TWI569409B - 功率模組 - Google Patents

Description

功率模組

本發明是有關於一種功率模組，且特別是有關於一種具有內埋式功率元件的功率模組。

隨著人口結構集中於都市，人們每天的乘車通勤時間逐漸增加，且人口的老年化使得行車時間更為拉長，因此著重車體空間、安全與節能的個人電動車正逐漸發展，業界與研究單位皆積極投入此相關技術的研發。

在個人電動車的設計中，由於考量車體空間、重量與運行效率等因素，近年來的設計逐漸將功率模組及驅動器整合於電動車馬達內，以期透過此整合設計來減少個人電動車之重量及價格並提升其安全性與效能。因此，如何有效降低所述功率模組的體積與重量並使其具有良好的散熱能力，為此領域當前重要的研究議題。

本發明提供一種功率模組，具有較小的體積與重量及較 佳的散熱能力。

本發明的功率模組包括一第一基板、至少兩功率元件、至少一導電結構及至少一導線架。第一基板包括一第一介電層及兩第一金屬層。第一介電層具有至少兩凹槽及相對的兩表面，兩第一金屬層分別配置於兩表面，兩凹槽分別形成於兩表面。兩功率元件分別埋設於第一介電層的兩凹槽。兩功率元件藉由導電結構而彼此電性連接。導線架配置於第一基板且電性連接於兩功率元件，並部分地延伸至第一基板外。

在本發明的一實施例中，上述的各功率元件的厚度等於對應的凹槽的深度。

在本發明的一實施例中，上述的各第一金屬層接觸導線架。

在本發明的一實施例中，上述的兩凹槽對稱地形成於第一介電層的兩表面。

在本發明的一實施例中，上述的至少一導電結構配置於第一介電層內且位於兩凹槽之間。

在本發明的一實施例中，上述的至少一導電結構為導電通孔。

在本發明的一實施例中，上述的至少一導電結構為金屬傳導件。

在本發明的一實施例中，上述的各功率元件電性連接於對應的第一金屬層。

在本發明的一實施例中，上述的各第一金屬層的一部分區段金屬層位於對應的凹槽的底面與對應的功率元件之間。

在本發明的一實施例中，上述的功率模組包括兩散熱裝置，其中兩散熱裝置分別配置於第一基板的相對兩側。

在本發明的一實施例中，上述的功率模組包括兩第二基板，其中一第二基板配置於第一基板與一散熱裝置之間，另一第二基板配置於第一基板與另一散熱裝置之間。

在本發明的一實施例中，上述的各第二基板包括一第二介電層及一第二金屬層，第二金屬層配置於第二介電層上且接觸導線架。

在本發明的一實施例中，上述的第二介電層直接連接於散熱裝置上。

在本發明的一實施例中，上述的各功率元件電性連接於對應的第二金屬層。

在本發明的一實施例中，上述的功率模組包括一封裝膠體，其中封裝膠體配置於第一基板與各第二基板之間。

在本發明的一實施例中，上述的部分封裝膠體位於各功率元件與對應的凹槽的內壁之間。

在本發明的一實施例中，上述的各散熱裝置包括一熱擴散結構及一散熱結構，熱擴散結構配置於散熱結構與第二基板之間。

在本發明的一實施例中，上述的各熱擴散結構為內部具 有多孔性毛細結構與工作流體的封閉真空腔體且包括一第一區域及一第二區域，第一區域具有相連通的多個第一孔洞，第二區域具有相連通的多個第二孔洞，各第一孔洞的孔徑不同於各第二孔洞的孔徑。

在本發明的一實施例中，上述的第一基板為覆銅陶瓷基板(Direct Bonded Copper,DBC)或直接電鍍銅陶瓷基板(Direct Plated Copper,DPC)。

在本發明的一實施例中，上述的各功率元件為絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金氧半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)或二極體(diode)。

基於上述，在本發明的功率模組中，功率元件埋設於第一基板之第一介電層的凹槽，而可藉由調整所述凹槽的深度使功率元件之頂面處於適當高度，如此可解決複數功率元件之厚度不一致所導致的結構高低差問題。據此，功率模組不需如同傳統設計般在功率元件上額外疊設金屬塊來解決所述結構高低差問題，而可有效降低功率模組的體積與重量，且可避免因功率元件上額外疊設金屬塊(spacer)而增加功率模組內之熱傳阻抗及電性阻抗，進而提升功率模組的散熱能力並減少功率損耗。本發明的功率元件可藉由第一介電層上之第一金屬層所構成的重分佈線路層(Redistribution Layer，RDL)來進行電性連接，而不需如傳統設計般以打線方式進行電性連接，以更縮減功率模組的體積。

