CN109728736A - 电器、功率器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电器、功率器件及其形成方法，所述功率器件，包括：基板；设置在基板第一侧的第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管、第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管、第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器、第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器、PFC电路，其中，第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器分别与第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管相连，第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器分别与第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管相连。本申请实施例的功率器件，能够通过引入高低压驱动器，可最大程度减小功率器件本体的面积，并在整体方案成本不增加的前提下提高功率器件的可用性和可靠性。

Description

电器、功率器件及其形成方法

技术领域

本申请涉及功率器件技术领域，特别涉及一种功率器件、一种功率器件的形成方法和 一种电器。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技 术结合的功率驱动类产品(功率器件)。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成 在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU (Micro Controller Unit，微控制单元)的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统 的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性 等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、 冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种理想电力电子器件。

从图1a～1e可以看出，现行的变频空调用的智能功率模块由1枚HVIC(HighVoltage Integrated Circuit，高压集成电路)管101控制7枚IGBT(Insulated GateBIPOLAR Transistor， 绝缘栅双极型晶体管)管121～127，虽然满足了能效的要求，但是HVIC管到IGBT管的 走线很长，线路间容易造成干扰，使其工作可靠性很难提高，且由于线路较多势必会增加 功率器件本体的面积，增加智能功率模块的制造成本，影响智能功率模块在低端领域的普 及。

发明内容

本申请实施例通过提供一种功率器件，解决了现有技术中使用1枚HVIC管控制7枚IGBT管所导致的功率器件本体的面积增大、成本较高、可靠性较低的技术问题。

本申请实施例提供了一种功率器件，包括：基板；设置在所述基板第一侧的第一上桥 臂开关管至第三上桥臂开关管；设置在所述基板第一侧的第一下桥臂开关管至第三下桥臂 开关管；设置在所述基板第一侧的第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器，所述 第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器分别与所述第一上桥臂开关管至第三上桥 臂开关管相连，其中，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器分别设置在所 述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上；设置在所述基板第一侧的第一下桥臂低压 驱动器至第三下桥臂低压驱动器，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器分 别与所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管相连，其中，所述第一下桥臂低压驱动器 至第三下桥臂低压驱动器分别设置在所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上；设 置在所述基板第一侧的PFC电路。

根据本申请的一个实施例，所述基板为金属基板或陶瓷基板。

根据本申请的一个实施例，当所述基板为金属基板时，还包括：覆盖所述基板第一侧 的绝缘层。

根据本申请的一个实施例，上述的功率器件，还包括：设置在所述基板第二侧的散热 器。

根据本申请的一个实施例，所述基板和所述散热器均由湿式碳素复合材料构成，且所 述基板和所述散热器一体形成。

根据本申请的一个实施例，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器通过 BCD(BIPOLAR-CMOS-DMOS)或SOI(Silicon-on-insulator)工艺制作，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器通过BIPOLAR或COMS工艺制作。

根据本申请的一个实施例，所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管包括第一IGBT 管至第三IGBT管，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器设置在所述第一 IGBT管至第三IGBT管的射极之上，所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管包括第四 IGBT管至第六IGBT管，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器设置在所述 第四IGBT管至第六IGBT管的射极之上。

根据本申请的一个实施例，所述PFC电路，包括开关管、与所述开关管相连的低压驱 动器和碳化硅SBD管。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请通过引入高低压驱动器，低压驱动器通过LVIC管实现，高压驱动器通过HVIC 管实现，各自独立的HVIC管或LVIC管配置在对应开关管上，这样从HVIC管或LVIC管到开关管栅极的走线可以做到一致，可大量节省电路布线的面积，使功率器件本体的面积大幅减小，并在整体方案成本不增加的前提下提高功率器件的可用性和可靠性。

2、低压驱动器可以通过低成本的BIPOLAR或COMS等低压工艺实现，高压驱动器则通过BCD或SOI等高压工艺实现，前者的工艺成本仅为后者的1/3，大幅降低了功率器件 的制造成本。

3、PFC电路中使用碳化硅SBD管，不但速度快，而且没有反向恢复时间，即便工作在极高的频率下也不会造成EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)困扰，使提高功率因素校正电路的频率成为可能。

