CN115296507A - 基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块及制造方法 - Google Patents

Abstract

基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块及制造方法，包括陶瓷基板、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容、印刷电路板和壳体；若干功率铜面设置在陶瓷基板上，相邻的功率铜面之间留有间隙，解耦电容和功率芯片设置在功率铜面上；印刷电路板覆盖在陶瓷基板上，印刷电路板上设置有若干驱动芯片；陶瓷基板、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容和印刷电路板均设置在壳体内。本发明设计的加工流程易于实现功率模块加工制备的自动化，并有效减少功率模块制备步骤，提高功率模块制备的良品率，且加工使用的原料成本低廉，有效控制功率模块的生产成本。同时制备工艺可保证功率模块内部电气绝缘性能及电气键合连接的可靠性。

Description

基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块及制造方法

技术领域

本发明属于功率模块技术领域，特别涉及基于氮化镓功率芯片的单相全桥 智能功率模块及制造方法。

背景技术

功率模块是将电力电子芯片进行封装集成的模块。和分立器件相比，其拥 有更高的可靠性、更低的寄生参数、更高的功率密度以及更低的损耗，在电力 电子应用中发挥至关重要的作用。智能功率模块实现了在设计过程中实现驱动 芯片与功率芯片的集成，可降低外围电路的设计难度。目前封装技术也出现对 于特性拓扑进行定制化的封装，可以提升电力电子变换器的效率，提高电力电 子装置的可靠性。

目前针对宽禁带半导体设计的功率模块提出的新型封装技术都存在制备工 艺困难，模块制作加工可靠性不高的问题。如果加工过程过于复杂，会导致功 率模块可靠性变差，产品良率不高等问题，影响宽禁带功率模块的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块 及制造方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，包括陶瓷基板、功率芯片、 驱动芯片、功率铜面、解耦电容、印刷电路板和壳体；若干功率铜面设置在陶 瓷基板上，相邻的功率铜面之间留有间隙，解耦电容和功率芯片设置在功率铜 面上；印刷电路板覆盖在陶瓷基板上，印刷电路板上设置有若干驱动芯片；陶 瓷基板、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容和印刷电路板均设置在壳 体内。

进一步的，功率铜面包括第一功率铜面、第二功率铜面、第三功率铜面、 第四功率铜面和第五功率铜面；功率芯片包括第一功率芯片、第二功率芯片、 第三功率芯片和第四功率芯片；第二功率芯片设置在第三功率铜面上；第三功 率芯片设置在第一功率铜面上；第一功率芯片通过键合线连接第五功率铜面和 印刷电路板；第二功率芯片通过键合线连接印刷电路板和第四功率铜面；第三 功率芯片通过键合线连接印刷电路板、第一功率铜面和第二功率铜面；第四功 率芯片通过键合线连接印刷电路板、第一功率铜面和第三功率铜面。

