CN113066776A - 功率模块 - Google Patents

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陈尧舜
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Abstract

本发明公开一种功率模块，其包括电路板、芯片、第一导热绝缘基板以及第二导热绝缘基板。电路板包括板体及金属块，金属块内埋于板体并从板体相对的第一表面及第二表面露出。芯片对应金属块设置于板体的第二表面的一侧，且芯片与金属块电连接与热连接。第一导热绝缘基板位于板体的第一表面的一侧而设置于电路板上。第二导热绝缘基板与芯片电连接及热连接。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及一种可双面散热的功率模块。
背景技术
在过去，功率半导体模块先是以单面型的功率模块为主；但随着电力电子技术的发展，内部电子元件及系统的功率也有所提升，使得发热问题日益严重，单面散热型的功率模块已不敷使用。
例如，应用在电动车领域的设计时，近年来逐渐将功率模块及驱动器整合，以提升系统功率密度，此种设计尤其是在有限的车体空间下具有优势。然而，若无法有效地排除这些元件所产生的热，便会影响电动车的运行效率，甚至会产生安全上的问题。因此，如何在有限的空间中及减少制造成本的前提下开发一种能够有效达到散热目的的功率模块，遂成为相关业者努力的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率模块，可改善前述问题。
本发明的一实施例提出一种功率模块。功率模块包括电路板、芯片、第一导热绝缘基板以及第二导热绝缘基板。电路板包括板体及金属块，金属块内埋于板体并从板体相对的第一表面及第二表面露出。芯片对应金属块设置于板体的第二表面的一侧，且芯片与金属块电连接与热连接。第一导热绝缘基板位于板体的第一表面的一侧而设置于电路板上。第二导热绝缘基板与芯片电连接及热连接。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：
附图说明
图1为本发明一实施例的功率模块的剖面示意图；
图2A为从下视视角，显示根据本发明一实施例的电路板的立体图；
图2B为从上视视角，显示根据本发明一实施例的电路板的立体图；
图2C为本发明一实施例的芯片的立体图；
图3为本发明另一实施例的功率模块的剖面示意图；
图4为本发明又一实施例的功率模块的剖面示意图。
符号说明
100、200、300…功率模块
200S1、300S1…功率模块的第一侧
200S2、300S2…功率模块的第二侧
110、210…电路板
111、211…板体
111a、211a…板体的第一表面
111b、211b…板体的第二表面
112…金属块
113…金属层
114、214…栅极驱动布线层
114a、214a…局部金属层
114L…布局线路
114P…焊接垫
115…电源布线层
115A…第一表面端子
115B…第二表面端子
120、120A、120B、120C、120D…芯片
120R…芯片置放区
121…第一电极
122…第二电极
123…第三电极
130…第一导热绝缘基板
131…第一绝缘层
132…第一导体层
140…第二导热绝缘基板
141…第二绝缘层
142…第二导体层
150…电子元件
150A…驱动芯片
150B…其它元件
160…被动元件
270…第一引线框架
280…第二引线框架
290…第三引线框架
HS…热源
P1、P2、P3、P4…路径
R1…第一配线区
R2…第二配线区
具体实施方式
以下将以附图说明本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。并且，除非有其他表示，在不同附图中相同的元件符号可视为相对应的元件。又，在附图中，为了清楚起见，放大了层、膜、板、区域或基板等的尺寸。这些附图的绘示是为了清楚表达这些实施方式中各元件之间的连接关系，而非用以显示各元件的实际尺寸、或其比例关系。
