CN102569216A - 功率元件封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率元件封装结构，是将功率元件封装结构的金属基板作为电容单元的下电极，并于该金属基板上依序设置介电材料层与上金属层，该上金属层为上电极，而该金属基板为下电极，使形成电容单元，简化并整合电容单元于功率元件封装结构中。
Description
技术领域
本发明是有关于一种功率元件的封装结构，且特别是有关于一种整合电容、电阻于功率元件(power device)的封装结构。
背景技术
如图1所示为传统封装结构。该封装结构包括有一金属基板28B与功率元件20，并以一封装胶体23封装。该金属基板28B包括有一个固锁区21与一中央平区22。该固锁区21具有一孔洞26，该固锁区21暴露于一封装胶体23外，利用该孔洞26以便于固锁该封装结构至一主机板或一基板或其它金属散热片上，可帮助散热。该金属基板28B于该中央平坦区22延伸一中央金属脚D。而一第一金属脚G与第二金属脚S是与该中央金属脚D共平面配置，且分别配置在该中央金属脚D的两侧。该功率元件20配置在该金属基板28B的中央平坦区22，该功率元件20具有栅极接点GT、漏极接点DT、以及源极接点ST，使三个接点分别以一金属线24电性连接至金属脚G、金属脚D、以及金属脚S。
因此，如上的现有功率元件的封装结构皆不包含电容，而是将电容设置在封装结构的外部，然后电性连接至封装单元内部。此一结构设计使得功率元件与电容之间有较长的金属导线路径，也产生较高的寄生电感效应，同时也增加了能量的耗损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率元件封装结构，借由整合电容单元至封装结构内部中，可以缩小电容单元的体积与减少制造材料成本。由于电容单元位于封装结构中，同时减短元件之间的导线连接的长度，而可以降低等效串联电感(equivalent serial inductance，ESL)与寄生电感效应，并减少能量耗损。
为实现本发明的目的而提供一种功率元件封装结构，包含：
金属基板；
介电材料层，设置于该金属基板上；
至少一功率元件，设置于该金属基板上；以及
上金属层，设置于该介电材料层上，其中该上金属层与该介电材料层、该金属基板形成电容单元。
所述的功率元件封装结构，更包括有封装胶体封装保护该金属基板上的该功率元件、该上金属层、该介电材料层以及该金属导线。
该封装胶体的材料为环氧树脂。
该功率元件以金属导线和该金属基板电性连接。
该金属基板的材料为铝或铝合金。
该金属基板为一片状结构，是一体成型。
该金属基板包括有固锁区、中央平坦区与中央金属脚，该中央平坦区位于该固锁区与该中央金属脚间。
该固锁区具有孔洞，该固锁区暴露于封装胶体外，使该孔洞以便于固锁该封装结构至主机板或基板或其它金属散热片上。
该金属基板于该中央平坦区延伸该中央金属脚。
所述的功率元件封装结构，更包括有第一金属脚与第二金属脚是与该中央金属脚共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
该中央金属脚、该第一金属脚与该第二金属脚均是分别独立地配置。
该功率元件配置在该金属基板的中央平坦区，该功率元件包括有栅极接点、漏极接点以及源极接点，使三个接点分别以金属导线电性连接至该中央金属脚、该第一金属脚、以及该第二金属脚。
该第一金属脚与该第二金属脚具有上表面与该中央金属脚的上表面成共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
该介电材料层配置在该金属基板的中央平坦区上。
所述的功率元件封装结构，更包括电阻单元配置在该介电材料层上。
该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
该上金属层以该金属导线电性连接至该电阻单元，该电阻单元以另一金属导线电性连接至该功率元件的源极接点，而该金属基板以该金属导线电性连接至该漏极接点。
该介电材料层与该功率元件相邻，而该电阻单元与该上金属层相邻。
该电容单元的第一端电性连接至该功率元件的漏极接点，而该电容单元的第二端电性连接至该电阻单元的第一端，该电阻单元的第二端连接到该功率元件的源极接点。
该介电材料层为三氧化二铝、聚丙烯薄膜、聚乙烯聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。
为实现本发明的目的还提供一种功率元件封装结构，包含：
金属基板；
介电材料层，设置于该金属基板上；
上金属层，设置于该介电材料层上；以及
至少一功率元件，设置于该上金属层上，其中该上金属层与该介电材料层、该金属基板形成电容单元。
所述的功率元件封装结构，更包括有封装胶体封装保护该金属基板上的该功率元件、该上金属层、该介电材料层以及该金属导线。
该封装胶体的材料为环氧树脂。
该功率元件以金属导线和该金属基板电性连接。
该金属基板的材料为铝或铝合金。
该金属基板为一片状结构，是一体成型。
