CN105762130A - 功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率模块，包括第一基板、至少两功率元件、至少一导电结构及至少一导线架。第一基板包括第一介电层及两第一金属层。第一介电层具有至少两凹槽及相对的两表面，两第一金属层分别配置于两表面，两凹槽分别形成于两表面。两功率元件分别埋设于第一介电层的两凹槽。两功率元件通过导电结构而彼此电连接。导线架配置于第一基板且电连接于两功率元件，并部分地延伸至第一基板外。

Description

功率模块

技术领域

本发明涉及一种功率模块，且特别是涉及一种具有内埋式功率元件的功率模块。

背景技术

随着人口结构集中于都市，人们每天的乘车通勤时间逐渐增加，且人口的老年化使得行车时间更为拉长，因此着重车体空间、安全与节能的个人电动车正逐渐发展，业界与研究单位都积极投入此相关技术的研发。

在个人电动车的设计中，由于考虑车体空间、重量与运行效率等因素，近年来的设计逐渐将功率模块及驱动器整合于电动车马达内，以期通过此整合设计来减少个人电动车的重量及价格并提升其安全性与效能。因此，如何有效降低所述功率模块的体积与重量并使其具有良好的散热能力，为此领域当前重要的研究议题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率模块，具有较小的体积与重量及较佳的散热能力。

为达上述目的，本发明的功率模块包括第一基板、至少两功率元件、至少一导电结构及至少一导线架。第一基板包括第一介电层及两第一金属层。第一介电层具有至少两凹槽及相对的两表面，两第一金属层分别配置于两表面，两凹槽分别形成于两表面。两功率元件分别埋设于第一介电层的两凹槽。两功率元件通过导电结构而彼此电连接。导线架配置于第一基板且电连接于两功率元件，并部分地延伸至第一基板外。

在本发明的一实施例中，上述的各功率元件的厚度等于对应的凹槽的深度。

在本发明的一实施例中，上述的各第一金属层接触导线架。

在本发明的一实施例中，上述的两凹槽对称地形成于第一介电层的两表面。

在本发明的一实施例中，上述的至少一导电结构配置于第一介电层内且位于两凹槽之间。

在本发明的一实施例中，上述的至少一导电结构为导电通孔。

在本发明的一实施例中，上述的至少一导电结构为金属传导件。

在本发明的一实施例中，上述的各功率元件电连接于对应的第一金属层。

在本发明的一实施例中，上述的各第一金属层的一部分区段金属层位于对应的凹槽的底面与对应的功率元件之间。

在本发明的一实施例中，上述的功率模块包括两散热装置，其中两散热装置分别配置于第一基板的相对两侧。

在本发明的一实施例中，上述的功率模块包括两第二基板，其中一第二基板配置于第一基板与一散热装置之间，另一第二基板配置于第一基板与另一散热装置之间。

在本发明的一实施例中，上述的各第二基板包括第二介电层及第二金属层，第二金属层配置于第二介电层上且接触导线架。

在本发明的一实施例中，上述的第二介电层直接连接于散热装置上。

在本发明的一实施例中，上述的各功率元件电连接于对应的第二金属层。

在本发明的一实施例中，上述的功率模块包括封装胶体，其中封装胶体配置于第一基板与各第二基板之间。

在本发明的一实施例中，上述的部分封装胶***于各功率元件与对应的凹槽的内壁之间。

在本发明的一实施例中，上述的各散热装置包括热扩散结构及散热结构，热扩散结构配置于散热结构与第二基板之间。

在本发明的一实施例中，上述的各热扩散结构为内部具有多孔性毛细结构与工作流体的封闭真空腔体且包括第一区域及第二区域，第一区域具有相连通的多个第一孔洞，第二区域具有相连通的多个第二孔洞，各第一孔洞的孔径不同于各第二孔洞的孔径。

在本发明的一实施例中，上述的第一基板为覆铜陶瓷基板(DirectBondedCopper,DBC)或直接电镀铜陶瓷基板(DirectPlatedCopper,DPC)。

在本发明的一实施例中，上述的各功率元件为绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)或二极管(diode)。