进一步的，解耦电容包括第一解耦电容和第二解耦电容；第二解耦电容设 置在第五功率铜面上，第一解耦电容设置在第二功率铜面上。

进一步的，第一功率铜面、第二功率铜面、第三功率铜面、第四功率铜面 和第五功率铜面上均设置有有功率端子。

进一步的，印刷电路板底层铜皮和陶瓷基板表层铜皮通过焊锡连接，两者 铜皮无电气连接属性。

进一步的，印刷电路板上还设置有若干驱动端子。

进一步的，所有驱动端子上均设置有焊针。

进一步的，每个驱动芯片上均连接有外围电路。

进一步的，壳体包括石墨夹具底座、石墨片夹具顶盖和功率模块外壳，石 墨夹具底座、石墨片夹具顶盖设置在功率模块外壳两端形成壳体。

进一步的，基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块的制备方法，包 括以下步骤：

步骤1，使用钢网在陶瓷基板上涂抹焊料；将功率铜板、功率芯片、功率 端子和解耦电容放置到陶瓷基板上焊接；

步骤2，使用钢网在印刷电路板指定位置上涂抹焊料，将驱动芯片及外围 电路放置到涂抹焊锡膏的位置；

步骤3，将驱动印刷电路板放置在功率陶瓷基板上，将整个功率模块放置 在特定的石墨夹具中，并调节螺母的位置，固定功率芯片、功率端子、驱动端 子及解耦电容；

步骤4，整个功率模块放置在真空回流焊设备进行焊接；

步骤5，借助无水乙醇清洗功率模块，去除表面残留助焊剂；

步骤6，采用键合机将功率芯片和陶瓷基板上铜面连接；采用金键合线或 铝键合线将功率芯片和印刷电路板上铜面连接；

步骤7，采用机械臂将焊针嵌入功率底座及驱动底座中，将模块外部盖上 模块外壳，将硅凝胶灌入模块内部，静置待硅凝胶凝固后，进行电特性、热特 性以及可靠性特性测试。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本模块设计出一种基于氮化镓的全桥布局，有效减小芯片开通关断过程中 的过电压和电流震荡现象，避免氮化镓芯片的过电压和过电流现象的出现。模 块实现驱动芯片在模块内的集成，优化驱动回路，减小氮化镓芯片误开通现象。

本发明设计的加工流程易于实现功率模块加工制备的自动化，并有效减少 功率模块制备步骤，提高功率模块制备的良品率，且加工使用的原料成本低廉， 有效控制功率模块的生产成本。同时制备工艺可保证功率模块内部电气绝缘性 能及电气键合连接的可靠性。

附图说明

图1是本发明阐述的加工工艺流程图；

图2是基于本加工流程制备的功率芯片、解耦电容及功率端子和陶瓷基板 连接的示意图；

图3是基于本加工流程制备的驱动芯片、端子等在印刷电路板连接的示意 图；

图4是基于本加工流程制备的石墨夹具和功率模块连接的示意图；

图5是基于本加工流程制备的功率芯片和陶瓷基板、印刷电路板的键合线 键合方向示意图；

图6是基于本加工流程制备的功率针和功率端子连接示意图；

图2中的标记2、7等是没有焊接在底面基板的状态。图5、6中是焊接上 的状态。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

其中

1.陶瓷基板；2.第一功率芯片；3.第二功率芯片；4.第一解耦电容；5.第 三功率芯片；6.第四功率芯片；7.第二解耦电容；8.第一功率端子；9.第一功率 铜面；10.第二功率端子；11.第三功率端子；12.第二功率铜面；13.第三功率铜 面；14.第四功率铜面；15.第四功率端子；16.第五功率端子；17.第五功率铜面； 18.第六功率端子；19.第七功率端子；20.第八功率端子；21.第九功率端子； 22.印刷电路板；23.第四驱动芯片；24.第一驱动端子；25.第二驱动端子；26. 第三驱动端子；27.第三驱动芯片；28.第四驱动端子；29.第五驱动端子；30. 第六驱动端子；31.第七驱动端子；32.第八驱动端子；33.第九驱动端子；34.第 二驱动芯片；35.第十驱动端子；36.第十一驱动端子；37.第十二驱动端子；38. 第一驱动芯片；39.焊针；40.功率模块外壳；41.石墨夹具底座；42.石墨片 夹具顶盖；43.固定用螺母；

具体实施方式

本发明提供一种基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，以提高基 于氮化镓功率芯片制备的功率模块的可靠性。，包括陶瓷基板1、功率芯片、驱 动芯片、功率铜面、解耦电容、印刷电路板22和壳体；若干功率铜面设置在 陶瓷基板1上，相邻的功率铜面之间留有间隙，解耦电容和功率芯片设置在功 率铜面上；印刷电路板22覆盖在陶瓷基板1上，印刷电路板22上设置有若干 驱动芯片；陶瓷基板1、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容和印刷电 路板22均设置在壳体内。

为了实现上述目的，本加工工艺需要提供材料及设备如下：

提供两侧烧结铜层的陶瓷基板，提供四层电路层和三层绝缘层组成的印刷 电路板，印刷电路板顶层设置多个除去绝缘层焊接端口，提供功率模块内部需 要的商业化驱动芯片、功率芯片，提供驱动芯片外围电路需要的解耦电容、电 阻、二极管，提供定制端子若干，提供为陶瓷基板和电路基板在指定位置涂抹 焊锡膏的锡膏钢网，提供定制的模块外壳，提供商业化密封硅凝胶，提供商业 化易挥发中强酸及无水乙醇，提供商业化焊锡膏，提供定制化的石墨夹具及螺 母，提供定制化的键合夹具，提供商业生产的铝线键合机及铝键合线，提供商 业生产的金线键合机及金键合线，提供商业生产的真空加热炉。