该金属基板包括有固锁区、中央平坦区与中央金属脚，该中央平坦区位于该固锁区与该中央金属脚间。
该固锁区具有孔洞，该固锁区暴露于封装胶体外，使该孔洞以便于固锁该封装结构至主机板或基板或其它金属散热片上。
该金属基板于该中央平坦区延伸该中央金属脚。
所述的功率元件封装结构，更包括有第一金属脚与第二金属脚是与该中央金属脚共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
该中央金属脚、该第一金属脚与该第二金属脚均是分别独立地配置。
该功率元件配置在该金属基板的中央平坦区，该功率元件包括有栅极接点、漏极接点以及源极接点，使三个接点分别以金属导线电性连接至该中央金属脚、该第一金属脚、以及该第二金属脚。
该第一金属脚与该第二金属脚具有上表面与该中央金属脚的上表面成共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
该介电材料层配置在该金属基板的中央平坦区上。
所述的功率元件封装结构，更包括电阻单元配置在该介电材料层上。
该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
该上金属层以该金属导线电性连接至该电阻单元，该电阻单元以另一金属导线电性连接至该功率元件的源极接点，而该金属基板以该金属导线电性连接至该漏极接点。
该电阻单元与该上金属层相邻。
该电容单元的第一端电性连接至该功率元件的漏极接点，而该电容单元的第二端电性连接至该电阻单元的第一端，该电阻单元的第二端连接到该功率元件的源极接点。
该介电材料层为三氧化二铝、聚丙烯薄膜、聚乙烯聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。
所述的功率元件封装结构，更包括导电高分子层设置于该上金属层与该介电材料层之间。
该导电高分子层的材料为聚二氧乙基噻吩。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有功率元件封装结构的示意图；
图2为本发明的一较佳实施例的功率元件封装结构的俯视示意图；
图3为图2的等效电路图；
图4为图2沿着剖面线A-A’的部分剖面示意图；
图5为图2沿着剖面线B-B’的部分剖面示意图；
图6为本发明的另一较佳实施例的功率元件封装结构的俯视示意图；
图7是图6的等效电路图；
图8为图6沿着剖面线C-C’的部分剖面示意图；
图9为本发明的又一较佳实施例的电容单元的部分剖面示意图；
图10为图3与图7的等效电路的另一实施例示意图。
其中，附图标记
20、30：功率元件
21：固锁区
22：中央平坦区
23、33：封装胶体
24、34：金属导线
25、35：电阻单元
26：孔洞
28、38、48：电容单元
28T、38T、48T：上金属层
28D、38D、48D：介电材料层
28B、38B、48B：金属基板
48C：导电高分子层
ST：源极接点
GT：栅极接点
DT：漏极接点
S：第二金属脚
G：中央金属脚
D：第一金属脚
具体实施方式
本发明是关于一种整合式功率元件封装结构，将位于该封装结构下层的金属基板，应用作电容元件的下电极，然后于该金属基板上设置介电材料层，再设置上金属层于该介电材料层上作为上电极，而形成电容元件。
本发明的功率元件封装结构更可选择性地包括电阻元件配置于该介电材料层上方。
由于整合式设计，电容或电阻等被动元件连接到功率元件的金属导线距离将被有效缩短，因此，可以降低前述元件之间的电源传递回路的寄生电感效应。再者，因为功率元件的切换损耗的大小，是由重叠面积决定。若在封装结构内直接加入电阻电容吸波电路(RC Snubber Circuit)将高频谐波(Spike)变为平滑，则IV曲线的IV重叠面积将会减少，故减少重叠面积即能降低能量耗损。
本发明的整合式功率元件封装结构，可以降低寄生电感效应以及减少能量耗损，如此便可以提高电源传递效率进而达到节能(绿能)的功效。
本发明中所述”功率元件”包含所有目前电子或半导体技艺领域中已知的功率元件，包括但不限于，绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)或金氧半场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)等功率元件。
图2为本发明的一较佳实施例的功率元件封装结构的俯视示意图。图4是图2沿着剖面线A-A’的部分剖面示意图。图5是图2沿着剖面线B-B’的部分剖面示意图。
