CN112447614A - 功率器件封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个功率器件、至少一导电夹片以及一散热背板。散热绝缘基板具有相对的第一面与第二面，多个功率器件则形成桥式电路拓扑并设置在所述第一面，其中至少一个功率器件的有源区倒装式接合在所述第一面。导电夹片用以电性连接至少一个功率器件与所述第一面，散热背板则设置在散热绝缘基板的所述第二面。

Description

功率器件封装结构
技术领域
本发明涉及一种封装结构，尤其涉及一种功率器件封装结构。
背景技术
功率模块是目前应用在各种产品中作为电能转换的主要核心设备，其内部封装有功率器件。早期使用铝(Al)金属线做为功率模块内芯片间的连接线，其寄生电感及寄生阻抗过高造成电力转换损耗过高，且电流分布不均匀。
发明内容
本发明提供一种功率器件封装结构，能解决传统功率模块的寄生效应过高造成电力转换损耗的问题。
本发明另提供一种功率器件封装结构，能降低功率模块的杂散电感(StrayInductance)与热阻。
本发明的功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个功率器件、至少一导电夹片以及一散热背板。散热绝缘基板具有相对的第一面与第二面，功率器件则形成桥式电路拓扑并设置在所述第一面，其中至少一个功率器件的有源区倒装式接合在所述第一面。导电夹片用以电性连接至少一个功率器件与所述第一面，散热背板则设置在散热绝缘基板的所述第二面。
在本发明的一实施例中，上述一个导电夹片电性连接一个或多个功率器件至散热绝缘基板，并设置在功率器件与散热绝缘基板接合的一相对侧。
在本发明的一实施例中，上述导电夹片的材料包括铝、铜或碳纤维。
在本发明的一实施例中，上述多个功率器件例如垂直型功率器件，所述垂直型功率器件的有源区倒装式接合在所述第一面，且至少一导电夹片电性连接垂直型功率器件的非有源区与所述第一面。
在本发明的一实施例中，上述散热绝缘基板包括直接覆铜陶瓷基板(DBC)、绝缘金属基板(IMS)或印刷电路基板(PCB)。
在本发明的一实施例中，上述散热绝缘基板具有一图案化线路，所述图案化线路包含多个电气功能，并与至少一导电夹片电性连接，且所述图案化线路与多个功率器件电性连接。
在本发明的一实施例中，一个导电夹片可连结不同电气功能的上述图案化线路。
在本发明的一实施例中，上述散热绝缘基板的第二面与上述散热背板为一体成型。
本发明的另一功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个垂直型功率器件以及至少一导电夹片。所述多个垂直型功率器件形成桥式电路拓扑，且至少一个垂直型功率器件的有源区倒装式接合在所述散热绝缘基板。导电夹片则电性连接倒装式接合在散热绝缘基板的所述垂直型功率器件的非有源区至散热绝缘基板。
在本发明的另一实施例中，上述散热绝缘基板具有一图案化线路，所述图案化线路包含多个电气功能，并与至少一导电夹片电性连接，且图案化线路与垂直型功率器件电性连接。
在本发明的另一实施例中，一个上述导电夹片连结不同电气功能的图案化线路。
在本发明的另一实施例中，上述功率器件封装结构还可包括一散热背板，设置在散热绝缘基板与垂直型功率器件接合的另一面。
在本发明的另一实施例中，上述散热绝缘基板与上述散热背板为一体成型。
基于上述，本发明的功率器件封装结构是通过将功率器件直接倒装式接合在散热基板上，并使用导电夹片取代铝金属线作为线路的连接构造，通过散热基板及导电夹片的低寄生阻抗与寄生电感等特性，达到降低功率模块的杂散电感与热阻的效果，进而降低电力转换损耗并使电流分布更为均匀。
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是依照本发明的第一实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图2是第一实施例的另一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图3是依照本发明的第二实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图4A是第一实施例的一种构成半桥式电路的功率器件封装结构的平面示意图；
图4B是由三个图4A的结构组成不同相位半桥式电路拓扑的装置的电路图；
图4C是图4B中的电路的电气回路图；
图5是半桥式电路图。
附图标号说明：
100、300：功率器件封装结构
102、400：散热绝缘基板
102a：第一面
102b：第二面
104：功率器件
104a、302a：有源区
104b：相对侧
106、404a、404b：导电夹片
108、200：散热背板
110：第一导电连接层
112：第二导电连接层
114、402：图案化线路
116：绝缘材料板
118：下层线路层
120：焊点
122：第三导电连接层
302、406a、406b、406c、406d、406e、406f、406g、406h：垂直型功率器件
302b：非有源区
40：变流器
408：上桥电气回路
410：下桥电气回路
HV：高压电池
L11、L12、L13、L14、L15：电感
M：电动机
具体实施方式
