CN110660768B - 用于整流器的功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于整流器的功率器件，包括用于连接外部电路的第一端子与第二端子以及位于第一端子与第二端子之间的电路系统。电路系统与第一端子和第二端子电性连接。电路系统包括预成型晶体管芯片以及控制器件。预成型晶体管芯片包括具有第一电极、第二电极与第三电极的晶体管以及用以封装晶体管的第一封装体。第一端子、第二端子与控制器件分别电性连接至晶体管的第一电极、第二电极与第三电极。

Description

用于整流器的功率器件
技术领域
本发明涉及一种功率器件，尤其涉及一种用于整流器的功率器件。
背景技术
在现有汽车运输系统中，由于交流发电机的效率及寿命皆远高于直流发电机，因此目前车用发电机均为交流发电机。为了将交流发电机产生的交流电流充入电池中，而使用整流二极管将交流电整流成直流电。藉此，供应汽车系统中的各种电器装置持续转动的电力，同时让汽车在行驶间能不使用电瓶的电力，且通过维持电瓶充沛的电力，以待下一次的启动。一般而言，交流发电机通常将6至8个整流二极管配置于交流发电机的电极板。
以往使用PN结二极管(PN junction diode)作为整流二极管。然而，PN结二极管的正向电压(VF)较高，容易造成电力转换损耗的问题。
因此，近来发展出一种使用金氧半导体场效晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)同步整流的整流二极管。由于MOSFET没有内置电位，正向电流(VF)低，故损耗也低。然而，因为需搭配控制IC等器件来组成电路系统，所以器件之间的电路容易复杂且使导通阻抗变大，影响整流器效率。
发明内容
本发明提供一种用于整流器的功率器件，具有较低的导通阻抗，可以进一步降低VF，达到改善整流器效率的功效。
本发明的用于整流器的功率器件，包括用于连接外部电路的第一端子与第二端子以及位于第一端子与第二端子之间的电路系统。电路系统与第一端子和第二端子电性连接。电路系统包括预成型晶体管芯片以及控制器件。预成型晶体管芯片包括具有第一电极、第二电极与第三电极的晶体管以及用以封装晶体管的第一封装体。第一端子、第二端子与控制器件分别电性连接至晶体管的第一电极、第二电极与第三电极。
在本发明的一实施例中，上述预成型晶体管芯片还包括图案化线路层与晶体管的第一电极、第二电极与第三电极的至少其中之一电性连接，且第一封装体封装图案化线路层，并露出部分图案化线路层。
在本发明的一实施例中，上述图案化线路层与第一电极和第三电极电性连接，且第一端子与控制器件通过露出的图案化线路层分别与第一电极和第三电极电性连接。
在本发明的一实施例中，由第一封装体所封装的预成型晶体管芯片露出第二电极与第二端子电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的第一端子与第二端子的材料包括铝、铜或前述金属的合金。
在本发明的一实施例中，上述的晶体管为电压或电流控制的场效晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的晶体管为金氧半导体场效晶体管、绝缘闸双极晶体管或氮化镓晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的第一封装体的材料包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
在本发明的一实施例中，上述的第一端子包括基部与引线，且基部的底面的形状为圆形、方形或六角形，第二端子的形状为圆形、方形或六角形。
在本发明的一实施例中，上述的用于整流器的功率器件还可包括导电间隔物，位于预成型晶体管芯片与第一端子之间，用以电性连接预成型晶体管芯片与第一端子。
在本发明的一实施例中，上述的导电间隔物和第一端子为一体成型。
在本发明的一实施例中，上述的用于整流器的功率器件还可包括第二封装体，位于第二端子上，用以包覆导电间隔物、电路系统与部分的第一端子。
在本发明的一实施例中，上述的用于整流器的功率器件还可包括第二封装体，位于预成型晶体管芯片与第一端子之间，用以封装控制器件和导电间隔物，并露出部分的导电间隔物。
在本发明的一实施例中，上述的用于整流器的功率器件还可包括接合材料，位于第二封装体与第一端子之间。
在本发明的一实施例中，上述的用于整流器的功率器件还包括第三封装体，位于第二端子上，用以包覆导电间隔物、电路系统与部分的第一端子。
在本发明的一实施例中，上述的第二封装体和第三封装体的材料包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
