功率电阻器 技术领域 本 发 明 大 致 涉 及 一 种 功 率 电 阻 器 (power resistor)， 具 有 自 立 式 (free standing) 元件。自立式电阻器具有电阻元件， 其由具有充分厚度的材料形成， 从而不借助 于基底而自身支撑。 更具体的， 但是不是专有的， 本发明涉及到使得功率电阻器的瓦特额定 数最大。另外， 本发明涉及使得热量穿过电阻器的电阻元件扩散， 从而改善性能。
另外， 本发明涉及使得功率电阻器的瓦特额定数最大同时使得电阻器的物理尺寸 最小。对于薄膜电阻器技术来说这个问题已经解决， 其中， 电阻元件位于陶瓷基底上， 该基 底可以接合到功率 IC 封装的金属翼片， 而不会将电阻元件电短路到金属翼片。这种方法不 能解决金属条类型的电阻器， 该电阻器不具有电绝缘基底， 该基底可经过 IC 封装的电阻元 件和金属散热翼片之间， 提供相互之间的电隔离。
背景技术 对于这个问题不具有解决方案， 使得电子工业不能具有金属条电阻的下列优点 ： 超低欧姆值， 功率脉冲处理， 低 TCR， 低热 EMF， 负载寿命稳定性， 以及高功率密度 IC 类型封 装中的低 TCR。
发明内容 根据本发明一个方面， 提供一种功率电阻器。功率电阻器包括第一和第二相反的 终端件和电阻元件， 电阻元件由多个电阻元件段形成在第一和第二相反终端件之间。具有 至少一个分段传导条， 将其中两个电阻元件段分开， 且在第一和第二相反终端件之间具有 至少一个开启区域， 并且将至少两个电阻元件段分开。电阻元件段的分隔有助于将热量扩 散遍布于功率电阻器内。根据本发明另一个方面， 功率电阻器或其它电子部件可通过下列 方式封装 ： 将功率电阻器或者其它电子元件利用导热的和电绝缘的材料结合到散热翼片， 从而将散热翼片和电子元件以导热的关系机械连接， 不会将散热翼片短路到电子元件。功 率电阻器或其它电子元件可通过下列方式封装 ： 将端子连接， 并且形成模制主体从而封闭 最终的装置。
一种制造功率电阻器的方法， 包括 ： 形成连接的金属条， 提供第一和第二相反的 终端件以及第一和第二相反终端件之间的电阻元件， 其中第一终端件由第一外部金属条形 成， 电阻元件由中间条形成， 第二相反终端件由第二相反外部金属条形成， 三个条连接在一 起以形成连接的金属条。然后方法提供 ： 通过提供至少一个分段导电条以及至少一个开口 区域， 在第一和第二相反终端件之间， 将电阻元件分段成多个电阻元件段， 所述分段导电条 将其中两个电阻元件段分开， 所述开口区域位于第一和第二相反终端件之间， 且将至少两 个电阻元件段分开。多个电阻元件段的分开有助于将热量扩散遍布于功率电阻器内。
一种形成电子部件的方法， 包括 ： 提供电子元件， 将电子元件结合到散热翼片， 电 子元件利用导热的和电绝缘的材料结合到散热翼片， 从而将散热翼片和电阻元件机械连 接， 同时不会将散热翼片短路到电阻元件， 将至少两个端子连接到电子元件， 且将电子元件
封闭在模制主体内。
根据另一个方面， 功率电阻器包括第一和第二相反终端件以及第一和第二相反终 端件之间的电阻元件， 该电阻元件具有多个分开的电阻元件段。第一和第二相反的终端件 和电阻元件通过导电材料和电阻材料的邻接 (adjoining) 条而形成为自立式金属条电阻 器结构。分开的电阻元件段可以通过一个或多个导电条或者一个或多个开口区域分开， 产 生一个以上的热斑从而散布热量。 每个电阻元件段可具有自己的修整图案从而控制电流并 在每个段中产生一个以上的热斑。
根据另一个方面， 功率电阻器包括第一和第二相反终端件以及第一和第二相反终 端件之间的电阻元件， 电阻元件具有修整图案。第一和第二相反终端件以及电阻元件由导 电材料和电阻材料的邻接的条形成为自立式电阻器结构。修整图案包括至少一个槽， 该槽 终止于孔中。 附图说明
图 1 示出了自立式电阻器的一个实施例， 其具有由开口空间分开的两个段。
