具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块的制作方法

1.本实用新型涉及一种功率模块，尤其是一种具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块。


背景技术：

2.所谓功率模块，一般是指将复数功率元件、功率半导体的裸芯片进行共同封装，其中功率半导体以igbt、mosfet最为常见。相较于离散配置、个别封装的功率半导体，功率模块提供更大的能量密度，封装整体也能透过额外的设计提高散热效率、降低个别元件故障发生的状况，整体来说可靠性较佳，使用方便。
3.根据上述能量密度较大的特性，功率模块可应用的范围极为广泛，包含电动车的逆变器、通讯设备、计算机等。其中针对不同的领域，对功率模块的个别需求有所不同：以电动车为例，需要搭载能够处理高电流、高功率、高发热的功率模块设计；如通讯设备来说，则是需要高频率的模块应用；而应用在计算机上，功率模块的发展方向主要是提升整体的运算效能、增进散热表现，以及提升空间配置的利用效率，以达成轻巧、高效能以及散热稳定的优势。
4.传统的功率模块封装，例如美国专利us10974357揭露了一种特殊的散热设计，如图1所示其模块9内的功率元件90与控制元件92位于不同平面，借此将产热的功率元件90和控制元件92拉开距离，并且避免控制元件92和功率元件90共享一块散热基板94而受高温影响。但此种设计不仅要求上述控制元件92在高度上与功率元件90产生错位、也不能共享电路板，因此会使得模块在空间利用上明显浪费。此外值得注意的是，这种设计理念的功率模块通常难以避免的，会将信号输入端98以及电流输出入端96安排在不同侧，这会造成连接电流输出入端96的外部元件相较于控制信号输入端98更容易受到高温影响。
5.另一方面，随着模块的控制电路设计越来越复杂，如何妥善安排控制电路与功率单元的相对位置成为一个问题。倘若把控制电路安装在功率单元的周围，则模块在工作时所产生的高温可能会影响到周遭的控制电路；一般驱动信号的输入，如果和功率元件距离太远，也会造成操控的困扰。相较之下，目前3c产品如笔记本电脑等的结构相当强调轻薄短小、便利携带，绝对不能容忍其中的电子装置体积过大，如何适当散热、有效整合电路设计、并且精简整体封装的体积变成一个重要的考虑。
6.综上所述，为了提升功率模块的空间利用性，以及增加设计上的自由度，本实用新型提出一种特殊的功率模块，使得电、信号的路线与热源路线之间彼此分离，分别从整体封装中相互垂直的两个方向出入，且热源位置也远离信号源，不仅不互相影响，并让平面功率模块能更恰当地安装在例如印刷电路板上，增加功率模块应用在有限面积之可行性，同时能够便于安装与维护。


