TWI836729B - 陶瓷電路板結構及功率模組 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種陶瓷電路板結構，包含陶瓷基板、第一導電層、第二導電層以及散熱層。陶瓷基板具有相對的第一表面以及第二表面，且第一表面和第二表面皆為連續延伸的單一表面。第一導電層和第二導電層設置於陶瓷基板的第一表面，且第二導電層與第一導電層相鄰配置。第一導電層與第二導電層具有不同的厚度。散熱層設置於陶瓷基板的第二表面。散熱層包含第一散熱部以及第二散熱部。第一散熱部與第一導電層相對應，且第二散熱部與第二導電層相對應，且第二散熱部具有圖案化區域。

Description

陶瓷電路板結構及功率模組
本發明係關於一種陶瓷電路板結構及功率模組。
包含例如氧化鋁、氮化矽、氮化鋁或氧化鋁增韌氧化鋯(Zirconia toughened alumina，ZTA)等陶瓷材料的功率模組目前廣泛地應用於車用產業。目前，常用的功率模組包含了絕緣柵雙極電晶體(IGBT)模組，其中陶瓷材料因具有高導熱性、高電絕緣性及低熱膨脹等特性而主要作為承載IBGT功率元件的散熱基板。
功率模組的功率密度可被定義為功率模組能輸出的最大功率除以功率模組整體的重量或體積(或面積)，隨著功率模組逐漸朝向高功率密度發展的趨勢，對於重量輕、體積小且元件密集配置的功率模組的需求日益提升。然而，散熱問題限制了高功率密度之功率模組的發展，因此如何提升散熱效率並兼顧功率模組的小型化是目前主要面臨的課題之一。
在陶瓷片上沉積金屬層而形成的陶瓷電路板結構作為解決散熱問題的一種方案。高功率的功率半導體元件以及閘極驅動器分別設置於不同的陶瓷電路板結構，然而，將功率半導體元件以及閘極驅動器分別配置在不同陶瓷電路板結構的這種構造會占用較大空間而不利於功率模組的小型化設計。
本發明提供一種陶瓷電路板結構及功率模組，可提升散熱效率且兼具功率模組之小型化設計。
本發明一實施例所揭露之陶瓷電路板結構包含一陶瓷基板、一第一導電層、一第二導電層以及一散熱層。陶瓷基板具有相對的一第一表面以及一第二表面，且第一表面和第二表面皆為連續延伸的單一表面。第一導電層和第二導電層設置於陶瓷基板的第一表面，且第二導電層與第一導電層相鄰配置。第一導電層與第二導電層具有不同的厚度。散熱層設置於陶瓷基板的第二表面。散熱層包含一第一散熱部以及一第二散熱部。第一散熱部與第一導電層相對應，第二散熱部與第二導電層相對應，且第二散熱部具有一圖案化區域。
本發明另一實施例所揭露之功率模組包含一陶瓷電路板結構、一功率半導體元件以及一閘極驅動器。陶瓷電路板結構包含一陶瓷基板、一第一導電層、一第二導電層以及一散熱層。陶瓷基板具有相對的一第一表面以及一第二表面，且第一表面和第二表面皆為連續延伸的單一表面。第一導電層和第二導電層設置於陶瓷基板的第一表面，且第二導電層與第一導電層相鄰配置。第一導電層與第二導電層具有不同的厚度。散熱層設置於陶瓷基板的第二表面。功率半導體元件設置於第一導電層，且閘極驅動器設置於第二導電層。散熱層包含一第一散熱部以及一第二散熱部，第一散熱部與第一導電層相對應，第二散熱部與第二導電層相對應，且第二散熱部具有一圖案化區域。
