TWI649013B - 導電板，含導電基板在內，尤指用於功率電子模組者 - Google Patents

導電板，含導電基板在內，尤指用於功率電子模組者 Download PDF

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Abstract

一種導電板(1a,1b,1c)，含導電基板(3)在內，尤指用於功率電子模組(2)者，該基板(3)至少有一部分，較佳為全部，由鋁及/或鋁合金構成，該導電基板(3)至少一表面(3a,3b)上，至少覆上一導電面(4a,4b)，其較佳形式為利用印刷法覆上之導電層，尤以網版印刷法為優，其導電面(4a,4b)係直接與導電基板(3)導電相連。
(第2a圖)

Description

導電板，含導電基板在內，尤指用於功率電子模組者
本發明係關於一種導電板，含導電基板在內，尤指用於功率電子模組者，該基板至少有一部分，較佳為全部，由鋁及/或鋁合金構成。此外，本發明亦關於一種包含至少一導電板之功率電子模組，以及導電板之製作方法。
鋁原料有越來越重要之意義，尤其在功率電子之領域。依其相對之下較小之重量，以及較低之成本，讓鋁經常被用來作為功率電子模組一類(例如LED、IGBT或MOSFET)電子元件之冷卻體，或直接用作為導電線，尤其作為電流或匯流排使用。對於這類應用目的，鋁不僅有一非常高之導熱性，也具有一非常高之導電性。
在功率電子領域，經常採用一種稱之為「絕緣金屬基板(英文稱為Insulated Metal Substrate，縮寫為IMS)」之基板，該基板含有一鋁製核心，並包覆一層絕緣層或介電層。此際，採用鋁製之核心僅為改善導熱性。導線本身係置於絕緣層上方，與鋁製核心並無導電性接觸
本發明目的為製作同類型導電板，該導電板能放置電子元件，使其能與該導電板之基板導電接觸。尤其應使導電板之基板上之電子元件具有 可焊接性，以便電子元件能與基板形成導電連接，而該基板主要係由鋁及/或鋁合金構成。
依據本發明，可知在導電基板至少一表面上，至少覆上一塊導電面，較佳為以印刷法覆上之導電層，尤以網版印刷法為優，其導電面係直接與導電基板導電相連。
本發明目的之一，係使基板上所設置之導電面或導線與基板本身直接達成導電相連，並利用基板作為電導體。在上述導電板上，導電面係直接設置在一導電基板表面上，該導電面基本上可以由銅構成，厚度為25μm至125μm，較佳為90μm至110μm。即可以捨棄一層置於基板及導電面之間之絕緣層。如此，一方面可以達到簡化導電板結構之目的，使導電板亦能便宜製造。另一方面則使該基板除原有功能之外，亦額外作為散熱裝置以及導電板之電流導引元件使用。尤其對功率電子模組，以及在該模組所出現之大電流而言，此為優點。
在一特別優良之應用形式中，導電基板至少一表面基本上為平面之構造。如此，可讓導電板之製造程序大幅簡化。如此一來，可讓一片例如厚度為1mm至3mm之傳統鋁板，簡單依據需求加以裁剪、割鋸或沖壓，無須為鋁板之表面進行特別處理。
在本發明一優良應用形式中，可知在導電基板至少一表面上，至少覆上一塊絕緣面，較佳為以印刷法覆上之介電質層，尤以網版印刷法為優，其中至少一絕緣面可以至少局部及至少一導電面接壤，較佳為至少包圍一導電面為優。
為避免電流或電壓導引元件之間之火花閃爍、以及由此造成之短路，所以該元件彼此須以一定間距放置。舉例來說，在電位差為400V之二電壓導引元件之間，依據DIN規範EN 60664-1 VDE 0110-1，其間距或氣隙至少須 為4mm。透過絕緣面，可以在相同電壓耐受力之下，使其至其他電流導引元件之間之間距，例如至功率電子模組內另一片導電板之間之間距，變小，例如小於1mm。如此一來，即可讓功率電子模組之結構大小得以縮減，而該模組至少包含一前述之導電板。