加工步骤如下：

1.通过钢网在陶瓷基板表面涂抹焊锡膏，钢网开具合适的厚度，保证焊锡 可完成端子的焊接并涂抹不过量。

2.通过钢网在印刷电路板表面涂抹焊锡膏，将驱动芯片、解耦电容、电阻、 驱动二极管贴片及驱动端子放置在指定位置。

3.在陶瓷基板指定位置放置功率芯片，功率端子及解耦电容。将驱动印刷 电路板放置在陶瓷基板上，印刷电路板底层铜皮和陶瓷基板表层铜皮通过焊锡 连接，两者铜皮无电气连接属性。

4.陶瓷基板和印刷电路板叠层放入定制化的石墨夹具中。石墨夹具在指定 位置开孔，用于挥发助焊剂及固定驱动端子。石墨夹具在指定位置开螺纹，调 节螺母高度轻压功率芯片及功率端子，防止焊锡融化导致芯片错位。

5.功率模块放置在商业化的真空焊接炉中，设置焊锡膏对应的温度曲线， 进行真空焊接。

6.采用专用的清洗设备，利用无水乙醇清洗功率芯片、驱动芯片等表面残 留助焊剂。

7.利用定制化的键合夹具固定功率模块，使用商业化键合机完成功率芯片 和陶瓷基板指定铜面的连接。键合机参数需调整，保证键合铝线与芯片、铜皮 有可靠连接且对芯片的损伤在可控范围内。

8.利用定制化的键合夹具固定功率模块，使用商业化键合机完成驱动芯片 连接的铜面和功率芯片的连接。

9.将端子针插入功率端子。

10.将上述功率模块放入定制化的模块外壳，向外壳内部灌注商业化绝缘硅 凝胶，用于保护键合线并保证绝缘。

11.进行系列模块电特性及可靠性测试。

实施例：

根据图1所示的加工工艺流程，第一步，使用钢网在陶瓷基板指定位置上 涂抹焊料(SAC305)。

第二步，将第一功率芯片、第二功率芯片、第三功率芯片、第四功率芯片 以及功率端子、第一解耦电容、第二解耦电容放置到陶瓷基板指定位置。

第三步，使用钢网在印刷电路板指定位置上涂抹焊料(SAC305)。

第四步，将第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片、第四驱动芯片 及外围无源器件、印刷电路板驱动端子放置到涂抹焊锡膏的指定位置。

第五步，将驱动印刷电路板放置在功率陶瓷基板指定位置上。

第六步，将整个功率模块放置在特定的石墨夹具中，并调节螺母的位置， 固定第一功率芯片、第二功率芯片、第三功率芯片第四功率芯片、功率端子、 驱动端子及功率回路第一、第二解耦电容。

第七步，整个功率模块放置在商业化的真空回流焊设备进行焊接。

第八步，采用专用设备并借助无水乙醇清洗功率模块，去除表面残留助焊 剂。

第九步，采用商业化键合机将功率芯片和陶瓷基板上指定铜面连接，采用 键合线直径为5mil。第一功率芯片表面源极、第二功率芯片表面源极和陶瓷基 板指定铜层连接。第三功率芯片表面漏极、源极，第四功率芯片表面漏极、源 极和指定铜层连接。采用商业化金键合线或铝键合线将功率芯片和印刷电路板 上指定铜面连接，采用的金键合线直径为1mil，铝键合线直径为5mil。

第十步，采用机械臂将焊针嵌入功率底座及驱动底座中。

第十一步，将模块外部盖上定制的模块外壳。

第十二步，将硅凝胶通过模块外壳上圆孔灌入模块内部，以保护键合线， 保护芯片并保证绝缘强度。

第十三步，静置待硅凝胶凝固后，进行电特性、热特性以及可靠性特性等 测试。

本模块中使用的功率芯片，驱动芯片及外围无源器件，陶瓷基板，印刷电 路板都为商业化产品。本申请中提及的模块的结构仅仅是工艺的实例而非限制。 图2-图6所展示的模块内部结构仅仅是为了方便说明本专利设计的加工工艺和 流程，而非限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述 的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例 或示例中以合适的方式结合

