CN216564924U - 一种半导体电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半导体电路，包括：电路基板；电路基板为碳化硅基板；电路布线层，电路布线层设置在碳化硅基板上，电路布线层设置有多个连接焊盘；多个电子元件，配置于电路布线层的连接焊盘上，多个电子元件包括功率器件和驱动芯片；多个引脚，多个引脚设置在碳化硅基板的至少一侧；密封层，密封层至少包裹设置电子元件的碳化硅基板的一面，引脚的一端从密封层露出。本实用新型的半导体电路在传统的智能功率模块中基板上集成全桥PFC功率器件和驱动IC，利于电控主控板的小型化设计；并且在具体实施时，其基板使用碳化硅材料，有助于疏散全桥PFC功率器件与智能功率模块逆变部分因集合在统一基板产生的热量，提高整体散热效率。

Description

一种半导体电路

技术领域

本实用新型涉及一种半导体电路，属于功率半导体器件技术领域。

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。应用于变频电机伺服驱动，广泛用于家电变频控制中。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，并内至有过电压、过电流和过热等故障检测电路。

在传统的变频电机伺服控制主控板中，PFC功率器件、PFC驱动芯片、电机IPM模块为独立器件，占用PCB板面积大，尤其是全桥PFC功率器件和控制电路布局面积大且复杂，不利于电机主控板的小型化，造成装配电机腔体空间大，成本高。因此，设计一种能够进一步提高芯片小型化的方案成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是解决统的变频电机伺服控制主控板中，PFC功率器件、PFC驱动芯片、电机IPM模块为独立器件，占用PCB板面积大且散热不好的问题。

具体地，本实用新型公开一种半导体电路，包括：

电路基板；所述电路基板为碳化硅基板；

电路布线层，所述电路布线层设置在所述碳化硅基板上，所述电路布线层设置有多个连接焊盘；

多个电子元件，配置于所述电路布线层的连接焊盘上，所述多个电子元件包括功率器件和驱动芯片；

多个引脚，所述多个引脚设置在所述碳化硅基板的至少一侧；

密封层，所述密封层至少包裹设置所述电子元件的碳化硅基板的一面，所述引脚的一端从所述密封层露出。

可选的，所述碳化硅基板为铝碳化硅基板。

可选的，所述铝碳化硅基板的导热率为180～240w/mK中的任意一数值，所述铝碳化硅基板的热膨胀系数为6.5*10^-6～9.5*10^-6/K中任意一数值。

可选的，所述碳化硅基板包括依次叠放的第一基板和第二基板，所述电路布线层设置于第二基板上，所述第二基板的材料为碳化硅。

可选的，所述碳化硅基板包括依次叠放的第一基板和第二基板，所述电路布线层设置于第二基板上，所述第二基板的材料为碳化硅。

可选的，所述碳化硅基板的形状为矩形，所述功率器件设置于碳化硅基板长度方向的左侧，所述驱动芯片设置于碳化硅基板长度方向的右侧。

可选的，所述电路布线层和配置于所述电路布线层上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中所述逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，所述6个开关管均通过相应的驱动电阻与驱动电路的相应端口电性连接，所述驱动电路包括所述驱动芯片，所述驱动芯片设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。

可选的，所述开关管为三极晶体管，所述三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管中的一种。

可选的，还包括多根键合线，所述键合线通过邦定的方式连接于所述多个电子元件、所述电路布线层、所述多个引脚之间。

本实用新型的半导体电路在传统的智能功率模块中基板上集成全桥PFC功率器件和驱动IC，利于电控主控板的小型化设计；并且在具体实施时，其基板使用碳化硅材料，有助于疏散全桥PFC功率器件与智能功率模块逆变部分因集合在统一基板产生的热量，提高整体散热效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的半导体电路的电路原理图；

图2为本实用新型实施例提供的驱动芯片的内部电路图；

图3为本实用新型实施例提供的半导体电路的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的图3中的沿着X-Xe方向的截面图；

图5为本实用新型实施例提供的去除密封层的半导体电路的俯视图。

具体实施方式

需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本实用新型。

现有的一般是通过整流桥堆，整流后的直流电通过电抗器与功率因素校正模块PFC连接；PFC输出端经电解电容储能后与智能功率模块P连接。PFC部分PFC控制芯片，与其4个开关管和智能功率模块为分立器件，这样在在进行是的控制电路布局面积大且复杂，不利于电机主控板的小型化，造成装配电机腔体空间大，成本高的问题。