本发明的用于整流器的功率器件，包括用于连接外部电路的第一端子与第二端子以及位于第一端子与第二端子之间的预成型晶体管芯片。预成型晶体管芯片包括具有第一电极和第二电极的晶体管以及用以封装晶体管的第一封装体，其中第一端子和第二端子分别与晶体管的第一电极和第二电极电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的预成型晶体管芯片还包括图案化线路层与第一电极电性连接，第一封装体封装图案化线路层，并露出部分图案化线路层，且第一端子通过露出的图案化线路层与第一电极电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的预成型晶体管芯片露出第二电极与第二端子电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的第一端子与第二端子的材料包括铝、铜或前述金属的合金。
在本发明的一实施例中，上述的第一封装体的材料包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
本发明的车用发电机的整流器件，包括如上述中任一项的用于整流器的功率器件。
基于上述，本发明用于整流器的功率器件中的电路系统是通过封装在第一封装体中的晶体管与图案化线路层所组成的预成型晶体管芯片，直接将控制器件放置在其上即可完成电路连接，不需另行打线，因而可获得导通阻抗低的电路系统，并降低VF，以提升用于整流器的功率器件的效率。在无需控制器件的整流器实施例中，先将晶体管制成预成型晶体管芯片后，再与两端子电性连接，可提升整体的封装可靠度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种功率器件的剖面示意图。
图2是图1的俯视示意图，且图2的I-I线段的剖面即为图1所示的剖面图。
图3A是依照本发明的一实施例的一种预成型晶体管芯片的正面示意图。
图3B是图3A的预成型晶体管芯片的背面示意图。
图4是依照本发明的另一实施例的一种功率器件的剖面示意图。
图5是图4的俯视示意图，且图5的II-II线段的剖面即为图4所示的剖面图。
图6是依照本发明的又一实施例的一种功率器件的剖面示意图。
图7是图6的俯视示意图，且图7的III-III线段的剖面即为图6所示的剖面图。
图8A是依照本发明的又一实施例的一种预成型晶体管芯片的正面示意图。
图8B是依照本发明的又一实施例的一种预成型晶体管芯片的背面示意图。
符号说明：
10：功率器件
100、100’、100”：第一端子
110、110”：基部
120：引线
200：第二端子
200a：凹槽
200b：连续环
300：电路系统
310：预成型晶体管芯片
312、312”：晶体管
3121、3121”：第一电极
3122、3122”：第二电极
3123：第三电极
314：图案化线路层
316：第一封装体
320：控制器件
330：电容器
340、340’：导电间隔物
350：接合材料
360：第二封装体
400：第三封装体
具体实施方式
以下将参考附图来全面地描述本发明的例示性实施例，但本发明还可按照多种不同形式来实施，且不应解释为限于本文所述的实施例。在附图中，为了清楚起见，各区域、部位及层的大小与厚度可不按实际比例绘制。为了方便理解，下述说明中相同的器件将以相同的符号标示来说明。
图1是依照本发明的一实施例的一种功率器件的剖面示意图。图2是图1的俯视示意图。为了清楚起见，在图2中省略示出功率器件的部分构件。图3A与图3B是依照本发明的一实施例的一种预成型晶体管芯片的正面与背面示意图。
请同时参照图1至图3B，功率器件10例如是应用于车用发电机上的整流二极管(rectifier diode)，以将交流电整流成直流电并传送至汽车系统中的各种电器装置与电瓶中。在本实施例中，功率器件10包括用于连接外部电路的第二端子200与第一端子100以及电路系统300，其中电路系统300位于第二端子200与第一端子100之间，且电路系统300与第二端子200和第一端子100电性连接。
在本实施例中，电路系统300包括预成型晶体管芯片310以及控制器件320。预成型晶体管芯片310的详细构件如图2所示，包括具有第一电极3121、第二电极3122与第三电极3123的晶体管312(如图3A及图3B所示)以及用以封装晶体管312的第一封装体316。第一端子100、第二端子200与控制器件320则电性连接至晶体管312。举例来说，第一端子100、第二端子200与控制器件320分别电性连接至晶体管312的第一电极3121、第二电极3122与第三电极3123。
