CN100456473C - 功率电源模块的封装结构 - Google Patents

Abstract

一种功率电源模块的封装结构，其将控制电路制作在一电路板上而非直接制作在基板上，可以缩小占用的基板面积而节省制造成本，并且将功率元件设置在一具高热传递性质材料上，使功率元件所产生的热快速传递散发，藉此提高功率电源模块的可靠度。

Description

功率电源模块的封装结构

技术领域

本发明有关于一种功率电源模块的封装结构，特别是有关于一种具高散热、高密度特征的功率电源模块的封装结构。

背景技术

体积的缩小与设计的日趋复杂为各类电子产品的共同趋势，因此除了电子元件体积的缩小，如何在有限的空间内设置最多的元件与引线已成为半导体封装的一重要课题。然而在元件与引线的密度愈来愈高的封装结构下，驱动此封装结构的高密度元件将产生大量的热。尤其对功率模块而言，这大量的热会影响电子产品的寿命与运作。因此，如何解决此高密度封装结构的散热问题也成为一重要课题。

参照图1，其为一已知的功率电源模块(power module)封装结构的剖面示意图。其中包含一利用高分子绝缘层与金属铝箔层所构成的具高散热性基板100，并且此功率电源模块的电路(图中未示)完全制作于此基板100上。功率电源模块的功率元件110a、控制元件110b及其它元件110c均设置在基板上，另外在基板100上方有引线框架(leadframe)121、122，并且利用引线键合的方式，即通过多条引线111、112、113来电性连接各元件110a、110b、110c；引线框架121、122及基板100上的表面线路。并用灌注封胶或利用封胶成型(molding)方法等来密封基板100上的元件与电路，及此功率电源模块的引线框架121，122而仅暴露出引线框架的引脚。此一功率电源模块封装结构因其结构简单而具有制作容易的优点。但其将所有元件110a、110b、110c及线路皆设置于基板100上，因此，此功率电源模块的电路密度无法提高，也因而需要一面积较大的基板，造成其成本也相对的提高。此功率电源模块内的功率元件110a、110b、110c所产生的热量是经由基板100再传至基板100外连接的热发散元件(heat sink)，但基板100与热发散元件之间由散热膏传热，因此基板100虽为一高散热性材质，仍无法具有瞬间及大量的良好传热功能。

参照图2，其为另一已知的功率电源模块封装结构的剖面示意图。其所示功率模块的封装结构与图1相似，其中同样包含一利用高分子绝缘层与金属铝箔层所构成的具有全部电路及高散热性基板100，同样在其上设置功率元件110a、控制元件110b及其它元件110c，及在基板100上方有引线框架121、122，并且利用引线键合的方式，形成多条引线111、112、113来电性连接各元件110a、110b、110c；引线框架121、122及基板100上的表面线路。并用灌注封胶或利用封胶成型(molding)等方法来密封基板100上元件与电路，及此功率电源模块的引线框架121，122而仅暴露出引线框架的引脚。但此功率模块与图1的不同在于其在基板100的底部表面与一金属板200连接。此一功率电源模块(power module)封装结构同样因其结构简单而具有制作容易的优点，并具有一金属板200，而因此金属板200的高导热特性可提供良好的瞬间及大量传热功能。但其将所有元件110a、110b、110c及线路同样设置于基板100上，因此，此功率电源模块也具有电路密度无法提高，及成本提高等问题。

参照图3，为另一已知的功率电源模块(power module)封装结构的剖面示意图。其中包含一利用高分子绝缘层与金属铝箔层所构成的具高散热性基板100，而此封装结构与图1、图2不同。功率电源模块的功率元件110a、控制元件110b均利用直接焊接或其它方式设置在引线框架121、122上，而此引线框架121、122在基板100上方而两者不相连。并且利用引线键合的方式，即通过多条引线111、112...来电性连接各元件110a、110b、；引线框架121、122及其上的表面线路。并用灌注封胶或利用封胶成型(molding)等方法来密封基板100上元件与电路，及此功率电源模块的引线框架121、122而仅暴露出引线框架的引脚。此一功率电源模块(power module)封装结构因其结构简单而具有制作容易的优点。但此功率电源模块因引线框架与整个电路布局构成一体，因此限制了电路与封装结构的密度与精度。此功率电源模块内的功率元件110a所产生的热量是经由引线框架经封装材质传至基板100，但基板100与热发散元件之间由散热膏传热，因此热传导效果不佳。

