彈簧連接——一種可靠、無(wú)需焊接的電氣連接技術(shù)

在賽米控，長(zhǎng)期以來(lái)，采用彈簧實(shí)現(xiàn)電氣連接已成為一種設(shè)計(jì)上的慣例。早在90年代，賽米控開(kāi)發(fā)了第一款SKiiP?模塊（SEMIKRONintelligentintegratedPower，賽米控智能集成功率模塊），該產(chǎn)品適合于高可靠性要求、環(huán)境極為苛刻的場(chǎng)合應(yīng)用。所謂極端情況，一個(gè)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(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用主要包括：電梯、起重機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝置和牽引驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，原因在于，當(dāng)模塊遭遇多次溫度突變時(shí)，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(dòng)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(diǎn)，而功率端子則由固體銅排，在壓力泡沫的作用下實(shí)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(jiàn)的。

    支持彈性連接技術(shù)的一個(gè)最有力的證據(jù)在于：與傳統(tǒng)的基座設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)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(gè)意義上說(shuō)，彈性連接不失為一種具有革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第一代SKiiP系統(tǒng)由散熱器、功率部分和驅(qū)動(dòng)器組成，可以很容易地通過(guò)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(fèi)時(shí)間又增加成本，而且插塞接觸器還會(huì)嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的可靠性。隨后，這些優(yōu)勢(shì)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(shí)采用了彈性連接技術(shù)。

    彈簧連接技術(shù)之所以能贏得市場(chǎng)的充分肯定，除性能方面的優(yōu)勢(shì)外，還在于其較低的投資和加工成本。制造商不必花錢購(gòu)買焊接設(shè)備，更免去了產(chǎn)品裝配過(guò)程中的焊接工作。此外，由于彈性接觸技術(shù)自身的特點(diǎn)，其靈活性也是傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)可比擬的，人們可以毫不費(fèi)力地對(duì)PCB和驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行裝配或拆卸，同時(shí)該技術(shù)還能避免由于振動(dòng)引起的焊接裂縫和焊料疲勞問(wèn)題。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)問(wèn)題。就PCB本身而言，這種靈活性還意味著設(shè)計(jì)者能夠更自由地選擇VIAS的位置和整體布局方式。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)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(yàn)。

    什么是彈簧連接？

    用于電氣連接的彈簧技術(shù)其實(shí)很常見(jiàn)，用于連接移動(dòng)電話和手持設(shè)備的彈出式接口，以及移動(dòng)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(lái)說(shuō)，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(duì)接觸面作微觀檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)只在很小的區(qū)域內(nèi)有電流通過(guò)，這個(gè)區(qū)域通常被稱為A點(diǎn)，半徑為10μm，有效電流密度20A。

    此外，彈性連接技術(shù)在計(jì)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，塞米控研發(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(jì)，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。

    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(shí)接觸面最好采用鍍銀材料。而在移動(dòng)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(jì)為圓形。對(duì)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(wú)鉛PCB。

    來(lái)說(shuō)，最為重要的是，在變頻器整個(gè)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(diǎn)。為此，新型接觸系統(tǒng)除了要通過(guò)熱循環(huán)測(cè)試、負(fù)載循環(huán)測(cè)試、倉(cāng)儲(chǔ)測(cè)試等常規(guī)品質(zhì)測(cè)試以外，還要接受許多項(xiàng)附加品質(zhì)測(cè)試，以確保其可靠性。

    因?yàn)閺椈蛇B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(dòng)和氣體腐蝕時(shí)的情況。為了確保在模塊的使用過(guò)程中彈簧的性能不減小，因此，彈性接觸系統(tǒng)必須通過(guò)根據(jù)IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）60068-2-43標(biāo)準(zhǔn)制定的氣體腐蝕測(cè)試。測(cè)試中采用10ppm的H2S和混合氣體，測(cè)試結(jié)束后，接觸電阻仍維持在較低數(shù)值（每個(gè)接觸面約為10mΩ），這是由于在壓力作用下，有電流通過(guò)的區(qū)域（A點(diǎn)）處于密封狀態(tài)，與氣體完全隔離，因此不會(huì)被腐蝕。此外，電流還會(huì)促使“微焊點(diǎn)”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(diǎn)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(gè)良好的接觸面。綜合以上事實(shí)，由于特定材料的優(yōu)良接觸特性和電流作用下的“微焊點(diǎn)”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(duì)實(shí)際效果加以驗(yàn)證，賽米控還作了大量的熱循環(huán)測(cè)試，并在溫變過(guò)程中測(cè)定接觸電阻。

    一般而言，大幅度振動(dòng)對(duì)任何接觸系統(tǒng)而言都是一個(gè)相當(dāng)棘手的問(wèn)題，對(duì)于受到循環(huán)壓力的焊腳來(lái)說(shuō)，周期性的大幅振蕩會(huì)導(dǎo)致焊接疲勞，并最終引發(fā)接觸不良。此時(shí)，彈簧連接的最大優(yōu)勢(shì)得到了顯現(xiàn)，因?yàn)閺椈赡茈S著接觸點(diǎn)的位置變化而移動(dòng)，這種作用被稱為“微振動(dòng)”。在賽米控作過(guò)的一系列不同振幅的測(cè)試中，彈性接觸部位均為出現(xiàn)任何接觸不良。

    事實(shí)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(dòng)器接口采用彈簧連接實(shí)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(dòng)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(shí)也為彈簧連接技術(shù)奠定下堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)基礎(chǔ)。