CN107527899B - 功率组件、功率组件的制造方法及氮化镓智能功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率组件、功率组件的制造方法及氮化镓智能功率模块，该功率组件包括：安装载体；功率驱动器，设置于安装载体上；功率驱动器包括接地端焊垫、输入端焊垫及输出端焊垫，接地端焊垫和信号输出端焊垫位于功率驱动器背向安装载体的第一侧表面；氮化镓晶体管，氮化镓晶体管叠设于功率驱动器的第一侧表面上；氮化镓晶体管包括源极焊垫、漏极焊垫及栅极焊垫，源极焊垫和栅极焊垫位于氮化镓晶体管与功率驱动器相对的侧表面上，源极焊垫与接地端焊垫位置对应且抵接，栅极焊垫与输出端焊垫位置对应且抵接。本发明解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

Description

功率组件、功率组件的制造方法及氮化镓智能功率模块

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种功率组件、功率组件的制造方法及氮化镓智能功率模块。

背景技术

以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件被誉为第三代半导体器件，其优异的特性引起了国内外学者的关注。氮化镓(GaN)晶体管的开关速度比硅MOSFET快很多，可以实现更低的开关损耗，这一特性使得氮化镓(GaN)晶体管开始应用于电力电子领域。

目前，氮化镓(GaN)晶体管大多为分立式器件封装，并受单独的驱动器驱动，然而独立封装的氮化镓(GaN)晶体管和驱动器需要采用大量的焊线和引线来实现电气连接，而焊线和引线将引入寄生电感，这些寄生电感会带来开关损耗、振铃的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种功率组件、功率组件的制造方法及氮化镓智能功率模块，旨在本发明解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种功率组件，所述功率组件包括：

安装载体；

功率驱动器，设置于所述安装载体上；所述功率驱动器包括接地端焊垫、输入端焊垫及输出端焊垫，所述接地端焊垫和所述信号输出端焊垫位于所述功率驱动器背向所述安装载体的第一侧表面；

氮化镓晶体管，所述氮化镓晶体管叠设于所述功率驱动器的第一侧表面上；所述氮化镓晶体管包括源极焊垫、漏极焊垫及栅极焊垫，所述源极焊垫和所述栅极焊垫位于所述氮化镓晶体管与所述功率驱动器相对的侧表面上，所述源极焊垫与所述接地端焊垫位置对应且抵接，所述栅极焊垫与所述输出端焊垫位置对应且抵接。

在一种可能的设计中，所述功率组件还包括绝缘层及导电层，所述接地端焊垫与所述源极焊垫之间，且所述输出端焊垫与栅极焊垫之间均设置有所述导电层；

所述绝缘层设置于所述输入端焊垫及所述漏极焊垫之间。

在一种可能的设计中，所述功率组件还包括封装壳体，所述功率驱动器及所述氮化镓晶体管设置于所述封装壳体内。

在一种可能的设计中，所述封装壳体为导热不透明黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质。

在一种可能的设计中，所述安装载体为布线基板。

在一种可能的设计中，所述布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的电路布线层。

在一种可能的设计中，所述安装载体为引线框架。

在一种可能的设计中，所述功率组件为单通半桥功率组件。

本发明还提出一种氮化镓智能功率模块，包括如上所述的功率组件，其中，所述功率组件包括：安装载体；功率驱动器，设置于所述安装载体上；所述功率驱动器包括接地端焊垫、输入端焊垫及输出端焊垫，所述接地端焊垫和信号输出端焊垫位于所述功率驱动器背向所述安装载体的第一侧表面；氮化镓晶体管，所述氮化镓晶体管叠设于所述功率驱动器的第一侧表面上；所述氮化镓晶体管包括源极焊垫、漏极焊垫及栅极焊垫，所述源极焊垫和栅极焊垫位于所述氮化镓晶体管与所述功率驱动器相对的侧表面上，所述源极焊垫与所述接地端焊垫位置对应且抵接，所述栅极焊垫与所述输出端焊垫位置对应且抵接。

本发明还提出一种功率组件的制造方法，所述功率组件的制造方法包括以下步骤：

准备安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管；

将锡膏印刷至所述安装载体的安装位上；

将所述功率驱动器安装在所述安装载体上的安装位；

以倒装工艺将所述氮化镓晶体管叠设于所述功率驱动器背离所述安装载体的第一侧表面上；所述氮化镓晶体管的源极焊垫与所述功率驱动器的焊垫位置对应且抵接，所述氮化镓晶体管的栅极焊垫与所述功率驱动器的输出端焊垫位置对应且抵接；