因此，如何提高封装结构的密度进而节省成本为一重要课题，而在提高封装结构的密度同时，如何解决因高密度封装结构及功率元件所带来的散热问题也是另一个重要课题。

发明内容

鉴于上述技术背景中，封装结构电路密度与散热效率不佳的问题，本发明揭露一种将电路制做在电路板上并与引线框架成一堆叠结构、以及电源元件具有一良好导热途径的封装结构，藉以改善已知技术中因封装结构不良所造成散热不佳与电路密度无法改善等问题。

本发明的目的在于通过一电路板(circuit plate)上来取代在基板上设置电路，并且此电路板堆叠设置部分引线框架上成一堆叠结构，所以在基板上没有电路布局或电路板，固可提高其电路密度与缩减封装结构。因此，可以减少所需的基板面积，相对的成本也会降低。

本发明的目的在于将功率元件设置在基板上的高散热材质上或是直接设置于一具高散热特性的基板上，使功率元件运作时所产生大量的热，可以经有此高散热材质快速传导至基板而发散至外界，无需经热传导性不佳的封装材料，其热传导效率极佳。因其热传导效率良好固可以承受瞬间大电流通过所产生的高热，避免因此高热无法快速传导发散导致功率电源模块受损。

根据上述目的，本发明提供一具高密度与高散热特性的功率电源模块的封装结构，其包含：一引线框架，具有一朝上的第一表面与对应该第一表面的第二表面，与具有至少一引脚；一电路板，与部分该引线框架的该第二表面连接形成一堆叠结构；一基板，具有一正面与一背面，部分该引线框架以该第二表面设置于该正面上；至少一第一元件，设置于该基板的该正面上；至少一第二元件，设置于该电路板上；以及多条引线，连接该电路板与该引线框架、该电路板与该第一元件、该第一元件与该引线框架。

根据上述目的，本发明还提供一种功率电源模块封装结构，其包含：一引线框架，具有一第一表面与对应该第一表面的第二表面，与具有至少一引脚；一电路板，与部分该引线框架连接形成一堆叠结构；一基板，具有一正面与一背面，部分该引线框架以该第二表面设置于该正面上；至少一第一元件，设置于该基板的该正面上；至少一第二元件，设置于该电路板上；一金属块，设置于该第一元件与该基板之间；以及多条引线，连接该电路板与该引线框架、该电路板与该第一元件、该第一元件与该引线框架。

因此，通过上述封装结构，由于电路设置于电路板上而不直接设置在基板上，并且与引线框架及基板成一堆叠结构，因此所需占用的基板面积减少，故可以有效的缩减封装体积。并且，该电源元件设置在高散热基板或是基板上的高散热材质上，形成一良好的导热途径可有效且快速地将电源元件工作时所产生的大量热量传导至外界或是散热装置。

附图说明

图1至图3分别为三种已知技术的功率电阻的封装结构的剖面示意图。

图4A与图4B为本发明的一实施例的功率电阻的封装结构的剖面示意图，其电路板与各元件皆设置在引线框架上。

图5A至图5C分别为本发明的引线框架在同一平面及不同平面的实施例。

图7为本发明的一实施例的功率电阻的封装结构的剖面示意图，其电源元件直接设置于基板的正面上。

图8为本发明的一实施例的功率电阻的封装结构的剖面示意图，其功率元件设置于金属块上而与基板连接。

图中符号说明：

400基板

410a功率元件

410b控制元件

411、412、413、414、415、416引线

417胶材

420引线框架

420a第一表面

420b第二表面

421、422引脚

423a两侧部位在同一平面的引线框架

423b两侧部位向下倾斜的引线框架

423c两侧部位一侧向上翘起，另一侧向下倾斜的引线框架

424金属块

425电路板

426封胶

430金属板

具体实施方式

请参照图4A，为本发明的一个实施例的功率电源模块封装结构的剖面示意图。此封装结构包含一具有高散热与绝缘特性的基板400，并且此基板400具有一正面400a与对应此正面的背面400b。一具有多个引脚421、422...(其它图中未示)的引线框架420，以其第二表面420b与基板400的正面400a连接而设置于此基板400上。一电路板(circuitplate)425以其两端连接引线框架420的第一表面420a而设置其上，而形成一堆叠结构设置于基板400上，故可减少所需占用的基板面积，减少封装结构的体积。另外有一个第二元件410b(在其它实施例也可以为多个)与多个第一元件410a分别设置于电路板425上与引线框架420的第一表面420a上，并且以引线键合方式通过数条引线411、412、413、414、415、416...等电性连接各元件410b、410a、电路板425上电路(图中未示)、引线框架420。并以一封胶密封部分基板、基板上各元件、引线框架(引脚除外)、电路板等。

