CN104716128B - 功率模块、电源变换器以及功率模块的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种功率模块、电源变换器以及功率模块的制造方法。功率模块包含散热基板、第一平面型功率元件、第二平面型功率元件。第一平面型功率元件包含多个电极,均位于第一平面型功率元件的上表面。第二平面型功率元件包含多个电极,均位于第二平面型功率元件的上表面。第一平面型功率元件的下表面与第二平面型功率元件的下表面分别设置在散热基板的上方。

Description

功率模块、电源变换器以及功率模块的制造方法

技术领域

本发明是有关于一种功率模块,且特别是有关于一种应用于电源变换器的功率模块。

背景技术

高效率和高功率密度一直是业界对电源变换器的要求。高效率代表着减少能耗,并有效利用能源以利于节能减碳与保护环境。高功率密度则代表着体积小、重量轻,减少空间需求,进而减少成本。

电源变换器的能耗主要来自通态损耗和开关损耗,特别是有源元件的开关损耗。开关损耗受工作频率的影响较大。电源变换器,特别是开关电源变换器,为降低音频噪音,其工作频率通常在20kHz以上。其实际工作频率的选择受无源元件特别是磁元件的影响较大。若磁性元件体积小,为了稳定工作,通常需要高频率来降低其工作磁通密度,从而带来高开关损耗;或者减小磁性元件中线组的线径并增加匝数,从而增加通态损耗。

相反地,若磁性元件体积大,则可以在保证稳定工作的前提下降低工作频率从而降低开关损耗;也可以增加磁性元件中线组的线径或者减小匝数,从而降低通态损耗,以降低总损耗,得到高效率。

因此,提升电源内部的空间利用率,是得到高功率密度或者高效率的关键因素之一。空间利用率越高,留给对电源变换效率很重要的无源元件,例如是磁性元件、电容等的空间就越大,就更容易使用到大体积的无源元件,从而提升电源效率。另外,还可通过使用大体积的无源元件来增加电源总功率,从而提升电源变换器的功率密度。所以,高的电源空间利用率,更易于在特定功率密度下达成高效率或者在特定效率下达成高功率密度,也有机会高功率密度和高效率兼顾。

另外,半导体元件是决定电源变换器效率的重要因素之一。但使用半导体元件,不可避免地需要使用对电源变换效率无益的额外材料,如:保护半导体的封装材料、帮助散热的散热器、固定半导体元件的夹具等等。这些材料在电源变换器内部的比例越大,电源转换器的内部空间利用率就越差。正因为此,功率半导体元件占用的空间体积,占电源转换器总体积的比重也越来越大,也越来越被重视。为进一步提升电源转换器的性能,需要继续提高空间利用率,而半导体元件本身的封装空间利用率便成为了瓶颈。

集成功率模块(Integrated Power Module,IPM),将多个半导体元件(如功率元件、控制元件与驱动元件等)集成在一个元件封装里,借此提升封装内的空间利用率。集成功率模块具备使用方便、平均无故障时间长等优势,在很多场合被应用。由于集成功率模块将多个功率元件集中在一起,热量多且分布在多处,其热管理因此变得很关键。众多现有技术用以改善集成功率模块的散热能力。

请参照图1a,图1a是绘示传统一种功率模块100a的示意图。如图1a所示,功率模块100a包含第一功率元件11、第二功率元件12、基板13、接合引线14(bonding wire)、引线框架15(leadframe)、以及模封材料16(molding compound)。基板13为覆铜陶瓷基板(DirectBonded Copper,DBC),利用导热性佳的铜片131与高绝缘性的陶瓷基板132所形成。通过在覆铜陶瓷基板上形成电路图形,然后安装各个功率元件11、12在覆铜陶瓷基板上,然后针对第一功率元件11、第二功率元件12上部分的电极使用接合引线14完成第一/第二功率元件11、12的正面电极和覆铜陶瓷基板和引线框架15的电性连接,最后再灌入模封材料16包覆需要保护的区域,达到防尘、防潮、电性绝缘等功用。

然而,由于所有功率元件均需安装至覆铜陶瓷基板,因此所需的覆铜陶瓷基板的面积比较大,然而覆铜陶瓷基板的价格比较昂贵,因此相对地增加了整个封装模块所需的成本。另外,通常作为陶瓷基板132的材料为三氧化二铝,其导热系数为24W/m.k左右,相较于直接使用模封材料(其导热系数通常低于1W/m.k)已经获得很大的改善,但是和金属(如铜的导热系数为400W.m.k)的导热特性相比仍然有很大的差距,以致于覆铜陶瓷基板其横向热扩散的能力不佳,导致其热均匀性也不佳。因此,在传统的作法上通常会额外增加散热器来提升热均匀的能力以及扩大散热面积。

请参照图1b,图1b是绘示传统另一种功率模块100b的示意图。类似于图1a的功率模块100a,功率模块100b包含第一功率元件11、第二功率元件12、与基板13,其中基板13为覆铜陶瓷基板,且第一功率元件11与第二功率元件12设置在基板13上。另外,基板13的另一侧另设置散热单元17(如散热器)。散热器可以为热的良导体材料组成,如铜、铝、或石墨等材料,进而使得功率模块100b的均温性能大幅提升。

然而,由于覆铜陶瓷基板具备高耐压能力,需要配置较厚的模封材料来保证整体的绝缘耐压。由于其散热能力较好,通常被设计于热密度较高的场合,并且通过螺丝固定附加的散热器。因为是高耐压封装,螺丝孔也需要配合耐压,导致螺丝孔实际占有空间较大。例如3mm的螺丝孔径,通常会占用5mm以上的面积以保证功率模块的耐压需求,导致功率模块的空间利用率降低。

另外,功率模块100b还包含控制/驱动元件18。由于控制元件和驱动元件本身的功耗通常都不高,对温度又比较敏感,因此通常通过热绝缘层19(如印刷电路板(PrintedCircuit Board,PCB)、模封材料等)设置在散热单元17上。热绝缘层19可以通过粘结、填充或者在表面上镀膜等方式生成。最后,通过接合引线14完成第一功率元件11、第二功率元件12、控制/驱动元件18、基板13和引线框架15间的电性连接,再灌入模封材料16,完成封装功率模块100b。借此,自身功耗小且对热敏感的元件同样可集成到功率模块中且减少被功率元件的高温影响,增加了功率模块的空间利用率。

虽然将控制元件或驱动元件通过热绝缘层设置在散热器上可以增加功率模块的空间利用率。然而,上述使用覆铜陶瓷基板产生的问题仍然没有解决。另外,功率模块的外壳(未绘示于图1b)通常是设计成绝缘的,以简化散热器的安装和选择。因此,即便外壳是电良导体(如铜),其往往也被设计成电绝缘。据此,功率模块内的金属材料(如铜层),仅仅被用作导电或者散热的单一功用,而没有同时利用其导电与散热的特性,使得材料的特性并没有完全应用到。

综上所述,目前功率模块的设计依然有着各类问题:如散热性能不佳、材料浪费、可靠性设计困难、电性能未能充分发挥、过于强调设计的通用性而导致过度设计(overdesign)、经济性能不高等问题。特别是其空间利用率不足,限制了其在高功率密度或者高效率场合的应用。因此,为进一步提升电源变换器的功率密度或者变换效率,需要具有高空间利用率及合理成本的功率模块解决方案。

发明内容

为了解决上述的问题,本发明提出具有较高空间利用率的功率模块,通过将平面型功率元件直接设置在散热基板上所形成的功率模块,不仅可以有效地提高空间利用率,并且省去额外设置覆铜陶瓷基板所需的成本,而功率模块的散热性也一并提升,使得电源变换器的高功率密度或是高效率得以实现,并且有效地提升电源变换器转变电能的效能。