基于此，如图3、图4和图5所示，本实用新型提出一种半导体电路，包括：

电路基板408；所述电路基板408为碳化硅基板；

电路布线层407，所述电路布线层407设置在所述碳化硅基板上，所述电路布线层407 设置有多个连接焊盘412；

多个电子元件，配置于所述电路布线层407的连接焊盘412上，所述多个电子元件包括功率器件和驱动芯片；

多个引脚403，所述多个引脚403设置在所述碳化硅基板的至少一侧；

密封层402，所述密封层402至少包裹设置所述电子元件的碳化硅基板的一面，所述引脚403的一端从所述密封层402露出。

具体的，图3所示，本实用新型的智能功率模块具有散热层406、电路布线407，电子元件开关管410、逆变模块单元三极晶体管411、驱动IC 404、金属线407以及电路基板 408，和配置在所述焊盘412边缘的引脚403，和密封该电路且至少完全覆盖电路基板408 上表面所述所有元素的密封层402，密封层采用的材料是密封树脂。

图4是延图3的X-X’线的截面图，图5是去掉所述密封树脂402后的俯视图。电路基板408是由碳化硅构建的电路基板，其可以由纯碳化硅构成，也可以采用组合材料的方式构成，甚至于采用组合板材的方式其均属于本实用新型实施例所描述的碳化硅基板描述的范围。所述电子元件410、411、404被固定在所述电路布线407上构成规定的电路。在此，面朝上安装的有源元件等通过金属线405与电路布线407连接。

引脚403被固定在设于所述电路基板408一个边缘的所述焊盘412上，其具有与外部进行输入、输出的作用。在此，设计成一边上设有多条所述引脚403，引脚403和焊盘412通过焊锡等导电电性粘结剂焊接。所述引脚403一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。

所述树脂402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，所述树脂402完全密封所述电路基板408具有所述电路布线407的一面上除了所述412以外的所有元素，对于致密性要求高的智能功率模块，所述电路基板408 不具有所述电路布线407的一面一般也进行密封处理，对于散热性要求高的智能功率模块，也可以利用所述密封树脂402只密封所述电路基板408具有元素的一面，另一面露出来进行设计。

更为优选的，所述碳化硅基板为铝碳化硅基板。所述铝碳化硅基板的导热率为180～ 240w/mK中的任意一数值，所述铝碳化硅基板的热膨胀系数为6.5*10-6～9.5*10-6/K中任意一数值。

在本实用新型实施例中电路基板408采用碳化硅材料，碳化硅材料具有良好的导热率和较低的热膨胀系数，碳化硅材料由碳化硅颗粒物和铝合金结合而成。将铝合金进行液化，得到液态铝合金，并将液态铝合金注入熔体模具中。然后将碳化硅颗粒物加入到熔体模具中，并对碳化硅颗粒物和液体铝合金进行搅拌，使得碳化硅颗粒物均匀的分散在铝合金中，实现碳化硅颗粒物与铝合金进行均匀混合，从而制备得到高效导热功能的电路基板，实现将设置在电路基板上的功率器件产生的热量更快的导出，且混合制备得到的电路基板与半导体电路的热膨胀系数相近，有利于功率器件热量及时散出，提升半导体电路的可靠性，实现半导体电路工作在更高频率或大功率情况下，依然能够满足电路基板上的功率器件及时散热的需求，避免造成半导体电路热失效，提升整体电路稳定性。

在一个示例中，可采用液态搅拌铸造法来制备得到本申请的电路基板，具体地，将碳化硅颗粒物直接加入到熔融的铝合金中，基于液态搅拌铸造法对熔体模具中的碳化硅颗粒物和铝合金进行搅拌，使得碳化硅颗粒均匀地分散在熔体模具中，复合成颗粒增强铝基复合材料，进而得到本实用新型实施例的电路基板。基于ALSiC复合材料基板特性：AlSiC具有高导热率在180～240W/mK区间，和可调的接近半导体电路的热膨胀系数(6.5～9.5 ×10-6/K)，使得基于AlSiC材料的电路基板在导热率和热膨胀两方面，明显优于传统半导体电路中使用的电路基板，更加便于进行散热。

优选的，所述碳化硅基板包括依次叠放的第一基板和第二基板，所述电路布线层设置于第二基板上，所述第二基板的材料为碳化硅。

这里的第一基板为408，第二基板为散热层406，这样采用层结构的方式也能够实现有效的散热，散热层406覆盖所述电路基板408至少一个表面形成，并在环氧树脂等树脂材料内高浓度填充氧化铝、碳化硅铝等填料提高热导率，为了提高热导率，填料可采用角形，为了规避填料损坏所述电子元件410、411、404表面的风险，调料可采用球形或者角形与球形混合型。

优选的，所述碳化硅基板的形状为矩形，所述功率器件设置于碳化硅基板长度方向的左侧，所述驱动芯片设置于碳化硅基板长度方向的右侧。

也即是在具体实施时，在所述的电路基板408上安置的电子元件410、411、404，其中410、411为功率器件，发热量较大，404为驱动IC，发热量较小，功率器件和驱动IC 在电路基板上分两侧安置，避免功率器件过高的热量影响驱动IC，如图4、图5所示，功率器件410、411在电路基板408一端，驱动IC404在电路基板408另一端。这样能够有效的放置散热集中在一起对电路产生不利的影响。

优选的，所述电路布线层和配置于所述电路布线层上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中所述逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，所述6个开关管均通过相应的驱动电阻与驱动电路的相应端口电性连接，所述驱动电路包括所述驱动芯片，所述驱动芯片设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。

如图1所示，其本实用新型的智能控制器驱动器智能功率模块和功率因素校正PFC二合一模块原理图；本实用新型实施例中半导体电路即是智能功率模块，该智能功率模块集成有驱动芯片以及3个逆变器单元，该逆变器单元包括3组逆变模块，每组逆变模块包括两个三极晶体管，其中102与105为一组，103与106为一组，104与107为一组，每组两个三极晶体管分为上桥臂和下桥臂，其中三极晶体管102为上桥臂，三极晶体管105为下桥臂，三极晶体管103为上桥臂，三极晶体管106为下桥臂，三极晶体管104为上桥臂，三极晶体管107为下桥臂，上桥臂的三极晶体管102的漏极与模块的高压输入端P连接，上桥臂的三极晶体管102的源极与下桥臂的三极晶体管105的漏极连接，下桥臂的三极晶体管105的源极与模块外引脚UN端连接，两个三极晶体管的栅极均与驱动芯片002相连。

在本实用新型实施例中，所述驱动芯片包括VSS端口、高侧输出端口以及低侧输出端口，所述高侧输出端口有且仅有HO1端口、HO2端口和HO3端口，所述低侧输出端口有且仅有LO1端口、LO2端口和LO3端口、PFCOUT1、PFCOUT2、PFCOUT3、PFCOUT4；其中，所述VB1端口通过所述第一自举二极管204与所述VDD端口连接；所述VB2端口通过第二自举二极管203与所述VDD端口连接；所述VB3端口通过第二自举二极管202 与所述VDD端口连接；其中，PFCOUT1与开关管010连接，PFCOUT2与开关管0112连接，PFCOUT3与开关管011连接，PFCOUT4与开关管013连接。

所述智能功率模块逆变器单元有且仅有第一组逆变模块、第二组逆变模块和第三组逆变模块，所述第一组逆变模块包括第一三极晶体管102和第二三极晶体管105，所述第二组逆变模块包括第三三极晶体管103和第四三极晶体管106，所述第三组逆变模块包括第五三极晶体管104和第六三极晶体管107；所述第一三极晶体管的栅极通过驱动电阻108 与所述HO1端口连接，所述第二三极晶体管的栅极通过驱动电阻111与所述LO1端口连接，所述第三三极晶体管的栅极通过驱动电阻109与所述HO2端口连接，所述第四三极晶体管的栅极通过驱动电阻112与所述LO2端口连接，所述第五三极晶体管的栅极通过驱动电阻110与所述HO3端口连接，所述第六三极晶体管的栅极通过驱动电阻113与所述LO3 端口连接。

需要说明的是，参照图1所示的实施例中的一种智能功率模块的驱动芯片002的原理图。智能功率模块的VDD引脚通过驱动芯片002的VDD端口连接驱动芯片002内部的电源电路，给驱动芯片002提供工作电源。智能功率模块的HIN1引脚通过驱动芯片002的 HIN1端口连接驱动芯片002内部的第一高侧驱动电路，并通过驱动芯片002的HO1端口输出控制信号，以决定第一三极晶体管102的通断；智能功率模块的HIN2引脚通过驱动芯片002的HIN2端口连接驱动芯片002内部的第二高侧驱动电路，并通过驱动芯片002 的HO2端口输出控制信号，以决定第三三极晶体管103的通断；智能功率模块的HIN3引脚通过驱动芯片002的HIN3端口连接驱动芯片002内部的第三高侧驱动电路，并通过驱动芯片002的HO3端口输出控制信号，以决定第五三极晶体管104的通断；智能功率模块的LIN1引脚通过驱动芯片002的LIN1端口连接驱动芯片002内部的第一低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的LO1端口输出控制信号，以决定第二三极晶体管105的通断；智能功率模块的LIN2引脚通过驱动芯片002的LIN2端口连接驱动芯片002内部的第二低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的LO2端口输出控制信号，以决定第四三极晶体管106的通断；智能功率模块的LIN3引脚通过驱动芯片002的LIN3端口连接驱动芯片002内部的第三低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的LO3端口输出控制信号，以决定第六三极晶体管 107的通断。智能功率模块的PFCOUT1引脚通过驱动芯片002的PFCOUT1端口连接驱动芯片002内部的第四低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的PFCOUT1端口输出控制信号，以决定开关管010的通断。智能功率模块的PFCOUT2引脚通过驱动芯片002的PFCOUT2 端口连接驱动芯片002内部的第五低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的PFCOUT2端口输出控制信号，以决定开关管012的通断。智能功率模块的PFCOUT3引脚通过驱动芯片 002的PFCOUT3端口连接驱动芯片002内部的第六低侧驱动电路，并通过驱动芯片002 的PFCOUT3端口输出控制信号，以决定开关管011的通断。智能功率模块的PFCOUT4引脚通过驱动芯片002的PFCOUT4端口连接驱动芯片002内部的第七低侧驱动电路，并通过驱动芯片002的PFCOUT4端口输出控制信号，以决定开关管013的通断。其中，智能功率模块的HIN1引脚、HIN2引脚、HIN3引脚、LIN1引脚以及LIN2引脚、LIN3引脚、 PFCOUT1、PFCOUT2、PFCOUT3、PFCOUT4接收0V或5V的输入信号。当然，根据实际需要可以接收其他电压幅值的输入信号，具体根据电路所连接的实际器件进行选择。所述驱动芯片内图2所示，驱动芯片301内部还设置有过温保护开关、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路，来实现更完善的功能保护。在本实用新型实施例中，优选的，所述开关管为三极晶体管，所述三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或 MOSFET晶体管中的一种。