根據本發明揭露之陶瓷電路板結構以及功率模組，提供功率半導體元件設置的第一導電層與提供閘極驅動器設置的第二導電層形成於同一塊陶瓷基板的表面上。藉此，有助於功率模組的微型化。此外，在陶瓷基板的相對另一表面上形成有散熱層，有助於提升散熱效率。散熱層包含具有圖案化區域的第二散熱部。圖案化區域的存在使得第二散熱部的體積能夠與第二導電層的體積相近。藉此，有助於防止因為第二導電層溫度升高而造成陶瓷基板的翹曲。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明。以下實施例為進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1和圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖，以及圖2為圖1之陶瓷電路板結構的另一立體示意圖。在本實施例中，陶瓷電路板結構1可包含陶瓷基板10、第一導電層20、第二導電層30以及散熱層40。
陶瓷基板10例如但不限於是氧化鋁片、氮化矽片、氮化鋁片或氧化鋁增韌氧化鋯片(ZTA)。陶瓷基板10具有相對的上表面110以及下表面120。在本實施例中，陶瓷基板10為單件式陶瓷片，也因此上表面110和下表面120皆為連續延伸的單一表面。
第一導電層20和第二導電層30彼此相鄰地設置於陶瓷基板10的上表面110。第一導電層20和第二導電層30可由金屬材料製成。舉例來說，第一導電層20和第二導電層30可為形成於陶瓷基板10的上表面110之銅層。第一導電層20與第二導電層30具有不同的厚度。更進一步來說，第一導電層20的厚度大於第二導電層30的厚度。舉例來說，第一導電層20的厚度可為300微米(µm)至1000微米，且第二導電層30的厚度可為30微米至100微米。較厚的第一導電層20可用來搭載功率半導體元件，並且較薄的第二導電層30可用來搭載閘極驅動器，這將於後續再進一步詳述。上述提及的第一導電層20和第二導電層30厚度，是指各導電層的平均厚度。
散熱層40設置於陶瓷基板10的下表面120。請進一步參照圖3和圖4，其中圖3為圖1之陶瓷電路板結構的下視示意圖，以及圖4為圖1之陶瓷電路板結構的剖切示意圖。散熱層40可由金屬材料製成。舉例來說，散熱層40可為形成於陶瓷基板10的下表面120之銅層。散熱層40可包含第一散熱部410以及第二散熱部420。第一散熱部410對應第一導電層20，第二散熱部420對應第二導電層30。進一步來說，第一散熱部410可與第二散熱部420相連，且散熱層40的第二散熱部420可具有圖案化區域421。在圖3和圖4中，圖案化區域421為盲孔、條狀溝槽或穿孔，但本發明不限於此。如圖2和圖3所示，圖案化區域421包含自散熱層40之第二散熱部420的下表面422朝陶瓷基板10延伸的一或多個條狀溝槽4211。在部分實施例中，圖案化區域421的條狀溝槽4211的延伸方向可不同於圖2中的條狀溝槽4211的延伸方向。例如圖5所示為根據本發明另一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖。在部分實施例中，圖案化區域421的條狀溝槽4211可自散熱層的下表面延伸至陶瓷基板的下表面而貫通散熱層。在部分實施例中，圖案化區域421包含開口位於散熱層40之下表面422的一或多個盲孔4212，例如圖6所示為根據本發明又另一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖。在部分實施例中，圖案化區域的包含自散熱層的下表面延伸至陶瓷基板的下表面的穿孔。
如圖4所示，陶瓷基板10與第二導電層30沿著第一方向Ds排列，且圖案化區域421在第一方向Ds上對應到第二導電層30。也就是說，圖案化區域421的多個條狀溝槽4211在陶瓷基板10之上表面110的投影與第二導電層30重疊。