4、由于碳化硅SBD管的工作结温很高，可以使用小型散热器代大的铝散热器，使本申请的功率器件的重量大幅降低，材料成本、运输成本也随之大幅下降。

附图说明

图1a为相关技术中的智能功率模块的电路图；

图1b为相关技术中智能功率模块的X-X’线的示意图；

图1c为相关技术中沿图1b的X-X’线的截面图；

图1d为相关技术中设置有密封树脂的俯视图；

图1e为相关技术中设置有散热器的俯视图；

图2a为本申请一个实施例的功率器件的电路图；

图2b为本申请一个实施例的功率器件的X-X’线的示意图；

图2c为本申请一个实施例的延图2b的X-X’线的截面图；

图2d为去掉功率器件的密封树脂后的俯视图；

图3a～3b为本申请一个实施例的功率器件的工序一的俯视图和侧视图；

图4a～4b为本申请一个实施例的功率器件的工序二的俯视图和侧视图；

图5a～5b为本申请一个实施例的功率器件的工序三的俯视图和侧视图；

图6a～6b为本申请一个实施例的功率器件的工序四的俯视图和侧视图；

图7为本申请一个实施例的功率器件的工序五的示意图；

图8a～8b为本申请一个实施例的功率器件的工序六的俯视图和侧视图；

图9为本申请一个实施例的功率器件的工序流程图；以及

图10为本申请实施例的功率器件的行程方法的流程图。

具体实施方式

在介绍本申请实施例之前，先结合图1a～1e介绍下相关技术中的功率器件如智能功率 模块100。

参照图1a，智能功率模块100中HVIC管101的供电电源正端VCC作为智能功率模块100的低压区供电电源正端VDD，VDD一般为15V；HVIC管101的HIN1端作为智能功 率模块100的U相上桥臂输入端UHIN；HVIC管101的HIN2端作为智能功率模块100的 V相上桥臂输入端VHIN；HVIC管101的HIN3端作为智能功率模块100的W相上桥臂输 入端WHIN；HVIC管101的LIN1端作为智能功率模块100的U相下桥臂输入端ULIN； HVIC管101的LIN2端作为智能功率模块100的V相下桥臂输入端VLIN；HVIC管101 的LIN3端作为智能功率模块100的W相下桥臂输入端WLIN；HVIC管101的PIN端作 为智能功率模块100的PFC电路输入端PFCIN；在此，智能功率模块100的U、V、W三 相、PFC端的七路输入接收0V或5V的输入信号；HVIC管101的GND端作为智能功率 模块100的低压区供电电源负端COM。

HVIC管101的VB1端作为智能功率模块100的U相高压区供电电源正端UVB；HVIC 管101的HO1端与U相上桥臂IGBT管121的栅极相连；HVIC管101的VS1端与IGBT 管121的射极、FRD(Fast Recovery Diode，快恢复二极管)管111的阳极、U相下桥臂IGBT 管124的集电极、FRD管114的阴极、电容131的另一端相连，并作为智能功率模块100 的U相高压区供电电源负端UVS。

HVIC管101的VB2端作为智能功率模块100的V相高压区供电电源正端VVB；HVIC 管101的HO2端与V相上桥臂IGBT管122的栅极相连；HVIC管101的VS2端与IGBT 管122的射极、FRD管112的阳极、V相下桥臂IGBT管125的集电极、FRD管115的阴 极、电容132的另一端相连，并作为智能功率模块100的W相高压区供电电源负端VVS。

HVIC管101的VB3端作为智能功率模块100的W相高压区供电电源正端WVB；HVIC 管101的HO3端与W相上桥臂IGBT管123的栅极相连；HVIC管101的VS3端与IGBT 管123的射极、FRD管113的阳极、W相下桥臂IGBT管126的集电极、FRD管116的阴 极、电容133的另一端相连，并作为智能功率模块100的W相高压区供电电源负端WVS。

HVIC管101的LO1端与U相下桥臂IGBT管124的栅极相连；HVIC管101的LO2 端与V相下桥臂IGBT管125的栅极相连；HVIC管101的LO3端在HVIC管与W相下桥 臂IGBT管126的栅极相连；IGBT管124的射极与FRD管114的阳极相连，并作为智能 功率模块100的U相低电压参考端UN；IGBT管125的射极与FRD管115的阳极相连， 并作为智能功率模块100的V相低电压参考端VN；IGBT管126的射极与FRD管116的 阳极相连，并作为智能功率模块100的W相低电压参考端WN；IGBT管127的射极与FBD 管117的阳极相连，并作为智能功率模块100的PFC低电压参考端N；IGBT管127的集 电极与FRD管117的阴极相连，并接大电流二极管118的阳极；IGBT管121的集电极、 FRD管111的阴极、IGBT管122的集电极、FRD管112的阴极、IGBT管123的集电极、 FRD管113的阴极相连，并接大电流二极管118的阴极作为智能功率模块100的高电压输 入端P，P一般接300V。

HVIC管101的作用是：

将输入端HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3、PFCIN的0～5V的逻辑信号分 别传到输出端HO1、HO2、HO3、LO1、LO2、LO3、POUT，其中，HO1、HO2、HO3是 VS～VS+15V的逻辑信号，LO1、LO2、LO3、POUT是0～15V的逻辑信号。

参见图1b～1e，智能功率模块100具有如下结构，其包括：电路基板(如铝基板)206； 设于电路基板206表面上的绝缘层207；绝缘层207上形成的电路布线208；被固定在电路 布线208上的IGBT管121～127、FRD管111～118、HVIC管101等元器件；连接元器件和 电路布线208的金属线205；与电路布线208连接的引脚201；电路基板206的至少一面被 密封树脂202密封，为了提高密封性，会将电路基板206全部密封，为了提高散热性，会 使电路基板206的背面露出到外部的状态下进行密封。

