CN109427707A - 一种功率器件的三维封装结构及封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率器件的三维封装结构及封装方法，该封装结构包括功率器件、直接覆铜陶瓷基板(即DBC基板)、柔性印刷电路板(即FPC板)、引线、散热基板、解耦电容、用于集成风扇的散热器以及外壳，形成由功率器件构成的半桥电路结构；本发明提供的这种封装结构及封装方法，优化了功率回路结构，利用互感抵消减小换流回路的寄生电感，减小了开关过程中的过电压和振荡；利用FPC板可弯曲的特性，构成了三维封装结构，提高了功率密度。

Description

一种功率器件的三维封装结构及封装方法
技术领域
本发明属于功率半导体模块的封装技术领域，更具体地，涉及一种功率器件的三维封装结构及封装方法。
背景技术
在电力系统、电力牵动、数据中心、电动汽车、新能源应用等多个领域，利用电力电子设备来实现能量转换是常用的手段，功率半导体器件作为电力电子变换器的基本组成单元，在其中起着至关重要的作用。随着电力电子变换器功率等级的提高，单个功率半导体器件封装的分离器件(如TO247封装)已经不能满足高功率的要求，而多个分立器件并联会造成寄生参数大、体积大、散热困难等问题，因此在大功率应用场合，由多个芯片并联封装成的功率半导体模块受到了广泛的应用。
传统硅器件的性能在很多方面都逼近了它的理论极限，从而导致在实际应用中很难满足电力电子系统对功率器件在阻断电压、通态电流、开关频率，以及高温、高效等方面的新要求。
在这种情况下，第三代基于宽禁带半导体的功率器件应运而生。作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于传统硅器件难以胜任的场合。理论上碳化硅器件的开关频率可以达到上兆赫兹，但是现有商用器件的封装结构大大限制了碳化硅器件的高频应用，主要是由于在封装过程中基板、芯片、引脚互联引起的杂散电感比较大，而一般的器件封装模块也是通过功率接线端子引出电极，这些引线都会增大回路的寄生电感。这些寄生电感会使器件在关断过程中承受较大的尖峰电压，严重时可能会损坏器件，因此必须设法降低功率器件模块的寄生电感。
围绕如何降低碳化硅器件封装结构中的寄生电感这一问题，现有封装结构有键合线结构、平板结构、混合封装结构。其中，键合线结构简单、可靠性高，但是单面的封装尺寸大，寄生电感大；平板结构寄生参数小、散热性好，但是工艺复杂、可靠性差；混合封装结构是由键合线结构、直接覆铜陶瓷基板技术的结合，具有前2者的优点。但是现有混合封装结构中一般采用硬性PCB板，硬性PCB板的绝缘材料采用环氧树脂，绝缘强度一般在30kV/mm，绝缘层厚度较大，仍存在寄生电感较大且未得到有效优化、焊接面积小造成可靠性降低及与需要外接功率端子与外部电路连接、封装结构的空间利用率低的问题，因此有必要进行封装结构及封装方法的优化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种功率器件的三维封装结构及封装方法，由此解决现有的功率器件封装结构中寄生电感较大、焊接面积小、需要额外功率端子与外部电路连接、散热器空间利用率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种功率器件的三维封装结构，包括：用于集成风扇的散热器、第一散热基板、第二散热基板、第三散热基板、第一DBC基板、第二DBC基板、第三DBC基板、功率器件、第一FPC板、第二FPC板以及第三FPC板；
所述三维封装结构由三个子模块构成，三个子模块通过所述第一FPC板连接在一起，连接部分是可弯曲的FPC板；
所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板分别固定于所述散热器的三个面上，在散热基板和散热器的连接表面涂有导热硅脂等高导热涂层；
所述第一DBC基板、所述第二DBC基板以及所述第三DBC基板分别焊接在三块散热基板上；
所述功率器件包括多个MOSFET芯片以及多个SBD芯片，所述多个MOSFET芯片以及所述多个SBD芯片贴装在三块DBC基板上，并由所述多个MOSFET芯片以及所述多个SBD芯片构成半桥电路；