在圖3和圖4中，第二散熱部420的體積與第二導電層30的體積相近。進一步來說，第一散熱部410的體積與第一導電層20的體積的比值為0.5至2，以及第二散熱部420的體積與第二導電層30的體積的比值為0.5至2。在另一實施例中，第一散熱部的體積與第一導電層的體積的比值為0.8至1.2，以及第二散熱部的體積與第二導電層的體積的比值為0.8至1.2。上述提及的第一導電層20、第二導電層30、第一散熱部410和第二散熱部420的體積，是指各層體的實體部分的體積，更進一步而言是指所述第二散熱部420的體積不包含圖案化區域421的盲孔、溝槽或穿孔。
以下說明圖1之陶瓷電路板結構1的製造方法。請參照圖7至圖10，為製造圖1之陶瓷電路板結構的示意圖。如圖7所示，具有厚度t2的圖案化金屬層M(例如銅層)形成於陶瓷基板10的上表面110，並且例如但不限於藉由電鍍、濺鍍或化學鍍製程進行所述圖案化金屬層M的形成。所述圖案化金屬層M上的圖案可為用來安裝半導體元件的線路布局。
如圖8和圖9所示，以絕緣膠70覆蓋一部分的圖案化金屬層，接著進一步將未被覆蓋的另一部分圖案化金屬層增厚至厚度t1。圖案化金屬層的增厚例如但不限於藉由電鍍、濺鍍或化學鍍進行。圖案化金屬層的增厚完成之後，移除絕緣膠70。被增厚的圖案化金屬層作為圖1的第一導電層20。因被絕緣膠70覆蓋而未被增厚的圖案化金屬層作為圖1的第二導電層30。
如圖10所示，金屬層形成於陶瓷基板10的下表面120，並且例如但不限於藉由電鍍、濺鍍或化學鍍製程進行所述金屬層的形成。金屬層可作為圖1的散熱層40，並且被劃分成對應第一導電層20的第一散熱部410以及對應第二導電層30的第二散熱部420。接著，可於第二散熱部420形成盲孔、條狀溝槽或穿孔作為圖案化區域421。
根據本發明的一實施例，陶瓷電路板結構可進一步包含連接部。請參照圖11，為根據本發明另一實施例之陶瓷電路板結構的示意圖。在本實施例中，陶瓷電路板結構1A可包含陶瓷基板10、第一導電層20、第二導電層30、連接部31以及散熱層40。關於陶瓷基板10、第一導電層20、第二導電層30及散熱層40的具體特徵可參照圖1至圖4及對應這些圖式的說明書內容，以下不再贅述。
連接部31設置於陶瓷基板10的上表面110。連接部31可由金屬材料製成。舉例來說，連接部31可為形成於陶瓷基板10的上表面110之銅層。連接部31可將第一導電層20與第二導電層30電性連接。更具體而言，形成於陶瓷基板10的連接部31之相對兩端分別連接至第一導電層20與第二導電層30，以實現所述電性連接。
陶瓷電路板結構可用於功率模組。請參照圖12，為根據本發明一實施例之功率模組的示意圖。在本實施例中，功率模組2可包含陶瓷電路板結構1、功率半導體元件50以及閘極驅動器60。關於陶瓷電路板結構1的具體特徵可參照圖1至圖6及對應這些圖式的說明書內容，以下不再贅述。
功率半導體元件50例如但不限於是MOSFET或IGBT等功率離散元件，其設置於陶瓷電路板結構1的第一導電層20。閘極驅動器60設置於陶瓷電路板結構1的第二導電層30。散熱層40的第一散熱部410對應第一導電層20，且第二散熱部420對應第二導電層30。第二散熱部420的圖案化區域421在第一方向Ds上對應第二導電層30。
除了功率半導體元件50之外，還可額外設置SiC功率元件、RG電阻、被動元件和/或溫度感測器於第一導電層20。另外，除了閘極驅動器60之外，還可額外設置驅動器、被動元件、溫度感測器和/或過電流保護裝置於第二導電層30。
功率半導體元件50電性連接於閘極驅動器60。如圖12所示，功率半導體元件50和閘極驅動器60透過打線接合彼此電性連接，但此電性連接方式並非用以限制本發明。在另一實施例中，可以是第一導電層20和第二導電層30透過打線接合彼此連接，從而實現功率半導體元件50與閘極驅動器60之間的電性連接。