智能功率模块100的制造方法是：

将铝材形成适当大小作为电路基板206，在电路基板206表面上设置绝缘层207，并在 绝缘层207上形成铜箔，通过刻蚀使铜箔形成电路布线208；在电路布线208的特定位置涂装锡膏；在锡膏上放置元器件和引脚201；通过回流焊使锡膏固化，以将元器件和引脚201固定在电路布线208上；通过喷淋、超声等清洗方式，清除残留在电路基板206上的 助焊剂；通过邦定金属线205，使元器件间、元器件与电路布线208间形成连接；通过使 用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模制方式，以将上述要素密封；将引 脚201多余部分切除并形成所需的形状；通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成 为智能功率模块100。

从图1c可以看出，相关技术中的变频空调所用的智能功率模块是由1枚HVIC管控制 7枚IGBT管，虽然满足了能效的要求，但是HVIC管到IGBT管的走线很长，线路间容易 造成干扰，使得工作频率很难提高，导致外置电感的电感量一般要设计得很大，导致装配 困难，也提高了成本。

并且，由于从HVIC管到6枚U、V、W相的IGBT管的距离不一致，导致6枚IGBT 管的信号传输一致性难以控制，而HVIC管101控制IGBT管127的线距较长，也导致IGBT 管127高速切换时的延迟和上升沿、下降沿都较缓。

此外，因为基板上的电路布线过多势必增加电路基板的面积，导致相关技术中智能功 率模块的面积加大，增加了智能功率模块的制造成本，影响了智能功率模块在低端领域的 普及。

另外，由于需要留出电路布线面积，导致元器件间距离较大，通过金属线使元器件间 产生连接的邦线较长，影响了邦线的可靠性，对于第三代半导体等芯片，生产下线率很高。

并且，由于硅半导体的工作结温一般不能超过175℃，所以需要厚重的电路基板206 作为散热器帮助IGBT管及FRD管散热，对于功率较大的应用场合，如驱动变频空调压缩机的场合，如图1e所示，在电路基板106上还需外接更大的铝散热器220，增加了智能功 率模块的材料成本、运输成本和应用成本，阻碍了智能功率模块的普及。

为了解决现有技术中的不足，本申请提出了一种高性能的功率器件，能够通过引入高 低压驱动器，可最大程度减小功率器件本体的面积，在整体方案成本不增加的前提下提高 功率器件的可用性和可靠性。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。 虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而 不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请， 并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技 术方案进行详细的说明。

参照图2a～2d，本申请实施例的功率器件，包括：基板306、第一上桥臂开关管01、第二上桥臂开关管02、第三上桥臂开关管03、第一下桥臂开关管04、第二下桥臂开关管 05、第三下桥臂开关管06、第一上桥臂高压驱动器41、第二上桥臂高压驱动器42、第三 上桥臂高压驱动器43、第一下桥臂低压驱动器44、第二下桥臂低压驱动器45、第二下桥 臂低压驱动器45和PFC电路07。

其中，第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管01、02和03设置在基板306第一侧，第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管04、05和06设置在基板306第一侧，第一上桥臂 高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41、42、和43设置在基板306第一侧，第一上桥臂 高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41、42、和43分别与第一上桥臂开关管至第三上桥 臂开关管01、02和03相连，第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44、45和 46设置在基板306第一侧，第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44、45和46 分别与第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管04、05和06相连，PFC电路07设置在基板 306第一侧。

在本申请的一个实施例中，第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管01、02和03包括 第一IGBT管至第三IGBT管21、22、23和第一FRD管至第三FRD管11、12、13，第一 上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41、42和43设置在第一IGBT管至第三IGBT 管21、22和23的射极之上，第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管04、05和06包括第 四IGBT管至第六IGBT管24、25、26和第四FRD管至第六FRD管14、15、16，第一下 桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44、45和46设置在第四IGBT管至第六IGBT 管24、25和26的射极之上。

在本申请的一个实施例中，PFC电路07，包括：开关管27、与开关管27相连的低压驱动器47和碳化硅SBD管17。其中，碳化硅SBD管17为小功率碳化硅SBD管。

在本申请的一个实施例中，第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41、42和 43通过BCD或SOI工艺制作，第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44、45、46和低压驱动器47通过BIPOLAR或COMS工艺制作。

下面结合本申请的具体实施例对本申请的内容进一步说明。

参照图2a，第一上桥臂高压驱动器41、第二上桥臂高压驱动器42、第三上桥臂高压驱 动器43是3枚分别驱动第一IGBT管21、第二IGBT管22、第三IGBT管23的单臂HVIC 管，他们的结构完全相同，作用是将输入端HIN的0～5V的逻辑信号传到输出端HO，其 中HO是VS～VS+15V的逻辑信号；由于VS是在0～300V之间变化，所以第一上桥臂高 压驱动器41、第二上桥臂高压驱动器42、第三上桥臂高压驱动器43需要耐高压的流片工 艺实现，有时为了降低成本，使用650V的BCD工艺，有时为了降低耐压结构设计难度， 使用650V的SOI工艺。

