CN117476631A - 一种氮化镓微波功率器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种氮化镓微波功率器件，包括具有第一表面和第二表面的基底、间隔设在基底上的多个封装通道、设在基底第二表面上的散热层、设在散热层上且位于封装通道内的驱动器、设在驱动器上的氮化镓器件、设在基底内并与氮化镓器件的源极连接的共源电极、两个连接端分别与氮化镓器件的栅极和驱动器连接的铁氧体磁珠和设在基底内控制导线，控制导线的第一端为自由端，控制导线的第二端与氮化镓器件的漏极连接，封装通道的顶端和底端均为开放端。本申请公开的氮化镓微波功率器件，通过改进封装以及连接方式来降低电路中的寄生参数和高频振荡现象，用来降低微波功率器件在工作过程中的发热量和提高微波功率器件在工作过程中的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及微波功率器件技术领域，尤其是涉及一种氮化镓微波功率器件。
背景技术
一般禁带宽度大于 2 eV 的半导体称为宽禁带半导体也称为第三代半导体。氮化镓( gallium nitride，GaN) 作为第三代半导体材料，具有优异的材料特性，如禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率高等。
传统硅基电力电子器件封装中寄生电感参数较大，会引起开关振荡等问题，使GaN 的优良性能难以充分发挥。另外，封装的热管理能力决定了功率器件的可靠性，若不能很好地解决器件的自热效应，会导致其性能降低。
由于器件封装中的引脚及内部走线会引入寄生电感和电容，而氮化镓器件在高压大电流工况下开关过程中的 dv/dt 和 di /dt 极高，导致整个电路对这些寄生参数都极为敏感，甚至 nH 量级的寄生电感都很容易使器件发生高频振荡现象，使功率损耗增加，器件的可靠性降低。
发明内容
本申请提供一种氮化镓微波功率器件，通过改进封装以及连接方式来降低电路中的寄生参数和高频振荡现象，用来降低微波功率器件在工作过程中的发热量和提高微波功率器件在工作过程中的稳定性。
本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
本申请提供了一种氮化镓微波功率器件，包括：
基底，具有第一表面和第二表面；
多个封装通道，间隔设在基底上，封装通道的顶端和底端均为开放端；
散热层，设在基底的第二表面上；
驱动器，设在散热层上且位于封装通道内；
氮化镓器件，设在驱动器上；
共源电极，设在基底内并与氮化镓器件的源极连接；
铁氧体磁珠，铁氧体磁珠的两个连接端分别与氮化镓器件的栅极和驱动器连接；
控制导线，设在基底内，控制导线的第一端为自由端，控制导线的第二端与氮化镓器件的漏极连接。
在本申请的一种可能的实现方式中，铁氧体磁珠抵接在散热层上。
在本申请的一种可能的实现方式中，共源电极包括主电极和间隔设在主电极上的分电极；
每个分电极均与匹配的氮化镓器件的源极连接。
在本申请的一种可能的实现方式中，主电极位于驱动器在散热层上的投影区域内；
分电极位于匹配的驱动器在散热层上的投影区域外。
在本申请的一种可能的实现方式中，氮化镓器件的源极连接端401和栅极连接端403均位于氮化镓器件所在平面上；
氮化镓器件的漏极连接端402位于垂直于氮化镓器件所在平面的平面上。
在本申请的一种可能的实现方式中，氮化镓器件的源极连接端401、漏极连接端402和栅极连接端403分为位于氮化镓器件的三个侧面处。
在本申请的一种可能的实现方式中，还包括设在基底内的多个环形隔离墙；
氮化镓器件的栅极连接端403位于匹配的环形隔离墙内侧；
环形隔离墙包括两个平行设置的金属层和位于两个金属层之间的谐振环，位于外侧的金属层接地。
在本申请的一种可能的实现方式中，散热层包括：
散热基底，散热基底的表面上设有导热槽；以及
第一金刚石层，设在导热槽内；
其中，驱动器位于散热基底上且驱动器与散热基底之间不存在第一金刚石层。
在本申请的一种可能的实现方式中，封装通道的内壁上设有散热通道，铁氧体磁珠位于散热通道内。
在本申请的一种可能的实现方式中，散热通道的内壁上设有第二金刚石层；
第二金刚石层延伸至基底的第二表面后在基底的第二表面上扩散。
附图说明
图1是本申请提供的一种氮化镓微波功率器件的结构性示意图。
图2是本申请提供的一种基底的立体结构示意图。
图3是本申请提供的一种氮化镓器件的内部结构示意图。
图4是本申请提供的一种源极连接端、漏极连接端和栅极连接端的位置示意图。
图5是本申请提供的一种共源电极的结构性示意图。
图6是本申请提供的一种多个封装通道在基底上的分布示意图。
图7是本申请提供的一种环形隔离墙在基底上的位置示意图。