陶瓷基板10、第一導電層20、第二導電層30及散熱層40可形成為功率模組2中的覆銅陶瓷基板(Direct Bonding Copper，DBC)。閘極驅動器60能控制功率半導體元件50的運作。此外，陶瓷基板10、第一導電層20、第二導電層30和散熱層40提供散熱路徑允許功率半導體元件50及閘極驅動器60產生的熱能傳遞至位於散熱層40下方的散熱器80。散熱器80例如但不限於是包含鰭片或熱管的熱管理裝置。
此外，第一導電層20與第二導電層30具有不同的厚度。較厚的第一導電層20有利於提升散熱效率，因此適於設置功率半導體元件50。較薄的第二導電層30有利於提供較高的電極點位精度，因此適於設置閘極驅動器60。
圖13為根據本發明另一實施例之功率模組的示意圖。在本實施例中，功率模組2A可包含陶瓷電路板結構1A、功率半導體元件50以及閘極驅動器60。關於陶瓷電路板結構1A的具體特徵可參照圖11及對應此圖式的說明書內容，以下不再贅述。
功率半導體元件50設置於陶瓷電路板結構1A的第一導電層20。閘極驅動器60設置於陶瓷電路板結構1A的第二導電層30。散熱層40的第一散熱部410對應第一導電層20，且第二散熱部420對應第二導電層30。第二散熱部420的圖案化區域421在第一方向Ds上對應第二導電層30。功率半導體元件50電性連接於閘極驅動器60。
如圖13所示，功率半導體元件50和閘極驅動器60透過第一導電層20、連接部31及第二導電層30彼此電性連接。相較於功率模組中的功率半導體元件和閘極驅動器透過打線接合彼此連接，形成於陶瓷基板10的連接部31有助於防止生成寄生電感，從而提升功率模組之效能。
為了讓散熱層能夠短時間內傳遞大量熱能，散熱層盡可能地會被提供成具有較大的厚度。在兩個導電層設置於單一陶瓷基板的同一表面的情況下，倘若散熱層為具有均勻厚度分布的金屬層，即便散熱層的厚度與導電層相近，對應到設置有閘極驅動器之導電層的部分散熱層的體積會遠大於設置有閘極驅動器之導電層的體積，這導致導電層溫度上升時容易因為熱應力分布不均而發生陶瓷電路板結構的翹曲現象。為了避免翹曲等不良現象，根據本發明實施例揭露的陶瓷電路板結構1、1A的散熱層40包含具有圖案化區域421的第二散熱部420。圖案化區域421的形成使得第二散熱部420的體積與設置有閘極驅動器60之第二導電層30的體積相近。藉此，有助於防止因為第二導電層30溫度升高而造成陶瓷基板10的翹曲。
綜上所述，根據本發明揭露之陶瓷電路板結構以及功率模組，提供功率半導體元件設置的第一導電層與提供閘極驅動器設置的第二導電層形成於同一陶瓷基板的表面上。藉此，有助於功率模組的微型化。此外，在陶瓷基板的相對另一表面上形成有散熱層，有助於提升散熱效率。
進一步地，散熱層包含具有圖案化區域的第二散熱部，並且第二散熱部對應到厚度較薄的第二導電層。圖案化區域的形成使得第二散熱部的體積能夠與第二導電層的體積相近。藉此，有助於防止因為第二導電層溫度升高而造成陶瓷基板的翹曲。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1、1A:陶瓷電路板結構
2、2A:功率模組
10:陶瓷基板
110:上表面
120:下表面
20:第一導電層
30:第二導電層
31:連接部
40:散熱層
410:第一散熱部
420:第二散熱部
421:圖案化區域
4211:條狀溝槽
4212:盲孔
422:下表面
423:上表面
50:功率半導體元件
60:閘極驅動器
70:絕緣膠
80:散熱器
Ds:第一方向
M:圖案化金屬層
t1、t2:厚度