以下揭示内容提供许多不同的实施方式或范例，用于实施本发明的不同特征。当然这些实施例仅为范例，并非用于限制本发明的范围与应用。再者，为了清楚起见，各个构件、膜层或区域的相对厚度及位置可能缩小或放大。另外，在各附图中使用相似或相同的元件符号来标示相似或相同元件或特征，且附图中如有与前一图相同的元件符号，则将省略其赘述。
图1是依照本发明的第一实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的功率器件封装结构100包括一散热绝缘基板102、多个功率器件104、至少一导电夹片106以及一散热背板108。散热绝缘基板102具有相对的第一面102a与第二面102b，功率器件104则形成桥式电路拓扑(包括“半桥”或“全桥”电路拓扑)并设置在所述第一面102a，其中至少一个功率器件104的有源区104a倒装式接合在第一面102a。在一实施例中，上述功率器件104例如垂直型功率器件，因此所述垂直型功率器件的有源区(即104a)会被倒装式接合在第一面102a。上述散热绝缘基板102例如直接覆铜陶瓷基板(DBC)、绝缘金属基板(IMS)或印刷电路基板(PCB)。
在第一实施例中，导电夹片106用以电性连接至少一个功率器件104与第一面102a，其中导电夹片106的材料例如铝、铜或碳纤维。而且，一个导电夹片106可电性连接多个功率器件104至散热绝缘基板102，并设置在功率器件104与散热绝缘基板102接合的一相对侧104b。然而，本发明并不限于此，一个导电夹片106也可只电性连接一个功率器件104至散热绝缘基板102。在一实施例中，若功率器件104为垂直型功率器件，则导电夹片106的一部分可电性连接垂直型功率器件的非有源区，导电夹片106的另一部分可电性连接第一面102a。此外，在第一面102a与导电夹片106之间可通过第一导电连接层110彼此电性连接，在功率器件104与导电夹片106之间则可通过第二导电连接层112彼此电性连接，但本发明并不限此。所述第一导电连接层110与第二导电连接层112例如烧结银层或其他导电连接层。
请继续参照图1，散热绝缘基板102具有一图案化线路114，且图案化线路114是形成在一绝缘材料板116上。散热绝缘基板102的第二面102b则可具有整层的下层线路层118；举例来说，通过在各个功率器件104的接垫(未示出)上形成焊点(solder joint)120上，再利用倒装式接合技术使焊点120正对散热绝缘基板102的图案化线路114，而达到功率器件104与散热绝缘基板102的连结。所述图案化线路114可包含多个电气功能，并与导电夹片106电性连接，且所述图案化线路114与功率器件104电性连接。在一实施例中，一个导电夹片106可连结不同电气功能的图案化线路114。
散热背板108则设置在散热绝缘基板102的第二面102b，且可经由第三导电连接层122彼此电性连接，其中所述第三导电连接层122例如烧结银层或其他导电连接层。然而，本发明并不限此。
散热绝缘基板102的第二面102b也可与散热背板200为一体成型，如图2所示。也就是说，散热背板200与散热绝缘基板102的下层线路层118可为一体成型的构造。
图3是依照本发明的第二实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图，其中沿用上一实施例的元件符号与部分内容，其中采用相同的元件符号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，本实施例不再重复赘述。
请参照图3，本实施例的功率器件封装结构300包括一散热绝缘基板102、多个垂直型功率器件302以及至少一导电夹片106。所述多个垂直型功率器件302形成桥式电路拓扑，且至少一个垂直型功率器件302的有源区302a倒装式接合在散热绝缘基板102。导电夹片106则电性连接(倒装式接合在散热绝缘基板102的)垂直型功率器件302的非有源区302b至散热绝缘基板102。在一实施例中，功率器件封装结构300还可包括一散热背板(未示出)，设置在散热绝缘基板102与垂直型功率器件302接合的另一面。在另一实施例中，散热绝缘基板102与散热背板(未示出)可为一体成型。
图4A是第一实施例的一种构成半桥式(half bridge)电路的功率器件封装结构的平面示意图。
请参照图4A，散热绝缘基板400具有一图案化线路402，且图案化线路402包含多个电气功能，并与多个导电夹片404a、404b电性连接，且图案化线路402分别与垂直型功率器件406a、406b、406c、406d、406e、406f、406g、406h电性连接。也就是说，若是以图4A为例，一个导电夹片404a可连结不同电气功能的图案化线路402与四个垂直型功率器件406a、406b、406c、406d；另一个导电夹片404b可连结不同电气功能的图案化线路402与另外四个垂直型功率器件406e、406f、406g、406h。图4A中的垂直型功率器件406a～406g虽然是以矩形框显示，但应知实际上矩形框的区域内包含的功率器件可相同或不同，譬如绝缘闸双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)与快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)组合的功率器件组。在图4A中并未绘出散热背板，但应知其设置在散热绝缘基板400背面。
