TWI664701B - 功率元件封裝結構 - Google Patents

Abstract

一種功率元件封裝結構，包括具有第一線路的基板、第一功率元件、第二功率元件、具有第二線路的絕緣膜、至少一電路元件以及封裝體。第一功率元件、第二功率元件與絕緣膜配置於基板上。第一功率元件與第二功率元件經由基板的第一線路直接相互電性連接。電路元件配置於絕緣膜上。封裝體封裝基板、第一功率元件、第二功率元件與電路元件。

Description

功率元件封裝結構

本發明是有關於一種封裝體，且特別是有關於一種功率元件封裝結構。

功率元件封裝結構可用於整流器、車用發電機、大功率模組發電機。車用發電機的技術領域中，為進行交流-直流間的轉換動作，常透過設置整流橋的方式來進行。整流橋可以由功率元件來構成，並用以提供整流後的電壓以做為驅動負載的依據。

目前半橋式功率模組中的上下橋元件的連結大多是使用內連導線完成。然而，利用內連導線進行功率元件間的連結，往往會產生過大的寄生電感，進而影響功率模組響應。此外，由於在功率元件與控制電路間為了絕緣，目前是利用絕緣基板作為控制電路的載板，以隔絕功率元件與控制電路。然而，絕緣基板散熱不佳，間接造成功率模組的熱阻增加。因此，如何降低功率元件封裝結構的寄生電感及熱阻成為目前重要的課題。

本發明提供一種功率元件封裝結構，能降低功率元件封裝結構的寄生電感，同時降低功率元件封裝結構的熱阻。

本發明的功率元件封裝結構，包括基板、第一功率元件、第二功率元件、絕緣膜、至少一電路元件以及封裝體。基板具有第一線路。第一功率元件以及第二功率元件配置於基板上。第一功率元件與第二功率元件經由基板的第一線路直接相互電性連接。絕緣膜配置於基板上，並具有第二線路。電路元件則是設置於絕緣膜上。封裝體封裝基板、第一功率元件、第二功率元件與至少一電路元件。

在本發明的一實施例中，上述的電路元件包括控制IC、保護電路、電感、電容或電阻。

在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構還可包括使上述電路元件與第一功率元件或第二功率元件電性連接的多數個導體。

在本發明的一實施例中，上述的導體為金屬導線或金屬片。

在本發明的一實施例中，上述的第一或第二功率元件為垂直型功率元件。

在本發明的一實施例中，上述的第一或第二功率元件包括電壓或電流控制之場效電晶體。

在本發明的一實施例中，上述的第一或第二功率元件包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極電晶體或高電子遷移率電晶體。

在本發明的一實施例中，上述的第一功率元件與第二功率元件構成橋式電路，例如半橋式電路、全橋式電路或圖騰柱電路。

在本發明的一實施例中，上述的第一和第二功率元件至少其中之一以覆晶方式配置於基板上。

在本發明的一實施例中，上述的基板的材料包括銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或前述材料之合金化合物。

在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構還可於上述基板下方設置基材，其中基材的熱容量大於基板的熱容量。

在本發明的一實施例中，上述的基材的材料包括銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或上述材料之合金化合物。

在本發明的一實施例中，部分上述的基材露出於封裝體外。

在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構，其可應用於功率轉換單元，如整流器、變流器或轉換器。

在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構，其可應用於車用功率轉換系統，例如為車用發電機整流器、直流電源轉換器或馬達驅動裝置。

基於上述，本發明藉由第一功率元件與第二功率元件直接設置於具有第一線路的基板上，可降低因使用內連導線連接功率元件間所產生的寄生電感。另外，若使用高導熱基板，還可降低功率元件封裝結構長時間下進行交流-直流電轉換時的熱阻。再者，藉由在電路元件下方設置絕緣膜，能達到基板與電路元件電性絕緣的效果。此外，若在基板下方設置高熱容量的基材，還可快速吸收在負載電流移除後瞬間產生的電壓湧浪(surge voltage)所產生的熱能。