应当理解，当诸如层、膜、板、区域或基板的元件被称为在另一元件「上」或「连接于」另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者可以也存在中间元件。相反地，当元件被称为「直接在另一元件上」或「直接连接于」另一元件时，表不存在中间元件。此外，「连接」可以指物理及/或电连接。再者，「电连接」或「耦接」可表示两个元件间存在其它元件。
以下将参考作为理想化实施例的示意图的剖视图来描述示例性实施例。可以预见例如制造技术及/或公差的结果的附图变化。本文所述的实施例不应限于如图所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的偏差。例如，附图所示的平坦的区域通常可以具有粗糙及/或非线性特征。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，且其形状也非用以意旨其精确的形状，也非用以限制本发明。
图1是根据本发明一实施例的功率模块100的剖面示意图。图2A是从下视视角，显示根据本发明一实施例的电路板110的立体图。图2B是从上视视角，显示根据本发明一实施例的电路板110的立体图。图2C是根据本发明一实施例的芯片120的立体图。
请参照图1，功率模块100包括电路板110、芯片120、第一导热绝缘基板130以及第二导热绝缘基板140。功率模块100例如可整合于逆变器(inverter)等电源转换系统，例如电动车或油电混合车(EV/HEV)逆变器内，但本发明不对此加以限制。
电路板110例如是覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper,DBC)或直接电镀铜陶瓷基板(Direct Plated Copper,DPC)等。请参照图1、图2A及图2B，电路板110包括板体111、及分布于板体111相对的第一表面111a及第二表面111b上的布线层(绘示包括栅极驱动布线层114及电源布线层115)，其中板体111的材质例如为陶瓷，且布线层114、115例如为铜层。在其它实施例中，电路板110可为其它种类的电路板，板体111及布线层114、115可为其它适当材质。举例来说，板体111的材质也可以是玻璃纤维(例如为FR4环氧玻璃布层压板等)或陶瓷(例如为氧化铝或氮化铝等)。
此外，电路板110还包括金属块112，金属块112是内埋于板体111并从板体111的第一表面111a及第二表面111b露出。举例来说，板体111具有贯通第一表面111a及第二表面111b的通孔，金属块112则埋设于此通孔中。
芯片120对应于金属块112的位置设置在板体111的第二表面111b的一侧，且与金属块112相连接，此连接包括电连接及热连接。芯片120(绘示包括芯片120A、120B)可为功率芯片，例如为绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、金氧半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)或二极管(diode)等。
第一导热绝缘基板130及第二导热绝缘基板140分别位于板体111的第一表面111a及第二表面111b的一侧而设置于电路板110上，且第二导热绝缘基板140进一步与芯片120电连接及热连接。第一导热绝缘基板130及第二导热绝缘基板140分别热连接于芯片120，以使芯片120的热源HS产生的热通过双面散热的方式有效地传递出去。
第一导热绝缘基板130例如是覆铜陶瓷基板或直接电镀铜陶瓷基板等。详细地说，第一导热绝缘基板130可包括一第一绝缘层131及两个第一导体层132，两个第一导体层132分别设置于第一绝缘层131的相对两侧，且其中一第一导体层132连接于金属块112(包括热连接及电连接)，另一第一导体层132则可与额外的散热装置热连接，以进一步提升散热效率，但本发明不以此为限。在其它实施例中，第一导热绝缘基板130例如是绝缘金属板(Insulated Metal Substrate,IMS)，可省略在另一侧设置另一第一导体层132。
请参照图1，功率模块100还可包括金属层113，对应金属块112的位置形成在板体111的第一表面111a上。如此，芯片120可通过金属块112及金属层113而与第一导热绝缘基板130热连接。一般来说，金属块112厚度较金属层113大，举例而言，金属块112的厚度可大于500μm，金属层113的厚度可小于500μm。于此，金属层113可依设计需求选择性地设置。在其它实施例中，可省略金属层113的设置，芯片120可直接通过金属块112而与第一导热绝缘基板130热连接。
另一方面，第二导热绝缘基板140例如是覆铜陶瓷基板或直接电镀铜陶瓷基板等。详细地说，第二导热绝缘基板140可包括一第二绝缘层141及两个第二导体层142，两个第二导体层142分别设置于第二绝缘层141的相对两侧，且其中一第二导体层142连接于芯片120(包括热连接及电连接)，另一第二导体层142则可与额外的散热装置热连接，以进一步提升散热效率，但本发明不以此为限。在其它实施例中，第二导热绝缘基板140例如是绝缘金属板，可省略在另一侧设置另一第二导体层142。
通过上述配置，第一导热绝缘基板130及第二导热绝缘基板140可分别与芯片120直接或间接热连接，热源HS所产生的热可沿着路径P1从第一导热绝缘基板130一侧传递出去，同时也可沿着路径P2从第二导热绝缘基板140传递出去。
请参照图1、图2A及图2B，电路板110具有相邻的第一配线区R1及第二配线区R2。芯片120配置于第一配线区R1中。栅极驱动布线层114电连接于芯片120，且位于第一配线区R1。具体地说，栅极驱动布线层114设置于板体111的第二表面111b上。电源布线层115电连接于芯片120，且位于第二配线区R2。具体地说，电源布线层115可包括第一表面端子115A及第二表面端子115B，分别设置于板体11的第一表面111a及第二表面111b上，用以提供功率予芯片120。实施例中，位于第二配线区R2中的线路截面积大于第一配线区R1。由于电源布线层115需要提供较大功率的电流输入及输出，电源布线层115的线路截面积均大于栅极驱动布线层114。举例而言，电源布线层115的线路截面积大于10000μm2，栅极驱动布线层114的线路截面积则在6000μm2以下。
实施例中，功率模块100还可包括电子元件150(绘示包括驱动芯片150A及其它元件150B)。电子元件150位于第一配线区R1。驱动芯片150A可通过栅极驱动布线层114以给予芯片120驱动信号。
如图2A所示，栅极驱动布线层114可包括多条的布局线路114L及焊接垫114P，且电路板110还具有芯片置放区120R。请参照图1、图2A及图2C，芯片120可包括第一电极121、第二电极122及第三电极123。当芯片120设置在板体111的第二表面111b的一侧时，第一电极121对准于焊接垫114P而与焊接垫114P相互电连接，第二电极122对准于金属块112而与金属块112相互电连接。因此，驱动芯片150A可经由栅极驱动布线层114在路径P3上给予芯片120驱动信号。
请参照图1及图2B，第一导热绝缘基板130的其中一第一导体层132更进一步与第一表面端子115A电连接。并且，金属层113的顶面与板体111的第一表面111a相距的高度和第一表面端子115A的厚度一致，以避免金属块112的厚度不足而与第一表面端子115A之间具有高低差，使第一导热绝缘基板130的第一导体层132能够顺利地同时接触第一表面端子115A及金属层113，确保三者间的电连接架构。
于此，金属层113可以是和第一表面端子115A属于同一金属层结构。举例来说，第一表面端子115A和金属层113可为同时电镀在板体111的第一表面111a上的铜层，但本发明不以此为限。在另一实施例中，金属层113可以和金属块112本身为一体的结构。
第二导热绝缘基板140的其中一第二导体层142更进一步与第二表面端子115B电连接。并且，在一些实施例中，电路板100还可包括局部金属层114a，对应设置于金属块112及芯片120之间(局部金属层114a绘示在金属块112及芯片120A之间)，使芯片120的第三电极123(绘示于图2C)的一面与板体111的第二表面111b相距的高度和第二表面端子115B的厚度一致，以避免芯片120的厚度不足而与第二表面端子115B之间具有高低差，使第二导热绝缘基板140的第二导体层142能够顺利地同时接触第二表面端子115B及芯片120，确保三者间的电连接架构。
于此，局部金属层114a可以是和栅极驱动布线层114属于同一金属层结构。举例来说，栅极驱动布线层114和局部金属层114a可为同时电镀在板体111的第二表面111b上的铜层，但本发明不以此为限。