基于上述，在本发明的功率模块中，功率元件埋设于第一基板的第一介电层的凹槽，而可通过调整所述凹槽的深度使功率元件的顶面处于适当高度，如此可解决多个功率元件的厚度不一致所导致的结构高低差问题。据此，功率模块不需如同传统设计般在功率元件上额外叠设金属块来解决所述结构高低差问题，而可有效降低功率模块的体积与重量，且可避免因功率元件上额外叠设金属块(spacer)而增加功率模块内的热传阻抗及电性阻抗，进而提升功率模块的散热能力并减少功率损耗。本发明的功率元件可通过第一介电层上的第一金属层所构成的重分布线路层(RedistributionLayer，RDL)来进行电连接，而不需如传统设计般以打线方式进行电连接，以更缩减功率模块的体积。

此外，由于本发明的功率元件是埋设于第一介电层的凹槽而非直接配置于介电层上的大面积金属层，故可防止功率元件与所述大面积金属层之间的热膨胀系数不匹配(CTEmismatch)问题对功率元件造成损害。另外，在本发明的功率模块中，第一基板的相对两侧都设有功率元件，而非如同传统功率模块仅在基板的单一侧设置功率元件，故可增加功率元件的密集程度而缩短功率元件之间的电性传递距离，以进一步减少功率损耗并降低寄生电感、电容。此外，由于本发明如上述般在第一基板的相对两侧都设有功率元件，故可相应地在第一基板的相对两侧都设置散热装置，以达到双边散热的效果而进一步提升功率模块的散热能力。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的功率模块的剖面示意图；

图2是图1的功率模块的部分结构立体图；

图3是图2的功率模块的部分结构立体图；

图4是图1的热扩散结构的局部放大图；

图5是本发明另一实施例的功率模块的剖面示意图。

符号说明

100、200：功率模块

110、210：第一基板

112、212：第一介电层

112a、112b：凹槽

114、214：第一金属层

114a、114b：区段金属层

120a、120b、220a、220b：功率元件

130a、130b、230a、230b：导电结构

140a、140b、140c：导线架

150、250：散热模块

152、252：热扩散结构

152a：第一区域

152b：第二区域

154、254：散热结构

160、260：第二基板

162、262：第二介电层

164、264：第二金属层

165：第三金属层

170、270：封装胶体

H1：第一孔洞

H2：第二孔洞

S1：底面

S2：顶面

S3：表面

具体实施方式

图1是本发明一实施例的功率模块的剖面示意图。图2是图1的功率模块的部分结构立体图。图3是图2的功率模块的部分结构立体图。其中，图1的示意性剖面例如是对应于图3所示的剖线I-I。请参考图1至图3，本实施例的功率模块100包括第一基板110、至少两功率元件(绘示为多个功率元件120a及多个功率元件120b)、至少一导电结构(绘示为多个导电结构130a及多个导电结构130b)、至少一导线架(绘示为导线架140a、导线架140b及导线架140c)及两第二基板160。功率模块100例如为整合于个人电动车的马达内的功率模块或其它种类的功率模块，本发明不对此加以限制。

第一基板110例如为覆铜陶瓷基板(DirectBondedCopper,DBC)或直接电镀铜陶瓷基板(DirectPlatedCopper,DPC)等，且包括第一介电层112及两第一金属层114，其中第一介电层112例如为陶瓷层且各第一金属层114例如为铜层。第一介电层112具有至少两凹槽(绘示为多个凹槽112a及多个凹槽112b)及相对的两表面S3。两第一金属层114分别配置于第一介电层112的所述两表面S3，这些凹槽112a对称地分别形成于所述两表面S3，且这些凹槽112b对称地分别形成于所述两表面S3。在其它实施例中，第一基板110可为其它种类的基板且第一介电层112及两第一金属层114可为其它适当材质，本发明不以此为限。