本发明的一方面是关于一种功率模块,功率模块包含散热基板、第一平面型功率元件以及第二平面型功率元件。其中第一平面型功率元件包含多个电极均位于第一平面型功率元件的上表面,第二平面型功率元件包含多个电极均位于第二平面型功率元件的上表面,而第一平面型功率元件的下表面与第二平面型功率元件的下表面分别设置在散热基板的上方。

依据本发明一实施例,前述散热基板是由导电的热良导体的材料制成。

依据本发明一实施例,前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件中至少一者为氮化镓功率元件。

依据本发明一实施例,前述功率模块包含导热电绝缘层介于前述第一平面型功率元件的下表面与前述散热基板之间,前述第二平面型功率元件的下表面设置于前述散热基板上。

依据本发明一实施例,功率模块还包含至少一平面型元件,至少一平面型元件与前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件并列并且设置在前述散热基板上。

依据本发明一实施例,前述至少一平面型元件为驱动芯片或控制芯片。

依据本发明一实施例,功率模块还包含垂直型元件,垂直型元件直接设置在前述第一平面型功率元件或前述第二平面型功率元件的电极上,或者前述垂直型功率元件与前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件并列并且设置在前述散热基板上。

依据本发明一实施例,功率模块还包含多个引脚,而前述第一平面型功率元件的电极以及前述第二平面型功率元件的电极,分别连接至对应的引脚。

依据本发明一实施例,前述引脚包含输入电压引脚以及至少一输出电压引脚,前述第一平面型功率的漏极电极电性连接输入电压引脚以及其源极电极电性连接至少一输出电压引脚,前述第二平面型功率元件的漏极电极电性连接至少一输出电压引脚以及其源极电极电性连接前述散热基板。

依据本发明一实施例,功率模块还包含电容。电容的一端设置并直接连接于前述散热基板上,另一端设置并直接连接于前述输入电压引脚上。

依据本发明一实施例,功率模块还包含电容设置在前述第一平面型功率元件的上表面与前述第二平面型功率元件的上表面。电容的一端设置并直接连接于前述第一平面型功率元件的漏极电极,另一端设置并直接连接于前述第二平面型功率元件的源极电极。

依据本发明一实施例,前述第一平面型功率元件与前述第二平面型功率元件设置于同一芯片上。

依据本发明一实施例,功率模块还包含电容以及电路板。电容、前述散热基板和前述引脚设置于电路板上,电容的一端电性连接于前述散热基板,另一端电性连接于前述输入电压引脚。

依据本发明一实施例,功率模块还包含至少一开关元件。至少一开关元件电性连接前述第一平面型功率元件或前述第二平面型功率元件的前述电极。

依据本发明一实施例,前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件中至少一者为常开型元件,以及前述至少一开关元件为常闭型元件。

依据本发明一实施例,前述至少一开关元件为常闭型硅元件或是常闭型氮化镓元件。

依据本发明一实施例,前述第一平面型功率元件的耐压程度与前述第二平面型功率元件的耐压程度大约相等,并且至少是前述至少一开关元件的耐压程度的两倍以上。

依据本发明一实施例,前述至少一开关元件包含第一开关元件和第二开关元件。第一开关元件的一端电性连接前述第一平面型功率元件的源极电极,另一端电性连接前述第二平面型功率元件的漏极电极。第二开关元件的一端电性连接前述第二平面型功率元件的源极电极,另一端电性连接接地端。

依据本发明一实施例,前述至少一开关元件包含开关元件,开关元件具有第一端以及第二端。第一端电性连接前述第二平面型功率元件的源极电极。功率模块还包含第一电容和第二电容。第一电容的一端电性耦接前述第一平面型功率元件的漏极电极,另一端电性耦接开关元件的第二端。第二电容的一端电性耦接前述第一平面型功率元件的漏极电极,另一端电性耦接前述第二平面型功率元件的源极电极。

依据本发明一实施例,功率模块还包含电路板。前述第一电容、前述散热基板、和前述引脚设置于电路板上。前述第一电容邻近于前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件。

依据本发明一实施例,前述第二电容设置在前述第一平面型功率元件的上表面和前述第二平面型功率元件的上表面。

依据本发明一实施例,前述引脚包含第一输入电压引脚。前述第二电容设置于第一输入电压引脚和前述散热基板上。

依据本发明一实施例,前述引脚包含第一输入电压引脚和第二输入电压引脚。前述第一平面型功率元件的漏极电极电性连接第一输入电压引脚。前述开关元件的第二端电性连接第二输入电压引脚。前述第二平面型功率元件的源极电极电性连接前述散热基板。

依据本发明一实施例,其中前述开关元件与前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件并列以及直接设置在前述散热基板上。

依据本发明一实施例,其中前述开关元件设置于前述第一平面型功率元件的上表面或前述第二平面型功率元件的上表面。

依据本发明一实施例,功率模块还包含至少一平面型元件、至少一第一电容和绝缘层。至少一平面型元件以及至少一第一电容设置在绝缘层上,且绝缘层设置在前述散热基板上。

依据本发明一实施例,功率模块还包含第二电容。第二电容设置在前述第一平面型功率元件的上表面和前述第二平面型功率元件的上表面。

依据本发明一实施例,功率模块还包含至少一开关元件。至少一开关元件设置在前述绝缘层上。前述散热基板与前述引脚位于前述绝缘层同侧。

依据本发明一实施例,功率模块还包含至少一开关元件。至少一开关元件设置在前述绝缘层上。前述散热基板与前述引脚位于前述绝缘层两侧。

依据本发明一实施例,功率模块包含模封材料包覆前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件。

依据本发明一实施例,前述模封材料还包覆前述至少一平面型元件、前述至少一开关元件以及前述至少一第一电容。

依据本发明一实施例,模封材料覆盖在前述绝缘层上。模封材料还包覆前述多个引脚的部分。

依据本发明一实施例,功率模块还包含散热器,前述散热基板固定于该散热器上。

依据本发明的另一方面是关于一种电源变换器,包含前述功率模块、电源输入端以及电源输出端。电源输入端连接前述功率模块,电源输出端连接前述功率模块。电源输入端接收输入电压,通过功率模块转换成输出电压并经由电源输出端输出。

依据本发明一实施例,电源变换器包含散热器。散热器设置并紧邻于前述功率模块的前述散热基板。

依据本发明的另一方面是关于一种功率模块的制造方法,包含:提供第一平面型功率元件、第二平面型功率元件与散热基板,将第一平面型功率元件与第二平面型功率元件设置在散热基板的上方;提供绝缘层,设置至少一平面型元件、至少一电容与多个引脚在绝缘层上;覆盖绝缘层在散热基板上,并且使绝缘层包覆第一平面型功率元件与第二平面型功率元件;以及连接第一平面型功率元件、第二平面型功率元件、至少一平面型元件与至少一电容至对应的位置上。

依据本发明一实施例,制造方法还包含:覆盖模封材料在前述绝缘层上,使模封材料包覆前述至少一平面型元件、前述至少一电容与前述多个引脚的部分。

依据本发明一实施例,制造方法还包含:设置至少一开关元件在前述绝缘层上,且连接至少一开关元件至对应的位置;覆盖模封材料在前述绝缘层上,使模封材料包覆前述至少一平面型元件、前述至少一电容、至少一开关元件与前述引脚的部分。

依据本发明一实施例,制造方法还包含:提供一散热器以及固定前述散热基板在散热器上。

依据本发明一实施例,其中通过图刷或点胶技术,将焊料或粘着剂附着在前述第一平面型功率元件以及前述第二平面型功率元件的下表面,以焊接或粘结等方式分别将前述第一平面型功率元件以及前述第二平面型功率元件设置在前述散热基板上。

依据本发明一实施例,其中连接前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件、前述平面型元件与前述电容至对应的前述引脚的连接方式为引线结合(wirebonding)或焊接。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂,所附附图的说明如下:

图1a是绘示传统一种功率模块的示意图;

图1b是绘示传统另一种功率模块的示意图;

图2a是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图2b是依据图2a的功率模块绘示的俯视图;

图2c是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图2d是依据图2c的功率模块绘示的俯视图;

