阅读说明：本技术 功率元件封装结构 (Power element packaging structure ) 是由 蔡欣昌 刘敬文 于 2018-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种功率元件封装结构,包括第一基板、第二基板、至少一功率元件以及封装体。第一基板的热导率大于200Wm<Sup>-1</Sup>K<Sup>-1</Sup>。功率元件配置于第一基板上。第二基板配置于第一基板下方。第二基板的热容量(heat capacity)大于第一基板的热容量。封装体封装第一基板、第二基板与功率元件。(The invention provides a power element packaging structure which comprises a first substrate, a second substrate, at least one power element and a packaging body. The first substrate has a thermal conductivity of more than 200Wm ‑1 K ‑1 . The power element is configured on the first substrate. The second substrate is arranged below the first substrate. The heat capacity of the second substrate is greater than the heat capacity of the first substrate. The packaging body packages the first substrate, the second substrate and the power element.)

功率元件封装结构

技术领域

本发明涉及一种封装结构，尤其涉及一种功率元件封装结构。

背景技术

功率元件封装结构可用于整流器、车用发电机、大功率模块发电机。车用发电机的技术领域中，为进行交流-直流间的转换动作，常通过设置整流桥的方式来进行。整流桥可以由功率元件来构成，并用以提供整流后的电压以作为驱动负载的依据。

当发电机的负载被瞬间移除时，会产生所谓的抛载(load dump)现象。当抛载现象发生时，由于电压振幅会瞬间变化，在功率元件上产生瞬间高热，使得功率元件的接面温度(junction temperature)瞬间上升，而可能导致功率元件封装结构的损毁。

然而，目前功率元件封装结构的设计，大多是以降低封装结构在稳态使用下的热阻为目的，亦即为降低封装结构的稳态热阻为主，对于与瞬间高热量相关的瞬态热阻，并无适当的解决方案。

发明内容

本发明提供一种功率元件封装结构，除了可降低功率元件封装结构的稳态热阻，同时可使得功率元件封装结构的瞬态热阻降低。

本发明的功率元件封装结构，包括第一基板、第二基板、至少一功率元件以及封装体。其中，第一基板的热导率大于200Wm^-1K^-1。功率元件配置于第一基板上。第二基板配置于第一基板下方，且第二基板的热容量(heat capacity)大于第一基板的热容量。封装体则封装第一基板、第二基板与功率元件。

在本发明的一实施例中，上述的第一基板的材料是选自包括铜、铝、金、银、金刚石或石墨烯及其合金化合物的其中一种材料。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板的材料是选自包括铜、铝、锂、金刚石或石墨烯及其合金化合物中的其中一种材料。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板的厚度大于第一基板的厚度。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板的体积大于第一基板的体积。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板的投影面积小于或等于封装体的投影面积。

在本发明的一实施例中，上述第一基板的材料为铜，且其热容量大于或等于0.5J·℃^-1。

在本发明的一实施例中，上述第二基板的材料为铝，且其热容量大于或等于1.43J·℃^-1。

在本发明的一实施例中，上述第二基板的热容量大于或等于0.5J·℃^-1。

在本发明的一实施例中，上述的部分第二基板露出于封装体外。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板配置于功率元件的正下方。

在本发明的一实施例中，上述的第一基板与第二基板直接接触。

在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构为车用功率元件封装结构。

在本发明的一实施例中，上述的功率元件封装结构还可包括控制IC或电路元件，设置于第一基板上。

基于上述，本发明通过热容量较高的第二基板搭配热导率大的第一基板，可降低功率元件封装结构的稳态热阻，还可降低功率元件封装结构的瞬态热阻，提高封装结构对抛载、短路等暂态负载的处理能力。

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，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种功率元件封装结构的剖面示意图。

图2A是依照本发明的另一实施例的一种功率元件封装结构的正面示意图。

图2B为图2A的背面示意图。

图3是图2A的功率元件封装结构的透视图。

图4是实验例与比较例的抛载测试结果图。

附图标记说明

100、200：功率元件封装结构

102、202：第二基板

104、204：第一基板

106、206：功率元件

108、208：封装体

202a、202b、202c、202d、202e、204a、204b、204c：区块

206a、206b、206c、206d：功率晶体管

210a、210b：参考接地接脚

212a、212b：相位输出接脚

214a、214b：电源接脚

216：接脚区块

218、222：导电结构

220：稽纳二极管

224：控制系统

具体实施方式

以下将参考附图来全面地描述本发明的例示性实施例，但本发明还可按照多种不同形式来实施，且不应解释为限于本文所述的实施例。在附图中，为了清楚起见，各区域、部位及层的大小与厚度可不按实际比例绘制。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。