图8是本申请提供的一种环形隔离墙的结构性示意图。
图9是本申请提供的一种散热层的结构性示意图。
图10是本申请提供的另一种氮化镓微波功率器件的结构性示意图。
图11是基于图10给出的俯视图。
图12是图11中A部分的放大示意图。
图中，1、基底，2、散热层，3、驱动器，4、氮化镓器件，5、共源电极，6、铁氧体磁珠，7、控制导线，8、环形隔离墙，11、第一表面，12、第二表面，13、封装通道，21、散热基底，22、导热槽，23、第一金刚石层，51、主电极，52、分电极，81、金属层，82、谐振环，131、散热通道，132、第二金刚石层，401、源极连接端，402、漏极连接端，403、栅极连接端。
具体实施方式
为了更加清楚的理解本申请中的技术方案，首先对相关技术记性介绍。
氮化镓材料和传统硅基材料相比，具有以下优势：
高转换效率：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。
低导通损耗：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。
高工作频率：GaN开关器件寄生电容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积，从而成倍地减少设备体积，减少铜等贵重原材料的消耗。
通过上述内容可以看到，使用氮化镓材料制造的微波功率器件在体积和功率密度上均具有优势，由于氮化镓异质结界面存在高密度的二维电子气( 2DEG) ，所以功率半导体器件具有高电子迁移率、耐高温、耐高压、抗辐射能力强等优越性质，可以用较少的电能消耗获得更高的运行能力。
但是这也带来了以下问题，首先是在狭小空间内挤入了更多的电路，使得寄生电感和寄生电容的数量增多，寄生电感很容易使器件发生高频振荡现象，使功率损耗增加；可靠性降低，而寄生电容会使得无功功率增加；其次是氮化镓器件在高压大电流工况下开关过程中的 dv/dt 和 di /dt 极高，导致整个电路对这些寄生参数都极为敏感，例如当压降幅度较大时会导致电路的工作频率无法达到设计频率。
以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。
本申请公开了一种氮化镓微波功率器件，请参阅图1，在一些例子中，本申请公开了氮化镓微波功率器件包括基底1、散热层2、驱动器3、氮化镓器件4、共源电极5、铁氧体磁珠6和控制导线7，为了描述方便，此处将基底1的两个表面分别称为第一表面11和第二表面12，如图2所示。
基底1上还设置有封装通道13，封装通道13的顶端和底端均为开放端，也就是说，封装通道13的顶端和底端分别和基底1第一表面11与第二表面12连通。
散热层2设在基底1的第二表面12上，作用是转移驱动器3和氮化镓器件4在工作过程中产生的热量。
应理解，虽然氮化镓器件4具有更高的工作温度，但是在高温工作区间范围内，氮化镓器件4的性能依然会下降，同时受到封装影响，驱动器3和氮化镓器件4在工作过程中产生的内部热量也需要及时导出。因此在本申请中直接使用散热层2对驱动器3进行散热。
还应理解，驱动器3和氮化镓器件4使用叠加封装的方式也能够得到更小的封装体积，同时还能够降低共源电感和栅极环路电感的影响。
共源电感的解释如下：一般将同时存在于功率环路和驱动环路的杂散电感定义为共源电感，不同的共源电感对开关速度和开关过程损耗的影响程度是不同的。叠加封装方式可以有效降低驱动器3和氮化镓器件4之间的间距，从而使得走线的距离可以缩短，走线的弯折次数也能够下降。
栅极环路电感的解释如下：信号的传输路径分为信号路径和返回路径，在高速信号走线以及BUCK开关回路中，信号层的下面往往有完整的参考平面，回流会自动选择阻抗最小的路径，因此此时的回流路径就是信号路径在参考平面的投影。
环路电感 = 信号路径自感 + 返回路径自感 - 信号、返回路径互感；
从上面公式可以看出，减小环路电感的方法为减小信号路径和返回路径的自感，或者增加信号与返回路径之间的互感。
减小信号路径和返回路径自感的方法为缩短PCB走线，或者增加这段走线的线宽，其中缩短走线程度是最有效的手段。
共源电极5设在基底1内并与氮化镓器件4的源极连接，此处可以理解为一个电源通过共源电极5同时向多个氮化镓器件4供电。
控制导线7同样位于基底1内，控制导线7的第一端为自由端，用于与后续的元器件连接，第二端与氮化镓器件4的漏极连接。共源电极5作为氮化镓器件4的输入，控制导线7则作为氮化镓器件4向后续元器件输出之间的桥梁。
铁氧体磁珠6的两个连接端分别与氮化镓器件4的栅极和驱动器3连接。铁氧体磁珠6的主要作用是抑制振荡，因为铁氧体磁珠6等效于电阻和电感串联，具有很高的电阻率和磁导率，两者都与频率相关。