图 2 示出了自立式电阻器的一个实施例， 其具有由分段导电条分开的两个段。
图 3 示出了自立式电阻器的一个实施例， 其具有四个段并且利用金属条形成。 图 4 示出了自立式电阻器的一个实施例， 其具有六个段并且利用金属条形成。 图 5 示出了自立式电阻器的一个实施例， 其具有八个段并且利用金属条形成。 图 6 示出了用于形成自立式电阻器的方法的一个实施例， 该电阻器利用金属条形成。 图 7 的透视图示出了在本发明一个实施例中使用的电阻元件。
图 8 的透视图示出了在本发明一个实施例中使用的另一个电阻元件。
图 9 的俯视图示出了根据本发明一个实施例结合到散热翼片的电阻元件。
图 10 的俯视图示出了根据本发明一个实施例结合到散热翼片的电阻元件， 其中 端子被连接。
图 11 的透视图示出了在模制之后并且在去除承载条之前根据本发明一个实施例 的电子部件。
图 12 的仰视图示出了根据本发明一个实施例的电子部件。
图 13 的透视图示出了本发明的电子部件， 具有两个端子。
图 14 的透视图示出了本发明的电子部件， 具有四个端子。
图 15 的俯视图示出了电阻元件， 具有修整图案的一个实施例， 从而引导电流并增 加热斑数目。
图 16 的俯视图示出了电阻元件， 具有另一个修整图案， 从而引导电流并增加热斑 数目。
图 18 的俯视图示出了电阻元件， 具有另一个修整图案， 其中， 槽终止于孔中， 从而 扩散局部的热斑。
图 19 是图 18 所示的电阻元件的透视图。
具体实施方式
图 3 示出了自立式 (free standing) 电阻器 10 的一个实施例， 电阻器由被分段的 金属条 (strip) 形成。电阻器 10 具有第一导电条 12 和相反的第二导电条 14 以形成用于 电阻器 10 的相反端子。开口区域 16A 示为在第一导电条 12 和相反的第二导电条 14 之间。 分段导电条 18A、 18B 也被示出。开口区域 16A 和分段导电条 18A、 18B 用于将电阻器 10 的 电阻元件分段为四段 20、 22、 24、 26。在四段 20、 22、 24、 26 中的每一个内， 槽 28 被切割从而 调节电阻率且形成螺旋电流路径。
图 3 的结构提供了显著的优点。特别的， 分段迫使热量在电阻元件的较大部分上 扩散因此降低任一个部位中的峰值温度。特别的， 与不具有分段导电条 18A、 18B 且不具有 开口区域的未分段电阻元件相比， 由于电流被导入 (routing) 到电阻器 10 的通常未充分利 用的区域中， 热量被更多的散发掉。 这个导入通过使用电阻元件段 20、 22、 24、 26 来进行。 这 个分段和导入要求功率被相同地耗散在所有段中。
如果电阻元件段具有相同尺寸， 电阻元件段可以被认为形成了行和列， 例如图 3 中的行 42A、 42B 和列 41A、 41B。在图 3 实施例中， 具有总共四个段， 布置为两列和通过开口 区域 16A 形成的两行， 该区域将第一行 42A 从第二行 42B 隔开。分段的导电条 18A、 18B 将 电阻元件段分成单独的列。 应当认为， 图 3 的特定结构仅是多个实施例中的一种， 其中分段导电条和开启区 域用于将电阻元件分段以降低任一个部位中的峰值温度。 在段的总数目、 段的相对尺寸、 段 的相对排列、 以及段的几何轮廓方面可以考虑变形。 在修整几何轮廓、 角度和位置方面也可 考虑变化， 用于操纵电流且增加热斑 (hot spot) 的数目。热斑是相比于电阻器其它区域具 有可测量的更高温度的区域。
图 4 是另一个实施例的实例， 其中六个电阻元件段 20、 22、 24、 26、 30 和 32 被示出， 布置为两行 42A、 42B 和三列 41A、 41B、 41C。图 4 的实施例包括分段的导电条 18A、 18B、 18C、 18D 以进一步使得电阻元件分段。