第一下桥臂低压驱动器44、第二下桥臂低压驱动器45、第三下桥臂低压驱动器46是3 枚分别驱动第一下桥臂开关管04、第二下桥臂开关管05、第三下桥臂开关管06的单臂LVIC 管，他们的结构完全相同，作用是将输入端LIN的0～5V的逻辑信号传到输出端LO，其中LO是0～15V的逻辑信号；由于第一下桥臂低压驱动器44、第二下桥臂低压驱动器45、 第三下桥臂低压驱动器46不需要耐高压的流片工艺实现，有时为了降低成本，使用20V 的BIPOLAR工艺，有时为了提高一致性，使用20V的COMS工艺。

低压驱动器47是驱动PFC电路07中的开关管(如IGBT管)27的单臂LVIC，为了 节省成本，使用20V的BIPOLAR工艺进行流片，出于降低功耗考虑，也可以采用20V的 COMS工艺。

第一上桥臂高压驱动器41、第一下桥臂低压驱动器44的VCC、第二上桥臂高压驱动器42、第二下桥臂低压驱动器45的VCC、第三上桥臂高压驱动器43、第三下桥臂低压驱 动器46、低压驱动器47的VCC相连，并作为功率器件10的VDD端，VDD是功率器件 10的低压区供电电源，VDD一般为15V。

第一上桥臂高压驱动器41的HIN端作为功率器件10的U相上桥臂输入端UHIN，第二上桥臂高压驱动器42的HIN端作为功率器件10的V相上桥臂输入端VHIN，第三上桥 臂高压驱动器43的HIN端作为功率器件10的W相上桥臂输入端WHIN，第一下桥臂低压 驱动器44的LIN端作为功率器件10的U相下桥臂输入端ULIN，第二下桥臂低压驱动器 45的LIN端作为功率器件10的V相下桥臂输入端VLIN，第三下桥臂低压驱动器46的LIN 端作为功率器件10的W相下桥臂输入端WLIN，低压驱动器47的PIN端作为功率器件10 的PFC电路07输入端PFCIN；在此，功率器件10的U、V、W三相及PFC电路07共七 路输入接收0～5V的输入信号。

第一上桥臂高压驱动器41的GND端、第二上桥臂高压驱动器42的GND端、第二上 桥臂高压驱动器42的GND端、第一下桥臂低压驱动器44的GND端、第二下桥臂低压驱 动器45的GND端、第二下桥臂低压驱动器45的GND端、低压驱动器47的GND相连， 并作为功率器件10的COM端，COM为VDD供电电源的负端。

第一上桥臂高压驱动器41的VB端作为功率器件10的U相高压区供电电源正端UVB，第二上桥臂高压驱动器42的VB端作为功率器件10的V相高压区供电电源正端VVB，第 三上桥臂高压驱动器43的VB端作为功率器件10的W相高压区供电电源正端WVB，第 一上桥臂高压驱动器41的HO端与第一IGBT管21的栅极相连，第一上桥臂高压驱动器 41的VS端与第一IGBT管21的射极、第一FRD管11的阳极、第四IGBT管24的集电极、 第四FRD管14的阴极相连，并作为功率器件10的U相高压区供电电源负端UVS。

第二上桥臂高压驱动器42的HO端与第二IGBT管22的栅极相连，第二上桥臂高压驱动器42的VS端与第二IGBT管22的射极、第二FRD管12的阳极、第五IGBT管25的 集电极、第五FRD管15的阴极相连，并作为功率器件10的V相高压区供电电源负端VVS。

第三上桥臂高压驱动器43的HO端与第三IGBT管23的栅极相连，第三上桥臂高压驱动器43的VS端与第三IGBT管23的射极、第三FRD管13的阳极、第六IGBT管26的 集电极、第六FRD管16的阴极相连，并作为功率器件10的W相高压区供电电源负端WVS。

第一IGBT管21的集电极、第一FRD管11的阴极、第二IGBT管22的集电极、第二 FRD管12的阴极、第三IGBT管23的集电极、第三FRD管13的阴极、高功率碳化硅SBD 管18的阴极相连，并作为功率器件10的高电压输入端P，P一般接300V。

第一下桥臂低压驱动器44的LO端与第四IGBT管24的栅极相连，第四IGBT管24 的射极与第四FRD管14的阳极相连，并作为功率器件10的U相低电压参考端UN；第二 下桥臂低压驱动器45的LO端与第五IGBT管25的栅极相连，第五IGBT管25的射极与 第五FRD管15的阳极相连，并作为功率器件10的V相低电压参考端VN；第三下桥臂低 压驱动器46的LO端与第六IGBT管26的栅极相连，第六IGBT管26的射极与第六FRD 管16的阳极相连，并作为功率器件10的W相低电压参考端WN。

低压驱动器47的POUT端与开关管27的栅极相连，开关管27的射极与碳化硅SBD 管17的阳极相连，开关管27的集电极与碳化硅SBD管17的阴极、高功率碳化硅SBD管 18的阳极相连。

下面参照图2b～2d说明本申请实施例的功率器件10的结构图。

在本申请的一个实施例中，如图2d所示，基板306可以为金属基板或陶瓷基板。其中， 当基板306为金属基板时，在金属表面覆盖绝缘层307；当基板306为陶瓷基板时，不需要覆盖绝缘层。

如图2d所示，上述的功率器件，还包括：设置在基板第二侧的散热器320。其中，基板306和散热器320均可以由湿式碳素复合材料构成，且基板306和散热器320一体形成。

具体而言，本申请实施例的功率器件10具有在表面上形成有由绝缘层307的金属基板306；配置在功率器件10绝缘层307上的电路布线308；配置在功率器件10电路布线308上的第一IGBT管21、第二IGBT管22、第三IGBT管23、第四IGBT管24、第五IGBT 管25、第六IGBT管26、开关管27、第一FRD管11、第二FRD管12、第三FRD管13、 第四FRD管14、第五FRD管15、第六FRD管16、碳化硅SBD管17和高功率碳化硅SBD 管18；设置在相应IGBT管的栅极上的HVIC管和LVIC的驱动电路；配置在电路布线308 的边缘部分的引脚301，用于连接上述各电路元件和电路布线308间的金属线305；密封该 电路且至少完全覆盖金属基板306上所有电路元件的密封树脂302，例如，通过树脂将电 路布线308、电路元件、金属线305密封，露出基板背面；覆盖在基板306背面的小型散 热器320。

下面结合本申请具体实施例说明上述构成功率器件10的各构成要素。

在本申请的一个实施例中，金属基板306为具有湿式碳素复合材料功能的基板306，可 由粉末和纤维状碳素材料复合加工成石墨质，材料可耐受350℃以上的高温，并可根据需 要折叠成任意形状得到的散热器(如小型散热器)320，其中，为了提高抗腐蚀性和防水， 表面可进行防水处理，并将金属基板306和散热器320一体制成，金属基板306的形状平 整、散热器320的形状不规则。

在本申请的另一个实施例中，金属基板306和散热器320也可以为采用不同厚度的湿 式碳素复合材料，其中，为了增加机械强度，金属基板306采用了较厚的湿式碳素复合材料，厚度可设计为1.5mm，为了降低成本和增加皱褶的密度，散热器320采用了较薄的湿 式碳素复合材料，厚度可设计为0.5mm。

在此，金属基板306具有散热器320的一面称为功率器件10的金属基板306的背面，相对面称为功率器件10的金属基板306的表面。在此，散热器320不能完全覆盖功率器件 10的金属基板306的背面，在金属基板306的背面的边缘需要流出至少1.5mm的平整位置。

功率器件10的绝缘层307覆盖金属基板306的一个表面，称为功率器件10的金属基板306的正面，并在环氧树脂等树脂材料内高浓度填充氧化铝等填料提高热导率，也可以加入二氧化硅、氮化硅、碳化硅等掺杂以达到更高的导热性，在此，掺杂可以是球形或角形，通过热压方式，压合在功率器件10金属材质载体306的表面。

功率器件10的电路布线308由铜等金属构成，形成于功率器件10金属材质载体306上的特定位置，根据功率需要，可设计成0.035mm或0.07mm等的厚度，优先考虑设计成0.07mm的厚度。

特别地，在功率器件10金属基板306的边缘，形成有用于配置功率器件10引脚301的功率器件10电路布线308。在此，在功率器件10的金属基板306的两边附近设置多个 用于配置引脚301的电路布线308，根据功能需要，也可在金属基板306的一边、三边、 四边附近设置多个用于配置引脚301的电路布线308。

功率器件10的第一IGBT管至第六IGBT管21～26、开关管27、第一FRD管至第六 FRD管11～16、碳化硅SBD管17、高功率碳化硅SBD管18被固定在电路布线308上构成 固定的电路。在此，功率器件10的7枚IGBT管的具有射极和栅极的面朝上、具有集电极 的面朝下安装，6枚FRD管的具有阳极的面朝上、具有阴极的面朝下安装，2枚碳化硅SBD 管的具有阳极的面朝上、具有阴极的面朝下安装。

功率器件10的第一上桥臂高压驱动器41被固定在第一IGBT管21上，第二上桥臂高压驱动器42被固定在第二IGBT管22上，第三上桥臂高压驱动器43被固定在第三IGBT 管23上，第一下桥臂低压驱动器44被固定在第四IGBT管24上，第二下桥臂低压驱动器 45被固定在第五IGBT管25上，第三下桥臂低压驱动器46被固定在第六IGBT管26上， 低压驱动器47被固定在开关管27上。在此，第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱 动器41、42、43、第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44、45、46和低压驱 动器47在对应的IGBT管上被固定的位置为IGBT管的射极，对于一般的15A和30A的 IGBT管，逆变部分的IGBT管，即第一IGBT管至第六IGBT管21～26，射极的面积不会 小于3mm²，PFC电路07中的开关管27，即IGBT管27，射极的面积不会小于6mm²，对 于一般的单臂HVIC管和单臂LVIC管，面积不会大于2mm²。