所述第一FPC板、所述第二FPC板以及所述第三FPC板分别焊接在三块DBC基板上，所述第一FPC板用于连接外部主电路，所述第二FPC板作为所述半桥电路中的上桥臂MOSFET芯片的驱动连接板，所述第三FPC板作为所述半桥电路中的下桥臂MOSFET芯片的驱动连接板。
优选地，所述功率器件具体包括：第一MOSFET芯片、第二MOSFET芯片、第一SBD芯片以及第二SBD芯片；
所述第一MOSFET芯片和所述第二MSOFE芯片分别由六个MOSFET芯片并联组成，所述第一SBD芯片和所述第二SBD芯片分别由三个SBD芯片并联组成；
所述第一MOSFET芯片并联所述第一SBD芯片，所述第二MOSFET芯片并联所述第二SBD芯片；所述第一MOSFET芯片和所述第二MOSFET芯片串联构成半桥电路。
优选地，所述第一MOSFET芯片的漏极以及所述第一SBD芯片的阴极与所述第一FPC板底层的第一焊盘焊接在第一焊接面；
所述第一MOSFET芯片的源极与所述第一FPC板顶层的第一焊盘通过第一键合线连接，所述第一SBD芯片的阳极与所述第一FPC板顶层的第二焊盘通过第二键合线连接；所述第一FPC板顶层的第一焊盘和第二焊盘经过孔与所述第一FPC板下层的第二焊盘连接；
所述第二MOS管的漏极以及所述第二SBD芯片的阴极与所述第一FPC板底层的第二焊盘焊接在第二焊接面；所述第二MOSFET芯片的源极与所述第一FPC板顶层的第三焊盘通过第三键合线连接，所述第二SBD芯片的阳极与所述第一FPC板顶层的第四焊盘通过第四键合线连接，其中，所述第一FPC板顶层的第三焊盘以及所述第一FPC板顶层的第四焊盘属于所述第一FPC板的顶层铜箔；
所述第一FPC板底层第一焊盘作为所述半桥电路的正电极，所述第一FPC板的顶层铜箔作为所述半桥电路的负电极。
优选地，所述第一FPC板的顶层铜箔、底层第一焊盘以及底层第二焊盘作为三维封装结构的功率端子，且所述功率端子直接外延与所述外部主电路相连。
优选地，所述第一DBC基板、所述第二DBC基板以及所述第三DBC基板均为三层结构，其中，上层与下层均为高导材料，中间层为绝缘传热材料；上层表面分为第一焊接面和第二焊接面，且第一焊接面和第二焊接面之间的间距大于功率器件的最大工作电压对应的电气绝缘距离。
优选地，所述第一FPC板上设置的窗口尺寸与待封装功率器件的尺寸匹配，使得加工过程中功率器件能够从窗口安放到各DBC基板上，且窗口个数与待封装功率器件的个数相同。
优选地，其特征在于，所述三维封装结构还包括外壳；
所述外壳与所述第一FPC板相连，具有能够完全包围所述第一FPC板的底面积，所述外壳的高度高于引线高度；
所述外壳用于将各DBC基板、各FPC板以及功率器件罩起来，以起到保护三维封装结构的作用；
所述外壳的正面设置有孔，用来注入硅凝胶，且注入的硅凝胶的高度以将所有引线浸没为准。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述第一方面任意一项所述的功率器件的封装方法，包括：
(1)根据待封装的功率器件制备DBC基板和FPC板；所述FPC板上开有窗口；窗口个数与待封装的功率器件的个数相同，窗口尺寸与待封装的功率器件尺寸匹配；
(2)将FPC板焊接在DBC基板上，并将待封装的功率器件从FPC板的窗口焊接到DBC基板上；
(3)采用引线键合工艺将待封装的功率器件的电极与FPC板焊盘进行电连接；
(4)将DBC基板焊接在散热基板上，将外壳粘贴在FPC板上；
(5)将绝缘硅凝胶注入外壳中；静置使绝缘硅凝胶固化；
(6)将散热基板固定在散热器的表面。
优选地，步骤(1)所制备得到的DBC基板的上层铜箔被刻蚀为两个矩形焊接面，这两个矩形焊接面之间的绝缘间距为1.5mm。
优选地，步骤(2)具体包括如下子步骤：
(2.1)将融化温度超过200摄氏度的高温焊料通过丝网印刷涂在DBC基板上表面的焊接面；
(2.2)根据焊接面的位置贴装FPC板，并通过FPC板上的窗口将待封装的功率器件放置在DBC基板上表面的焊接面上；