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。

以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。

圖1是依照本發明的一實施例的一種功率元件封裝結構的剖面示意圖。

請參照圖1，本實施例的功率元件封裝結構100基本上包括基板102、第一功率元件104、第二功率元件106、絕緣膜108、電路元件110以及封裝體112。基板102的材料可為具有高熱導率的材料，如銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或上述材料之合金化合物。本實施例的基板102具有第一線路，且基板102若是本身能導電，則第一線路可為基板102本身自成的區塊102a和102b等所構成的線路。第一功率元件104以及第二功率元件106則配置於基板102上，並經由基板102的第一線路(未繪示)直接相互電性連接。舉例來說，第一功率元件104和第二功率元件106至少其中之一以覆晶方式配置於基板上。第一功率元件104或第二功率元件106可為電壓或電流控制之場效電晶體，如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘雙極電晶體；或高電子遷移率電晶體，例如為氮化鎵電晶體或氧化鎵電晶體。由於第一功率元件104與第二功率元件106直接設置於具有第一線路的基板102上，所以能降低傳統使用內連導線連接功率元件所產生的寄生電感。另外，若使用高導熱的基板102，還可降低功率元件封裝結構100長時間下進行交流-直流電轉換時的熱阻。上述第一功率元件104或第二功率元件106例如為垂直型功率元件，並構成橋式電路，例如半橋式電路、全橋式電路或圖騰柱電路。本實施例的功率元件封裝結構100可應用於功率轉換單元，包括整流器、變流器或轉換器；本實施例的功率元件封裝結構100還可應用於車用功率轉換系統例如為車用發電機的整流器、直流電源轉換器或馬達驅動裝置。

至於絕緣膜108是配置於基板102上，並且具有第二線路114。在本實施例中，絕緣膜108所在的區塊102b與第一功率元件104與第二功率元件106所在的區塊102a是相互分隔的。在另一實施例中，絕緣膜108可與第一功率元件104及第二功率元件106設置在同一區塊。所述絕緣膜108的材料例如氧化矽、氮化矽、高分子化合物、陶瓷材料等電氣絕緣材質。電路元件110則是配置於絕緣膜108上。所述電路元件110例如為控制IC、保護電路、電感、電容或電阻。本實施例中的絕緣膜108可電性隔絕電路元件110與底下的區塊102b，因此能間接與第一功率元件104及第二功率元件106電性隔絕。而且，絕緣膜108還可同時阻絕第一功率元件104或第二功率元件106作動時產生的熱傳遞至電路元件110。本實施例的封裝體112是用以封裝上述基板102、第一功率元件104、第二功率元件106與電路元件110。封裝體112的材料例如但不限於環氧樹脂、聯苯樹脂、不飽和聚酯或陶瓷材料。

另外，本實施例的功率元件封裝結構100還可設置高熱容量的基材116。基材116配置於基板102下方，較佳為配置在第一功率元件104及第二功率元件106的正下方。在一實施例中，基材116的熱容量大於基板102的熱容量，且其材料例如銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或上述材料之合金化合物；較佳為鋁或鋁合金。由於基材116具有高熱容量，所以負載電流移除後瞬間產生的電壓湧浪(surge voltage)所產生的熱能，可被基材116快速吸收，降低第一功率元件104與第二功率元件106的接面溫度。在一實施例中，基板102與基材116可直接接觸；在另一實施例中，基板102與基材116之間可設置導電黏接層（未繪示）。在有基材116的情況下，封裝體112也會將基材116封裝，且部分基材116可露出於封裝體112外。

圖2A是依照本發明的另一實施例的一種功率元件封裝結構的正面，圖2B為圖2A的背面示意。圖3是圖2A的功率元件封裝結構的透視圖，其中省略封裝體，以清楚顯示功率元件封裝結構的正面構造。

請同時參照圖2A、圖2B以及圖3，本實施例的功率元件封裝結構200基本包括基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、絕緣膜208、至少一電路元件210以及封裝體212。本實施例中的功率元件封裝結構200還可具有基材214，基材214是設置於基板202下方，且基板202可直接接觸基材214。在本實施例中，基材214具有三個區塊214a、214b與214c。基板102的材料可為具有高熱導率的材料，如銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或上述材料之合金化合物。所述基材214的熱容量例如大於基板202的熱容量，且其材料包括銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或上述材料之合金化合物；較佳為鋁或鋁合金。由於基材214具有高熱容量，所以基材116可快速吸收負載電流移除後瞬間產生的電壓湧浪所產生的熱能，以降低第一功率元件204與第二功率元件206的接面溫度，達到降低暫態熱阻的功效。

本實施例中的基板202可由多個相互隔離的第一線路202a~202e組成，其中第一線路202a具有參考接地接腳216a與216b、第一線路202b具有相位輸出接腳218a、第一線路202c具有相位輸出接腳218b、第一線路202d具有電源接腳220a、第一線路202e具有電源接腳220b。其中，電源接腳220a、220b可耦接至車用電池，相位輸出接腳218a、218b分別產生數個整流後信號，參考接地接腳216a、216b可耦接至參考接地端。當封裝體212將第一基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、電路元件210、基材214封裝，上述接腳216a、216b、218a、218b、220a、220b會自封裝體212突出，如圖2A和圖2B所示。基板202還可包括與第一線路202a分離的數個接腳區塊222。在本實施例中的基板202之材料選擇可參照上一實施例，故不再贅述。