图4B是由三个图4A的结构组成不同相位半桥式电路拓扑的装置的电路图。图4C是图4B中的电路的电气回路图。
在图4B中，高压电池HV供电至电动机M的路径设有变流器(Inverter)40，其电路包括三个不同相位的半桥式电路拓扑，且每个相位的半桥式电路拓扑都可使用图4A的结构。所以当高压电池HV供电至电动机M，其电流回路将经由图4A与图4C中的一特定相位的上桥(high side)电气回路408流向电动机M，然后再由电动机M流向另一特定相位的下桥(lowside)电气回路410，最后再流至高压电池HV，形成一个完整回路。
以上电路仅为本发明的功率器件封装结构的一种实施例，并不用以限制本发明的应用范围。
若是以图5的半桥式电路为例，寄生电感LsCE＝L11+L12+L13+L14。因此传统用金属线接合的半桥式电路的寄生电感LsCE约5.55nH，而使用导电夹片(如图1的106)搭配倒装式接合技术的本发明的半桥式电路的寄生电感LsCE则为4.45nH。因此本发明的功率器件封装结构在寄生电感方面能降低20％。由于电压浪涌(voltage surge)ΔV＝L·(di/dt)，所以寄生电感降低的话，电压浪涌自然变小。因此本发明的功率器件封装结构也能因此降低电压浪涌。
另外，由于导电夹片(如铜夹片)的面积与导热系数均高于传统金属线接合的铝金属线，所以在热阻(thermal resistance，RJF)方面，能从传统金属线的0.14℃/W降至用导电夹片的0.10℃/W，其中热阻降幅足足有30％。
综上所述，本发明通过倒装式接合技术将功率器件直接结合在散热绝缘基板上，并使用导电夹片作为线路的连接构造，因此能通过散热绝缘基板及导电夹片的低寄生阻抗与低寄生电感等特性，达到降低功率模块的杂散电感与热阻的效果，进而降低电力转换损耗并使电流分布更为均匀，并降低电压浪涌。
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权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括：
散热绝缘基板，具有相对的第一面与第二面；
多个功率器件形成桥式电路拓扑并设置在所述第一面，其中至少一个所述功率器件的有源区倒装式接合在所述第一面；
至少一导电夹片，用以电性连接至少一个所述功率器件与所述第一面；以及
散热背板，设置在所述散热绝缘基板的所述第二面。
2.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中一个所述导电夹片电性连接一个或多个所述功率器件至所述散热绝缘基板，并设置在所述功率器件与所述散热绝缘基板接合的一相对侧。
3.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述导电夹片的材料包括铝、铜或碳纤维。
4.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述多个功率器件包括垂直型功率器件，所述垂直型功率器件的有源区倒装式接合在所述第一面，且所述至少一导电夹片电性连接所述垂直型功率器件的非有源区与所述第一面。
5.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板包括直接覆铜陶瓷基板、绝缘金属基板或印刷电路基板。
6.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板具有图案化线路，所述图案化线路包含多个电气功能，并与所述至少一导电夹片电性连接，且所述图案化线路与所述多个功率器件电性连接。
7.根据权利要求6所述的功率器件封装结构，其中一个所述导电夹片连结不同电气功能的所述图案化线路。
8.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板的所述第二面与所述散热背板为一体成型。
9.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括：
散热绝缘基板；
多个垂直型功率器件形成桥式电路拓扑，其中至少一个所述垂直型功率器件的有源区倒装式接合在所述散热绝缘基板；以及
至少一导电夹片，电性连接所述倒装式接合在所述散热绝缘基板的所述垂直型功率器件的非有源区至所述散热绝缘基板。
10.根据权利要求9所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板具有图案化线路，所述图案化线路包含多个电气功能，并与所述至少一导电夹片电性连接，且所述图案化线路与所述多个垂直型功率器件电性连接。
11.根据权利要求10所述的功率器件封装结构，其中一个所述导电夹片连结不同电气功能的所述图案化线路。
12.根据权利要求9所述的功率器件封装结构，还包括散热背板，设置在所述散热绝缘基板与所述多个垂直型功率器件接合的另一面。
13.根据权利要求12所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板与所述散热背板为一体成型。
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