CN110012590B - 一种基于pcb嵌入工艺的全桥集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，包括设置在PCB嵌入模块上的全桥功率电路、高频解耦电容、驱动电路、功率器件以及散热器，功率器件为氮化镓器件或碳化硅器件，氮化镓器件或碳化硅器件分别包括四个，通过串并联连接组成全桥电路，全桥电路连接高频解耦电容和驱动电路，与散热器连接构成嵌入式全桥集成模块。本发明极大的减小了寄生电感，可以推进宽禁带器件的高频化运行，有助于系统功率密度的提升。

Description

一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块。

背景技术

电力电子技术是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段。高效率和高质量的电能变换是电力电子技术发展的终极目标，传统硅器件已经达到了其理论极限，通过继续优化Si器件来提高功率变换器性能的潜力十分有限。新一代以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体器件一经出现，就展现出了远超于硅器件的性能。相对于硅器件，宽禁带器件具有更小的性能系数(Figure ofMerit，FOM)、驱动损耗和开关损耗，有助于提升变换器的开关频率，对大幅度提高变换器的功率密度起到非常大的作用。因此，新型宽禁带器件在电动车领域有着极好的应用前景。然而，宽禁带器件在其高频化的应用过程中却面临着诸多的挑战。因为宽禁带器件的高频化应用使其对寄生参数更加敏感，在相同的寄生电感下会产生更加严重的过电压、寄生振荡以及EMI等问题，减小封装的寄生参数是促进宽禁带器件高频应用的一个重要保证。

相较于功率器件的发展，封装技术的发展相对滞后。传统的功率器件封装通常基于DBC基板和键合线的封装结构，如图1所示，键合线的互连方式会引入较大的寄生参数，从而显著增加器件损耗并且产生波形振荡，引起电路噪声，不利于宽禁带器件的高频运行。同时，由集肤效应和邻近效应引起的键合线之间电流分布不均匀，会导致局部过热，以及键合线上存在的电磁力振动，导致了键合线是功率模块的故障易发点。所以，传统的封装形式不适用于宽禁带器件的封装，不仅无法充分发挥其优越的高频特性，还会给电路工作带来可靠性问题。与此同时，模块的系统集成对于宽禁带器件的应用同样十分重要。传统功率器件通常以分立器件形式或模块形式存在，并和电容、电感、变压器等无源元件，以及其他驱动和控制辅助电路共同组成电力电子电路，如图2所示，不仅功率密度较低，而且会导致较大的回路面积和回路寄生参数。因而，传统的封装和集成结构不利于宽禁带器件的高频应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，通过去除传统键合线的互连方式和高度三维集成高频解耦电容、驱动电路和功率电路，实现很小的寄生电感和很高的功率密度，从而可以充分发挥宽禁带器件的高频性能，推进其高频应用，通过集成散热器提高模块的散热能力，进而为宽禁带器件在电动车新领域的应用、以及电力电子变换器的新型架构奠定了基础。

本发明采用以下技术方案：

一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，包括设置在PCB嵌入模块上的全桥功率电路、高频解耦电容、驱动电路、功率器件以及散热器，功率器件为氮化镓器件或碳化硅器件，氮化镓器件或碳化硅器件分别包括四个，通过串并联连接组成全桥电路，全桥电路连接高频解耦电容和驱动电路，与散热器连接构成嵌入式全桥集成模块。

具体的，PCB嵌入模块为四层板结构，氮化镓器件设置在PCB嵌入模块的中间芯板层中，利用激光微孔技术将氮化镓器件的电极连接至PCB模块的两个中间布线层。

进一步的，高频解耦电容和驱动电路设置在PCB嵌入模块的顶层，全桥集成模块的引脚设置在PCB嵌入模块的底层。

更进一步的，高频解耦电容包括四个，均匀排布在四个氮化镓器件组成的全桥电路正上方，形成垂直方向的功率回路。

具体的，利用激光微孔沉铜技术在PCB嵌入模块上设置若干铜柱阵列。

具体的，氮化镓器件Q1、Q2的S极分别与氮化镓器件Q3、Q4的D极相连组成两个半桥电路，氮化镓器件Q1与Q2的D极、氮化镓器件Q3与Q4的S极相连，两个半桥电路并联组成全桥电路。

