TW202127988A - 功率模組 - Google Patents

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Abstract

一種功率模組，包括電路板、晶片、第一導熱絕緣基板以及第二導熱絕緣基板。電路板包括板體及金屬塊，金屬塊內埋於板體並從板體相對的第一表面及第二表面露出。晶片對應金屬塊設置於板體的第二表面之一側，且晶片與金屬塊電性連接與熱連接。第一導熱絕緣基板位於板體的第一表面之一側而設置於電路板上。第二導熱絕緣基板與晶片電性連接及熱連接。

Description

功率模組
本揭露是有關於一種可雙面散熱的功率模組。
在過去，功率半導體模組先是以單面型的功率模組為主；但隨著電力電子技術的發展，內部電子元件及系統的功率也有所提升，使得發熱問題日益嚴重，單面散熱型的功率模組已不敷使用。
例如，應用在電動車領域之設計時，近年來逐漸將功率模組及驅動器整合，以提升系統功率密度，此種設計尤其是在有限的車體空間下具有優勢。然而，若無法有效地排除這些元件所產生的熱，便會影響電動車之運行效率，甚至會產生安全上的問題。因此，如何在有限的空間中及減少製造成本的前提下開發一種能夠有效達到散熱目的的功率模組，遂成為相關業者努力的目標。
本揭露係有關於一種功率模組，可改善前述問題。
本揭露之一實施例提出一種功率模組。功率模組包括電路板、晶片、第一導熱絕緣基板以及第二導熱絕緣基板。電路板包括板體及金屬塊，金屬塊內埋於板體並從板體相對的第一表面及第二表面露出。晶片對應金屬塊設置於板體的第二表面之一側，且晶片與金屬塊電性連接與熱連接。第一導熱絕緣基板位於板體的第一表面之一側而設置於電路板上。第二導熱絕緣基板與晶片電性連接及熱連接。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
以下將以圖式說明本揭露之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。並且，除非有其他表示，在不同圖式中相同之元件符號可視為相對應的元件。又，在圖式中，為了清楚起見，放大了層、膜、板、區域或基板等的尺寸。這些圖式之繪示是為了清楚表達這些實施方式中各元件之間的連接關係，而非用以顯示各元件的實際尺寸、或其比例關係。
應當理解，當諸如層、膜、板、區域或基板的元件被稱為在另一元件「上」或「連接於」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者可以也存在中間元件。相反地，當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接於」另一元件時，表不存在中間元件。此外，「連接」可以指物理及/或電性連接。再者，「電性連接」或「耦接」可表示二元件間存在其它元件。
以下將參考作為理想化實施例的示意圖的剖視圖來描述示例性實施例。可以預見例如製造技術及/或公差的結果的圖式變化。本文所述的實施例不應限於如圖所示的區域的特定形狀，而是包括例如由製造導致的偏差。例如，圖式所示之平坦的區域通常可以具有粗糙及/或非線性特徵。因此，圖中所示的區域本質上是示意性的，且其形狀也非用以意旨其精確的形狀，亦非用以限制本發明。
第1圖係根據本揭露一實施例之功率模組100的剖面示意圖。第2A圖係從下視視角，顯示根據本揭露一實施例之電路板110的立體圖。第2B圖係從上視視角，顯示根據本揭露一實施例之電路板110的立體圖。第2C圖係根據本揭露一實施例之晶片120的立體圖。
請參照第1圖，功率模組100包括電路板110、晶片120、第一導熱絕緣基板130以及第二導熱絕緣基板140。功率模組100例如可整合於逆變器(inverter)等電源轉換系統，例如電動車或油電混合車(EV/HEV)逆變器內，但本揭露不對此加以限制。
電路板110例如是覆銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper, DBC）或直接電鍍銅陶瓷基板（Direct Plated Copper, DPC）等。請參照第1圖、第2A圖及第2B圖，電路板110包括板體111、及分布於板體111相對之第一表面111a及第二表面111b上的布線層（繪示包括閘極驅動布線層114及電源布線層115），其中板體111的材質例如為陶瓷，且布線層114、115例如為銅層。在其它實施例中，電路板110可為其它種類的電路板，板體111及布線層114、115可為其它適當材質。舉例來說，板體111的材質也可以是玻璃纖維（例如為FR4環氧玻璃布層壓板等）或陶瓷（例如為氧化鋁或氮化鋁等）。
