电力开关装置的制作方法

本实用新型一般关于一种电力开关装置，具体而言，本实用新型关于电力开关装置的封装结构。

背景技术：

随着集成电路技术的进步，功率半导体元件由于具有高集成密度、相当低的静态漏电流以及不断提升的功率容量，因此目前已被广泛地应用于电源装置及变频器等领域。

在现有的电路结构中，无论是功率晶体管彼此之间或是功率晶体管本身与其他元件之间均会有电性连接的需求。然而，目前现有的电源模块封装结构大多采用打线连接方式达成电性连接，使得电源模块封装结构的导通电阻居高不下，进而影响切换效率。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的问题，本实用新型的一目的在于提供一种电力开关装置，具有低导通电阻、可提升电连接性可靠度及有效定位的封装结构。

本实用新型的另一目的在于提供一种电力开关装置，其利用多个金属夹板连接多个半导体芯片，并通过定位结构有效定位金属夹板彼此间的相对位置，以提升电性连接的可靠度。

于一实施例中，本实用新型提供一种电力开关装置，其包含基板、第一半导体芯片、第二半导体芯片、第一金属夹板及第二金属夹板，基板具有第一接触部、第二接触部及第三接触部；第一半导体芯片具有第一电极与第二电极，第一半导体芯片的第二电极连接第一接触部；第二半导体芯片具有第一电极与第二电极，第二半导体芯片的第一电极连接第二接触部；第一金属夹板具有第一表面，且第一金属夹板连接第一半导体芯片的第一电极与第三接触部；第二金属夹板部份堆叠在第一金属夹板的第一表面，以连接第二半导体芯片的第二电极与第一金属夹板的第一表面，第一金属夹板与第二金属夹板的连接处存在定位结构。

于一实施例，该定位结构形成于该第一金属夹板及该第二金属夹板的相互配合的凹凸结构。

于一实施例，该定位结构形成于该第一金属夹板及该第二金属夹板的相互配合的贯孔及凸点。

于一实施例，该定位结构为一突出部，形成于该第二金属夹板的端部，且该突出部朝向该第一金属夹板突出。

于一实施例，该定位结构为一突出部，形成于该第一金属夹板的端部，且该突出部朝向该第二金属夹板突出。

于一实施例，该定位结构为一突出部，形成于该第一金属夹板及该第二金属夹板的端部，且该突出部向该第一金属夹板与该第二金属夹板的连接面方向突出。

于另一实施例，本实用新型提供一种电力开关装置，其包含基板、第一半导体芯片、第二半导体芯片及连接单元，基板具有第一接触部、第二接触部及第三接触部；第一半导体芯片连接第一接触部；第二半导体芯片连接第二接触部；连接单元包含部分堆叠连接的第一金属夹板与第二金属夹板，连接单元连接第一半导体芯片、第二半导体芯片及第三接触部，第一金属夹板与第二金属夹板的连接处具有定位结构。换句话说，第一金属夹板与该第二金属夹板为部分堆叠，且至少其中之一具有一定位构造。

于一实施例，定位结构形成于第一金属夹板及第二金属夹板的相互配合的凹凸结构。

于一实施例，定位结构形成于第一金属夹板及第二金属夹板的相互配合的贯孔及凸点。

于一实施例，定位结构为突出部，突出部形成于第二金属夹板的端部，且突出部朝向第一金属夹板突出。

于一实施例，定位结构为突出部，突出部形成于第一金属夹板的端部，且突出部朝向第二金属夹板突出。

于一实施例，定位结构为突出部，形成于第一金属夹板及第二金属夹板的端部，且突出部向第一金属夹板与第二金属夹板的连接面方向突出。

相较于现有技术，根据本实用新型所公开的电力开关装置采用两个彼此间具有定位结构的金属夹板来进行电性连接，由于每个金属夹板不需连接多个功率晶体管，故其长度较短，不易于远端产生翘起的现象，大幅提升其电性连接的可靠度，并且由于其需要电性连接的点较少，亦可有效改善现有技术中由于不平整而导致开路或电性连接不良的现象。本实用新型通过定位结构有效提升于金属夹板间相对位置的定位，并可进一步加强电性连接的可靠度，且定位结构可整合在两个金属夹板至少其一中，故不致于影响整个电力开关装置的部件种类及数量，亦不会增加工艺上的复杂度及成本。

关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1为根据本实用新型的一实施例的电力开关装置的剖面示意图。