圖1為根據本發明一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖。 圖2為圖1之陶瓷電路板結構的另一立體示意圖。 圖3為圖1之陶瓷電路板結構的下視示意圖。 圖4為圖1之陶瓷電路板結構的剖切示意圖。 圖5為根據本發明另一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖。 圖6為根據本發明又另一實施例之陶瓷電路板結構的立體示意圖。 圖7至圖10為製造圖1之陶瓷電路板結構的示意圖。 圖11為根據本發明另一實施例之陶瓷電路板結構的示意圖。 圖12為根據本發明一實施例之功率模組的示意圖。 圖13為根據本發明另一實施例之功率模組的示意圖。
1:陶瓷電路板結構
10:陶瓷基板
110:上表面
120:下表面
20:第一導電層
30:第二導電層
40:散熱層

Claims (11)

  1. 一種陶瓷電路板結構，包含：一陶瓷基板，具有相對的一第一表面以及一第二表面，該第一表面和該第二表面皆為連續延伸的單一表面；以及一第一導電層，設置於該陶瓷基板的該第一表面，一第二導電層，設置於該陶瓷基板的該第一表面，該第二導電層與該第一導電層相鄰配置，且該第一導電層與該第二導電層具有不同的厚度；以及一散熱層，設置於該陶瓷基板的該第二表面，該散熱層包含一第一散熱部以及一第二散熱部，該第一散熱部與該第一導電層相對應，該第二散熱部與該第二導電層相對應，且該第二散熱部具有一圖案化區域；其中，該第二散熱部的體積與該第二導電層的體積的比值為0.5至2。
  2. 如請求項1所述之陶瓷電路板結構，其中該第一導電層的厚度大於該第二導電層的厚度。
  3. 如請求項1所述之陶瓷電路板結構，更包含一連接部，該連接部設置於該陶瓷基板的該第一表面，且該連接部將該第一導電層與該第二導電層電性連接。
  4. 如請求項1所述之陶瓷電路板結構，其中該圖案化區域為盲孔、溝槽或穿孔。
  5. 如請求項1所述之陶瓷電路板結構，其中該陶瓷基板與該第二導電層沿一第一方向排列，且該圖案化區域在該第一方向上對應該第二導電層。
  6. 如請求項1所述之陶瓷電路板結構，其中該第二散熱部的體積與該第二導電層的體積的比值為0.8至1.2。
  7. 一種功率模組，包含：一陶瓷電路板結構，包含：一陶瓷基板，具有相對的一第一表面以及一第二表面，該第一表面和該第二表面皆為連續延伸的單一表面；一第一導電層，設置於該陶瓷基板的該第一表面，一第二導電層，設置於該陶瓷基板的該第一表面，該第二導電層與該第一導電層相鄰配置，且該第一導電層與該第二導電層具有不同的厚度；以及一散熱層，設置於該陶瓷基板的該第二表面；一功率半導體元件，設置於該第一導電層；以及一閘極驅動器，設置於該第二導電層；其中，該散熱層包含一第一散熱部以及一第二散熱部，該第一散熱部與該第一導電層相對應，該第二散熱部與該第二導電層相對應，該第二散熱部具有一圖案化區域，且該第二散熱部的體積與該第二導電層的體積的比值為0.5至2。
  8. 如請求項7所述之功率模組，其中該陶瓷基板、該第二導電層與該閘極驅動器沿一第一方向排列，且該圖案化區域在該第一方向上對應該閘極驅動器。
  9. 如請求項7所述之功率模組，其中該圖案化區域為盲孔、溝槽或穿孔。
  10. 如請求項7所述之功率模組，其中該陶瓷電路板結構更包含一連接部，該連接部設置於該陶瓷基板的該第一表面，且該連接部將該第一導電層與該第二導電層電性連接。
  11. 如請求項7所述之功率模組，其中該第二散熱部的體積與該第二導電層的體積的比值為0.8至1.2。
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