进一步的，驱动电路包括半桥驱动芯片Dr2，半桥驱动芯片Dr2的12管脚与14管脚、8管脚与10管脚、4管脚与7管脚之间分别连接陶瓷电容C2、C8、C10；氮化镓器件Q2和Q4的开通电阻Rg2和Rg6一端分别接至半桥驱动芯片Dr2的13管脚和9管脚，另一端分别接至氮化镓器件Q2和Q4的G极；氮化镓器件Q2和Q4的关断电阻Rg4和Rg8一端分别与半桥驱动芯片Dr2的13管脚和9管脚相连，另一端分别与二极管D2和D4的阴极相连，二极管D2和D4的阳极分别接至氮化镓器件Q2和Q4的G极；半桥驱动芯片Dr2的12管脚和8管脚分别与氮化镓器件Q2和Q4的S极相连。

更进一步的，半桥驱动芯片Dr2的PWM4、PWM2与SGND之间连接滤波电容C13、C14。

具体的，高频解耦电容包括C3、C4、C5、C6，C3、C4、C5、C6接在VIN和PGND之间。

进一步的，高频解耦电容采用1206封装的陶瓷电容，氮化镓器件采用GS66508D，驱动芯片采用LGA14封装的Si8273型半桥驱动芯片。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，相比于传统的基于键合线和DBC基板的功率模块，其制作过程与PCB的制作工艺通用，并且PCB的制作工艺比DBC的制作工艺更加成熟，随着嵌入工艺的进一步成熟，可以实现较低的成本，本发明所提出的封装技术不仅适用于氮化镓全桥模块，同时也适用于基于碳化硅等器件的其它拓扑的模块封装，通过采用PCB嵌入工艺将功率器件嵌入在PCB芯板中，提高了模块的空间利用率，散热器的集成可以提高功率集成模块的散热效率，保证功率器件工作在安全的温度范围内，驱动电路的集成有助于实现较小的驱动回路寄生电感，改善氮化镓器件的开关性能，提高效率。

进一步的，通过激光微孔和沉铜技术，形成互连铜柱，取代了传统的寄生电感较大的键合线互联方式，实现减小寄生电感的目的。

进一步的，利用上述激光微孔和沉铜技术形成尽可能多的铜柱，并组成阵列，从而进一步减小寄生电感，并且帮助改善功率模块的散热性能。

进一步的，通过集成高频解耦电容，将四个解耦电容均匀地排布在由四个氮化镓芯片组成的全桥电路的正上方，形成回路面积更小的垂直回路布局，从而实现极小的寄生电感，以推进宽禁带器件的高频运行，充分发挥宽禁带器件的高频性能。相应地，可以体积更小的电感、电容等无源器件，从而使系统体积大大缩小，功率密度大大提高。

进一步的，通过采用高热导率、低CTE的BT材料作为PCB介质材料，结合对称的模块结构设计，减小模块在高温运行时功率器件所承受的热机械应力，提高模块可靠性。

进一步的，通过功率电路、高频解耦电容、驱动电路以及散热器的高度三维集成，并结合功率模块的芯片化设计思路，实现比现有同等级模块更小的体积，使系统的功率密度得到大幅提高。