图 5 是另一个实施例的实例， 其中， 八个电阻元件段 20、 22、 24、 26、 34、 36、 38 和 40 被示出， 布置为列 41A、 41B 和四行 42A、 42B、 42C、 42D。图 5 实施例中， 具有三个开启区域 16A、 16B、 16C， 它们提供用于使得电阻元件分段。另外， 共线的分段导电条 18A、 18B、 18E 和 18F 被示出。
所示实施例中， 相对于电阻元件段的限定， 一定程度的对称被保持， 其中， 电阻元 件的尺寸相对于彼此被保持， 这使得制造和设计更加简单， 有助于描述， 然而， 这种对称不 需要总是存在， 取决于最终电阻器的所需特性。然而， 通过将电阻元件分段， 产生多个不同 热斑， 迫使热量被散发到元件的较大部分上， 因此降低了任一个部位中的峰值温度。
图 6 示 出 了 根 据 本 发 明 用 于 制 造 金 属 条 功 率 电 阻 器 的 方 法 的 一 个 实 施 例。 EVANOHM 精度电阻合金， 或者其它类型的电阻元件， 例如但不限于包括镍和铬的合金， 可用 于形成电阻合金。电阻合金可以通过利用最终的双金属材料滚压而被包铜， 所述材料被卷 绕在卷轴上。步骤 44 提供形成连接金属条。步骤 46 提供去除铜或者其它材料。去除可以 通过蚀刻、 研磨、 削磨或者其它去除方法进行。蚀刻可通过化学或者电化学方式进行， 以从 电阻元件段去除包铜， 而在适于形成分段导电条的位置处留下包铜。 然后可进行冲孔， 如步 骤 48 所示， 以形成开口区域， 且同样使得各个电阻器单个化 (singulate)。步骤 49， 每个电
阻元件段的电阻可以通过切槽被改变或者调节。使用的方法允许功率电阻器的卷盘 - 卷盘 的制造。
本发明另一个方面涉及封装， 特别涉及功率 IC 封装中的功率电阻器， 其具有模制 在封装中的整体散热器， 或者可替换的， 具有薄的覆层， 用于封闭电阻器组件， 同时留下散 热器被暴露。 在不需要被分段的电阻元件的上下文环境中描述了金属条电阻器， 然而， 应当 认为， 电阻元件可以如上所述被分段， 从而将热量扩散遍布于功率电阻器内。功率 IC 封装 包括管芯或者元件， 该元件可以是所公开的任意电阻器， 包括图 1-5 所示的那些， 以及其它 结构的电阻器。
封装可根据上述的分段电阻元件或者其它类型电阻元件而使用， 包括 Rainer 的 美国专利 No.5,604,477 中描述的那些， 这里整体引为参考。这样的实施例中， 表面安装电 阻器可通过下列方式形成 ： 将三个材料条以边缘 - 边缘关系连接在一起， 其中中间条由电 阻材料形成， 端部条形成了终端区域。 这种电阻器由 Vishay Dale Electronics 公司以 WSL 的名称提供。图 7 示出了在本发明情况中这种封装的一个实施例。图 7 中， 电阻器 50 具有 由中间条形成的电阻元件 52 以及由导电条形成的相反端子 54、 56。槽 58 切割在电阻元件 52 中以调节电阻。 另一个类型的电阻元件在 Smith 等的美国专利 No.7,190,252 中描述。这种实施 例中， 电阻器具有折叠在电阻元件下面的终端件， 导热和电绝缘的填充物被夹在电阻元件 和终端件之间并且结合在二者之间。这种电阻器由 Vishay Dale Electronics 公司以 WSH 的名称提供。 这种结构具有另外的优点， 即电阻器的非翼片侧上的大的终端件， 其用于进一 步扩散热量并且降低热斑温度。图 8 示出了在本发明情况中这种封装的一个实施例。图 8 中， 电阻器 60 具有电阻元件 62， 其中终端件 64、 66 折叠在电阻元件 62 下面。槽 68 示为切 割到电阻元件 62 中。
图 7 和 8 的电阻器可用在标准部件封装中。标准部件封装在电子工业中用于使得 供应商之间的变动最小化， 并且将 PCB 设计阶段的不同封装设计的数目最小化。这些的实 例为 TO-126， TO-220， TO-247， TO-263 等。图 13 所示的部件具有 TO-220 封装。功率 IC 封 装包括散热翼片、 端子或引线、 以及模制主体。 在封装的内部， 具有管芯或者元件， 其限定了 部件的电特性， 有源或者无源的。图 1-5、 图 7-8 的电阻器是这种元件的实例。同样在封装 的内部的是元件和端子之间的电连接以及元件和散热翼片之间的热连接。
图 9 中示出了散热翼片 72。元件 70， 可以是电阻元件， 如上所述， 被结合到散热 翼片 72 的第一侧 75。元件 70 具有终端区域 71、 73。结合可通过下列方式进行 ： 施加粘 附增进剂例如 Dow Corning Sylgard 到散热翼片 72 和元件 70。然后， 导热然而电绝缘 的材料施加到散热翼片 72。这个材料是糊膏 (paste) 或者液体， 且包括弹性材料 (Dwo CorningQ1-4010)， 该材料被固体颗粒填充， 该颗粒导热但是电绝缘， 如氮化硼粉末 (COMBAT 氮化硼工业粉末 -Grade PHPP325)， 以及氧化铝陶瓷球粒。氧化铝球粒具有 0.001” -0.005” 的直径， 且主要目的是将电阻元件和散热翼片分开， 从而它们将不会接触， 因此阻止二者之 间的电短路。球粒将足够小从而使得元件 70 和散热翼片 72 之间的距离最小， 从而优化从 元件 70 到翼片 72 的传热率。除了上述材料， 本发明考虑， 具有不同成分的其它材料可以替 换， 只要它们实现了使得热传递最大化并且在元件 70 和散热翼片 72 之间产生非导电结合 的相同目的。在结合过程中， 元件 70 和翼片 72 被挤压在一起， 然后在压力下加热， 从而确
保当结合在一起时它们处于最优传热关系。 使用这些材料和结合技术将同样应用到结合其 它类型的元件， 包括将箔片元件结合到散热翼片 72。这还使得陶瓷上的薄膜或者箔片类型 元件能够朝着散热翼片结合薄膜或者箔片侧， 使得具有下列优点 ： 将发热元件直接热耦合 到散热翼片， 且将基底在非散热器侧上用作热扩散器。相对于穿过陶瓷然后进入散热翼片 72 中的路程， 这个结合定向降低了传热路径长度。 任一种情况中， 芯片电阻器类型元件将是 适当的， 因为终端件周围的封套 (wrap) 应当将端子远离散热翼片连接， 从而避免电短路。
接下来如图 10， 端子 74、 76 焊接在电阻元件 70 上。端子 74、 76 由导电材料制成， 例如铜合金， 且通过承载条 78 彼此连接， 该条设定端子间隔。 承载条 78 之后被去除和丢弃。 端子 74、 76 对齐到电阻元件 70 上的终端件。焊膏施加到端子 74、 76 和电阻元件 70 终端区 域 71、 73， 然后被加热以使得焊剂反流以将端子 74、 76 机械地和电地连接到电阻元件。 连接 端子的整个步骤可以通过下列方式去除 ： 使得端子作为元件终端件的统一部分。端子可以 从已经被焊接到电阻材料的铜终端材料被冲下。这种替换方案将增加焊接条材料的使用， 因此增加材料成本。所述替换方法减少了制造步骤且取消了焊接。这允许装置操作温度被 增加到焊剂回流温度以上且通过消除内部焊接接头而增加了装置可靠性。将元件 70 安装 到翼片 72 和将端子 74、 76 安装到元件 70 的步骤可以被颠倒， 不会影响装置的性能。
保护覆层 ( 未示出 ) 然后施加到元件 70 和端子组件， 以覆盖将被包覆成型的部 分。这个覆层将把元件 70 从由于模铸化合物粘合到元件而造成的应力隔离 (buffer)。这 个子组件然后被放入模腔中， 模腔随后被填充环氧树脂模制化合物。模腔构造成使得散热 翼片 ( 见图 12) 的非元件侧 77 与模腔接触， 使它不会被包覆成型因此在模制主体的后侧上 暴露。图 11 示出了模制主体 80。这提供了配合表面， 用于安装到外部散热器或者用于传递 热量的底座。