以回流焊工艺对所述安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管进行回流焊接；

通过导热绝缘材料将所述安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管进行覆盖，以形成封装壳体。

本发明通过将氮化镓(GaN)晶体管叠设于所述功率驱动器上；并将氮化镓(GaN)晶体管的源极焊垫与功率驱动器的接地端焊垫位置对应且抵接，氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫与功率驱动器的输出端焊垫位置对应且抵接，如此设置，使得驱动氮化镓(GaN)晶体管与功率驱动器集成于一体，且氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫和源极焊垫分别与功率驱动器的输出端焊垫和接地端焊垫抵接，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管和功率驱动器之间的空间距离，无需焊线、引线及PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本发明解决了独立封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明功率组件一实施例的结构示意图；

图2为图1中功率驱动器及氮化镓晶体管的结构示意图；

图3为本发明功率组件一实施例的电路原理图；

图4为本发明功率组件的制造放大一实施例的流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	安装载体	OUT	输出端焊垫
20	功率驱动器	GND	接地端焊垫
				30	氮化镓(GaN)晶体管	D	漏极焊垫
40	导电层	S	源极焊垫
				50	封装壳体	G	漏极焊垫
IN	输入端焊垫

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出的一种功率组件。

参照图1及图3，在本发明一实施例中，该功率组件100包括：

安装载体10；

功率驱动器20，设置于所述安装载体10上；所述功率驱动器20包括接地端焊垫GND、输入端焊垫IN及输出端焊垫OUT，所述接地端焊垫GND和信号输出端焊垫OUT位于所述功率驱动器20背向所述安装载体10的第一侧表面；

氮化镓(GaN)晶体管30，所述氮化镓(GaN)晶体管30叠设于所述功率驱动器20的第一侧表面上；所述氮化镓(GaN)晶体管30包括源极焊垫S、栅极焊垫D及栅极焊垫G，所述源极焊垫S和栅极焊垫G位于所述氮化镓(GaN)晶体管30与所述功率驱动器20相对的侧表面上，所述源极焊垫S与所述接地端焊垫GND位置对应且抵接，所述栅极焊垫G与所述输出端焊垫OUT位置对应且抵接。

本实施例中，安装载体10为功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30芯片的载体，安装载体10由高导热材料制成，可以采用引线框架或者布线基板来实现，布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的电路布线层。安装载体10的形状可以根据功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30的大小确定，可以为方形，但不限于方形。

功率驱动器20用于在驱动氮化镓(GaN)晶体管导通时，给氮化镓(GaN)晶体管提供充电电流，以使氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证氮化镓(GaN)晶体管开关能快速导通。并在氮化镓(GaN)晶体管导通期间保证氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧维持稳定，以使氮化镓(GaN)晶体管可靠导通。

在同等导通电阻的情况下，氮化镓(GaN)晶体管，尤其是GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的终端电容较低，且没有体二极管所导致的反向恢复损耗，可以减小开关损耗。且氮化镓(GaN)晶体管的开关速度比硅MOSFET快，因此的总体开关性能要优于硅MOSFET，可以实现更高的开关频率，从而在保持合理开关损耗的同时，提升功率密度和瞬态性能。

参照图3，图3为功率组件100的电路结构示意图，在功率组件100工作时，功率驱动器20在接收到外部输入的控制信号时，输出相应的PWM信号以驱动氮化镓(GaN)晶体管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

需要说明的是，功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管大多采用独立封装，再通过PCB板上的电路布线层和焊接材料实现电气连接，这样，每个封装以及PCB板都会有引入寄生电感的焊线和引线，这些寄生电感会带来开关损耗、振铃和可靠性等问题。寄生电感主要有共源电感和栅极环路电感。

在GaN的独立封装中，例如TO-220封装，由焊线和封装引线引入的共源电感高于10nH，而共源电感会限制氮化镓(GaN)晶体管汲取电流的压摆率(di/dt)，降低开关速度，且容易增加开关损耗。

栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感。栅极电感是驱动器输出端与GaN栅极之间的电感，具体包括驱动器输出焊线(Ldrv_out)、连接功率驱动器20输出端和氮化镓(GaN)晶体管栅极的PCB迹线(Lg_pcb)，以及GaN栅极焊线(Lg_gan)。基于不同的封装尺寸，栅极电感从紧凑型表面贴装封装(例如，四方扁平无引线封装)的几纳亨到有引线功率封装(例如TO-220)的10nH以上不等。氮化镓(GaN)晶体管在关闭期间，GaN栅极被一个电阻器下拉，这个电阻器的电阻值需要足够低，器件才不会在开关期间由于漏极被拉高而又重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅源电容和栅极环路电感组成了一个电感器-电阻器-电容器(L-R-C)电路，其品质因数Q表示为：