综上所述，本发明一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，通过消除传统键合线的互连方式、集成高频解耦电容形成垂直方向的功率回路，从而极大减小了寄生电感，可以推进宽禁带器件的高频化运行，有助于系统功率密度的提升。并且，由于驱动电路、高频解耦电容、功率电路和散热器的高度集成，结合芯片化的设计思路，本发明在实现比现有同等级模块更小的体积、更多的功能和更高功率密度的同时，还可以保证良好的散热性能。因此，本发明可以应用在电动汽车、数据中心等对功率密度要求较高、环境比较恶劣的应用场合。作为一个很有发展潜力的领域，电动汽车蕴含着极大的经济价值，本发明在电动汽车领域的成功应用可以产生很大的经济效益。不仅如此，本发明所提出的嵌入式集成模块封装技术有望促进未来集成模块封装技术新标准及电力电子变换器新架构的形成。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为传统基于DBC基板和键合线的封装结构；

图2为传统电力电子电路结构示意图；

图3为本发明集成模块总体连接关系图；

图4为本发明集成模块所采用的氮化镓裸片实物图；

图5为本发明集成模块的具体实施步骤示意图

图6为本发明超薄芯片化的氮化镓功率模块示意图。

其中，1.高频解耦电容；2.驱动电路；3.散热器；5.底部布线层；6.中间布线层；7.顶部布线层；8.顶部阻焊层；9.连接铜柱；10.氮化镓器件。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，将由氮化镓器件组成的全桥电路、高频解耦电容1、驱动电路2和散热器3集成封装在一个模块中。

本发明一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，具体技术方案如下：

氮化镓器件10以GaN Systems公司的GS66508D(650V/30A)裸片为例，为简化结构、节省空间，采用了半桥驱动芯片(以LGA14封装的Si8273芯片为例)，高频解耦电容1采用四个1206封装的陶瓷电容。

为实现模块所集成电路的连接关系，本发明所设计PCB嵌入模块采用了四层板设计。PCB介质材料采用了高热导率、低热膨胀系数(CTE)的BT材料，一方面可以保证有效地将功率器件所产生的热量传导至模块表面；另一方面，可以减小与氮化镓器件CTE不匹配问题，但始终还是存在差异。

当器件工作高温环境时，由于CTE不匹配的问题，会产生热机械应力，如果所设计模块的结构对称性较差，机械应力问题更突出，长时间工作会造成材料的疲劳老化，影响模块的可靠性和寿命。因而，本发明为了保证结构的对称性，将四个氮化镓器件嵌在PCB的中间芯板层中，并利用激光微孔技术将各器件的电极连接至PCB的两个中间布线层，完成设计要求的电气连接关系。

PCB嵌入模块的顶层用于解耦电容、驱动芯片及其辅助元件的焊接安装以及散热器的安装，底层用于模块相关引脚焊盘的引出。

为了实现尽可能小的寄生参数，本发明将四个高频解耦电容均匀地排布在由四个氮化镓器件组成的全桥电路的正上方，从而形成垂直方向的功率回路，回路面积很小。然后，利用激光微孔沉铜技术形成尽可能多的铜柱并组成阵列，可以进一步减小寄生参数。铜柱阵列不仅有助于减小回路寄生电感，而且还可以帮助改善功率模块的散热性能。

请参阅图3，为本发明所提出的集成模块所包含的所有元件及连接关系，本发明所述模块中共包含以下元器件：

4片GaN Systems公司氮化镓裸片GS66508D(Q1～Q4，图4为芯片实物图，尺寸为5868.4μm×2176μm×265μm)；

2片半桥驱动芯片Si8273(Dr1和Dr2，图5为芯片引脚分布图)；

6片0603封装的陶瓷电容C1、C2、C7、C8、C9和C10；

4片1206封装的陶瓷电容C3～C6；

4片0603封装的陶瓷电容C11～C14；

8片0603封装的电阻Rg1～Rg8；

4片肖特基二极管D1～D4。

氮化镓器件Q1、Q2的S极分别与Q3、Q4的D极相连组成两个半桥电路，Q1与Q2的D极、以及Q3与Q4的S极相连，使两个半桥电路并联，组成全桥电路。

由于全桥电路中的两个半桥的驱动电路是相同的，所以只对左侧半桥的驱动电路进行说明具体如下：

陶瓷电容C2、C8、C10(C1、C7、C9)分别接在半桥驱动芯片Dr2(Dr1)的管脚12与14、8与10、4与7之间，作为滤波电容使用；

氮化镓器件Q2和Q4(Q1和Q3)的开通电阻Rg2和Rg6(Rg1和Rg5)一端分别接至半桥驱动芯片Dr2(Dr1)的13和9管脚，另一端分别接至Q2和Q4(Q1和Q3)的G极；

