CN110718542A - 功率元件封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率元件封装结构，包括具有第一线路的基板、第一功率元件、第二功率元件、具有第二线路的绝缘膜、至少一电路元件以及封装体。第一功率元件、第二功率元件与绝缘膜配置于基板上。第一功率元件与第二功率元件通过基板的第一线路直接相互电性连接。电路元件配置于绝缘膜上。封装体封装基板、第一功率元件、第二功率元件与电路元件。

Description

功率元件封装结构
技术领域
本发明涉及一种封装体，尤其涉及一种功率元件封装结构。
背景技术
功率元件封装结构可用于整流器、车用发电机、大功率模块发电机。车用发电机的技术领域中，为进行交流-直流间的转换动作，常通过设置整流桥的方式来进行。整流桥可以由功率元件来构成，并用以提供整流后的电压以作为驱动负载的依据。
目前半桥式功率模块中的上下桥元件的连结大多是使用内连导线完成。然而，利用内连导线进行功率元件间的连结，往往会产生过大的寄生电感，进而影响功率模块响应。此外，由于在功率元件与控制电路间为了绝缘，目前是利用绝缘基板作为控制电路的载板，以隔绝功率元件与控制电路。然而，绝缘基板散热不佳，间接造成功率模块的热阻增加。因此，如何降低功率元件封装结构的寄生电感及热阻成为目前重要的课题。
发明内容
本发明提供一种功率元件封装结构，能降低功率元件封装结构的寄生电感，同时降低功率元件封装结构的热阻。
本发明的功率元件封装结构，包括基板、第一功率元件、第二功率元件、绝缘膜、至少一电路元件以及封装体。基板具有第一线路。第一功率元件以及第二功率元件配置于基板上。第一功率元件与第二功率元件通过基板的第一线路直接相互电性连接。绝缘膜配置于基板上，并具有第二线路。电路元件则是设置于绝缘膜上。封装体封装基板、第一功率元件、第二功率元件与至少一电路元件。
在本发明的一实施例中，上述的电路元件包括控制IC、保护电路、电感、电容或电阻。
在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构还可包括使上述电路元件与第一功率元件或第二功率元件电性连接的多数个导体。
在本发明的一实施例中，上述的导体为金属导线或金属片。
在本发明的一实施例中，上述的第一或第二功率元件为垂直型功率元件。
在本发明的一实施例中，上述的第一或第二功率元件包括电压或电流控制的场效晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的第一或第二功率元件包括金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管或高电子迁移率晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的第一功率元件与第二功率元件构成桥式电路，例如半桥式电路、全桥式电路或图腾柱电路。
在本发明的一实施例中，上述的第一和第二功率元件至少其中之一以覆晶方式配置于基板上。
在本发明的一实施例中，上述的基板的材料包括铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或前述材料的合金化合物。
在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构还可于上述基板下方设置基材，其中基材的热容量大于基板的热容量。
在本发明的一实施例中，上述的基材的材料包括铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或上述材料的合金化合物。
在本发明的一实施例中，部分上述的基材露出于封装体外。
在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构，其可应用于功率转换单元，如整流器、变流器或转换器。
在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构，其可应用于车用功率转换系统，例如为车用发电机整流器、直流电源转换器或马达驱动装置。
基于上述，本发明通过第一功率元件与第二功率元件直接设置于具有第一线路的基板上，可降低因使用内连导线连接功率元件间所产生的寄生电感。另外，若使用高导热基板，还可降低功率元件封装结构长时间下进行交流-直流电转换时的热阻。再者，通过在电路元件下方设置绝缘膜，能达到基板与电路元件电性绝缘的效果。此外，若在基板下方设置高热容量的基材，还可快速吸收在负载电流移除后瞬间产生的浪涌电压(surge voltage)所产生的热能。
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元件封装结构的剖面示意图。
图2A是依照本发明的另一实施例的一种功率元件封装结构的正面示意图。
图2B为图2A的背面示意图。
图3是图2A的功率元件封装结构的透视图。
附图标记说明：
100、200：功率元件封装结构；
102、202：基板；
102a、102b、214a、214b、214c：区块；
104、204：第一功率元件；
106、206：第二功率元件；
108、208：绝缘膜；
110、210：电路元件；
112、212：封装体；
114、228：第二线路；
116、214：基材；
202a、202b、202c、202d、202e：第一线路；