图2e是依据本发明一实施例绘示的半桥式转换电路的电路图;

图2f是依据本发明另一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图3是依据本发明一实施例绘示的一种氮化镓功率元件的示意图;

图4a是依据本发明一实施例绘示的另一种半桥式转换电路的电路图;

图4b是依据图4a的功率模块绘示的一种功率模块的剖面图;

图4c是依据图4b的功率模块绘示的俯视图;

图4d是依据图4a的功率模块绘示的另一种功率模块的剖面图;

图4e是依据图4d的功率模块绘示的俯视图;

图4f是依据图4a的功率模块绘示的另一种功率模块的剖面图;

图4g是依据图4f的功率模块绘示的俯视图;

图4h是依据图4a的功率模块绘示的另一种功率模块的剖面图;

图5a是依据本发明一实施例绘示的一种半桥式转换电路的电路图;

图5b是绘示依据本发明一实施例的一种功率模块的电路图;

图6是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的电路图;

图7是依据本发明一实施例绘示的一种开关元件的电路图;

图8a是依据图6的电路图绘示的一种功率模块的剖面图;

图8b是依据图8a的功率模块绘示的俯视图;

图8c是依据图6的电路图绘示的一种功率模块的剖面图;

图8d是依据图6的电路图绘示的一种功率模块的剖面图;

图9是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图10a是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图10b是依据图10a中的功率模块绘示的俯视图;

图10c是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图10d是依据图10c中的功率模块绘示的俯视图;

图10e是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图10f是依据图10e中的功率模块绘示的俯视图;

图10g是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图10h是依据本发明一实施例绘示的一种功率模的剖面图;

图10i是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块的剖面图;

图11是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器的示意图;

图12a是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器的示意图;

图12b是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器的示意图;

图13a~图13f是依据本发明一实施例中绘示的制造功率模块的流程示意图;以及

图14是依据本发明一实施例绘示的一种半桥电路的电路图。

具体实施方式

下文是举实施例配合所附附图作详细说明,但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围,而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序,任何由元件重新组合的结构,所产生具有均等功效的装置,皆为本发明所涵盖的范围。此外,附图仅以说明为目的,并未依照原尺寸作图。

请参照图2a与图2b,图2a是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块200a的剖面图,图2b是依据图2a的功率模块200a绘示的俯视图。如图2a、图2b所示,功率模块200a包含至少一第一平面型功率元件21、至少一第二平面型功率元件22、散热基板23以及多个引脚24(pin)。为了方便以及清楚说明,在本实施例以及下述实施例均以两个平面型功率元件为例进行说明,但各个实施例并不以此为限。第一平面型功率元件21的栅极电极G1、漏极电极D1、源极电极S1均位于第一平面型功率元件21的上表面上,第二平面型功率元件22的栅极电极G2、漏极电极D2、源极电极S2则均位于第二平面型功率元件22的上表面上。在本实施例中,采用图刷或点胶技术,将焊料或粘着剂附着在第一平面型功率元件21以及第二平面型功率元件22的下表面,通过焊接、粘接等导热能力较好的方式将第一平面型功率元件21的下表面以及第二平面型功率元件22的下表面分别设置在散热基板23的上方。散热基板23可以是由导电的热良导体的材料制成的散热器,例如铜、铝、或石墨等材料。在本实施例中,第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22均通过焊料25(solder)焊接在散热基板23上,然本实施例并不限制其连接方式。为了方便说明,之后的实施例均采用焊接的方式连接各个功率元件在散热基板上,但各个实施例并不以此连接方式为限。

请一并参照图3,图3是依据本发明一实施例绘示的一种氮化镓(GaN)功率元件300的示意图,其中氮化镓功率元件300可用于图2a与图2b中的第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22。如图3所示,氮化镓功率元件300通常是平面型元件,和一般使用硅材料或是碳化硅(SiC)材料的垂直型元件不同,氮化镓功率元件300包含氮化镓材料层31所形成的三个电极,栅极电极G、漏极电极D与源极电极S,而这三个电极皆分布在同一面上。需要说明的是,本发明中所述的平面型元件指的是所有电极朝同一个方向设置。换句话说,所有电极位于平面型元件的上表面,平面型元件的下表面并未设置电极。另外,氮化镓功率元件300还包含基板32。基板32通常由硅或碳化硅材料组成,用以支撑氮化镓材料层31。而在氮化镓材料层31与基板32之间具有一第一绝缘层33,提供氮化镓功率元件300耐压与电性绝缘的特性。另外,在三个电极之间具有一第二绝缘层34,提供栅极电极G、漏极电极D、源极电极S之间的电气绝缘。进一步来说,氮化镓功率元件300的三个电极与基板32的下表面之间满足一定程度的电性绝缘。借此,氮化镓功率元件300的所有电极均位于氮化镓功率元件300的上表面,而氮化镓功率元件300的下表面则具有电绝缘的特性,不用于导电。

回到图2a与图2b,功率模块200a包含第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22,且两个平面型功率元件中至少一者为图3中的氮化镓功率元件300,在本实施例中第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22均为氮化镓功率元件,然本实施例并不以此为限。为了方便以及清楚说明,下述实施例中的第一平面型功率元件与第二平面型功率元件均为氮化镓功率元件,但各个实施例并不以此为限。

另外,第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22中至少其中一者为主动型功率元件。所述主动型功率元件为包含控制端的功率开关,如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或是绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)等开关元件。另外一个平面型功率元件也可以是主动型功率元件,或者是被动型功率元件,如二极体。再者,两个平面型功率元件中至少其中的一者为具有至少三个电极的有源开关元件。

由于氮化镓功率元件的电极与基板间有基本绝缘以及耐压的能力,也就是说在氮化镓功率元件内部形成了电性绝缘的热良导体,因此,可将第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22直接设置在散热基板23上,并且使用焊接的方式将第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22通过焊料25连接在散热基板23上方,然本实施例并不限制其连接的方式。换句话说,在第一/第二平面型功率元件21、22与散热基板23之间不用额外设置电性绝缘的材料,即可达到第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22之间电性区隔的效果。

传统采用垂直型功率元件的封装流程中,为了使两个功率元件电性区隔,在散热基板与垂直型功率元件之间还需要设置额外的电绝缘热良导体(如覆铜陶瓷基板)。在本实施例中,功率模块200a因采用图3中的氮化镓功率元件300,也就省去在封装流程中,为了区隔两个功率元件与散热基板之间所需要的电绝缘热良导体(如覆铜陶瓷基板)。借此,功率模块200a的结构不仅节省了使用电绝缘热良导体的成本,功率元件与散热基板之间的热阻亦进一步地减小。另外,还节省了封装电绝缘热良导体所占的空间,使得功率模块的空间利用率大幅增加。

另外,在图2a与图2b中,功率模块200a包含多个引脚24。如图2b所示,第一平面型功率元件21的栅极电极G1、漏极电极D1、与源极电极S1以及第二平面型功率元件22的栅极电极G2、漏极电极D2、与源极电极S2,则是分别连接至对应的引脚24上。第一/第二平面型功率元件21、22与引脚24彼此之间的连接方式可通过引线结合(wire bonding)或是铜片钎焊(copper strap bonding)等技术,在本实施例中,功率模块200a是采用引线结合的方式,将第一/第二平面型功率元件21、22上的各个电极通过接合引线26与对应的引脚24连接,但本实施例并不以此为限。进一步来说,在本实施例中,第一平面型功率元件21的栅极电极G1、漏极电极D1、源极电极S1以及第二平面型功率元件22的栅极电极G2、漏极电极D2、源极电极S2分别通过接合引线26与引脚24的G1、引脚24的D1、引脚24的S1、引脚24的G2、引脚24的D2、引脚24的S2电性连接,且第一平面型功率元件21的源极S1通过接合引线26与第二平面型功率元件22的漏极D2电性连接。为了方便说明,之后的实施例皆采用引线结合的方式连接各个元件与引脚,但各个实施例并不以此连接方式为限。

