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CN112490202A - 功率器件封装结构 - Google Patents

功率器件封装结构 Download PDF

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CN112490202A
CN112490202A CN201910862988.5A CN201910862988A CN112490202A CN 112490202 A CN112490202 A CN 112490202A CN 201910862988 A CN201910862988 A CN 201910862988A CN 112490202 A CN112490202 A CN 112490202A
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heat dissipation
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device package
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蔡欣昌
刘敬文
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Abstract

本发明提供一种功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个功率器件、一散热背板以及一热介面层。散热绝缘基板具有相对的第一面与第二面，功率器件则耦接至所述散热绝缘基板的所述第一面。散热背板设置于散热绝缘基板的所述第二面，其中散热背板的表面与散热绝缘基板的所述第二面两者至少其中之一具有至少一凸块，且凸块至少设置于所述多个功率器件的投影面积内。热介面层则介于散热绝缘基板的第二面与散热背板的表面之间。

Description

功率器件封装结构
技术领域
本发明涉及一种封装结构，尤其涉及一种功率器件封装结构。
背景技术
功率模块是目前应用在各种产品中作为电能转换的主要核心设备，其内部封装有功率器件。功率模块中的散热基板与直接覆铜陶瓷基板(DBC)之类的芯片电路板连接时，由于DBC的热膨胀系数与散热基板的热膨胀系数不同，所以在受热期间两者的热变形量不同，导致DBC边缘有较高的热应力。
为降低对DBC的热应力，目前在散热基板与DBC之间采用较厚的热介面层，来降低热应力。然而，随着热介面层厚度增加，又会增加封装结构的结构热阻(Thermalresistance)。
发明内容
本发明提供一种功率器件封装结构，能解决传统功率模块的热应力过高的问题，并可降低结构热阻。
本发明另提供一种功率器件封装结构，能在不增加散热绝缘基板的应力情况下，降低功率模块的热阻。
本发明的功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个功率器件、一散热背板以及一热介面层。散热绝缘基板具有相对的第一面与第二面，功率器件则耦接至所述散热绝缘基板的所述第一面。散热背板设置于散热绝缘基板的所述第二面，其中散热背板的表面与所述第二面两者至少其中之一具有至少一凸块，且凸块至少设置于所述多个功率器件的投影面积内。热介面层则介于散热绝缘基板的第二面与散热背板的表面之间。
在本发明的一实施例中，上述至少一凸块占据散热背板的表面面积比率为10％～35％。
在本发明的一实施例中，上述多个功率器件的至少其中之一是以倒装式接合方式耦接至第一面。
在本发明的一实施例中，上述功率器件封装结构还可包括一导电夹片，设置于功率器件与散热绝缘基板接合的一相对侧，并电性连接功率器件至散热绝缘基板的第一面。
在本发明的一实施例中，上述导电夹片的材料例如铝、铜或碳纤维。
在本发明的一实施例中，每个凸块的截面形状可为梯形、三角形、圆形或矩形。
在本发明的一实施例中，上述散热绝缘基板包括直接覆铜陶瓷基板(DBC)、绝缘金属基板(IMS)或印刷电路基板(PCB)。
本发明的另一功率器件封装结构，包括一散热绝缘基板、多个功率器件、一散热背板以及一热介面层。散热绝缘基板具有相对的第一面与第二面，功率器件则耦接至所述散热绝缘基板的所述第一面。散热背板设置于散热绝缘基板的所述第二面。热介面层则分别和散热绝缘基板的第二面与散热背板相接触，且热介面层位于所述第二面与所述散热背板之间，其中热介面层在多个功率器件的投影面积内的最小厚度小于在功率器件的投影面积外的厚度。
在本发明的另一实施例中，上述散热背板或上述散热绝缘基板至少其中之一接触热介面层的表面具有至少一凸块，所述至少一凸块至少设置于多个功率器件的投影面积内。
在本发明的各个实施例中，上述至少一凸块占据的面积大于或实质上等于上述多个功率器件的投影面积。
在本发明的各个实施例中，上述至少一凸块与上述散热背板或散热绝缘基板是一体成型的。
在本发明的各个实施例中，上述热介面层包含导热膏、烧结银或焊锡膏。
基于上述，本发明的功率器件封装结构是透过在散热绝缘基板与散热基板之间设置许多的凸块结构，藉此在不增加散热绝缘基板的热应力情况下，降低功率器件封装结构整体的热阻。
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1A是依照本发明的第一实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图1B是第一实施例的另一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图1C是第一实施例的再一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图1D是第一实施例的又一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图2是依照本发明的第二实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图；
图3A是实验例1的散热背板的立体示意图；
图3B是比较例的散热背板的立体示意图；
图4A是实验例1的功率器件封装结构的热分布示意图；
图4B是比较例的功率器件封装结构的热分布示意图；
图5是实验例2的功率器件封装结构的凸块面积与芯片温度、应力的关系图。
附图标号说明：
100、200：功率器件封装结构
102：散热绝缘基板
102a：第一面
102b：第二面
104：功率器件
104a：相对侧
106：散热背板
106a：表面
108、202：热介面层
110、120、122、204、300：凸块
112：图案化线路
114：绝缘材料板
116：下层线路层
118：焊点
124：导电夹片
126：焊料层
PA：投影面积
t1：最小厚度
t2：厚度
具体实施方式
以下揭示内容提供许多不同的实施方式或范例，用于实施本发明的不同特征。当然这些实施例仅为范例，并非用于限制本发明的范围与应用。再者，为了清楚起见，各个构件、膜层或区域的相对厚度及位置可能缩小或放大。另外，在各附图中使用相似或相同的元件符号来标示相似或相同元件或特征，且附图中如有与前一图相同的元件符号，则将省略其赘述。
图1A是依照本发明的第一实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图。
请参照图1A，本实施例的功率器件封装结构100包括一散热绝缘基板102、多个功率器件104、一散热背板106以及一热介面层108。多个功率器件104耦接至散热绝缘基板102的所述第一面102a。在一实施例中，至少一个功率器件104是以倒装式接合方式耦接至第一面102a。上述散热绝缘基板102例如直接覆铜陶瓷基板(DBC)、绝缘金属基板(IMS)或印刷电路基板(PCB)。散热背板106则设置于散热绝缘基板102的第二面102b，且散热背板106的表面106a具有多个凸块110，且凸块110至少设置于多个功率器件104的投影面积PA内。在本实施例中，凸块110与散热背板106是一体成型的，且每个凸块110的截面形状为梯形。然而，本发明并不限于此，上述凸块110的位置、数量、分布范围、截面形状等均可依需求做变更。举例来说，凸块110的位置也可以设置在第二面102b；凸块110的数量可为1个、2个或更多个；凸块110占据的面积可大于或实质上等于投影面积PA；凸块110与散热背板106可以是分开的；每个凸块110的截面形状可为三角形、圆形、矩形等。至于热介面层108则介于散热绝缘基板102的第二面102b与散热背板106的表面106a之间，其中热介面层108例如导热膏(Thermal grease)、烧结银(Sintered Ag)或焊锡膏(Eutectic Solder)等焊料。
请继续参照图1A，散热绝缘基板102例如有一图案化线路112，且图案化线路112是形成于一绝缘材料板114上。散热绝缘基板102的第二面102b则可具有整层的下层线路层116；举例来说，通过在各个功率器件104的接垫(未示出)上形成焊点(solder joint)118，再利用覆晶技术使焊点118正对散热绝缘基板102的图案化线路114，而达到功率器件104与散热绝缘基板102的连结。
由于凸块110的存在，可缩短功率器件104产生的热传递到散热背板106的路径，如同在大的热阻并连一个小的热阻，所以能降低整体结构热阻。如图1A所示的向下箭头，从功率器件104产生的热能有大部分自凸块110传递至散热背板106，所以可同时降低结构热阻。而且，在功率器件104的投影面积PA以外(接近散热绝缘基板102边缘)的热介面层108厚度够厚，所以还能降低功率器件封装结构100(即散热绝缘基板102边缘)的热应力。
图1B是第一实施例的另一种功率器件封装结构的剖面示意图，其中沿用图1A的元件符号与部分内容，其中采用相同的元件符号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述内容，下文不再重复赘述。
在图1B中，凸块120的位置是设置在第二面102b，往散热背板106的方向凸出，因此介于散热绝缘基板102的第二面102b与散热背板106的表面106a之间的热介面层108，在功率器件104的投影面积PA内的最小厚度会小于投影面积PA以外的任一区域的厚度。而且，凸块120与散热绝缘基板102的下层线路层116是一体成型的，所以凸块120与散热绝缘基板102算是一体成型的结构。
图1C是第一实施例的再一种功率器件封装结构的剖面示意图，其中沿用图1A的元件符号与部分内容，其中采用相同的元件符号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述内容，下文不再重复赘述。
在图1C中，凸块122的数量为1个，凸块122占据的面积略大于投影面积PA，且凸块122与散热背板106是分开的，所以凸块122与散热背板106的材料可不同，但本发明并不限于此，凸块122与散热背板106的材料也可以是相同的。
图1D是第一实施例的又一种功率器件封装结构的剖面示意图，其中沿用图1A的元件符号与部分内容，其中采用相同的元件符号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述内容，下文不再重复赘述。
在图1D中，功率器件104与散热绝缘基板102接合的一相对侧104a设置有一导电夹片124。导电夹片124电性连接功率器件104至散热绝缘基板102的第一面102a。在一实施例中，导电夹片124的材料例如铝、铜或碳纤维。而且，一个导电夹片124可电性连接多个功率器件104至散热绝缘基板102。然而，本发明并不限于此，一个导电夹片124也可只电性连接一个功率器件104至散热绝缘基板102。在一实施例中，若功率器件104为垂直型功率器件，则导电夹片124的一部分可电性连接垂直型功率器件的非有源区，导电夹片124的另一部分可电性连接第一面102a。此外，在第一面102a与导电夹片124之间可通过额外的焊料层126彼此电性连接，在功率器件104与导电夹片124之间亦可通过焊料层126彼此电性连接，但本发明并不限此。所述焊料层126例如烧结银或焊锡膏等焊料。
图2是依照本发明的第二实施例的一种功率器件封装结构的剖面示意图，其中沿用第一实施例的元件符号与部分内容，其中采用相同的元件符号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下文不再重复赘述。
请参照图2，本实施例的功率器件封装结构200包括一散热绝缘基板102、多个功率器件104、一散热背板106以及一热介面层202。热介面层202分别和散热绝缘基板102的第二面102b与散热背板106相接触，且热介面层202在功率器件104的投影面积PA内的最小厚度t1小于在功率器件104的投影面积PA外的厚度t2。因此，功率器件104产生的热传递到散热背板106的路径(即最小厚度t1)可缩短，而降低结构热阻；且投影面积PA外的热介面层202厚度t2足够厚，能降低功率器件封装结构200(即散热绝缘基板102边缘)的热应力。
在图2中，散热绝缘基板102接触热介面层202的表面还具有一凸块204，所述凸块204设置于所有功率器件104的投影面积PA内。在本实施例中，凸块204是设置于散热绝缘基板102的下层线路层116底下，但发明并不限于此。在另一实施例中，凸块204可与散热背板106或散热绝缘基板102是一体成型的。此外，凸块204的位置、数量、分布范围、截面形状等均可依需求做变更，详见图1A、图1B、图1C与图1D的说明，不再此赘述。
以下列举实验来验证本发明的功效，但本发明的范围并不局限于以下实验内容。
〈实验例1〉
制作一个如图3A所示的散热背板，其中凸块300是与散热背板一体成型的。然后使用图3A的散热背板组装成如图1A所示的功率器件封装结构。
在功率器件104发热的情况下测量整个功率器件封装结构的热分布，得到图4A。
〈比较例〉
制作一个如图3B所示的散热背板，其表面为平面。然后使用图3B的散热背板组装成如图1A所示的功率器件封装结构，但并无凸块。
在功率器件104发热的情况下测量整个功率器件封装结构的热分布，得到图4B。
从图4A与图4B可知，具有凸块的功率器件封装结构的热分布比无凸块的功率器件封装结构的热分布更为均匀，且无图4B中心部位高于135℃的温度区。经分析比较，实验例1的热阻(Thermal resistance)为0.137℃/W、比较例的热阻为0.141℃/W。因此，热阻降幅有3％。
另外，针对实验例1与比较例的功率器件封装结构在功率器件发热的情况下，进行晶粒应力(Dice stress)测量，得到实验例1的应力为128.4MPa、比较例的应力为128.6MPa的结果。因此可证明凸块的设置仍能保持较低的热应力。
〈实验例2〉
模拟使用数个如图3A所示的散热背板，其中凸块占据散热背板的面积比率是从0％至40％之间，并组装成如图1A所示的功率器件封装结构，其中各个构件的尺寸大小均设定为相同。
然后在功率器件104发热的情况下模拟功率器件104的接面的最高温度以及晶粒应力，结果显示于图5。
从图5可得到，凸块占据面积越大，功率器件的接面温度越低，其较佳的凸块占据面积约介于10％～35％。并且在特定的凸块设计下，其凸块的占据面积小于25％以下，能得到不增加晶粒应力的情况下，达到降低功率器件接面温度的功效。因此，本发明使用凸块来缩短散热路径，并确保散热绝缘基板边缘仍有足够厚的热介面层，能同时降低结构热阻。
综上所述，在本发明的功率器件封装结构中，通过设置在散热绝缘基板与散热基板之间的凸块结构，能达到不同区域的热介面层具有不同厚度的结果，藉此在降低散热绝缘基板的热应力的同时，还能降低功率器件封装结构整体的热阻。
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的为准。

Claims (15)

1.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括：
散热绝缘基板，具有相对的第一面与第二面；
多个功率器件，耦接至所述散热绝缘基板的所述第一面；
散热背板，设置于所述散热绝缘基板的所述第二面，其中所述散热背板的表面与所述第二面两者至少其中之一具有至少一凸块，所述至少一凸块至少设置于所述多个功率器件的投影面积内；以及
热介面层，介于所述散热绝缘基板的所述第二面与所述散热背板的所述表面之间。
2.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述至少一凸块占据的面积大于或实质上等于所述多个功率器件的所述投影面积。
3.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述至少一凸块占据所述散热背板的表面面积比率为10％～35％。
4.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述至少一凸块与所述散热背板或散热绝缘基板是一体成型的。
5.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中每个所述凸块的截面形状为梯形、三角形、圆形或矩形。
6.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述多个功率器件的至少其中之一是以倒装式接合方式耦接至所述第一面。
7.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，还包括导电夹片，设置于所述多个功率器件与所述散热绝缘基板接合的一相对侧，并电性连接所述多个功率器件至所述散热绝缘基板的所述第一面。
8.根据权利要求7所述的功率器件封装结构，其中所述导电夹片的材料包括铝、铜或碳纤维。
9.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述散热绝缘基板包括直接覆铜陶瓷基板、绝缘金属基板或印刷电路基板。
10.根据权利要求1所述的功率器件封装结构，其中所述热介面层包含导热膏、烧结银或焊锡膏。
11.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括：
散热绝缘基板，具有相对的第一面与第二面；
多个功率器件，耦接至所述散热绝缘基板的所述第一面；
散热背板，设置于所述散热绝缘基板的所述第二面；以及
热介面层，分别和所述散热绝缘基板的所述第二面与所述散热背板相接触且位于两者之间，其中所述热介面层在所述多个功率器件的投影面积内的最小厚度小于在所述多个功率器件的投影面积外的厚度。
12.根据权利要求11所述的功率器件封装结构，其中所述散热背板或所述散热绝缘基板至少其中之一接触所述热介面层的表面具有至少一凸块，所述至少一凸块至少设置于所述多个功率器件的投影面积内。
13.根据权利要求12所述的功率器件封装结构，其中所述至少一凸块占据的面积大于或实质上等于所述多个功率器件的所述投影面积。
14.根据权利要求12所述的功率器件封装结构，其中所述至少一凸块与所述散热背板或散热绝缘基板是一体成型的。
15.根据权利要求11所述的功率器件封装结构，其中所述热介面层包含导热膏、烧结银或焊锡膏。
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