电源模块的制作方法

本发明关于一种电源模块，尤指一种适用于电源转换器的电源模块。

背景技术：

近年来，电源转换器设计朝向高效率与高密度发展。高效率电源转换器意谓着能够降低功率耗损以及达到节能的目的，而高密度电源转换器则代表着能够降低电子产品的整体体积以及达成小尺寸与轻量化的要求。

一般而言，电源转换器包含桥式电路，以通过桥式电路进行整流。桥式电路包含至少一高压侧开关组件及至少一低压侧开关组件，例如三相电源转换器的三相桥式电路包含三个高压侧开关组件及三个低压侧开关组件，其中高压侧开关组件与对应的低压侧开关组件串联连接，且每一高压侧开关组件与低压侧开关组件分别由彼此并联连接的一半导体开关与一二极管所构成。举例而言，半导体开关可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。半导体开关进行导通或截止的切换运作，使桥式电路进行整流。二极管则于半导体开关截止时，提供电流续流功能。

电源转换器的桥式电路的传统制法描述如下。首先，将高压侧开关组件的半导体开关及二极管与低压侧开关组件的半导体开关及二极管分别设置于基板上。然后，利用例如铝线、铜线等材料以打线(wire-bonded)技术使高压侧开关组件的功率半导体开关与二极管以及低压侧开关组件的半导体开关与二极管可彼此连接及/或与外部组件连接。最后，再将上述结构以封装材料进行封装。

然而由于高压侧开关组件及低压侧开关组件利用打线技术使彼此连接，如此将产生一些问题。举例而言，高压侧开关组件及低压侧开关组件需使用较长的线来连接，使得线及基板上所存在的寄生电感(parasitic inductance)增加，如此将影响高压侧开关组件及低压侧开关组件的切换效率。再则，较长的线所产生的阻抗较大，导致电源转换效率较差。再者，由于供高压侧开关组件及低压侧开关组件设置的基板的一侧面需进行打线程序，故该侧面并无法设置任何散热装置，导致基板仅能单边散热而存在散热效率不佳的问题。更甚者，由于基板上须预留打线区域，故使基板的空间利用率受到限制，导致功率密度无法提升。另外，由于桥式电路于高压侧开关组件及低压侧开关组件设置于基板上后进行封装，于桥式电路制作完成后，一旦当高压侧开关组件或低压侧开关组件内有组件发生损坏的情形时，并无法对已经进行封装的高压侧开关组件或低压侧开关组件的损坏组件进行更换，导致桥式电路异常而无法再使用。

因此，如何发展一种可改善上述习知技术缺失的电源模块，实为相关技术领域者目前所需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主目的为提供一种电源模块，其将半导体开关及二极管内埋于绝缘层内，借此第一次模块与第二次模块可构成桥式电路的高压侧开关组件及低压侧开关组件。高压侧开关组件与低压侧开关组件设置于基板上且与基板的对应导接部电连接，因此本发明的功率模块可以降低寄生电感、增加切换效率、降低阻抗以及增加电源转换效率。再则，因不需要于基板上保留打线区域，使基板的空间利用增加，借此提升电源密度。

根据本发明的构想，本发明提供一种电源模块，该电源模块包含基板、至少一第一次模块及至少一第二次模块。基板包括多个第一导接部、多个第二导接部以及至少一个第三导接部。该至少一第一次模块设置于基板上，并包含第一半导体开关、第一二极管、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、上第五电极、下第五电极、上第六电极以及下第六电极。上第五电极与下第五电极彼此电连接，上第六电极与下第六电极彼此电连接。第一电极、上第五电极以及上第六电极设置于第一次模块的上侧。第二电极、第三电极、第四电极、下第五电极以及下第六电极设置于第一次模块的下侧。第一半导体开关包括多个第一导接端，第一二极管包括多个第二导接端。第一电极及第三电极与第一半导体开关中对应的第一导接端以及第一二极管中对应的第二导接端电连接。第一电极与第四电极电连接，第二电极与第一半导体开关中对应的第一导接端电连接，第二电极及下第五电极与对应的第一导接部便连接。第四电极及下第六电极与对应的第二导接部电连接，第三电极与第三导接部电连接。至少一第二次模块设置于第一次模块上，并包含第二半导体开关、第二二极管、第七电极、第八电极及第九电极。第二半导体开关包括多个第三导接端，第二二极管包括多个第四导接端。第七电极与第二半导体开关中对应的第三导接端及第二二极管中对应的第四导接端电连接。第八电极与第二半导体开关中对应的第三导接端电连接。第九电极与第二半导体开关中对应的第三导接端以及第二二极管中对应的第四导接端电连接。第七电极与第一次模块的上第六电极电连接。第八电极与第一次模块的上第五电极电连接。第九电极与第一次模块的第一电极电连接。

本发明得通过下列图示与实施例说明，俾得一更清楚的了解。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的电源模块的结构示意图。

图2为图1所示的电源模块的第一次模块的剖面结构示意图。

图3为图1所示的电源模块的第二次模块的剖面结构示意图。

图4为图1所示的电源模块应用于三相电源转换器的三相桥式电路的电路架构图。

图5为本发明另一较佳实施例的电源模块的结构示意图。

【符号说明】

1、7：电源模块

2：基板

3：第一次模块

4：第二次模块

20：第一导接部

21：第二导接部

22：第三导接部

23：第一表面

201：辅助电极

30：第一半导体开关

31：第一二极管

32：第一导电层

33：第一绝缘层

34：第二导电层

38：固着材料

300：第一导接端

301：上表面

302：下表面

310：第二导接端

311：上表面

312：下表面

320：第一电极

321：第二电极

322：第三电极

323：第四电极

324：第五电极(上第五电极、下第五电极)

325：第六电极(上第六电极、下第六电极)

330：第一导电通孔

331：第二导电通孔

332：底面

333：顶面

40：第二半导体开关

41：第二二极管

42：第三导电层

43：第二绝缘层

44：第四导电层

45：第三绝缘层

46：第五导电层

400：第三导接端

401：下表面

402：上表面

410：第四导接端

411：下表面

412：上表面

420：第七电极

421：第八电极

422：第九电极

423：第一导电区块

424：第二导电区块

430：第三导电通孔

431：第四导电通孔

432：底面

433：顶面

710：第一散热装置

711：第二散热装置

97：第一导热部件

98：第二导热部件

99：第三导热部件

100：第四导热部件

101：第五导热部件

102：第六导热部件

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明的用，而非架构于限制本发明。

请参阅图1、图2及图3，其中图1为本发明较佳实施例的电源模块的结构示意图，图2为图1所示的电源模块的第一次模块的剖面结构示意图，图3为图1所示的电源模块的第二次模块的剖面结构示意图。本发明的电源模块1包含一基板2、至少一第一次模块3及至少一第二次模块4。此外，基板2的第一表面23上具有多个第一导接部20、多个第二导接部21以及至少一个第三导接部22。

于本实施例中，第三导接部22的右侧设置两个第一导接部20，而第三导接部22的左侧则设置两个第二导接部21。此外，第一导接部20、第二导接部21及第三导接部22由导电材质(例如铜)所构成。

第一次模块3设置于基板2的第一表面23上，且包括一第一半导体开关30、一第一二极管31、一第一电极320、一第二电极321、一第三电极322、一第四电极323、两个第五电极324以及两个第六电极325。两个第五电极彼此电连接，两个第六电极彼此电连接。第一半导体开关30包括多个第一导接端300。第一二极管31包括多个第二导接端310。第一电极320、其中的一个第五电极324(亦称为上第五电极)及其中的一个第六电极325(亦称为上第六电极)位于第一次模块3的上侧。第二电极321、第三电极322、第四电极323、另一个第五电极324(亦称为下第五电极)以及另一个第六电极325(亦称为下第六电极)位于第一次模块3的下侧。第一电极320及第三电极322分别与第一半导体开关30中对应的第一导接端300电连接。第一电极320及第三电极322亦分别与第一二极管31中对应的第二导接端310电连接。第一电极320亦与第四电极323电连接，第二电极321与第一半导体开关30中对应的第一导接端300电连接。当第一次模块3设置于基板2上时，第二电极321及下第五电极324分别与对应的第一导接部20相导接，第四电极323及下第六电极325分别与对应的第二导接部21相导接，第三电极322与第三导接部22相导接。

第三电极322设置于第二电极321及第四电极323之间，第二电极321设置于第三电极322及下第五电极324之间，第四电极323设置于第三电极322及下第六电极325之间。

可选择地，第一次模块3更包括一辅助电极201，设置于第一次模块3的上侧且位于第一电极320及上第五电极324之间。此外，辅助电极201与第二电极321电连接，并与第一半导体开关30中对应的第一导接端300电连接。

于一些实施例中，第一半导体开关30可为但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)，因此第一半导体开关30包括三个第一导接端300，且三个第一导接端300分别作为栅极(gate)，发射极(emitter)及集极(collector)。第一电极320与集极电连接，第二电极321与栅极电连接，第三电极322与发射极电连接。

第二次模块4设置于第一次模块3上，且第二次模块4包括一第二半导体开关40、一第二二极管41、一第七电极420、一第八电极421及一第九电极422。第二半导体开关40包括多个第三导接端400，第二二极管41包括多个第四导接端410。第七电极420与第二半导体开关40中对应的第三导接端400及第二二极管41中对应的第四导接端410电连接。第八电极421与第二半导体开关40中对应的第三导接端400电连接。第九电极422与第二半导体开关40中对应的第三导接端400及第二二极管41中对应的第四导接端410电连接。当第二次模块4设置于第一次模块3上时，第七电极420与上第六电极325相导接，第八电极421与上第五电极324相导接，且第九电极422与第一电极320相导接。

第九电极422设置于第七电极420及第八电极421之间。此外，辅助电极201上更设置一固着材料38，用以当第二次模块4设置于第一次模块3上时，可通过固着材料38使第二次模块4可贴附于第一次模块3上。

于一些实施例中，第二半导体开关40可为但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)，因此第二半导体开关40包括三个第三导接端400，且三个第三导接端400分别作为栅极、发射极及集极。第七电极420与发射极电连接，第八电极421与栅极电连接，第九电极422与集极电连接。

图4为图1所示的电源模块应用于三相电源转换器的三相桥式电路的电路架构图。如第1、4图所示，本发明的电源模块1可应用于三相电源转换器，且电源模块1包括三个第一次模块3及三个第二次模块4，其中每一第一次模块3与对应的第二次模块4共同地构成三相桥式电路的一组桥臂。此外，第一次模块3构成高压侧开关组件，且第二次模块4构成低压侧开关组件。于桥式电路的每一组桥臂中，高压侧开关组件的发射极与低压侧开关组件的集极电连接。此外，如上所述，第一次模块3的第一电极320与第二次模块4的第九电极422相导接，第一电极320与第一半导体开关30的发射极电连接，且第九电极422与第二半导体开关40的集极电连接。换言之，高压侧开关组件(亦即第一次模块3)的发射极与低压侧开关组件(亦即第二次模块4)的集极电连接。

请再参阅图2及图3，第一次模块3包含第一半导体开关30、第一二极管31、第一导电层32、第一绝缘层33、第二导电层34、第一导热部件97、第二导热部件98、第三导热部件99及第四导热部件100。

此外，第一绝缘层33具有多个第一导电通孔330及多个第二导电通孔331。第一导电层32可利用电镀方式形成于第一绝缘层33的底面332上，且覆盖部分的第一绝缘层33的底面332。第一导电层32可利用例如蚀刻方式而形成第二电极321、第三电极322、第四电极323、下第五电极324及下第六电极325。

第二导电层34可利用电镀方式形成于第一绝缘层33的顶面333上，且可利用例如蚀刻方式形成第一电极320、上第五电极324、上第六电极325及辅助电极201。第一电极320及辅助电极201分别与其对应的第一导电通孔330的第一端相导接，且第一电极320与辅助电极201亦分别与其对应的第二导电通孔331的第一端相导接。上第五电极324及上第六电极325分别与其对应的第二导电通孔331的第一端相导接。

第一半导体开关30内埋于第一绝缘层33，其中作为第一半导体开关30的栅极的第一导接端300以及作为第一半导体开关30的发射极的第一导接端300位于第一半导体开关30的上表面301，而作为第一半导体开关30的集极的第一导接端300位于第一半导体开关30的下表面302。此外，第一半导体开关30的栅极与对应的第一导电通孔330的第二端相导接，借此与辅助电极201电连接。第一半导体开关30的发射极与对应的第一导电通孔330的第二端相导接，借此与第一电极320电连接。第一半导体开关30的集极与第三电极322相导接。

相似地，第一二极管31内埋于第一绝缘层33。位于第一二极管31的上表面311的第二导接端310作为阳极，且第一二极管31的阳极与对应的第一导电通孔330的第二端相导接，借此与第一电极320电连接。位于第一二极管31的下表面312的第二导接端310作为阴极，且第一二极管31的阴极设置于第三电极322上而与第三电极322电连接。

第一导热部件97、第二导热部件98、第三导热部件99及第四导热部件100可由金属材质制成。此外，该四个导热部件97、98、99、100可为但不限于分别由金属材质的同一导线架(Lead frame)或不同导线架所构成，且该四个导热部件97、98、99、100分别内埋于第一绝缘层33。

第一导热部件97与第一半导体开关30相邻设，且与第二电极321相接触，并与对应的第二导电通孔331的第二端相接触，借此可与辅助电极201电连接。此外，第一导热部件97部分外露于第一绝缘层33，因此透过第一导热部件97可将第一半导体开关30产生的热能转移至第一次模块3的外部。再则，作为第一半导体开关30的栅极的第一导接端300可经由对应的第一导电通孔330、辅助电极201、对应的第二导电通孔331与第一导热部件97而电连接于第二电极321。第二导热部件98与第一二极管31相邻设，且与第四电极323相导接，并与对应的第二导电通孔331的第二端相导接，借此与第一电极320电连接。此外，第二导热部件98部份外露于第一绝缘层33，因此透过第二导热部件98可将第一二极管31产生的热能转移至第一次模块3的外部。再则，作为第一二极管31的阳极的第二导接端310可经由对应的第一导电通孔330、第一电极320、对应的第二导电通孔331与第二导热部件98而电连接于第四电极323。

第三导热部件99与第一导热部件97相邻设，且与下第五电极324相导接，并与对应的第二导电通孔331的第二端相导接，借此与上第五电极324电连接。此外，第三导热部件99部分外露于第一绝缘层33，因此第一半导体开关30所产生热能的部分可经由第一导热部件97转移至第三导热部件99，且进一步地转移至第一次模块3的外部。第四导热部件100与第二导热部件98相邻设，且与下第六电极325相导接，并与对应的第二导电通孔331的第二端相导接，借此与上第六电极325电连接。此外，第四导热部件100部分外露于第一绝缘层33，因此第一二极管31所产生热能的部分可经由第二导热部件98转移至第四导热部件100，并进一步地转移至第一次模块3的外部。

第二次模块4包含第二半导体开关40、第二二极管41、第三导电层42、第二绝缘层43、第四导电层44、第三绝缘层45、第五导电层46、第五导热部件101及第六导热部件102。此外，第二绝缘层43具有多个第三导电通孔430及多个第四导电通孔431。第三导电层42可以电镀方式形成于第二绝缘层43的底面432上，且覆盖部分的第二绝缘层43的底面432。第三导电层42可利用例如蚀刻方式形成第七电极420、第八电极421及第九电极422，其中第七电极420、第八电极421及第九电极422的形成位置分别对应于上第六电极325、上第五电极324及第一电极320的设置位置。

第四导电层44以例如电镀方式形成于第二绝缘层43的顶面433上，且可利用例如蚀刻方式而形成第一导电区块423及第二导电区块424。第一导电区块423与对应的第三导电通孔430的第一端相导接，且与对应的第四导电通孔431的第一端相导接。第二导电区块424与对应的第三导电通孔430的第一端相导接，且与对应的第四导电通孔431的第一端相导接。第三绝缘层45设置于第四导电层44上。第五导电层46则以例如电镀方式形成于第三绝缘层45上。

第二半导体开关40内埋于第二绝缘层43，其中作为第二半导体开关40的栅极与发射极的多个第三导接端400位于第二半导体开关40的上表面402，且作为第二半导体开关40的集极的第三导接端400位于第二半导体开关40的下表面401。第二半导体开关40的栅极与对应的第三导电通孔430的第二端相导接，借此与第二导电区块424电连接。第二半导体开关40的发射极与对应的第三导电通孔430的第二端相导接，借此与第一导电区块423电连接。第二半导体开关40的集极与第九电极422相导接。

相似地，第二二极管41内埋于第二绝缘层43，其中位于第二二极管41的下表面411的第四导接端410作为阴极，且第二二极管41的阴极与第九电极422相导接；位于第二二极管41的上表面412的第四导接端410作为阳极，且第二二极管41的阳极与对应的第三导电通孔430的第二端相导接，借此与第一导电区块423电连接。

第五导热部件101及第六导热部件102分别内埋于第二绝缘层43，且第五导热部件101及第六导热部件102可为由金属材质制成。此外，第五导热部件101及第六导热部件102可由同一导线架或两不同导线架所构成。

第五导热部件101与第二半导体开关40相邻设，且与第八电极421相导接，并与对应的第四导电通孔431的第二端相导接，借此与第二导电区块424电连接。此外，第五导热部件101部分外露于第二绝缘层43，因此透过第五导热部件101可将第二半导体开关40产生的热能转移至第二次模块4的外部。再则，作为第二半导体开关40的栅极的第三导接端400可经由对应的第三导电通孔430、第二导电区块424、对应的第四导电通孔431与第五导热部件101而电连接于第八电极421。第六导热部件102与第二二极管41相邻设，且与第七电极420相导接，并与对应的第四导电通孔431的第二端相导接，借此与第一导电区块423电连接。此外，第六导热部件102部分外露于第二绝缘层43，因此透过第六导热部件102可将第二二极管41产生的热能转移至第二次模块4的外部。再则，作为第二二极管41的阳极的第四导接端410可经由对应的第三导电通孔430、第一导电区块423、对应的第四导电通孔431与第六导热部件102而电连接于第七电极420。

当第二次模块4设置于第一次模块3上时，作为第二半导体开关40的栅极的第三导接端400可经由对应的第三导电通孔430、第二导电区块424、对应的第四导电通孔431、第五导热部件101、第八电极421、上第五电极324、对应的第二导电通孔331、第三导热部件99与下第五电极324而电连接于基板2的对应的第一导接部20。此外，作为第二半导体开关40的发射极的第三导接端400可经由对应的第三导电通孔430、第一导电区块423、对应的第四导电通孔431、第六导热部件102、第七电极420、上第六电极325、对应的第二导电通孔331、第四导热部件100与下第六电极325而电连接于基板2的对应的第二导接部21。

于一些实施例中，第一绝缘层33及第二绝缘层43的材质可为但不限于树脂(resin)、ABF(Ajinomoto Build-Up Film)材料、预浸(prepreg)材料、塑模材料(molding compound)、环氧树脂(epoxy)、环氧填充材料(epoxy with filler)或是其他具高热传导数的适当绝缘材料。第一导电层32、第二导电层34、第三导电层42、第四导电层44及第五导电层46可分别由导电材质所构成，例如铜。第三绝缘层45可由高热传导数的绝缘材料所构成，例如陶瓷材料等。

由上可知，第一半导体开关30及第一二极管31内埋于第一绝缘层33且构装形成第一次模块3，且第二半导体开关40及第二二极管41内埋于第二绝缘层43且构装形成第二次模块4。此外，第一次模块3架构形成高压侧开关组件，且第二次模块4架构形成低压侧开关组件。第一半导体开关30的多个第一导接端300以及第一二极管31的多个第二导接端310分别与第一次模块3的第一电极320、第二电极321及第三电极322中对应的电极相导接。第二半导体开关40的多个第三导接端400以及第二二极管41的多个第四导接端410分别与第二次模块4的第七电极420、第八电极421及第九电极422中对应的电极相导接。当第一次模块3设置于基板2上且第二次模块4设置于第一次模块3上时，第一次模块3的第二电极321、第三电极322、第四电极323、下第五电极324及下第六电极325可分别与基板2的多个第一导接部20、多个第二导接部21及第三导接部22中对应的导接部相导接，因此第一次模块3可与其它电子组件电连接。此外，第二次模块4的第七电极420、第八电极421与第九电极422则分别通过上第六电极325、第一电极320与上第五电极324而分别与基板2的对应的第二导接部21、第一导接部20及第三导接部22相导接，因此第二次模块4可与其它电子组件电连接。相较于传统桥式电路的封装结构以打线的方式使高压侧开关组件及低压侧开关组件实现连接，本发明的电源模块1可减少寄生电感，提升切换效率，减少线路阻抗，以及提升电能转换效率。再者，由于基板2无须预留打线空间，故基板的空间利用可以增加，借此可提升功率密度。此外，第一次模块3及第二次模块4独立构成高压侧开关组件及低压侧开关组件，因此当第一次模块3或第二次模块4损坏时，即可将损坏的次模块进行更换，于损坏的次模块更新后，第一次模块3及第二次模块4便可正常运作。另外，由于第二次模块4与第一次模块3设置于不同层别，故可有效地缩短第一次模块3与第二次模块4之间的连接距离，借此可有效地降低导通阻抗，减少寄生效应，提升电性表现，同时可使电源模块1的整体功率密度增加。

请参阅图5，其中图5为本发明另一较佳实施例的电源模块的结构示意图。相较于图1所示的电源模块1，本实施例的电源模块7更包括一第一散热装置710及一第二散热装置711，其中第一散热装置710设置于第二次模块4的顶面且与第二次模块4接触，换言之，第一散热装置710与第二次模块4的第五导电层46接触，因此第一次模块3及第二次模块4的散热效率将提升。第二散热装置711设置于基板2的第二侧面24，其相对于基板2的第一侧面24，借此电源模块7的散热效率将进一步提升。

于一实施例中，第一散热装置710及第二散热装置711分别为被动式散热装置或主动式散热装置，其中被动式散热装置可为例如但不限于由金属或陶瓷等物质所构成散热器(heat sink)，主动式散热装置可为例如但不限于冷却水(cooling water)或是热管。

综上所述，本发明提供一种电源模块，其将第一半导体开关及第一二极管内埋于第一绝缘层，将第二半导体开关及第二二极管内埋于第二绝缘层，并分别构装为可构成高压侧开关组件的第一次模块及可构成低压侧开关组件的第二次模块。第一半导体开关的多个第一导接端以及第一二极管的多个第二导接端与第一次模块的第一电极、第二电极及第三电极中对应的电极电连接。第二半导体开关的多个第三导接端以及第二二极管的多个第四导接端与第二次模块的第七电极、第八电极及第九电极中对应的电极电连接。当第一次模块设置于基板上且第二次模块设置于第一次模块上时，第一次模块的第二电极、第三电极、第四电极、下第五电极及下第六电极可与基板上的多个第一导接部、多个第二导接部及第三导接部中对应的导接部相导接，因此第一次模块可与其它电子组件电连接。此外，第二次模块的第七电极、第八电极、第九电极则分别通过上第六电极、第一电极、上第五电极而分别与基板的对应的第二导接部、第一导接部及第三导接部电连接，因此第二次模块可与其它电子组件电连接。相较于传统桥式电路以打线的方式使高压侧开关组件及低压侧开关组件实现连接的方法，本发明的电源模块可减少寄生电感，提升切换效率，减少线路阻抗，以提升电能转换效率。再者，由于基板无须预留打线空间，故基板的空间利用可以增加，借此可提升功率密度。此外，由于第一次模块及第二次模块独立构成高压侧开关组件及低压侧开关组件，因此当第一次模块或第二次模块损坏时，可将损坏的次模块进行更换，于损坏的次模块更新后，第一次模块及第二次模块可正常运作。另外，由于第二次模块与第一次模块位于不同层别，故可缩短高压侧开关组件及低压侧开关组件之间的连接距离，借此可有效地降低导通阻抗，减少寄生效应，提升电性表现，同时可使电源模块的整体功率密度增加。

本发明得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。