图2至图6分别为根据本实用新型的不同实施例的电力开关装置的剖面示意图。

图7、图7A及图7B分别为根据本实用新型的另一实施例的电力开关装置的平面示意图及沿图7的切线AA、BB的剖面示意图。

图8、图8A及图8B分别为根据本实用新型的另一实施例的电力开关装置的平面示意图及沿图8的切线AA、BB的剖面示意图。

图9、图9A及图9B分别为根据本实用新型的另一实施例的电力开关装置的平面示意图及沿图9的切线AA、BB的剖面示意图。

图10、图10A及图10B分别为根据本实用新型的另一实施例的电力开关装置的平面示意图及沿图10的切线AA、BB的剖面示意图。

图11至图13分别为本实用新型一实施例的电力开关装置应用于电源转换器的电路示意图、俯视示意图及剖面示意图。

图14为根据本实用新型的不同实施例的电力开关装置的俯视示意图。

主要元件符号说明：

1、2、7～9、11 电力开关装置

10 连接单元

21～28 定位结构

110 基板

112 第一接触部

114 第二接触部

116 第三接触部

120 第一半导体芯片

130 第二半导体芯片

140 第一金属夹板

140a 直角轮廓

142 凹槽

144 凸点

146 凸点

148 贯孔

149a、149b、149c 突出部

150 第二金属夹板

150a 内直角弯折面

152 凸点

154 凹槽

156 凹槽

158 突出部

159a、159b、159c 突出部

160 导电粘着层

170 封装材料层

210 导线架

PI 电源输入端

GND 接地端

PH 相位端

Q1 高侧N型晶体管

Q2 低侧N型晶体管

D1～D2 汲极

S1～S2 源极

G1～G2 闸极

VIN 输入电压

VOUT 输出电压

SD1～SD2 驱动控制信号

IL 电感电流

PO 输出端

L 输出电感

Cout 输出电容

具体实施方式

现在将详细参考本实用新型的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。为简化附图起见，一些常见惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。在下述诸实施例中，当元件被指为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件或特定材料，例如：胶体或焊料。

如图1所示，于一实施例，电力开关装置1包含基板110、第一半导体芯片120、第二半导体芯片130及连接单元10。基板110具有第一接触部112、第二接触部114及第三接触部116。第一半导体芯片120连接第一接触部112，而第二半导体芯片130连接第二接触部114。连接单元10包含第一金属夹板140与第二金属夹板150，第一金属夹板140与第二金属夹板150部分堆叠连接。由此，连接单元40连接第一半导体芯片120、第二半导体芯片130及第三接触部116，且第一金属夹板140与第二金属夹板150的连接处具有定位结构21，定位结构21可以在第一金属夹板140上，也可以在第二金属夹板150上，或两者皆有用于定位的结构。

具体而言，基板110可为合宜的电路板、陶瓷基板或导线架，且第一接触部112、第二接触部114及第三接触部116较佳为基板110与第一半导体芯片120及第二半导体芯片130形成电连接的接合垫或接点板。依据电力开关装置1的应用，第一半导体芯片120及第二半导体芯片130可为金氧半场效晶体管、功率晶体管、其他型式的晶体管或半导体芯片，不以此为限。第一半导体芯片120及第二半导体芯片130分别对应第一接触部112及第二接触部114设置于基板110上，且较佳通过例如导电粘着层160(例如焊锡)分别接合第一接触部112及第二接触部114。

第一金属夹板140设置于第一半导体芯片120及第三接触部116上，使得第一半导体芯片120可通过第一金属夹板140与基板110的第三接触部116形成电性连接。于一实施例中，第一金属夹板140可通过导电粘着层160与第一半导体芯片120形成电性连接并可通过导电粘着层160与第三接触部116形成电性连接，使得第一半导体芯片120能够通过第一金属夹板140与第三接触部116形成电性连接。

第二金属夹板150设置于第一半导体芯片120及第二半导体芯片130上，使得第二半导体芯片130可通过第二金属夹板150与第一金属夹板140形成电性连接。如图1所示，第一金属夹板140为L型的铜片，且第二金属夹板150亦可为铜片，其自第二半导体芯片130一侧弯折延伸于第一金属夹板140的上方，以部分堆叠于第一金属夹板140上。于此实施例，定位结构21形成于第一金属夹板140及第二金属夹板150的相互配合的凹凸结构。举例而言，第一金属夹板140与第二金属夹板150重叠的上表面形成有凹槽142，而第二金属夹板150与第一金属夹板140重叠的下表面则形成有对应的凸点152，凸点152伸入凹槽142，以定位第一金属夹板140与第二金属夹板150的相对位置且增进彼此间的连接性。第一金属夹板140及第二金属夹板150可通过导电粘着层160形成电连接，且导电粘着层160设置于凹槽142中，以使第一金属夹板140及第二金属夹板150不仅可通过凹槽142及凸点152定位，更可进一步加强彼此间的电性连接。

于一实施例中，电力开关装置1更包含封装材料层170来包覆第一半导体芯片120及第二半导体芯片130，以阻隔水气或其他物质对第一半导体芯片120及第二半导体芯片130造成腐蚀或损坏。此外，封装材料层170更可至少部分包覆第一金属夹板140与第一金属夹板140。于一实施例中，封装材料层170可露出第一金属夹板140的一部分、第二金属夹板150的一部分或其组合，以协助第一半导体芯片120及第二半导体芯片130进行散热，但不以此为限。

于另一实施例，如图2所示，第二金属夹板150自第二半导体芯片130延伸于第一半导体芯片120上的连接板，而第一金属夹板140延伸于第二金属夹板150上方，以部分堆叠于第二金属夹板150上。于此实施例，定位结构22较佳为形成于第一金属夹板140下表面的凸点144及形成于第二金属夹板150上表面的凹槽154，使得凸点144较佳伸入凹槽154，以定位第一金属夹板140与第二金属夹板150的相对位置，且并通过导电粘着层160增进彼此间的连接性。

如图3所示，于另一实施例，定位结构23较佳为形成于第一金属夹板140上表面的凸点146以及第二金属夹板150下表面对应的凹槽156，且凹槽156中可不设置导电粘着层160。可使第一金属夹板140及第二金属夹板150通过凸点146与凹槽156定位在正确的相对位置。

于一实施例中，第一金属夹板140及第二金属夹板150的厚度可以是25微米至75微米，但不以此为限。于前述实施例中，定位机构21、22、23较佳通过机械加工分别于第一金属夹板140及第二金属夹板150的连接位置(即重叠区)形成对应的凹槽及凸点，但不以此为限。

于一实施例中，如图4所示，定位结构24形成于第一金属夹板140及第二金属夹板150的相互配合的贯孔及凸点。举例而言，第一夹板140形成有贯穿其上、下表面的贯孔148，而第二金属夹板150与第一金属夹板140重叠的下表面较佳形成有对应的凸点152，凸点152较佳伸入贯孔148，以定位第一金属夹板140与第二金属夹板150的相对位置且增进彼此间的连接性。当第一金属夹板140及第一半导体芯片120通过导电粘着层160形成电连接时，涂布于第一半导体芯片120的导电粘着层160可通过第一金属夹板140压挤而部分进入贯孔148，或甚至溢出贯孔148。当第二金属夹板150压抵于第一金属夹板140上方时，凸点152伸入贯孔148并埋入导电粘着层160而进一步将导电粘着层160挤压至第一金属夹板140及第二金属夹板150之间，使得第二金属夹板150与第一金属夹板140可通过溢出的导电粘着层160形成电连接。由此，可省略于第一金属夹板140与第二金属夹板150间的导电粘着层160的涂布步骤，有效简化工艺。

于一实施例中，如图5所示，上述的凸点152可由突出部158取代，亦即定位结构25形成于第一金属夹板140的贯孔148及第二金属夹板150的突出部158。举例而言，突出部158形成于第二金属夹板150的端部，且突出部158朝向第一金属夹板140的上表面向下延伸。于一实施例，突出部158实施为第二金属夹板150末端向下弯折的部分，且突出部158的延伸长度较佳以贯孔148或凹槽142的深度为考量。举例而言，突出部158的延伸长度较佳为可伸入贯孔148但不超出第一金属夹板140的下表面，但不以此为限。于其他实施例，突出部158的延伸长度可通过贯孔148而略为突出第一金属夹板140而埋入第一金属夹板140及第一半导体芯片120之间的导电44444444