氮化镓器件Q2和Q4(Q1和Q3)的关断电阻Rg4和Rg8(Rg3和Rg7)一端分别与半桥驱动芯片Dr2(Dr1)的13和9管脚相连，另一端分别与肖特基二极管D2和D4(D1和D3)的阴极相连，肖特基二极管D2和D4(D1和D3)的阳极分别接至Q2和Q4(Q1和Q3)的G极；

半桥驱动芯片Dr2(Dr1)的12和8管脚分别与氮化镓器件Q2和Q4(Q1和Q3)的S极相连。

高频解耦电容C3、C4、C5、C6接在VIN和PGND之间，滤波电容C11、C12、C13、C14分别接在PWM3、PWM1、PWM4、PWM2与SGND之间。

图中的5V、6V、6V_H1、6V_H2、Enable1、Enable2、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、VIN、DHGND1、DHGND2、PGND和SGND均作为模块引出端子。

基于以上技术方案，本发明最终可以实现一种超薄、芯片化的高集成度功率模块。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明所述模块的封装结构是基于PCB嵌入工艺进行的，PCB的绝缘介质材料采用高导热率、低CTE的BT材料，从而可以提高模块的散热性能和可靠性。图5为本发明的具体实施步骤：

S1、准备一块尽可能薄的BT芯板，保证模块具有足够的耐压要求的同时，可以实现尽可能好的散热性能，然后按照设计要求，将4个组成全桥电路的氮化镓器件10放置在BT芯板上的相应位置，其中裸片的散热基底朝下；

S2、选取一块厚度与氮化镓器件10厚度匹配的芯板，并在芯板上对应位置挖4个尺寸与芯片尺寸相同的孔，然后将其叠放在步骤1所述的BT芯板上，使步骤S2中的氮化镓器件10正好处于所挖的孔中；

S3、准备另一块厚度与步骤S1相同的BT芯板，并将其叠放在步骤S3的芯板上面，然后进行加热压合，使BT材料充分填充芯片与芯板之间的空隙；

S4、利用激光微孔技术和电镀沉铜技术进行打孔及填铜，将芯片电极导出到芯板表面敷铜层，其中各芯片的D、S极及散热基底应根据现有工艺水平采用尽可能多的铜柱，完成电气互连的同时，也可以增强通流能力和散热能力；

S5、之后过程与普通PCB多层板制作工艺流程相同，按照设计要求完成四层PCB板的制作，然后进行驱动电路和高频解耦电容的焊接，最终实现如图6所示的超薄芯片化的氮化镓嵌入式功率模块，从下至上依次包括底部阻焊层、底部布线层5、中间布线层6、顶部布线层7和顶部阻焊层8，中间布线层6之间通过连接铜柱9连接，底部用于引出端子焊盘，顶部用于焊接元件及贴装散热器；

S6、定制一块散热器，在散热器与模块接触面开槽，槽的位置及尺寸与模块上驱动电路2和高频解耦电容1相对应，使散热器通过绝缘导热脂充分接触模块表面的大面积裸铜的同时，不压坏元器件，实现散热器的贴装集成，进而形成最终的低寄生电感、高导热、高集成度的氮化镓嵌入式功率模块。

根据以上实施流程所实现的功率集成模块整体尺寸为55.12mm×31.88mm×2mm(不包含集成散热器)，PCB板厚度不超过1mm。由于模块极薄的厚度，使得处于垂直方向的回路面积很小，因而可以实现很小的寄生参数，有助于宽禁带器件的高频运行。