这些功率元件120a例如为绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)，且分别埋设于这些凹槽112a。这些功率元件120b例如为对应于所述绝缘栅双极晶体管或所述金属氧化物半导体场效应晶体管的二极管(diode)，且分别埋设于这些凹槽112b。这些功率元件120a通过导电结构130a而彼此电连接，这些功率元件120b通过导电结构130b而彼此电连接。导线架140a(绘示于图2及图3)配置于第一基板110且电连接于这些功率元件120a及这些功率元件120b，并部分地延伸至第一基板110外。导线架140b(绘示于图2及图3)配置于第一基板110且电连接于这些功率元件120b及这些功率元件120b，并部分地延伸至第一基板110外。导线架140c(绘示于图2及图3)分别配置于第一基板110的两第一金属层114且电性分别连接于这些功率元件120a及这些功率元件120b，并部分地延伸至第一基板110外。两第二基板160分别配置于第一基板110相对两侧。在其它实施例中，功率元件120a、120b可为其它适当种类的功率元件且可为其它适当数量，本发明不对此加以限制。

在上述配置方式之下，功率元件120a、120b分别埋设于第一介电层112的凹槽112a、112b，而可通过调整凹槽112a、112b的深度使功率元件120a、120b的顶面处于适当高度，如此可解决多个功率元件的厚度不一致所导致的结构高低差问题。据此，功率模块100不需如同传统设计般在功率元件上额外叠设金属块来解决所述结构高低差问题，而可有效降低功率模块100的体积与重量，且可避免因功率元件上额外叠设金属块而增加功率模块内的热传阻抗及电性阻抗，进而提升功率模块100的散热能力并减少功率损耗。举例来说，在本实施例中，各功率元件120a的厚度被设计为等于对应的凹槽112a的深度，且各功率元件120b的厚度等于对应的凹槽112b的深度，以使功率元件120a、120b的顶面S2(标示于图1)与第一介电层112的表面共平面，让各第二基板160可顺利地同时接触于对应的第一介电层112的表面与对应的功率元件120a(或功率元件120b)的顶面S2。凹槽112a、112b内部金属层114a、114b所垫高形成的厚度差使第二基板160与第一基板110之间产生间隙，此间隙可通过封装胶体170填补。此外，功率元件120a、120b与第一基板110的对应凹槽112a、112b之间的间隙也可通过封装胶体170填补。

本实施例的功率元件120a、120b例如电连接于对应的第一金属层114，如此可通过第一介电层112上的第一金属层114所构成的重分布线路层(RedistributionLayer，RDL)来进行电连接，其中第一金属层114如图3所示接触导线架140b，以使导线架140b通过第一金属层114电连接至功率元件120a、120b的底面S1(标示于图1)的电极，而不需如传统设计般以打线方式进行电连接，以更缩减功率模块100的体积。

此外，由于本实施例的功率元件120a、120b如上述般埋设于第一介电层112的凹槽112a、112b而非直接配置于介电层上的大面积金属层，故可防止功率元件与所述大面积金属层之间的热膨胀系数不匹配(CTEmismatch)问题对功率元件造成损害。另外，在本实施例的功率模块100中，第一基板110的相对两侧都设有功率元件120a、120b，而非如同传统功率模块仅在基板的单一侧设置功率元件，故可增加功率元件120a、120b的密集程度而缩短两功率元件120a之间的电性传递距离及两功率元件120b之间的电性传递距离，以进一步减少功率损耗并降低寄生电感、电容。

如图1所示，在本实施例中，各第一金属层114的一部分区段114a位于对应的凹槽112a的底面与对应的功率元件120a之间，且各第一金属层114的一部分区段114b位于对应的凹槽112b的底面与对应的功率元件120b之间。导电结构130a例如为导电通孔，且配置于第一介电层112内而位于相对的两凹槽112a之间，以使相对的两功率元件120a通过各第一金属层114的部分区段114a及导电结构130a而彼此电连接。类似地，本实施例的导电结构130b亦例如为导电通孔，且配置于第一介电层112内而位于相对的两凹槽112b之间，以使相对的两功率元件120b通过各第一金属层114的部分区段114b及导电结构130b而彼此电连接。本发明不对导电结构130a、130b的形式及配置位置加以限制，在其它实施例中，导电结构可为配置于两凹槽之间的金属传导件或其它适当导电结构，导电结构也可配置于功率模块中的其它适当位置。