(2.3)采用真空回流焊的方法将功率器件和FPC板焊接在DBC基板的焊接面上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的功率器件的封装结构，由功率器件构成的半桥电路结构，有效地减少了功率回路的路径，从而减小了功率回路的寄生电感；
(2)本发明提供的功率器件的封装结构，由于功率器件半桥电路结构的输入、输出端子的布局使得换流路径上的导体呈平行结构，并且在开关管换流过程中构成了电流流向相反的功率导线，利用互感抵消起到减小开关管换流回路的寄生电感的作用，由此起到减小功率器件开关过程中的过电压和振荡；
(3)本发明提供的功率器件的封装结构，由于驱动信号利用Kelvin连接方式，起到有效降低共源电感；驱动信号线与功率线呈垂直结构，可以使驱动回路与功率回路之间的耦合也可以进一步减小，从而降低功率回路对驱动回路的干扰，增强驱动的稳定性；
(4)本发明提供的功率器件的封装结构，将FPC板直接外延构成层叠母排来作为功率端子，起到消除额外功率端子的作用，进一步起到减少功率端子带来的接触电阻和寄生电感的作用，还可以降低成本，并且层叠母排的结构可以减小功率端子引入的电感；
(5)本发明提供的功率器件的封装结构，所述的封装结构将多个并联的芯片对称分布在三个子模块中，三个子模块中的芯片布局结构相同，有效地解决了多个芯片并联引起的换流回路寄生参数差异大的问题。其次，在每个子模块中都集成了高频解耦电容，可以进一步抑制开关过程中的电压尖峰；
(6)本发明提供的功率器件的封装结构，利用FPC板可弯曲的特性，将封装结构的子模块安装在散热器的三个面上，有效地提高了空间利用率，并且可以使外部电路板布局从单一方向扩展到三个方向；
(7)本发明提供的功率器件的封装结构，将强迫风冷散热用的风扇集成在散热器中，进一步提高了空间利用率；
(8)本发明提供的功率器件的封装结构以及封装方法，DBC基板和FPC板的之间的焊接采用全面焊接，极大的增强了封装结构的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例公开的一种功率器件的三维封装结构的侧视图；
图2是本发明实施例公开的一种功率器件的三维封装结构去掉外壳后的结构示意图；
图3是本发明实施例公开的一种散热器结构示意图；
图4是本发明实施例公开的一种散热基板结构示意图；
图5是本发明实施例公开的一种DBC基板结构示意图
图6是本发明实施例公开的一种FPC板正面结构示意图；
图7是本发明实施例公开的一种FPC板背面结构示意图；
图8是本发明实施例公开的一种FPC板加DBC基板的平铺示意图；
图9是本发明实施例公开的一种采用本发明中的三维封装结构与外部电路连接方式的示例图；
图10是本发明实施例公开的一种半桥电路的电路原理图；
图11是本发明实施例公开的一种功率器件的封装方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中的FPC板指柔性PCB板，是一种采用聚酰亚胺(绝缘强度为100～300kV/mm)等高绝缘强度的材料，利用柔性PCB板可以极大的减小绝缘层的厚度，从而降低寄生电感，另外，利用柔性PCB板可弯曲的特点，在设计上可以更加灵活的利用结构的空间，使结构更加紧凑。
本发明公开的一种功率器件的三维封装结构及封装方法，可以得到一种低寄生电感、可靠性高、可直接与外部电路连接、空间利用率高的功率器件封装结构。
为了实现上述目的，本发明所采用的方案是，通过功率器件、直接覆铜陶瓷基板(即DBC基板)、柔性印刷电路板(即FPC板)、引线、散热基板、解耦电容、用于集成风扇的散热器以及外壳，形成由功率器件构成的半桥电路结构，具体包括：用于集成风扇的散热器、第一散热基板、第二散热基板、第三散热基板、第一DBC基板、第二DBC基板、第三DBC基板、功率器件、第一FPC板、第二FPC板以及第三FPC板；
第一散热基板、第二散热基板以及第三散热基板分别固定于散热器的三个面上，在散热基板和散热器的连接表面涂有导热硅脂等高导热涂层；第一DBC基板、第二DBC基板以及第三DBC基板分别焊接在三块散热基板上；功率器件包括多个MOSFET芯片以及多个SBD芯片，上述多个MOSFET芯片以及多个SBD芯片贴装在三块DBC基板上，并由多个MOSFET芯片以及多个SBD芯片构成半桥电路；