此外，由於本發明的功率元件是埋設於第一介電層的凹槽而非直接配置於介電層上的大面積金屬層，故可防止功率元件與所述大面積金屬層之間的熱膨脹係數不匹配(CTE mismatch)問題對功率元件造成損害。另外，在本發明的功率模組中，第一基板的相對兩側皆設有功率元件，而非如同傳統功率模組僅在基板的單一側設置功率元件，故可增加功率元件的密集程度而縮短功率元件之間的電性傳遞距離，以進一步減少功率損耗並降低寄生電感、電容。此外，由於本發明如上述般在第一基板的相對兩側皆設有功率元件，故可相應地在第一基板的相對兩側皆設置散熱裝置，以達到雙邊散熱的效果而進一步提升功率模組的散熱能力。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧功率模組

110、210‧‧‧第一基板

112、212‧‧‧第一介電層

112a、112b‧‧‧凹槽

114、214‧‧‧第一金屬層

114a、114b‧‧‧區段金屬層

120a、120b、220a、220b‧‧‧功率元件

130a、130b、230a、230b‧‧‧導電結構

140a、140b、140c‧‧‧導線架

150、250‧‧‧散熱模組

152、252‧‧‧熱擴散結構

152a‧‧‧第一區域

152b‧‧‧第二區域

154、254‧‧‧散熱結構

160、260‧‧‧第二基板

162、262‧‧‧第二介電層

164、264‧‧‧第二金屬層

165‧‧‧第三金屬層

170、270‧‧‧封裝膠體

H1‧‧‧第一孔洞

H2‧‧‧第二孔洞

S1‧‧‧底面

S2‧‧‧頂面

S3‧‧‧表面

圖1是本發明一實施例的功率模組的剖面示意圖。

圖2是圖1的功率模組的部分結構立體圖。

圖3是圖2的功率模組的部分結構立體圖。

圖4是圖1的熱擴散結構的局部放大圖。

圖5是本發明另一實施例的功率模組的剖面示意圖。

圖1是本發明一實施例的功率模組的剖面示意圖。圖2是圖1的功率模組的部分結構立體圖。圖3是圖2的功率模組的部分結構立體圖。其中，圖1之示意性剖面例如是對應於圖3所示之剖線I-I。請參考圖1至圖3，本實施例的功率模組100包括一第一基板110、至少兩功率元件(繪示為多個功率元件120a及多個功率元件120b)、至少一導電結構(繪示為多個導電結構130a及多個導電結構130b)、至少一導線架(繪示為導線架140a、導線架140b及導線架140c)及兩第二基板160。功率模組100例如為整合於個人電動車之馬達內之功率模組或其它種類的功率模組，本發明不對此加以限制。

第一基板110例如為覆銅陶瓷基板(Direct Bonded Copper,DBC)或直接電鍍銅陶瓷基板(Direct Plated Copper,DPC)等，且包括一第一介電層112及兩第一金屬層114，其中第一介電層112例如為陶瓷層且各第一金屬層114例如為銅層。第一介電層112具有至少兩凹槽(繪示為多個凹槽112a及多個凹槽112b)及相對的兩表面S3。兩第一金屬層114分別配置於第一介電層112的所述兩表面S3，這些凹槽112a對稱地分別形成於所述兩表面S3，且這些凹槽112b對稱地分別形成於所述兩表面S3。在其它實施例中，第一基板110可為其它種類的基板且第一介電層112及兩第一金屬層114可為其它適當材質，本發明不以此為限。

在一實施例中，第一介電層112中上下形成對應的多個 凹槽112a與112b。在凹槽112a、112b底部形成多個導電結構130a與130b。導電結構130a與130b可為導通孔。接著，於凹槽112a與112b內部及導電結構130a與130b兩端側分別附著第一金屬層114。於兩第一金屬層114上且位於凹槽112a與112b內部附著功率元件120a與120b。

這些功率元件120a例如為絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或金氧半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，且分別埋設於這些凹槽112a。這些功率元件120b例如為對應於所述絕緣閘雙極電晶體或所述金氧半導體場效應電晶體的二極體(diode)，且分別埋設於這些凹槽112b。這些功率元件120a藉由導電結構130a而彼此電性連接，這些功率元件120b藉由導電結構130b而彼此電性連接。導線架140a(繪示於圖2及圖3)配置於第一基板110一側且電性連接於這些功率元件120a及這些功率元件120b，並部分地延伸至第一基板110外。導線架140b(繪示於圖2及圖3)配置於第一基板110另一側且電性連接於這些功率元件120a及這些功率元件120b，並部分地延伸至第一基板110外。導線架140c(繪示於圖2及圖3)分別配置於第一基板110的兩第一金屬層114且電性分别連接於這些功率元件120a及這些功率元件120b，並部分地延伸至第一基板110外。兩第二基板160分別配置於第一基板110相對兩側。在其它實施例中，功率元件120a、120b可為其它適當種類的功率元件且可為其它適當數量，本發明 不對此加以限制。

