TWI667755B - 功率元件封裝結構 - Google Patents

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Abstract

一種功率元件封裝結構，包括第一基板、第二基板、至少一功率元件以及封裝體。第一基板的熱導率大於200 Wm -1K -1。功率元件配置於第一基板上。第二基板配置於第一基板下方。第二基板的熱容量(heat capacity)大於第一基板的熱容量。封裝體封裝第一基板、第二基板與功率元件。

Description

功率元件封裝結構
本發明是有關於一種封裝結構，且特別是有關於一種功率元件封裝結構。
功率元件封裝結構可用於整流器、車用發電機、大功率模組發電機。車用發電機的技術領域中，為進行交流-直流間的轉換動作，常透過設置整流橋的方式來進行。整流橋可以由功率元件來構成，並用以提供整流後的電壓以做為驅動負載的依據。
當發電機的負載被瞬間移除時，會產生所謂的拋載（load dump）現象。當拋載現象發生時，由於電壓振幅會瞬間變化，在功率元件上產生瞬間高熱，使得功率元件的接面溫度(junction temperature)瞬間上升，而可能導致功率元件封裝結構的損毀。
然而，目前功率元件封裝結構的設計，大多是以降低封裝結構在穩態使用下的熱阻為目的，亦即為降低封裝結構的穩態熱阻為主，對於與瞬間高熱量相關的暫態熱阻，並無適當的解決方案。
本發明提供一種功率元件封裝結構，除了可降低功率元件封裝結構的穩態熱阻，同時可使得功率元件封裝結構的暫態熱阻降低。
本發明的功率元件封裝結構，包括第一基板、第二基板、至少一功率元件以及封裝體。其中，第一基板的熱導率大於200 Wm -1K -1。功率元件配置於第一基板上。第二基板配置於第一基板下方，且第二基板的熱容量(heat capacity)大於第一基板的熱容量。封裝體則封裝第一基板、第二基板與功率元件。
在本發明的一實施例中，上述的第一基板的材料是選自包括銅、鋁、金、銀、金剛石或石墨烯及其合金化合物的其中一種材料。
在本發明的一實施例中，上述的第二基板的材料是選自包括銅、鋁、鋰、金剛石或石墨烯及其合金化合物中的其中一種材料。
在本發明的一實施例中，上述的第二基板的厚度大於第一基板的厚度。
在本發明的一實施例中，上述的第二基板的體積大於第一基板的體積。
在本發明的一實施例中，上述的第二基板的投影面積小於或等於封裝體的投影面積。
在本發明的一實施例中，上述第一基板的材料為銅，且其熱容量大於或等於0.5 J·°C -1。
在本發明的一實施例中，上述第二基板的材料為鋁，且其熱容量大於或等於1.43 J·°C -1。
在本發明的一實施例中，上述第二基板的熱容量大於或等於0.5 J·°C -1。
在本發明的一實施例中，上述的部份第二基板露出於封裝體外。
在本發明的一實施例中，上述的第二基板配置於功率元件的正下方。
在本發明的一實施例中，上述的第一基板與第二基板直接接觸。
在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構為車用功率元件封裝結構。
在本發明的一實施例中，上述的功率元件封裝結構還可包括控制IC或電路元件，設置於第一基板上。
基於上述，本發明藉由熱容量較高的第二基板搭配熱導率大的第一基板，可降低功率元件封裝結構的穩態熱阻，還可降低功率元件封裝結構之暫態熱阻，提高封裝結構對拋載、短路等暫態負載的處理能力。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。
圖1是依照本發明的一實施例的一種功率元件封裝結構的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的功率元件封裝結構100包括熱導率大於200 Wm -1K -1的第一基板102、第二基板104、至少一功率元件106以及封裝體108。第一基板102的材料為高熱導率材料，例如是選自包括銅、鋁、金、銀、金剛石或石墨烯及其合金化合物的其中一種材料。功率元件106則配置於第一基板102上。第二基板104配置於第一基板102下方，且第二基板104較佳是配置於功率元件106的正下方。在本實施例中，第二基板104的熱容量(heat capacity)大於第一基板102的熱容量，其熱容量例如大於或等於0.5 J·°C -1。第二基板104的材料為高熱容量材料，例如是選自包括銅、鋁、鋰、金剛石或石墨烯及其合金化合物中的其中一種材料；較佳為鋁或鋁合金。在一實施例中，第一基板102的材料為銅，且其熱容量大於或等於0.5 J·°C -1；第二基板104的材料為鋁，且其熱容量大於或等於1.43 J·°C -1。
