TWM625419U - 陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組 - Google Patents

Abstract

一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，供設置至少一高發熱的晶粒，該陶瓷基板元件包括：一陶瓷基板本體，具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面；及至少一金屬凸塊接墊，包括一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個第一熱膨脹係數，該第一熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數；及一結合於該薄型接合層、供上述晶粒焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該第二熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數，藉此減緩上述薄型接合層與該陶瓷基板界面受熱應力破裂。

Description

陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組

本創作是有關於一種具有陶瓷基板的電源模組，尤其是一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組。

相較於傳統印刷電路板，陶瓷基板更具有散熱性佳、厚度薄、尺寸小、耐高溫及可靠度佳等優點，常使用於高功率晶粒或晶片等電子元件。最常見陶瓷基板材料有氧化鋁(Aluminium Oxide，Al₂O₃)製成的直接覆銅(Dircet Bonded Copper，DBC)基板或直接覆鋁(Dircet Bonded Aluminum，DBA)基板，而覆銅或鋁的厚度多在200至300微米之間，當銅或鋁的厚度大於300微米時，則可能因為製造過程或安裝高發熱元件後造成基板溫度變化而導致接合界面破裂問題。

隨著晶粒及晶片的功率日益提高，陶瓷基板上的金屬接墊、線路或導電層需要更厚的厚度，才能符合高功率元件的需求，尤其以電源模組為例，更需要陶瓷基板進行散熱。然而，陶瓷基板與金屬層彼此的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion)及線膨脹係數(coefficient of linear expansion)差異極大，在溫度20度時，金屬銅與鋁的熱膨脹係數為16.5與23ppm/K，而陶瓷材料氧化鋁、氮化鋁與氮化矽大約分別是7、4.5與3.5ppm/K，當陶瓷基板與結合的金屬層熱膨脹係數差異過大時，金屬及陶瓷基板之間 的界面容易產生破裂、翹曲或變形的問題，也勢必會造成因熱應力而讓接點產生受損的風險。

因此，如何一方面使金屬電路層能增加厚度，使得溫差能分布在更厚的金屬層，減少單位高度中的溫度落差，讓陶瓷基板能適用於高功率晶粒及晶片；並且減緩金屬層與陶瓷基板界面受熱應力破裂，讓高功率電子元件的應用成為可行，還同時能依照不同的客戶需求，提供各式厚度的金屬接墊，提供製造彈性，就是本案所要達到的目的。

鑑於上述問題，本創作的主要目的，在於提供一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，透過上窄下寬的雙層金屬結構並且降低其中薄型接合層厚度，大幅降低金屬電路層與陶瓷基板結合界面破裂的風險。

本創作的另一目的，在於提供一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，使陶瓷基板能適用於高功率晶粒或晶片等電子元件。

本創作的再一目的，在於提供一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，讓高功率晶粒或晶片可被設置於陶瓷基板上，且順利將發熱導出。

為達上述目的，本創作提供一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，包括：一第一陶瓷基板，具有一上表面，以及至少一金屬步階接墊，其中上述金屬步階接墊包括：一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，具有一個第一熱膨脹係數，其中上述第一熱膨脹係數大於上述第一陶瓷基板的熱膨脹係數；以及一結合於上述薄型接合層的固晶層，具有遠離上述第一陶瓷基板方向的一設置面，其中上述固晶 層的厚度方向投影面積小於上述薄型接合層，藉此減緩上述薄型接合層與上述第一陶瓷基板的界面受熱應力破裂；至少一個大功率電路元件，具有一對分別位於一頂面和一底面的出入電極，前述大功率電路元件以前述底面的出入電極導電結合至上述設置面；數目對應於上述大功率電路元件的金屬間隔單元，每一前述金屬間隔單元分別導熱且導電地設置於上述對應大功率電路元件的上述頂面出入電極，且在厚度方向形成不超過上述頂面出入電極的投影；以及一平行於上述第一陶瓷基板的第二陶瓷基板，具有一金屬對應接墊，其中上述金屬對應接墊導電及導熱結合至上述金屬間隔單元相反於上述大功率電路元件側面。

本創作揭露的陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，藉由多層結構的金屬凸塊接墊，使得與陶瓷基板連結的薄型接合層界面厚度在一定範圍內，降低介面受熱應力破裂的機率，藉此提升產出良率，同時延長使用壽命，並且利用多層金屬結構，讓陶瓷基板上結合有厚度較厚的金屬凸塊接墊，讓單位厚度內的溫差減小，藉此保護金屬和陶瓷的介面，延長使用壽命，且使得設置發熱度較高的大功率電路元件更為可行。