在本实施例中，由于第一基板110的相对两侧都设有功率元件120a、120b，故可相应地在第一基板110的相对两侧都设置散热装置，以达到双边散热的效果而进一步提升功率模块的散热能力。请参考图1，具体而言，本实施例的功率模块100包括两散热装置150，两散热装置150分别配置于第一基板110的相对两侧，且一第二基板160配置于第一基板110与散热装置150之间，另一第二基板160配置于第一基板110与另一散热装置150之间。功率元件120a、120b产生的热可通过两第二基板160而传递至两散热装置150。

详言之，各第二基板160包括第二介电层162及两第二金属层164，两第二金属层164分别配置于第二介电层162的相对两侧，且第二金属层164如图2所示接触导线架140a。第二基板160如图2所示更包括一第三金属层165，第三金属层165与图2所示的第二金属层164配置于第二介电层162(绘示于图1)的同一侧，且第三金属层165接触导线架140c。如此使得导线架140a及各导线架140c贴合于并支撑于第二基板160的第二金属层164及第三金属层165，以作为功率模块100的支撑与电性传输架构。此外，本实施例的功率元件120a、120b除了如上述般电连接于对应的第一金属层114，也可电连接于对应的第二金属层164及第三金属层165，以通过第二金属层164及第三金属层165所构成的重分布线路层来进行电连接，并使导线架140a、140c通过第二金属层164及第三金属层165电连接至功率元件120a、120b的顶面S2(标示于图1)的电极，而不需如传统设计般以打线方式进行电连接，以更缩减功率模块100的体积。

如图1所示，本实施例的各散热装置150包括热扩散结构152及散热结构154。散热结构154例如为散热鳍片组、水冷装置或其它形式的散热结构，本发明不对此加以限制。热扩散结构152配置于散热结构154与第二基板160之间并与第二基板160的第二金属层164接合，使来自功率元件120a、120b的热先通过各热扩散结构152进行扩散后再均匀地传递至对应的散热结构154，以提升散热装置150的散热能力。

图4是图1的热扩散结构的内部局部放大图。在本实施例中，各热扩散结构152例如是由多孔性毛细结构与工作流体所构成的封闭真空腔体均热板(vaporchamber)，并利用流通于其腔体内的蒸汽来进行热扩散。如图4所示，本实施例的各热扩散结构150包括第一区域152a及第二区域152b。第一区域152a具有多个第一孔洞H1，第二区域152b具有多个第二孔洞H2，且各第一孔洞H1的孔径不同于各第二孔洞H2的孔径。由此，热扩散结构152可通过第一区域152a的第一孔洞H1的毛细孔径来提升工作流体冷凝后的回流速率，并通过第二区域152b的第二孔洞H2的毛细孔径来提升工作流体在热扩散结构152内的蒸发速率，以使各热扩散结构152具有良好的热扩散效率。

请参考图1，本实施例的功率模块100包括封装胶体170。封装胶体170配置于第一基板110与各第二基板160之间，部分封装胶体170填充于各功率元件120a与对应的凹槽112a的内壁之间，且部分封装胶体170填充于各功率元件120b与对应的凹槽112b的内壁之间，以使整体结构更为稳固。

图5是本发明另一实施例的功率模块的剖面示意图。在图5的功率模块200中，第一基板210、第一介电层212、第一金属层214、功率元件220a、功率元件220b、导电结构230a、导电结构230b、散热装置250、热扩散结构252、散热结构254、第二基板260、第二介电层262、第二金属层264、封装胶体270的配置与作用方式类似于图1的第一基板110、第一介电层112、第一金属层114、功率元件120a、功率元件120b、导电结构130a、导电结构130b、散热装置150、热扩散结构152、散热结构154、第二基板160、第二介电层162、第二金属层164、封装胶体170的配置与作用方式，于此不再赘述。功率模块100与功率模块200的不同处在于，在功率模块100中，热扩散结构152与第二介电层162是藉第二金属层164以焊接等形式相接合而非整合为一体，而在功率模块200中，第二介电层262与热扩散结构252之间不具有金属层，第二介电层262是通过压合、涂布等方式而直接形成于散热装置250的热扩散结构252表面上，使热扩散结构252与第二介电层262整合为一体，此举减少一金属层与焊料接合层，热阻可更为降低。