通过上述配置，可在功率模块100中建立连续的导电路径P4，功率即可经由路径P4提供予芯片120使芯片120运作。并且，由于功率输入及输出的回路电感可相互抵消，故可进一步降低寄生电感。
由于本实施例直接在电路板110上制作驱动芯片120的栅极驱动布线层114及驱动芯片150A，因此芯片120不需如传统设计须以打线方式与驱动线路进行电连接，同时也可缩减信号传输距离，降低寄生电感。另外，通过使金属块112内埋于电路板110的设计，金属块112的对位容易，大幅减低制作工艺的困难度。且内埋的金属块112可作为电性及热的导通路径，还可避免短路情形发生，也可在缩减功率模块100的体积的前提下提升散热效果。
而且，实施例中让具有较大截面积的线路配置于第二配线区R2，第二配线区R2中的线路承受较大功率的负载，因而在此区域中的温度较高。但由于大部分的热可经由第一导热绝缘基板130及第二导热绝缘基板140传递出去，因此能有效控制第一配线区R1中的温度，避免这些热影响驱动芯片150A的运作。
此外，实施例中，一些电子元件还可一并整合于功率模块100中。或者，在另一实施例中，一些例如是电容及电感等的被动元件160也可一并整合于功率模块100中。请参照图1及图2A，其它元件150B可设置在板体111的第二表面111b的一侧而设置于电路板110上。其它元件150B例如为控制芯片、温度传感器等，本发明不对此加以限制。举例来说，当控制芯片通过温度传感器得知温度异常时，即可及时控制驱动芯片150A对芯片120进行操作，以提供防护的机制。
请参照图3，其是根据本发明另一实施例的功率模块200的剖面示意图。功率模块200包括电路板210、第一导热绝缘基板130、第二导热绝缘基板140、第一引线框架270、第二引线框架280以及第三引线框架290。电路板210包括板体211及栅极驱动布线层214。板体211及栅极驱动布线层214类似于图1的功率模块100的板体111及栅极驱动布线层114。第一导热绝缘基板130及第二导热绝缘基板140分别设置于板体211的第一表面211a及第二表面211b的一侧。
此外，当芯片120的数量为多个时，电路板210可还包括局部金属层214a，对应设置于金属块112及厚度较薄的芯片120A之间，以弥补芯片120A和芯片120B之间厚度不同所导致的高低差问题。
与图1的功率模块100的不同处主要在于电路板210及第一引线框架270、第二引线框架280、第三引线框架290的设计，其余相同或相似之处以相同的标号及内容表示，于此不再赘述。
功率模块200具有相对的第一侧200S1及第二侧200S2。第一引线框架270配置于功率模块200的第一侧200S1，并电连接于芯片120，以传输驱动信号至芯片120。进一步地说，第一引线框架270可通过设置于板体211的第二表面211b上的栅极驱动布线层214而电连接于芯片。
第二引线框架280及第三引线框架290配置于功率模块200的第二侧200S2，并电连接于芯片120，以提供功率予芯片120。进一步地说，第二引线框架280可通过第二导热绝缘基板140的第二导体层142电连接于芯片120。第三引线框架290可通过第一导热绝缘基板130的第一导体层132与板体211的金属块112电连接于芯片120。
请参照图4，其是根据本发明又一实施例的功率模块300的剖面示意图。本实施例中的功率模块300与图3的功率模块200类似，是将第一引线框架270配置于功率模块300的第一侧300S1，并将第二引线框架280及第三引线框架290配置于功率模块300的第二侧300S2。不同之处在于，功率模块300还包括另一芯片120C、120D，电连接及热连接于金属块112及第一导热绝缘基板130的第一导体层132之间。
通过上述配置，内埋的金属块112可作为电性及热的导通路径，且可同时缩减功率模块200、300的体积并提升散热效果。
综上所述，本发明实施例的功率模块中，是直接在电路板中埋设金属块，使金属块作为电性及热的导通路径。此设计可避免短路情形发生，也可在缩减功率模块的体积的前提下提升散热效果。此外，功率模块中还可建立用以提供芯片功率的连续的导电路径，且功率输入及输出的回路电感能够相互抵消，以降低寄生电感。
