在賽米控，長期以來，采用彈簧實現電氣連接已成為一種設計上的慣例。早在90年代，賽米控開發(fā)了第一款SKiiP?模塊（SEMIKRON intelligent integrated Power，賽米控智能集成功率模塊），該產品適合于高可靠性要求、環(huán)境極為苛刻的場合應用。所謂極端情況，一個典型的例子就是功率器件經受多次高低溫負載循環(huán)。這些對可靠性要求較高的應用主要包括：電梯、起重機、風動裝置和牽引驅動系統(tǒng)。第一代SKiiP模塊采用彈簧連接技術取代了傳統(tǒng)模塊中的一些焊接點，原因在于，當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致設備失靈或者故障。結合這種壓接系統(tǒng)，那么彈簧就在功率元器件和驅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的SKiiP模塊
支持彈性連接技術的一個最有力的證據在于：與傳統(tǒng)的基座設計和簡單裝配相比，該技術能使產品承受更多的溫度循環(huán)次數，而這恰恰是品質考察的關鍵指標之一，從這個意義上說，彈性連接不失為一種具有革命性的創(chuàng)新設計。第一代SKiiP系統(tǒng)由散熱器、功率部分和驅動器組成，可以很容易地通過機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，彈性連接技術也在應用中得到了進一步完善。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。
圖2 在PCB連接上采用了彈簧連接技術的MiniSKiiP模塊
彈簧連接技術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備，更免去了產品裝配過程中的焊接工作。此外，由于彈性接觸技術自身的特點，其靈活性也是傳統(tǒng)技術無可比擬的，人們可以毫不費力地對PCB和驅動器件進行裝配或拆卸，同時該技術還能避免由于振動引起的焊接裂縫和焊料疲勞問題。在總體結構設計方面，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鍵因素是功率模塊所能承受的溫度循環(huán)次數，然而，由于成本原因，事實上許多標準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其實很常見，用于連接移動電話和手持設備的彈出式接口，以及移動電話內部的彈片式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，其壓強約為50N/mm2，對接觸面作微觀檢測，可以發(fā)現只在很小的區(qū)域內有電流通過，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，彈性連接技術在計算機板卡中也有著廣泛的應用。這里，區(qū)域內的接觸壓強通常為10N/mm2。而在半導體模塊中，接觸壓強因彈片形狀的不同從20到100 N/mm2不等。為了確保彈性連接系統(tǒng)能夠與各種機械或電氣設備完美結合，塞米控研發(fā)出了多款產品。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計，其額定電流為3A，而MiniSKiiP?系列產品的額定電流則達到了20A。
圖3 SEMiX?系列螺旋形彈簧
圖4 MiniSKiiP?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，彈簧的頭部應設計為圓形。對于PCB，為保證接觸匹配，可采用任何基于HAL錫、鎳金或化學錫材料的標準無鉛PCB。
來說，最為重要的是，在變頻器整個壽命期內都應確保彈性接觸的可靠性，即便在極端溫度條件下也應做到這一點。為此，新型接觸系統(tǒng)除了要通過熱循環(huán)測試、負載循環(huán)測試、倉儲測試等常規(guī)品質測試以外，還要接受許多項附加品質測試，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IEC（國際電工委員會）60068-2-43標準制定的氣體腐蝕測試。測試中采用10ppm的H2S和混合氣體，測試結束后，接觸電阻仍維持在較低數值（每個接觸面約為10 mΩ），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。當然，在機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，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，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，彈簧連接仍表現出近乎完美的可靠性。2003年，賽米控推出了SEMiX?，它是該公司產品家族的代表作之一，SEMiX?是一款有基板的模塊式產品，其基座的驅動器接口采用彈簧連接實現。今天，賽米控產品，連同其內部采用的3億多組彈片（或彈簧等），已在電機驅動系統(tǒng)、風力裝置、汽車工業(yè)、大型家電和牽引機械等應用中發(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奠定下堅實的市場基礎。
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