综上所述，在本发明的功率模块中，功率元件埋设于第一基板的第一介电层的凹槽，而可通过调整所述凹槽的深度使功率元件的顶面处于适当高度，如此可解决多功率元件的厚度不一致所导致的结构高低差问题。据此，功率模块不需如同传统设计般在功率元件上额外叠设金属块来解决所述结构高低差问题，而可有效降低功率模块的体积与重量，且可避免因功率元件上额外叠设金属块而增加功率模块内的热传阻抗及电性阻抗，进而提升功率模块的散热能力并减少功率损耗。本发明的功率元件可通过第一介电层上的第一金属层所构成的重分布线路层来进行电连接，而不需如传统设计般以打线方式进行电连接，以更缩减功率模块的体积。

此外，由于本发明的功率元件是埋设于第一介电层的凹槽而非直接配置于介电层上的大面积金属层，故可防止功率元件与所述大面积金属层之间的热膨胀系数不匹配问题对功率元件造成损害。另外，在本发明的功率模块中，第一基板的相对两侧都设有功率元件，而非如同传统功率模块仅在基板的单一侧设置功率元件，故可增加功率元件的密集程度而缩短功率元件之间的电性传递距离，以进一步减少功率损耗并降低寄生电感、电容。此外，由于本发明如上述般在第一基板的相对两侧都设有功率元件，故可相应地在第一基板的相对两侧都设置散热装置，以达到双边散热的效果而进一步提升功率模块的散热能力。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种功率模块，包括：

第一基板，包括第一介电层及两第一金属层，其中该第一介电层具有至少两凹槽及相对的两表面，该两第一金属层分别配置于该两表面，该两凹槽分别形成于该两表面；

至少两功率元件，分别埋设于该第一介电层的该两凹槽；

至少一导电结构，该两功率元件通过该导电结构而彼此电连接；以及

至少一导线架，配置于该第一基板且电连接于该两功率元件，并部分地延伸至该第一基板外。

2.如权利要求1所述的功率模块，其中各该功率元件的厚度等于对应的该凹槽的深度。

3.如权利要求1所述的功率模块，其中各该第一金属层接触该导线架。

4.如权利要求1所述的功率模块，其中该两凹槽对称地形成于该第一介电层的该两表面。

5.如权利要求1所述的功率模块，其中该至少一导电结构配置于该第一介电层内且位于该两凹槽之间。

6.如权利要求1所述的功率模块，其中该至少一导电结构为导电通孔。

7.如权利要求1所述的功率模块，其中该至少一导电结构为金属传导件。

8.如权利要求1所述的功率模块，其中各该功率元件电连接于对应的该第一金属层。

9.如权利要求1所述的功率模块，其中各该第一金属层的一部分区段金属层位于对应的该凹槽的底面与对应的该功率元件之间。

10.如权利要求1所述的功率模块，包括两散热装置，其中该两散热装置分别配置于该第一基板的相对两侧。

11.如权利要求10所述的功率模块，包括两第二基板，其中一该第二基板配置于该第一基板与一该散热装置之间，另一该第二基板配置于该第一基板与另一该散热装置之间。

12.如权利要求11所述的功率模块，其中各该第二基板包括第二介电层及第二金属层，该第二金属层配置于该第二介电层上且接触该导线架。

13.如权利要求12所述的功率模块，其中该第二介电层直接连接于该散热装置上。

14.如权利要求12所述的功率模块，其中各该功率元件电连接于对应的该第二金属层。

15.如权利要求11所述的功率模块，包括封装胶体，其中该封装胶体配置于该第一基板与各该第二基板之间。

16.如权利要求15所述的功率模块，其中部分该封装胶***于各该功率元件与对应的该凹槽的内壁之间。

17.如权利要求11所述的功率模块，其中各该散热装置包括热扩散结构及散热结构，该热扩散结构配置于该散热结构与该第二基板之间。

18.如权利要求17所述的功率模块，其中各该热扩散结构为多孔性毛细结构且包括第一区域及第二区域，该第一区域具有相连通的多个第一孔洞，该第二区域具有相连通的多个第二孔洞，各该第一孔洞的孔径不同于各该第二孔洞的孔径。

19.如权利要求1所述的功率模块，其中该第一基板为覆铜陶瓷基板或直接电镀铜陶瓷基板。

20.如权利要求1项所述的功率模块，其中各该功率元件为绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或二极管。