204a、204b：第一垂直型MOSFET；
206a、206b：第二垂直型MOSFET；
216a、216b：参考接地接脚；
218a、218b：相位输出接脚；
220a、220b：电源接脚；
222：接脚区块；
224、226：导电结构。
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，下述说明中相同的元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元件封装结构的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的功率元件封装结构100基本上包括基板102、第一功率元件104、第二功率元件106、绝缘膜108、电路元件110以及封装体112。基板102的材料可为具有高热导率的材料，如铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或上述材料的合金化合物。本实施例的基板102具有第一线路，且基板102若是本身能导电，则第一线路可为基板102本身自成的区块102a和102b等所构成的线路。第一功率元件104以及第二功率元件106则配置于基板102上，并通过基板102的第一线路(未示出)直接相互电性连接。举例来说，第一功率元件104和第二功率元件106至少其中之一以覆晶方式配置于基板上。第一功率元件104或第二功率元件106可为电压或电流控制的场效晶体管，如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管；或高电子迁移率晶体管，例如为氮化镓晶体管或氧化镓晶体管。由于第一功率元件104与第二功率元件106直接设置于具有第一线路的基板102上，所以能降低传统使用内连导线连接功率元件所产生的寄生电感。另外，若使用高导热的基板102，还可降低功率元件封装结构100长时间下进行交流-直流电转换时的热阻。上述第一功率元件104或第二功率元件106例如为垂直型功率元件，并构成桥式电路，例如半桥式电路、全桥式电路或图腾柱电路。本实施例的功率元件封装结构100可应用于功率转换单元，包括整流器、变流器或转换器；本实施例的功率元件封装结构100还可应用于车用功率转换系统例如为车用发电机的整流器、直流电源转换器或马达驱动装置。
至于绝缘膜108是配置于基板102上，并且具有第二线路114。在本实施例中，绝缘膜108所在的区块102b与第一功率元件104与第二功率元件106所在的区块102a是相互分隔的。在另一实施例中，绝缘膜108可与第一功率元件104及第二功率元件106设置在同一区块。所述绝缘膜108的材料例如氧化硅、氮化硅、高分子化合物、陶瓷材料等电气绝缘材质。电路元件110则是配置于绝缘膜108上。所述电路元件110例如为控制IC、保护电路、电感、电容或电阻。本实施例中的绝缘膜108可电性隔绝电路元件110与底下的区块102b，因此能间接与第一功率元件104及第二功率元件106电性隔绝。而且，绝缘膜108还可同时阻绝第一功率元件104或第二功率元件106作动时产生的热传递至电路元件110。本实施例的封装体112是用以封装上述基板102、第一功率元件104、第二功率元件106与电路元件110。封装体112的材料例如但不限于环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。
另外，本实施例的功率元件封装结构100还可设置高热容量的基材116。基材116配置于基板102下方，较佳为配置在第一功率元件104及第二功率元件106的正下方。在一实施例中，基材116的热容量大于基板102的热容量，且其材料例如铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或上述材料的合金化合物；较佳为铝或铝合金。由于基材116具有高热容量，所以负载电流移除后瞬间产生的浪涌电压(surge voltage)所产生的热能，可被基材116快速吸收，降低第一功率元件104与第二功率元件106的接面温度。在一实施例中，基板102与基材116可直接接触；在另一实施例中，基板102与基材116之间可设置导电黏接层(未示出)。在有基材116的情况下，封装体112也会将基材116封装，且部分基材116可露出于封装体112外。
图2A是依照本发明的另一实施例的一种功率元件封装结构的正面，图2B为图2A的背面示意。图3是图2A的功率元件封装结构的透视图，其中省略封装体，以清楚显示功率元件封装结构的正面构造。
请同时参照图2A、图2B以及图3，本实施例的功率元件封装结构200基本包括基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、绝缘膜208、至少一电路元件210以及封装体212。本实施例中的功率元件封装结构200还可具有基材214，基材214是设置于基板202下方，且基板202可直接接触基材214。在本实施例中，基材214具有三个区块214a、214b与214c。基板102的材料可为具有高热导率的材料，如铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或上述材料的合金化合物。所述基材214的热容量例如大于基板202的热容量，且其材料包括铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或上述材料的合金化合物；较佳为铝或铝合金。由于基材214具有高热容量，所以基材116可快速吸收负载电流移除后瞬间产生的浪涌电压所产生的热能，以降低第一功率元件204与第二功率元件206的接面温度，达到降低瞬态热阻的功效。