功率器件10的金属线15可以是铝线、金线或铜线，通过邦定使各电路元件和电路布 线308之间建立电连接关系，有时还用于使引脚301和功率器件10电路布线308建立电连接关系。

功率器件10的引脚301被固定在设于金属基板306边缘的电路布线308上，其具有例 如与外部进行输入、输出的作用。在此，设计成相对两边上设有多条引脚301，引脚301和电路布线308通过焊锡等导电性粘结剂焊接。引脚301一般采用铜等金属制成，铜表面 通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐 蚀氧化，并可提高可焊接性。

功率器件10的树脂302可通过传递模方式使用热硬性树脂模制，也可使用注入模方式 使用热塑性树脂模制。在此，树脂302完全密封金属基板306上表面上的所有元素，而对 于致密性要求高的功率器件，一般会对金属基板306的整体也进行密封处理，例如，在本申请的实施例中，为了提高功率器件的散热性，金属基板306的背面露出。

下面参照图3至图9来说明本申请实施例的功率器件的形成方法。

以下说明的各工序的详细情况。

第一工序：参照俯视图3a和侧视图3b

本工序是本申请的特征工序，工序一是在大小合适的纸制散热器上形成绝缘层，并在 绝缘层表面形成电路布线的工序。

首先，参照俯视图3a和侧视图3b，根据需要的电路布局准备大小合适的金属基板306， 对于一般的功率器件可选取44mm×20mm的大小，两面进行防蚀处理。在金属基板(如铝 基板)306的至少一面的表面上设有绝缘层307。另外，在绝缘层307的表面粘贴有作为导电图案的铜箔。然后将该工序制造的铜箔进行蚀刻，局部地除去铜箔，形成电路布线308。

在此，大小合适的纸制散热器的形成可以通过直接对1m×1m的型材进行冲切等方式 形成，也可通过先1m×1m的型材剪切形成。

第二工序：参照俯视图4a和侧视图4b

本工序是在电路布线308上安装第一至第六IGBT管21～26、开关管27、第一至第六FRD管11～16、碳化硅SBD管17、高功率碳化硅SBD管18和引脚301的工序。

参照俯视图4a和侧视图4b，通过锡膏等焊料将第一至第六IGBT管21～26、第一至第 六FRD管11～16和引脚301安装在电路布线308的规定位置。

在此，为了减小锡膏焊接后的空洞率，并且进行成本控制，可以考虑使用具有氮气保 护的回流炉进行锡膏固定，如果成本允许，也可以考虑使用真空回流的形式。其中，锡膏的融化温度一般为280℃左右。

第三工序：参照俯视图5a和侧视图5b

本工序是本申请实施例的特征工序，是在第一IGBT管至第六IGBT管21～26的射极位 置安装第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41～43、第一下桥臂低压驱动器至 第三下桥臂低压驱动器44～46和低压驱动器47的工序。

首先，参照俯视图5a和侧视图5b，在第一IGBT管21上安装第一上桥臂高压驱动器41，在第二IGBT管22上安装第二上桥臂高压驱动器42，在第三IGBT管23上安装第三 上桥臂高压驱动器43，在第四IGBT管24上安装第一下桥臂低压驱动器44，在第五IGBT 管25上安装第二下桥臂低压驱动器45，在第六IGBT管26上安装第三下桥臂低压驱动器 46，在开关管27上安装低压驱动器47。

在此，如果第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41～43、第一下桥臂低压驱 动器至第三下桥臂低压驱动器44～46和低压驱动器47的背面并非GND等电极，可以使用 具有导电性的固定胶如银胶等作为固定材料，如果第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高 压驱动器41～43、第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器44～46和低压驱动器47 的背面为GND等电极，可以使用非导电性的固定胶如红胶等作为固定材料。

其次，通过170℃-180℃(优选175℃)烘烤的形式，将银胶或红胶固化，在此，银胶或红胶的固化温度为170℃左右，固化时间约为1-3小时(优选2小时)。因为烘烤温度远 低于锡膏的融化温度，所以在此加热过程中，不会影响到IGBT管、FRD管、SBD管和引 脚的焊接效果。

第四工序：参考俯视图6a和侧视图6b

本工序是本申请实施例的特征工序，通过金属线305在电路元件和电路布线308间形 成电连接的工序。

参考俯视图6a和侧视图6b，本工序进行第一IGBT管至第六IGBT管21～26、开关管27、第一FRD管至第六FRD管11～16、碳化硅SBD管17、高功率碳化硅SBD管18、第 一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41～43、第一下桥臂低压驱动器至第三下桥 臂低压驱动器44～46、低压驱动器47和电路布线308的邦线连接。