由(1)式可知，栅极环路电感值与品质因数Q成正比，品质因数Q越大时，振铃变得更高。

为了减少功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管采用独立封装，再通过PCB板上的电路布线层和焊接材料实现电气连接时，引入的寄生电感，本实施例中，通过将氮化镓(GaN)晶体管30叠设于所述功率驱动器20上；并将氮化镓(GaN)晶体管30的源极焊垫S与功率驱动器20的接地端焊垫GND位置对应且抵接，氮化镓(GaN)晶体管30的栅极焊垫G与功率驱动器20的输出端焊垫OUT位置对应且抵接，如此设置，使得驱动氮化镓(GaN)晶体管30与功率驱动器20集成于一体，且氮化镓(GaN)晶体管30的栅极焊垫G和源极焊垫S分别与功率驱动器20的输出端焊垫OUT和接地端焊垫GND抵接，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管30和功率驱动器20之间的空间距离，无需焊线、引线及PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本发明解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

参照图1及图3，在一优选实施例中，所述功率组件100还包括绝缘层(图未示出)及导电层40，所述接地端焊垫GND与所述源极焊垫S之间，且所述输出端焊垫OUT与栅极焊垫G之间均设置有所述导电层40；

所述绝缘层设置于所述输入端焊垫IN及所述之间。

本实施例中，导电层40优选采用导电银胶或焊锡膏等材料制成，以实现所述功率驱动器20的接地端焊垫GND与所述氮化镓(GaN)晶体管30的源极焊垫S之间固定且电气连接，以及所述功率驱动器20的输出端焊垫OUT与氮化镓(GaN)晶体管30的栅极焊垫G之间固定且电气连接。

绝缘层优选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现所述功率驱动器20的接地端输入端焊垫IN与所述氮化镓(GaN)晶体管30的栅极焊垫D之间固定连接且绝缘。

参照图1及图3，在一优选实施例中，所述功率组件100还包括封装壳体50，所述功率驱动器20及所述氮化镓(GaN)晶体管30设置于所述封装壳体50内。

上述实施例中，所述封装壳体50为导热绝缘黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质。

本实施例中，在封装时，采用导热绝缘黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质将功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30进行包覆封装，从而形成功率组件100。

本发明还提出一种GaN智能功率模块，所述GaN智能功率模块包括所述的功率组件。该功率组件的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明GaN智能功率模块中使用了上述功率组件，因此，本发明GaN智能功率模块的实施例包括上述功率组件全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

本发明还提出一种功率组件的制造方法。

参照3，所述功率组件的制造方法包括以下步骤：

步骤S1、准备安装载体、功率驱动器及；

功率组件主要由供功率驱动器及氮化镓(GaN)晶体管安装的安装载体组成。安装载体为功率驱动器和氮化镓(GaN)晶体管芯片的载体，安装载体由高导热材料制成，可以采用引线框架或者布线基板来实现，布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的电路布线层。安装载体的形状可以根据功率驱动器和氮化镓(GaN)晶体管的大小确定，可以为方形，但不限于方形。

功率驱动器用于在驱动氮化镓(GaN)晶体管导通时，给氮化镓(GaN)晶体管提供充电电流，以使氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证氮化镓(GaN)晶体管开关能快速导通。并在氮化镓(GaN)晶体管导通期间保证氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧维持稳定，以使氮化镓(GaN)晶体管可靠导通。

在同等导通电阻的情况下，氮化镓(GaN)晶体管，尤其是GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的终端电容较低，且没有体二极管所导致的反向恢复损耗，可以减小开关损耗。且氮化镓(GaN)晶体管的开关速度比硅MOSFET快，因此的总体开关性能要优于硅MOSFET，可以实现更高的开关频率，从而在保持合理开关损耗的同时，提升功率密度和瞬态性能。

步骤S2、将锡膏印刷至所述安装载体的安装位上；

安装载体上设置有安装功率驱动器的安装位，也即焊盘，在对安装载体进行预热后，通过锡膏印刷机将锡膏印刷到安装载体上，以将锡膏印刷至焊盘上。

步骤S3、将所述功率驱动器安装在所述安装载体上的安装位；

对印置有锡膏的安装载体进行芯片贴装，以将功率驱动器固定安装在安装载体上，并通过焊盘与外部其他器件建立连接，该芯片贴装操作可采用贴片机完成。

步骤S4、以倒装工艺将所述氮化镓(GaN)晶体管叠设于所述功率驱动器背离所述安装载体的第一侧表面上；所述氮化镓(GaN)晶体管的源极焊垫与所述功率驱动器的焊垫位置对应且抵接，所述氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫与所述功率驱动器的输出端焊垫位置对应且抵接；