絕緣面之厚度，可視所設計之閃爍電壓來選擇。當介電質層之平均閃爍電壓為每25μm 800V時，通常厚度為100μm之絕緣面即已足夠。介電質層厚度之選擇，一般而言與所採用之、以及例如置於二片導電板之間之IGBT之閃爍電壓有關，而且以高壓應用為例，係以如下方式來選擇，使閃爍電壓能達到大約600V至大約1700V。
絕緣面通常也可以至少在一導電面作為焊接覆蓋面使用。因此，在這類模式中，基板上至少可以覆上一絕緣面，讓至少一導電面或多導電面被該絕緣面圍住或框住。
欲在基板上製造至少一層絕緣面，可以在基板至少一表面上至少區域性地覆上一層介電質層。此際，可以採用印刷法覆上介電質厚層膏，較佳為網版印刷法。厚層膏可以在大約200℃以下之溫度，以大約10分鐘加以乾燥，或直接在一烤箱內加以燒結。
厚層膏之燃燒或燒結，可以在大氣環境下，以大約540℃至大約640℃之間之溫度，於烤箱內完成。厚層膏也可以在540℃以下之溫度燃燒，然而可能造成厚層膏對基板之附著力有不良影響。當厚層膏在640℃以上燃燒時，基板可能開始軟化，因為鋁之熔點大約為660℃。
為達成厚層膏在基板上之良好附著性，厚層膏之玻璃成份至少可以包含一種鹼金屬氧化物，例如氧化鋰、氧化鈉或氧化鉀。如此一來，在溫度低於鋁之熔點時，其玻璃成份已經熔化。此外，因為有鹼金屬氧化物之存在，厚層膏之膨脹係數亦得以提高，且/或更接近鋁之膨脹係數。
上述導電板，特別適合用於密集之功率電子模組，例如大電流多相功率橋或交流整流器。在這類功率電子模組中，經常使用一種形式為絕緣閘雙極電晶體(英文稱之為insulated-gate bipolar transistor，縮寫為IGBT)之電晶體或電子開關。關於這類閘極之連接，可以在至少一面絕緣面上，設置至少一形式為導電層之連接面。該連接面可以在後續作業，經由例如焊接，與一IGBT之閘極接點相連。
根據申請專利範圍第12項所述，保護亦為功率電子模組之需求重點。該附屬申請項已提出優良之架構。
上述導電板可為功率電子模組之一部分，例如一交流整流器。這類交流整流器，其中一項應用為汽車領域之混合式或全電子式傳動系統，以便將一直流電源(例如電池)之直流電，轉化成交流馬達所用之三相交流電。此處之交流整流器，本身即可包含六電子開關(例如IGBT)以及與此相關之非同步二極體。IGBT之閘極接點經過適當地觸發，即可把交流整流器所接之直流電，例如範圍大約為300V至1200V之直流電，以既知形式及方法整流成為三相推移之交流電壓，並導入一交流馬達內。
在一特別優良之應用形式中，上述功率電子模組係包含一片第一導電板、一片第二導電板以及三片第三導電板。
關於第一導電板，可在導電基板至少一表面上，設置多導電面，較佳為六導電面，而該導電面較佳為被一絕緣面所包圍。導電面上可經由例如焊接方式，加上例如三IGBT以及三片相對應之非同步二極體。第一導電板可構成例如一交流整流器之負極性匯流排，該匯流排可與一直流電源之負極相連。
關於第二導電板，可以額外在絕緣面上設置多連接面，較佳為三連接面。如此一來，即可讓導電面除了安置三IGBT以及三相對應非同步二極體之外，亦可讓IGBT之閘極與連接面相連，例如經由焊接方式，並於後續加以 控制。第二導電板可構成例如一交流整流器之正極性匯流排，該匯流排可與一直流電源之正極相連。
三片第三導電板之任一片，可在導電基板之第一表面上，設置多導電面，較佳為二導電面，並於導電基板之第二表面上，設置多導電面，較佳為二導電面，並至少設置一絕緣面，其中至少一絕緣面上設有連接面。
此外，三片第三導電板可構成交流馬達之交流整流器之相位接點。此處，第三導電板之第一表面之二導電面，可以經由例如焊接方式，分別與第二導電板所安置之一對電子元件相連，包括一IGBT以及一相對應之非同步二極體。此處，第三導電板之第二表面之二導電面以及連接面，可以經由例如焊接方式，分別與第一導電板所安置之一對電子元件相連，包括一IGBT以及一相對應之非同步二極體。其連接面可分別用以連接IGBT之閘極。