完成各个元件与引脚之间的电性连接后,在封装的过程中会灌入模封材料27(molding compound)以包覆需要保护的区域,使得功率模块200a达到防尘、防潮、电性绝缘等功用。为了方便说明,之后的实施例不再赘述此步骤。

由于散热基板23为电良导体,因此也可以当作一面积大的电极使用。请参照图2c与图2d,图2c是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块200b的剖面图,图2d是依据图2c的功率模块200b绘示的俯视图。在图2c、图2d中,第二平面型功率元件22的源极电极S2通过接合引线直接连接在散热基板23上,而不是另外连接其对应的引脚24。借此可减少功率模块200b所需引脚24的数量。进一步来说,由于当作电极用的散热基板23的电阻与电感都非常小,将第二平面型功率元件22的源极电极S2直接连接在散热基板23上除了让功率模块200b增加空间利用率外,还提升了电特性。

值得一提的是,当散热基板23并未当作电极使用时,散热基板23可以不必是导电材料组成,也就是散热基板23亦可以是绝缘的热良导体。然而,当散热基板23由导电材料组成时,为了有效利用其良导体的特性,因此可将散热基板23当作一电极使用。

由于散热基板面积比较大,且可能连接至功率模块外更大面积的散热器上,容易与大地产生一较大电容,而成为电磁干扰的一个途径。因此,散热基板应当接至一与大地相对稳定的电极。请参照图2e,图2e是依据本发明一实施例绘示的半桥式转换电路的电路图。如图2e所示,半桥式转换电路由第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22组成,其中第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22均为有源开关元件。功率模块200b中的第一平面型功率元件21的源极S1连接至第二平面型功率元件22的漏极D2,并且共同连接到输出电压端Vo。另外,第一平面型功率元件21的漏极D1连接至第一输入电压端Vbus+,第二平面型功率元件22的源极S2连接至第二输入电压端Vbus-,而第一输入电压端Vbus+与第二输入电压端Vbus-分别连接至输入电源Vin,用以实现转换电路的功能。

请一并参照图2d,第一平面型功率元件21的源极电极S1与第二平面型功率元件22的漏极电极D2通过接合引线连接至输出电压引脚Vo,需要说明的是,在本实施例中,第一平面型功率元件21的源极S1与第二平面型功率元件22的漏极D2通过接合引线分别连接到两个输出电压引脚Vo。另外,第一平面型功率元件21的漏极电极D1通过接合引线连接至第一输入电压引脚Vbus+,而第二平面型功率元件22的源极电极S2则是通过接合引线连接至散热基板23。在本实施例中,散热基板23可作为图2e中的第二输入电压端Vbus-使用。另外,亦可另外在图2d中加入第二输入电压引脚Vbus-(未绘示于图2d),将第二平面型功率元件22的源极电极S2通过接合引线连接于该第二输入电压引脚Vbus-。

另外,功率模块200b中的散热基板23亦可连接至第一输入电压引脚Vbus+,即第一平面型功率元件21的漏极电极D1亦可通过接合引线连接至散热基板23以连接到第一输入电压引脚Vbus+,而第二平面型功率元件22的源极电极S2则是通过接合引线连接至第二输入电压引脚Vbus-。简单来说,通过散热基板作为功率模块其中一个电极,除了具有较好的抗电磁干扰能力外,亦增加空间利用率以及良好的散热能力。另外,还可减少一个引脚使得功率模块的制作成本降低。

另外,在功率模块200b中,由于第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22承受的工作电压并不相同,且通常第一平面型功率元件21承受的工作电压高于第二平面型功率元件22承受的工作电压(因第一平面型功率元件21直接接收输入电压Vin)。因此,为了确保第一平面型功率元件21的下表面与其源极S1之间的耐压等级可以和第一平面型功率元件21的漏极D1和源极S1之间的耐压能力相当,可在第一平面型功率元件21和散热基板23之间另外设置导热电绝缘层。如图2f所示,图2f是依据本发明另一实施例绘示的一种功率模块200c的剖面图。第一平面型功率元件21和散热基板23之间还设置了导热电绝缘层28,避免功率模块200c接收过高的电压造成第一平面型功率元件21的损坏。另外,由于第二平面型功率元件22并未直接接收输入电压源,其耐压等级并不需要跟第一平面型功率元件21相同,因此仍可直接设置在散热基板23上。

由于氮化镓功率元件的开关速度很快,因此,封装后的功率模块其等效电感会造成开关损耗的增加,或是当开关断开时,因功率元件电压过高而影响功率模块的稳定性。因此,在设计如图2e中的转换电路时,通常需要设置一电容,以降低转换电路中桥臂的等效回路电感。

请参照图4a,图4a是依据本发明一实施例绘示的另一种半桥式转换电路的电路图。如图4a所示,半桥式转换电路中的功率模块400还包含一电容C跨接在输入电源Vin两端,亦即第一输入电压端Vbus+与第二输入电压端Vbus-,用以降低转换电路中桥臂的等效回路电感。请一并参照图4b与图4c,图4b是依据图4a的功率模块400绘示的一种功率模块400a的剖面图,图4c是依据图4b的功率模块400a绘示的俯视图。如图4b与图4c所示,功率模块400a中的散热基板23与引脚24还设置在电路板29上,而其连接方式同样可以是通过焊接或粘接等方式。在本实施例中,散热基板23与引脚24通过焊料25以焊接的方式连接在电路板29上,然本实施例并不限制其连接方式。需要说明的是,电路板可以是印刷电路板(PrintCircuit Board,PCB),或是可以是其它承载电子元件的电路板。

另外,电容C可设置于电路板29的上表面或下表面(在本实施例中,电容C设置于电路板29的上表面),通过焊料25(例如,焊锡)连接在散热基板23与第一输入电压引脚Vbus+之间,而散热基板23又连接至第二输入电压端Vbus-(未绘示于图4c),亦即,散热基板23与第二输入电压端Vbus-等电位。进一步来说,本实施例中的电容C设置于第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22的附近,使得电容C与桥臂形成的等效回路电感相当地小,通常可从数十毫微亨利(nH)降低到十几毫微亨利,有利于功率模块400a在高频下运作。

为了进一步降低回路电感,请参照图4d与图4e,图4d是依据图4a的功率模块400绘示的另一种功率模块400b的剖面图,图4e是依据图4d的功率模块400b绘示的俯视图。如图4d与图4e所示,电容C进一步直接设置在散热基板23与第一输入电压引脚Vbus+上,并且通过焊料25以焊接的方式将电容C连接在散热基板23与第一输入电压引脚Vbus+上。进一步来说,本实施例中的电容C设置于半桥式转换电路的第一输入电压端Vbus+与第二输入电压端Vbus-的位置相较于图4a和图4b中的功率模块400a中的电容C的设置位置离第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22要来得更近,其回路电感可进一步地降低,通常可从低于十毫微亨利以下。

虽然功率模块400b的等效电感已经得到很大地改善。然而,一个氮化镓元件通常由上万个氮化镓晶胞组成,而氮化镓元件各个区域与电容C(如图4d所示)所形成的回路大小并不一致,容易导致在开关过程中,氮化镓元件中的各个晶胞开关速度不一致而影响功率模块400b的性能。因此,在封装设计上,除了减少功率模块的回路电感之外,如何将各个回路均匀分配也是必须考虑的。

请参照图4f与图4g,图4f是依据图4a的功率模块400绘示的另一种功率模块400c的剖面图,图4g是依据图4f的功率模块400c绘示的俯视图。如图4f与图4g所示,电容C直接设置在第一平面型功率元件21以及第二平面型功率元件22的上表面上,其中电容C的一端直接连接在第一平面型功率元件21的漏极电极D1上,以及电容C的另一端直接连接在第二平面型功率元件22的源极电极S2上。借此,不仅让回路电感下降的同时,也保证了回路的均匀性,在本实施例中,功率模块400c的等效回路电感可进一步地减少到一毫微亨利以下。

