TW560229B - Power converter package with enhanced thermal management - Google Patents

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Description

560229 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於電氣組件之封 ^ 強熱管理，高電氣互聯密度及^及安裝，特別關於具有加 成。 之功率轉換器之封裝及總 發明背景 參考第一圖，第一圖顯示根據 裝電氣組件之結構示意圖。如第— _ *功率轉換器中封
9b，9d及磁元件9c係直接由一導锅==力率消耗裝置如 板6上以達到較佳之熱傳導。功率組件σ 一文裝在一金屬基 路板⑽）5a形成電連接。磁元件9 —弓|腳^與印刷電 5a。其他必要組件如9a，9e則安 ^印刷電路板 二側上。此安裝可密封於一密封各 電路板5a之一側或 的熱管理及機械支援。 1 不出），其能達到好 第一圖中習知技藝所示之 裝置9b，9d由一單橫向引腳12 造方法複雜及不理想的增加成 磁元件之引腳電連接會造成高 連接阻抗損失及不佳之轉換器 裝。此外，功率消耗裝置9b， 的造成較低之功率密度封裝。 封裝有一缺點，因為功率消耗 與印刷電路板5a電連接，此製 t °同時’其功率消耗元件及 電雜散損耗，其將導致更多之 ^能’特別是高電流轉換器封 9d之體積較大，因此無可避免
美國專利N0· 5, 973, 929揭示另 一習知技藝方法以封裝電
560229 五、發明說明（2) 子组件於第二圖中之功率棘換 耗元件22至外μ Ϊ 中。在此封裝中，自功率消 印刷電路板2 ίίΐ 接1中’一銅塗層之通孔42在 塊43: = Ϊ程序中製備。功率消耗元件22之金屬 傳導絕緣器30及i 04連接在銅塗層通孔42之金屬基I2通過熱 此銅塗層通孔42，埶可自功率消旄# 。卩墊上通過 印刷電路柘28夕s 、\ 力羊為耗裴置印刷電路板28轉移至 26bm二 ，進一步傳導至金屬基板32。磁元件 ΓΛ 路板28上，並由一熱傳導軟塾34連接至 金屬基板3 2上以加強熱傳導。 第二圖之封裝之缺點為，因為功率消耗元件μ係安在 銅塗層通路42頂侧上，而銅塗層通路之底侧由教連接心 1 一04所佔據’總成降低了平板28電互聯密度。此外連接自功 το件22之熱同時將由銅塗層通孔42傳導至 平板28之溫度升高。· u m ^ 隨功率轉換器增加之功率密度及電流輸出能力拎加， tmnr裝於印刷電路板·上滿足高電“出需 t。此外’：率靖耗元件之功率損失及其傳導路徑隨輸出電 流之增加而大輻增加。由於電流密度及輸出電流之拎加， 何管理自功率裝置之熱及如何縮短互聯路‘ 封裝之重要問題。 巧刀手轉換口口 職是 x ^ ^ w <蜗失，乃思及改良 明之意念，發明出本案之『具加強熱管理之功率轉換器杂 裝』。 …
560229 五、發明說明（3) 發明内容 之用，ί t ^H的I為提供一種封裝技術以供功率轉換器 電：能並以低成本達到增強之熱管理及高互聯密度及改進之 η二習知技藝之缺失，本發明提 之封裝，一功率轉換器 刀手轉換 一子封#w^对裝方法及用於本發明封裝中之 導電表第以；:⑴-多層電路板，其具有第-^ Γt ί : 導電表面相對之第二導電表面；（2)一且 有至>一熱轉移表面之熱擴散元件；（3) 一且 一 2 晶：之：：裝’其配置在多層電路板之、-導：表二 擴散兀件之熱轉移表面之間， 守电表面與熱 散元件之熱轉移表面經一導埶ς ^二裸路之頂部熱塊與熱擴 徑於其間，並具有複數個掛:、，、緣器連接，以提供熱傳導路 接觸以提供導電路徑於盆門與多電路板之一導電表面 配置在相反方向，俾導^二你；中該複數個對稱引腳及熱塊 本發明之一實施例中u:路徑分開。 