第一FPC板、第二FPC板以及第三FPC板分别焊接在三块DBC基板上，第一FPC板用于连接外部主电路，第二FPC板作为上述半桥电路中的上桥臂MOSFET芯片的驱动连接板，第三FPC板作为上述半桥电路中的下桥臂MOSFET芯片的驱动连接板。
在一个可选的实施方式中，该三维封装结构可以适用于碳化硅功率器件、硅基功率器件或者氮化镓功率器件，在本发明中将不做限定。
其中，功率器件在DBC基板上的贴装位置与FPC板的窗口对应；功率器件的电极与FPC板之间通过引线键合实现电气连接。
其中，各FPC板均为三层结构，顶层和底层均为铜材料，中间层为绝缘材料；上下层的铜箔通过刻蚀方法得到需要的电路结构。
通过固定在DBC基板上的FPC板、通过FPC板窗口贴装在DBC基板上与FPC板之间通过引线电连接的功率器件构成的封装结构，其中功率器件的换流回路所流经的路径大大减短，同时，换流回路中存在电流流向相反的导电层，可以起到互感抵消的作用，由此减小回路寄生电感。
在一个具体的示例中，功率器件具体包括：第一MOSFET芯片、第二MOSFET芯片、第一SBD芯片以及第二SBD芯片；
第一MOSFET芯片和第二MSOFE芯片分别由六个MOSFET芯片并联组成，第一SBD芯片和第二SBD芯片分别由三个SBD芯片并联组成；
第一MOSFET芯片并联第一SBD芯片，第二MOSFET芯片并联第二SBD芯片；第一MOSFET芯片和第二MOSFET芯片串联构成半桥电路。
在一个具体的示例中，第一MOSFET芯片的漏极以及第一SBD芯片的阴极与第一FPC板底层的第一焊盘焊接在第一焊接面；
第一MOSFET芯片的源极与第一FPC板顶层的第一焊盘通过第一键合线连接，第一SBD芯片的阳极与第一FPC板顶层的第二焊盘通过第二键合线连接；第一FPC板顶层的第一焊盘和第二焊盘经过孔与第一FPC板下层的第二焊盘连接；
第二MOS管的漏极以及第二SBD芯片的阴极与第一FPC板底层的第二焊盘焊接在第二焊接面；第二MOSFET芯片的源极与第一FPC板顶层的第三焊盘通过第三键合线连接，第二SBD芯片的阳极与第一FPC板顶层的第四焊盘通过第四键合线连接，其中，第一FPC板顶层的第三焊盘以及第一FPC板顶层的第四焊盘属于第一FPC板的顶层铜箔；
第一FPC板底层第一焊盘作为半桥电路的正电极，第一FPC板的顶层铜箔作为半桥电路的负电极。
其中，功率器件与封装结构的正、负电极的布局使得换流路径上的导体呈平行结构；以下管换流过程为例，封装结构的正电极到第一SBD芯片阴极的导线、第一SBD芯片阳极到第二MOS管漏极的导线，与第二MOS管源极到负电极的导线中的电流流向相反，起到利用互感抵消来减小寄生电感的作用，从而有效地减小功率器件在开关过程中的过电压和振荡。
在一个具体的示例中，第一FPC板的顶层铜箔、底层第一焊盘以及底层第二焊盘作为三维封装结构的功率端子，且功率端子直接外延与所述外部主电路相连。
其中，通过上述方式将该封装结构与外部电路连接时，不需要额外的功率端子，减少了额外功率端子带来的接触电阻和寄生电感，并且降低了成本。
在一个具体的示例中，上述功率器件的封装结构，驱动连接板与MOSFET芯片的电极之间的连接方式采用Kelvin连接；并且连接驱动信号端子与MOSFET栅极和源极的驱动信号线与连接MOSFET源极与FPC板焊盘的功率线互相垂直，起到降低驱动回路与功率回路之间的耦合作用，可以减少功率回路对驱动回路的干扰，增强了驱动的稳定性。
在一个具体的示例中，第一DBC基板、第二DBC基板以及第三DBC基板均为三层结构，其中，上层与下层均为高导材料，中间层为绝缘传热材料；上层表面分为第一焊接面和第二焊接面，且第一焊接面和第二焊接面之间的间距大于功率器件的最大工作电压对应的电气绝缘距离。
在一个具体的示例中，第一FPC板上设置的窗口尺寸与待封装功率器件的尺寸匹配，使得加工过程中功率器件能够从窗口安放到各DBC基板上，且窗口个数与待封装功率器件的个数相同。
在一个具体的示例中，该三维封装结构还包括外壳；