此外，電路板110還包括金屬塊112，金屬塊112係內埋於板體111並從板體111的第一表面111a及第二表面111b露出。舉例來說，板體111具有貫通第一表面111a及第二表面111b的通孔，金屬塊112則埋設於此通孔中。
晶片120對應於金屬塊112之位置設置在板體111的第二表面111b之一側，且與金屬塊112相連接，此連接包括電性連接及熱連接。晶片120（繪示包括晶片120A、120B）可為功率晶片，例如為絕緣閘雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）、金氧半導體場效應電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）或二極體（diode）等。
第一導熱絕緣基板130及第二導熱絕緣基板140分別位於板體111的第一表面111a及第二表面111b之一側而設置於電路板110上，且第二導熱絕緣基板140進一步與晶片120電性連接及熱連接。第一導熱絕緣基板130及第二導熱絕緣基板140分別熱連接於晶片120，以使晶片120之熱源HS產生的熱透過雙面散熱的方式有效地傳遞出去。
第一導熱絕緣基板130例如是覆銅陶瓷基板或直接電鍍銅陶瓷基板等。詳細地說，第一導熱絕緣基板130可包括一第一絕緣層131及兩第一導體層132，兩第一導體層132分別設置於第一絕緣層131的相對兩側，且其中一第一導體層132連接於金屬塊112（包括熱連接及電性連接），另一第一導體層132則可與額外的散熱裝置熱連接，以進一步提升散熱效率，但本揭露不以此為限。在其它實施例中，第一導熱絕緣基板130例如是絕緣金屬板（Insulated Metal Substrate, IMS），可省略在另一側設置另一第一導體層132。
請參照第1圖，功率模組100還可包括金屬層113，對應金屬塊112之位置形成在板體111的第一表面111a上。如此，晶片120可藉由金屬塊112及金屬層113而與第一導熱絕緣基板130熱連接。一般來說，金屬塊112厚度較金屬層113大，舉例而言，金屬塊112的厚度可大於500μm，金屬層113的厚度可小於500μm。於此，金屬層113可依設計需求選擇性地設置。在其它實施例中，可省略金屬層113之設置，晶片120可直接藉由金屬塊112而與第一導熱絕緣基板130熱連接。
另一方面，第二導熱絕緣基板140例如是覆銅陶瓷基板或直接電鍍銅陶瓷基板等。詳細地說，第二導熱絕緣基板140可包括一第二絕緣層141及兩第二導體層142，兩第二導體層142分別設置於第二絕緣層141的相對兩側，且其中一第二導體層142連接於晶片120（包括熱連接及電性連接），另一第二導體層142則可與額外的散熱裝置熱連接，以進一步提升散熱效率，但本揭露不以此為限。在其它實施例中，第二導熱絕緣基板140例如是絕緣金屬板，可省略在另一側設置另一第二導體層142。
透過上述配置，第一導熱絕緣基板130及第二導熱絕緣基板140可分別與晶片120直接或間接熱連接，熱源HS所產生的熱可沿著路徑P1從第一導熱絕緣基板130一側傳遞出去，同時亦可沿著路徑P2從第二導熱絕緣基板140傳遞出去。
請參照第1圖、第2A圖及第2B圖，電路板110具有相鄰的第一配線區R1及第二配線區R2。晶片120配置於第一配線區R1中。閘極驅動布線層114電性連接於晶片120，且位於第一配線區R1。具體地說，閘極驅動布線層114設置於板體111的第二表面111b上。電源布線層115電性連接於晶片120，且位於第二配線區R2。具體地說，電源布線層115可包括第一表面端子115A及第二表面端子115B，分別設置於板體11的第一表面111a及第二表面111b上，用以提供功率予晶片120。實施例中，位於第二配線區R2中的線路截面積大於第一配線區R1。由於電源布線層115需要提供較大功率之電流輸入及輸出，電源布線層115的線路截面積均大於閘極驅動布線層114。舉例而言，電源布線層115的線路截面積大於10000μm2 ，閘極驅動布線層114的線路截面積則在6000μm2 以下。
實施例中，功率模組100還可包括電子元件150（繪示包括驅動晶片150A及其它元件150B）。電子元件150位於第一配線區R1。驅動晶片150A可藉由閘極驅動布線層114以給予晶片120驅動訊號。
如第2A圖所示，閘極驅動布線層114可包括多條的布局線路114L及焊接墊114P，且電路板110還具有晶片置放區120R。請參照第1圖、第2A圖及第2C圖，晶片120可包括第一電極121、第二電極122及第三電極123。當晶片120設置在板體111的第二表面111b之一側時，第一電極121對準於焊接墊114P而與焊接墊114P相互電性連接，第二電極122對準於金屬塊112而與金屬塊112相互電性連接。因此，驅動晶片150A可經由閘極驅動布線層114在路徑P3上給予晶片120驅動訊號。
請參照第1圖及第2B圖，第一導熱絕緣基板130的其中一第一導體層132更進一步與第一表面端子115A電性連接。並且，金屬層113的頂面與板體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，以避免金屬塊112的厚度不足而與第一表面端子115A之間具有高低差，使第一導熱絕緣基板130的第一導體層132能夠順利地同時接觸第一表面端子115A及金屬層113，確保三者間的電性連接架構。
於此，金屬層113可以是和第一表面端子115A屬於同一金屬層結構。舉例來說，第一表面端子115A和金屬層113可為同時電鍍在板體111的第一表面111a上的銅層，但本揭露不以此為限。在另一實施例中，金屬層113可以和金屬塊112本身為一體的結構。
第二導熱絕緣基板140的其中一第二導體層142更進一步與第二表面端子115B電性連接。並且，在一些實施例中，電路板100還可包括局部金屬層114a，對應設置於金屬塊112及晶片120之間（局部金屬層114a繪示在金屬塊112及晶片120A之間），使晶片120的第三電極123（繪示於第2C圖）之一面與板體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，以避免晶片120的厚度不足而與第二表面端子115B之間具有高低差，使第二導熱絕緣基板140的第二導體層142能夠順利地同時接觸第二表面端子115B及晶片120，確保三者間的電性連接架構。
於此，局部金屬層114a可以是和閘極驅動布線層114屬於同一金屬層結構。舉例來說，閘極驅動布線層114和局部金屬層114a可為同時電鍍在板體111的第二表面111b上的銅層，但本揭露不以此為限。
透過上述配置，可在功率模組100中建立連續的導電路徑P4，功率即可經由路徑P4提供予晶片120使晶片120運作。並且，由於功率輸入及輸出的迴路電感可相互抵銷，故可進一步降低寄生電感。
由於本實施例直接在電路板110上製作驅動晶片120的閘極驅動布線層114及驅動晶片150A，因此晶片120不需如傳統設計須以打線方式與驅動線路進行電性連接，同時也可縮減訊號傳輸距離，降低寄生電感。另外，透過使金屬塊112內埋於電路板110之設計，金屬塊112的對位容易，大幅減低製程的困難度。且內埋的金屬塊112可作為電性及熱的導通路徑，還可避免短路情形發生，亦可在縮減功率模組100之體積的前提下提升散熱效果。
而且，實施例中讓具有較大截面積的線路配置於第二配線區R2，第二配線區R2中的線路承受較大功率的負載，因而在此區域中的溫度較高。但由於大部分的熱可經由第一導熱絕緣基板130及第二導熱絕緣基板140傳遞出去，因此能有效控制第一配線區R1中的溫度，避免這些熱影響驅動晶片150A的運作。
此外，實施例中，一些電子元件還可一併整合於功率模組100中。或者，在另一實施例中，一些例如是電容及電感等的被動元件160也可一併整合於功率模組100中。請參照第1圖及第2A圖，其它元件150B可設置在板體111的第二表面111b之一側而設置於電路板110上。其它元件150B例如為控制晶片、溫度感測器等，本揭露不對此加以限制。舉例來說，當控制晶片透過溫度感測器得知溫度異常時，即可及時控制驅動晶片150A對晶片120進行操作，以提供防護的機制。
請參照第3圖，其係根據本揭露另一實施例之功率模組200的剖面示意圖。功率模組200包括電路板210、第一導熱絕緣基板130、第二導熱絕緣基板140、第一引線框架270、第二引線框架280以及第三引線框架290。電路板210包括板體211及閘極驅動布線層214。板體211及閘極驅動布線層214類似於第1圖之功率模組100的板體111及閘極驅動布線層114。第一導熱絕緣基板130及第二導熱絕緣基板140分別設置於板體211的第一表面211a及第二表面211b之一側。
此外，當晶片120的數量為多個時，電路板210可更包括局部金屬層214a，對應設置於金屬塊112及厚度較薄的晶片120A之間，以彌補晶片120A和晶片120B之間厚度不同所導致的高低差問題。
與第1圖之功率模組100的不同處主要在於電路板210及第一引線框架270、第二引線框架280、第三引線框架290之設計，其餘相同或相似之處以相同的標號及內容表示，於此不再贅述。
功率模組200具有相對的第一側200S1及第二側200S2。第一引線框架270配置於功率模組200的第一側200S1，並電性連接於晶片120，以傳輸驅動訊號至晶片120。進一步地說，第一引線框架270可藉由設置於板體211之第二表面211b上的閘極驅動布線層214而電性連接於晶片。