達到電連接之需求。 複數個引腳亦可由焊球所取代以 本發明中，子封妒一 在多層電路板上。、砸70件封裝及其他被動組件均安裝 此封裴之概念之獨特特 封褒，功率消耗晶片為事^且^實際為功率消耗半導體之 有一高互聯密度。子封二裝，子封裝中，因此，使封裝 W腳（或垾球），i + = 裸路之頂部熱塊及複數個對稱 ”中之複數個對稱5|腳及熱塊配置成相反方 五、發明說明（4) =在本發明之-實施例中，熱 當然’熱塊亦可面向下，而引線面向引線則面向下。 散元移置在多層電路板之導電表面與熱揭 彳!表:;;於:子：裝之引腳電連 熱擴放凡件之熱轉移表面適於盥；私也仏等冤玲 絕緣器之熱連接，以提供熱傳導路;:於』f;自：經熱傳導 亦可由連接之熱擴散元件轉移；。、因:，件之熱 熱路徑分開，而達到加強之熱管電路徑與導 在本發明之一實施似由“理及改進之電性能。 晶片。為了增加之封裝密度及：：裝尚包f控制晶片及被動 片，控制晶片及被動晶片；Α: ^性能，功率消耗晶 :有-晶片之子封裝可簡化二寺別是， 表面安裝封裝。 ’裸路向上之熱塊之標 本發明之另一特性提供功率韓拖+ I 括:⑴提供一具有至少一導之方法，包 一具有至少一埶轉移表面表面之多層電路板；（2)提供 功率消耗晶片：子封裝元件“3)將具有至少- 散元件之熱轉移表面之間:日電路板之導電表面與熱： 熱塊及複數個向下之對稱一子封裝具有裸露之頂部向 適於與子封裝之引腳電;：腳，：此多層電路板之導電表1 擴散元件之熱轉移表：連；於供：導電路徑於其間 封裝之熱塊經-導熱絕綾2與至少有一功帛消耗晶片之- 間；導電路徑與導熱路徑為分^連接以提供導熱路徑於其 560229
本發明另一特性提供一子封裝。為了滿足各 4 一衍生技術之子封裝。在此技術中，有引腳之分2 ^ 耗兀件有一裸露之底部熱塊，並與子封裝之熱塊:=消 熱連接。控制元件及被動元件由子封裝之熱塊底表而及 軌跡與功率消耗元件為電連接。子封裝由複數個對藕$導電 球與功率轉換器之母板為電連接，及與子封裝之=或 接。因此，子封裝之導電路徑與導熱路徑分開。“、、鬼為熱連 本發明可由以下之說明及伴隨圖式而更為理解，其中· 本案得藉由下列圖示與詳細說明，俾得一 解。 τ 又冰入之了 實施方式 雖然本發明可以有各種不同形式的實施例，為簡化 =中列舉某些較佳實施例，詳細描述及說明於4 I二：本處所揭露之内容係例示本發明之原理，但本發明 之申请專利範圍非僅侷限於下述特定實施例。 ::圖為本發明功率轉換封裝之較佳實施例 圖2圖所示’功率轉換器之所有電連接均經由裳在多層7 刷電路板40 2而達成以便有一高互聯密度。一埶 曰 經導熱絕緣器40 6直接連接至子封裝4〇1之裸露頂部執塊4〇^ ，^件4G7 4元件4G7可裝在印刷電路板4()2之切孔 在印刷電路板402之頂側。控制裝置4〇8及被動部分可裝
$ 9頁 560229 五、發明說明（6) ' 在印刷電路板402之一侧或二侧，熱擴散元件4〇4亦可連接在 其上。可使用一個硬環氧樹脂蓋子41 0以便將組件與環境隔 離。 以本發明可知’子封裝401係配置在多層印刷電路板402 ，熱擴政兀件404之間。以此方式，多層印刷電路板4()2適於 二子1裝401之引腳4〇3電連接以提供導電路徑於其間。熱擴 刼=I/04、適於與子封裝401之熱塊40 5經導熱絕緣器40 6成 …連接，以提供導熱路徑於其間。 鏟銘裝401之熱可經由子封裝401之頂部熱塊4°5直接 連接之熱擴散元件404並轉移至外部。電連接僅發生 ;f且；；4二引腳购 :組裝可實現導電路徑與導熱路徑分開，及因此可提高熱管 之有而土子封裝401所消耗之功率由於熱擴散元件4°4 ^ 不易冷卻，一額外吸熱器411可連接至熱擴 絕緣積該額外吸熱器411亦可經由導熱 4 7 Λ接;^接士子封裝401之裸露頂部塊4〇5，及磁元件 4 U (。子封裝4 〇 1由複數個對 Τ -^ ,,403 , ^ ^ , ^ 此熱擴散器404有一良好之支浐，板402之一表面上，因 封細之共面。準i，：；；子；;丄在安裝期間提供子 轴而言，二側上均有相同數目之引^對子封裝4〇1之一 子封裝4 0 1受到^ ^氏教媳姑旛4» …機械應力，因為熱塊405以導絕緣
第10頁 560229 五、發明說明（7) 器406與熱擴散元件404連接之故。因此，本發明之總成不作 有極佳之熱性能及高互聯密度，且有製造能力及低成本。 精於此技術人士當瞭解，子封裝4〇 i之熱塊4〇5可選自金 屬材，，陶瓷，金屬基複合材料及絕緣材料基板及其組合、， 不論是傳統或稍後發展者。複數條對稱引線4〇3可選自··雙、 四條或圓形分布周邊引腳。多層電路板4〇2可選自：印製線路 板及陶瓷混合電路板。熱擴散元件4〇4可選自含金屬，陶瓷 及金屬基複合材料之一組及其組合。 在另一實施例中，參考第四圖，具有至少一功率消耗晶 片之子封裝401，401a亦可裝在印刷電路板4〇2之二侧。熱擴 散元件404，404a可由導熱絕緣器4 06自總成之二侧連接Ϊ因 此，自裝在印刷電路板4 〇 2二側之子封裝4 〇1，4 〇 1 a可直接由 裸露之頂部塊405，405a轉移至熱擴散元件4〇4及404a，再進 一步轉移至外部。磁元件407可自導熱絕緣器4〇6之二側與熱 擴散元件404 ’404a連接。其他組件如控制元件408及低功率 損失之被動元件409亦可自二側與熱擴散元件熱連接。因 此，總成可進一步改進功率轉換器之熱性能，及達到較高之 功率岔度及一低輪廓之功率轉換器。本發明之封裝方法亦可 用以供垂直安裝之轉換器。 第五圖A顯示本發明第三圖A中之子封裝4〇1之構造。為 改進熱特性，本發明備有一發展，即實施引腳之修正，使裸 露之頂部塊40 5向上，引線4 03向下。如第五圖a所示，功率 消耗晶片416，416a及被動晶片417直接與熱塊4〇5連接，其 中該熱塊405可為一隔離之金屬基板（IMS)或金屬化陶竟基
IH
第11頁 560229 五、發明說明（8) 板。可使用線接合或帶自動接合（TAB)414供晶片 電軌跡418。可利用環氧樹脂模製複合物415以密封此 導 及使塊405之表面裸露，引腳4〇3可製造成對稱安排，如雙 二或Λ 形 Λ 布周邊引腳，其中實施之修正可提供向下引腳 彼表祐二裝至印刷電路板，及提供向上熱塊405以供哉連 接。封裝可由引腳403與印刷電路板電連接。經由此封裝、，連 熱擴散το件可由導熱絕緣器直接連接至裸露之頂部塊^， 以將功率消耗晶片41 6，41 6a熱連接至外部。因此，自 消耗晶片41 6，41 6 a之孰可由頂邱也说/1 n c 、 ^至、隹牟熱塊405轉移至熱擴散元件 擴散元件405轉移w，因&保持冷之 印刷電路板。 τ 7 < 之开4考：：口B，第五圖A中之子封裝401亦可製成第五圖6 im!五圖a之結構，引腳4〇3由焊球4〇3a所取代。 烊球403a引腳有更小型化封裝及更低之電雜散㈣，因此， 電性能可進-步改進。為了增加封裝密度及改進電性能，功 =耗Λ片广416a，控制裝置晶片（未示出）及被動晶片 417可、、且/為-子封裝。此子封裝可簡化為—標準表面安裝 ，封裝有-面向上之裸露頂部塊，而子封裝僅容納一 4 1 6 0 ’ 灿施i考建議一第五圖a之衍生封裝技術以滿足发 他應用。此技術中，分立之功率消耗元件5〇1, 5〇13有一裰、 露之底部熱塊502及電連接引腳5〇3，並與子封裝5〇〇a =4'底4熱塊502及引腳503連接，以提供電連接與接 於分立之功率消耗元件501，501a與子封裝5〇〇3之 560229
子封裝4〇1之熱塊504可選自金屬，陶竟，金屬基 複合材料及絕綾今属其& β甘{人 杜女& π金屬基板其組合。控制元件505及被動元 :亦與子封裝500a之熱塊504連接。在分立功率消耗元 仵bUl，501a，控制元件5〇5及被動元件5〇6内之電内連接係 由熱塊504之向下表面上之導電軌跡（未示出）所達成。子封 裝500a由複數個對稱引腳5〇7與功率轉換器之母板電連接， 及由熱塊504連接至外侧。因此，子封裝5〇〇3之導電路徑盥 導熱路徑分開。 〃 如第六圖B所示，複數個對稱焊球5 〇 7 a可負責自封裝 5 0 0b與功率轉換器母板間之電連接。 ^ 本發明已以最實用及較佳實施例方式說明如上，應瞭 解’本發明不受限於此等實施例，反之，並欲涵蓋各種修改 及與本發明申請專利精神與範圍以内之相似安排，該等修改 將被認為廣泛之解釋以容納所有該修改及相似結構。 本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不 脫如附申請專利範圍所欲保護者。
560229 圖式簡單說明 圖示簡單說明 第一 功率消耗 第二 率消耗元 第三 具有功率 第三 成放大圖 第四 有至少一 第五 一功率消 第五 功率消耗 第六 分立功率 第六 分立之功 圖為習知技術之功率轉換器之剖面側視圖，其中之 元件，其單橫向引腳連接在金屬基板； 圖為習知技術功率轉換器之剖面侧視圖，其中自功 件之熱經由PCB之銅塗層通孔轉移； 圖為本發明之功率轉換器封裝之剖面側視圖，其中 消耗晶片之子封裝係裝在PCB之一側； 圖A為第二圖中之具有功率消耗晶片之子封裝之總 圖為本發明功率轉換器封裝之剖面側視圖，其中具 功率消耗晶片之子封裝係裝在PCB之二侧； 圖A為本發明之子封裝之剖面側視圖，封裝至少有 耗晶片及一頂部熱塊及向下引腳； 圖B為本發明子封裝之剖面侧視圖，封裝至少有一 晶片及頂部熱塊及向下之焊球； 圖A為本發明子封裝之剖面側視圖，封裝至少有一 消耗封裝’及一頂部熱塊及向下之引腳； 圖B為本發明子封裝之剖面側視圖，封裝至少有一 率消耗封襞，一頂部熱塊及向下之球。 圖示符號說明 5a 、 28 : PCB 6、3 2 :金屬基板
第14頁 560229 圖式簡單說明 8、3 0、4 0 6 :導熱絕緣器 9a、 9 e :組件 9b、 9 d、2 2 :功率消耗元件 9c、 26b、407 :磁元件 12 ： 單橫向引腳 34 : 導熱軟墊 42 ： 銅塗層通孔 43 ： 金屬塊 104 :熱連接 401 、401a 、 500a 、500b :子封裝 402 :多層PCB 403 、403a、5 0 3 ··弓丨腳 404 、4 0 4 a ·熱擴散元件 405 、5 0 2、5 0 4 :熱塊 408 :控制元件 409 :被動元件 410 :硬環氧樹脂蓋 411 、4 11 a :吸熱器 414 :線接合或帶自動接 合（TAB) 415 :模製複合物 416 、4 1 6 a :功率消耗晶 片 417 •被動晶片 418 :導電軌跡 501 、5 0 1 a :功率消耗元 件