當導電板主要為堆疊設置時，尤能彰顯其優點，較佳為其中三片第三導電板係彼此相鄰，並置於第一導電板及第二導電板之間。如此，即可讓功率電子模組達成非常密實之結構形態。
在一特別優良之應用形式中，功率電子模組之構造可為一種大電流多相功率橋，其中，第一導電板之至少一表面及/或三片第三導電板之第二表面，設有三較佳為IGBT之電晶體以及三非同步二極體，較佳要為焊接，而第二導電板之至少一表面及/或三片第三導電板之第一表面，設有三較佳為IGBT之電晶體以及三非同步二極體，較佳為焊接。
導電板上例如IGBT及非同步二極體等電子元件之焊接，可較佳為採用蒸汽相焊接。如此一來，即可在功率電子模組之焊接層上，達到均一之溫度梯度。在一堆疊式交流整流器中，可以在第一導電板及三片第三導電板之間，設置一第一焊接層，並在三片第三導電板及第二導電板之間，設置一第二焊接層。
一般而言，一基板表面上之導電面，可用不同方法製成，例如利用電解法、電漿金屬噴灑法、或利用鍍膜(例如滾壓包層法)。
申請專利範圍第16項，用以製造導電板之方法，亦為本案涵蓋範圍。
鋁之化學特性之一，係在空氣中會非常快速形成一薄氧化層，該氧化層係經與大氣中之氧接觸後，因氧化程序而在鋁本體表面形成。該氧化層雖然一方面能防蝕，但另一方面也讓鋁與其他材料連接時，例如利用熔焊、電焊或其他已知之連接技術時，產生困難。
在因此，為製造一前述之導電板，尤指在基板上製造至少一導電面時，可在基板之一表面上，至少局部覆上一層導電膏，在第一燃燒階段內，導電膏係置於基本上連續上升之燃燒溫度中，使燃燒溫度提高至預定之最高燃燒溫度，略小於660℃，而在第二燃燒階段內，導電膏係於一預定時間範圍內，置於一基本上為預定最高燃燒溫度之中，在冷卻階段內，導電膏被冷卻，而在後續處理階段，導電膏表面係以機械方式處理，尤其係被刷過。
覆上導電膏之區域，並參照該方法步驟燒結而成者，取代原本主宰該區域之基板氧化表面，係作為該基板之導電接點。此一導電層，即至少局部經由導電膏之塗佈及燒結達成者，可以在後續用來焊接例如一電子元件或焊接一冷卻體，而該冷卻體本身依然可由鋁構成。
基板至少可以局部，較佳為全部，由鋁原料構成，鋁含量需儘可能地高。較佳為係採用歐洲標準規範EN 573所訂等級為EN AW-1050A或EN AW-1060A之鋁原料，該原料至少含有重量百分比99.5至99.6之鋁。亦可採用鋁合金，例如EN AW-3003(AlMn1Cu)、EN AW-3103(AlMn1)、EN AW-5005(AlMg1)或EN AW-5754(AlMg3)這類含錳或鎂之鋁合金，但相較於前述基本為純鋁之原料，該原料有較低之熔化溫度以及較低之導熱性。
利用上述方法，即可選擇性地在鋁製基板表面各區域加以金屬化，其中，以燒結之導電膏為基礎之金屬化區域，會直接與基板牢固結合，並讓導電膏至基板達成高導電性及高導熱性，反之亦然。此外，金屬化區域顯現為可焊接區域，該焊接可讓基板以既知之形式及方法及其他元件相連接。因此，採用傳統焊接材料一例如共晶錫鉛、錫銀銅、或錫金焊材，即可在金屬化區域焊上各種電子元件。
依據一特別優良之應用形式，其導電膏係以印刷法施加在基底表面上，較佳為網版印刷法。
此處，可以採用厚層膏或燒結膏形式之傳統導電膏。利用厚層膏之多孔性，即可補償導電膏及基板之間不同之熱膨脹，而使導電膏及基板之連接之可靠度得以提高，尤其在例如汽車領域一類有強烈溫度變化需求之場合。
網版印刷之疊加特性，係於一基板覆加一覆層，因此，基板表面之金屬化可捨棄曝光及腐蝕法，成為上述方法之成本優勢。
厚層導電膏通常包含至少一種作為導電媒介之金屬粉末、一種作為附著材料之無機粉末(例如玻璃渣)以及有機之黏合劑及溶劑。有機之黏合劑及溶劑，可形成油膏狀之濃度，並具一定之流體特性，但特性亦受導電膏其他成份之影響。