根据通流能力需要，选择适当直径的铝线作为邦定线，对于用于信号控制的部分，如 第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器41～43、第一下桥臂低压驱动器至第三下 桥臂低压驱动器44～46和低压驱动器47，也可考虑使用15μm的金线或38μm的铝线作为邦定线。对功率器件10的电路元件部分，如第一IGBT管至第六IGBT管21～26、开关 管27、第一FRD管至第六FRD管11～16、碳化硅SBD管17、高功率碳化硅SBD管18， 邦定使用200μm～400μm的铝线。

考虑到邦线机台震动对邦定线的影响，可使用先邦粗线再邦细线的方式；出于防静电 考虑，可使用先邦细线再邦粗线的方式。具体根据机台的震动幅度和机台邦头的防静电效 果而定。

需要说明的是，由于装配IGBT管与SBD管和装配高低压驱动器使用不同的工序进行， 从而可以通过不同的焊料和焊接参数对此两类电路元件进行固定，可以从一定程度上降低 对焊接工艺的参数要求，对提高焊接质量和焊接成品率有积极作用。

第五工序：参照图7

参照图7说明由密封树脂302密封金属基板306的工序。

将配置好引脚301的功率器件10金属基板306搬送到模型44及45。通过使引脚301的特定部分与固定装置46接触，进行金属基板306的定位。

合模时，在形成于模具50内部的模腔中放置金属基板306，然后由浇口53注入密封树 脂302。进行密封的方法可采用使用热硬性树脂的传递模制或使用热硬性树脂的注入模制。 而且，对应浇口53注入的密封树脂302模腔内部的气体通过排气口54排放到外部。对于功率器件10浇口53位置的选择，应选择不完全具有引脚301的一边，即图6a的上边，对 于排气口54的选择，应选择完全具有引脚301的一边，即图6b的下边。

在此，功率器件10的金属基板306的背面紧贴在下模45上，但仍会有少量密封树脂302进入到金属基板306的背面和下模45之间，因此，在脱模后，需要进行激光蚀刻或者 研磨，将残留在金属基板306背面的少量密封树脂302去除，使金属基板306的背面从密 封树脂302露出，并且平整，而金属基板306的背面以上部分被密封树脂302密封。

第六工序：参照图8a和图8b

本申请第六工序是本申请的特征工序，本工序是进行功率器件10的引脚301切筋成型， 装配散热器320并进行模块功能测试的工序，功率器件经由此工序作为制品完成。

在前工序即传递模装工序使除功率器件10的引脚301以外的其他部分都被树脂302密 封。本工序根据使用的长度和形状需要，例如，在虚线的位置将外部引脚301切断，如图 8a所示，有时还会折弯成一定形状，便于后续装配。

使用耐受温度在150℃以上的耐高温胶水，将散热器320粘附在金属基板306的背面， 在此，为了提高散热性，散热器320可以完全覆盖金属基板306的背面将从热硬性树脂框 13露出的部分，为了降低成本，散热器320可以只完全覆盖具有电路元件的金属基板306的背面。

然后将功率器件放入测试设备中，进行常规的电参数测试，一般包括绝缘耐压、静态 功耗、迟延时间等测试项目，测试合格者为成品。

需要说明的是，如果本申请实施例的功率器件使用在10A及以下的场合时，可以考虑 不使用散热器320。

利用上述工序，即可完成图2a所示的功率器件10。

综上，本申请功率器件的形成方法包括：工序一是，在大小合适的纸制散热器上形成 绝缘层，并在绝缘层表面形成电路布线的工序；工序二，是在电路布线上配置IGBT管、FRD管、SBD管和引脚的工序；工序三，是在IGBT管的射极位置安装HVIC管、LVIC管 的工序；工序四，是通过金属线305在各电路元件和电路布线间形成电连接的工序；工序 五，是由密封树脂密封其中一面的工序；工序六，是进行引脚切筋成型、安装散热皱褶， 并进行功率器件功能测试的工序。具体工序图可参见图9所示。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1、本申请通过引入高低压驱动器，低压驱动器通过LVIC管实现，高压驱动器通过HVIC 管实现，各自独立的HVIC管或LVIC管配置在对应开关管上，这样从HVIC管或LVIC管到开关管栅极的走线可以做到一致，可大量节省电路布线的面积，使功率器件本体的面积大幅减小，并在整体方案成本不增加的前提下提高功率器件的可用性和可靠性。

2、低压驱动器可以通过低成本的BIPOLAR或COMS等低压工艺实现，高压驱动器则通过BCD或SOI等高压工艺实现，前者的工艺成本仅为后者的1/3，大幅降低了功率器件 的制造成本。

3、PFC电路中使用碳化硅SBD管，不但速度快，而且没有反向恢复时间，即便工作在极高的频率下也不会造成EMI困扰，使提高功率因素校正电路的频率成为可能。

4、由于碳化硅SBD管的工作结温很高，可以使用小型散热器代大的铝散热器，使本申请的功率器件的重量大幅降低，材料成本、运输成本也随之大幅下降。

5、由于种种降成本的措施，使用了碳化硅SBD管的功率器件与使用传统硅材料的功 率器件相比成本不会增加，加之本申请的功率器件在外部是可以使用更小的电感，应用基 板也做得更小，总体成本还会下降。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了功率器件的形成方法。