在另一实施例中，预成型晶体管芯片310可还包括与晶体管312相接的图案化线路层314。举例来说，图案化线路层314与晶体管312的第一电极3121、第二电极3122与第三电极3123的至少其中之一电性连接。第一封装体316封装图案化线路层314，并露出部分图案化线路层314。举例来说，图案化线路层314与第一电极3121和第三电极3123电性连接，且第一端子100与控制器件320通过露出的图案化线路层314分别与第一电极3121和第三电极3123电性连接。在本实施例中，由第一封装体316所封装的预成型晶体管芯片310露出第二电极3122与第二端子200电性连接。
在本实施例中，晶体管312例如是电压或电流控制的场效晶体管。在一实施例中，晶体管312例如是金氧半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘闸双极晶体管或氮化镓晶体管。举例来说，在晶体管312为MOSFET的情况下，MOSFET的源极、漏极与栅极分别为晶体管312的第一电极3121、第二电极3122和第三电极3123，MOSFET的栅极与源极的焊点(pad)会在同一面并朝向第一端子100、漏极的焊点则在另一面朝向第二端子200，且第二端子200通过漏极的焊点与MOSFET电性连接。由于金氧半导体场效晶体管导通时的阻抗低，所以能达到较低的导通电压(如VF小于0.5V)，进而改善功率器件10的效率。而控制器件320直接接触图案化线路层314，并通过图案化线路层314与晶体管312的第三电极3123电性相连，因此没有传统利用打线接合所产生的阻抗大、可靠度等问题，进而可提升电路系统300的整合性。
另外，功率器件10还可包括电容器330、导电间隔物340等，并可在第一端子100与导电间隔物340之间设置接合材料350(如焊料)，用以电性连接第一端子100与预成型晶体管芯片310中的晶体管312。藉此，将流入的交流电通过具有整流功能的电路系统300整流为直流电之后从功率器件10输出。
在本实施例中，第二端子200例如是具有凹槽200a的基座电极，且第二端子200的形状例如为圆形、方形或六角形，然而本发明不限于此。实际上，第二端子200可因产品设计需求而采用不同的形状或形式，例如不具有凹槽，或是在表面上还包含凸起基座(未示出)以用于放置电路系统300。在本实施例中，第二端子200的材料包括铝、铜或前述的金属的合金(如铝合金)；较佳为铜或铝。第二端子200的材料若选用铝，可获得热导性佳、导电性佳且热容量大的第二端子200。此外，如图2所示，本实施例的第二端子200的外周可为齿轮状，因此功率器件10在利用重力压入(press-fit)连接技术安装至车用发电机的过程中，能确保内部的电路系统300不会损坏或产生缺陷。
在本实施例中，第一端子100例如是导线电极，其包括基部110以及连接基部110的引线120。在本实施例中，第一端子100的基部110电性连接至引线120，且第一端子100通过引线120连接外部电路。如图1所示，第一端子100的基部110以及部分的引线120位于第二端子200的凹槽200a中。第一端子100的基部110的面向电路系统300的表面是作为与电路系统300电性导通的介面。在本实施例中，上述第一端子100的基部110的面积实质上小于第二端子200的凹槽200a的底面面积。在本实施例中，第一端子100的基部110的底面的形状为方形，接近于预成型晶体管芯片310的形状。在另一些实施例中，第一端子100的基部110的形状为圆形或六角形，但本发明不以此为限。在本实施例中，第一端子100的材料包括铝、铜或前述金属的合金，如铜合金、铝合金等。
接下来，将简述功率器件10的制造过程，但本发明的功率器件不以下列制程为限。
首先，提供晶体管312，并在晶体管312上形成导电孔(Via)(未示出)与图案化线路层314。在本实施例中，可在晶体管312的栅极与源极的焊点上通过如电镀制程的方式形成导电孔，再在导电孔上形成图案化线路层314，但本发明不以此为限。接着，第一封装体316例如是通过模封制程，封装晶体管312、导电孔与图案化线路层314。至此，大致上完成预成型晶体管芯片310的制作。另外，第一封装体316会暴露出图案化线路层314，以用于后续的电性连接。在本实施例中，第一封装体316的材料例如环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。而导电孔与图案化线路层314的材料例如铜或其他适合的金属。