技术实现要素：

7.针对现有技术的上述不足，根据本实用新型的实施例，希望提供一种具有汇流排
线和陶瓷导热层的功率模块，旨在实现如下发明目的：(1)借由将裸晶功率元件安装在陶瓷导热层的电路层上，使得当裸晶功率元件发热时，热源主要集中在陶瓷导热层的一侧导出；(2)透过与汇流排线垂直设置的导接埠，可进行额外输出入信号或量测，增加使用弹性并避免与密集的汇流排线产生混淆；(3)借由远离裸晶功率元件方向导出的输出入汇流排线以及信号汇流排线，可便于集中连接控制电路及输出入电流，并相对远离发热的裸晶功率元件以增进电路操作的可靠性；(4)利用薄型化的模块设计增加整体散热表面积。
8.根据实施例，本实用新型提供的一种具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块，供搭配一外部变压器运作并且信号调控复数安培的大电流，上述模块包括：一陶瓷电路板，具有一沿一基础面延伸的陶瓷导热层与一设置于上述陶瓷导热层的电路层；复数裸晶功率元件，分别具有一安装于上述电路层的导热面、以及一相反于上述导热面的导接面，前述每一裸晶功率元件分别具有成形于上述导热面和上述导接面的一源极和一汲极，以及一个成形于上述导热面或上述导接面之一的闸极；复数沿上述基础面延伸的输出入汇流排线，供上述复数安培的大电流输出入；复数沿上述基础面延伸的信号汇流排线，平行于上述输出入汇流排线且位于与上述输入汇流排线在上述基础面的同一侧，供信号输入；一垂直于上述基础面并且导接上述外部变压器至上述输出入汇流排线之一的导接埠；及一封装外壳，覆盖上述裸晶功率元件、上述电路层，其中上述封装外壳在相反于上述陶瓷导热层方向成形有一开口，供至少暴露上述导接埠，以及上述电流输出入接脚及上述信号汇流排线至少部分暴露于上述封装外壳，借此，使行经上述裸晶功率元件的电流输出入接脚可以相对垂直于上述陶瓷导热层释放热能的方向。
9.相对于现有技术，本实用新型具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块，借由将输出入汇流排线及信号汇流排线集中安装至模块的一侧，内部再将裸晶功率元件安装在相对远离前述输出入汇流排线和信号汇流排线的方向；如此一来，当功率元件发热时，产生的热能可以顺利借由陶瓷导热层导出，并与信号方向垂直传递；且由于功率元件距离汇流排线相对较远，使得工作温度较不会影响到汇流排线及外部的其他电子元件；搭配与汇流排线互相垂直的导接埠，可将模块额外连接测试端口或变压器，增加模块设计弹性且避免与集成汇流排线产生混淆；底部的大面积陶瓷导热层更可以安装散热金属层提升散热效率。如此一来，将能提供一种不同于常见的功率模块电路设计，有效规划模块内平面，一举解决热、电、信号容易互相干扰的问题。
附图说明
10.图1为一常见功率模块的侧视示意图。
11.图2为本实用新型之较佳实施例的模块内部顶视示意图。
12.图3为本实用新型之较佳实施例的侧视示意图。
13.图4为本实用新型模块搭配变压器的立体拆解示意图。
14.其中：1为功率模块；2为陶瓷电路板；20为基础面；23为陶瓷导热层；26为电路层；29为金属散热层；290为金属散热器；3为裸晶功率元件；4为输出入汇流排线；5为信号汇流排线；6为导接埠；65为外部变压器；7为封装外壳；70为开口；9为模块；90为功率元件；92为控制元件；94为散热基板；96为电流输出入端；98为信号输入端；h为散热方向；i为电流输出入方向；s为控制信号输入方向。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本实用新型。这些实施例应理解为仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型记载的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。
16.如图2～4所示，本实用新型较佳实施例提供的具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块中，功率模块1内含有四个裸晶功率元件3供两两并联使用。所谓裸晶，系指尚未经过封装的半导体单元，上头具有复杂的集成电路，可以是例如infineon、gan system或台积电等国际半导体大厂所生产的芯片，在此不赘述。
17.为了达成良好的散热条件，本实用新型使用陶瓷导热层23作为陶瓷电路板2的基底，相较于其他聚脂纤维或玻璃纤维更具有良好导热性。此外，为了提升裸晶功率元件3上的导热面与陶瓷电路板2的接触面积以增进散热效率，陶瓷导热层23的基础面20上形成有一镀覆铜层，并且经过布局规画而成为电路层26；习知本领域者应该可以理解，陶瓷导热层23上的镀覆铜层可根据不同的需求如铜层厚度，采用多种方式达成例如dbc或dpc等技术，甚至不一定要局限在铜，在此仅为一种举例说明。
18.为便于说明起见，图2是本实用新型功率模块1去除封装外壳7的俯视图。可以清楚看到，陶瓷电路板2的左半边布置了上述的裸晶功率元件3，右侧则密集布置了复数接脚，具体形成输出入汇流排线4以及信号汇流排线5。熟悉本领域者应当可以理解，功率半导体如mosfet、igbt等的导接面一般具有源极、汲极与闸极，其中待调变电流由源极输入，调变信号输入闸极，最后电流从汲极输出；因此，本实用新型的输出入汇流排线5对应到裸晶功率元件3的源极与汲极，信号汇流排线4则对应功率元件之闸极，且汇流排线之间彼此也可以并联方式连接，共同分担可能的大电流。
19.关于本实施例中的并联，以图2右下角的输出入汇流排线4为例，明显地有两个接脚对应到相同区域的电路层26，除了能共同分担数安培的大电流外，当某一接脚发生接触不良问题而断路时，另一接脚也能暂时承担所有电流而避免系统瞬间产生故障的风险。本实施例中的裸晶功率元件3采取两两串连两两并联，也具有类似功效。
20.除汇流排线之外，本实用新型额外增加垂直于基础面20的导接埠6设计，提供额外的垂直路径；在本实施例中，导接埠6是以一个针脚插孔件为例，用以搭配插设的直立信号端子。请一并参考图3，陶瓷导热层23的后方在本实施例中设置有一金属散热层29，供导热连结例释为散热鳍片的金属散热器290，进一步让热能更顺利地沿着与基础面20垂直的散热方向h传导出功率模块1，值得注意的是上述金属散热层29以及金属散热器290也可以优选地择一使用；相较于大电流与信号沿着平行于基础面20的电流输出入方向i和控制信号输入方向s，使得热与电讯路径彼此独立分离而互相垂直，也能避免发热的裸晶功率元件3对接近总线4、5的电子元件产生不良的热影响。
21.依据上述的导接埠6设计，使得额外的控制信号如变压器信号或量测信号可以垂直输出入。透过垂直于基础面20的导接埠6，一方面让业者有多种设计弹性，二方面让用户连接时不会误将连接总线的导线连至导接埠6，尤其是汇流排线可以特别针对功率模块1的接线进行连接，将数条导线集合形成一汇流排线，让用户即插即用，不需要逐一进行接线；导接埠6则可因应不同使用状况弹性调整其结构与电性连接标的，大幅增加便利性与使用
弹性。
22.当然，本实用新型的功率模块1具有一个封装外壳7，其中在外壳一侧形成一个矩形开口70，对应至陶瓷电路板2的汇流排线4、5。导接埠6也向上对应到封装外壳7的另一开口，使得额外的控制信号源如外部变压器65可从远程与导接埠6产生电连结，整体封装后形成本实用新型的具有汇流排线和陶瓷导热层的功率模块。