外壳与第一FPC板相连，具有能够完全包围第一FPC板的底面积，所述外壳的高度高于引线高度；
外壳用于将各DBC基板、各FPC板以及功率器件罩起来，以起到保护三维封装结构的作用；
外壳的正面设置有孔，用来注入硅凝胶，且注入的硅凝胶的高度以将所有引线浸没为准。
在一个具体的示例中，DBC基板采用双面覆铜的陶瓷基板，上、下层均采用高导无氧铜，中间层采用氮化铝、氧化铝、氮化硅或氧化铍中的一种；中间层将功率器件产生的热量传递到DBC底部散热面，并实现封装结构内部的电气部件对散热器的绝缘隔离。
在一个具体的示例中，DBC基板焊接在散热基板上，散热基板通过螺丝固定在散热器上，在散热基板和散热器的连接表面涂有导热硅脂等高导热涂层；散热基板和散热器的尺寸根据DBC基板的大小确定，需要保证可靠安装；散热器上挖有适合散热风扇尺寸的槽，以便于集成散热风扇。
在一个具体的示例中，其外壳上表面设有孔洞，用来注入绝缘凝胶，孔洞直径为3mm～5mm。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。图1-2所示，本发明提供的封装结构包括：散热器1、散热基板(201、202、203)、壳体(111、112、113)，封装与壳体内的电路结构，电路结构包括功率端子(11、12、13)、信号端子(8、9)、DBC基板(301、302、303)、FPC板(4、5、6)、MOSFET芯片(20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31)、SBD芯片(32、33、34、35、36、37)；所述的散热基板(201、202、203)通过螺丝固定在散热器1的三个面上；所述的DBC基板(301、302、303)通过高温回流焊接到散热基板上，在DBC基板(301、302、303)上焊接有FPC板(4、5、6)、MOSFET芯片(20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31)和SBD芯片(32、33、34、35、36、37)，利用铝线将MOSFET芯片(20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31)、SBD芯片(32、33、34、35、36、37)和FPC板(4、5、6)连接起来；所述的外壳(111、112、113)用于保护封装结构以及填充硅凝胶。
本发明所述的外壳(111、112、113)通过密封胶与FPC板4粘接在一起，所述壳体(111、112、113)的正面有直径为4mm的孔7，用来注入硅凝胶；所述壳体(111、112、113)内灌封有玻璃化温度超过200度的硅凝胶，灌封的硅凝胶的高度以将所有引线浸没为准。
图3是本发明的封装结构的散热器结构示意图，图4是本发明封装结构的散热基板的结构示意图。所述的散热器1为立方体结构，散热器1的三个表面104、105、106分别作为散热基板(201、202、203)的连接面，散热器1上的螺丝孔103用来连接散热基板；散热器1上的通孔102作为强迫风冷的风道，孔的数量考虑散热效果和加工工艺；散热器1上开设有槽101，用来放置散热风扇，槽101的尺寸要大于散热风扇的尺寸，确保可以放进散热风扇。所述的散热基板(201、202、203)的尺寸要大于DBC基板的尺寸，同时要留有足够的空间给螺丝孔(204)，散热基板(201、202、203)通过螺丝固定在散热器上，在散热基板和散热器的连接表面涂有导热硅脂等高导热涂层。
图5是本发明的封装结构的DBC板结构图。如图5所示，所述的DBC基板分为三块相同的DBC基板(301、302、303)，DBC基板为三层结构，上下层均为高导无氧铜箔，中间层为氮化铝陶瓷层，该陶瓷层将功率芯片产生的热量传到模块底部散热基板的同时，提供封装模块内部的电气部件对散热基板的绝缘；该氮化铝陶瓷基板的上层铜箔304、305被刻蚀为可提供功率芯片和FPC板4之间互联的电路结构，其中铜箔304和铜箔305之间的间隙距离为1.5mm，可提供有效的绝缘距离；所述的DBC基板的下层铜箔可作为和散热基板相连的接触面。