1、1’、1”:第一陶瓷基板

11:上表面

2、2’、2”:金屬步階接墊

21、21’:薄型接合層

22、22’:固晶層

221:設置面

23”:打線步階焊墊

3、3’、3”:大功率電路元件

31、31’、31”:出入電極

311:底面

312、312’、312”:頂面

32”:控制電極

4、4’、4”:金屬間隔單元

41’:薄型間隔層

42’:間隔固晶層

5、5’:金屬對應接墊

51’:薄型對應層

52’:對應步階層

6、6’:第二陶瓷基板

7”:打線

圖1為本案一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第一較佳實施例的側視示意圖。

圖2為本案一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第二較佳實施例的側視示意圖。

圖3為本案一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第三較佳實施例的側視示意圖。

有關本創作之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。

本創作一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第一較佳實施例如圖1所示，第一陶瓷基板1例釋為氮化鋁材質的高導熱陶瓷基板，具有一上表面11以及至少一金屬步階接墊2，其中上述金屬步階接墊2包括薄型接合層21和固晶層22。本例中是以濺鍍的方式將銅結合於上表面11，再鍍厚形成厚度介於10至300微米的薄型接合層21，其中銅的熱膨脹係數約為17ppm/K，而一般陶瓷基板材料(例如氧化鋁、氮化鋁與氮化矽)的熱膨脹係數約為4~7ppm/K，藉由設置厚度較薄的薄型接合層21，使其發揮較佳的延展性；接著利用光阻進行顯影而第二次電鍍銅，在薄型接合層21上進一步形成可供晶粒焊接結合的固晶層22，固晶層22的厚度方向投影面積小於薄型接合層21，其中固晶層22遠離上述第一陶瓷基板1方向的上表面定義為一設置面221。當固晶層22受熱膨脹時，一方面溫度差會分布在較厚的金屬層級中，使得單位厚度的溫差降低；另方面藉由薄型接合層21的延展性，保持金屬步階接墊2與陶瓷基板接合界面不易因熱應力破裂。

本例中的大功率電路元件3，則例釋為義法半導體(STMicroelectronics)自動車級1200V的SiC功率晶片，以例如表面安裝的方式焊接固定於固晶層22的設置面221。本例中大功率電路元件3，包含一個底面311、位於底面311焊接在固晶層22設置面221上的出入電極31、一個頂面312以及位於頂面312的出入電極31。由於此類大功率電路元件的電流甚至 可達上百安培，一旦在傳輸途徑中有些許阻抗，將會造成極大的發熱，因此在本例中的焊接是透過加壓及熱融而達成。

接著，將一個釋例為銅的金屬間隔單元4，表面經過奈米銀燒結製程後，焊接於大功率電路元件3頂面312的出入電極31上，一方面保持電和熱的良好導通，另方面，該金屬間隔單元4高度方向的投影，不超過大功率電路元件3頂面312的出入電極31。尤其在本例中，金屬間隔單元4的各角隅分別形成例如圓弧狀的導角，使得無論是焊接時的加熱或運作過程中大電流經過所導致溫升，以及溫度降低的反覆溫差下，熱膨脹和冷卻收縮所造成的介面間應力可以被圓弧狀導角有效分散，藉此避免熱應力所造成的介面剝離。最後，第二陶瓷基板6則透過對應金屬間隔單元4形成例如銅質金屬的金屬對應接墊5，焊接至金屬間隔單元4上。

由於金屬步階接墊2的薄型接合層21厚度較薄，在例如表面安裝等製造過程或後續的電動車運作過程中，即使是環境溫度提高，陶瓷基板和薄型接合層21間的熱膨脹程度差異較大，仍然可以藉由薄型接合層21的可撓性，完全吸收彼此膨脹差異，確保結合關係良好。另方面，則可以固晶層22的厚度，減少單位距離中的溫度梯度，避免溫差造成困擾。

本創作所述一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第二較佳實施例如圖2所示，其中與前一較佳實施例相同部分於此不再贅述，相似的元件也使用相似名稱與標號，僅就差異部分提出說明。本例中的金屬間隔單元4’以及金屬對應接墊5’都和第一陶瓷基板1’上的金屬步階接墊2’有相似的結構，透過一厚一薄的雙層結構來緩衝膨脹係數差異所帶來的介面剝離風險。其中，金屬對應接墊5’包括一結合於第二陶瓷基板6’、且厚度 介於10至300微米的薄型對應層51’，具有一個大於上述第二陶瓷基板6’的熱膨脹係數，以及一結合於上述薄型對應層51’的對應步階層52’，導電及導熱結合至上述金屬間隔單元4’相反於上述大功率電路元件3’側面，其中上述對應步階層52’的厚度方向投影面積小於上述薄型對應層51’，藉此減緩上述薄型對應層51’與上述第二陶瓷基板6’的界面受熱應力破裂；而上述金屬間隔單元4’則包括一結合於上述金屬對應接墊5’的薄型間隔層41’以及一結合於上述薄型間隔層41’的間隔固晶層42’，導電及導熱結合至上述對應大功率電路元件3’的上述頂面312’出入電極31’，其中上述間隔固晶層42’的厚度方向投影面積小於上述薄型間隔層41’以及上述對應大功率電路元件3’的上述頂面312’。如此一來，上述金屬間隔單元4’以及上述金屬對應接墊5’如同上述金屬步階接墊2’的薄型接合層21’和固晶層22’，都形成階梯狀的結構，透過相似的原理避免接合界面因熱應力破裂。