請再度參照圖3，本實施例中的第一功率元件204及第二功率元件206配置於第一基板202上，且第一功率元件204和第二功率元件206至少其中之一是以覆晶方式配置於基板上。第一功率元件204與第二功率元件206可為垂直功率元件，例如第一垂直型MOSFET 204a、第一垂直型MOSFET 204b、第二垂直型MOSFET 206a與第二垂直型MOSFET 206b。在另一實施例中，垂直型功率元件例如為其他電壓或電流控制之場效電晶體，如絕緣閘雙極電晶體或高電子遷移率電晶體(例如氮化鎵電晶體或氧化鎵電晶體)。在本實施例中，第一功率元件204與第二功率元件206可構成半橋式整流器。舉例來說，將第一垂直型MOSFET 204a與第二垂直型MOSFET 206a設置於第一基板202的第一線路202b上，並經由基板202的第一線路202b直接相互電性連接，而使第一功率元件204a與第二功率元件206a構成一個半橋式整流器。在本實施例中，當第一垂直型MOSFET 204a的源極直接接觸第一線路202b時，第二垂直型MOSFET 206a則為其中的汲極直接接觸第一線路202b。在另一實施例中，當第一垂直型MOSFET 204a的汲極直接接觸第一線路202b時，第二垂直型MOSFET 206a則是其中的源極直接接觸第一線路202b。如此一來，將不需透過內連導線連接第一垂直型MOSFET 204a與第二垂直型MOSFET 206a，可藉此降低因功率元件間使用內連導線連接所產生的寄生電感，進而減少影響功率元件的響應。

同理，圖3中的第一垂直型MOSFET 204b的源極直接接觸第一線路202c時，第二垂直型MOSFET 206b則為其中的汲極直接接觸第一線路202c。或者，第一垂直型MOSFET 204b的汲極直接接觸第一線路202c時，第二垂直型MOSFET 206b則為其中的源極直接接觸第一線路202c。另外，第一垂直型MOSFET 204a可透過導電結構224電性連接至第一線路202d；第二垂直型MOSFET 206a可透過導電結構226電性連接第一線路202a；第一垂直型MOSFET 204b可透過導電結構224電性連接至第一線路202e；第二垂直型MOSFET 206b可透過導電結構226電性連接第一線路202a。在本實施例中，導電結構224與226例如一金屬片。

請繼續參照圖3，當大電流從參考接地接腳216a進入後，由基板202的第一線路202a，透過與第一線路202a電性連接的導電結構226至第二垂直型MOSFET 206a，且由於第二垂直型MOSFET 206a與第一線路202b直接接觸，因此，電流會從第二垂直型MOSFET 206a透過第一線路202b傳輸至相位輸出接腳218a，形成上橋電路。另一方面，當大電流從相位輸出接腳218a進入時，由於第一垂直型MOSFET 204a直接接觸第一線路202b，因此電流將經由第一線路202b傳輸至第一垂直型MOSFET 204a，並透過與第一垂直型MOSFET 204a電性連接的導電結構224，將電流傳輸至第一線路202d的電源接腳220a，形成下橋電路。同樣地，第二垂直型MOSFET 206b與第一垂直型MOSFET 204b也會構成上下橋電路。因此本實施例的功率元件封裝結構200可應用於功率轉換單元，包括整流器、變流器或轉換器；本實施例的功率元件封裝結構200還可應用於車用功率元件封裝結構，如車用發電機的整流器、直流電源轉換器或馬達驅動裝置。

請再參考圖3，絕緣膜208配置於基板202的第一線路202a上，並具有第二線路228。電路元件210則配置於絕緣膜208上。電路元件210例如包括控制IC、保護電路、電感、電容或電阻，且圖3雖只顯示一個電路元件210，但本發明並不限於此；電路元件210也可依照需求於絕緣膜208上設置數個。本實施例中的絕緣膜208用以電性隔絕第一線路202a與電路元件210，還可同時阻絕第一功率元件204或第二功率元件208作動時產生的高熱。本實施例中的絕緣膜208材料的選擇可參照上一實施例，於此不再贅述。

另外，功率元件封裝結構200還可經由導體，使電路元件210與第一功率元件204或第二功率元件206電性連接，用以傳送控制信號至第一功率元件204或第二功率元件206。上述導體例如金屬導線(未繪示)或金屬片(未繪示)。

