CN103311197A - 用于功率模块的基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板可以包括金属基板，形成于金属基板上的绝缘层以及形成于绝缘层上的电路层，所述绝缘层包括多层绝缘粘结层以及形成于多层绝缘粘结层之间的连接界面上的陶瓷填料层。该用于功率模块的基板由于具有高的导热系数，因此能够提高散热效率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月8日提交的、题为“用于功率模块的基板（Substrate for Power Module）”的韩国专利申请No.10-2012-0024043的优先权，将该申请的全部内容引入本申请中以作参考。
技术领域
本发明涉及一种用于功率模块的基板。
背景技术
随着全世界能源消耗量的增加，有效利用有限的能源已经引起显著的关注。因此，在现有的消费者/工业产品中用于有效转化能源的智能功率模块的逆变器已经应用，且已经以加速的方式被采用。
同时，正如在专利文件1中所公开的，具有多种结构的功率模块逐渐被应用，市场需要具有更高集成化、更高容量和小型化的功率模块。结果，功率模块的更高集成化会引起如在电子元器件中产生热量并破坏整体模块的性能的问题。
因此，为了确保功率模块增长的效率和高的可靠性，就需要一种高散热的封装结构以克服上述的如产生热量的问题。
专利文件
（专利文件1）US 6,432,750 B 2002.08.13
发明内容
本发明致力于提供一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板由于具有高的导热系数，因此能够提高散热效率。
根据本发明的一种优选的实施方式，提供一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板包括：金属基板（metal base substrate）；形成于该金属基板上的绝缘层，并且所述绝缘层包括多层绝缘粘结层以及形成于多层绝缘粘结层之间的连接界面上的陶瓷填料层；以及形成于绝缘层上的电路层。
其中，陶瓷填料层可以以陶瓷填料均匀地形成在多层绝缘粘结层之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
而且，包含在陶瓷填料层中的陶瓷填料的含量可以为80%-93%。
此外，陶瓷填料可以选自由氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）或它们的组合组成的组。
而且，陶瓷填料层可以通过放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层中的方式形成。
而且，绝缘粘结层可以选自由预浸料、环氧树脂（epoxy）、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
而且，金属基板可以由铝（Al）、铜（Cu）、铁（Fe）或钛（Ti）制得。
根据本发明的另一种优选的实施方式，提供一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板包括：金属基板，形成于金属基板上的绝缘层，并且所述绝缘层包括多层绝缘粘结层以及形成于多层绝缘粘结层之间的连接界面上的陶瓷填料层；以及形成于绝缘层上的电路层，其中，多层绝缘粘结层包括第一陶瓷填料。
其中，陶瓷填料层可以以第二陶瓷填料均匀地形成于多层绝缘粘结层之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
此外，包含在陶瓷填料层中的第二陶瓷填料的含量可以为80%-93%。
而且，第一陶瓷填料和第二陶瓷填料可以选自由氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）或它们的组合组成的组。
而且，第一陶瓷填料的粒径可以小于第二陶瓷填料的粒径。
而且，陶瓷填料层可以以放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层中的方式形成。
而且，绝缘粘结层可以选自由预浸料、环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
而且，金属基板可以由铝（Al）、铜（Cu）、铁（Fe）或钛（Ti）制得。
附图说明
从下文结合附图的详细描述中，将会更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征及优点，其中：
图1为根据本发明的一种实施方式的一种用于功率模块的基板的结构的横截面图；
图2和图3为详细描述图1中的绝缘层的第一种实施方式的横截面图；
图4和图5为详细描述图1中的绝缘层的第二种实施方式的横截面图；以及
图6和图7为根据本发明的一种实施方式的陶瓷填料含量的实验数据图。
具体实施方式
从下文结合附图的详细描述的优选实施方式中，将会更清楚地理解本发明的目的、特征及优点。附图中，相同的附图标记用于指定相同或相似的器件，并省略其中多余的说明。而且，在下面的描述中，术语“第一”，“第二”，“一侧”，“另一侧”以及类似的词语用于将特定的器件区别于其他器件，然而，这些器件的结构不限于这些术语。此外，在本发明的描述中，当确定现有技术的详细描述会模糊本发明的要点时，其描述将被忽略。
在下文中，本发明的优选实施方式将会参照附图进行详细描述。
用于功率模块的基板-第一种实施方式
