CN113451252B - 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块 - Google Patents

具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块 Download PDF

Info

Publication number
CN113451252B
CN113451252B CN202010226320.4A CN202010226320A CN113451252B CN 113451252 B CN113451252 B CN 113451252B CN 202010226320 A CN202010226320 A CN 202010226320A CN 113451252 B CN113451252 B CN 113451252B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pad
ceramic substrate
heat
mounting
welding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010226320.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113451252A (zh
Inventor
余河潔
廖陈正龙
林俊佑
黄安正
陈昆赐
梁荣华
詹雅惠
杨奇桦
黄孝登
王敬文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Zhaohui Technology Co ltd
Icp Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Zhaohui Technology Co ltd
Icp Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Zhaohui Technology Co ltd, Icp Technology Co ltd filed Critical Shanghai Zhaohui Technology Co ltd
Priority to CN202311492196.6A priority Critical patent/CN117352470A/zh
Priority to CN202010226320.4A priority patent/CN113451252B/zh
Publication of CN113451252A publication Critical patent/CN113451252A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113451252B publication Critical patent/CN113451252B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板，供焊接设置至少一大功率电路组件，该高导热陶瓷基板是被导热连结至一金属散热器，且该高导热陶瓷基板包括：一基板本体，具有一设置面及在一高度方向相反于该设置面的安装散热面；至少一布局于该基板本体上述设置面的电路层，该电路层包括至少一个供超声波焊接的金属熔焊垫和至少一供上述大功率电路组件焊接的安装垫；复数成形于该基板本体该安装散热面且彼此间隔设置、供导热连结该金属散热器的金属散热安装块，其包含至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫。此外，本发明还公开了一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板。

Description

具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块
技术领域
本发明涉及一种高导热陶瓷基板，尤其是一种具有特殊结构设计的保护接垫的高导热陶瓷基板。
背景技术
随着环保意识的推广，空污问题被媒体广泛报导使得越来越多消费者选择以电动交通工具取代内燃机为动力的传统交通工具，例如以电动机车取代二行程机车以及以电动房车取代传统汽车，而这些电动交通工具都依赖大功率的电动马达以提供动力，因此市场对于大功率的电力控制组件的需求非常殷切，也引起各大供货商竞相投入研发，例如日商瑞萨电子(Renesas Electronics)宣布推出100安培大电流功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，适用于消费性产品中的马达驱动器，如无线电动工具及动力辅助自行车。
上述大功率组件消耗的能量大一方面代表电流效率较高，但是大功率组件自身带有内电阻且工作电流大，因此有一定比例的电能会被转换为热能也是不可避免的。如果无法尽快将大功率组件的热能逸散，高发热组件所产生的热能将会积聚在靠近大功率组件的附近，使得高发热组件的运作环境非常不理想而影响其工作效能。目前比较被普遍实行的解决方案是使用陶瓷材料做为电路基板的绝缘材料层，陶瓷基板做为电路板的一种，其具有与半导体接近的热膨胀系数及高耐热能力，尤其相较于传统例如FR4等材质的电路基板，具有良好的导热系数，适用于具备高发热量的产品，而且其高硬度、加工性好、尺寸精度高、高绝缘电阻、和极强的电路图形附着力，加上材料来源丰富容易取得，因此成为用以配置大功率组件的印刷电路的基板的首选。