请参照图4h,图4h是依据图4a的功率模块400绘示的另一种功率模块400d的剖面图。如图4h所示,功率模块400d中的第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22设置于同一芯片,亦即,两个平面型元件并未在晶圆中分割。在本实施例中,将紧邻的第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22直接设置在散热基板23上,而电容C则是如图4f中的功率模块400c的电容设置方式直接设置在第一平面型功率元件21以及第二平面型功率元件22的上表面上,其中电容C的一端直接连接在第一平面型功率元件21的漏极电极D1上,以及电容C的另一端直接连接在第二平面型功率元件22的源极电极S2上。

在同一个晶圆中,由于两个紧邻的平面型氮化镓功率元件仍然具有电绝缘的特性。因此,在切割晶圆时将两个紧邻的平面型氮化镓功率元件一并切下且不分割,亦即,让两个平面型氮化镓功率元件设置于同一芯片上,可使得两个元件间具有最小距离,如图4h所示。借此,功率模块400d除了增加空间利用率外,通过电容C的堆叠可使得电流在最小的回路中均匀地流动,使其等效回路电感得到最佳改善。

由于氮化镓元件通常为常开型元件,也就是在没有提供控制信号时,常开型元件是处于导通的状态。这也代表着当功率模块在待机的工作模式下,可能会产生电流流经功率模块上的各个元件,而当流经元件的非预期电流过大时,则可能进一步损坏功率模块上的元件。因此,为了让使用常开型元件的功率模块更加地稳定,通常在使用一个常开型元件时,会搭配一个传统的开关元件,也就是常闭型元件,也就是在没有提供控制信号时常闭型元件是处于截止的状态,来增加功率模块操作的稳定性。

请参照图5a,图5a是依据本发明一实施例绘示的一种半桥式转换电路的电路图。如图5a所示,半桥式转换电路中的功率模块500a包含第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22之外,还包含开关元件50,其中开关元件50的漏极D3连接输入电源Vin的一端,源极S3连接第一平面型功率元件21的漏极D1。第一平面型功率元件21的源极S1连接第二平面型功率元件22的漏极D2,第二平面型功率元件22的源极S2连接于输入电源Vin的另一端(亦即,接地端)。第一平面型功率元件21的源极S1与第二平面型功率元件22的漏极D2连接于输出端Vo。

在本实施例中,第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22至少其中的一者为常开型氮化镓元件,在本实施例中,第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22均为常开型氮化镓元件,但本实施例并不以此为限。开关元件50则为常闭型元件,一般常见如硅金氧半场效晶体管(SiMOS,简称硅元件)。值得一提的是,氮化镓元件亦可以作成常闭型元件,也就是开关元件50亦可以是常闭型氮化镓元件。在之后的实施例中若没特别提及,则常闭型元件均当作常见的硅元件。

另外,第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22以及开关元件50均为高压元件,即第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22以及开关元件50均可独自抵抗具有高压的输入电源Vin。当第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22并未处于工作模式时,开关元件50控制在截止的状态,防止第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22处于导通的状态时,流经的电流过大造成元件的损毁。而当第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22处于正常工作模式时,开关元件50控制在导通的状态,以降低功率模块500a的功耗。进一步来说,第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22工作于相对高频,而开关元件50则是工作于相对低频。

请参照图5b,图5b是绘示依据本发明一实施例的一种功率模块500b的电路图。如图5b所示,功率模块500b包含第一平面型功率元件51、第二平面型功率元件52、第一开关元件53、第二开关元件54以及电容C。类似地,第一平面型功率元件51与第二平面型功率元件52均为常开型氮化镓元件,而第一开关元件53与第二开关元件54均为常闭型硅元件(如硅金氧半场效晶体管,SiMOS)。第一平面型功率元件51的源极S1串接第一开关元件53的漏极D3,第一开关元件53的源极S3串接第二平面型功率元件52的漏极D2,第二平面型功率元件52的源极S2则是串接第二开关元件54的漏极D4,第一平面型功率元件51的漏极D1则是连接第一输入电压端Vbus+,第二开关元件54的源极S4连接第二输入电压端Vbus-,而电容C的一端连接第一输入电压端Vbus+以及另一端连接第二输入电压端Vbus-(亦即,接地端),第一开关元件53的源极连接第二平面型功率元件52的漏极连接输出端Vo。

由于第一开关元件53与第二开关元件54分别串接于第一平面型功率元件51的源极S1与第二平面型功率元件52的源极S2,其工作电压较低(为氮化镓元件的栅极电压最大值,通常小于20伏特),因此有别于功率模块500a,第一开关元件53与第二开关元件54均使用为低压元件,可进一步降低功率模块500b的功耗。

进一步来说,功率模块500b中的第一/第二平面型功率元件51、52与第一/第二开关元件53、54可以在两种模式下操作,第一种模式是第一/第二平面型功率元件51、52与第一/第二开关元件53、54同时操作在高频模式,借此,通过直接控制第一开关元件53与第二开关元件54即可控制第一平面型功率元件51与第二平面型功率元件52。第二种模式则是第一/第二平面型功率元件51、52操作在高频模式,而第一/第二开关元件53、54操作在低频模式,如同功率模块500a的操作模式。在第二种模式下,当第一/第二平面型功率元件51、52未处于工作状态时,第一/第二开关元件53、54控制在截止的状态,而当第一/第二平面型功率元件51、52处于正常工作状态时,第一/第二开关元件53、54则控制在导通的状态,以降低损耗。然而,这样的控制方法比较复杂。

请参照图6,图6是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块600的电路图。如图6所示,功率模块600包含第一平面型功率元件61、第二平面型功率元件62、开关元件63、第一电容C2以及第二电容C2。第一平面型功率元件61、第二平面型功率元件62与开关元件63串接,而第一电容C1电性连接第一平面型功率元件61的漏极D1与开关元件63的源极S3,第二电容C2电性连接第一平面型功率元件61的漏极D1与第二平面型功率元件62的源极S2

类似地,第一平面型功率元件61与第二平面型功率元件62中至少一者为常开型氮化镓元件,而开关元件63为常闭型硅元件。另外,第一平面型功率元件61与第二平面型功率元件62为高压元件且彼此的耐压等级大约相同,并且是开关元件63的耐压等级的2倍以上。由于第一/第二平面型功率元件61、62为高压元件可独立抵抗输入电压,因此当第一平面型功率元件61与第二平面型功率元件62尚未工作时,可以仅使用一个开关元件63来协助平面型功率元件保持在关闭的状态。

当开关元件63工作在低频模式时,则可通过集成第二电容C2的方式来降低回路电感,而当开关元件63工作在高频模式时,可通过集成第一电容C1来降低回路电感。然而,相对于图5b中的功率模块500b,功率模块600其回路涉及的元件数较少(少一个常闭型硅元件),因此其等效回路电感可再降低20%或者更多,更有利于功率模块于高频工作。

值得一提的是,图5a至图6中,各个功率模块的封装过程均包含至少两个常开型氮化镓芯片搭配至少一个常开型硅芯片以形成转换电路的桥臂。而利用多个芯片的组合来实现一个功能的元件,其组合仍可被当作一个元件,如图7所示。图7是依据本发明一实施例绘示的一种开关元件700的电路图,其中开关元件700通过一个高压的常开型氮化镓芯片71加上一个低压的常闭型硅芯片72的组合来实现。虽然开关元件700包含两个不同的元件,但开关元件700的等效功能仍为常闭型开关元件,因此仍然可以当作一个元件使用。