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、 “逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指 示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示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。在本发明的描述中， “多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连 接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作 用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具 体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或 “下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接 接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特 征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特 征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例 是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的 范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，包括陶瓷基板(1)、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容、印刷电路板(22)和壳体；若干功率铜面设置在陶瓷基板(1)上，相邻的功率铜面之间留有间隙，解耦电容和功率芯片设置在功率铜面上；印刷电路板(22)覆盖在陶瓷基板(1)上，印刷电路板(22)上设置有若干驱动芯片；驱动芯片和印刷电路板上铺铜连接，驱动芯片用于驱动功率芯片；陶瓷基板(1)、功率芯片、驱动芯片、功率铜面、解耦电容和印刷电路板(22)均设置在壳体内。

2.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，功率铜面包括第一功率铜面(9)、第二功率铜面(12)、第三功率铜面(13)、第四功率铜面(14)和第五功率铜面(17)；功率芯片包括第一功率芯片(2)、第二功率芯片(3)、第三功率芯片(5)和第四功率芯片(6)；铺铜和功率芯片栅极、源极通过键合连接；第二功率芯片(3)设置在第三功率铜面(13)上；第三功率芯片(5)设置在第一功率铜面(9)上；第一功率芯片(2)通过键合线连接第五功率铜面(17)和印刷电路板(22)；第二功率芯片(3)通过键合线连接印刷电路板(22)和第四功率铜面(14)；第三功率芯片(5)通过键合线连接印刷电路板(22)、第一功率铜面(9)和第二功率铜面(12)；第四功率芯片(6)通过键合线连接印刷电路板(22)、第一功率铜面(9)和第三功率铜面(13)。

3.根据权利要求2所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，解耦电容包括第一解耦电容(4)和第二解耦电容(7)；第二解耦电容(7)设置在第五功率铜面(17)上，第一解耦电容(4)设置在第二功率铜面(12)上。

4.根据权利要求2所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，第一功率铜面(9)、第二功率铜面(12)、第三功率铜面(13)、第四功率铜面(14)和第五功率铜面(17)上均设置有有功率端子(8)。

5.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，印刷电路板底层铜皮和陶瓷基板表层铜皮通过焊锡连接，两者铜皮无电气连接属性。

6.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，印刷电路板(22)上还设置有若干驱动端子(24)。

7.根据权利要求6所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，所有驱动端子(24)上均设置有焊针(39)。

8.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，每个驱动芯片上均连接有外围电路。

9.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，其特征在于，壳体包括石墨夹具底座(41)、石墨片夹具顶盖(42)和功率模块外壳(40)，石墨夹具底座(41)、石墨片夹具顶盖(42)设置在功率模块外壳(40)两端形成壳体。

10.基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的基于氮化镓功率芯片的单相全桥智能功率模块，包括以下步骤：

步骤1，使用钢网在陶瓷基板上涂抹焊料；将功率铜板、功率芯片、功率端子和解耦电容放置到陶瓷基板上焊接；

步骤2，使用钢网在印刷电路板指定位置上涂抹焊料，将驱动芯片及外围电路放置到涂抹焊锡膏的位置；

步骤3，将驱动印刷电路板放置在功率陶瓷基板上，将整个功率模块放置在特定的石墨夹具中，并调节螺母的位置，固定功率芯片、功率端子、驱动端子及解耦电容；

步骤4，整个功率模块放置在真空回流焊设备进行焊接；

步骤5，借助无水乙醇清洗功率模块，去除表面残留助焊剂；

步骤6，采用键合机将功率芯片和陶瓷基板上铜面连接；采用金键合线或铝键合线将功率芯片和印刷电路板上铜面连接；

步骤7，采用机械臂将焊针嵌入功率底座及驱动底座中，将模块外部盖上模块外壳，将硅凝胶灌入模块内部，静置待硅凝胶凝固后，进行电特性、热特性以及可靠性特性测试。

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