最常见的陶瓷材料有氧化铝(Aluminum Oxide，Al2O3)制成的直接覆铜(DirectBonded Copper，DBC)基板，其中，氧化铝在单晶结构下导热系数可达35Wm-1K-1，多晶结构下则有20至27Wm-1K-1。其他常见的陶瓷材料基板，还有：氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)及碳化硅(SiC)等。由于上述导热性能良好的陶瓷材料常用在有高功率电子组件的电路基板中，因此该类基板有时又称作高功率印刷电路基板(Power Electronic Substrate)。
铝导电条在空气中会与氧反应很快生成氧化膜，能防止进一步氧化，所以铝导电条是大功率组件引刷电路常用的打线材料。然而，因为铝的氧化活性强故在高温焊接时表面会快速生成氧化层而无法与焊锡连接，因此传统的热电焊法是无法将铝导电条焊接在铜质的熔焊垫上，如图1所示，一般是采用例如超声波振荡焊接设备84将铝导电条85和熔焊垫86焊接。然而相较于传统FR-4塑料基板，陶瓷的基板本体87硬且脆非常容易在超音波震荡时破裂而造成电路断线的问题，因此制造的量率一直难以提高直接降低了产能和提高了成本。
此外，虽然大功率组件可以很容易经由焊锡焊接在布局在陶瓷基板表面的焊垫上，但是容易产生过多的热能聚积，由于印刷电路板和电路组件间的热膨胀系数不一，金属铜与铝的热膨胀系数为16.5与23ppm/K，而陶瓷材料氧化铝、氮化铝与氮化硅大约分别是7、4.5与3.5ppm/K，当陶瓷基板与结合的金属层热膨胀系数差异过大时，在高温的焊接环境或运作环境下反复经热胀冷缩，导热接垫90的膨胀量会大于基板本体87的膨胀量，导致导热接垫90的铜层会翘曲变形金属及陶瓷基板之间的界面容易产生破裂、翘曲或变形剥离的问题，也势必会造成因热应力而让接点产生受损的风险，通常需要高效率的散热手段才能有效解决热能积蓄的问题。
为此，目前常用的方法有以下几种：一是在大功率电路组件和其他电路组件之间配置大范围空置空间，经由热对流或是热辐射将所发出的热能逸散至印刷电路板周围的空气及环境，但此种散热效率并不高；二是如图2的大功率组件88中在上述焊接有大功率电路组件89的陶瓷的基板本体87的背面铺设例如铜质导热接垫90，再透过导热胶91等材料热连结导热性质更好的金属散热器92(Heat-Sink)而将大功率电路组件89发出的热能传导逸散，但是因为铜的热膨胀系数远大于陶瓷基板，此种做法会导致基板本体87翘曲变形甚至断裂，而导热接垫90也会翘曲变形甚至剥落造成散热效率低落，而且导热胶91本身的导热系数远低于金属，因此即使在金属散热器92远离产热电子组件的远程加装风扇，金属导热器的92导热效果也会大打折扣。
此外，一般在焊接有大功率组件的导热电路板背面，经常会透过例如溅镀等方式，在背面长一层例如铜层做为导热接垫90，藉此跟同样是例如铜材质的金属散热器92妥善结合，而将大功率电路组件89发出的热能传导逸散。因此，一般规划是在陶瓷的基板本体87的正面，形成包含供焊接大功率电路组件89的安装垫93和焊接铝导电条85的熔焊垫86；藉此形成高导热陶瓷基板98，让大功率组件发热能由金属散热器92导出。
请参阅图2，为克服此问题，申请人进一步将整片的铜层，区隔为面积更小且彼此些微的间隙94的多片例如六角形的铜层区块95，一方面仍然可以让上方的陶瓷基板和下方的鳍片型金属散热器保持良好的结合与导热接触，另一方面可以在铜层区块95热胀冷缩时，藉由些微的间隙94作为类似桥梁或铁轨伸缩缝的缓冲区，使得铜层区块95和陶瓷间的热膨胀差异不会造成翘区剥落等结构损坏。
然而，当铜层区块95的各自尺寸过小时，由于超声波振荡焊接设备84进行超声波振荡焊接时，对应于上述些微的间隙94处的基板本体87将缺乏铜层区块95的下方支撑，因而非常容易在超声波振荡和温升的协同作用下产生些微破裂狭缝，甚至造成电路断路的问题，因此制造的良率一直难以提高，直接限制产能并使成本居高不下。而大功率电路组件89下方的间隙94处，也因缺少了铜层区块95的直接散热，使得大功率电路组件89发出的热能在间隙94周遭积聚，无法充分发散。
尤其如图3所示，申请人更擅长将例如FR-4等多层印刷电路板96中预先形成略大于陶瓷基板的尺寸的开口97，然后以绝缘胶材99固化黏着将高导热陶瓷基板98镶嵌在该开口97，再把用来驱动或控制大功率电路组件89的其余低电流电路和相关组件，以高密度和高复杂度的结构设置于FR4的电路板上，并和陶瓷基板上的电路相互导接，形成特殊的复合电路板。
此种结构的电路板被称为热电分离电路板，一方面可以将大功率电路组件89发出的大量热能先纵向地经由基板本体87及图式下方的金属散热器携出，避免FR-4铜箔印刷电路板96中的其他电路组件受到大功率电路组件89发出的大量热能的影响；另一方面，复杂的电路设计也不需要迁就陶瓷基板的简单结构，可以在多层板中尽情发挥，尽量微型化，并且节约相对昂贵的陶瓷基板用料。