优选的，还包括多根键合线，所述键合线通过邦定的方式连接于所述多个电子元件、所述电路布线层、所述多个引脚之间。

上述键合线具体的为金属线，金属线405可以是铝线、金线或铜线，通过邦定使各所述电子元件410、411、404之间、各所述电路布线407之间、所述电子元件410、411、404 与所述电路布线407之间建立电连接关系，有时还用于使所述引脚403和所述电路布线407 或所述电子元件410、411、404之间建立电连接关系。

本实用新型实施例的半导体电路集成单相全桥功率因素校正电路和单相全桥驱动HVIC(6路驱动)，其内部包含上桥、下桥驱动，使能、欠压、过流、过压、过温、报错等功能电路，以及自举电路，实现单相全桥IPM完整功能，通过键合线连接形成完整的IPM 电路，通过环氧塑封材料封装在一起，形成物理保护。其基板使用SiC材质，有助于疏散全桥PFC部分与智能功率模块逆变部分因集合在统一基板产生的高热量。旨在解决现有的智能功率模块在外围电路设计较复杂，主控板面积较大，小型化产品的需求。

本实用新型的半导体电路在传统的智能功率模块中基板上集成全桥PFC功率器件和驱动IC，利于电控主控板的小型化设计；并且在具体实施时，其基板使用碳化硅材料，有助于疏散全桥PFC功率器件与智能功率模块逆变部分因集合在统一基板产生的热量，提高整体散热效率。

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实用新型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。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，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实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型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)

1.一种半导体电路，其特征在于，包括：

电路基板；所述电路基板为碳化硅基板；

电路布线层，所述电路布线层设置在所述碳化硅基板上，所述电路布线层设置有多个连接焊盘；

多个电子元件，配置于所述电路布线层的连接焊盘上，所述多个电子元件包括功率器件和驱动芯片；

多个引脚，所述多个引脚设置在所述碳化硅基板的至少一侧；

密封层，所述密封层至少包裹设置所述电子元件的碳化硅基板的一面，所述引脚的一端从所述密封层露出。

2.如权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述碳化硅基板为铝碳化硅基板。

3.如权利要求2所述的半导体电路，其特征在于，所述铝碳化硅基板的导热率为180～240w/mK中的任意一数值。

4.如权利要求2所述的半导体电路，其特征在于，所述铝碳化硅基板的热膨胀系数为6.5*10^-6～9.5*10^-6/K中任意一数值。

5.如权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述碳化硅基板包括依次叠放的第一基板和第二基板，所述电路布线层设置于第二基板上，所述第二基板的材料为碳化硅。

6.如权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述碳化硅基板的形状为矩形，所述功率器件设置于碳化硅基板长度方向的左侧，所述驱动芯片设置于碳化硅基板长度方向的右侧。

7.如权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述电路布线层和配置于所述电路布线层上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中所述逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，所述6个开关管均通过相应的驱动电阻与驱动电路的相应端口电性连接。

8.如权利要求7所述的半导体电路，其特征在于，所述驱动电路包括所述驱动芯片，所述驱动芯片设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。

9.如权利要求7所述的半导体电路，其特征在于，所述开关管为三极晶体管，所述三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管中的一种。

10.如权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，还包括多根键合线，所述键合线通过邦定的方式连接于所述多个电子元件、所述电路布线层、所述多个引脚之间。

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