如图2所示的功率元件封装结构2包括至少一功率元件20、封装胶体23、金属基板28B、介电材料层28D及上金属层28T。该功率元件20设置在金属基板28B上，并且该功率元件20以金属导线24和该金属基板28B电性连结。该金属基板28B的材料，例如是铝或铝合金。该金属基板28B为一片状结构，是一体成型。该金属基板28B包括有固锁区21、中央平坦区22与中央金属脚D。该中央平坦区22位于该固锁区21与该中央金属脚D间。该固锁区21具有孔洞26，该固锁区21暴露于封装胶体23外，利用该孔洞26以便于固锁该封装结构至主机板或基板或其它金属散热片上，可帮助散热。该金属基板28B于该中央平坦区22延伸该中央金属脚D。而第一金属脚G与第二金属脚S是与该中央金属脚D共平面配置，且分别配置在该中央金属脚D的两侧。该中央金属脚D、该第一金属脚G与该第二金属脚S均是分别独立地配置。其中该封装胶体23封装保护该金属基板28B上的各元件，该封装保护区域如图2的虚线所示。该封装胶体的材料，例如是环氧树脂。该封装结构封装保护包含该功率元件20、该上金属层28T、该电阻单元25、该介电材料层28D以及该金属导线24等等。
其中该第一金属脚D可为漏极金属脚。该第二金属脚S可为源极金属脚。该中央金属脚G可为栅极金属脚。
该功率元件20配置在该金属基板28B的中央平坦区22，该功率元件20包括有栅极接点GT、漏极接点DT以及源极接点ST，使三个接点分别以金属导线24电性连接至该中央金属脚D、该第一金属脚G、以及该第二金属脚S。该第一金属脚G与该第二金属脚S具有上表面与该中央金属脚D的上表面成共平面配置，且分别配置在该中央金属脚D的两侧。
此实施例中以金属”脚”来表示常见的封装接脚或接触端设计，但实际封装的接脚设计并不限于图示的形状、数目或相对位置，而可视产品的设计而更动，并为此领域熟知技艺者所能理解。
该介电材料层28D配置在该金属基板28B的中央平坦区22上，而该上金属层28T配置在该介电材料层28D上，而该电阻单元25也可配置在该介电材料层28D上。该上金属层28T以该金属导线24电性连接至该电阻单元25。该电阻单元25以另一金属导线24电性连接至该功率元件20的源极接点ST。该介电材料层28D可为三氧化二铝(Al2O3)、聚丙烯薄膜(MPP/PP，MetallizedPolypropelene/Polypropylene)、聚乙烯聚脂薄膜(MPE/PE，MetallizedPolyethylene/Polyethylene)、聚酰亚胺薄膜(PI，Polyimid)等等或其等效材料。
该上金属层28T、该介电材料层28D、以及该金属基板28B可形成电容单元28，本发明利用该金属基板28B作为该电容单元28的下电极(下金属层)，节省该电容单元原来需要单独设置的下层金属材料成本。
该中央平坦区22上设置有该功率元件20与该介电材料层28D，而该上金属层28D设置于该介电材料层28D上。该介电材料层28D与该功率元件20相邻。而该电阻单元25与该上金属层28T相邻。
图3是图2的封装结构的等效电路，图3显示该功率元件20、该电容单元28(包括该上金属层28T、该介电材料层28D、以及该金属基板28B)、该电阻单元25等被该封装胶体23封装保护着。该电容单元28的第一端电性连接至该功率元件20的漏极接点DT，而该电容单元28的第二端电性连接至该电阻单元25的第一端，该电阻单元25的第二端连接到该功率元件20的源极接点ST。
图4是图2的A-A’剖面图，图中显示该上金属层28T、该介电材料层28D以及该金属基板28B形成电容单元28。而该金属基板28B是封装结构的底部基材，同时当作电容的下电极。该上金属层28T以该金属导线24电性连接至该电阻单元25。该金属基板28B以该金属导线24电性连接至该漏极接点DT。
图5是图2的B-B’剖面图，图中显示电阻单元25配置在该介电材料层28D上，该电阻单元25以该金属导线24电性连接至该上金属层28T，且该电阻单元25也以另一金属导线24电性连接至该功率元件20的源极接点ST。该封装胶体23封装该金属基板28B上方各元件。
图6是本发明的第二实施例的示意图，本实施例与图2不同之处在于：本实施例是将该功率元件30配置在该上金属层38T上，因此，本实施例可以空出较多的面积容纳其它元件，例如电阻单元35配置于该上金属层38T一侧。所以该上金属层38T与该电阻单元35均可配置于该介电材料层38D上，而该介电材料层38D配置于该金属基板38B上，使该上金属层38T、该介电材料层38D、以及该金属基板38B形成电容单元38，配置于该功率元件30的下方。该金属基板38B作为该电容单元38的下层电极，也同时扮演着整个封装结构的底部基材的功能。其中该介电材料层38D配置于该金属基板38B的中央平坦区上。
图7是图6的封装结构的等效电路，图7与图3的等效电路是相同的，而图7的电容单元38包括该上层金属38T、该介电材料层38D以及该金属基板38B，且该电容单元38配置在该功率元件30的下方。
该电容单元38(包括该上金属层38T、该介电材料层38D、以及该金属基板38B)、该电阻单元35等被该封装胶体33封装保护着。该电容单元38的第一端电性连接至该功率元件30的漏极接点DT，而该电容单元38的第二端电性连接至该电阻单元35的第一端，该电阻单元35的第二端连接到该功率元件30的源极接点ST。
图8是图6的C-C’剖面图，图中显示该介电材料层38D配置在该金属基板38B上，该上金属层38T配置在该介电材料层38D上。该电阻单元35配置在该介电材料层38D上。该上金属层38T、该介电材料层38D以及该金属基板38B形成电容单元38(38T/38D/38B)。该金属基板38B是封装结构的底部基材，同时当作该电容单元38的下层电极。该上金属层38T以该金属导线34电性连接至该电阻单元35的第一端，而该功率元件30以该金属导线34电性连接至该电阻单元35的第二端。