關於導電金屬粉末之成份，較佳為可採用一種包含銅粉之導電膏。當然也可以採用一種包含銀及/或金粉之導電膏。此處，採用銅粉明顯較便宜。
關於無機粉末之成份，較佳為可以採用一種包含由PbO-B2O3-SiO2系統所製之玻璃及/或包含Bi2O3之玻璃之導電膏。如此一來，雖然此處有設定一相較之下較低之燃燒溫度，但仍能在上述方法之燒結程序中，達成導電膏在基板上附著極為良好之目的。
導電膏印刷後，例如以現有技術既知之網版印刷術印製者，基本上該導電膏會因為流體特性而留在相對應之區域內，流出之部分微不足道。為了讓基板表面上所覆之導電膏，能在燃燒或燒結時有最佳狀態，較佳為可採如下方式，讓導電膏在第一燃燒階段之前，先進乾燥階段，以一大約80℃至大約200℃之溫度加以乾燥，較佳為100℃至150℃為優，最好在130℃以下，時間長度較佳為大約5分鐘至大約20分鐘。經過此一乾燥階段，導電膏內所含之溶劑基本上會完全散開。此處係以既知之乾燥法為佳，例如紅外線或熱風乾燥。經過乾燥程序，以及與其相關之導電膏溶劑之散逸，導電膏之體積會產生一定之縮減。但此一現象能在前置作業時，以相對應較厚之導電膏之塗佈加以因應。
導電膏在上述方法之第一及/或第二燃燒階段之燃燒或燒結，較佳為可在一燃燒爐中進行，而燃燒爐內係以燃燒溫度為主。當然，乾燥階段及/或冷卻階段也可以在燃燒爐內進行。較佳為，此處可為一種設有輸送裝置之燃燒爐。
視基板及導電膏所使用藥劑之組合而定，可以採用一種適合之燃燒斷面。有一種特別之應用變化，係在第一燃燒階段中，讓燃燒溫度至少間歇性地以大約40℃/min至大約60℃/min之速度上升。此外，在第一燃燒階段中，可以將燃燒溫度升高至最高溫度約為580℃，較佳為大約565℃，而最好大約為548℃。
在大約400℃至450℃之間為導電膏加熱，基本上會導致所有有機物質成份完全散開，例如有機黏合劑等，並使所有無機成份軟化(例如玻璃粉或玻璃渣)。此外，金屬粉末之燒結程序會在此一溫度之下導入。導電膏內軟化之玻璃成份，會在後續成為基板上附著性良好之導電膏。
最高之燃燒溫度原則上受限於鋁之熔化溫度，該溫度約為660°C。在銀基板上使用之導電膏，最高燃燒溫度較佳為約565℃，而在銅基板上使 用之導電膏，最高燃燒溫度較佳為約548℃。由可能形成之鋁銅或鋁銀合金之熔化溫度，可推算出此一溫度。
對應於各最高燃燒溫度，其導電膏需選用適當之玻璃成份，其相對之玻璃過渡溫度(TG)或熔化溫度(TS)，應與其最高燃燒溫度相吻合。相對應之導電膏之玻璃成份之玻璃過渡溫度或熔化溫度，應據此低於所設定之最高燃燒溫度，以保證基板上之導電膏能有最佳之附著性。這點，尤其適用於PbO-B2O3-SiO2系統所製之玻璃或包含Bi2O3之玻璃。
一特別顯著之優點，係在第二燃燒階段中，讓導電膏燃燒大約5分鐘至大約30分鐘。如此一來，即可在基板上讓導電膏達到最佳之黏著性。基本上，第二燃燒階段(在最高燃燒溫度下)之時間越長，導電膏之燒結越密實，而且對於後續之處理(例如熔焊及電焊)有較佳之特性。當第二燃燒階段之時間過長，在典型烤爐中之通過時間就會相對拉長，這對於總通過量會造成負面影響。
在其他優良之變化應用中，可以在第二燃燒階段中，讓預定之最高燃燒溫度基本上保持恆定。
此外，較佳為可以在第一燃燒階段及/或第二燃燒階段中，讓導電膏處在一含氮之保護氣體之中。應用惰性氣體或保護氣體，即可減少或防止例如導電膏內所含之銅之氧化。在高溫下，這特別具有優點。保護氣體(例如氮氣)對於銅導線之燒入具有優點，能防止導線材料之氧化(視燃燒階段而定，可能會有數ppm之殘留氧化物成份)。這類材料或導電膏之有機黏合劑，可以概述如下，其在含氮之氣體中可以減少。但對於銀導線膏而言，傳統之空氣氣體反而有優點，因為此處表面氧化之影響微乎其微。此處所使用之有機黏合劑，可以經由空氣中之氧氣氧化。