本創作所述一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組的第三較佳實施例如圖3所示，其中與前述較佳實施例相同部分於此不再贅述，相似的元件也使用相似名稱與標號，僅就差異部分提出說明。本例中的金屬步階接墊2”的階梯狀結構不僅用於乘載大功率電路元件3”，更同時作為獨立的接墊用於打線7”。本例中的第一陶瓷基板1”上設置的金屬步階接墊2”與前述較佳實施例相異之處在於上述金屬步階接墊2”更包括有打線步階焊墊23”，和上述金屬步階接墊2”具有相同上窄下寬的階梯狀結構，其中上述打線7”是自上述對應大功率電路元件3”上述頂面312”的控制電極32”電性連接至打線步階焊墊23”；金屬間隔單元4”則同上述第一較佳實施例所述，設置在大功率電路元件3”上述頂面312”的出入電極31”。

綜上所述，本創作所提供之一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，透過複數個雙層結構的金屬步階接墊，利用固晶層厚度而減緩單位厚度的溫度差、以及利用薄型接合層面積超過固晶層厚度的結構，展現薄型接合層的延展性，減緩金屬電路層與陶瓷基板的結合界面破裂的問題，而此技術領域中具有通常知識者，能夠根據要求分別在金屬步階接墊、金屬對應接墊或金屬間隔單元，也就是大功率元件和雙面基板之間的空間，自由搭配設計雙層或多層的階梯狀結構，均無礙本創作實施效果。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，不能以此限定本創作實施之範圍，凡是依本創作申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作涵蓋之範圍內。經過本創作較佳實施例之描述後，熟悉此一技術領域人員應可瞭解到，本案實為一新穎、進步且具產業實用性之本創作，深具發展價值。

1:第一陶瓷基板

11:上表面

2:金屬步階接墊

21:薄型接合層

22:固晶層

221:設置面

3:大功率電路元件

31:出入電極

311:底面

312:頂面

4:金屬間隔單元

5:金屬對應接墊

6:第二陶瓷基板

Claims (7)

1. 一種陶瓷基板上形成有步階接墊的電源模組，包括：

   一第一陶瓷基板，具有一上表面，以及至少一金屬步階接墊，其中上述金屬步階接墊包括：

   一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，具有一個第一熱膨脹係數，其中上述第一熱膨脹係數大於上述第一陶瓷基板的熱膨脹係數；以及

   一結合於上述薄型接合層的固晶層，具有遠離上述第一陶瓷基板方向的一設置面，其中上述固晶層的厚度方向投影面積小於上述薄型接合層，藉此減緩上述薄型接合層與上述第一陶瓷基板的界面受熱應力破裂；

   至少一個大功率電路元件，具有一對分別位於一頂面和一底面的出入電極，前述大功率電路元件以前述底面的出入電極導電結合至上述設置面；

   數目對應於上述大功率電路元件的金屬間隔單元，每一前述金屬間隔單元分別導熱且導電地設置於上述對應大功率電路元件的上述頂面出入電極，且在厚度方向形成不超過上述頂面出入電極的投影；以及

   一平行於上述第一陶瓷基板的第二陶瓷基板，具有一金屬對應接墊，其中上述金屬對應接墊導電及導熱結合至上述金屬間隔單元相反於上述大功率電路元件側面。
2. 如請求項1所述之電源模組，其中上述金屬對應接墊包括：

   一結合於上述第二陶瓷基板、且厚度介於10至300微米的薄型對應層，具有一個第二熱膨脹係數，其中上述第二熱膨脹係數大於上述第二陶瓷基板的熱膨脹係數；以及

   一結合於上述薄型對應層的對應步階層，導電及導熱結合至上述金屬間隔單元相反於上述大功率電路元件側面，其中上述對應步階層的厚度方向投影面積小於上述薄型對應層，藉此減緩上述薄型對應層與上述第二陶瓷基板的界面受熱應力破裂。
3. 如請求項1所述之電源模組，其中上述金屬間隔單元包括：

   一結合於上述金屬對應接墊的薄型間隔層；以及

   一結合於上述薄型間隔層的間隔固晶層，導電及導熱結合至上述對應大功率電路元件的上述頂面出入電極，其中上述間隔固晶層的厚度方向投影面積小於上述薄型間隔層以及上述對應大功率電路元件的上述頂面。
4. 如請求項1所述之電源模組，其中上述步階接墊的薄型接合層材質為鈦層及銅層。
5. 如請求項1所述之電源模組，其中上述金屬步階接墊的固晶層材質為銅。
6. 如請求項1所述之電源模組，其中上述金屬間隔單元材質為銅鍍銀。
7. 如請求項3所述之電源模組，其中上述金屬間隔單元的薄型間隔層材質為鈦層及銅層。

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