請繼續參照圖2B，本實施例中的基材214之區塊214a是配置於圖3的第一垂直型MOSFET 204b和第二垂直型MOSFET 206b的正下方、區塊214b是配置於圖3的第一垂直型MOSFET 204a和第二垂直型MOSFET 206a的正下方、區塊214c是配置於圖3的絕緣膜208的正下方，然而本發明並不限於此。若是以降低第一功率元件204與第二功率元件206的接面溫度的效果來看，基材214於第一功率元件204及第二功率元件206的正下方設置即可；換句話說，可省略區塊214c。於圖2B中，部分基材214露出於封裝體212外，且基材214的投影面積不超過封裝體212。基材214之材料選擇可參照上一實施例，故不再贅述。上述封裝體212例如是藉由模封製程，封裝基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、電路元件210以及基材214。在本實施例中，封裝體212材料的選擇可參照上一實施例，於此不再贅述。

綜上所述，由於本發明的功率元件封裝結構中的第一功率元件及第二功率元件直接經由基板完成電性連結，所以不會發生傳統利用打線所產生的寄生電感增加問題，進而可避免功率模組響應受影響。舉例來說，使用打線方式的內連導線，其因金屬線所造成的寄生電感約略介於1~5 nH，本發明的實施例將第一功率元件以覆晶方式置於基板上，讓第一功率元件的源極與第二功率元件的汲極同時接觸第一線路的基板並藉由該基板直接電性連接時，第一功率元件與第二功率元件間的寄生電感則會小於1nH。此外。本發明於電路元件下設置絕緣膜，能降低功率元件運作時，對電路元件的影響。另外，於基板下方設置高熱容量的基材，還能達到降低功率元件封裝結構的暫態熱阻的功效。所以本發明的功率元件封裝結構適用於大功率的車用發電機的整流器、直流電源轉換器或馬達驅動裝置。

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、200‧‧‧功率元件封裝結構

102、202‧‧‧基板

102a、102b、214a、214b、214c‧‧‧區塊

104、204‧‧‧第一功率元件

106、206‧‧‧第二功率元件

108、208‧‧‧絕緣膜

110、210‧‧‧電路元件

112、212‧‧‧封裝體

114、228‧‧‧第二線路

116、214‧‧‧基材

202a、202b、202c、202d、202e‧‧‧第一線路

204a、204b‧‧‧第一垂直型MOSFET

206a、206b‧‧‧第二垂直型MOSFET

216a、216b‧‧‧參考接地接腳

218a、218b‧‧‧相位輸出接腳

220a、220b‧‧‧電源接腳

222‧‧‧接腳區塊

224、226‧‧‧導電結構

圖1是依照本發明的一實施例的一種功率元件封裝結構的剖面示意圖。 圖2A是依照本發明的另一實施例的一種功率元件封裝結構的正面示意圖。 圖2B為圖2A的背面示意圖。 圖3是圖2A的功率元件封裝結構的透視圖。

Claims (15)

1. 一種功率元件封裝結構，包括：基板，由多個相互隔離的第一線路組成；第一功率元件以及第二功率元件配置於該多個第一線路中之一個上，其中該第一功率元件與該第二功率元件經由該第一線路直接相互電性連接；絕緣膜，配置於該基板上，並具有一第二線路；至少一電路元件，配置於該絕緣膜上，其中該電路元件經由該絕緣膜與該基板、該第一功率元件與該第二功率元件電性隔絕；以及封裝體，封裝該基板、該第一功率元件、該第二功率元件與該至少一電路元件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該至少一電路元件包括控制IC、保護電路、電感、電容或電阻。
3. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，更包括使該至少一電路元件與該第一功率元件或該第二功率元件電性連接的多數個導體。
4. 如申請專利範圍第3項所述的功率元件封裝結構，其中所述導體為金屬導線或金屬片。
5. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一功率元件或該第二功率元件為垂直型功率元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一功率元件或該第二功率元件為電壓或電流控制之場效電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一功率元件或該第二功率元件包括金屬氧化物半導體場效電晶體、絕緣閘雙極電晶體或高電子遷移率電晶體。
8. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一功率元件與該第二功率元件構成橋式電路，所述橋式電路包括半橋式電路、全橋式電路或圖騰柱電路。
9. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一功率元件和該第二功率元件至少其中之一以覆晶方式配置於該基板上。
10. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該基板的材料包括銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或前述材料之合金化合物。
11. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，更包括基材，設置於該基板下方，其中該基材的熱容量大於該基板的熱容量。
12. 如申請專利範圍第11項所述的功率元件封裝結構，其中該基材的材料包括銅、鋁、鋰、金、銀、金剛石、石墨烯或前述材料之合金化合物。
13. 如申請專利範圍第11項所述的功率元件封裝結構，其中部分該基材露出於該封裝體外。
14. 如申請專利範圍第1~13項中任一項所述的功率元件封裝結構，其為應用於整流器、變流器或轉換器的功率轉換單元。
15. 如申請專利範圍第1~13項中任一項所述的功率元件封裝結構，其應用於車用功率轉換系統，所述車用功率轉換系統包括車用發電機整流器、直流電源轉換器或馬達驅動裝置。