在本實施例中，第一基板102與第二基板104可直接接觸；在另一實施例中，第一基板102與第二基板104之間可設置導電黏接層（未繪示）。在一實施例中，第二基板104的厚度大於第一基板102的厚度以及/或是第二基板104的體積大於第一基板102的體積。而封裝體108封裝第一基板102、第二基板104與功率元件106，其中部分第二基板104如圖1所示，可露出於封裝體108外。第二基板104的投影面積例如小於或等於封裝體108的投影面積。在本實施例中，封裝體108的材料例如但不限於環氧樹脂、聯苯樹脂、不飽和聚酯或陶瓷材料。本實施例的功率元件封裝結構100可為車用功率元件封裝結構。
當本發明的功率元件封裝結構100應用於車用發電機的整流器時，交流電持續進入功率元件封裝結構100，藉由功率元件106轉換成直流電後輸出，在轉換其間所產生的熱能，會使得功率元件106溫度上升，因此本實施例中具有高熱導率的第一基板102能降低穩態熱阻。而在負載電流移除後瞬間產生的電壓湧浪(surge voltage)所產生的熱能，則可藉由本實施例中具有高熱容量的第二基板104，能夠快速吸收瞬間高熱量，降低功率元件106的接面溫度。
舉例來說，對於具備50A發電量的汽車發電機，當其發生拋載現象時所產生的暫態能量約為97.2J，若採用銅導線架作為第一基板102，並採用鋁基板作為第二基板104時，本實施例將第一基板102的熱容量設計為0.5 J·°C -1，此時只要第二基板104的熱容量大於第一基板102的熱容量，即可確保功率元件106的接面溫度不高於350°C。又於本實施例中，可進一步將第二基板104的熱容量設計為1.43 J·°C -1，即能維持功率元件106的接面溫度不高於190°C，以確保功率元件106不會因接面溫度過高而損壞。
圖2A是依照本發明的另一實施例的一種功率元件封裝結構的正面，圖2B為圖2A的背面示意。圖3是圖2A的功率元件封裝結構的透視圖，其中省略封裝體，以清楚顯示功率元件封裝結構的正面構造。
請同時參照圖2A、圖2B以及圖3，本實施例的功率元件封裝結構200基本包括熱導率大於200 Wm -1K -1的第一基板202、第二基板204、功率元件206以及封裝體208。本實施例中第一基板202例如是導線架，並可由多個相互隔離的區塊202a~202e組成，其中區塊202a具有參考接地接腳210a與210b、區塊202b具有相位輸出接腳212a、區塊202c具有相位輸出接腳212b、區塊202d具有電源接腳214a、區塊202e具有電源接腳214b。其中，電源接腳214a、214b可耦接至車用電池，相位輸出接腳212a、212b分別產生數個整流後信號，參考接地接腳210a、210b可耦接至參考接地端。當封裝體208將第一基板202、第二基板204與功率元件206封裝，上述接腳210a、210b、212a、212b、214a、214b會自封裝體208突出，如圖2A和圖2B所示。第一基板202還可包括與區塊202a分離的數個接腳區塊216，能經由打線、銅夾（copper clip）或其他導體與第一基板202或其上的元件(如功率元件206或外部電源等)連接。在本實施例中的第一基板202之材料選擇可參照上一實施例，故不再贅述。
請繼續參照圖3，本實施例中的功率元件206配置於第一基板202上。功率元件206例如功率電晶體206a~206d，功率電晶體可包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或其他功率電晶體。在本實施例中，功率元件206分別配置於第一基板202的不同區塊上，但本發明並不限於此。以圖3為例，功率電晶體206a與206b 設置於第一基板202的區塊202b上，功率電晶體206c與206d 設置於第一基板202的區塊202c上。功率電晶體206a可透過導電結構218電性連接區塊202a與區塊202b，並可於區塊202b上加設稽納二極體(Zener diode)220並透過導電結構218連接到功率電晶體206a的一端（例如汲極）及另一端（例如源極）間，以作為功率電晶體206a的防護元件，但本發明並不限於此。在另一實施例中，由於第二基板204的存在，功率電晶體206a可透過導電結構218直接電性連接至第一基板202的區塊202b，而不需設置稽納二極體220。至於功率電晶體206b可透過導電結構222電性連接區塊202d。