本实施例中的基板202可由多个相互隔离的第一线路202a～202e组成，其中第一线路202a具有参考接地接脚216a与216b、第一线路202b具有相位输出接脚218a、第一线路202c具有相位输出接脚218b、第一线路202d具有电源接脚220a、第一线路202e具有电源接脚220b。其中，电源接脚220a、220b可耦接至车用电池，相位输出接脚218a、218b分别产生数个整流后信号，参考接地接脚216a、216b可耦接至参考接地端。当封装体212将第一基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、电路元件210、基材214封装，上述接脚216a、216b、218a、218b、220a、220b会自封装体212突出，如图2A和图2B所示。基板202还可包括与第一线路202a分离的数个接脚区块222。在本实施例中的基板202的材料选择可参照上一实施例，故不再赘述。
请再度参照图3，本实施例中的第一功率元件204及第二功率元件206配置于第一基板202上，且第一功率元件204和第二功率元件206至少其中之一是以覆晶方式配置于基板上。第一功率元件204与第二功率元件206可为垂直功率元件，例如第一垂直型MOSFET204a、第一垂直型MOSFET 204b、第二垂直型MOSFET 206a与第二垂直型MOSFET 206b。在另一实施例中，垂直型功率元件例如为其他电压或电流控制的场效晶体管，如绝缘栅双极晶体管或高电子迁移率晶体管(例如氮化镓晶体管或氧化镓晶体管)。在本实施例中，第一功率元件204与第二功率元件206可构成半桥式整流器。举例来说，将第一垂直型MOSFET 204a与第二垂直型MOSFET 206a设置于第一基板202的第一线路202b上，并通过基板202的第一线路202b直接相互电性连接，而使第一功率元件204a与第二功率元件206a构成一个半桥式整流器。在本实施例中，当第一垂直型MOSFET 204a的源极直接接触第一线路202b时，第二垂直型MOSFET 206a则为其中的漏极直接接触第一线路202b。在另一实施例中，当第一垂直型MOSFET 204a的漏极直接接触第一线路202b时，第二垂直型MOSFET 206a则是其中的源极直接接触第一线路202b。如此一来，将不需通过内连导线连接第一垂直型MOSFET 204a与第二垂直型MOSFET 206a，可藉此降低因功率元件间使用内连导线连接所产生的寄生电感，进而减少影响功率元件的响应。
同理，图3中的第一垂直型MOSFET 204b的源极直接接触第一线路202c时，第二垂直型MOSFET 206b则为其中的漏极直接接触第一线路202c。或者，第一垂直型MOSFET 204b的漏极直接接触第一线路202c时，第二垂直型MOSFET 206b则为其中的源极直接接触第一线路202c。另外，第一垂直型MOSFET 204a可通过导电结构224电性连接至第一线路202d；第二垂直型MOSFET 206a可通过导电结构226电性连接第一线路202a；第一垂直型MOSFET204b可通过导电结构224电性连接至第一线路202e；第二垂直型MOSFET 206b可通过导电结构226电性连接第一线路202a。在本实施例中，导电结构224与226例如金属片。
请继续参照图3，当大电流从参考接地接脚216a进入后，由基板202的第一线路202a，通过与第一线路202a电性连接的导电结构226至第二垂直型MOSFET 206a，且由于第二垂直型MOSFET 206a与第一线路202b直接接触，因此，电流会从第二垂直型MOSFET 206a通过第一线路202b传输至相位输出接脚218a，形成上桥电路。另一方面，当大电流从相位输出接脚218a进入时，由于第一垂直型MOSFET 204a直接接触第一线路202b，因此电流将通过第一线路202b传输至第一垂直型MOSFET 204a，并通过与第一垂直型MOSFET 204a电性连接的导电结构224，将电流传输至第一线路202d的电源接脚220a，形成下桥电路。同样地，第二垂直型MOSFET 206b与第一垂直型MOSFET 204b也会构成上下桥电路。因此本实施例的功率元件封装结构200可应用于功率转换单元，包括整流器、变流器或转换器；本实施例的功率元件封装结构200还可应用于车用功率元件封装结构，如车用发电机的整流器、直流电源转换器或马达驱动装置。
请再参考图3，绝缘膜208配置于基板202的第一线路202a上，并具有第二线路228。电路元件210则配置于绝缘膜208上。电路元件210例如包括控制IC、保护电路、电感、电容或电阻，且图3虽只显示一个电路元件210，但本发明并不限于此；电路元件210也可依照需求于绝缘膜208上设置数个。本实施例中的绝缘膜208用以电性隔绝第一线路202a与电路元件210，还可同时阻绝第一功率元件204或第二功率元件208作动时产生的高热。本实施例中的绝缘膜208材料的选择可参照上一实施例，于此不再赘述。
另外，功率元件封装结构200还可通过导体，使电路元件210与第一功率元件204或第二功率元件206电性连接，用以传送控制信号至第一功率元件204或第二功率元件206。上述导体例如金属导线(未示出)或金属片(未示出)。