在上述配置方式之下，功率元件120a、120b分別埋設於第一介電層112的凹槽112a、112b，而可藉由調整凹槽112a、112b的深度使功率元件120a、120b之頂面處於適當高度，如此可解決複數功率元件之厚度不一致所導致的結構高低差問題。據此，功率模組100不需如同傳統設計般在功率元件上額外疊設金屬塊來解決所述結構高低差問題，而可有效降低功率模組100的體積與重量，且可避免因功率元件上額外疊設金屬塊而增加功率模組內之熱傳阻抗及電性阻抗，進而提升功率模組100的散熱能力並減少功率損耗。舉例來說，在本實施例中，各功率元件120a的厚度被設計為等於對應的凹槽112a的深度，且各功率元件120b的厚度等於對應的凹槽112b的深度，以使功率元件120a、120b的頂面S2(標示於圖1)與第一介電層112之表面共平面，讓各第二基板160可順利地同時接觸於對應的第一介電層112之表面與對應的功率元件120a(或功率元件120b)的頂面S2。凹槽112a、112b內部金屬層114a、114b所墊高形成的厚度差使第二基板160與第一基板110之間產生間隙，此間隙可透過封裝膠體170填補。此外，功率元件120a、120b與第一基板110之對應凹槽112a、112b之間的間隙亦可透過封裝膠體170填補。

本實施例的功率元件120a、120b例如電性連接於對應的第一金屬層114，如此可藉由第一介電層112上之第一金屬層114所構成的重分佈線路層(Redistribution Layer，RDL)來進行電性連 接，其中第一金屬層114如圖3所示接觸導線架140b，以使導線架140b透過第一金屬層114電性連接至功率元件120a、120b的底面S1(標示於圖1)之電極，而不需如傳統設計般以打線方式進行電性連接，以更縮減功率模組100的體積。

此外，由於本實施例的功率元件120a、120b如上述般埋設於第一介電層112的凹槽112a、112b而非直接配置於介電層上的大面積金屬層，故可防止功率元件與所述大面積金屬層之間的熱膨脹係數不匹配(CTE mismatch)問題對功率元件造成損害。另外，在本實施例的功率模組100中，第一基板110的相對兩側皆設有功率元件120a、120b，而非如同傳統功率模組僅在基板的單一側設置功率元件，故可增加功率元件120a、120b的密集程度而縮短兩功率元件120a之間的電性傳遞距離及兩功率元件120b之間的電性傳遞距離，以進一步減少功率損耗並降低寄生電感、電容。

如圖1所示，在本實施例中，各第一金屬層114的一部分區段金屬層114a位於對應的凹槽112a的底面與對應的功率元件120a之間，且各第一金屬層114的一部分區段金屬層114b位於對應的凹槽112b的底面與對應的功率元件120b之間。導電結構130a例如為導電通孔，且配置於第一介電層112內而位於相對的兩凹槽112a之間，以使相對的兩功率元件120a透過各第一金屬層114的部分區段金屬層114a及導電結構130a而彼此電性連接。類似地，本實施例的導電結構130b亦例如為導電通孔，且配置於第一 介電層112內而位於相對的兩凹槽112b之間，以使相對的兩功率元件120b透過各第一金屬層114的部分區段金屬層114b及導電結構130b而彼此電性連接。本發明不對導電結構130a、130b的形式及配置位置加以限制，在其它實施例中，導電結構可為配置於兩凹槽之間的金屬傳導件或其它適當導電結構，導電結構亦可配置於功率模組中的其它適當位置。

在本實施例中，由於第一基板110的相對兩側皆設有功率元件120a、120b，故可相應地在第一基板110的相對兩側皆設置散熱裝置，以達到雙邊散熱的效果而進一步提升功率模組的散熱能力。請參考圖1，具體而言，本實施例的功率模組100包括兩散熱裝置150，兩散熱裝置150分別配置於第一基板110的相對兩側，且一第二基板160配置於第一基板110與一散熱裝置150之間，另一第二基板160配置於第一基板110與另一散熱裝置150之間。功率元件120a、120b產生的熱可透過兩第二基板160而傳遞至兩散熱裝置150。