图10为本申请实施例的功率器件的形成方法的流程图。如图10所示，本申请实施例 的功率器件的形成方法，包括以下步骤：

S1，提供基板。

S2，在基板第一侧形成第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管和第一下桥臂开关管至 第三下桥臂开关管。

S3，在基板第一侧形成PFC电路。

S4，在第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上形成第一上桥臂高压驱动器至第三 上桥臂高压驱动器，并在第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上形成第一下桥臂低压 驱动器至第三下桥臂低压驱动器。

在本申请的一个实施例中，通过氮气保护的回流炉将第一上桥臂开关管至第三上桥臂 开关管和第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管焊接至基板。

在本申请的一个实施例中，第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管包括第一IGBT管 至第三IGBT管，第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器设置在第一IGBT管至第 三IGBT管的射极之上，第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管包括第四IGBT管至第六IGBT管，第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器设置在第四IGBT管至第六IGBT管的射极之上。

在本申请的一个实施例中，在第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上形成第一上 桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器，并在第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之 上形成第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器，包括：通过固定胶将第一上桥臂 高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器固定在第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上， 并将第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器固定在第一下桥臂开关管至第三下桥 臂开关管之上；在170℃-180℃中对固定胶进行固化。其中，固化时间为1-3小时。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本申请通过引入高低压驱动器，可最大程度减小功率器件本体的面积，并在整体方案 成本不增加的前提下提高功率器件的可用性和可靠性。

由于本申请实施例所介绍的功率器件的形成方法是应用于功率器件的，故而基于本申 请实施例所介绍的功率器件，本领域所属人员能够了解该形成方法的具体过程，故而在此 不再赘述。凡是本申请实施例的功率器件所保护的范围都属于本申请所欲保护的范围。

为达到上述目的，本申请实施例还提出了一种电器，其包括前述的功率器件。

在本申请的实施例中，上述电器可以为空调、洗衣机、冰箱、电磁炉等，并且其中的功率器件可以实现前述部分中描述的功率器件具有的功能。

本申请实施例的电器，通过上述的功率器件，能够降低成本，提高可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产 品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程 序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和 /或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程 和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程 序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以 产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于 实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装 置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式 工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置 的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机 或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他 可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方 框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要 求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单 词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本申请可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概 念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选 实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和 范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内， 则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种功率器件，其特征在于，包括：

基板；

设置在所述基板第一侧的第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管；

设置在所述基板第一侧的第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管；

设置在所述基板第一侧的第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器分别与所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管相连，其中，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器分别设置在所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上；

设置在所述基板第一侧的第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器分别与所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管相连，其中，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器分别设置在所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上；

设置在所述基板第一侧的PFC电路。

2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述基板为金属基板或陶瓷基板。

3.如权利要求2所述的功率器件，其特征在于，当所述基板为金属基板时，还包括：

覆盖所述基板第一侧的绝缘层。

4.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，还包括：

设置在所述基板第二侧的散热器。

5.如权利要求4所述的功率器件，其特征在于，所述基板和所述散热器均由湿式碳素复合材料构成，且所述基板和所述散热器一体形成。

6.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器通过BCD或SOI工艺制作，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器通过BIPOLAR或COMS工艺制作。

7.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管包括第一IGBT管至第三IGBT管，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器设置在所述第一IGBT管至第三IGBT管的射极之上，所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管包括第四IGBT管至第六IGBT管，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器设置在所述第四IGBT管至第六IGBT管的射极之上。

8.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述PFC电路，包括开关管、与所述开关管相连的低压驱动器和碳化硅SBD管。

9.一种功率器件的形成方法，其特征在于，包括：

提供基板；

在所述基板第一侧形成第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管和第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管；

在所述基板第一侧形成PFC电路；

在所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上形成第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器，并在所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上形成第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器。

10.如权利要求9所述的功率器件的形成方法，其特征在于，通过氮气保护的回流炉将第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管和第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管焊接至所述基板。

11.如权利要求9所述的功率器件的形成方法，其特征在于，所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管包括第一IGBT管至第三IGBT管，所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器设置在所述第一IGBT管至第三IGBT管的射极之上，所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管包括第四IGBT管至第六IGBT管，所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器设置在所述第四IGBT管至第六IGBT管的射极之上。

12.如权利要求11所述的功率器件的形成方法，其特征在于，所述在所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上形成第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器，并在所述第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上形成第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器，包括：

通过固定胶将所述第一上桥臂高压驱动器至第三上桥臂高压驱动器固定在所述第一上桥臂开关管至第三上桥臂开关管之上，并将所述第一下桥臂低压驱动器至第三下桥臂低压驱动器固定在第一下桥臂开关管至第三下桥臂开关管之上；

在170℃-180℃中对所述固定胶进行固化。

13.如权利要求12所述的功率器件的形成方法，其特征在于，所述固化时间为1-3小时。

14.一种电器，其特征在于，所述电器具有权利要求1-8任一项所述的功率器件。