铁氧体磁珠6在高频时呈阻性，所以能在较宽的频率范围内提供较高阻抗，从而提高调频滤波的效果，并且铁氧体磁珠6磁珠是将电能转换为热能，不会对电路造成二次干扰。
抑制振荡的目的是提高驱动器3的控制精度，应理解，驱动器3在高频次的开关动作过程中，会产生电磁干扰，器件的其他区域也会产生电磁干扰，这些电磁干扰作用在氮化镓器件4的栅极处，会造成氮化镓器件4的开关动作异常，因此需要借助铁氧体磁珠6来进行滤波。
因为铁氧体磁珠6在工作过程中会将电能转换为热能，因此在一些可能的实现方式中，铁氧体磁珠6抵接在散热层2上，目的是使铁氧体磁珠6在工作过程中产生的热能能够被快速转移。
对于氮化镓器件4和驱动器3的连接，在一些例子中，具体如下，氮化镓器件4中的晶体管，具有源极、漏极和栅极，晶体管封装在氮化镓器件4内部，对应的氮化镓器件4具有源极连接端401、漏极连接端402和栅极连接端403，如图3所示。
氮化镓器件4的源极连接端401和栅极连接端403均位于氮化镓器件4所在平面上，氮化镓器件4的漏极连接端402位于垂直于氮化镓器件4所在平面的平面上。
此处以氮化镓器件4放置在水平面上为例，氮化镓器件4的源极连接端401和栅极连接端403均位于氮化镓器件4的底面所在平面上，氮化镓器件4的漏极连接端402位于氮化镓器件4的侧面所在平面上。
因为氮化镓器件4的源极连接端401和栅极连接端403需要与位于基底1内的驱动器3和共源电极5连接，因此需要将其放置在氮化镓器件4的底面所在平面上，这种方式可以使氮化镓器件4的源极连接端401与共源电极5的连接线和氮化镓器件4的栅极与驱动器3的连接线的长度最短且结构最为简单，仅为一条竖线且不存在弯折。
氮化镓器件4的漏极连接端402位于氮化镓器件4的侧面所在平面上可以使氮化镓器件4的漏极连接端402与其他器件的连接线远离氮化镓器件4的栅极连接端403，并且此时这两条连接线不平行，不会出现共感现象。
在一些可能的实现方式中，氮化镓器件4的源极连接端401、漏极连接端402和栅极连接端403分为位于氮化镓器件4的三个侧面处，如图4所示。这样可以使上述内容中记载的三条连接线间的距离尽可能大，用以降低相互间的电磁干扰度。
在一些例子中，请参阅图5和图6，共源电极5包括主电极51和间隔设在主电极51上的分电极52，每个分电极52均与匹配的氮化镓器件4的源极连接。应理解，将主电极51放置在氮化镓器件4（驱动器3）下方，会使氮化镓器件4的源极与共源电极5的连接线上出现多个弯折，这些弯折会产生电磁干扰。
而使用分电极52后，氮化镓器件4的源极与共源电极5的连接线仅为一条直线段。
在一些可能的实现方式中，分电极52分为两组，这两组分电极52对称分布在主电极51的两侧且交替设置，目的是增大分电极52之间的距离，降低互感。
进一步地，主电极51位于驱动器3在散热层2上的投影区域内，分电极52位于匹配的驱动器3在散热层2上的投影区域外。这样可以充分利用氮化镓器件4（驱动器3）下方的空间，使得氮化镓器件4（驱动器3）的排列更加紧凑。
在一些例子中，在在基底1内的多个环形隔离墙8，环形隔离墙8包括两个平行设置的金属层81和位于两个和位于两个金属层81之间的谐振环82，位于外侧的金属层81接地。
环形隔离墙8的作用是屏蔽外部环境对位于环形隔离墙8内侧的氮化镓器件4的栅极连接端403产生干扰。因为此时位于外侧的金属层81接地，可以直接屏蔽直流信号，而位于两个金属层81之间的谐振环82则可以直接屏蔽交流信号。
谐振环82的具体设置方式如下：
谐振环82的数量为多组，每组中包括两个谐振环82，两个谐振环82上均存在缺口，一组中的一个谐振环82位于另一个谐振环82的内部且这两个谐振环82上的开口方向相反。
在一些例子中，环形隔离墙8仅位于基底1的第一表面11上，目的是阻隔第一表面11上的表面干扰信号。
在一些例子中，请参阅图9，散热层2包括散热基底21和第一金刚石层23，第一金刚石层23位于散热基底21上的导热槽22内。第一金刚石层23需要使用气相沉积的方式在导热槽22内生成。之所以使用气相沉积的制作方式在导热槽22内制作第一金刚石层23，是因为金刚石层的成品质量还存在一定缺陷，厚度较低时脆性大，内部存在一定的质量缺陷。
如果直接将驱动器3制作在第一金刚石层23上，可能导致较高的不良率，因此在本申请中选择将驱动器3放置在散热基底21上且驱动器3与散热基底21之间不存在第一金刚石层23。
借助于导热槽22内的第一金刚石层23，可以更快速度的热量转移，同时由于导热槽22提供的位置限制，即使第一金刚石层23的生成质量欠佳，也不会对散热基底21上的驱动器3产生影响。
在一些例子中，请参阅图10和图11，封装通道13的内壁上设有散热通道131，铁氧体磁珠6位于散热通道131内。散热通道131的作用是转移铁氧体磁珠6在工作过程中产生的热量。
