CN116469841A - 氮化镓驱动器件及其封装方法、氮化镓驱动模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化镓驱动器件及其封装方法、氮化镓驱动模块，所述氮化镓驱动器件包括安装载板和功率组件；所述安装载板包括第一表面和背离所述第一表面的第二表面，所述第二表面的全部区域设置为散热层，所述散热层的材质设置为金属；所述功率组件包括氮化镓晶体管和控制所述氮化镓晶体管的驱动电路；所述功率组件紧贴设置于所述第一表面；本发明通过金属散热层实现表面散热，并进行模块化氮化镓器件的驱动；相较于现有的表面贴氮化镓器件增大散热面积，既能够优化驱动效果减少寄生参数又具备较好的散热效果，稳定可靠，避免半导体器件的热失效。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，尤其是指一种氮化镓驱动器件及其封装方法、氮化镓驱动模块。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料带隙宽、击穿电场强度高，GaN功率器件能够实现更高的开关频率、更高的系统效率和功率密度，因此被应用于电子电路领域；得益于GaN本身的性能，GaN芯片的面积较传统的硅基芯片更小，功率密度更大，相应的GaN芯片的热阻也较大，散热设置将直接影响系统效率和功率器件本身的性能。
现有的GaN功率器件使用DFN表面贴工艺封装，依靠底部的散热盘进行散热，一方面受器件本身体积和爬电距离因素的影响，散热盘受限无法增加散热面积；另一方面散热盘贴在电路板上，通过电路板导出热量，而电路板用于散热的铜箔表层厚度和面积受限，影响底部散热；且塑封时使用的材料导热系数较低也影响散热效果，无法实现器件顶面的有效散热。当温度升高至超过器件工作温度范围时，芯片易出现热失效，影响系统可靠性。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中氮化镓功率器件热流密度较大，散热设计困难的技术难点，提供一种氮化镓驱动器件及其封装方法、氮化镓驱动模块，设置倒装的氮化镓驱动器件，将上表面设置为散热层进行散热，散热效果稳定可靠。
第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化镓驱动器件，其包括，
安装载板，所述安装载板包括第一表面和背离所述第一表面的第二表面，所述第二表面的全部区域设置为散热层，所述散热层的材质设置为金属；
功率组件，所述功率组件包括氮化镓晶体管和控制所述氮化镓晶体管的驱动电路；所述功率组件紧贴设置于所述第一表面。
在本发明的一个实施例中，所述安装载板设置为双面覆铜板或铝基板；所述安装载板包括由所述第一表面向所述第二表面方向依次设置的覆铜电路层、绝缘导热层和所述散热层。
在本发明的一个实施例中，所述安装载板设置为第一PCB板；所述第一表面上至少在设置所述功率组件的区域设置有散热焊盘，所述散热焊盘和所述散热层之间设置有散热通孔。
在本发明的一个实施例中，所述驱动电路设置为驱动集成电路或阻容驱动电路，所述驱动电路连接所述氮化镓晶体管并控制所述氮化镓晶体管为关断状态或导通状态。
第二方面，本发明还提供一种氮化镓驱动器件封装方法，用于封装如上述实施例所述的氮化镓驱动器件，所述封装方法包括如下步骤，
步骤1：准备所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管；在所述第一表面预设焊接区，并在所述第一表面的至少所述焊接区的部分印刷锡膏；
步骤2：预热所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管；
步骤3：将所述驱动电路贴片至所述焊接区，所述功率组件安装至所述第一表面；
步骤4：将所述安装载板和所述功率组件送入回流焊炉进行回流焊接；
步骤5：使用绝缘材料覆盖所述安装基板和所述功率组件的表面，形成封装外壳。
在本发明的一个实施例中，所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管通过传送带传送穿过所述回流焊炉，所述传送带外接控制电机控制传动速度。
在本发明的一个实施例中，所述回流焊炉内设置有升温区、保温区、焊接区和冷却区；所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管在所述保温区预热，所述保温区内的温度大于100℃且小于150℃。