图1是依照本发明的一实施例的一种功率元件封装结构的剖面示意图。

请参照图1，本实施例的功率元件封装结构100包括热导率大于200Wm^-1K^-1的第一基板102、第二基板104、至少一功率元件106以及封装体108。第一基板102的材料为高热导率材料，例如是选自包括铜、铝、金、银、金刚石或石墨烯及其合金化合物的其中一种材料。功率元件106则配置于第一基板102上。第二基板104配置于第一基板102下方，且第二基板104较佳是配置于功率元件106的正下方。在本实施例中，第二基板104的热容量(heatcapacity)大于第一基板102的热容量，其热容量例如大于或等于0.5J·℃^-1。第二基板104的材料为高热容量材料，例如是选自包括铜、铝、锂、金刚石或石墨烯及其合金化合物中的其中一种材料；较佳为铝或铝合金。在一实施例中，第一基板102的材料为铜，且其热容量大于或等于0.5J·℃^-1；第二基板104的材料为铝，且其热容量大于或等于1.43J·℃^-1。

在本实施例中，第一基板102与第二基板104可直接接触；在另一实施例中，第一基板102与第二基板104之间可设置导电黏接层(未示出)。在一实施例中，第二基板104的厚度大于第一基板102的厚度以和/或是第二基板104的体积大于第一基板102的体积。而封装体108封装第一基板102、第二基板104与功率元件106，其中部分第二基板104如图1所示，可露出于封装体108外。第二基板104的投影面积例如小于或等于封装体108的投影面积。在本实施例中，封装体108的材料例如但不限于环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。本实施例的功率元件封装结构100可为车用功率元件封装结构。

当本发明的功率元件封装结构100应用于车用发电机的整流器时，交流电持续进入功率元件封装结构100，通过功率元件106转换成直流电后输出，在转换其间所产生的热能，会使得功率元件106温度上升，因此本实施例中具有高热导率的第一基板102能降低稳态热阻。而在负载电流移除后瞬间产生的浪涌电压(surge voltage)所产生的热能，则可通过本实施例中具有高热容量的第二基板104，能够快速吸收瞬间高热量，降低功率元件106的接面温度。

举例来说，对于具备50A发电量的汽车发电机，当其发生抛载现象时所产生的暂态能量约为97.2J，若采用铜导线架作为第一基板102，并采用铝基板作为第二基板104时，本实施例将第一基板102的热容量设计为0.5J·℃^-1，此时只要第二基板104的热容量大于第一基板102的热容量，即可确保功率元件106的接面温度不高于350℃。又于本实施例中，可进一步将第二基板104的热容量设计为1.43J·℃^-1，即能维持功率元件106的接面温度不高于190℃，以确保功率元件106不会因接面温度过高而损坏。

图2A是依照本发明的另一实施例的一种功率元件封装结构的正面，图2B为图2A的背面示意。图3是图2A的功率元件封装结构的透视图，其中省略封装体，以清楚显示功率元件封装结构的正面构造。

请同时参照图2A、图2B以及图3，本实施例的功率元件封装结构200基本包括热导率大于200Wm^-1K^-1的第一基板202、第二基板204、功率元件206以及封装体208。本实施例中第一基板202例如是导线架，并可由多个相互隔离的区块202a～202e组成，其中区块202a具有参考接地接脚210a与210b、区块202b具有相位输出接脚212a、区块202c具有相位输出接脚212b、区块202d具有电源接脚214a、区块202e具有电源接脚214b。其中，电源接脚214a、214b可耦接至车用电池，相位输出接脚212a、212b分别产生数个整流后信号，参考接地接脚210a、210b可耦接至参考接地端。当封装体208将第一基板202、第二基板204与功率元件206封装，上述接脚210a、210b、212a、212b、214a、214b会自封装体208突出，如图2A和图2B所示。第一基板202还可包括与区块202a分离的数个接脚区块216，能经由打线、铜夹(copperclip)或其他导体与第一基板202或其上的元件(如功率元件206或外部电源等)连接。在本实施例中的第一基板202的材料选择可参照上一实施例，故不再赘述。

