不可估量的巨大作用,它們的成功同時也為彈簧連接技術(shù)奠定下堅實的市場基礎(chǔ)。

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