图9是本发明封装结构的电容器另一实施例的示意图，图中显示本发明的电容单元可增加导电高分子层48C于该上金属层48T与该介电材料层48D之间，以提高电容效能。该导电高分子层的材料，例如聚二氧乙基噻吩(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)；PEDOT)或其等效的材料。
图10是图3与图7的等效电路的另一实施例示意图，本发明的实施例，是依据图3与图7等效电路作为表达，图10显示图3与图7等效电路的中的电阻R与电容单元C，可以掉换位置，此一变化设计，仅需在元件结构的电性连结方式略作调整便可以达成，此一调整设计，应为此领域技艺者所能理解，也是本技艺所欲保护的范围。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (45)
1.一种功率元件封装结构，其特征在于，包含：
金属基板；
介电材料层，设置于该金属基板上；
至少一功率元件，设置于该金属基板上；以及
上金属层，设置于该介电材料层上，其中该上金属层与该介电材料层、该金属基板形成一电容单元。
2.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括有封装胶体封装保护该金属基板上的该功率元件、该上金属层、该介电材料层以及该金属导线。
3.根据权利要求2所述的功率元件封装结构，其特征在于，该封装胶体的材料为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件以金属导线和该金属基板电性连接。
5.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板的材料为铝或铝合金。
6.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板为一片状结构，是一体成型。
7.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板包括有固锁区、中央平坦区与中央金属脚，该中央平坦区位于该固锁区与该中央金属脚间。
8.根据权利要求7所述的功率元件封装结构，其特征在于，该固锁区具有孔洞，该固锁区暴露于封装胶体外，使该孔洞固锁于该封装结构至主机板或基板或金属散热片上。
9.根据权利要求7所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板于该中央平坦区延伸该中央金属脚。
10.根据权利要求9所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括有第一金属脚与第二金属脚是与该中央金属脚共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
11.根据权利要求10所述的功率元件封装结构，其特征在于，该中央金属脚、该第一金属脚与该第二金属脚均是分别独立地配置。
12.根据权利要求10所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件配置在该金属基板的中央平坦区，该功率元件包括有栅极接点、漏极接点以及源极接点，使三个接点分别以金属导线电性连接至该中央金属脚、该第一金属脚、以及该第二金属脚。
13.根据权利要求12所述的功率元件封装结构，其特征在于，该第一金属脚与该第二金属脚具有上表面与该中央金属脚的上表面成共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
14.根据权利要求7所述的功率元件封装结构，其特征在于，该介电材料层配置在该金属基板的中央平坦区上。
15.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括电阻单元配置在该介电材料层上。
16.根据权利要求15所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
17.根据权利要求16所述的功率元件封装结构，其特征在于，该上金属层以该金属导线电性连接至该电阻单元，该电阻单元以另一金属导线电性连接至该功率元件的源极接点，而该金属基板以该金属导线电性连接至该漏极接点。
18.根据权利要求15所述的功率元件封装结构，其特征在于，该介电材料层与该功率元件相邻，而该电阻单元与该上金属层相邻。
19.根据权利要求16所述的功率元件封装结构，其特征在于，该电容单元的第一端电性连接至该功率元件的漏极接点，而该电容单元的第二端电性连接至该电阻单元的第一端，该电阻单元的第二端连接到该功率元件的源极接点。