詳言之，各第二基板160包括一第二介電層162及兩第二金屬層164，兩第二金屬層164分別配置於第二介電層162的相對兩側，且一第二金屬層164如圖2所示接觸導線架140a。第二基板160如圖2所示更包括一第三金屬層165，第三金屬層165與圖2所示的第二金屬層164配置於第二介電層162(繪示於圖1)的同一側，且第三金屬層165接觸導線架140c。如此使得導線架140a及各導線架140c貼合於並支撐於第二基板160的第二金屬層 164及第三金屬層165，以作為功率模組100的支撐與電性傳輸架構。此外，本實施例的功率元件120a、120b除了如上述般電性連接於對應的第一金屬層114，亦可電性連接於對應的第二金屬層164及第三金屬層165，以藉由第二金屬層164及第三金屬層165所構成的重分佈線路層來進行電性連接，並使導線架140a、140c透過第二金屬層164及第三金屬層165電性連接至功率元件120a、120b的頂面S2(標示於圖1)之電極，而不需如傳統設計般以打線方式進行電性連接，以更縮減功率模組100的體積。

如圖1所示，本實施例的各散熱裝置150包括一熱擴散結構152及一散熱結構154。散熱結構154例如為散熱鰭片組、水冷裝置或其它形式的散熱結構，本發明不對此加以限制。熱擴散結構152配置於散熱結構154與第二基板160之間並與第二基板160的第二金屬層164接合，使來自功率元件120a、120b的熱先藉由各熱擴散結構152進行擴散後再均勻地傳遞至對應的散熱結構154，以提升散熱裝置150的散熱能力。

圖4是圖1的熱擴散結構的內部局部放大圖。在本實施例中，各熱擴散結構152例如是由多孔性毛細結構與工作流體所構成的封閉真空腔體均熱板(vapor chamber)，並利用流通於其腔體內的蒸汽來進行熱擴散。如圖4所示，本實施例的各熱擴散結構150包括一第一區域152a及一第二區域152b。第一區域152a具有多個第一孔洞H1，第二區域152b具有多個第二孔洞H2，且各第一孔洞H1的孔徑不同於各第二孔洞H2的孔徑。藉此，熱擴散 結構152可藉由第一區域152a之第一孔洞H1的毛細孔徑來提升工作流體冷凝後的回流速率，並藉由第二區域152b之第二孔洞H2的毛細孔徑來提升工作流體在熱擴散結構152內的蒸發速率，以使各熱擴散結構152具有良好的熱擴散效率。

請參考圖1，本實施例的功率模組100包括一封裝膠體170。封裝膠體170配置於第一基板110與各第二基板160之間，部分封裝膠體170填充於各功率元件120a與對應的凹槽112a的內壁之間，且部分封裝膠體170填充於各功率元件120b與對應的凹槽112b的內壁之間，以使整體結構更為穩固。

圖5是本發明另一實施例的功率模組的剖面示意圖。在圖5的功率模組200中，第一基板210、第一介電層212、第一金屬層214、功率元件220a、功率元件220b、導電結構230a、導電結構230b、散熱裝置250、熱擴散結構252、散熱結構254、第二基板260、第二介電層262、第二金屬層264、封裝膠體270的配置與作用方式類似於圖1的第一基板110、第一介電層112、第一金屬層114、功率元件120a、功率元件120b、導電結構130a、導電結構130b、散熱裝置150、熱擴散結構152、散熱結構154、第二基板160、第二介電層162、第二金屬層164、封裝膠體170的配置與作用方式，於此不再贅述。功率模組100與功率模組200的不同處在於，在功率模組100中，熱擴散結構152與第二介電層162是藉第二金屬層164以焊接等形式相接合而非整合為一體，而在功率模組200中，第二介電層262與熱擴散結構252之 間不具有金屬層，第二介電層262是藉由壓合、塗佈等方式而直接形成於散熱裝置250的熱擴散結構252表面上，使熱擴散結構252與第二介電層262整合為一體，此舉減少一金屬層與焊料接合層，熱阻可更為降低。

綜上所述，在本發明的功率模組中，功率元件埋設於第一基板之第一介電層的凹槽，而可藉由調整所述凹槽的深度使功率元件之頂面處於適當高度，如此可解決複數功率元件之厚度不一致所導致的結構高低差問題。據此，功率模組不需如同傳統設計般在功率元件上額外疊設金屬塊來解決所述結構高低差問題，而可有效降低功率模組的體積與重量，且可避免因功率元件上額外疊設金屬塊而增加功率模組內之熱傳阻抗及電性阻抗，進而提升功率模組的散熱能力並減少功率損耗。本發明的功率元件可藉由第一介電層上之第一金屬層所構成的重分佈線路層來進行電性連接，而不需如傳統設計般以打線方式進行電性連接，以更縮減功率模組的體積。