请继续参照图3，本实施例中的功率元件206配置于第一基板202上。功率元件206例如功率晶体管206a～206d，功率晶体管可包括金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或其他功率晶体管。在本实施例中，功率元件206分别配置于第一基板202的不同区块上，但本发明并不限于此。以图3为例，功率晶体管206a与206b设置于第一基板202的区块202b上，功率晶体管206c与206d设置于第一基板202的区块202c上。功率晶体管206a可通过导电结构218电性连接区块202a与区块202b，并可于区块202b上加设稽纳二极管(Zener diode)220并通过导电结构218连接到功率晶体管206a的一端(例如漏极)及另一端(例如源极)间，以作为功率晶体管206a的防护元件，但本发明并不限于此。在另一实施例中，由于第二基板204的存在，功率晶体管206a可通过导电结构218直接电性连接至第一基板202的区块202b，而不需设置稽纳二极管220。至于功率晶体管206b可通过导电结构222电性连接区块202d。

至于功率晶体管206c同样可通过另一导电结构218电性连接区块202a与区块202c，并可于区块202c上加设另一稽纳二极管220并通过导电结构218连接到功率晶体管206c的一端(例如漏极)及另一端(例如源极)间，以作为功率晶体管206c的防护元件，但本发明并不限于此，也可省略上述稽纳二极管220，直接经由第二基板204解决瞬态热阻所造成的问题，使功率晶体管206c可通过导电结构218直接电性连接至第一基板202的区块202c。功率晶体管206d可通过另一导电结构222电性连接区块202e。上述的导电结构218和222例如铜夹(copper clip)或其他适合的结构。

此外，本实例中的功率元件封装结构200还可包括控制系统224(如控制IC、电容与其他电路元件)，设置于第一基板202的区块202a上，并于第一基板202与控制系统224之间设置绝缘层(未示出)，以电性隔绝控制系统224与其下方的第一基板202(即区块202a)。而控制系统224中的控制IC可经由打线(未示出)分别与第一基板202上的功率晶体管206a～206d电性连接，用以传送控制信号至功率晶体管206a～206d。

请继续参照图2B，本实施例中的第二基板204设置于第一基板202的下方，且第一基板202可直接接触第二基板204。在本实施例中，第二基板204具有三个区块204a、204b与204c，且区块204a是配置于图3的功率晶体管206a和206b的正下方、区块204b是配置于图3的功率晶体管206c和206d的正下方、区块204c是配置于图3的控制系统224的正下方，然而本发明并不限于此。若是以降低瞬态热阻的效果来看，第二基板204在功率元件206的正下方设置即可；换句话说，可省略区块204c。在图2B中，部分第二基板204露出于封装体208外，且第二基板204的投影面积不超过封装体208。第二基板204的材料选择可参照上一实施例，故不再赘述。上述封装体208例如是通过模封制程，密封功率元件206、第一基板202与第二基板204。在本实施例中，封装体208的材料可包括环氧树脂、联苯树脂、不饱和聚酯或陶瓷材料。

当大电流从参考接地接脚210a与210b或从相位输出接脚212a与212b通过第一基板202进入功率晶体管206a～206d后，能通过本实施例中具有高热容量的第二基板204，降低功率晶体管206a～206d瞬间产生的高热所导致的高接面温度。因此，本实施例的设计能防止功率元件封装结构200损坏。

为验证上述效果，列举以下实验进行说明，但本发明并不限于下列实验。

〈实验例〉

制作一个如图2A、图2B所示的功率元件封装结构，然后根据ISO-7637-2标准，以下表一以及表二的测试条件进行抛载测试，经五次测试，且每次测试的间隔为60秒，测试后的抛载耐力结果显示于下表三及图4。

〈比较例〉

比较例与实验例的不同处在于，比较例的功率元件封装结构中并没有设置第二基板。然后，同样进行上述抛载测试，结果显示于下表三及图4。

表一

表二

表三

	实验例	比较例
			热容量(J/℃)	2.5	1.0
抛载能量(J)	84.0	84.0
			升温(℃)	171	278
功率元件中心温度T<sub>j</sub>(℃)	193	300

由图4与表三的测试结果可知，由于实验例的功率元件封装结构设置有高热容量的第二基板，因此当施予相同的抛载能量时，实验例的升温温度相较于比较例的升温温度要低得多，且实验例的功率元件的接面温度相较于比较例的功率元件的接面温度也低得多。由此可知，通过本发明于第一基板下方设置高热容量的第二基板，确实能降低功率元件封装结构的瞬态热阻，反映在升温温度以及功率元件的接面温度都有显著的改善。

综上所述，由于本发明的功率元件封装结构中具有热容量较高的第二基板搭配热导率大的第一基板，因此不但能降低稳态热阻，还可达到降低瞬态热阻的功效，所以本发明的功率元件封装结构适用于大功率的车用发电机的整流器或马达驱动装置。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。