4444444446～图10所示，定位结构可设置于第一金属夹板140及第二金属夹板150其中之一或两者均设置定位结构。举例而言，如图6所示，定位结构26形成于第二金属夹板150的端部的突出部158，且突出部158朝向第一金属夹板140的侧边向下延伸。于此实施例，第二金属夹板150自第一金属夹板140的一端至少部分延伸超过第一金属夹板140的相对另一端，使得突出部158朝向第一金属夹板140所在的方向突出，即向下延伸以对应第一金属夹板140相对于基板110实质直立的至少部分侧表面。于一实施例中，如图7、7A及7B所示，定位结构27为第一金属夹板140的突出部149a、149b及/或149c。图7为根据本实用新型的一实施例的电力开关装置7的平面示意图，而图7A及7B为分别沿图7的切线AA、BB的剖面示意图。突出部149a、149b、149c可设置于第一金属夹板140的各侧边端部以对应第二金属夹板150的侧边端部，且突出部149a、149b、149c向第一金属夹板140与第二金属夹板150的连接面方向突出，例如朝第二金属夹板150边缘向上突出以对应第二金属夹板150相对于基板110实质直立的至少部分侧表面。于另一实施例中，定位结构为第二金属夹板150的突出部159a、159b及/或159c。图8为根据本实用新型的一实施例的电力开关装置8的平面示意图，而图8A及8B为分别沿图8的切线AA、BB的剖面示意图。突出部159a、159b、159c可设置于第二金属夹板150的各侧边端部以对应第一金属夹板140的侧边端部，且突出部159a、159b、159c向第一金属夹板140与第二金属夹板150的连接面方向突出，例如朝第一金属夹板140边缘向下突出以对应第一金属夹板140相对于基板110实质直立的至少部分侧表面。于又一实施例中，如图9、9A及9B所示，定位结构为第一金属夹板140的突出部149a及第二金属夹板150的突出部159b及/或159c。图9为根据本实用新型的一实施例的电力开关装置9的平面示意图，而图9A及9B为分别沿图9的切线AA、BB的剖面示意图。突出部149a、159b、159c向第一金属夹板140与第二金属夹板150的连接面方向突出，例如突出部149a向上突出以对应第二金属夹板150相对于基板110实质直立的至少部分侧表面且突出部159b、159c向下突出以对应第一金属夹板140实质直立于基板110的至少部分侧表面。于一实施例中，如图10、10A及10B所示，定位结构为第一金属夹板140的突出部149b、149c及第二金属夹板150的突出部159a。图10为根据本实用新型的一实施例的电力开关装置11的平面示意图，而图10A及10B为分别沿图10的切线AA、BB的剖面示意图。突出部149b、149c、159a向第一金属夹板140与第二金属夹板150的连接面方向突出，例如突出部149b、149c向上突出以对应第二金属夹板150相对于基板110实质直立的至少部分侧表面且突出部159a向下突出以对应第一金属夹板140实质直立于基板110的至少部分侧表面。简而言之，定位结构可设置于第一金属夹板140或第二金属夹板150的端部，通过突出部与另一金属夹板侧边的对应定位，而可省略金属夹板凹点或贯孔的机械加工程序。

在此需注意，依据实际应用及需求，于其他实施例中，图6～10的突出部定位结构可与前述图1～5的任一定位结构21～25同时使用，以强化定位效果，但不以此为限。

本实用新型的电力开关装置可应用于电源模块、半桥式模块、电源转换器的输出级等，但不以此为限。举例而言，如图11～13所示，于一实施例中，电力开关装置应用于电源转换器，例如直流-直流转换器(DC-DC converter)的输出级OS。于此实施例，应用于电力开关装置2的输出级OS包括导线架210、高侧N型晶体管Q1、低侧N型晶体管Q2、第一金属夹板140及第二金属夹板150。导线架210包括电源输入端PI、接地端GND、相位端PH。换言之，本实施例的导线架210、高侧N型晶体管Q1及低侧N型晶体管Q2分别模拟于前述实施例的基板110、第一半导体芯片120及第二半导体芯片130，而电源输入端PI、接地端GND及相位端PH则分别模拟于前述实施例的第一接触部112、第二接触部114及第三接触部116。

高侧N型晶体管Q1设置于电源输入端PI上，且高侧N型晶体管Q1的汲极D1面向电源输入端PI并可通过导电粘着层160与电源输入端PI形成电性连接，以从电源输入端PI取得输入电压VIN。由此，高侧N型晶体管Q1在运作过程中所产生的大量热能可通过电源输入端PI进行散热。在一实施例中，导电粘着层160可以是焊锡，但不以此为限。于实际应用中，高侧N型晶体管Q1的汲极D1亦可通过热压法或其他方式与电源输入端PI形成电性连接，并无特定的限制。于一实施例中，高侧N型晶体管Q1可以是具有垂直型式的晶体管，例如沟渠式(Trench-type)晶体管，但不以此为限。

低侧N型晶体管Q2设置于接地端GND上，且低侧N型晶体管Q2的源极S2面向接地端GND并可通过导电粘着层160与接地端GND形成电性连接。由此，低侧N型晶体管Q2在运作过程中产生的大量热能可通过接地端GND进行散热。于实际应用中，低侧N型晶体管Q2的源极S2亦可通过热压法或其他方式与接地端GND形成电性连接，并无特定的限制。于一实施例中，低侧N型晶体管Q2可以是具有水平型式的晶体管，例如横向双扩散金氧半场效晶体管(Lateral double-diffused MOS,LDMOS)，但不以此为限。在其他实施例中，低侧N型晶体管Q2也可以是具有垂直型式的晶体管，且低侧N型晶体管Q2为倒置放置，但不以此为限。

第一金属夹板140设置于高侧N型晶体管Q1及相位端PH上，使得高侧N型晶体管Q1的源极S1可通过第一金属夹板140与导线架210的相位端PH形成电性连接。第二金属夹板150设置于高侧N型晶体管Q1及低侧N型晶体管Q2上，并部份堆叠在第一金属夹板140的上表面，以连接低侧N型晶体管Q2的汲极D2与第一金属夹板140的上表面，使得高侧N型晶体管Q1的源极S1能够通过第一金属夹板140及第二金属夹板150而与低侧N型晶体管Q2的汲极D2形成电性连接。

输出电感L电性连接于相位端PH与输出端PO之间，输出电容Cout电性连接于输出端PO与接地GND之间，电源转换器1的输出级OS所输出的输出电流IL流经输出电感L后于输出端PO形成输出电压VOUT。在其他实施例中，相位端PH亦可称之为输出端，本实用新型并不以此为限。于一实施例中，驱动芯片(未绘示)可通过驱动控制信号SD1及SD2分别控制高侧N型晶体管Q1的闸极G1及低侧N型晶体管Q2的闸极G2的开启或关闭，以将输入电压VIN转换为较低的输出电压VOUT。在其他实施例中，高侧N型晶体管Q1、低侧N型晶体管Q2及驱动芯片亦可整合成单颗封装体，业界称之为DrMOS封装体。于实际应用中，驱动芯片可与脉宽调变(Pulse-width modulation,PWM)控制芯片整合为一控制器，但不以此为限。

于此实施例，如图13所示，定位结构28可为第一金属夹板140及第二金属夹板150的相互配合的外观轮廓。举例而言，第一金属夹板140朝向低侧N型晶体管Q2的末端可具有直角轮廓140a，而第二金属夹板150可具有内直角弯折面150a，以对应第一金属夹板140的直角轮廓140a。通过内直角弯折面150a与直角轮廓140a相互对应，可有效定位第一金属夹板140及第二金属夹板150的相对位置。

虽然本实施例中第一金属夹板140及第二金属夹板150以外观轮廓相互配合的定位结构28说明，然而第一金属夹板140及第二金属夹板150的定位机制可利用任一定位结构21～26、突出部149a～c、159a～c或其组合取代定位结构28。虽然图12中绘示第二金属夹板150与第一金属夹板140具有实质宽度相同的堆叠部分，但不以此为限。于一实施例，如图14所示，第二金属夹板150延伸堆叠至第一金属夹板140的部分可具有较小的宽度。

相较于现有技术，根据本实用新型所公开的电力开关装置采用两个彼此间具有定位结构的金属夹板来进行电性连接，由于每个金属夹板不需连接多个功率晶体管，故其长度较短，不易于远端产生翘起的现象，大幅提升其电性连接的可靠度，并且由于其需要电性连接的点较少，亦可有效改善现有技术中由于不平整而导致开路或电性连接不良的现象。本实用新型通过定位结构有效提升于金属夹板间相对位置的定位，并可进一步加强电性连接的可靠度，且定位结构可整合在两个金属夹板至少其一中，故不致于影响整个电力开关装置的部件种类及数量，亦不会增加工艺上的复杂度及成本。

本实用新型已由上述实施例加以描述，然而上述实施例仅为例示目的而非用于限制。本领域技术人员当知在不悖离本实用新型精神下，于此特别说明的实施例可有例示实施例的其他修改。因此，本实用新型范畴亦涵盖此类修改且仅由所附权利要求限制。