图1为根据本发明的一种实施方式的用于功率模块的基板的结构的横截面图，以及图2和图3为详细描述了图1中的绝缘层的一种实施方式的横截面图。
如图1至图3所示，用于功率模块的基板100可以包括：金属基板110，形成于金属基板110上的绝缘层120，以及形成于绝缘层120上的电路层130。其中，绝缘层120包括多层绝缘粘结层121a，121b，和121c（在下文中，称作“121”）以及形成于多层绝缘粘结层121之间的连接界面上的陶瓷填料层123，123a和123b。
其中，金属基板110可以由铝（Al）、铜（Cu）、铁（Fe）或钛（Ti）制得，而且本发明不局限于其中。
此外，金属基板110可以根据用途加工成多种厚度和尺寸。
在这种情况下，由于金属基板110可以形成多种厚度，不使用向下结构（down-set structure）的引线框架（lead frame）可以被应用，从而，显著提高可加工性。
此外，如图2和图3所示，绝缘层120可以通过如下方式形成：形成第一绝缘粘结层121a，陶瓷填料的涂层均匀地应用在第一绝缘粘结层121a的整个表面上，以及第二绝缘粘结层121b层压在喷涂有陶瓷填料的第一绝缘粘结层121a上。
在这种情况下，绝缘粘结层121、121a以及121b可以选自由预浸料、环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
此外，作为将陶瓷填料涂层应用于绝缘粘结层上的方法，可以使用如将陶瓷颗粒通过喷涂的喷涂方法，通过将陶瓷填料颗粒粘结在通过静态充电的聚合物薄膜上的静态法，然后将聚合物薄膜转移到第一绝缘粘结层，或者将预浸料薄膜连接的预浸料连接方法，以使陶瓷填料含量达到80%-93%。
根据需要层压的绝缘粘结层的数量和需要层压的排列的陶瓷填料层的数量来确定每个绝缘粘结层121，121a，121b的厚度。
如图2和图3所示，陶瓷填料层123可以通过放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层（例如，第一绝缘粘结层121a或第二绝缘粘结层121b）中的方式形成。
陶瓷填料层123可以由在图2中所示的单层123或如图3所示的等于或多于两层的多层123a和123b组成。
此外，陶瓷填料层123可以通过陶瓷填料均匀地形成在多层绝缘粘结层121之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
在这种情况下，包含在陶瓷填料层123中的陶瓷填料的含量可以为80%-93%。也就是说，与在同一平面上形成的绝缘粘结层相比，80%-93%的陶瓷填料可以包含在陶瓷填料层123中。
同时，如图6所示，根据本发明的一种实施方式，即使当包含在绝缘材料（例如，环氧树脂）中的陶瓷填料的含量（在同一平面上均匀地形成）为80%-93%（如图6中A所示），仍然可以保持等于或大于1.2kgf的粘着力，而且由于陶瓷填料的含量增加，粘着力的变化几乎难以察觉，从而确保了可靠性。1.2kgf是在制造基板的过程中金属和绝缘材料之间的粘着力参考值。
相反，在现有技术中（如图6中B所示），发现随着包含在绝缘材料中的陶瓷填料的含量增加，粘着力显著下降，使得粘着力下降至1.2kgf或以下，1.2kgf是粘着力的参考值。
此外，如图7所示，根据本发明的一种实施方式，即使当包含在绝缘材料（例如，环氧树脂）中的陶瓷填料的含量（在同一平面上均匀地形成）为80%-93%（如图7中C所示），仍然可以保证等于或大于2.5kV的隔离电压，2.5kV大于将基板100用于功率模块的参考值1.5kV。
相反，在现有技术中（如图7中D所示），随着包含在绝缘材料中的陶瓷填料含量的增加，隔离电压显著下降，使得隔离电压减少至1.5kV或以下，1.5kV是参考值。因此，基板100不能用于功率模块。
正如上面所述，根据本发明，尽管陶瓷填料的含量增加，但用于功率模块的基板100可以用于功率模块，因此，由于陶瓷填料，散热性能改善，和功率模块封装的小型化，高度集成化，以及高容量都可以获得。
此外，陶瓷填料可以选自由氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）或它们的组合组成的组，并且本发明不局限于其中。
此外，电路层130可以形成于绝缘层120上，并且喷砂方法，化学刻蚀方法，或抛光方法可以用于在连接界面侧面的铜箔，以提高与绝缘层的连接强度。
此外，上述金属基板110，绝缘层120，以及电路层130可以使用高温和高压的压法连接，而且本发明不局限于其中。
用于功率模块的基板-第二种实施方式
图4和图5是显示图1中的绝缘层的第二种实施方式的横截面图，并且参考图1，将描述第二种实施方式。
然而，与第一种实施方式相同的结构将被省略，并且仅描述不同于上述的结构。
如图1，图4和图5所示，用于功率模块的基板100可以包括金属基板110，形成于金属基板110上的绝缘层120，以及形成于绝缘层120上的电路层130。其中，绝缘层120可以包括多层绝缘粘结层121a，121b和121c（下文中，称作“121”）以及形成于多层绝缘粘结层121之间的连接界面上的陶瓷填料层123，123a和123b。
在这种情况下，多层绝缘粘结层121可以包括第一陶瓷填料125。
此外，金属基板110可以由铝（Al）、铜（Cu）、铁（Fe）或钛（Ti）制得。
此外，绝缘粘结层121可以选自由预浸料、环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