图6是本发明所述的FPC板的正面结构示意图，图7是本发明所述的FPC板的背面结构示意图。所述的FPC板(4、5、6)采用双层或多层PCB，FPC板4用来连接主电路，FPC板5用来连接半桥结构中上桥臂MOSFET的栅极和源极，FPC板6用来连接半桥结构中下桥臂MOSFET的栅极和源极。
所述的FPC板4的分为左、中、右三块结构相同的构造。以FPC板4左边三分之一结构为例，窗口405、407、408、410的长5.1mm、宽5.36mm，用来放置MOSFET芯片(26、27、20、21)，窗口406和窗口409的长5.08mm、宽5.08mm，用来放置SBD芯片(32、35)；所述FPC板4的左边三分之一结构的上层铜箔经过盖膜处理，留出6个焊盘415、416、417、419、420、421；所述的FPC板的上层焊盘418用来连接高频解耦电容10；所述FPC板4的下层铜箔430、431的结构与DBC板301的上层铜箔(304、305)结构相同，用来实现和DBC板301的焊接；所述的FPC板包含过孔433，用来连接FPC板的上下层铜箔结构。
所述封装结构包含半桥电路结构，图8是封装在壳体内的电路结构，图9是对应的半桥电路原理图。所述的半桥电路结构由上下桥臂以及各自反并联的二极管组成。上桥臂由6个MOSFET芯片(20、21、22、23、24、25)并联组成，并且并联3个SBD芯片(32、33、34)；下桥臂由6个(26、27、28、29、30、31)并联组成，并且并联3个SBD芯片(35、36、37)。
由于三个子模块结构对称，所以以左边的子模块为例介绍，上桥臂MOSFET芯片(20、21)的漏极和并联的SBD芯片32的阴极焊接在DBC板301的上层铜箔305上，FPC板的下层铜箔430和DBC板301的上层铜箔305焊接起来作为正电极功率端子11；上桥臂MOSFET芯片(20、21)的源极和并联的SBD芯片32的阳极通过引线51键合连接到FPC板4的焊盘(415、416、417)上，焊盘(415、416、417)经过孔433连接到FPC板的下层铜箔431上，FPC板的下层铜箔431和DBC基板301的上层铜箔304焊接起来作为半桥结构的桥臂中点输出端子12；下桥臂MOSFET芯片(26、27)的漏极和并联的SBD芯片35的阴极焊接在DBC基板301的上层铜箔304上；下桥臂MOSFET芯片(26、27)的源极和并联的SBD芯片35的阳极通过引线52键合连接到FPC板的焊盘(419、420、421)上，其中焊盘(419、420、421)是FPC板4的上层铜箔422经过盖油处理后裸露出来的铜箔，FPC板的上层铜箔422作为负电极功率端子13；两个解耦电容10焊接在FPC板的焊盘418上，连接在正负端子之间。
所述半桥电路中上桥臂6个MOSFET芯片的栅极和源极连接到FPC板5上，下桥臂6个MOSFET芯片的栅极和源极连接到FPC板6上，上下桥臂的驱动连接端子分别从FPC板5、6上引出；如图8所示，MOSFET芯片的驱动信号线采用Kelvin连接方式，驱动信号线50、53和功率线51、52呈垂直结构。图8所示的信号线的连接方式极大地减小了驱动回路的寄生电感，避免了共源电感对驱动回路造成的干扰；另外信号线和功率线的垂直结构极大地减小了驱动回路和功率回路的耦合。
根据本发明的封装结构的布局方式，在半桥电路中，开关管换流回路的导体长度大大减小，同时在换流过程中，功率引线存在电流流向相反且平行的结构，充分利用了互感抵消技术进一步减小了寄生电感。
图10是本发明的封装结构与外部电路连接方式的一个示例图。所述的封装结构中，半桥电路的正负功率端子由FPC板4外延三个层叠母排结构(401、402、403)组成，输出端子由FPC板4外延铜箔404构成，这种连接方式省去额外的连接引线和端子，有效的降低了接触电阻和寄生电感，同时节省了成本；如图10所示，所述的封装结构由于是3D结构，所以驱动板60和直流侧的电容板61可以分布在三个方向上，从而可以提高空间利用率。
图11是本发明提供的一种封装方法的流程图。
如图11所示，本发明提供的封装方法，具体包括以下步骤：