请一并参照图6、图8a和图8b,图8a是依据图6的电路图绘示的一种功率模块800a的剖面图,图8b是依据图8a的功率模块800a绘示的俯视图。值得一提的是,在本实施例中,开关元件63a亦为平面型元件。据此,在图8a和图8b中,第一平面型功率元件61、第二平面型功率元件62以及开关元件63a分别并列且直接设置在散热基板23上,其中开关元件63a的漏极电极D3与第二平面型功率元件62的源极电极S2连接,开关元件63a的源极电极S3则是连接至散热基板23上,此时的散热基板23作为第二输入电压引脚Vbus-,呈现出的电位为第二电压输入端Vbus-的电位。第二平面型功率元件62的漏极电极D2与第一平面型功率元件61的源极电极S1连接,以及各个元件上的各个电极与对应的引脚24相互连接,其连接方式可以是通过引线结合的方式完成。

另外,功率模块800a还包含电路板29,而散热基板23和引脚24设置在电路板29上。值得一提的是,功率模块800a中的电容C1和C2可以是上述实施例中的任何一种设置方式,本实施例并不以此为限。在本实施例中,第一电容C1设置在电路板29上,值得一提的是,电容C1可以设置于电路板29的上表面或下表面,在本实施例电容C1设置于电路板29的上表面,但并不以此为限。另外,第一电容C1的一端透过焊料25连接于散热基板23,另一端透过焊料25连接于第一输入电压引脚Vbus+,且第一电容C1邻近于第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22。第二电容C2设置在第一平面型功率元件61与第二平面型功率元件62的上表面并且分别与第一平面型功率元件61的漏极电极D1以及第二平面型功率元件62的源极电极S2直接连接。

在图6中的电路,由于开关元件63位于低压端。因此,在图8a中的开关元件63a的两个功率电极(亦即,源极S3或漏极D3)的其中的一者可与散热基板23连接,以降低电磁干扰的影响。另外,由于功率模块600中并未有其它常闭型硅元件设置于高压的位置,借此,功率模块800a中的开关元件63a的底层(bottom)并不会产生耐压不足的问题(因为开关元件63a为低压元件)。

请参照图8c,图8c是依据图6的电路图绘示的一种功率模块800b的剖面图。在本实施例中,开关元件63b采用垂直型元件(如垂直型Si MOS),亦即,垂直型元件的所有电极并未设置在同一面上,在本实施例中,开关元件63b的栅极电极G3和源极电极S3位于开关元件63b的上表面,而漏极电极D3则是位于开关元件63b的底层。如图8c所示,当开关元件63b直接设置在散热基板23上时,由于开关元件的底层为漏极电极D3,则与漏极电极D3连接的散热基板23的电位相当于图6电路中的电位Vp。在图6中,开关元件63的电压较低,所以当功率模块600工作时,开关元件63通常处于导通的状态,其电位Vp可当作为一相对稳定的电位,因此可以忽略其电磁干扰的影响。另外,将功率模块800b中的散热基板23上的电位设置于电位Vp上,并且第一平面型功率元件61、第二平面型功率元件62与开关元件63b直接并列设置在散热基板23上,将第二平面型功率元件62的源极电极连接至散热基板23上,可更有利于减少功率模块800b的回路长度,以降低其等效回路电感。另外,引脚24还包含另一输出电压引脚(未绘示于图8b),其中第二平面型功率元件62的源极电极电性连接另一输出电压引脚,提供功率模块800b另一个输出电压端。

在本实施例中,仅绘示第二电容C2的设置方式,而第一电容C1(未绘示于图8b)可以是上述实施例中的任何一种设置方式,在此并不赘述。在本实施例中第二电容C2设置在散热基板23与引脚24(亦即,第一输入电压引脚Vbus+)的上表面,然本实施例并不以此为限。

由于氮化镓功率元件搭配的开关元件通常为硅功率元件,而硅功率元件通常为低压元件,其基板与电极间的耐压程度与氮化镓功率元件的耐压程度难以匹配。因此部分的开关元件可另行设置。由于这些设置的开关元件通常只是为了搭配氮化镓功率元件的开关控制,而且损耗较少,因此在设置时可以不用考虑散热的需求。请参照图8d,图8d是依据图6的电路图绘示的一种功率模块800c的剖面图。如图8d所示,开关元件63b的漏极电极D3直接设置在第二平面型功率元件62的源极电极S2上,借此可有效利用空间。另外,在图8d中的功率模块800c并未绘示第一电容C1与第二电容C2,然第一电容C1与第二电容C2的设置方法可以是上述实施例中的任何一种设置方式,于此不再赘述。

请参照图9,图9是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块900的剖面图。功率模块900还包含至少一平面型元件91。为了方便说明,在图9中仅绘示一个平面型元件91,但本实施例并不以此为限。平面型元件91可以是控制芯片或是驱动芯片。为了实现更好的驱动性能和增加空间利用率,平面型元件91(控制/驱动元件)亦可与第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22并列并且直接设置散热基板23上。借此,功率模块900的驱动能力可达到更佳的性能,如驱动速度可从传统的数十毫微秒提升至十几毫微秒,甚至提升至数毫微秒。

在实际应用上,若欲在封装过程中将更多的元件如驱动元件、电流取样芯片、温度取样芯片(Negative Temperature CoeffiCient,NTC)等,集成在功率模块中,则可以将这些元件设置于一绝缘层上,绝缘层可以是印刷电路板。另外,绝缘层上覆有导电线路层,以帮助这些元件内部彼此互连。

请参照图10a与图10b,图10a是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110a的剖面图,图10b是依据图10a中的功率模块110a绘示的俯视图。功率模块110a包含第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22、散热基板23、开关元件63b、控制元件IC1、驱动元件IC2、电容C、多个引脚24、以及绝缘层111。控制元件IC1、驱动元件IC2皆为平面型元件。在本实施例中,第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22、开关元件63b、控制元件IC1、以及驱动元件IC2的数量均各为一个,然于本实施例中并不以此为限。

在本实施例中,功率模块110a包含两个平面型元件分别为控制元件IC1、以及驱动元件IC2。如图10a与图10b所示,由于开关元件63b、控制元件IC1、驱动元件IC2、以及电容C等这些元件并不需要太大的散热需求,因此这些元件可直接设置在绝缘层111上,绝缘层111可以是印刷电路板,且印刷电路板至少为两层板。绝缘层111上覆有导电线路层,以帮助这些元件内部彼此互连。另外,绝缘层111可直接焊接在散热基板23上以方便固定,并且在绝缘层111上可以设置多个过孔,以方便将散热基板23上的热传递到绝缘层111的上表面,达到双面散热的效果。值得一提的是,由于设置在绝缘层111上的所述元件其散热需求并不是太大,因此绝缘层111可以使用廉价的材料(如电路板),而不必使用价格昂贵的材料(如覆铜陶瓷基板),进而减少功率模块110a所需的制作成本。

另外,为了降低功率模块的等效回路电感,电容的设置方式仍然具有重要性。请参照图10c与图10d,图10c是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110b的剖面图,图10d是依据图10c中的功率模块110b绘示的俯视图。在本实施例中,功率模块110b中的电容C设置在第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22的上表面,且通过焊接的方式分别与第一平面型功率元件21的漏极电极D1以及第二平面型功率元件22的源极电极S2直接连接,以得到最小的等效回路电感,然本实施例并不限制电容C的设置方式。借此,使得功率模块110b的电性能大幅增加的同时,亦不影响其它特性。

在上述的实施例当中,在完成各个元件的连接(如引线结合)后,均使用塑封、灌胶等方式将模封材料27包覆在各个区域以保护各个元件,例如,将模封材料27包覆在第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22上;或可以将模封材料27包覆在控制元件IC1、驱动元件IC2、电容C与开关元件63b上;或可以将模封材料27完全包覆控制元件IC1、驱动元件IC2、电容C、开关元件63b、绝缘层111、散热基板23以及引脚24的部分。然而,由于绝缘层的使用,使得功率模块在进行模封(molding)过程时,并不需要将所有区域全部覆盖,仅需要包覆部分元件即可。请参照图10e与图10f,图10e是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110c的剖面图,图10f是依据图10e中的功率模块110c绘示的俯视图。如图10e与图10f所示,模封材料27仅包覆功率模块110c的部分区域,例如模封材料27仅包覆第一平面型功率元件21和第二平面型功率元件22上,其它未包覆的部分则通过绝缘层111一样可达到防尘、防潮、电性绝缘等保护的效果。借此,除了进一步地降低制作功率模块所需的成本之外,还减少功率模块占有的体积以及增加了功率模块的散热性能。