至於功率電晶體206c同樣可透過另一導電結構218電性連接區塊202a與區塊202c，並可於區塊202c上加設另一稽納二極體220並透過導電結構218連接到功率電晶體206c的一端（例如汲極）及另一端（例如源極）間，以作為功率電晶體206c的防護元件，但本發明並不限於此，也可省略上述稽納二極體220，直接經由第二基板204解決暫態熱阻所造成的問題，使功率電晶體206c可透過導電結構218直接電性連接至第一基板202的區塊202c。功率電晶體206d可透過另一導電結構222電性連接區塊202e。上述的導電結構218和222例如銅夾（copper clip）或其他適合的結構。
此外，本實例中的功率元件封裝結構200還可包括控制系統224(如控制IC、電容與其他電路元件)，設置於第一基板202的區塊202a上，並於第一基板202與控制系統224之間設置絕緣層(未繪示)，以電性隔絕控制系統224與其下方的第一基板202(即區塊202a)。而控制系統224中的控制IC可經由打線(未繪示)分別與第一基板202上的功率電晶體206a~206d電性連接，用以傳送控制信號至功率電晶體206a~206d。
請繼續參照圖2B，本實施例中的第二基板204設置於第一基板202之下方，且第一基板202可直接接觸第二基板204。在本實施例中，第二基板204具有三個區塊204a、204b與204c，且區塊204a是配置於圖3的功率電晶體206a和206b的正下方、區塊204b是配置於圖3的功率電晶體206c和206d的正下方、區塊204c是配置於圖3的控制系統224的正下方，然而本發明並不限於此。若是以降低暫態熱阻的效果來看，第二基板204於功率元件206的正下方設置即可；換句話說，可省略區塊204c。於圖2B中，部分第二基板204露出於封裝體208外，且第二基板204的投影面積不超過封裝體208。第二基板204之材料選擇可參照上一實施例，故不再贅述。上述封裝體208例如是藉由模封製程，密封功率元件206、第一基板202與第二基板204。在本實施例中，封裝體208的材料可包括環氧樹脂、聯苯樹脂、不飽和聚酯或陶瓷材料。
當大電流從參考接地接腳210a與210b或從相位輸出接腳212a與212b透過第一基板202進入功率電晶體206a~206d後，能藉由本實施例中具有高熱容量的第二基板204，降低功率電晶體206a~206d瞬間產生的高熱所導致的高接面溫度。因此，本實施例的設計能防止功率元件封裝結構200損壞。
為驗證上述效果，列舉以下實驗進行說明，但本發明並不限於下列實驗。
〈實驗例〉
製作一個如圖2A、圖2B所示的功率元件封裝結構，然後根據ISO-7637-2標準，以下表一以及表二的測試條件進行拋載測試，經五次測試，且每次測試的間隔為60秒，測試後的拋載耐力結果顯示於下表三及圖4。
〈比較例〉
比較例與實驗例的不同處在於，比較例的功率元件封裝結構中並沒有設置第二基板。然後，同樣進行上述拋載測試，結果顯示於下表三及圖4。
表一
參數 12 System 24 System
脈衝電壓 (Pulse Voltage) US 79V ~ 101V 151V ~ 202V
電源電壓 (Supply Voltage) UA 13.5V 27V
內阻 (Internal Resistance) Ri 0.5Ω ~ 4Ω 1Ω ~ 8Ω
拋載抑制之脈衝電壓 (Pulse Voltage with Load Dump Suppression) US* 35 65
脈衝寬度 (Pulse Width) td 40ms ~ 400ms 100ms ~ 350ms
升壓時間 (Rise Time) tr 5ms ~ 10ms 5ms ~ 10ms
表二
暫態電壓抑制(TVS)方法 Low bond Up bond
脈衝電壓 US V 79 101
輸出電阻 (Output Resistance) Ri Ω 0.5 4.0
待測物VWM (DUT VWM) VWM,DUT V 24.0 24.0
峰值電流 (Peak Current) Ipeak A 158.0 25.3
待測物上的峰值功率 (Peak Power on DUT) Ppeak,DUT W 3,792 606
脈衝寬度 td ms 30 321
拋載能量 (Load Dump Energy) ELoad,Dump J 56.6 97.2
表三
實驗例 比較例
熱容量(J/°C) 2.5 1.0