第15頁 560229 圖式簡單說明 5 0 5 :控制裝置 5 0 6 :被動元件 507 :對稱引腳 imi

Claims (1)

  1. 560229 六、申請專利範圍 1.—種供功率轉換器之封裝，包含. 對:;以;:具有第一導電表面及與該第-導電表面相 右具有至少：熱轉移表面；及 電路板之二導電表面i該：片’其係配置在該多層 該熱轉移表面接觸，以提供導緣：與該熱擴散元件之 對稱之引腳與該多層電路板之及具有複數個 導電路徑於其間，直中兮遵赵電表面之一？接，以提供 相反方向，俾導電路徑；該導及該熱塊係配置在 引腳則面向下。 裝，其中該熱塊係面向上，該 3引：nt範圍第1項之封裝，其中該熱塊係面向下，該 4眘=申請專利範圍第】項之封裝 實際上選自由金屬，陶竞 ：中該子封裝之該熱塊裔 及其組合組成之一組。 、土複δ材料及絕緣金屬基： 5. 如申請專利範圍第丨項之 實際上選自由雙、四條、/八’其中該複數個對稱引腳係 6. 如申請專利範圍第i項之封^刀布之周邊引腳組成之-組 上選自由印製線路板及陶 、，/、十該多層電路板係實際 7. 如申請專利範圍第1 g之封/ 1路板組成之—組。 ^ ^ ^ ^^ ^ Hi $ 17頁 560229 六、申請專利範圍 組。 8·如申請專利範園第1項之封裝，i 乂 多層電路板之一表面上。 /、 子封裝係安裝在該 9·如申請專利範圍第丨項之封裝，其 多層電路板之二表面上。 〜封裝係安裝在該 1 0 ·曰一種封裝一功率轉換器之方法，包含· ，供一具有至少一導電表面之多層電路板； 提供一具有至少一熱轉移面之熱擴散元件；及 配置一具有至少一功率消耗晶片之子协 電表面與該熱擴散元件之該熱轉移：面：間u: 之頂部熱塊及複數條對稱引腳，其中該多層電库 = ί間，該熱擴散元件之該熱轉移表面ί於 間，及該導電路徑係與該導熱路徑為分Ϊ供導熱路徑於其 第10項之方法，其中該子封裝之該熱塊 板屬；陶竞，金屬基複合材料及絕緣金屬! ^ <- 一 組0 係實際上itVt圍第10項之方法’其中該複數個對稱引腳 U.如申請專利範V:條、圓形分布周邊引腳組成之-組。 際上選自由印製/第ig項之方法，其中該多層電路板係實 14.如申請專利\線路板及陶竟混合電路板組成之一組。 際上選自金屬圍第1 〇項之方法’其中該熱擴散元件係實 究及金屬基複合材料及其組合組成之一
    第18頁 560229 六、申請專利範圍 組。 "Λν^ΛΥΓ/" — *——^ 種安排於供功率轉換器封裝中之， f少一功率消耗晶片； 匕3. 提供ΐίΞϋ消ϊ晶片接觸以自功率消耗晶片轉移熱，^ 複數條對稱引腳電連接至 徑，其中該複數條對摇引綠耗曰曰片以k供一導電库 導電路徑與導熱路徑分開、。以土板配置在相反方向，以令 及金屬塊及其組合/ ·是基板’一絕緣器金屬基板， 19至一Λ安八排：供功率轉換器封裝中之子封裝，包含·· 至少一刀立之功率消耗元件； 耗：ίϊίί分立之功率消耗元件接觸以自該分立之功率、、* 耗凡件傳輸熱以提供一導熱路徑；& 羊4 腳與該分立功率消耗元件連接以提 使導電路徑與導熱路徑分開。▲扳係配置在相反方向， 2〇.如申請專利範圍第19項之子封 i 制元件及被動元件。 八中該基板更S .
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