上述的封装结构中，所有的电路配置接制做于电路板425上取代制做于基板400上并与引线框架420及基板400形成一堆叠结构，故可减少所需占用的基板面积，减少封装结构的体积。而本发明所揭露的基板400可以为绝缘材质，例如陶瓷(ceramic)材料；或是包含金属复合材料、亦或是单面或是双面包含金属的复合材料。再者，本发明所揭露的电路板材质亦为绝缘材质，例如环氧化物玻璃纤维材质(glassfiber epoxy)或是陶瓷(ceramic)材料。

此外在本实施例中，分别以胶材417，例如银胶，做为电路板425与引线框架420与基板400的连接而成一堆叠结构。但在本发明的其它实施例中也可以直接以焊接方式(solder)来连接。

本发明所揭露的第一元件410a为功率元件，是指在功率电源模块作动时会产生高热量的元件。这些功率元件410a设置于引线框架420上而形成一良好的导热途径，可以通过引线框架420快速地将热导至基板400与外界散热装置而散热。此外，更可如图4B所示再基板400的背面400b设置一金属板430增加散热效率。至于第二元件410b为控制元件，指控制功率元件动作的元件。这些控制元件410b设置在电路板425上，通过引线键合方式形成引线电性连接电路板425上电路，再经由引线电性连接功率元件410a而达到控制功率元件410a的动作。

此外，虽然引线框架420在本实施例所揭露的封装结构中，其两边皆向上。然而，但是并不代表本发明的引线框架结构仅限于此结构，而是可以在同一平面、或是在不同平面上。下列实施例将揭露本发明各种不同的引线框架架构，但并不以此为限。熟知此技术者可以加以变化，但仍然不脱本发明的范围。

参照图5A所示，此封装结构与上述实施例(参照图4)所述大致相同。所不同处在于其引线框架423a在同一平面上，为一平面结构无任何向上或向下翘起。当然也可以如图5B所示的封装结构，其与图4一样，引线框架位于不同平面上，但引线框架不像图4所示的引线框架在两侧部位皆向上翘起，而是引线框架423b在两侧部位具有向下倾斜结构；或是如图5C所示其引线框架423c位于不同平面上，其两侧部位为一边具有向上翘起结构，而另一边则具有向下倾斜结。此外，还有其它变化但根据本发明的精神皆可适用。

参照图6为本发明的另一实施例的剖面示意图，一具有第一表面420a与第二表面420b，以及具有多个引脚421、422等(其它图中未示)。此封装结构也包含一具高散热特性以及一正面400a与一与对应此正面的背面400b的基板400，以及一电路板425。引线框架420部份以第二表面420b与电路板425连接而设置于其上形成一堆叠结构，另一部份以第二表面420b与基板400的正面400a连结而设置其上。此电路板425与引线框架420所形成的堆叠结构设置于一金属板430上，并且基板400以背面400b连接此金属板并设置其上。一第二元件410b即控制元件(在其它实施例也可以为多个)与多个第一元件410a即电源元件分别设置于电路板425上与引线框架420的第一表面420a上，并且以引线键合方式通过数条引线411、412、413、414、415、416...等电性连接各元件410b、410a、电路板425上电路(图中未示)、引线框架420。并以一封胶密封部分基板、基板上各元件、引线框架(引脚除外)、电路板等。

此实施例一样将所有的电路配置接制做于电路板425上取代制做于基板400上，并与引线框架420形成一堆叠结构，故可减少所需占用的基板面积，减少封装结构的体积。电源元件410a设置在引线框架420上热量通过引线框架420的良好热传导特性将热经基板400与金属板430散发至外界或是散热装置。当然，本实施例的引线框架也可以如前述的实施例一样在同一平面、或是在不同平面上。

参照图7为本发明又一实施例的功率电源模块的封装结构剖面示意图。此封装机构包含一引线框架420具有第一表面420a与第二表面420b，以及具有至少一引脚，例如421、422等。一电路板425与部分引线框架420的第一表面420a连接而设置其上形成一堆叠结构，而在其它实施例中此堆叠结构也可以是一电路板425与部分引线框架420的第二表面420b连接而成。一具高散热特性以及一正面400a与一与对应此正面的背面400b的基板400，另一部份引线框架420以第二表面420b与基板400的正面400b连接而设置其上。一第二元件410b即控制元件(在其它实施例也可以为多个)设置于电路板425上，与多个第一元件410a即电源元件直接设置于基板400的正面400a上，并且以引线键合方式藉数条引线411、412、413、414、415、416...等电性连接各元件410b、410a、电路板425上电路(图中未示)、引线框架420。并以一封胶密封部分基板、基板上各元件、引线框架(引脚除外)、电路板等。