20.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该介电材料层为三氧化二铝、聚丙烯薄膜、聚乙烯聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。
21.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
22.一种功率元件封装结构，其特征在于，包含：
金属基板；
介电材料层，设置于该金属基板上；
上金属层，设置于该介电材料层上；以及
至少一功率元件，设置于该上金属层上，其中该上金属层与该介电材料层、该金属基板形成电容单元。
23.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括有封装胶体封装保护该金属基板上的该功率元件、该上金属层、该介电材料层以及该金属导线。
24.根据权利要求23所述的功率元件封装结构，其特征在于，该封装胶体的材料为环氧树脂。
25.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件以金属导线和该金属基板电性连接。
26.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板的材料为铝或铝合金。
27.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板为一片状结构，是一体成型。
28.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板包括有固锁区、中央平坦区与中央金属脚，该中央平坦区位于该固锁区与该中央金属脚间。
29.根据权利要求28所述的功率元件封装结构，其特征在于，该固锁区具有孔洞，该固锁区暴露于封装胶体外，使该孔洞固锁于该封装结构至主机板或基板或金属散热片上。
30.根据权利要求28所述的功率元件封装结构，其特征在于，该金属基板于该中央平坦区延伸该中央金属脚。
31.根据权利要求30所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括有第一金属脚与第二金属脚是与该中央金属脚共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
32.根据权利要求31所述的功率元件封装结构，其特征在于，该中央金属脚、该第一金属脚与该第二金属脚均是分别独立地配置。
33.根据权利要求31所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件配置在该金属基板的中央平坦区，该功率元件包括有栅极接点、漏极接点以及源极接点，使三个接点分别以一金属导线电性连接至该中央金属脚、该第一金属脚、以及该第二金属脚。
34.根据权利要求33所述的功率元件封装结构，其特征在于，该第一金属脚与该第二金属脚具有上表面与该中央金属脚的上表面成共平面配置，且分别配置在该中央金属脚的两侧。
35.根据权利要求28所述的功率元件封装结构，其特征在于，该介电材料层配置在该金属基板的中央平坦区上。
36.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括电阻单元配置在该介电材料层上。
37.根据权利要求36所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
38.根据权利要求37所述的功率元件封装结构，其特征在于，该上金属层以该金属导线电性连接至该电阻单元，该电阻单元以另一金属导线电性连接至该功率元件的源极接点，而该金属基板以该金属导线电性连接至该漏极接点。
39.根据权利要求36所述的功率元件封装结构，其特征在于，该电阻单元与该上金属层相邻。
40.根据权利要求37所述的功率元件封装结构，其特征在于，该电容单元的第一端电性连接至该功率元件的漏极接点，而该电容单元的第二端电性连接至该电阻单元的第一端，该电阻单元的第二端连接到该功率元件的源极接点。
41.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该介电材料层为三氧化二铝、聚丙烯薄膜、聚乙烯聚脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。
42.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，该功率元件包括有源极接点、漏极接点及栅极接点。
43.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括导电高分子层设置于该上金属层与该介电材料层之间。
44.根据权利要求43项所述的功率元件封装结构，其特征在于，该导电高分子层的材料为聚二氧乙基噻吩。
45.根据权利要求22所述的功率元件封装结构，其特征在于，更包括导电高分子层设置于该上金属层与该介电材料层之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |