TWI762290B - 具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法 - Google Patents

Abstract

一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，包括下列步驟：將複數功率元件間隔地設置在一第一陶瓷基板上並在每一功率元件上分別設置一金屬間隔塊，其中金屬間隔塊遠離第一陶瓷基板方向定義為一設置面；將一設置有一層奈米銀層的第二陶瓷基板覆蓋至設置面，更可分離地在第一和第二陶瓷基板間，設置高度超過功率元件和金屬間隔塊總和且低於功率元件和金屬間隔塊再加上奈米銀層厚度的間隔模具墊塊；在垂直第一和第二陶瓷基板方向加壓並加熱熔融奈米銀層使得奈米銀層分別融為厚度較薄的銀層並和金屬間隔塊分別導電接合，並加以冷卻而固化。

Description

具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法

本發明涉及製作具複數功率元件電源模組的方法。

在全球暖化日趨嚴重的今天，隨著環保意識抬頭，各國政府近幾年也相繼推出許多交通方面的綠能補助政策，使得越來越多消費者選擇以電動交通工具取代傳統以石化燃料為動力的交通工具，例如以電動汽車取代傳統汽車以及以電動機車取代二行程機車。這些電動交通工具都仰賴大功率的電動馬達提供動力，因此市場對於大功率電源模組的需求成長，也引發各大供應商爭相投入資金和研發，以提升產線良率和產量。此外，如高亮度LED或LD等的光源裝置也不斷推陳出新，使得電源裝置的消耗能量持續加大，同樣需要大功率且高散熱的電源模組才能有效支援。

大功率電源模組因為消耗能量大，不可避免地會有一部份能量轉為熱能；在電子裝置不斷微型化的同時，高功率的元件在更小的空間內就會伴隨更高的發熱，因此如何移除多餘的熱能，維護運作環境的穩定性變得至關重要。為了解決散熱的問題，目前比較被普遍採行的解決方案是使用陶瓷材料做為電路基板的絕緣材料層，陶瓷基板做為電路板的一種，其具有與半導體接近的熱膨脹係數及高耐熱能力，最常見的陶瓷材料有氧化鋁(Aluminum Oxide，Al₂O₃)製成的直接覆銅(Direct Bonded Copper， DBC)基板，其中，氧化鋁在單晶結構下導熱係數可達35W/mK，多晶結構下則有20至27W/mK。其他常見的陶瓷材料基板，還有氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)及碳化矽(SiC)等。陶瓷基板因此成為大功率電源模組基板的首選。

然而，陶瓷基板存在有翹曲變形的問題，在小尺寸時或許可容許，但是當基板尺寸越大，翹曲變形的嚴重性就越明顯，造成基板上表面不平整，一片5至6公分的陶瓷基板，可能會扳彎0.2mm左右，對比高度同樣僅約0.2mm左右的晶片來說，影響不容小覷。尤其當電源模組的電流量需達上百安培甚至數百安培時，往往不是單一的大功率元件所能承受，而需要將多顆大功率元件併聯設置在同一陶瓷基板平面上，才能構成電源模組。

因此，長寬都在數公分以上的陶瓷基板，因為翹曲變形造成高度不一、不平整的問題，對整體元件封裝甚或效能都會有影響。尤其對於需要雙面接觸陶基板散熱的大功率電源模組而言，如何保持每個大功率電源模組晶片都能以極佳的導電狀態連接雙面的陶瓷基板有其困難。不幸地，若以可通過200A的晶片為例，當導電狀態非絕佳時，可能因為電流通過時的高發熱而帶來高電阻，造成實際電流被降低至僅可通過100A，尤其對於處理大電流的電源模組晶片，任何些微的接觸不良都可能對晶片造成莫大的損害，且其餘導通的晶片也得承擔更大的負載電流，因此確保每一個電源模組晶片都能良好地導電連接基板是非常重要的，也就是本發明試圖解決的問題。

為解決上述問題，已有研究人員提出採用例如奈米銀膏作為接著材料，並且在安裝過程中加熱而使原本奈米銀膏內的摻雜汽化，成為單純的熔融銀，雖然厚度會大幅縮減，但可以藉此在陶瓷板的焊墊和晶片 的出入電極間形成純銀連結。但是，經過發明人實際測試發現，此種技術在單顆晶片上使用並無問題，但要容納例如六顆甚至更大量的功率元件的晶片安裝時，由於上述陶瓷基板必須具有足夠面積，翹曲無法避免，更因奈米銀膏受熱處理時厚度大減，以及功率元件的晶片本身厚度有限的種種客觀條件限制，讓陶瓷基板在厚度方向必然翹曲的問題益發嚴重難解，甚至在加熱焊接前，就會因為距離估算不精準，而導致功率元件受撞擊損壞，產品良率及產出效率均受到明顯影響。

本發明之一目的在於提供一種製造大功率的電源模組的方法，藉由適當模具，減少陶瓷基板和功率元件間因碰撞而損壞的風險，提升製造良率。

本發明之另一目的在於提供一種生產具複數功率元件電源模組的方法，利用模具作為高度保障，避免陶瓷基板上的奈米銀膏和功率元件間的接觸不佳，導致成品導電瑕疵，提升完成後的電源模組可靠度。

本發明之又一目的在於提供一種確保個別功率元件和雙面陶瓷基板導電連結的方法。

為了達成上述目的，本發明揭露一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，包括下列步驟：a)將複數功率元件間隔地設置在一第一陶瓷基板上，其中每一前述功率元件具有一對分別位於頂面和底面的出入電極，且該第一陶瓷基板上形成有接墊電路層，分別供導電結合上述功率元件底面的出入電極，並且在每一上述功率元件的上述頂面的出入電極上分別設置一對應金屬間隔塊，其中上述金屬間隔塊遠離上述第一陶瓷基 板方向定義為一設置面；b)將一設置有一層奈米銀層的第二陶瓷基板，以具有上述奈米銀層的連接面覆蓋至上述設置面，使得上述金屬間隔塊的上述設置面分別壓迫深入上述奈米銀層，其中，更以可分離地方式，在該第一陶瓷基板和上述第二陶瓷基板間，設置高度超過上述功率元件和上述金屬間隔塊總和，且低於上述功率元件和上述金屬間隔塊再加上述奈米銀層厚度的複數間隔模具墊塊，確保上述金屬間隔塊均可深入上述奈米銀層，且不會直接觸及上述第二陶瓷基板而造成損壞；c)在垂直上述第一和第二陶瓷基板方向加壓並加熱熔融上述奈米銀層使得上述奈米銀層分別融為厚度較薄的銀層並和上述金屬間隔塊分別導電接合，並加以冷卻而固化上述銀層。

在加熱焊接前，因為有間隔模具墊塊的存在，無論陶瓷基板如何翹曲，均可確保功率元件和金屬間隔塊可以順利插入第二陶瓷基板上的奈米銀膏內，並且不會直接撞擊第二陶瓷基板；藉此，避免在加工過程中的功率元件的晶片或陶瓷基板因機械力而損壞的風險，另方面，確保金屬間隔塊可以被確實壓入奈米銀膏之中，不會有接觸不到的問題。

而奈米銀膏具有特殊的熔融特性，攝氏200度熔融後，其中的摻雜物汽化，奈米銀膏一方面熔融為液態純銀，且整體高度縮減至原始高度的約三分之一，由於加熱過程中上下兩方均施加壓力，使得陶瓷基板的翹曲被外力部分糾正，厚度的誤差縮減，而熔融純銀的流動性，又可以確保已經接觸到的第二陶瓷基板接墊和金屬間隔塊都可以因銀的表面張力而達成導電連結，即使奈米銀層加熱時厚度縮減而最終冷卻成為銀層，冷卻後仍會形成絕佳的導電連結關係，將第二陶瓷基板緊密導電接合至金屬間隔塊。由於藉此發明的方法，得以確保個別功率元件和雙面陶瓷基板絕 佳導電連結，尤其當電源模組需求尺寸較大，例如試圖生產整體長寬達5至6公分以上的電源模組時，使得功率元件雙面的陶瓷基板翹曲變形的困擾得以被解決。

1、1’:第一陶瓷基板

11:接墊電路層

13’:第一陶瓷基板部分

14’:第一介電材料基板

2、2’:功率元件

21:底面

22:頂面

211、221:出入電極

3、3’:金屬間隔塊

31、31’:設置面

4、4’:第二陶瓷基板

41:奈米銀層

42、42’:純銀層

43’:第二陶瓷基板部分

44’:第二介電材料基板

411:連接面

5、5’:間隔模具墊塊

81~86:步驟

圖1為本發明一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法的流程圖。

圖2至6為本發明第一較佳實施例各不同步驟的結構側視示意圖。

圖7為本發明第二較佳實施例的結構側視示意圖。

有關本發明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。

本發明具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法的第一較佳實施例如圖1所示，首先在步驟81如圖2將複數功率元件2分別設置於一第一陶瓷基板1接墊電路層11相對應的複數焊墊上，其中每一功率元件2包含一個底面21、位於底面21焊接在接墊電路層11上的出入電極211、一個頂面22以及位於頂面22的出入電極221；隨後於步驟82在功率元件2頂面22的出入電極221上分別設置例釋為銅鍍銀的一金屬間隔塊3，由於上述第一陶瓷基板1呈現翹曲、導致表面不平整，使得上述功率元件2設置後的水平高度不一，而上述金屬間隔塊3遠離上述第一陶瓷基板1方向的上表面亦形成水平高度不一的設置面31；此處高度差異僅為示意並非實際比例。

步驟83如圖3所示，在一第二陶瓷基板4上覆蓋一層奈米銀層41，其中上述奈米銀層41在本例中約600μm，但實際操作時可依照需求變更，無須侷限於固定厚度；接著在第一陶瓷基板1下方和第二陶瓷基板4上方，分別設置有加壓裝置(圖未示)相對加壓，為了避免第二陶瓷基板4和奈米銀層41在加壓迫近第一陶瓷基板1過度壓迫功率元件2造成毀損，本例於步驟84如圖4所示，先在上述第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4之間，於上述第一陶瓷基板1上個別功率元件2之間或周圍可分離地設置複數間隔模具墊塊5，其中上述間隔模具墊塊5高度超過上述功率元件2和上述金屬間隔塊3總和，且低於上述功率元件2和上述金屬間隔塊3再加上述奈米銀層41厚度，形成複數個能夠限制上述第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4最接近距離的間隔裝置。

如圖5所示，此時上述第二陶瓷基板4具有上述奈米銀層41的連接面411是覆蓋並抵接至上述設置面31，由於奈米銀層41本身具有些許撓性，使得上述奈米銀層41在接觸上述金屬間隔塊3的上述設置面31時，會如圖5所示，被金屬間隔塊3插入其中，由於本例中奈米銀層有約600μm的厚度，完全可以吸收第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4最大約200μm的翹曲，既不會有接觸不到而產生空隙，也不會讓金屬間隔塊撞擊第二陶瓷基板4造成破裂或微隙，能徹底補償第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4翹曲所造成上述設置面31和上述第二陶瓷基板4之間的些許高度落差。

如圖6所示，如步驟85在垂直上述第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4方向加壓並加熱熔融上述奈米銀層41，迫使上述奈米銀層41受熱而使摻雜物汽化時，奈米銀層開始熔融而形成厚度較少的純銀層42，由於原本 就已經上下分別接觸到上述設置面31和上述第二陶瓷基板4，因此受到表面張力影響，介於其間的銀將會有效地分別跟上述金屬間隔塊3和上述第二陶瓷基板4導電接合，即使奈米銀層41在加熱後厚度縮減成純銀層42，仍可確保每一顆功率元件和上方第二陶瓷基板上的接墊以絕佳的導電連結；最後在步驟86冷卻上述純銀層42，固化並且移除上述間隔模具墊塊5。

由於間隔模具墊塊5的高度設計，一方面限制第一陶瓷基板1和第二陶瓷基板4不會過度接近，導致金屬間隔塊3和功率元件2的撞擊受力損壞，使得加工過程中的良率獲得提升；另方面此間隔模具墊塊5的高度又可以確保即使有陶瓷基板的翹曲，金屬間隔塊3仍然可以穩固地插入奈米銀層41之中，不會有接觸不良而造成未來使用時導電性不佳的可靠度提升，藉此達成本發明上述目的。

當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，此處的第一陶瓷基板和第二陶瓷基板均不限於單片完整的陶瓷基板，由於陶瓷基板的耐熱性佳、導熱性佳，但是結構無法細緻，因此在業界已經有人提出用介電材料基板鑲嵌陶瓷基板的熱電分離基板，讓其中高發熱的例如功率元件設置於陶瓷基板部分，而更複雜的例如控制電路則設置於例如FR-4等介電材料多層電路板上，同時達成複雜控制電路和大功率元件的高散熱電路共存且兩者優勢並存的結構。

因此如圖7本發明第二較佳實施例所示，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。本例中在步驟81前更包括一製造第一陶瓷基板1’的先前步驟，在第一介電材料基板14’對應功率元件2’的位置鑲嵌第一陶瓷基板部分 13’；同樣地，在步驟83前更包括一製造第二陶瓷基板4’的先前步驟，在第二介電材料基板44’對應功率元件2’的位置鑲嵌第二陶瓷基板部分43’，並在第二陶瓷基板部分43’對應功率元件2’的位置覆蓋奈米銀層，使步驟84中上述奈米銀層覆蓋並抵接至設置面31’，被間隔模具墊塊5’抵住。最後，步驟85在垂直上述第一陶瓷基板1’和第二陶瓷基板4’方向加壓並加熱熔融上述奈米銀層形成厚度較少的純銀層42’，使金屬間隔塊3’分別和上述第二陶瓷基板4’的第二陶瓷基板部分43’導電接合。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:第一陶瓷基板

11:接墊電路層

2:功率元件

3:金屬間隔塊

31:設置面

4:第二陶瓷基板

41:奈米銀層

5:間隔模具墊塊

Claims (4)

1. 一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，包括下列步驟：a)將複數功率元件間隔地設置在一第一陶瓷基板上，其中每一前述功率元件具有一對分別位於頂面和底面的出入電極，且該第一陶瓷基板上形成有接墊電路層，分別供導電結合上述功率元件底面的出入電極，並且在每一上述功率元件的上述頂面的出入電極上分別設置一對應金屬間隔塊，其中上述金屬間隔塊遠離上述第一陶瓷基板方向定義為一設置面；b)將一設置有一層奈米銀層的第二陶瓷基板，以具有上述奈米銀層的連接面覆蓋至上述設置面，使得上述金屬間隔塊的上述設置面分別壓迫深入上述奈米銀層，其中，更以可分離地方式，在該第一陶瓷基板和上述第二陶瓷基板間，設置高度超過上述功率元件和上述金屬間隔塊總和，且低於上述功率元件和上述金屬間隔塊再加上述奈米銀層厚度的複數間隔模具墊塊，確保上述金屬間隔塊均可深入上述奈米銀層，且不會直接觸及上述第二陶瓷基板而造成損壞；c)在垂直上述第一和第二陶瓷基板方向加壓並加熱熔融上述奈米銀層使得上述奈米銀層分別融為厚度較薄的銀層並和上述金屬間隔塊分別導電接合，並加以冷卻而固化上述奈米銀層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，其中步驟a更包括一在上述金屬間隔塊表面鍍銀的子步驟a3。
3. 如申請專利範圍第1項所述的一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，其中步驟a之前更包括一在電路基板部分嵌入陶瓷基板形成 第一陶瓷基板的步驟d。
4. 如申請專利範圍第1項所述的一種具複數功率元件電源模組的間隔加壓結合法，其中步驟b之前更包括一在電路基板部分嵌入陶瓷基板形成第二陶瓷基板並覆蓋一奈米銀層的步驟e。

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