另一方面，由于本发明将氮化镓裸片嵌在模块的中间芯板层，结构整体对称性较好，加之使用了低CTE的BT材料(与氮化镓的CTE很接近)，从而保证了模块在高温运行时承受的热机械应力较小，因而模块的可靠性较高。互连铜柱阵列不仅有助于实现较小的寄生参数，还有助于提高芯片到模块到表面的导热效率。集成模块正面除了用于解耦电容和驱动电路的焊接外，正表面的大面积裸铜用于贴装集成散热器(散热器与模块之间需要加绝缘导热片)，不仅实现了功率电路、驱动电路、解耦电容和散热器的高度三维集成，大幅提高系统的功率密度，而且还保证了功率集成模块具备良好的散热性能。

最后，集成模块背面用于引出模块的引出端子焊盘，模块整体为芯片化的构造，在实际应用时只需将其焊接在系统母板上即可，有助于减小系统整体的体积。

本发明基于PCB嵌入工艺提出了一种适用于宽禁带器件的无键合线、低寄生参数、高功率密度的功率集成模块，为宽禁带器件的高频化应用扫清障碍，从而推进宽禁带器件在电动汽车等新领域中的推广应用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，其特征在于，包括设置在PCB嵌入模块上的全桥功率电路、高频解耦电容、驱动电路、功率器件以及散热器，功率器件为氮化镓器件或碳化硅器件，氮化镓器件或碳化硅器件分别包括四个，通过串并联连接组成全桥电路，全桥电路连接高频解耦电容和驱动电路，与散热器连接构成嵌入式全桥集成模块，PCB嵌入模块为四层板结构，氮化镓器件设置在PCB嵌入模块的中间芯板层中，利用激光微孔技术将氮化镓器件的电极连接至PCB模块的两个中间布线层，高频解耦电容和驱动电路设置在PCB嵌入模块的顶层，全桥集成模块的引脚设置在PCB嵌入模块的底层，高频解耦电容包括四个，均匀排布在四个氮化镓器件组成的全桥电路正上方，形成垂直方向的功率回路，氮化镓器件Q1、Q2的S极分别与氮化镓器件Q3、Q4的D极相连组成两个半桥电路，氮化镓器件Q1与Q2的D极、氮化镓器件Q3与Q4的S极相连，两个半桥电路并联组成全桥电路，驱动电路包括半桥驱动芯片Dr2，半桥驱动芯片Dr2的12管脚与14管脚、8管脚与10管脚、4管脚与7管脚之间分别连接陶瓷电容C2、C8、C10；氮化镓器件Q2和Q4的开通电阻Rg2和Rg6一端分别接至半桥驱动芯片Dr2的13管脚和9管脚，另一端分别接至氮化镓器件Q2和Q4的G极；氮化镓器件Q2和Q4的关断电阻Rg4和Rg8一端分别与半桥驱动芯片Dr2的13管脚和9管脚相连，另一端分别与二极管D2和D4的阴极相连，二极管D2和D4的阳极分别接至氮化镓器件Q2和Q4的G极；半桥驱动芯片Dr2的12管脚和8管脚分别与氮化镓器件Q2和Q4的S极相连，半桥驱动芯片Dr2的PWM4、PWM2与SGND之间连接滤波电容C13、C14。

2.根据权利要求1所述的基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，其特征在于，利用激光微孔沉铜技术在PCB嵌入模块上设置若干铜柱阵列。

3.根据权利要求1所述的基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，其特征在于，高频解耦电容包括C3、C4、C5、C6，C3、C4、C5、C6接在VIN和PGND之间。

4.根据权利要求3所述的基于PCB嵌入工艺的全桥集成模块，其特征在于，高频解耦电容采用1206封装的陶瓷电容，氮化镓器件采用GS66508D，驱动芯片采用LGA14封装的Si8273型半桥驱动芯片。

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