弹簧连接一种可靠无需焊接的电气连接技术锣刀

弹簧连接——一种可靠、无需焊接的电气连接技术

弹簧连接——一种可靠、无需焊接的电气连接技术 2011年12月10日 来源： 在赛米控，长期以来，采用弹簧实现电气连接已成为一种设计上的惯例。早在90年代，赛米控开发了第一款SKiiP®模块（SEMIKRON intelligent integrated Power，赛米控智能集成功率模块），该产品适合于高可靠性要求、环境极为苛刻的场合应用。所谓极端情况，一个典型的例子就是功率器件经受多次高低温负载循环。这些对可靠性要求较高的应用主要包括：电梯、起重机、风动装置和牵引驱动系统。第一代SKiiP模块采用弹簧连接技术取代了传统模块中的一些焊接点，原因在于，当模块遭遇多次温度突变时，底板和基层之间的焊接不良很可能导致设备失灵或者故障。结合这种压接系统，那么弹簧就在功率元器件和驱动之间建立起了连接。这里，弹簧的作用是从控制端子和辅助端子引出电气接触点，而功率端子则由固体铜排，在压力泡沫的作用下实现弹性接触。在模块中，弹簧并不是用户接口，从模块外部是看不见的。图1 首款用于电梯和起重机的SKiiP模块支持弹性连接技术的一个最有力的证据在于：与传统的基座设计和简单装配相比，该技术能使产品承受更多的温度循环次数，而这恰恰是品质考察的关键指标之一，从这个意义上说，弹性连接不失为一种具有革命性的创新设计。第一代SKiiP系统由散热器、功率部分和驱动器组成，可以很容易地通过机械方式完成所有子器件的组装，这为初次尝试弹性连接技术提供了合适的条件，相比之下，焊接或插塞连接则既浪费时间又增加成本，而且插塞接触器还会严重地影响系统的可靠性。随后，这些优势又被赋予功率模块，弹性连接技术也在应用中得到了进一步完善。赛米控于1996年推出的MiniSKiiP®系列功率模块，就在辅助连接和功率连接中同时采用了弹性连接技术。图2 在PCB连接上采用了弹簧连接技术的MiniSKiiP模块弹簧连接技术之所以能赢得市场的充分肯定，除性能方面的优势外，还在于其较低的投资和加工成本。制造商不必花钱购买焊接设备，更免去了产品装配过程中的焊接工作。此外，由于弹性接触技术自身的特点，其灵活性也是传统技术无可比拟的，人们可以毫不费力地对PCB和驱动器件进行装配或拆卸，同时该技术还能避免由于振动引起的焊接裂缝和焊料疲劳问题。在总体结构设计方面，散热器和功率系统之间的尺寸、位置误差也不再是什么难题，只要PCB接触面积做得稍稍大一些，就可以完全解决这个问题。就PCB本身而言，这种灵活性还意味着设计者能够更自由地选择VIAS的位置和整体布局方式。一般来说，决定变频器使用寿命的关键因素是功率模块所能承受的温度循环次数，然而，由于成本原因，事实上许多标准变频器都在极端恶劣的工况下工作，因此，功率模块以及模块内部的连接方式必须能够承受频繁的温度巨变的考验。什么是弹簧连接？

用于电气连接的弹簧技术其实很常见，用于连接移动电话和手持设备的弹出式接口，以及移动电话内部的弹片式SIM卡接口。从广义上讲，那么，连接压力又是什么呢？举例来说，用于将电线或者功率母排固定在模块上的螺栓连接，其压强约为50N/mm²，对接触面作微观检测，可以发现只在很小的区域内有电流通过，这个区域通常被称为A点，半径为10µm，有效电流密度20A。

此外，弹性连接技术在计算机板卡中也有着广泛的应用。这里，区域内的接触压强通常为10N/mm²。而在半导体模块中，接触压强因弹片形状的不同从20到100 N/mm²不等。为了确保弹性连接系统能够与各种机械或电气设备完美结合，塞米控研发出了多款产品。例如，螺旋形弹性接触系统专为辅助连接和功率连接而设计，其额定电流为3A，而MiniSKiiP®系列产品的额定电流则达到了20A。图3 SEMiX®系列螺旋形弹簧 图4 MiniSKiiP®系列弹簧除了弹簧的外形、材料，弹簧的表面也决定其连接特性。在功率模块中，最为典型的接触压力为5N，此时接触面最好采用镀银材料。而在移动电话中，允许的最大接触压力仅为2N，因此接触面最好采用镀金材料。另外，为了减小磨损，弹簧的头部应设计为圆形。对于PCB，为保证接触匹配，可采用任何基于HAL锡、镍金或化学锡材料的标准无铅PCB。

来说，最为重要的是，在变频器整个寿命期内都应确保弹性接触的可靠性，即便在极端温度条件下也应做到这一点。为此，新型接触系统除了要通过热循环测试、负载循环测试、仓储测试等常规品质测试以外，还要接受许多项附加品质测试，以确保其可靠性。

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