步骤S101：根据待封装的功率器件制备DBC基板和FPC板，其中DBC基板的绝缘层选择具有高的热导率的氮化铝(AlN)材料，氮化铝的热膨胀系数与的相近；DBC基板的上层铜箔刻蚀为如图5所示的电路结构。
其中，FPC板上开有窗口；窗口个数与待封装的功率器件的个数相同，窗口尺寸与待封装的功率器件尺寸匹配。
其中，制备得到的DBC基板的上层铜箔被刻蚀为两个大的矩形焊接面，这两个矩形焊接面之间的绝缘间距为1.5mm。
采用超声波清洗和化学清洗的方法清除DBC基板和FPC板表面的颗粒物质和离子杂质。
步骤S102：在DBC基板的正面铜箔上印刷锡膏，将FPC板焊接在DBC基板上，并将待封装的功率器件从FPC板的窗口焊接到DBC基板上。选用熔点为220摄氏度的Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5锡膏，通过钢网丝印到DBC上的铜箔表面；芯片和FPC板通过真空高温回流焊技术焊接在DBC板上。
具体地，其步骤S102包括如下子步骤：
(2.1)将融化温度超过200摄氏度的高温焊料通过丝网印刷涂在DBC基板上表面的焊接面；
(2.2)根据上述焊接面的位置贴装FPC板，并通过FPC板上的窗口将功率器件放置在DBC基板上表面的焊接面上；
(2.3)采用真空回流焊的方法将功率器件和FPC板焊接在DBC基板的焊接面上。
进一步地，步骤(2.1)中采用的高温焊料为锡、银、铜的混合材料，锡、银、铜的比例为96.5:3:0.5；采用高温焊料可以提高封装结构的工作温度，提高稳定性；同时方便该封装结构在应用时的焊料选取；应用中对封装结构进行焊接时即可采用融化温度低于200摄氏度的焊料。
步骤S103：采用引线键合工艺将待封装的功率器件的电极与FPC板焊盘进行电连接。
其中，通过引线将功率器件与FPC板进行电连接的方法具体为：将引线的一端通过键合工艺连接到功率器件的上表面电极，将引线的另一端通过键合工艺连接到FPC板的焊盘上，具体实施时，引线的数量和粗细可以根据芯片电极的面积和所通过电流的大小而选取，在这里不做具体限定。
步骤S104：在散热基板上印刷锡膏，将DBC基板焊接在散热基板上，将外壳粘贴在FPC板上。
进一步地，在步骤S104中采用的低温焊料为锡、铅的混合材料，锡、铅的比例为63:37；采用的低温焊料与步骤(2.1)中采用的高温焊料的要保证足够的温度差。例如选用熔点为183摄氏度的Pb37/Sn63锡膏，通过钢网丝印到散热基板的表面；DBC基板通过真空高温回流焊技术焊接在散热基板上；然后安装外壳，填充硅凝胶。外壳通过密封剂粘合在FPC板上，外壳的大小以能够完全覆盖FPC板上的电路结构为准；硅凝胶通过点胶法灌入到外壳内，灌封后静置24小时，等待硅凝胶固化。
步骤S105：将散热基板固定在散热器上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率器件的三维封装结构，其特征在于，包括：用于集成风扇的散热器、第一散热基板、第二散热基板、第三散热基板、第一DBC基板、第二DBC基板、第三DBC基板、功率器件、第一FPC板、第二FPC板以及第三FPC板；
所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板分别固定于所述散热器的三个面上；
所述第一DBC基板、所述第二DBC基板以及所述第三DBC基板分别焊接在三块散热基板上；
所述功率器件包括多个MOSFET芯片以及多个SBD芯片，所述多个MOSFET芯片以及所述多个SBD芯片贴装在三块DBC基板上，并由所述多个MOSFET芯片以及所述多个SBD芯片构成半桥电路；
所述第一FPC板、所述第二FPC板以及所述第三FPC板分别焊接在三块DBC基板上，所述第一FPC板用于连接外部主电路，所述第二FPC板作为所述半桥电路中的上桥臂MOSFET芯片的驱动连接板，所述第三FPC板作为所述半桥电路中的下桥臂MOSFET芯片的驱动连接板。
2.根据权利要求1所述的三维封装结构，其特征在于，所述功率器件具体包括：第一MOSFET芯片、第二MOSFET芯片、第一SBD芯片以及第二SBD芯片；
所述第一MOSFET芯片和所述第二MSOFE芯片分别由六个MOSFET芯片并联组成，所述第一SBD芯片和所述第二SBD芯片分别由三个SBD芯片并联组成；
所述第一MOSFET芯片并联所述第一SBD芯片，所述第二MOSFET芯片并联所述第二SBD芯片；所述第一MOSFET芯片和所述第二MOSFET芯片串联构成半桥电路。
3.根据权利要求2所述的三维封装结构，其特征在于，所述第一MOSFET芯片的漏极以及所述第一SBD芯片的阴极与所述第一FPC板底层的第一焊盘焊接在第一焊接面；
所述第一MOSFET芯片的源极与所述第一FPC板顶层的第一焊盘通过第一键合线连接，所述第一SBD芯片的阳极与所述第一FPC板顶层的第二焊盘通过第二键合线连接；所述第一FPC板顶层的第一焊盘和第二焊盘经过孔与所述第一FPC板下层的第二焊盘连接；
所述第二MOS管的漏极以及所述第二SBD芯片的阴极与所述第一FPC板底层的第二焊盘焊接在第二焊接面；所述第二MOSFET芯片的源极与所述第一FPC板顶层的第三焊盘通过第三键合线连接，所述第二SBD芯片的阳极与所述第一FPC板顶层的第四焊盘通过第四键合线连接，其中，所述第一FPC板顶层的第三焊盘以及所述第一FPC板顶层的第四焊盘属于所述第一FPC板的顶层铜箔；
所述第一FPC板底层第一焊盘作为所述半桥电路的正电极，所述第一FPC板的顶层铜箔作为所述半桥电路的负电极。
4.根据权利要求3所述的三维封装结构，其特征在于，所述第一FPC板的顶层铜箔、底层第一焊盘以及底层第二焊盘作为三维封装结构的功率端子，且所述功率端子直接外延与所述外部主电路相连。
5.根据权利要求1所述的三维封装结构，其特征在于，所述第一DBC基板、所述第二DBC基板以及所述第三DBC基板均为三层结构，其中，上层与下层均为高导材料，中间层为绝缘传热材料；上层表面分为第一焊接面和第二焊接面，且第一焊接面和第二焊接面之间的间距大于功率器件的最大工作电压对应的电气绝缘距离。
6.根据权利要求1所述的三维封装结构，其特征在于，所述第一FPC板上设置的窗口尺寸与待封装功率器件的尺寸匹配，使得加工过程中功率器件能够从窗口安放到各DBC基板上，且窗口个数与待封装功率器件的个数相同。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的三维封装结构，其特征在于，所述三维封装结构还包括外壳；
所述外壳与所述第一FPC板相连，具有能够完全包围所述第一FPC板的底面积，所述外壳的高度高于引线高度；
所述外壳用于将各DBC基板、各FPC板以及功率器件罩起来，以起到保护三维封装结构的作用；
所述外壳的正面设置有孔，用来注入硅凝胶，且注入的硅凝胶的高度以将所有引线浸没为准。
8.一种基于上述权利要求1至7任意一项所述的功率器件的封装方法，其特征在于，包括：
(1)根据待封装的功率器件制备DBC基板和FPC板；所述FPC板上开有窗口；窗口个数与待封装的功率器件的个数相同，窗口尺寸与待封装的功率器件尺寸匹配；
(2)将FPC板焊接在DBC基板上，并将待封装的功率器件从FPC板的窗口焊接到DBC基板上；
(3)采用引线键合工艺将待封装的功率器件的电极与FPC板焊盘进行电连接；
(4)将DBC基板焊接在散热基板上，将外壳粘贴在FPC板上；
(5)将绝缘硅凝胶注入外壳中；静置使绝缘硅凝胶固化；
(6)将散热基板固定在散热器的表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)所制备得到的DBC基板的上层铜箔被刻蚀为两个矩形焊接面，这两个矩形焊接面之间的绝缘间距为1.5mm。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下子步骤：
(2.1)将融化温度超过200摄氏度的高温焊料通过丝网印刷涂在DBC基板上表面的焊接面；
(2.2)根据焊接面的位置贴装FPC板，并通过FPC板上的窗口将待封装的功率器件放置在DBC基板上表面的焊接面上；
(2.3)采用真空回流焊的方法将功率器件和FPC板焊接在DBC基板的焊接面上。
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