对于包覆成型的另一个选择是利用保形覆层 (conformal coating) 来涂覆子组件 的元件侧 ( 侧 75)， 仍然留下散热翼片 72 的非元件侧 ( 相反侧 77) 暴露用于与外部散热器 配合。 本发明的这种实现方式将以机械强度为代价产生较低的制造成本。 模制操作之后是去 除毛刺操作， 从而从主体 80、 终端 74、 76 和散热翼片 72 的边缘去除任何过多的模制复合物。
每个最终的部件然后通过激光或者墨水标记器被标记， 具有与产品类型相关的信 息。承载条 78 通过剪切操作被去除， 产生图 13 所示的部件。如果部件是电阻器， 每个电阻 器被测试电阻， 然后放置在所需的封装材料中用于运输。
应当认为， 所述实施例使用两个端子。然而如图 14， 可使用四个端子 74、 76、 84、 86， 例如当在需要最好的 TCR 和电阻偏差的应用中需要 Kelvein 测量连接时。
应当认为， 这种类型的封装不仅可与所示的功率电阻器一起使用， 而且可以与其 它类型的电子部件一起使用， 它们不必包括电阻元件作为电子元件的一部分。所述封装是 有用的， 其中需要模制在封装中的内部散热器。但是， 如上所述， 模制可以被去除并且薄覆 层用于封闭电阻器组件的， 同时使得散热器暴露。
另外， 封装允许金属条电阻器被使用， 而不是薄膜类型的电阻器。这是显著的， 因 为薄膜电阻器使用陶瓷基底从而为薄膜层提供机械支撑。这个基底是电绝缘的， 并且当二 者被结合在一起用于传热目的时， 还用于将薄膜元件从 IC 封装的金属散热翼片电隔离。
金属条电阻器不具有陶瓷基底， 且由于下列事实获得了它的机械强度， 即它是相 对厚的金属件。问题然后变为如何将金属条电阻器结合到金属散热器， 而不会使得二者电短路， 同时将它们热耦合在一起。 一个方案将是将金属条电阻器元件结合到基底， 然后将基 底的相反侧结合到金属散热翼片。虽然这将有效， 但是不能有效地将热能从电阻器元件传 递到金属散热翼片。 因此， 克服了有效热传递方法中基底不存在， 允许金属条电阻器技术利 用功率 IC 类型封装的优点， 其有助于来自电阻元件的 20W-50W 的瓦特数， 其单独的将在 1W 和 5W 之间。不具有陶瓷还缩短了电阻元件和散热翼片之间的热传递路径， 降低了元件工作 温度。相对于高功率封装中的薄膜类型电阻器， 克服这个问题给金属条电阻器技术提供了 性能上的优点。具体的优点是较低的欧姆值， 改善的脉冲功率处理， 改善的 TCR 以及改善的 负载寿命稳定性。
如上所述， 本发明提供将电流导入电阻器的通常未被充分利用的区域中。另外的 考虑被进行， 修整 (trim) 或者修整图案用于引导电流。图 1-5 和 7-8 示出了由槽形成的蜿 蜒的电流路径， 该槽从电阻元件的边缘向内延伸。 然而这种修整图案仅仅是代表性的， 且为 了方便而示出。本发明另一个方面提供了修整图案， 例如图 15、 16 和 17 所示的。注意所示 角度和几何轮廓的差异。这种激光修整图案可用于避免电流集边 (crowding) 或者否则控 制或者导入电流。注意， 如果电阻元件被分段， 每个电阻元件段可具有其自己的修整图案， 独立于其它电阻元件段的任何修整图案。 根据本发明另一个方面， 图 18 和 19 示出了电阻元件 52， 具有另一个修整图案， 其 中槽 58 终止于孔 90 中， 从而展开局部的热斑。在电流路径中， 孔 90 可具有任何形状， 不具 有尖锐拐角。虽然不希望限制到操作理论， 应当认为， 这个结构将热量扩散到较大区域上， 因此可用于有助于使得热斑温度最小化， 且使得电阻元件的冷热区域之间的温度差最小。 因此， 电流可以以这种方式被操纵。
注意， 本发明可考虑各种变形和替换方案， 包括这里描述的那些。