因此，如何一方面在超声波焊接时保护硬且脆的陶瓷的基板本体不致破裂，以及改善导热接垫和陶瓷基板的翘曲变形，同时确保金属散热器和导热接垫良好的热连接，就是本发明所要达到的目的。
发明内容
针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板，旨在实现以下发明目的：(1)能够在以超声波振荡焊接铝导电条时，大幅降低陶瓷基板破裂的风险，有效提升产品良率；(2)供在大功率电路组件工作时充分散热而避免陶瓷基板背面的均匀导热接垫翘曲变形或破裂。此外，本发明还希望提供一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板的大功率模块，可以提高均匀导热接垫和金属散热鳍片之间的导热效率，让大功率组件发出的热能更快逸散而不积聚，以提高其工作效率。
根据实施例，本发明提供的一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板，供焊接设置至少一个工作电流达数十安培的大功率电路组件，以及该高导热陶瓷基板是被导热连结至一金属散热器，且该高导热陶瓷基板包括：一基板本体，具有一设置面及在一高度方向相反于该设置面的安装散热面；至少一布局于该基板本体上述设置面的电路层，前述电路层包括至少一个金属材质供超声波焊接的熔焊垫，以及至少一供上述大功率电路组件焊接的安装垫；以及复数成形于上述基板本体上述安装散热面且彼此间隔设置、供导热连结至上述金属散热器的金属散热安装块；其中，在上述高度方向对应于上述熔焊垫的金属散热安装块，是至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫。以及至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述安装垫的均匀导热接垫。
根据实施例，当把包括一金属散热器安装于上具有保护接垫的高导热陶瓷基板，就可以构成本发明的一种大功率模块，其包括：至少一个工作电流达数十安培的大功率电路组件；一金属散热器；一供焊接设置上述大功率电路组件，并且导热连接上述金属散热器的高导热陶瓷基板，该高导热陶瓷基板包括：一基板本体，具有一设置面及在一高度方向相反于该设置面的安装散热面；至少一布局于该基板本体上述设置面的电路层，前述电路层包括至少一个金属材质供超声波焊接的熔焊垫，以及至少一供上述大功率电路组件焊接的安装垫；以及复数成形于上述基板本体上述安装散热面且彼此间隔设置、供导热连结至上述金属散热器的金属散热安装块；其中，在上述高度方向对应于上述熔焊垫的金属散热安装块，是至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫。以及至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述安装垫的均匀导热接垫。
相对于现有技术，本发明在陶瓷基板的基板本体的安装散热面设置彼此间隔的金属散热安装块，其包含了：藉由在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫，来防止陶瓷基板在超声波振荡焊接时断裂以及电路受损；以及藉由在上述高度方向对应于上述安装垫的均匀导热接垫，来防止陶瓷基板和均匀导热接垫翘曲变形甚至断裂，更藉由下方均匀导热接垫的完整披覆，让大功率电路组件所发的热，可以被顺畅有效地导出至陶瓷基板下方的散热器，藉此确保操作环境的适当温度，有效确保工作效能和使用寿命。
附图说明
图1为现有技术中常见大功率模块的侧视示意图。
图2为现有技术中常见大功率模块的超声波焊接侧视示意图。
图3为现有技术中常见的高导热陶瓷基板的俯视示意图。
图4为本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板之第一较佳实施例的侧视示意图(说明支撑保护接垫和熔焊垫的对应形状关系，以及均匀导热接垫和安装垫的对应形状关系)。
图5为本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板之第一较佳实施例的俯视示意图。
图6为本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板大功率模块侧视示意图。
图7为本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板之第二较佳实施例的俯视示意图。
图8为本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板之第三较佳实施例的仰视示意图(说明支撑保护接垫和均匀导热接垫的阶梯状设计)。
图9是图8实施例的侧视示意图。
图10是本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板之第四较佳实施例的仰视示意图。
其中：1、1’、98为高导热陶瓷基板；10、10’、87为基板本体；102为设置面；104为安装散热面；12为电路层；122、122’、86为熔焊垫；124、124’、93为安装垫；14、14’为金属散热安装块；140、140’、140”、140”’为支撑保护接垫；142、142’、142”、142”’为均匀导热接垫；144’为其余金属散热安装块；146”为阶梯状结构；16、16’、94为间隙；17、84为超声波振荡焊接设备；2、2’、89为大功率电路组件；3、92为金属散热器；5、5’、85为铝导电条；7’为铜导电条；8’、96为印刷电路板；81’、97为开口；82’、99为绝缘胶材；83’为焊接垫；88为大功率组件；9为大功率模块；90为导热接垫；91为导热胶；95为铜层区块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。
第一较佳实施例
如图4至图5所示，本发明第一较佳实施例提供的一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块中，高导热陶瓷基板1包含一例如是氮化铝材质的基板本体10、电路层12和例释为多个彼此形成有间隙的铜质导热垫，在此定义为金属散热安装块14，金属散热安装块14较佳高度是大于60微米(micro-meter，μm)最佳厚度是150微米。电路层12是设置在基板本体10上方的设置面102，且为配合多个大功率电路组件的设置，本实施例中也设置有多个熔焊垫122和安装垫124。在基板本体10的相反侧面，则定义为安装散热面104，且基板本体10板厚的方向定义为高度方向。
高导热陶瓷基板1的制作方法，例如是先在基板本体10的设置面102和安装散热面104以溅镀法全面形成铜质金属层，再以光刻法分别在高导热陶瓷基板1的设置面102去除部分不需导通的区域而形成电路层12，以及在安装散热面104形成彼此具有间隙的金属散热安装块14，上述两者均可视情况需要再以电镀或类似方式增厚。当然，熟悉本技术领域人士也可以采用溅镀以外的类似方式构成上述两面的电路层和金属散热安装块。
接着将至少一个工作电流达数十安培以上的大功率电路组件2的底部电极焊接在安装垫124上，大功率电路组件2例如是德商英飞凌科技公司(Infineon Technologies AG)所因应电动房车以及轨道列车的应用所出品、30-80kW功率级电流高达160安培的IGBT型AUIRGPS 4067 D1电源管理集成电路(power management IC)，然后以超声波振荡焊接设备17将本实施例中的多条彼此并联的铝导电条5，逐一将一端焊接在熔焊垫122上、另一端则同样逐一焊接在大功率电路组件2的顶部电极上。本实施例中，由于数十安培的电流若行经单一金属导电条，仍会因些微电阻而造成莫大的热干扰，再考虑陶瓷基板的空间节约，必须让各导电条以大致同心的方式内外排列。
其中，上述金属散热安装块中，最特殊的在于其中有振荡稳定的支撑保护接垫140，此处所称的支撑保护接垫140是在垂直于上述高度方向的投影面上、对应于熔焊垫122位置而设置的，尤其是支撑保护接垫140的面积不小于熔焊垫122的面积，也就是在垂直上述高度方向的投影面方向上，可以全覆盖设置面102上的熔焊垫122的投影面积。因此，在超声波振荡焊接过程中，不会有任何熔接振荡位置会超过此支撑保护接垫140的支撑范围，藉此稳定地提供应力学支撑，而防止基板本体10在超声波振荡下因悬空没有受到支撑而破裂。而由于上述多条导电条的内外设置模式，唯有在下方的支撑达成全覆盖，才能如此确保陶瓷基板本体的结构完整以及良率提升。
另一方面，金属散热安装块14也另外包含多个均匀导热接垫142，此处的均匀导热接垫142是指在垂直于上述高度方向的投影面上对应于安装垫124位置而设置的，而且均匀导热接垫142的面积也是至少不小于安装垫124的面积，除了可以在超声波振荡焊接过程中稳定地提供应力支撑而防止基板本体10在超声波振荡下破裂，并且可以完全运用安装垫124的散热面积进行散热，藉此避免大功率电路组件2的热能因间隙的存在而有部分区域导热不良，造成热能积聚在间隙附近，一方面影响大功率电路组件2的运作环境与效能，另一方面更导致接口的稳固结合受到损害。
本实施例中，上述金属散热安装块14之间具有不大于300微米且最佳为200微米的间隙16，使得各均匀导热接垫142在受热时可以将大功率电路组件2发出的热能均匀分散，并且每一均匀导热接垫142均有足够的空间供受热膨胀而不致因无处膨胀导致翘曲变形甚至接口剥离，同样也可使基板本体10避免相同的翘曲变形甚至微裂。
本实施例中，支撑保护接垫140是面积大于熔焊垫122的面积的六角型形状，而均匀导热接垫142也是面积大于安装垫124的面积的六角型形状，因此，支撑保护接垫140的面积不一定会和均匀导热接垫142相等，当然，熟知本技术领域之人可以轻易推知，只要能满足上述两种投影面上全覆盖的要求，支撑保护接垫140的面积也可和均匀导热接垫142的面积相等，而且支撑保护接垫140和均匀导热接垫142的形状也可以是其他图形，并无碍于本发明实施。
请参阅图6，本实施例中还将上述焊接有大功率电路组件2的高导热陶瓷基板1，透过金属散热安装块14焊接在一例如是电动马达的高功率用电设备的铜制散热鳍片的金属散热器3上，以藉由金属散热器3的散热鳍片而更快地将大功率电路组件2发出的热能导出并逸散。并且同步利用马达内部的例如水冷装置，形成一具有保护接垫的高导热陶瓷基板1的大功率模块9，因为金属态的焊锡和铜材质的金属散热安装块14以及铜制的金属散热器3具有良好接触兼容性和导热性，且铜具有较佳的导热系数(380Wm-1K-1)，故能以最快速率将均匀导热接垫142接收自大功率电路组件2的热能吸收然后藉由水冷式马达的水冷装置携出且逸散。
本发明在基板本体的安装散热面设置彼此间隔的金属散热安装块，其包含了：藉由在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的支撑保护接垫，以及在上述高度方向的投影面上全覆盖于上述安装垫的均匀导热接垫，可以防止陶瓷基板在超声波振荡焊接时断裂以及电路断线；并且防止陶瓷基板和均匀导热接垫翘曲变形甚至断裂或剥落。
本发明在陶瓷基板的基板本体的安装散热面设置藉由金属焊接的方式将一金属散热器全面积热连接均匀导热接垫，而形成一具有保护接垫的高导热陶瓷基板的大功率模块，可以对高功率电路组件提供更好的导热而确保操作环境的适当温度，藉此增加陶瓷基板以及大功率模块的制造良率和降低成本，并延长使用寿命。
第二较佳实施例
本发明具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块的第二较佳实施例如下所述，本实施例中与前一较佳实施例相同部分于此不再赘述，相似的组件也使用相似名称与标号，仅就差异部分提出说明。本实施例中高导热陶瓷基板的制作方法，例如是先在基板本体的设置面和安装散热面以电着法全面形成铜质金属层，再以光刻法分别在高导热陶瓷基板的设置面形成电路层，以及在安装散热面形成金属散热安装块。
请参阅图7，在本实施例中，熔焊垫122’为长条的矩形以形成一端子总线供多条铝导电条5’焊接，相对的，金属散热安装块14’中的振荡稳定的支撑保护接垫140’也是长条的矩形，并且在基于基板本体10’厚度的高度方向的投影面上全覆盖熔焊垫122’；安装垫124’则是正方形而均匀导热接垫142’是长方形并且在基于基板本体10’厚度的高度方向的投影面上全覆盖安装垫124’；紧邻支撑保护接垫140’和均匀导热接垫142’的金属散热安装块14’也都分别是原正六角形而被支撑保护接垫140’和均匀导热接垫142’截余的残余形状，金属散热安装块14’中除了支撑保护接垫140’、均匀导热接垫142’以及紧邻上述支撑保护接垫140’和上述均匀导热接垫142’者以外的复数个其余金属散热安装块144’均为正六角形。
在本实施例中，长条的矩形熔焊垫122’作为端子总线可以供多条铝导电条5’焊接，例如可以实现多个较小功率的大功率电路组件2’之间的并联电路，来达成等效于一个较大功率的大功率电路组件的电流输出要求，以降低每个较小功率的大功率电路组件2’的电流而减轻发热的问题，使得成本得以下降并且应用范围更广，有助于产品的市场推展。
本实施例的高导热陶瓷基板1’也可以应用在前述的热电分离电路板上，其做法例如是在FR-4铜箔的印刷电路板8’上预先以雷射切割形成一尺寸略大于高导热陶瓷基板1’的开口81’，然后以绝缘胶材82’将高导热陶瓷基板1’镶嵌在开口81’而与印刷电路板8’结合，再以铜导电条7’焊接在熔焊垫122’和印刷电路板8’上的焊接垫83’，以将高导热陶瓷基板1’与印刷电路板8’电性连接以形成热电分离电路板。
第三、四较佳实施例
当然，如熟悉本技术领域人士所能轻易理解，上述各实施例中的支撑保护接垫和均匀导热接垫都不局限于六角型设计，如图8至10的第三及四实施例所示，亦可选择为正方形支撑保护接垫140”、均匀导热接垫142”，或略呈长方形的支撑保护接垫140”’、均匀导热接垫142”’，或任何简单几何形状，尤其如图8及9所示，为避免陶瓷基板和接垫间因为材质的热膨胀系数不一，无论是在制造安装过程或未来使用过程，均可能因为受热膨胀而导致接口剥离，此时，亦可将上述支撑保护接垫140”、均匀导热接垫142”均采用阶梯状结构146”，藉以分散热应力，亦均无碍于本发明的实施。
综上所述，本发明在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定支撑保护接垫，可以防止陶瓷基板在超声波振荡焊接时断裂以及电路断线；在上述高度方向对应于上述安装垫的均匀导热接垫，可以防止陶瓷基板和均匀导热接垫翘曲变形甚至断裂或剥落；以金属焊接全面积热连接均匀导热接垫的金属散热器，可以对大功率电路组件提供更好的导热；以及采取长条矩形熔焊垫做为端子总线可以更进一步降低大功率电路组件的温升，扩大产品应用范围；有效达成了本发明之上述目的。

Claims (5)

1.一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板，供焊接设置至少一个工作电流达至少数十安培的大功率电路组件，以及该高导热陶瓷基板是被导热连结至一金属散热器，其特征是，该高导热陶瓷基板包括：
一基板本体，具有一设置面及在一高度方向相反于该设置面的安装散热面；
至少一布局于该基板本体上述设置面的电路层，前述电路层包括至少一个金属材质供超声波焊接的熔焊垫，以及至少一供上述大功率电路组件焊接的安装垫；以及
复数成形于上述基板本体上述安装散热面且彼此分别留有间隙地设置、供导热连结至上述金属散热器的金属散热安装块；其中，在上述高度方向对应于上述熔焊垫的金属散热安装块，是至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫。
2.如权利要求1所述的具有保护接垫的高导热陶瓷基板，其特征是，上述金属散热安装块中，在上述高度方向对应于上述安装垫的金属散热安装块，是至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述安装垫的均匀导热接垫。
3.如权利要求2所述的具有保护接垫的高导热陶瓷基板，其特征是，上述振荡稳定支撑保护接垫是矩形。
4.如权利要求3所述的具有保护接垫的高导热陶瓷基板，其特征是，上述金属散热安装块是高度大于60微米的铜层。
5.如权利要求4所述的具有保护接垫的高导热陶瓷基板，其特征是，上述金属散热安装块中，除上述振荡稳定支撑保护接垫、上述均匀导热接垫以及紧邻上述振荡稳定支撑保护接垫和上述均匀导热接垫者以外的其余复数金属散热安装块均为正六角形。
CN202010226320.4A 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块 Active CN113451252B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311492196.6A CN117352470A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块
CN202010226320.4A CN113451252B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010226320.4A CN113451252B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311492196.6A Division CN117352470A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113451252A CN113451252A (zh) 2021-09-28
CN113451252B true CN113451252B (zh) 2024-05-14

Family

ID=77807649

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010226320.4A Active CN113451252B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块
CN202311492196.6A Pending CN117352470A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311492196.6A Pending CN117352470A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN113451252B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008235852A (ja) * 2007-02-23 2008-10-02 Hitachi Metals Ltd セラミックス基板及びこれを用いた半導体モジュール
TW201131713A (en) * 2010-03-15 2011-09-16 Tsung-Hsien Lin Electronic assembly
TW201212306A (en) * 2010-09-10 2012-03-16 Ho Cheng Ind Co Ltd LED heat-conduction substrate and heat-dissipation module structure
CN103928447A (zh) * 2013-01-14 2014-07-16 内蒙航天动力机械测试所 一种大功率全气密半导体模块封装结构
WO2014115677A1 (ja) * 2013-01-22 2014-07-31 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール
WO2015053316A1 (ja) * 2013-10-10 2015-04-16 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
CN106165087A (zh) * 2014-04-25 2016-11-23 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、带散热片的功率模块用基板及带散热片的功率模块
TW201829108A (zh) * 2016-12-14 2018-08-16 日商新川股份有限公司 打線接合裝置以及打線接合方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008235852A (ja) * 2007-02-23 2008-10-02 Hitachi Metals Ltd セラミックス基板及びこれを用いた半導体モジュール