此实施例一样将所有的电路配置接制做于电路板425上取代制做于基板400上并与引线框架420及基板400形成一堆叠结构，故可减少所需占用的基板面积，减少封装结构的体积。电源元件410a直接设置基板400上热量通过基板400的良好热传导特性将热散发至外界或是散热装置。当然，本实施例的引线框架也可以如前述的实施例一样在同一平面、或是在不同平面上。

参照图8为本发明另一个实施例的功率电源模块的封装结构剖面示意图。此封装结构包含一具高散热与绝缘特性的基板400，并且此基板400具有一正面400a与对应此正面的背面400b。具多个引脚421、422...(其它图中未示)的引线框架420，以其第二表面420b与基板400的正面400a连接而设置于此基板400上。其次，还有多个高散热材质块424设置于基板400的正面400a上。一电路板(circuit plate)425一端连接引线框架420的第一表面420a而设置其上形成一堆叠结构，另一端连接最靠近的高散热材质块424而设置其上，故可减少所需占用的基板面积，减少封装结构的体积。另外有多个控制元件410b与多个功率元件410a分别设置于电路板425上与高散热材质块424上，并且以引线键合方式通过数条引线412、413、414、415、416...等电性连接功率元件410a、电路板425上电路(图中未示)、引线框架420。此外，在基板400的背面400b连接有一金属板430(在其它实施例也可以不需具有此金属板)。并以一封胶密封部分基板400、基板上各元件、引线框架420(引脚除外)、电路板425等。

上述所揭露的封装结构(图8所示)其所用的基板400与电路板425与前述的其它实施例相同。其电路板425与引线框架420形成一堆叠结构而设置于基板400上，因其彼此有所堆叠，故也同样可以减少所需占用的基板面积而达到减少封装结构的体积的效果。

再者，功率元件410a设置于基板400上的高散热材质块424上，且基板400的背面400b与一金属板连接。因此，功率元件410a作动所产生的大量热量会快速地经由高散热材质块424传导至基板400与金属板430，通过金属板将热发散至外界或外接的散热装置(图未示)。故此封装结构可以更进一步承受瞬间通过大电流所产生的大量热量。而此高散热材质块424通常为一金属块。

其次，在其它实施例中，控制元件410b也可以不以引线键合方式而是直接与电路板425做电性连接。电路板425与引线框架420是以胶材417做电性连接而取代引线，而此胶材417通常为一导电材质，例如银胶。当然此封装结构的引线框架也可以如同前述的其它实施例，依其需要为在同一平面上，或是在不同平面上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利范围。在不脱离本发明的实质内容的范畴内仍可予以变化而加以实施，此等变化应仍属本发明的范围。因此，本发明的范畴由下列申请专利范围所界定。

Claims (8)

1.一种功率电源模块封装结构，其特征是，包含：

一引线框架，具有一朝上的第一表面与对应该第一表面的第二表面，与具有至少一引脚；

一电路板，与部分该引线框架的该第二表面连接形成一堆叠结构；

一基板，具有一正面与一背面，部分该引线框架以该第二表面设置于该正面上；

至少一第一元件，设置于该基板的该正面上；

至少一第二元件，设置于该电路板上；以及

多条引线，连接该电路板与该引线框架、该电路板与该第一元件、该第一元件与该引线框架。

2.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，该基板材料为绝缘材质，并且该绝缘材质为单面包含金属的复合材料或双面包含金属的复合材料。

3.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，该电路板为环氧化物玻璃纤维材质或为陶瓷。

4.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，该第一元件与该第二元件分别为功率元件与控制元件。

5.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，更包含一金属板设置于该基板的该背面上。

6.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，更包含至少一金属块介于该第一元件与该基板之间。

7.如权利要求1所述的功率电源模块封装结构，其特征是，其中部分该引线框架介于该第一元件与该基板之间。

8.一种功率电源模块封装结构，其特征在于，包含：

一引线框架，具有一第一表面与对应该第一表面的第二表面，与具有至少一引脚；

一电路板，与部分该引线框架连接形成一堆叠结构；

一基板，具有一正面与一背面，部分该引线框架以该第二表面设置于该正面上；

至少一第一元件，设置于该基板的该正面上；

至少一第二元件，设置于该电路板上；

一金属块，设置于该第一元件与该基板之间；以及

多条引线，连接该电路板与该引线框架、该电路板与该第一元件、该第一元件与该引线框架。

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