氮化镓(GaN)晶体管通过倒装工艺叠设于功率驱动器上，以使两者集成于一体，且氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫和源极焊垫分别与功率驱动器的输出端焊垫和接地端焊垫抵接，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管和功率驱动器之间的空间距离。

步骤S5、以回流焊工艺对所述安装载体、功率驱动器及氮化镓(GaN)晶体管进行回流焊接；

对安装载体、功率驱动器及氮化镓(GaN)晶体管进行回流焊接，以使功率驱动器与安装载体，以及功率驱动器与氮化镓(GaN)晶体管之间固定电气连接。

步骤S6、通过导热绝缘材料将所述安装载体、功率驱动器及氮化镓(GaN)晶体管进行覆盖，以形成封装壳体。

在封装时，采用导热不透明黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质将功率驱动器和氮化镓(GaN)晶体管进行包覆封装，从而形成功率组件。

本实施例中，通过将氮化镓(GaN)晶体管叠设于所述功率驱动器上；并将氮化镓(GaN)晶体管的源极焊垫与功率驱动器的接地端焊垫位置对应且抵接，氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫与功率驱动器的输出端焊垫位置对应且抵接，如此设置，使得驱动氮化镓(GaN)晶体管与功率驱动器集成于一体，且氮化镓(GaN)晶体管的栅极焊垫和源极焊垫分别与功率驱动器的输出端焊垫和接地端焊垫抵接，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管和功率驱动器之间的空间距离，无需焊线、引线及PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本发明解决了独立封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率组件，其特征在于，所述功率组件包括：

安装载体；

功率驱动器，设置于所述安装载体上；所述功率驱动器包括接地端焊垫、输入端焊垫及输出端焊垫，所述接地端焊垫和所述输出端焊垫位于所述功率驱动器背向所述安装载体的第一侧表面；

氮化镓晶体管，所述氮化镓晶体管叠设于所述功率驱动器的第一侧表面上；所述氮化镓晶体管包括源极焊垫、漏极焊垫及栅极焊垫，所述源极焊垫和所述栅极焊垫位于所述氮化镓晶体管与所述功率驱动器相对的侧表面上，所述源极焊垫与所述接地端焊垫位置对应且抵接，所述栅极焊垫与所述输出端焊垫位置对应且抵接；

所述功率驱动器用于在驱动所述氮化镓晶体管导通时，给所述氮化镓晶体管提供充电电流，以使所述氮化镓晶体管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证氮化镓晶体管开关能快速导通；以及在所述氮化镓晶体管导通期间控制所述氮化镓晶体管的栅源极间电圧维持稳定，以使所述氮化镓晶体管可靠导通。

2.如权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述功率组件还包括绝缘层及导电层，所述接地端焊垫与所述源极焊垫之间，且所述输出端焊垫与栅极焊垫之间均设置有所述导电层；

所述绝缘层设置于所述输入端焊垫及所述漏极焊垫之间。

3.如权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述功率组件还包括封装壳体，所述功率驱动器及所述氮化镓晶体管设置于所述封装壳体内。

4.如权利要求3所述的功率组件，其特征在于，所述封装壳体为导热不透明黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质。

5.如权利要求1至4任意一项所述的功率组件，其特征在于，所述安装载体为布线基板。

6.如权利要求5所述的功率组件，其特征在于，所述布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的电路布线层。

7.如权利要求5所述的功率组件，其特征在于，所述安装载体为引线框架。

8.如权利要求5所述的功率组件，其特征在于，所述功率组件为单通半桥功率组件。

9.一种氮化镓智能功率模块，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的功率组件。

10.一种功率组件的制造方法，其特征在于，所述功率组件的制造方法包括以下步骤：

准备安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管；

将锡膏印刷至所述安装载体的安装位上；

将所述功率驱动器安装在所述安装载体上的安装位；

以倒装工艺将所述氮化镓晶体管叠设于所述功率驱动器背离所述安装载体的第一侧表面上；所述氮化镓晶体管的源极焊垫与所述功率驱动器的接地端焊垫位置对应且抵接，所述氮化镓晶体管的栅极焊垫与所述功率驱动器的输出端焊垫位置对应且抵接；

以回流焊工艺对所述安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管进行回流焊接；

通过导热绝缘材料将所述安装载体、功率驱动器及氮化镓晶体管进行覆盖，以形成封装壳体。