接着，在图案化线路层314上安装控制器件320、电容器330与导电间隔物340。控制器件320通过图案化线路层314电性连接至晶体管312，以提供驱动电流控制晶体管312的导通与否。电容器330可通过图案化线路层314分别与控制器件320与晶体管312电性相连。导电间隔物340则位于预成型晶体管芯片310与第一端子100之间，用以电性连接预成型晶体管芯片310与第一端子100，并兼具导热的效果。接着，通过如模封制程的方式，在预成型晶体管芯片310与第一端子100之间形成第二封装体360，以用于封装预成型晶体管芯片310、控制器件320、电容器330与导电间隔物340等构件。至此，大致上完成电路系统300的制作。在本实施例中，第二封装体360暴露出部分的导电间隔物340的表面，以用于后续的电性连接。在另一实施例中，在第二封装体360与第一端子100之间可形成一层接合材料350，而第二封装体360暴露出接合材料350的表面，以用于后续的电性连接。在本实施例中，第二封装体360的材料例如为环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。接合材料350的材料例如铅锡、锡银或烧结银的焊料，然本发明不限于此。
接着，将上述的电路系统300配置在第二端子200上，以使第二端子200与电路系统300中的晶体管312电性连接；也即，使晶体管312的电极与第二端子200接合，再在电路系统300上配置第一端子100，且通过暴露出的部分的导电间隔物340或接合材料350电性连接电路系统300与第一端子100。在其他实施例中，可选择性地形成另一接合材料(未示出)在第二端子200的凹槽200a底面，并通过前述接合材料(如焊料)电性连接第二端子200与电路系统300中的晶体管312。在图1～2中，电路系统300与部分的第一端子100位于第二端子200的凹槽200a中。如图1所示，为了连接外部电路，第一端子100的引线120从第二端子200的凹槽200a延伸至凹槽200a之外。另外，第一端子100的基部110连接接合材料350。暴露出的接合材料350的面积可以大于或等于第一端子100的基部110的面积，但本发明不以此为限。在一实施例中，在第二端子200上，可通过如模封制程的方式将第三封装体400填满凹槽200a，用以包覆导电间隔物340、电路系统300与部分的第一端子100。在另一实施例中，若是第一端子100与电路系统300能稳固地设置在第二端子200上，也可省略第三封装体400。在又一实施例中，若在第二端子200不具有凹槽的情况下，第三封装体400则位于第二端子200上，用以包覆电路系统300与部分的第一端子100。至此，大致上完成功率器件10的制造过程。在本实施例中，第三封装体400的材料例如环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。在一实施例中，第一封装体、第二封装体以及第三封装体的材料可以是相同的材料。在另一实施例中，第一封装体、第二封装体以及第三封装体的材料可以是不同的材料，但本发明不限于此。
此外，在图1中，凹槽200a的壁面具有阶梯状的设计并在接近凹槽200a顶部的壁面设有向内延伸的连续环200b，能使第三封装体400被闭锁定位，藉此改进功率器件10的疲劳寿命。然而，本发明并不限于此。凹槽200a的壁面也可为平滑表面或者具有其它设计。
图4是依照本发明的另一实施例的一种功率器件的剖面示意图。图5是图4的俯视示意图。为了清楚起见，在图5中省略示出功率器件的部分构件。
请同时参照图4与图5，功率器件20相似于上述的功率器件10，其中两者的差别在于导电间隔物340’和第一端子100’为一体成型，至于其余构件的连接关系及材料已在第一实施例中进行详尽地描述，故在下文中不再重复赘述。在本实施例中，通过一体成型的导电间隔物340’和第一端子100’，可省略如功率器件10中的第二封装体360，并使用第三封装体400包覆预成型晶体管芯片310、控制器件320、电容器330、导电间隔物340’、与部分的第一端子100’，进而使制程简单化。
图6是依照本发明的又一实施例的一种功率器件的剖面示意图。图7是图6的俯视示意图。为了清楚起见，在图7中省略示出功率器件的部分构件。图8A与图8B是依照本发明的又一实施例的一种预成型晶体管芯片的正面与背面示意图。
请同时参照图6至图8B，功率器件30相似于上述的功率器件10，其中两者的差别在于在第二端子200与第一端子100”之间省略控制器件320、电容器330与导电间隔物340等构件，至于其余构件的连接关系及材料已在第一实施例中进行详尽地描述，故在下文中不再重复赘述。
在本实施例中，第一端子100”和第二端子200电性连接至晶体管312”。举例来说，第一端子100”和第二端子200分别与晶体管312”的第一电极3121”和第二电极3122”电性连接。换句话说，第一端子100”的基部110”实质上直接接触露出的第一电极3121”，或通过接合材料350接触露出的第一电极3121”。藉此，可获得具有简单化制程的功率器件30。