拋載能量(J) 84.0 84.0
升溫(°C) 171 278
功率元件中心溫度 Tj(°C) 193 300
由圖4與表三的測試結果可知，由於實驗例的功率元件封裝結構設置有高熱容量的第二基板，因此當施予相同的拋載能量時，實驗例的升溫溫度相較於比較例的升溫溫度要低得多，且實驗例的功率元件的接面溫度相較於比較例的功率元件的接面溫度也低得多。由此可知，藉由本發明於第一基板下方設置高熱容量的第二基板，確實能降低功率元件封裝結構的暫態熱阻，反映在升溫溫度以及功率元件的接面溫度都有顯著的改善。
綜上所述，由於本發明的功率元件封裝結構中具有熱容量較高的第二基板搭配熱導率大的第一基板，因此不但能降低穩態熱阻，還可達到降低暫態熱阻的功效，所以本發明的功率元件封裝結構適用於大功率的車用發電機的整流器或馬達驅動裝置。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧功率元件封裝結構
102、202‧‧‧第二基板
104、204‧‧‧第一基板
106、206‧‧‧功率元件
108、208‧‧‧封裝體
202a、202b、202c、202d、202e、204a、204b、204c‧‧‧區塊
206a、206b、206c、206d‧‧‧功率電晶體
210a、210b‧‧‧參考接地接腳
212a、212b‧‧‧相位輸出接腳
214a、214b‧‧‧電源接腳
216‧‧‧接腳區塊
218、222‧‧‧導電結構
220‧‧‧稽納二極體
224‧‧‧控制系統
圖1是依照本發明的一實施例的一種功率元件封裝結構的剖面示意圖。 圖2A是依照本發明的另一實施例的一種功率元件封裝結構的正面示意圖。 圖2B為圖2A的背面示意圖。 圖3是圖2A的功率元件封裝結構的透視圖。 圖4是實驗例與比較例的拋載測試結果圖。

Claims (13)

  1. 一種功率元件封裝結構，包括：第一基板，其熱導率大於200Wm-1K-1；至少一功率元件，配置於該第一基板上；第二基板，配置於該第一基板下方，其中該第二基板的熱容量(heat capacity)大於該第一基板的熱容量；以及封裝體，封裝該第一基板、該第二基板與該功率元件，其中部分該第一基板與該第二基板露出於該封裝體外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一基板的材料是選自包括銅、鋁、金、銀、金剛石或石墨烯及其合金化合物的其中一種材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的材料是選自包括銅、鋁、鋰、金剛石或石墨烯及其合金化合物中的其中一種材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的厚度大於該第一基板的厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的體積大於該第一基板的體積。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的投影面積小於或等於該封裝體的投影面積。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一基板的材料為銅，且其熱容量大於或等於0.5J．℃-1。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的材料為鋁，且其熱容量大於或等於1.43J．℃-1。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板的熱容量大於或等於0.5J．℃-1。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第二基板配置於該功率元件的正下方。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其中該第一基板與該第二基板直接接觸。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，其為車用功率元件封裝結構。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的功率元件封裝結構，更包括控制IC或電路元件，設置於該第一基板上。
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