TW201131713A (en) * 2010-03-15 2011-09-16 Tsung-Hsien Lin Electronic assembly
TW201212306A (en) * 2010-09-10 2012-03-16 Ho Cheng Ind Co Ltd LED heat-conduction substrate and heat-dissipation module structure
CN103928447A (zh) * 2013-01-14 2014-07-16 内蒙航天动力机械测试所 一种大功率全气密半导体模块封装结构
WO2014115677A1 (ja) * 2013-01-22 2014-07-31 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール
WO2015053316A1 (ja) * 2013-10-10 2015-04-16 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
CN106165087A (zh) * 2014-04-25 2016-11-23 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、带散热片的功率模块用基板及带散热片的功率模块
TW201829108A (zh) * 2016-12-14 2018-08-16 日商新川股份有限公司 打線接合裝置以及打線接合方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117352470A (zh) 2024-01-05
CN113451252A (zh) 2021-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5473733B2 (ja) パワー半導体モジュール
US20240030177A1 (en) Double-sided cooling type power module and manufacturing method therefor
US9013877B2 (en) Power semiconductor device
JP5116834B2 (ja) 電動機の駆動回路及び空気調和機の室外機
US20140318830A1 (en) Power electronics assemblies, insulated metal substrate assemblies, and vehicles incorporating the same
EP1901350A1 (en) Heat dissipation device and power module
JP2007251076A (ja) パワー半導体モジュール
JP2007510297A (ja) 放熱板を有する発光ダイオードの構成
JP2002368168A (ja) 半導体装置用複合部材、それを用いた絶縁型半導体装置、又は非絶縁型半導体装置
US5926372A (en) Power block assembly and method of making same
CN110506330A (zh) 功率电子模块以及包含该模块的电功率变换器
JP5151080B2 (ja) 絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュール
JP2018133527A (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2006100640A (ja) セラミックス回路基板及びこれを用いたパワー半導体モジュール
US20230395556A1 (en) Packaged structure, electric power control system, and manufacturing method
CN113451252B (zh) 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块
JP2017220609A (ja) 半導体モジュール
TWI722850B (zh) 具有保護接墊的高導熱陶瓷基板及具有該基板的大功率模組
TWI765352B (zh) 具有保護接墊的高導熱陶瓷基板及具有該基板的大功率模組
JP2007173301A (ja) 半導体素子冷却用放熱器、半導体装置、半導体素子冷却用放熱器の製造方法
US20150036343A1 (en) Method for producing a lighting device and lighting device
JP2004327711A (ja) 半導体モジュール
KR101418008B1 (ko) Ｌｅｄ용 기판 및 ｌｅｄ 방열 구조
JP2007088272A (ja) セラミックス回路基板およびこれを用いたモジュール
TWI778499B (zh) 具有導角金屬間隔單元的電源模組

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant