[发明专利]具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块

说明书

本发明公开了一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板，供焊接设置至少一大功率电路组件，该高导热陶瓷基板是被导热连结至一金属散热器，且该高导热陶瓷基板包括：一基板本体，具有一设置面及在一高度方向相反于该设置面的安装散热面；至少一布局于该基板本体上述设置面的电路层，该电路层包括至少一个供超声波焊接的金属熔焊垫和至少一供上述大功率电路组件焊接的安装垫；复数成形于该基板本体该安装散热面且彼此间隔设置、供导热连结该金属散热器的金属散热安装块，其包含至少一个在垂直上述高度方向的投影面上全覆盖上述熔焊垫的振荡稳定的支撑保护接垫。此外，本发明还公开了一种具有保护接垫的高导热陶瓷基板。

技术领域

本发明涉及一种高导热陶瓷基板，尤其是一种具有特殊结构设计的保护接垫的高导热陶瓷基板。

背景技术

随着环保意识的推广，空污问题被媒体广泛报导使得越来越多消费者选择以电动交通工具取代内燃机为动力的传统交通工具，例如以电动机车取代二行程机车以及以电动房车取代传统汽车，而这些电动交通工具都依赖大功率的电动马达以提供动力，因此市场对于大功率的电力控制组件的需求非常殷切，也引起各大供货商竞相投入研发，例如日商瑞萨电子(Renesas Electronics)宣布推出100安培大电流功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，适用于消费性产品中的马达驱动器，如无线电动工具及动力辅助自行车。

上述大功率组件消耗的能量大一方面代表电流效率较高，但是大功率组件自身带有内电阻且工作电流大，因此有一定比例的电能会被转换为热能也是不可避免的。如果无法尽快将大功率组件的热能逸散，高发热组件所产生的热能将会积聚在靠近大功率组件的附近，使得高发热组件的运作环境非常不理想而影响其工作效能。目前比较被普遍实行的解决方案是使用陶瓷材料做为电路基板的绝缘材料层，陶瓷基板做为电路板的一种，其具有与半导体接近的热膨胀系数及高耐热能力，尤其相较于传统例如FR4等材质的电路基板，具有良好的导热系数，适用于具备高发热量的产品，而且其高硬度、加工性好、尺寸精度高、高绝缘电阻、和极强的电路图形附着力，加上材料来源丰富容易取得，因此成为用以配置大功率组件的印刷电路的基板的首选。

最常见的陶瓷材料有氧化铝(Aluminum Oxide，Al2O3)制成的直接覆铜(DirectBonded Copper，DBC)基板，其中，氧化铝在单晶结构下导热系数可达35Wm^-1K^-1，多晶结构下则有20至27Wm^-1K^-1。其他常见的陶瓷材料基板，还有：氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)及碳化硅(SiC)等。由于上述导热性能良好的陶瓷材料常用在有高功率电子组件的电路基板中，因此该类基板有时又称作高功率印刷电路基板(Power Electronic Substrate)。

铝导电条在空气中会与氧反应很快生成氧化膜，能防止进一步氧化，所以铝导电条是大功率组件引刷电路常用的打线材料。然而，因为铝的氧化活性强故在高温焊接时表面会快速生成氧化层而无法与焊锡连接，因此传统的热电焊法是无法将铝导电条焊接在铜质的熔焊垫上，如图1所示，一般是采用例如超声波振荡焊接设备84将铝导电条85和熔焊垫86焊接。然而相较于传统FR-4塑料基板，陶瓷的基板本体87硬且脆非常容易在超音波震荡时破裂而造成电路断线的问题，因此制造的量率一直难以提高直接降低了产能和提高了成本。

此外，虽然大功率组件可以很容易经由焊锡焊接在布局在陶瓷基板表面的焊垫上，但是容易产生过多的热能聚积，由于印刷电路板和电路组件间的热膨胀系数不一，金属铜与铝的热膨胀系数为16.5与23ppm/K，而陶瓷材料氧化铝、氮化铝与氮化硅大约分别是7、4.5与3.5ppm/K，当陶瓷基板与结合的金属层热膨胀系数差异过大时，在高温的焊接环境或运作环境下反复经热胀冷缩，导热接垫90的膨胀量会大于基板本体87的膨胀量，导致导热接垫90的铜层会翘曲变形金属及陶瓷基板之间的界面容易产生破裂、翘曲或变形剥离的问题，也势必会造成因热应力而让接点产生受损的风险，通常需要高效率的散热手段才能有效解决热能积蓄的问题。