值得一提的是,在前述实施例当中,引脚24与散热基板23均设置在同一平面上,即引脚24与散热基板23位于绝缘层111的同侧。然而,引脚24亦可以与散热基板23设置于不同平面上,即引脚24与散热基板23位于绝缘层111的两侧,以增加散热基板23的面积,如图10g所示。图10g是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110d的剖面图。在本实施例中,引脚24设置于绝缘层111上,与散热基板23设置于不同平面,而功率模块110d中各个元件通过接合引线26以及绝缘层111上的导电线路层(未绘示于图10g)连接至引脚24上。借此,散热基板23的面积可以加大,以增加功率模块110d散热的效果。

类似地,功率模块110d亦可仅完成部分模封。请参照图10h,图10h是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110e的剖面图。如图10h所示,功率模块110e中的引脚24同样设置在绝缘层111上,而模封材料27仅包覆功率模块110e的部分区域,例如模封材料27包覆第一平面型功率元件21以及第二平面型功率元件22上。借此,功率模块的散热性能可再进一步地增加之外(因散热基板23的面积增加),其制作功率模块所需的成本以及所占的体积也可降低。

通过引脚24与散热基板23设置于不同平面的方式,除了具备上述优点之外,还可以便利于设置另一散热器,如图10i所示,图10i是依据本发明一实施例绘示的一种功率模块110f的剖面图。功率模块110f还包含一散热器112设置在散热基板23的另一侧,以符合更大功率的功率模块所需的散热要求。

请参照图11,图11是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器210的示意图。如图11所示,电源变换器210包含功率模块211、电源输入端VI、电源输出端VO、以及散热器212。功率模块211可以是前述各个实施例中的任一功率模块,在此并不限制,而电源输入端VI与电源输出端VO则分别连接到功率模块211,散热器212可设置并紧邻于功率模块211中的散热基板(未绘示于图11),以提供电源变换器210更好的散热性能。

进一步来说,电源变换器210通过电源输入端VI接收输入电压,并经由功率模块211转换成输出电压,再通过电源输出端VO输出前述的输出电压,达到转换电能的功效。依据转换电能的方式分类,电源变换器可以是非隔离型AC/DC电源变换器、非隔离型DC/DC电源变换器、隔离型DC/DC变换器、与隔离型AC/DC电源变换器其中的任一者。据此,本发明实施例中的电源变换器210可依据其方式变换设置的功率模块211,达到其方式可转换其电能的功效。

请参照图12a,图12a是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器310a的示意图。如图12a所示,电源变换器310a包含功率模块211、散热器212、引脚311、电路板312、第一集成元件313、第二集成元件314、以及外壳315。散热器212可设置或集成并紧邻于功率模块211中的散热基板(未绘示于图12a),且功率模块211通过引脚311与电路板312连接。另外,电源变换器310a包含第一集成元件313与第二集成元件314用以提供电源变换器310a所需的其它功能模块。值得一提的是,由于功率模块211中的绝缘层上设置多个过孔(未绘示于图12a),使得功率模块211具有双面散热的功效。因此,在设置功率模块211时,应设法使功率模块211的两侧均有风道,如图12a中的区域a1与a2,让功率模块211的散热效能发挥至最大。

请参照图12b,图12b是依据本发明一实施例绘示的一种电源变换器310b的示意图。如图12b所示,电源变换器310b中的功率模块211其中一侧直接与外壳315安装,另一侧提供风道(区域b1)以实现功率模块211双面散热。

请参照图13a~图13f,图13a~图13f是依据本发明一实施例中绘示的制造功率模块的流程示意图。首先,如图13a所示,提供一散热基板23,散热基板23可以是铜、铝、或是石墨等良导电与良导热材料组成。然后规划出欲在散热基板23上设置功率元件的位置,通过图刷或点胶等技术,将焊料或粘着剂附着在散热基板23上方。在本实施例中,采用焊料25附着在散热基板23上,然本实施例中其附着方式并不限制。

接着,如图13b所示,提供至少一第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22,以焊接或粘结等方式分别将第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22设置在散热基板23规划好的位置上。在本实施例中,采用焊接的方式将第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22设置在散热基板23上,然本实施例中其设置方式并不限制。

接着,如图13c所示,提供一绝缘层111,将至少一平面型元件91(如控制元件IC1或驱动元件IC2)、至少一开关元件63b、至少一电容C以及引脚24等相关元件设置在绝缘层111上。为了方便及清楚说明,本实施例绘示平面型元件91、开关元件63b、电容C、以及引脚24的数量皆为一个,但本实施例并不以此为限。另外,在本实施例中,采用表面粘着元件回流焊(SMD Reflow)技术,将平面型元件、开关元件63b、电容C以及引脚24安装在绝缘层111上,然本实施例并不限制其安装的方式。其中绝缘层111可以是电路板等具有电绝缘特性的材料组成,且绝缘层111上覆有导电线路层(未绘示于图13c),以帮助安装在绝缘层111上的元件内部彼此互连。然后,将绝缘层111覆盖在散热基板23上,并且包覆第一平面型功率元件21与第二平面型功率元件22。

接着,如图13d所示,连接第一平面型功率元件21、第二平面型功率元件22、平面型元件91、开关元件63b与电容C至对应的引脚24上,而连接的方式可以是通过引线结合(wirebonding)、黄光制程或者焊接等方式完成。在本实施例中,连接的方式采用引线结合的方式,通过接合引线26将各个元件连接至对应的位置上,然本实施例并不限制其连接的方式。

然后,如图13e所示,可通过点胶、或是注塑等技术将模封材料27覆盖在绝缘层111上,使得模封材料可以均匀地包覆平面型元件91、开关元件63b、电容C以及引脚24的部分,使得各个元件彼此之间达到机械、防尘、防潮、绝缘保护的功用。接着,如图13f所示,可另外设置一散热器212紧邻于散热基板23的另一侧,使得功率模块增加其散热的性能。

在本发明一实施例提出的制造功率模块的流程图中,其平面型元件91、开关元件63b、电容C以及引脚24的设置位置可为上述任一实施例中揭露的设置位置,本实施例仅列举其中一实施例为例,然于本实施例中并不限制其各个元件的设置位置。

在上述实施例中,其功率模块的封装方式均以实现半桥式电路为例,也就是利用至少两个平面型氮化镓功率元件实现半桥桥臂的结构。然而,上述实施例中的功率模块的封装方式同样可以应用在实现更多桥臂电路的集成或是非桥臂电路上。

请参照图14,图14是依据本发明一实施例绘示的一种半桥电路410的电路图。如图14所示,第一平面型氮化镓功率元件411的源极S1与第二平面型氮化镓功率元件412的源极S2连接。另外,第一平面型氮化镓功率元件411的漏极D1与第二平面型氮化镓功率元件412的漏极D2分别和第一输入电压源Vin1与第二输入电压源Vin2连接。换句话说,第一平面型氮化镓功率元件411与第二平面型氮化镓功率元件412分别组成半桥电路410的上下桥臂,以实现整流的功能。

由上述本发明的实施例可知,通过将平面型功率元件直接设置在散热基板上形成的功率模块,不仅可以有效地提高空间利用率,并且省去额外设置覆铜陶瓷基板所需的制作成本。另外,功率模块的散热性能亦大幅地提升,并且通过电容的设置使得功率模块的电性能一并获得改善。借此,电源变换器的高功率密度或是高效率均得以实现,并且电源变换器转变电能的效能亦能有效地提升。

虽然本发明已以实施方式揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何熟悉此技艺者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (33)