此外，陶瓷填料层123可以以第二陶瓷填料均匀地形成在多层绝缘粘结层121之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
在这种情况下，包含在陶瓷填料层123中的陶瓷填料含量可以为80%-93%。
此外，第一陶瓷填料和第二陶瓷填料可以选自由氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）或它们的组合组成的组。
此外，如图4和图5所示，陶瓷填料层123可以以放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层121中的方式形成。
陶瓷填料层123可以由图4中所示的单层123，或如图5所示的等于或大于两层的多层123a和123b组成。
此外，第一陶瓷填料125的粒径可以小于第二陶瓷填料的粒径（包含在陶瓷填料层123中的填料）。
根据本发明的实施方式，用于功率模块的基板100可以具有优良的散热性能，使得当基板100用于功率模块封装时，由产生大量热的元件（例如电源元件）产生的热可以被有效消除。因此，对于易产生热量的控制元件的影响可以降低，因而改善了产品的可靠性和在使用期限的驱动特性（drivingcharacteristics）。
此外，根据本发明的实施方式，用于功率模块的基板100可以控制铜结合金属（Copper Bonded Metal）（CBM）基板的金属基板具有多种厚度，以使可以在没有采用向下结构时，使用引线框架，从而显著提高模块制造的可加工性。
此外，根据本发明的实施方式，在用于功率模块的基板上形成自由金属电路的配线是可能的，从而显著改善模块设计的自由度。
正如上面所述，根据本发明的实施方式，用于功率模块的基板可以采用由金属和多层陶瓷填料层制得的基板，以使由功率模块产生的热量可以通过陶瓷填料层被有效地传导，从而提高用于功率模块的基板的散热性能。
此外，根据本发明的实施方式，绝缘层可以由多层陶瓷填料层组成，由此使得，与形成分离的散热基板的现有技术相比，可以通过简单的工艺获得小型化和改善的散热性能的用于功率模块的基板。
尽管为说明的目的公开了本发明的实施方式，但应了解本发明不局限于其中，且本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围和主旨下，可进行各种修改，增加和替换。
因此，任何和所有修改，变化或者等同的排列都应考虑包含在本发明的范围内，并且本发明的详细范围将在所附权利要求中公开。
Claims (15)
1.一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板包括：
金属基板；
形成于金属基板上的绝缘层，并且所述绝缘层包括多层绝缘粘结层以及形成于所述多层绝缘粘结层之间的连接界面上的陶瓷填料层；以及
形成于所述绝缘层上的电路层。
2.根据权利要求1所述的用于功率模块的基板，其中，所述陶瓷填料层以陶瓷填料均匀地形成在所述多层绝缘粘结层之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
3.根据权利要求2所述的用于功率模块的基板，其中，包含在所述陶瓷填料层中的陶瓷填料的含量为80%-93%。
4.根据权利要求2所述的用于功率模块的基板，其中，所述陶瓷填料选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、二氧化硅、碳化硅或它们的组合组成的组。
5.根据权利要求1所述的用于功率模块的基板，其中，所述陶瓷填料层以放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层中的方式形成。
6.根据权利要求1所述的用于功率模块的基板，其中，所述绝缘粘结层选自由预浸料、环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
7.根据权利要求1所述的用于功率模块的基板，其中，所述金属基板由铝、铜、铁或钛制得。
8.一种用于功率模块的基板，该用于功率模块的基板包括：
金属基板；
形成于金属基板上的绝缘层，并且所述绝缘层包括多层绝缘粘结层以及形成于多层绝缘粘结层之间的连接界面上的陶瓷填料层；以及
形成于绝缘层上的电路层；
其中，所述多层绝缘粘结层包括第一陶瓷填料。
9.根据权利要求8所述的用于功率模块的基板，其中，所述陶瓷填料层以第二陶瓷填料均匀地形成在多层绝缘粘结层之间的连接界面的整个表面上的方式形成。
10.根据权利要求9所述的用于功率模块的基板，其中，包含在所述陶瓷填料层中的所述第二陶瓷填料的含量为80%-93%。
11.根据权利要求9所述的用于功率模块的基板，其中，所述第一陶瓷填料和第二陶瓷填料选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、二氧化硅、碳化硅或它们的组合组成的组。
12.根据权利要求9所述的用于功率模块的基板，其中，所述第一陶瓷填料的粒径小于第二陶瓷填料的粒径。
13.根据权利要求8所述的用于功率模块的基板，其中，所述陶瓷填料层以放在同一平面上的陶瓷填料渗透至与陶瓷填料相邻的绝缘粘结层中的方式形成。
14.根据权利要求8所述的用于功率模块的基板，其中，所述绝缘层选自由预浸料、环氧树脂、聚酰亚胺、液晶聚合物或它们的组合组成的组。
15.根据权利要求8所述的用于功率模块的基板，其中，所述金属基板由铝、铜、铁或钛制得。
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