并且，在一些实施例中，用以驱动芯片的驱动芯片、及连接驱动芯片和芯片的栅极驱动布线层可一并制作于电路板上，因此芯片不需如传统设计须以打线方式与驱动线路进行电连接，同时也可缩减信号传输距离，降低寄生电感。此外，在电路板中埋设金属块的设计，使得金属块的对位容易，大幅减低制作工艺的困难度。
另外，在一些实施例中，电路板还可分为第一配线区及第二配线区。具有较大截面积的线路(例如用以传递功率的电源布线层)配置于第二配线区，第二配线区中的线路承受较大功率的负载，因而在此区域中的温度较高。但由于大部分的热可经由第一导热绝缘基板及第二导热绝缘基板传递出去，因此能有效控制第一配线区中的温度，避免这些热影响位于第一配线区中的电子元件(例如芯片、驱动芯片)或线路(例如栅极驱动布线层)的运作。
虽然接合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (18)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
电路板，包括板体及金属块，该金属块内埋于该板体并从该板体相对的第一表面及第二表面露出；
芯片，对应该金属块设置于该板体的该第二表面的一侧，且该芯片与该金属块电连接与热连接；
第一导热绝缘基板，位于该板体的该第一表面的一侧而设置于该电路板上；以及
第二导热绝缘基板，与该芯片电连接及热连接。
2.如权利要求1所述的功率模块，其中该电路板具有相邻的第一配线区及第二配线区，该芯片配置于该第一配线区中，且位于该第二配线区中的线路截面积大于该第一配线区中的线路截面积。
3.如权利要求2所述的功率模块，其中该电路板还包括栅极驱动布线层，设置于该板体的该第二表面上，且电连接于该芯片，该栅极驱动布线层位于该第一配线区。
4.如权利要求2所述的功率模块，其中该电路板还包括电源布线层，电连接于该芯片以提供功率予该芯片，该电源布线层位于该第二配线区。
5.如权利要求4所述的功率模块，其中该电源布线层包括第一表面端子及第二表面端子，分别设置于该板体的该第一表面及该第二表面上。
6.如权利要求5所述的功率模块，其中该第一导热绝缘基板包括第一导体层，电连接于该第一表面端子及该金属块。
7.如权利要求6所述的功率模块，其中该电路板还包括金属层，对应设置于该金属块及该第一导体层之间，且该金属层从该板体的该第一表面的高度与该第一表面端子的厚度一致。
8.如权利要求7所述的功率模块，其中该金属块与该金属层为一体的结构。
9.如权利要求5所述的功率模块，其中该第二导热绝缘基板包括第二导体层，电连接于该第二表面端子及该芯片。
10.如权利要求9所述的功率模块，其中该电路板还包括局部金属层，对应设置于该金属块及该芯片之间，以使该芯片从该板体的该第二表面的高度与该第二表面端子的厚度一致。
11.如权利要求1所述的功率模块，其中该芯片为功率芯片。
12.如权利要求1所述的功率模块，还包括温度传感器，位于该板体的该第二表面的一侧而设置于该电路板上。
13.如权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块具有相对的第一侧及第二侧，且还包括：
第一引线框架，配置于该功率模块的该第一侧，并电连接于该芯片；
第二引线框架，配置于该功率模块的该第二侧，并电连接于该芯片；以及
第三引线框架，配置于该功率模块的该第二侧，并电连接于该芯片。
14.如权利要求13所述的功率模块，其中该第二导热绝缘基板包括第二导体层，该第二引线框架经由该第二导体层电连接于该芯片。
15.如权利要求13所述的功率模块，其中该第一导热绝缘基板包括第一导体层，该第三引线框架经由该第一导体层电连接于该芯片。
16.如权利要求13所述的功率模块，其中该电路板还包括栅极驱动布线层，设置于该板体的该第二表面上，且电连接于该芯片，该第一引线框架经由该栅极驱动布线层电连接于该芯片。
17.如权利要求15所述的功率模块，还包括另一芯片，电连接及热连接于该金属块及该第一导体层之间。
18.如权利要求13所述的功率模块，其中该芯片的数量为多个，该电路板还包括局部金属层，对应设置于该金属块及该些芯片之间，以使该些芯片从该板体的该第二表面的高度一致。
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