此外，由於本發明的功率元件是埋設於第一介電層的凹槽而非直接配置於介電層上的大面積金屬層，故可防止功率元件與所述大面積金屬層之間的熱膨脹係數不匹配問題對功率元件造成損害。另外，在本發明的功率模組中，第一基板的相對兩側皆設有功率元件，而非如同傳統功率模組僅在基板的單一側設置功率元件，故可增加功率元件的密集程度而縮短功率元件之間的電性傳遞距離，以進一步減少功率損耗並降低寄生電感、電容。此 外，由於本發明如上述般在第一基板的相對兩側皆設有功率元件，故可相應地在第一基板的相對兩側皆設置散熱裝置，以達到雙邊散熱的效果而進一步提升功率模組的散熱能力。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧功率模組

110‧‧‧第一基板

112‧‧‧第一介電層

112a、112b‧‧‧凹槽

114‧‧‧第一金屬層

114a、114b‧‧‧區段金屬層

120a、120b‧‧‧功率元件

130a、130b‧‧‧導電結構

150‧‧‧散熱模組

152‧‧‧熱擴散結構

154‧‧‧散熱結構

160‧‧‧第二基板

162‧‧‧第二介電層

164‧‧‧第二金屬層

170‧‧‧封裝膠體

S1‧‧‧底面

S2‧‧‧頂面

S3‧‧‧表面

Claims (20)

1. 一種功率模組，包括：一第一基板，包括一第一介電層及兩第一金屬層，其中該第一介電層具有至少兩凹槽及相對的兩表面，該兩第一金屬層分別配置於該兩表面，該兩凹槽分別形成於該兩表面；至少兩功率元件，分別埋設於該第一介電層的該兩凹槽，其中各該功率元件具有相對的一頂面及一底面；至少一導電結構，該兩功率元件藉由該導電結構而彼此電性連接；以及至少一導線架，配置於該第一基板且電性連接於各該功率元件的該頂面之電極及該底面之電極，並部分地延伸至該第一基板外。
2. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中各該功率元件的厚度等於對應的該凹槽的深度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中各該第一金屬層接觸該導線架。
4. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中該兩凹槽對稱地形成於該第一介電層的該兩表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中該至少一導電結構配置於該第一介電層內且位於該兩凹槽之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中該至少一導電結構為導電通孔。
7. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中該至少一導電結構為金屬傳導件。
8. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中各該功率元件電性連接於對應的該第一金屬層。
9. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中各該第一金屬層的一部分區段金屬層位於對應的該凹槽的底面與對應的該功率元件之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，包括兩散熱裝置，其中該兩散熱裝置分別配置於該第一基板的相對兩側。
11. 如申請專利範圍第10項所述的功率模組，包括兩第二基板，其中一該第二基板配置於該第一基板與一該散熱裝置之間，另一該第二基板配置於該第一基板與另一該散熱裝置之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述的功率模組，其中各該第二基板包括一第二介電層及一第二金屬層，該第二金屬層配置於該第二介電層上且接觸該導線架。
13. 如申請專利範圍第12項所述的功率模組，其中該第二介電層直接連接於該散熱裝置上。
14. 如申請專利範圍第12項所述的功率模組，其中各該功率元件電性連接於對應的該第二金屬層。
15. 如申請專利範圍第11項所述的功率模組，包括一封裝膠體，其中該封裝膠體配置於該第一基板與各該第二基板之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述的功率模組，其中部分該封 裝膠體位於各該功率元件與對應的該凹槽的內壁之間。
17. 如申請專利範圍第11項所述的功率模組，其中各該散熱裝置包括一熱擴散結構及一散熱結構，該熱擴散結構配置於該散熱結構與該第二基板之間。
18. 如申請專利範圍第17項所述的功率模組，其中各該熱擴散結構為多孔性毛細結構且包括一第一區域及一第二區域，該第一區域具有相連通的多個第一孔洞，該第二區域具有相連通的多個第二孔洞，各該第一孔洞的孔徑不同於各該第二孔洞的孔徑。
19. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中該第一基板為覆銅陶瓷基板或直接電鍍銅陶瓷基板。
20. 如申請專利範圍第1項所述的功率模組，其中各該功率元件為絕緣閘雙極電晶體、金氧半導體場效應電晶體或二極體。