功率模块、电源变换器以及功率模块的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种功率模块，且特别是有关于一种应用于电源变换器的功率模块。
【背景技术】
[0002]高效率和高功率密度一直是业界对电源变换器的要求。高效率代表着减少能耗，并有效利用能源以利于节能减碳与保护环境。高功率密度则代表着体积小、重量轻，减少空间需求，进而减少成本。
[0003]电源变换器的能耗主要来自通态损耗和开关损耗，特别是有源元件的开关损耗。开关损耗受工作频率的影响较大。电源变换器，特别是开关电源变换器，为降低音频噪音，其工作频率通常在20kHz以上。其实际工作频率的选择受无源元件特别是磁元件的影响较大。若磁性元件体积小，为了稳定工作，通常需要高频率来降低其工作磁通密度，从而带来高开关损耗；或者减小磁性元件中线组的线径并增加匝数，从而增加通态损耗。
[0004]相反地，若磁性元件体积大，则可以在保证稳定工作的前提下降低工作频率从而降低开关损耗；也可以增加磁性元件中线组的线径或者减小匝数，从而降低通态损耗，以降低总损耗，得到高效率。
[0005]因此，提升电源内部的空间利用率，是得到高功率密度或者高效率的关键因素之一。空间利用率越高，留给对电源变换效率很重要的无源元件，例如是磁性元件、电容等的空间就越大，就更容易使用到大体积的无源元件，从而提升电源效率。另外，还可通过使用大体积的无源元件来增加电源总功率，从而提升电源变换器的功率密度。所以，高的电源空间利用率，更易于在特定功率密度下达成高效率或者在特定效率下达成高功率密度，也有机会高功率密度和高效率兼顾。
[0006]另外，半导体元件是决定电源变换器效率的重要因素之一。但使用半导体元件，不可避免地需要使用对电源变换效率无益的额外材料，如:保护半导体的封装材料、帮助散热的散热器、固定半导体元件的夹具等等。这些材料在电源变换器内部的比例越大，电源转换器的内部空间利用率就越差。正因为此，功率半导体元件占用的空间体积，占电源转换器总体积的比重也越来越大，也越来越被重视。为进一步提升电源转换器的性能，需要继续提高空间利用率，而半导体元件本身的封装空间利用率便成为了瓶颈。
[0007]集成功率模块(Integrated Power Module, IPM),将多个半导体元件(如功率元件、控制元件与驱动元件等)集成在一个元件封装里，借此提升封装内的空间利用率。集成功率模块具备使用方便、平均无故障时间长等优势，在很多场合被应用。由于集成功率模块将多个功率元件集中在一起，热量多且分布在多处，其热管理因此变得很关键。众多现有技术用以改善集成功率模块的散热能力。
[0008]请参照图1a,图1a是绘示传统一种功率模块10a的示意图。如图1a所示,功率模块10a包含第一功率元件11、第二功率元件12、基板13、接合引线14 (bonding wire)、引线框架15 (Ieadframe)、以及模封材料16 (molding compound)。基板13为覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper, DBC),利用导热性佳的铜片131与高绝缘性的陶瓷基板132所形成。通过在覆铜陶瓷基板上形成电路图形，然后安装各个功率元件11、12在覆铜陶瓷基板上，然后针对第一功率元件11、第二功率元件12上部分的电极使用接合引线14完成第一 /第二功率元件11、12的正面电极和覆铜陶瓷基板和引线框架15的电性连接，最后再灌入模封材料16包覆需要保护的区域，达到防尘、防潮、电性绝缘等功用。