在本發明一優良應用形式中，冷卻階段中之燃燒溫度至少間歇性地以大約20℃/min至大約40℃/min之速度下降，較佳為大約30℃/min。較佳為， 其冷卻需至周圍溫度。冷卻越慢，導電膏及基板連結之機械影響越小，因為所使用之材料有不同之膨脹係數。
燒結之導電膏經過典型之氧化之後，即在燃燒或燒結程序中因遇高溫而形成之氧化，需讓導電膏表面在冷卻之後進行適當之機械後處理，以簡化後續之加工，例如後續之熔焊或電焊。
在一優良應用形式中，基板表面上所覆之導電膏厚度為大約10μm至大約100μm。當然也可以在基板表面覆上厚度小於10μm之導電膏，或厚度大於100μm之導電膏。亦可依序多次使用上述方法，以提高整體設定之導電膏厚度。較佳為，上述導電板至少一導電面，可以及燒結之導電膏相等，其厚度以25μm至125μm為佳，較佳為90μm至110μm。
1a,1b,1c‧‧‧導電板
2‧‧‧功率電子模組
3‧‧‧導電基板
3a‧‧‧基板之第一表面
3b‧‧‧基板之第二表面
4‧‧‧導電面
4a‧‧‧IGBT之導電面
4b‧‧‧非同步二極體之導電面
5‧‧‧絕緣面
6‧‧‧連接面
7‧‧‧IGBT
8‧‧‧非同步二極體
9‧‧‧直流電源
10‧‧‧控制電子電路
11‧‧‧交流馬達
12‧‧‧連接單元
13‧‧‧焊材
本發明之其他細節及優點，係以如下之圖示說明加以闡示。此圖示為：第1圖 構成交流整流器之功率電子模組之電路圖，第2a圖 上述導電板之透視圖，第2b圖 第2a圖所示之導電板，以及置於其上之電子元件，第3圖 其他推薦之導電板，以及置於其上之電子元件，第4圖 上述功率電子模組在組裝時之應用例，第5圖 上述功率電子模組之透視圖，第6圖 第5圖之功率電子模組之側視圖，第7a圖 第5圖之I-I剖面線上之剖面圖，第7b圖 第7a圖之細部圖示，第8a圖 第5圖之II-II剖面線上之剖面圖，以及第8b圖 第8a圖之細部圖示。
第1圖展示一構成交流整流器之功率電子模組2之方塊電路圖。該功率電子模組2包含六由IGBT UH，VH，WH，UL，VL，WL所構成之電子元件7，並與一直流電源9相連，例如連接至電池。三高端電晶體UH，VH，WH以及三低端電晶體UL，VL，WL之閘極接點，能以既知方式透過一控制電子電路10加以控制，而使直流電源9之直流電壓，經功率電子模組2而被整流成為三相互移之交流電壓，然後再導入一交流馬達11。六IGBT中，各可再與一相對應之非同步二極體相連。基於圖面乾淨之理由，圖示中並未顯示這些非同步二極體。
第2a圖展示第1圖所示構成交流整流器之功率電子模組2之導電板1b。該導電板1b包含一形式為鋁板之導電基板3，其表面3a、3b基本上為平坦之構造。舉例來說，該導電板1b可為交流整流器之正極性匯流排，該匯流排係經由連接單元12與直流電源9之正極相連。導電板1b之表面3a具有三屬於其上所置之IGBT之導電面4a，以及三屬於其上所置之非同步二極體之導電面4b。導電面4a、4b係被一絕緣面5包圍住或框住。導電面4a、4b以及絕緣面5，均能利用網版印刷術，以相同之厚層膏形式覆於基板3之表面3a上，再舉例來說於一燃燒爐中加以燃燒或燒結。絕緣面5額外設有適當之連接面6，以便IGBT之閘極接能接受適當之控制訊號。
第2b圖展示第2a圖所示之導電板1b，以及置於導電面4a上之IGBT 7，以及置於導電面4b上之非同步二極體8。此處，IGBT 7之閘極接點係與連接面6相連接。
第3圖展示另一種導電板1a，以及置於導電面4a上之IGBT 7，以及置於導電面4b上之非同步二極體8，其類似於先前之第2a圖所示之導電板，不過沒有閘極接點及連接面6。此處之電子元件7、8，舉例來說係以蒸汽相焊接法，焊接在相對應之導電板4a、4b上。