第二引線框架280及第三引線框架290配置於功率模組200的第二側200S2，並電性連接於晶片120，以提供功率予晶片120。進一步地說，第二引線框架280可藉由第二導熱絕緣基板140的第二導體層142電性連接於晶片120。第三引線框架290可藉由第一導熱絕緣基板130的第一導體層132與板體211之金屬塊112電性連接於晶片120。
請參照第4圖，其係根據本揭露又一實施例之功率模組300的剖面示意圖。本實施例中的功率模組300與第3圖的功率模組200類似，係將第一引線框架270配置於功率模組300的第一側300S1，並將第二引線框架280及第三引線框架290配置於功率模組300的第二側300S2。不同之處在於，功率模組300更包括另一晶片120C、120D，電性連接及熱連接於金屬塊112及第一導熱絕緣基板130的第一導體層132之間。
透過上述配置，內埋的金屬塊112可作為電性及熱的導通路徑，且可同時縮減功率模組200、300之體積並提升散熱效果。
綜上所述，本揭露實施例的功率模組中，係直接在電路板中埋設金屬塊，使金屬塊作為電性及熱的導通路徑。此設計可避免短路情形發生，亦可在縮減功率模組之體積的前提下提升散熱效果。此外，功率模組中還可建立用以提供晶片功率之連續的導電路徑，且功率輸入及輸出的迴路電感能夠相互抵銷，以降低寄生電感。
並且，在一些實施例中，用以驅動晶片的驅動晶片、及連接驅動晶片和晶片的閘極驅動布線層可一併製作於電路板上，因此晶片不需如傳統設計須以打線方式與驅動線路進行電性連接，同時也可縮減訊號傳輸距離，降低寄生電感。此外，在電路板中埋設金屬塊之設計，使得金屬塊的對位容易，大幅減低製程的困難度。
另外，在一些實施例中，電路板還可分為第一配線區及第二配線區。具有較大截面積的線路（例如用以傳遞功率的電源布線層）配置於第二配線區，第二配線區中的線路承受較大功率的負載，因而在此區域中的溫度較高。但由於大部分的熱可經由第一導熱絕緣基板及第二導熱絕緣基板傳遞出去，因此能有效控制第一配線區中的溫度，避免這些熱影響位於第一配線區中的電子元件（例如晶片、驅動晶片）或線路（例如閘極驅動布線層）的運作。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300:功率模組 200S1、300S1:功率模組的第一側 200S2、300S2:功率模組的第二側 110、210:電路板 111、211:板體 111a、211a:板體的第一表面 111b、211b:板體的第二表面 112:金屬塊 113:金屬層 114、214:閘極驅動布線層 114a、214a:局部金屬層 114L:布局線路 114P:焊接墊 115:電源布線層 115A:第一表面端子 115B:第二表面端子 120、120A、120B、120C、120D:晶片 120R:晶片置放區 121:第一電極 122:第二電極 123:第三電極 130:第一導熱絕緣基板 131:第一絕緣層 132:第一導體層 140:第二導熱絕緣基板 141:第二絕緣層 142:第二導體層 150:電子元件 150A:驅動晶片 150B:其它元件 160:被動元件 270:第一引線框架 280:第二引線框架 290:第三引線框架 HS:熱源 P1、P2、P3、P4:路徑 R1:第一配線區 R2:第二配線區
第1圖係根據本揭露一實施例之功率模組的剖面示意圖。 第2A圖係從下視視角，顯示根據本揭露一實施例之電路板的立體圖。 第2B圖係從上視視角，顯示根據本揭露一實施例之電路板的立體圖。 第2C圖係根據本揭露一實施例之晶片的立體圖。 第3圖係根據本揭露另一實施例之功率模組的剖面示意圖。 第4圖係根據本揭露又一實施例之功率模組的剖面示意圖。
100:功率模組
110:電路板
111:板體
111a:板體的第一表面
111b:板體的第二表面
112:金屬塊
113:金屬層
114:閘極驅動布線層
114a:局部金屬層
115:電源布線層
115A:第一表面端子
115B:第二表面端子
120、120A、120B:晶片
130:第一導熱絕緣基板
131:第一絕緣層
132:第一導體層
140:第二導熱絕緣基板
141:第二絕緣層
142:第二導體層
150:電子元件
150A:驅動晶片
150B:其它元件
160:被動元件
HS:熱源
P1、P2、P3、P4:路徑
R1:第一配線區
R2:第二配線區

Claims (18)

  1. 一種功率模組，包括： 電路板，包括板體及金屬塊，該金屬塊內埋於該板體並從該板體相對的第一表面及第二表面露出； 晶片，對應該金屬塊設置於該板體的該第二表面之一側，且該晶片與該金屬塊電性連接與熱連接； 第一導熱絕緣基板，位於該板體的該第一表面之一側而設置於該電路板上；以及 第二導熱絕緣基板，與該晶片電性連接及熱連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該電路板具有相鄰的第一配線區及第二配線區，該晶片配置於該第一配線區中，且位於該第二配線區中的線路截面積大於該第一配線區中的線路截面積。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之功率模組，其中該電路板更包括閘極驅動布線層，設置於該板體的該第二表面上，且電性連接於該晶片，該閘極驅動布線層位於該第一配線區。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之功率模組，其中該電路板更包括電源布線層，電性連接於該晶片以提供功率予該晶片，該電源布線層位於該第二配線區。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之功率模組，其中該電源布線層包括第一表面端子及第二表面端子，分別設置於該板體的該第一表面及該第二表面上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之功率模組，其中該第一導熱絕緣基板包括第一導體層，電性連接於該第一表面端子及該金屬塊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之功率模組，其中該電路板更包括金屬層，對應設置於該金屬塊及該第一導體層之間，且該金屬層從該板體的該第一表面的高度與該第一表面端子的厚度一致。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之功率模組，其中該金屬塊與該金屬層為一體的結構。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之功率模組，其中該第二導熱絕緣基板包括第二導體層，電性連接於該第二表面端子及該晶片。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之功率模組，其中該電路板更包括局部金屬層，對應設置於該金屬塊及該晶片之間，以使該晶片從該板體的該第二表面的高度與該第二表面端子的厚度一致。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該晶片為功率晶片。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，更包括溫度感測器，位於該板體的該第二表面之一側而設置於該電路板上。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該功率模組具有相對的第一側及第二側，且更包括： 第一引線框架，配置於該功率模組的該第一側，並電性連接於該晶片； 第二引線框架，配置於該功率模組的該第二側，並電性連接於該晶片；以及 第三引線框架，配置於該功率模組的該第二側，並電性連接於該晶片。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之功率模組，其中該第二導熱絕緣基板包括第二導體層，該第二引線框架經由該第二導體層電性連接於該晶片。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之功率模組，其中該第一導熱絕緣基板包括第一導體層，該第三引線框架經由該第一導體層電性連接於該晶片。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之功率模組，其中該電路板更包括閘極驅動布線層，設置於該板體的該第二表面上，且電性連接於該晶片，該第一引線框架經由該閘極驅動布線層電性連接於該晶片。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之功率模組，更包括另一晶片，電性連接及熱連接於該金屬塊及該第一導體層之間。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之功率模組，其中該晶片的數量為複數個，該電路板更包括局部金屬層，對應設置於該金屬塊及該些晶片之間，以使該些晶片從該板體的該第二表面的高度一致。
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