在本发明的一个实施例中，所述升温区内的温度不超过100℃，所述升温区的升温速度小于每秒2℃。
第三方面，本发明还提供一种氮化镓驱动模块，包括如上述实施例所述的氮化镓驱动器件，还包括第二PCB板；所述第二PCB板通过连接件连接所述安装载板，所述第二PCB板的表面与所述第一表面相对设置，所述功率组件位于所述第一表面和所述第二PCB板表面的间隙。
在本发明的一个实施例中，所述连接件设置为金属柱或排针，其设置于所述第一表面的边缘并位于所述功率组件以外的区域，所述连接件用于使所述第一表面和所述第二PCB板相对设置的表面实现电性连接。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种氮化镓驱动器件及其封装方法、氮化镓驱动模块，通过安装载板的金属散热层导出热量实现表面散热，无需使用氮化镓芯片裸片，将氮化镓器件和驱动电路同时紧贴于安装载板，进行模块化氮化镓器件的驱动，降低外电路设计难度；相较于现有的表面贴氮化镓器件增大散热面积，既能够优化驱动效果减少寄生参数又具备较好的散热效果，稳定可靠，避免半导体器件的热失效。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明实施例一中氮化镓驱动器件第一表面的结构示意图；
图2是本发明实施例一中氮化镓驱动器件第二表面的结构示意图；
图3是本发明实施例二中氮化镓驱动器件封装方法的流程示意图；
图4是本发明实施例三中一种氮化镓驱动模块的剖面示意图；
图5是本发明优选实施例中一种驱动电路的示意图；
图6是本发明优选实施例中另一驱动电路的示意图。
说明书附图标记说明：1、安装载板；11、第一表面；12、第二表面；13、中间介质层；2、功率组件；21、氮化镓晶体管；22、驱动电路；3、第二PCB板；4、连接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1和图2所示，本发明提供一种氮化镓驱动器件，其包括安装载板1和设置于安装载板1表面的功率组件2；所述安装载板1包括第一表面11和背离所述第一表面11的第二表面12，所述第二表面12的全部区域设置为散热层，所述散热层的材质设置为金属；所述功率组件2包括氮化镓晶体管21和控制所述氮化镓晶体管21的驱动电路22；所述功率组件2紧贴设置于所述第一表面11。
具体的，在一些实施方式中，所述安装载板1设置为双面覆铜板或铝基板；所述安装载板1包括由所述第一表面11向所述第二表面12方向依次设置的覆铜电路层、绝缘导热层和所述散热层；所述功率组件2设置于所述覆铜电路层，工作产生的热量以所述绝缘导热层作为中间介质进行热传递至所述散热层，同时通过所述绝缘导热层实现所述功率组件2和所述散热层的电隔离，所述绝缘导热层设置为所述第一表面11和所述第二表面12之间的中间介质层13。
具体的，在一些实施方式中，所述安装载板1设置为第一PCB板；所述第一表面11上至少在设置所述功率组件2的区域设置有散热焊盘，所述散热焊盘的散热面积受限，因此在本实施例优选实施方式中所述散热焊盘和所述散热层之间设置有散热通孔，所述散热通孔设置为金属过孔，提升散热效果。
具体的，GaN器件的阈值电压一般为1V到2V，相较硅或碳化硅功率器件更低，且GaN晶体管的开关速度较快、电压变化率和电流变化率较高，因此GaN器件本身、电路板和焊线等极易产生寄生参数，如寄生电容、寄生电感等，产生电压和电流尖峰，还会带来开关损耗和驱动振铃的问题；经本案发明人研究，现有技术中驱动氮化镓器件的其中一种方式为硅驱动IC与氮化镓分立器件共同封装，由于二者的工作温度范围并不相同，此种方法需要将硅驱动集成电路置于高温工作环境(高于100℃)，造成驱动IC过热；另一驱动方式为氮化镓单片集成驱动，虽能够减少寄生参数，但由于没有P型氮化镓器件，使这种方式难以实现模拟功能，良率低成本高，且共封芯片的工作温度比分立器件更高，设计灵活性低、难以调整驱动特性。在本实施例的一些实施方式中，所述驱动电路22设置为驱动集成电路或阻容驱动电路，所述驱动电路22连接所述氮化镓晶体管21并控制所述氮化镓晶体管21为关断状态或导通状态；所述驱动电路22设置为驱动集成电路时，设置为氮化镓专用驱动IC进行主动驱动，适配氮化镓器件的工作温度；所述驱动电路22设置为电阻电容组合成的分立阻容驱动电路时，进行被动驱动。具体的，参照图5所示，为氮化镓晶体管与器件之间连接使用的半桥结构的驱动电路；参照图6所示，为氮化镓晶体管与器件之间连接使用的并联结构的驱动电路，其加大电流能力更适用于大功率场合。所述驱动电路22紧贴设置在所述第一表面11，相较于现有的驱动方法，无需使用氮化镓芯片裸片，既能够实现优化驱动的目的，便于调整和测试，又能够通过分体式设计扩大散热面积，优化散热效果。
实施例二
本发明还提供一种氮化镓驱动器件的封装方法，用于通过回流焊工艺封装实施例一所述的氮化镓驱动器件，参照图3所示，所述封装方法包括如下步骤:
步骤S1：准备所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21；在所述第一表面11预设焊接区，并在所述第一表面11的至少所述焊接区的部分印刷锡膏；
所述驱动电路22用于在所述氮化镓晶体管21导通时为其提供电流，进而使所述氮化镓晶体管21的开关能够快速导通，并在工作期间维持所述氮化镓晶体管21栅极源极之间电压稳定、形成可靠导通。在所述第一表面11预设焊接区后，将所述安装载板1的第一表面11贴于钢网板下方，将所述锡膏透过所述钢网板印刷于所述第一表面11。
步骤S2：预热所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21；
具体的，在一些实施方式中，所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21通过传送带传送穿过所述回流焊炉，所述传送带外接控制电机控制传动速度，使所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21能够稳定停留进行预热，减少元件内部的残留水分和可挥发物质，避免后续工艺中产生气泡。
步骤S3：将所述驱动电路22贴片至所述焊接区，所述功率组件2安装至所述第一表面11；
具体的，在一些实施方式中，使用贴片机进行贴片，通过移动贴装头将表面贴装元器件准确放置于所述焊接区。
步骤S4：将所述安装载板1和所述功率组件2送入回流焊炉进行回流焊接；
所述回流焊炉内设置有升温区、保温区、焊接区和冷却区；所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21通过所述传送带传送通过时首先进入所述升温区，所述升温区内的温度不超过100℃，蒸发所述锡膏中的溶剂和气体；所述升温区的升温速度小于每秒2℃，避免过快的温度变化引发器件损坏。由于所述第一表面11覆有铜箔，铜材料裸露作为待焊母材时易氧化，在所述升温区中，所述锡膏中的助焊剂分解去除氧化层，所述锡膏软化塌落并润湿覆盖所述焊接区、器件端头和引脚，使之隔绝氧气。
在所述保温区中，所述安装载板1、所述驱动电路22和所述氮化镓晶体管21进行预热，避免进入所述焊接区因温度变化损坏器件；所述保温区内的温度大于100℃且小于150℃，升温速度大于每秒1.2℃且小于每秒3.5℃。
在所述焊接区中，所述回流焊炉内的温度峰值为230℃，温度相较于所述保温区上升，以使所述锡膏呈熔化状态；若焊接温度过高，焊点易过度熔化流动导致焊接位置短路；若焊接温度过低，熔化不充分则会导致焊点过小、不够光滑，进而造成虚焊。经高温气体的吹扫，液态的焊锡经润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊点，焊接时间为60秒～90秒；进一步的，在回流焊工艺中焊接时间的调整将直接影响焊接温度和温度曲线形状，焊接时间较短时，温度曲线较为陡峭，可能导致虚焊或焊点熔化不完全；焊接时间较长时则易导致焊点退火，影响焊接质量。
在所述冷却区中，焊点凝固完成焊接；冷却降温速度K定义为温度变化量dT(℃)与冷却时间dt(s)的比值，冷却降温速度K在3和4之间；若冷却降温速度过快，残余热应力易造成安装载板1变形；若冷却降温速度过慢，焊点结晶时间长、形核率低，足够的能量会使金属间化合物晶粒长得过于粗大，难以形成细小晶粒的金属间化合物接头，使焊点强度变差。
步骤S5：使用绝缘材料覆盖所述安装基板和所述功率组件2的表面，形成封装外壳。
配合塑封模具进行压模塑封并除胶，在一些优选实施方式中，塑封材料可以使用改性的环氧树脂或其他满足电导率要求的绝缘材料；塑封完成后对其进行动态测试及静态测试。
本实施例所述的封装方法，通过充分预热提升焊接质量；并通过焊接时间和焊接温度的调整，控制回流焊温度曲线、温度范围和升温速度，使待焊元件均匀受热、降低变形风险；在负载因子较大的工况下使回流焊仍具有较好的重复性。
实施例三