第4圖展示第1圖所示之功率電子模組2之應用例，該功率電子模 組2包含一第一導電板1a、一第二導電板1b、以及三片第三導電板1c。此處，第一導電板1a等同於第3圖所示之導電板1a，第二導電板1b等同於第2a圖所示之導電板1b。利用第一導電板1a在基板3之連接單元12，舉例來說，即可讓第一導電板1a與一直流電源9之負極相連接，而使第一導電板1a之基板3成為負極性匯流排。第二導電板1b，舉例來說，可以利用其基板3之連接單元12與一直流電源9之正極相連接，而使第二導電板1b之基板3成為正極性匯流排。
三片第三導電板1c，各包含一形式為鋁板之導電基板3，其表面3a、3b基本上為平坦之構造。三片第三導電板1c之基板3之第一表面3a，各有一將與IGBT連接之導電面4a，以及一將與非同步二極體連接之導電面4b。三片第三導電板1c之基板3之第二表面3b，除了與第一表面3a所對應之導電面4a、4b之外，尚有一絕緣面5，該面設有一可導電之連接面6，用來與一IBGT之閘極相接觸。三片第三導電板1c之每片基板3均有一連接單元12，透過該單元，三片第三導電板1c即可分別與交流馬達11之各相位相連接。
如第4圖所示，功率電子模組2組裝時，導電板1a、1b、1c係以此方式彼此垂直堆疊，使三片第三導電板1c介於第一導電板1a及第二導電板1b之間彼此併排在一起。在第一導電板1a及三片第三導電板1c之間，有三IGBT 7及三非同步二極體8，該元件可分別焊接在導電板1a、1b之導電面4a、4b上。同樣地，在三片第三導電板1c及第二導電板1b之間，依然有三IGBT 7及三非同步二極體8，該元件可分別焊接在第三導電板1c之第一表面3a所對應之導電面4a、4b上，以及焊接在第二導電板1b之第一表面3a上。在第一導電板1a及三片第三導電板1c之間之三IGBT 7之閘極接點，可以透過連接面6與第三導電板1c之第二表面3b接觸，而在三片第三導電板1c及第二導電板1b之間之IGBT 7之閘極接點，則可以透過連接面6與第二導電板1b之第一表面3a接觸。
第5圖展示一依第4圖方式組裝完成之功率電子模組2，但具如下 差異，在三片第三導電板1c之二表面3a、3b上，分別設有一絕緣面5，其形式為以網版印刷術覆上之介電質層，而各表面3a、3b上之絕緣面5，則分別包圍住導電面4a、4b。此處，該功率電子模組2之導電板1a、1b、1c之垂直堆疊，以及由此獲得之密實結構，可看得特別清楚。
第6圖顯示第5圖之功率電子模組2之側視圖。此處，導電板1a、1b、1c之基板3之連接單元12，構成其他元件之連接點(參照第1圖)。第一導電板1a之連接單元12，可以和一直流電源9之負極相連，而第二導電板1b之連接單元12，則與其正極相連。第三導電板1c之連接單元12，可以和一交流馬達11相對應之相位接點。
第7a圖顯示第5圖之功率電子模組2在I-I剖面線上之剖面圖，第7b圖顯示第7a圖中以一圓標示之區域B之放大示圖。第7b圖之放大示圖顯示一IGBT 7，其係置於功率電子模組2之第一導電板1a以及三片第三導電板1c其中一片導電板之間。此處，IGBT 7係以例如蒸汽相焊接法，焊接在第一導電板1a之表面3a上之導電面4a，也焊接在第三導電板1c之表面3b上之導電面4a。參考編號13係分別標出所使用之焊材。導電面4a，以及此處無法看見、位在第一導電板1a之表面3a上以及位在第三導電板1c之表面3b上之導電面4b，均被一介電質絕緣面5所包圍。
第8a圖顯示第5圖之功率電子模組2在II-II剖面線上之剖面圖，第8b圖顯示第8a圖中以一圓標示之區域C之放大示圖。與第7b圖之細部圖示相比，第8b圖之放大圖示可見一IGBT 7，其係置於功率電子模組2之第二導電板1b以及三片第三導電板1c其中一片導電板之間。位在第二導電板1b之表面3a以及位在第三導電板1c之表面3a上之導電面4a、4b，均被一介電質絕緣面5所包圍。第5圖之剖面線II-II所示之切面，係位於IGBT 7之閘極接點範圍內。第二導電板1b之表面3上之絕緣面5上，設有一形式為導電層之連接面6，以便IGBT 7之閘極能夠通電 控制。參考編號13依舊分別標出所使用之焊材，用來將IGBT 7焊接在第三導電板1c之導電面4a上，以及焊接在第二導電板1b之連接面6上。