请继续参照图2B，本实施例中的基材214的区块214a是配置于图3的第一垂直型MOSFET 204b和第二垂直型MOSFET 206b的正下方、区块214b是配置于图3的第一垂直型MOSFET 204a和第二垂直型MOSFET 206a的正下方、区块214c是配置于图3的绝缘膜208的正下方，然而本发明并不限于此。若是以降低第一功率元件204与第二功率元件206的接面温度的效果来看，基材214于第一功率元件204及第二功率元件206的正下方设置即可；换句话说，可省略区块214c。于图2B中，部分基材214露出于封装体212外，且基材214的投影面积不超过封装体212。基材214的材料选择可参照上一实施例，故不再赘述。上述封装体212例如是通过模封制程，封装基板202、第一功率元件204、第二功率元件206、电路元件210以及基材214。在本实施例中，封装体212材料的选择可参照上一实施例，于此不再赘述。
综上所述，由于本发明的功率元件封装结构中的第一功率元件及第二功率元件直接通过基板完成电性连结，所以不会发生传统利用打线所产生的寄生电感增加问题，进而可避免功率模块响应受影响。举例来说，使用打线方式的内连导线，其因金属线所造成的寄生电感约略介于1～5nH，本发明的实施例将第一功率元件以覆晶方式置于基板上，让第一功率元件的源极与第二功率元件的漏极同时接触第一线路的基板并通过所述基板直接电性连接时，第一功率元件与第二功率元件间的寄生电感则会小于1nH。此外。本发明于电路元件下设置绝缘膜，能降低功率元件运作时，对电路元件的影响。另外，于基板下方设置高热容量的基材，还能达到降低功率元件封装结构的瞬态热阻的功效。所以本发明的功率元件封装结构适用于大功率的车用发电机的整流器、直流电源转换器或马达驱动装置。
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权利要求所界定者为准。

Claims (15)

1.一种功率元件封装结构，其特征在于，包括：
基板，具有第一线路；
第一功率元件以及第二功率元件配置于所述基板上，其中所述第一功率元件与所述第二功率元件通过所述基板的所述第一线路直接相互电性连接；
绝缘膜，配置于所述基板上，并具有第二线路；
至少一电路元件，配置于所述绝缘膜上；以及
封装体，封装所述基板、所述第一功率元件、所述第二功率元件与所述至少一电路元件。
2.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述至少一电路元件包括控制IC、保护电路、电感、电容或电阻。
3.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，还包括使所述至少一电路元件与所述第一功率元件或所述第二功率元件电性连接的多数个导体。
4.根据权利要求3所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述导体为金属导线或金属片。
5.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述第一功率元件或所述第二功率元件为垂直型功率元件。
6.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述第一功率元件或所述第二功率元件为电压或电流控制的场效晶体管。
7.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述第一功率元件或所述第二功率元件包括金属氧化物半导体场效晶体管、绝缘栅双极晶体管或高电子迁移率晶体管。
8.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述第一功率元件与所述第二功率元件构成桥式电路，所述桥式电路包括半桥式电路、全桥式电路或图腾柱电路。
9.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述第一功率元件和所述第二功率元件至少其中之一以覆晶方式配置于所述基板上。
10.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述基板的材料包括铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或前述材料的合金化合物。
11.根据权利要求1所述的功率元件封装结构，还包括基材，设置于所述基板下方，其中所述基材的热容量大于所述基板的热容量。
12.根据权利要求11所述的功率元件封装结构，其特征在于，所述基材的材料包括铜、铝、锂、金、银、金刚石、石墨烯或前述材料的合金化合物。
13.根据权利要求11所述的功率元件封装结构，其中部分所述基材露出于所述封装体外。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的功率元件封装结构，其特征在于，其为应用于整流器、变流器或转换器的功率转换单元。
15.根据权利要求1～13中任一项所述的功率元件封装结构，其特征在于，其应用于车用功率转换系统，所述车用功率转换系统包括车用发电机整流器、直流电源转换器或马达驱动装置。
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