本发明还提供一种氮化镓驱动模块，参照图4所示，其包括实施例一所述的氮化镓驱动器件，还包括第二PCB板3；所述第二PCB板3通过连接件4连接所述安装载板1，所述第二PCB板3的表面与所述第一表面11相对设置，所述功率组件2位于所述第一表面11和所述第二PCB板3表面的间隙；所述第二PCB板3设置为主电路板，所述氮化镓驱动器件倒装在所述第二PCB板3表面，所述散热层远离所述第二PCB板3的表面，提升散热效果。
具体的，参照图1和图4所示，在一些实施方式中，所述连接件4设置为金属柱或排针，其设置于所述第一表面11的边缘并位于所述功率组件2以外的区域，所述连接件4用于使所述第一表面11和所述第二PCB板3相对设置的表面实现电性连接；进一步的，所述金属柱的材质可以是铜、铝或其他满足电导率要求的金属。
具体的，控制测试条件一致，在环境温度16℃条件测试现有的氮化镓驱动模块的工作温度为48℃，同时测试本发明实施例三所提供的氮化镓驱动模块工作温度为46℃，本发明实施例所述的氮化镓驱动模块散热效果较现有驱动模块有所提升；进一步的，在一些实施例中，所述散热层表面还可以贴装散热器或导热胶等，将热量快速导出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氮化镓驱动器件，其特征在于，包括，
安装载板，所述安装载板包括第一表面和背离所述第一表面的第二表面，所述第二表面的全部区域设置为散热层，所述散热层的材质设置为金属；
功率组件，所述功率组件包括氮化镓晶体管和控制所述氮化镓晶体管的驱动电路；所述功率组件紧贴设置于所述第一表面。
2.根据权利要求1所述的氮化镓驱动器件，其特征在于：所述安装载板设置为双面覆铜板或铝基板；所述安装载板包括由所述第一表面向所述第二表面方向依次设置的覆铜电路层、绝缘导热层和所述散热层。
3.根据权利要求1所述的氮化镓驱动器件，其特征在于：所述安装载板设置为第一PCB板；所述第一表面上至少在设置所述功率组件的区域设置有散热焊盘，所述散热焊盘和所述散热层之间设置有散热通孔。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的氮化镓驱动器件，其特征在于：所述驱动电路设置为驱动集成电路或阻容驱动电路，所述驱动电路连接所述氮化镓晶体管并控制所述氮化镓晶体管为关断状态或导通状态。
5.一种氮化镓驱动器件封装方法，用于封装如权利要求1～4中任意一项所述的氮化镓驱动器件，其特征在于，所述封装方法包括以下步骤，
步骤1：准备所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管；在所述第一表面预设焊接区，并在所述第一表面的至少所述焊接区的部分印刷锡膏；
步骤2：预热所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管；
步骤3：将所述驱动电路贴片至所述焊接区，所述功率组件安装至所述第一表面；
步骤4：将所述安装载板和所述功率组件送入回流焊炉进行回流焊接；
步骤5：使用绝缘材料覆盖所述安装基板和所述功率组件的表面，形成封装外壳。
6.根据权利要求5所述的氮化镓驱动器件封装方法，其特征在于：所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管通过传送带传送穿过所述回流焊炉，所述传送带外接控制电机控制传动速度。
7.根据权利要求5所述的氮化镓驱动器件封装方法，其特征在于：所述回流焊炉内设置有升温区、保温区、焊接区和冷却区；所述安装载板、所述驱动电路和所述氮化镓晶体管在所述保温区预热，所述保温区内的温度大于100℃且小于150℃。
8.根据权利要求7所述的氮化镓驱动器件封装方法，其特征在于：所述升温区内的温度不超过100℃，所述升温区的升温速度小于每秒2℃。
9.一种氮化镓驱动模块，其特征在于，包括如权利要求1～4中任意一项所述的氮化镓驱动器件，还包括第二PCB板；所述第二PCB板通过连接件连接所述安装载板，所述第二PCB板的表面与所述第一表面相对设置，所述功率组件位于所述第一表面和所述第二PCB板表面的间隙。
10.根据权利要求9所述的氮化镓驱动模块，其特征在于：所述连接件设置为金属柱或排针，其设置于所述第一表面的边缘并位于所述功率组件以外的区域，所述连接件用于使所述第一表面和所述第二PCB板相对设置的表面实现电性连接。
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