[0009]然而，由于所有功率元件均需安装至覆铜陶瓷基板，因此所需的覆铜陶瓷基板的面积比较大，然而覆铜陶瓷基板的价格比较昂贵，因此相对地增加了整个封装模块所需的成本。另外，通常作为陶瓷基板132的材料为三氧化二铝，其导热系数为24W/m.k左右，相较于直接使用模封材料(其导热系数通常低于lW/m.k)已经获得很大的改善，但是和金属(如铜的导热系数为400W.m.k)的导热特性相比仍然有很大的差距，以致于覆铜陶瓷基板其横向热扩散的能力不佳，导致其热均匀性也不佳。因此，在传统的作法上通常会额外增加散热器来提升热均匀的能力以及扩大散热面积。
[0010]请参照图lb，图1b是绘示传统另一种功率模块10b的示意图。类似于图1a的功率模块100a，功率模块10b包含第一功率元件11、第二功率元件12、与基板13，其中基板13为覆铜陶瓷基板，且第一功率元件11与第二功率元件12设置在基板13上。另外，基板13的另一侧另设置散热单元17 (如散热器)。散热器可以为热的良导体材料组成，如铜、招、或石墨等材料，进而使得功率1?块10b的均温性能大幅提升。
[0011]然而，由于覆铜陶瓷基板具备高耐压能力，需要配置较厚的模封材料来保证整体的绝缘耐压。由于其散热能力较好，通常被设计于热密度较高的场合，并且通过螺丝固定附加的散热器。因为是高耐压封装，螺丝孔也需要配合耐压，导致螺丝孔实际占有空间较大。例如3mm的螺丝孔径，通常会占用5mm以上的面积以保证功率模块的耐压需求，导致功率模块的空间利用率降低。
[0012]另外，功率模块10b还包含控制/驱动元件18。由于控制元件和驱动元件本身的功耗通常都不高，对温度又比较敏感，因此通常通过热绝缘层19(如印刷电路板(PrintedCircuit Board, PCB)、模封材料等)设置在散热单元17上。热绝缘层19可以通过粘结、填充或者在表面上镀膜等方式生成。最后，通过接合引线14完成第一功率元件11、第二功率元件12、控制/驱动元件18、基板13和引线框架15间的电性连接，再灌入模封材料16，完成封装功率模块100b。借此，自身功耗小且对热敏感的元件同样可集成到功率模块中且减少被功率元件的高温影响，增加了功率模块的空间利用率。
[0013]虽然将控制元件或驱动元件通过热绝缘层设置在散热器上可以增加功率模块的空间利用率。然而，上述使用覆铜陶瓷基板产生的问题仍然没有解决。另外，功率模块的外壳(未绘示于图1b)通常是设计成绝缘的，以简化散热器的安装和选择。因此，即便外壳是电良导体(如铜)，其往往也被设计成电绝缘。据此,功率模块内的金属材料(如铜层)，仅仅被用作导电或者散热的单一功用，而没有同时利用其导电与散热的特性，使得材料的特性并没有完全应用到。
[0014]综上所述，目前功率模块的设计依然有着各类问题:如散热性能不佳、材料浪费、可靠性设计困难、电性能未能充分发挥、过于强调设计的通用性而导致过度设计(overdesign)、经济性能不高等问题。特别是其空间利用率不足，限制了其在高功率密度或者高效率场合的应用。因此，为进一步提升电源变换器的功率密度或者变换效率，需要具有高空间利用率及合理成本的功率模块解决方案。
【发明内容】
[0015]为了解决上述的问题，本发明提出具有较高空间利用率的功率模块，通过将平面型功率元件直接设置在散热基板上所形成的功率模块，不仅可以有效地提高空间利用率，并且省去额外设置覆铜陶瓷基板所需的成本，而功率模块的散热性也一并提升，使得电源变换器的高功率密度或是高效率得以实现，并且有效地提升电源变换器转变电能的效能。
[0016]本发明的一方面是关于一种功率模块，功率模块包含散热基板、第一平面型功率元件以及第二平面型功率元件。其中第一平面型功率元件包含多个电极均位于第一平面型功率元件的上表面，第二平面型功率元件包含多个电极均位于第二平面型功率元件的上表面，而第一平面型功率元件的下表面与第二平面型功率元件的下表面分别设置在散热基板的上方。
[0017]依据本发明一实施例，前述散热基板是由导电的热良导体的材料制成。
[0018]依据本发明一实施例，前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件中至少一者为氮化镓功率元件。
[0019]依据本发明一实施例，前述功率模块包含导热电绝缘层介于前述第一平面型功率元件的下表面与前述散热基板之间，前述第二平面型功率元件的下表面设置于前述散热基板上。
[0020]依据本发明一实施例，功率模块还包含至少一平面型元件，至少一平面型元件与前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件并列并且设置在前述散热基板上。
[0021]依据本发明一实施例，前述至少一平面型元件为驱动芯片或控制芯片。
[0022]依据本发明一实施例，功率模块还包含垂直型元件，垂直型元件直接设置在前述第一平面型功率元件或前述第二平面型功率元件的电极上，或者前述垂直型功率元件与前述第一平面型功率元件、前述第二平面型功率元件并列并且设置在前述散热基板上。
[0023]依据本发明一实施例，功率模块还包含多个引脚，而前述第一平面型功率元件的电极以及前述第二平面型功率元件的电极，分别连接至对应的引脚。
[0024]依据本发明一实施例，前述引脚包含输入电压引脚以及至少一输出电压引脚，前述第一平面型功率的漏极电极电性连接输入电压引脚以及其源极电极电性连接至少一输出电压引脚，前述第二平面型功率元件的漏极电极电性连接至少一输出电压引脚以及其源极电极电性连接前述散热基板。
[0025]依据本发明一实施例，功率模块还包含电容。电容的一端设置并直接连接于前述散热基板上，另一端设置并直接连接于前述输入电压引脚上。
[0026]依据本发明一实施例，功率模块还包含电容设置在前述第一平面型功率元件的上表面与前述第二平面型功率元件的上表面。电容的一端设置并直接连接于前述第一平面型功率元件的漏极电极，另一端设置并直接连接于前述第二平面型功率元件的源极电极。
[0027]依据本发明一实施例，前述第一平面型功率元件与前述第二平面型功率元件设置于同一芯片上。
[0028]依据本发明一实施例，功率模块还包含电容以及电路板。电容、前述散热基板和前述引脚设置于电路板上，电容的一端电性连接于前述散热基板，另一端电性连接于前述输入电压引脚。
[0029]依据本发明一实施例，功率模块还包含至少一开关元件。至少一开关元件电性连接前述第一平面型功率元件或前述第二平面型功率元件的前述电极。
[0030]依据本发明一实施例，前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件中至少一者为常开型元件，以及前述至少一开关元件为常闭型元件。
[0031]依据本发明一实施例，前述至少一开关元件为常闭型硅元件或是常闭型氮化镓元件。
[0032]依据本发明一实施例，前述第一平面型功率元件的耐压程度与前述第二平面型功率元件的耐压程度大约相等，并且至少是前述至少一开关元件的耐压程度的两倍以上。
[0033]依据本发明一实施例，前述至少一开关元件包含第一开关元件和第二开关元件。第一开关元件的一端电性连接前述第一平面型功率元件的源极电极，另一端电性连接前述第二平面型功率元件的漏极电极。第二开关元件的一端电性连接前述第二平面型功率元件的源极电极，另一端电性连接接地端。
[0034]依据本发明一实施例，前述至少一开关元件包含开关元件，开关元件具有第一端以及第二端。第一端电性连接前述第二平面型功率元件的源极电极。功率模块还包含第一电容和第二电容。第一电容的一端电性稱接前述第一平面型功率兀件的漏极电极，另一端电性耦接开关元件的第二端。第二电容的一端电性耦接前述第一平面型功率元件的漏极电极，另一端电性耦接前述第二平面型功率元件的源极电极。
[0035]依据本发明一实施例，功率模块还包含电路板。前述第一电容、前述散热基板、和前述弓I脚设置于电路板上。前述第一电容邻近于前述第一平面型功率元件和前述第二平面型功率元件。
[0036]依据本发明一实施例，前述第二电容设置在前述