在前述具有導電板1a、1b、1c之功率電子模組2中，電子元件7、8可以透過可焊接可導電之導電面4a、4b之設置，直接焊接在導電板1a、1b、1c之基板3上。如此一來，即可捨棄一般例如引線接合之連接技術。利用額外施加之一層絕緣層5，即可密實地配置導電板1a、1b、1c一例如以垂直方式堆疊，無須減損其電壓耐受力。在一堆疊結構形式中，據此即可將二片導電板1a、1b、1c之電流或電壓導引基板3之間之間距，縮減為電子元件7、8之厚度(例如傳統IGBT 7之厚度250μm)以及導電面4a、4b之厚度(例如100μm)。在一構造為交流整流器之功率電子模組2中，可以透過高端電晶體及低端電晶體之間距之縮減，進而達到功率電子模組2之電感性，並提昇該功率電子模組2之效率。
關於功率電子模組之製造，各導電板1a、1b、1c之導電面4a、4b以及連接面6，可以共同燃燒或燒結。
在一特別優良之應用形式中，較佳為堆疊之完整功率電子模組2，可以在一工作步驟中完成，其中位於各導電板1a、1b、1c之間之元件7、8(參照第4圖)，係以一工作步驟焊接在各導電面4a、4b以及連接面6上(例如利用蒸汽相焊接法)。導電板1a、1b、1c之組裝，當然也可以用多步驟來完成。例如電子元件7、8可以分別焊接在第一導電板1a以及第二導電板1b，然後在後續步驟將電子元件7、8焊接在第三導電板1c相對應之導電面4a、4b及連接面6上。此處，導電板1a、1b、1c之絕緣面5，亦作為防焊罩使用，使電子元件7、8能在焊接過程中保持在所希望之位置上。
在導電面4a、4b上之焊膏，只要在導電面4a、4b覆上例如不同厚度之焊膏，通常也可以用來讓導電板1a、1b、1c之基板3彼此對齊。通常也可用焊錠來取代焊膏。
焊接時，也可採用熔點不同之焊材。例如可以採用熔化溫度約為220℃之錫銀銅焊材，以及熔化溫度約為300℃之高鉛焊材。如此一來，即可例如將電子元件以具高鉛焊材之第一面先焊接在一基板之導電面上，並加以固定，然後在後續步驟中以具錫銀銅焊材之第二面焊接在另一基板之導電面上。如此，即能可靠地把元件固定在位置上。
利用前述導電板，基本上可使一基板除導熱功能之外，亦能接受導電之功能。在前述導電板之基板上設置可導電之導電面及介電質之絕緣面，一方面可讓電子元件得以輕易焊接在該基板上，並通電接觸，另一方面亦可經由例如垂直之堆疊，達成結構形態密實之功率電子模組。利用絕緣面，可使電壓導引元件之間距降低，而使功率電子模組之電感性減小。此外，使用鋁作為基板材料，可以達成功率電子模組直接地、雙面之散熱，而達到較高之電流密度。透過焊接連接，可捨棄其他例如引線接合之連接技術，進而提高元件連接之可靠度。此外，在前述導電板之基板上，利用厚層技術來製造導電面，可使基板上所置之電子元件、以及扮演散熱體之基板之間之熱阻，因基板上以此技術所達成之元件之直接組裝而變小。一以相較之下較低之溫度燒結成之銅導電膏，因具有高度多孔性，使得一導電面及其上所置之電子元件之間之焊接層之機械需求得以減低。如此，特別能夠達成較高之溫度循環耐受度以及較長之壽命。

Claims (14)