在另一实施例中，预成型晶体管芯片310可还包括与第一电极3121”电性连接图案化线路层314。第一端子100”通过第一封装体316露出的图案化线路层314，以与第一电极3121”电性连接。换句话说，第一端子100”的基部110”实质上直接接触露出的图案化线路层314，或通过接合材料350接触露出的图案化线路层314。藉此，可获得具有简单化制程的功率器件30。
在本发明中，上述的功率器件10、功率器件20与功率器件30可应用于车用发电机的整流器件中，并藉此改善车用发电机的整流器件的效率。
综上所述，在本发明用于整流器的功率器件中，电路系统通过预成型晶体管芯片直接接合控制器件，因此可获得导通阻抗低的电路系统，并藉此降低功率器件的VF。藉此大幅降低电力转换损耗，以提升用于整流器的功率器件的效率。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种用于整流器的功率器件，其特征在于，包括：
第一端子与第二端子，用于连接外部电路；以及
电路系统，位于所述第一端子与所述第二端子之间，并与所述第一端子和所述第二端子电性连接，其中所述电路系统包括：预成型晶体管芯片以及控制器件，其中
所述预成型晶体管芯片包括：
晶体管，具有第一电极、第二电极与第三电极；以及
第一封装体，用以封装所述晶体管，其中：
所述第一端子、所述第二端子与所述控制器件分别电性连接至所述晶体管的所述第一电极、所述第二电极与所述第三电极。
2.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述预成型晶体管芯片还包括图案化线路层，其与所述晶体管的所述第一电极、所述第二电极与所述第三电极的至少其中之一电性连接，且所述第一封装体封装所述图案化线路层，并露出部分所述图案化线路层。
3.根据权利要求2所述的用于整流器的功率器件，其中所述图案化线路层与所述第一电极和所述第三电极电性连接，且所述第一端子与所述控制器件通过露出的所述图案化线路层分别与所述第一电极和所述第三电极电性连接。
4.根据权利要求2或3所述的用于整流器的功率器件，其中所述第二电极由所述第一封装体所封装的所述预成型晶体管芯片露出，且所述第二电极与所述第二端子电性连接。
5.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述第一端子与所述第二端子的材料包括铝、铜或前述金属的合金。
6.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述晶体管为电压或电流控制的场效晶体管。
7.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述晶体管为金氧半导体场效晶体管、绝缘闸双极晶体管或氮化镓晶体管。
8.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述第一封装体的材料包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，其中所述第一端子包括基部与引线，且所述基部的底面的形状为圆形、方形或六角形，所述第二端子的形状为圆形、方形或六角形。
10.根据权利要求1所述的用于整流器的功率器件，还包括导电间隔物，位于所述预成型晶体管芯片与所述第一端子之间，用以电性连接所述预成型晶体管芯片与所述第一端子。
11.根据权利要求10所述的用于整流器的功率器件，其中所述导电间隔物和所述第一端子为一体成型。
12.根据权利要求11所述的用于整流器的功率器件，还包括第二封装体，位于所述第二端子上，用以包覆所述导电间隔物、所述电路系统与部分的所述第一端子。
13.根据权利要求10所述的用于整流器的功率器件，还包括第二封装体，位于所述预成型晶体管芯片与所述第一端子之间，用以封装所述控制器件和所述导电间隔物，并露出部分的所述导电间隔物。
14.根据权利要求13所述的用于整流器的功率器件，还包括接合材料，位于所述第二封装体与所述第一端子之间。
15.根据权利要求13所述的用于整流器的功率器件，还包括第三封装体，位于所述第二端子上，用以包覆所述导电间隔物、所述电路系统与部分的所述第一端子。
16.根据权利要求15所述的用于整流器的功率器件，其中所述第二封装体和所述第三封装体的材料包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
17.一种车用发电机的整流器件，其特征在于，包括根据权利要求1至16中任一项所述的用于整流器的功率器件。
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