1.一种功率模块,其特征在于,包含:
一散热基板;
一第一平面型功率元件,包含多个电极,所述多个电极均位于所述第一平面型功率元件的上表面;
一第二平面型功率元件,包含多个电极,所述多个电极均位于所述第二平面型功率元件的上表面;
一第一电容设置在所述第一平面型功率元件和所述第二平面型功率元件之上,并直接与所述第一平面型功率元件的一电极及所述第二平面型功率元件的一电极相连;
一绝缘层,设置在所述散热基板上;以及
至少一开关元件,所述至少一开关元件和所述第一电容被设置在所述绝缘层上;
其中所述第一平面型功率元件的下表面与所述第二平面型功率元件的下表面是分别直接设置在所述散热基板的上方,
所述至少一开关元件与所述第一平面型功率元件及所述第二平面型功率元件串联连接,所述第一平面型功率元件和所述第二平面型功率元件中至少一者为常开型元件,以及所述至少一开关元件为常闭型元件。
2.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述散热基板是由导电的热良导体的材料制成。
3.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,所述第一平面型功率元件和所述第二平面型功率元件中至少一者为氮化镓功率元件。
4.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,还包含至少一平面型元件,其中所述至少一平面型元件与所述第一平面型功率元件、所述第二平面型功率元件并列并且设置在所述散热基板上。
5.根据权利要求4所述的功率模块,其特征在于,所述至少一平面型元件为驱动芯片或控制芯片。
6.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,所述至少一开关元件为一垂直型功率元件,所述垂直型功率元件直接设置在所述第一平面型功率元件或所述第二平面型功率元件的所述电极上。
7.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,还包含多个引脚,而所述第一平面型功率元件的所述电极以及所述第二平面型功率元件的所述电极,分别连接至对应的所述引脚。
8.根据权利要求7所述的功率模块,其特征在于,所述多个引脚包含一输入电压引脚以及至少一输出电压引脚,所述第一平面型功率元件的所述电极包含一漏极电极电性连接所述输入电压引脚以及一源极电极电性连接所述至少一输出电压引脚,所述第二平面型功率元件的所述电极包含一漏极电极电性连接所述至少一输出电压引脚以及一源极电极电性连接所述散热基板。
9.根据权利要求8所述的功率模块,其特征在于,还包含一第二电容,其中所述第二电容的一端设置并直接连接于所述散热基板上,另一端设置并直接连接于所述输入电压引脚上,其中所述开关元件的漏极电极与所述第二平面型功率元件的源极电极连接,所述开关元件的源极电极是连接至一第二输入电压引脚上。
10.根据权利要求8所述的功率模块,其特征在于,所述第一电容的一端设置并直接连接于所述第一平面型功率元件的所述漏极电极,另一端设置并直接连接于所述第二平面型功率元件的所述源极电极。
11.根据权利要求10所述的功率模块,其特征在于,所述第一平面型功率元件与所述第二平面型功率元件设置于同一芯片上。
12.根据权利要求8所述的功率模块,其特征在于,还包含:
一第二电容;以及
一电路板;
其中所述第二电容、所述散热基板和所述多个引脚设置于所述电路板上,所述第二电容的一端电性连接于所述散热基板,另一端电性连接于所述输入电压引脚,其中所述开关元件的漏极电极与所述第二平面型功率元件的源极电极连接所述开关元件的源极电极是连接至一第二输入电压引脚上。
13.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述至少一开关元件为常闭型硅元件或是常闭型氮化镓元件。
14.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述第一平面型功率元件的耐压等级与所述第二平面型功率元件的耐压等级相等,并且至少是所述至少一开关元件的耐压等级的两倍以上。
15.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述至少一开关元件包含:
一第一开关元件,所述第一开关元件的一端电性连接所述第一平面型功率元件的一源极电极,另一端电性连接所述第二平面型功率元件的一漏极电极;以及
一第二开关元件,所述第二开关元件的一端电性连接所述第二平面型功率元件的一源极电极,另一端电性连接一接地端。
16.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述至少一开关元件包含一开关元件,所述开关元件具有一第一端以及一第二端,所述第一端电性耦接所述第二平面型功率元件的一源极电极。
17.根据权利要求16所述的功率模块,其特征在于,所述第一平面型功率元件的耐压等级与所述第二平面型功率元件的耐压等级是所述开关元件的耐压等级的两倍以上。
18.根据权利要求16所述的功率模块,其特征在于,所述第一平面型功率元件与所述第二平面型功率元件均为常开型元件。
19.根据权利要求16所述的功率模块,其特征在于,所述多个引脚包含:
一第一输入电压引脚,所述第一平面型功率元件的所述漏极电极电性连接所述第一输入电压引脚;以及
一第二输入电压引脚,所述开关元件的所述第二端电性连接所述第二输入电压引脚;
其中所述第二平面型功率元件的所述源极电极电性连接所述散热基板。
20.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,所述开关元件设置于所述第一平面型功率元件的上表面或所述第二平面型功率元件的上表面。
21.根据权利要求7所述的功率模块,其特征在于,所述散热基板与所述多个引脚位于所述绝缘层同侧。
22.根据权利要求7所述的功率模块,其特征在于,所述散热基板和所述多个引脚分别位于所述绝缘层两侧。
23.根据权利要求21或22所述的功率模块,其特征在于,包含一模封材料包覆所述第一平面型功率元件和所述第二平面型功率元件。
24.根据权利要求23所述的功率模块,其特征在于,所述模封材料还包覆所述至少一平面型元件、所述至少一开关元件以及所述至少一第二电容。
25.根据权利要求24所述的功率模块,其特征在于,所述模封材料覆盖在所述绝缘层上,所述模封材料还包覆所述多个引脚的部分。
26.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,还包含一散热器,所述散热基板固定于所述散热器上。
27.一种电源变换器,其特征在于,包含:
一种如权利要求1所述的功率模块;
一电源输入端,连接所述功率模块;以及
一电源输出端,连接所述功率模块;其中所述电源输入端接收一输入电压,通过所述功率模块转换成一输出电压并经由所述电源输出端输出。
28.根据权利要求27所述的电源变换器,其特征在于,包含一散热器,设置并紧邻于所述功率模块的所述散热基板。
29.一种功率模块的制造方法,其特征在于,包含:
提供一第一平面型功率元件、一第二平面型功率元件与一散热基板,将所述第一平面型功率元件与所述第二平面型功率元件直接设置在所述散热基板的上方;
覆盖一绝缘层在所述散热基板上,并且使所述绝缘层包覆所述第一平面型功率元件与所述第二平面型功率元件;以及
设置至少一开关元件与至少一电容在所述绝缘层上,并与所述第一平面型功率元件的一电极及所述第二平面型功率元件的一电极相连,而所述第一平面型功率元件的所述电极以及所述第二平面型功率元件的所述电极,分别连接至对应的多个引脚,
所述至少一开关元件与所述第一平面型功率元件及所述第二平面型功率元件串联连接,所述第一平面型功率元件和所述第二平面型功率元件中至少一者为常开型元件,以及所述至少一开关元件为常闭型元件。
30.根据权利要求29所述的功率模块的制造方法,其特征在于,还包含:
覆盖一模封材料,使所述模封材料包覆所述第一平面型功率元件及所述第二平面型功率元件。
31.根据权利要求29所述的功率模块的制造方法,其特征在于,还包含:
覆盖一模封材料在所述绝缘层上,使所述模封材料包覆所述至少一电容、所述至少一开关元件与所述多个引脚的部分。
32.根据权利要求29所述的功率模块的制造方法,其特征在于,还包含:
提供一散热器;以及
固定所述散热基板在所述散热器上。
33.根据权利要求29所述的功率模块的制造方法,其特征在于,通过图刷或点胶技术,将焊料或粘着剂附着在所述第一平面型功率元件以及所述第二平面型功率元件的下表面,以焊接或粘结等方式分别将所述第一平面型功率元件以及所述第二平面型功率元件设置在所述散热基板上。
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