应理解，如果将铁氧体磁珠6水平放置，那么铁氧体磁珠6的连接线上也会出现弯折，这些弯折会生成电磁干扰。因此在本申请中将铁氧体磁珠6竖直放置，此时铁氧体磁珠6两端的连接线均为直线。
还应理解，前文中提到的共源电极5的结构形式，会导致共源电极5需要占用较大空间，因此需要氮化镓器件4适当向右移动（以图1中的方位为参考），此时位于左侧的铁氧体磁珠6的一部分就会位于氮化镓器件在散热层2上的投影区域外。
对于铁氧体磁珠6位于氮化镓器件在散热层2上的投影区域外的部分，可以使用散热通道131来对其降温，使铁氧体磁珠6产生的热量能够被快速转移，进而使其铁氧体磁珠6温度和铁氧体磁珠6的周围环境温度能够降低。
进一步地，请参阅图11和图12，散热通道131的内壁上设有第二金刚石层132，并且，第二金刚石层132延伸至基底1的第二表面12后在基底1的第二表面12上扩散。这样可以借助第二金刚石层132将铁氧体磁珠6产生的热量以更快的速度传递到散热层2上。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化镓微波功率器件，其特征在于，包括：
基底（1），具有第一表面（11）和第二表面（12）；
多个封装通道（13），间隔设在基底（1）上，封装通道（13）的顶端和底端均为开放端；
散热层（2），设在基底（1）的第二表面（12）上；
驱动器（3），设在散热层（2）上且位于封装通道（13）内；
氮化镓器件（4），设在驱动器（3）上；
共源电极（5），设在基底（1）内并与氮化镓器件（4）的源极连接；
铁氧体磁珠（6），铁氧体磁珠（6）的两个连接端分别与氮化镓器件（4）的栅极和驱动器（3）连接；
控制导线（7），设在基底（1）内，控制导线（7）的第一端为自由端，控制导线（7）的第二端与氮化镓器件（4）的漏极连接。
2.根据权利要求1所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，铁氧体磁珠（6）抵接在散热层（2）上。
3.根据权利要求1所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，共源电极（5）包括主电极（51）和间隔设在主电极（51）上的分电极（52）；
每个分电极（52）均与匹配的氮化镓器件（4）的源极连接。
4.根据权利要求3所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，主电极（51）位于驱动器（3）在散热层（2）上的投影区域内；
分电极（52）位于匹配的驱动器（3）在散热层（2）上的投影区域外。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，氮化镓器件（4）的源极连接端401和栅极连接端403均位于氮化镓器件（4）所在平面上；
氮化镓器件（4）的漏极连接端402位于垂直于氮化镓器件（4）所在平面的平面上。
6.根据权利要求5所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，氮化镓器件（4）的源极连接端401、漏极连接端402和栅极连接端403分为位于氮化镓器件（4）的三个侧面处。
7.根据权利要求6所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，还包括设在基底（1）内的多个环形隔离墙（8）；
氮化镓器件（4）的栅极连接端403位于匹配的环形隔离墙（8）内侧；
环形隔离墙（8）包括两个平行设置的金属层（81）和位于两个金属层（81）之间的谐振环（82），位于外侧的金属层（81）接地。
8.根据权利要求1所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，散热层（2）包括：
散热基底（21），散热基底（21）的表面上设有导热槽（22）；以及
第一金刚石层（23），设在导热槽（22）内；
其中，驱动器（3）位于散热基底（21）上且驱动器（3）与散热基底（21）之间不存在第一金刚石层（23）。
9.根据权利要求1或8所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，封装通道（13）的内壁上设有散热通道（131），铁氧体磁珠（6）位于散热通道（131）内。
10.根据权利要求9所述的氮化镓微波功率器件，其特征在于，散热通道（131）的内壁上设有第二金刚石层（132）；
第二金刚石层（132）延伸至基底（1）的第二表面（12）后在基底（1）的第二表面（12）上扩散。
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