  1. 一種用於功率電子模組(2)之導電板(1a,1b,1c)，含一具連接單元(12)之導電基板(3)在內，用以將導電板(1a,1b,1c)連接至一直流電源或一交流馬達，該基板(3)至少有一部分，較佳為全部，由鋁及/或鋁合金構成，其特徵為，導電基板(3)至少一表面(3a,3b)上，至少覆上一導電面(4a,4b)，其較佳為利用印刷法覆上之導電層，尤以網版印刷法為優，該導電面能經由一介於至少一導電面(4a,4b)及電子元件之間之焊接層來焊接一電子元件，該導電面(4a,4b)係直接與導電基板(3)導電相連，其在導電基板(3)至少一表面(3a,3b)上，至少覆上一絕緣面(5)，較佳為印刷法覆上之介電質層，尤以網版印刷法為優。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，導電基板(3)至少一表面(3a,3b)基本上為平面之構造。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述之導電板，其特徵為，導電面(4a,4b)基本上由銅構成。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，導電面(4a,4b)包含一種由PbO-B2O3-SiO2系統所製之玻璃及/或一種包含Bi2O3之玻璃。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，導電面(4a,4b)厚度為25μm至125μm，較佳為90μm至110μm。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，至少一絕緣面(5)至少局部及至少一導電面(4a,4b)接壤，較佳為至少包圍一導電面(4a,4b)。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，在至少一絕緣面(5)上，設置至少一形式為導電層之連接面(6)。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，在導電基板(3)至少一表面(3a,3b)上，設置多個導電面(4a,4b)，較佳為六導電面(4a,4b)，而該導電面(4a,4b)較佳為被一絕緣面(5)所包圍。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之導電板，其特徵為，在絕緣面(5)上設置多連接面(6)，較佳為三連接面(6)。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之導電板，其特徵為，在導電基板(3)之第一表面(3a)上，設置多導電面(4a,4b)，較佳為二導電面(4a,4b)，並於導電基板(3)之第二表面(3b)上，設置多導電面(4a,4b)，較佳為二導電面(4a,4b)，並至少設置一絕緣面(5)，其中至少一絕緣面(5)上設有連接面(6)。
  11. 一種功率電子模組(2)，其至少包含申請專利範圍第1項至第10項其中任一項所述之導電板(1a,1b,1c)。
  12. 一種功率電子模組，其包含一申請專利範圍第8項所述之第一導電板(1a)，一申請專利範圍第9項所述之第二導電板(1b)，以及三片申請專利範圍第10項所述之第三導電板(1c)。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之功率電子模組，其特徵為，導電板(1a,1b,1c)基本上為堆疊設計，而三片第三導電板(1c)係於第一導電板(1a)及第二導電板(1b)之間彼此併排。
  14. 根據申請專利範圍第12項或第13項所述之功率電子模組，其特徵為，功率電子模組(2)構造為一種大電流多相功率橋，其第一導電板(1a)之至少一表面(3a)及/或三片第三導電板(1c)之第二表面(3b)，設有三較佳為IGBT之電晶體以及三非同步二極體，其較佳為焊接，而第二導電板(1b)之至少一表面(3a)及/或三片第三導電板(1c)之第一表面(3a)，設有三較佳為IGBT之電晶體、以及三非同步二極體，其較佳為焊接。
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