一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块的制作方法

1.本发明涉及先进封装模块的组装技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块。


背景技术：

2.氮化镓功率集成电路是把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，使之成为模块化封装产品，现氮化镓电源管理集成电路也被纳入功率集成电路的范畴内，将氮化镓功率器件或芯片与其过电压、过电流、过热等传感与保护电路及驱动和控制电路等集成于同一封装内，通过模块的形式封装在一起形成全桥功率模块，其具备良好的热稳定性和电性能，可以广泛应该于光伏逆变和控制电源等应用，以便提供高效率、低噪声和高稳定性的功率控制。
3.目前，氮化镓芯片封装应用在模块化技术的工艺仍趋于不稳定状态，尤其在新封装和新工艺制备上，且封装模块化的可靠性不高的问题仍占据主导地位，由于封装模块化制造工艺复杂，使之在新封装技术容易受到外界环境的影响，导致成品率下降和可靠性不足等缺陷，大大影响了封装模块量产化的进度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于氮化镓封装的全桥功率模块，其内部集成的氮化镓芯片构成全桥电路，且封装内部凭借驱动电路控制，能够显著降低关联的寄生参数的影响，避免外界环境影响，提高了抗干扰性能，制造方法简化且提升成品率和可靠性，使功率模块具备量产化的同时，保障了产品质量的稳定性。
5.为了解决上述的问题，本发明提供了一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，包括外壳、位于所述外壳内的层压电路板，还包括位于所述层压电路板一侧的多个并排的第一引线端子和位于所述层压电路板另一侧的多个并排的第二引线端子，每个所述第一引线端子和第二引线端子都包括靠近所述层压电路板侧边的接线端和远离所述层压电路板的自由端，至少部分第一引线端子和第二引线端子的自由端伸出到所述外壳之外形成电气连接引脚；所述层压电路板表面并排敷设有多个铜箔构成的基区，每个基区上装有一个氮化镓芯片，相邻两个氮化镓芯片互连组成一个全桥电路；所述层压电路板表面还安装有驱动电路板，每个所述全桥电路电连接一个所述驱动电路板；每个所述基区分别与一个所述第二引线端子的接线端电连接，每个所述驱动电路板部分地通过绑定线与所述第一引线端子的接线端电连接，且另一部分通过绑定线连接辅助转接板、辅助连接板再通过绑定线与所述第一引线端子的接线端电连接。
6.进一步的，所述层压电路板包括陶瓷基板，所述陶瓷基板背面覆有铜箔层，正面表面靠近第二引线端子的一侧并排设有六个铜箔构成的基区，分别为第一基区、第二基区、第三基区、第四基区、第五基区、第六基区，依次设有第一氮化镓芯片、第二氮化镓芯片、第三氮化镓芯片、第四氮化镓芯片、第五氮化镓芯片、第六氮化镓芯片，正面表面靠近所述第一
引线端子的另一侧有三个空白区，分别安装有一个驱动电路板；在所述空白区和基区之间还设有铜箔构成的走线区域。
7.进一步的，每个所述全桥电路所在的至少一个基区与所述走线区域之间连接有两个封装元件。
8.进一步的，所述第一氮化镓芯片、第三氮化镓芯片和第五氮化镓芯片的源极区域通过绑定线键合在所述走线区域上，漏极区域通过绑定线分别与所在的基区键合，栅极区域通过绑定线分别与一个所述驱动电路板进行连接。
9.进一步的，第二氮化镓芯片的源极区域通过绑定线键合在第一基区上，漏极区域通过绑定线键合在第二基区上，栅极区域通过绑定线与所述第一氮化镓芯片所连接的驱动电路板进行连接；第四氮化镓芯片的源极区域通过绑定线键合在第三基区上，漏极区域通过绑定线键合在第四基区上，栅极区域通过绑定线与所述第三氮化镓芯片所连接的驱动电路板进行连接；第六氮化镓芯片的源极区域通过绑定线键合在第五基区上，漏极区域通过绑定线键合在第六基区上，栅极区域通过绑定线与所述第五氮化镓芯片所连接的驱动电路板进行连接。
10.进一步的，所述辅助转接板为一陶瓷板，其表面烧结有多个铜箔基区，作为绑定线键合的过渡中转，陶瓷板的底面为一整面的铜片，焊接至所述第一引线端子的接线端上。
11.进一步的，所述驱动电路板为一印制电路板，包括表面的驱动ic器件和焊接在所述驱动ic器件周围的多个无源器件，焊区通过绑定线与所述辅助转接板及层压电路板进行电连接。
12.进一步的，所述走线区域、第一基区和第六基区通过绑定线与接线端进行互连，所述第二基区、第三基区、第四基区和第五基区通过焊料涂敷烧结与接线端进行互连。
13.进一步的，所述外壳内通过环氧树脂进行灌封保护，将所述辅助转接板、层压电路板、驱动电路板和第一引线端子、第二引线端子进行包封。
14.与现有技术相比，本发明提供的一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块的有益效果和优点是：通过新的结构和布局设计简化了繁琐的操作步骤，拓宽了电力半导体模块器件的应用范围，提高电力电子装置的可靠性，层压电路板为陶瓷基板一体烧结后作为承载衬底，使得封装在高频特性应用过程中具备绝缘性能和优良散热；并能承载更高规格和高电流密度的功率芯片的封装应用，为更新迭代的高端服务器电源、逆变电路、电机驱动储能和充电桩等技术提供优秀的器件封装平台，实现高电流密度和量产化应用需求。
附图说明
15.图1为一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块的内部平面示意图；
16.图2为层压电路板的顶层平面图；
17.图3为层压电路板的侧面图；
18.图4为辅助转接板的平面示意图；
19.图5为一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块的整体平面示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明型实施例中的技术方案进行清楚、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率，包括外壳1和位于外壳1内部被封装起来的引线架2、辅助转接板3、层压电路板4和驱动电路板5。引线架2包括位于层压电路板4一侧的多个沿着层压电路板4边长方向并排的第一引线端子16和位于层压电路板4另一侧的多个沿平行的另一边长方向并排的第二引线端子61，每个第一引线端子16和第二引线端子61都具有靠近层压电路板4一侧的接线端，以及远离层压电路板4一侧的自由端，至少部分的自由端都伸出到所述外壳1之外形成电气连接引脚。
22.如图2、图3所示，层压电路板4包括陶瓷基板9，陶瓷基板9正面上靠近第二引线端子61的一侧并排敷设有多个铜箔构成的基区，每个基区上装有一个氮化镓芯片7，相邻两个氮化镓芯片7互连组成一个全桥电路；本实施例中，所述陶瓷基板9背面覆有铜箔层31，正面表面靠近第二引线端子61的一侧并排设有六个铜箔构成的基区，分别为第一基区18、第二基区19、第三基区20、第四基区21、第五基区22、第六基区23，依次设有第一氮化镓芯片25、第二氮化镓芯片26、第三氮化镓芯片27、第四氮化镓芯片28、第五氮化镓芯片29、第六氮化镓芯片30。并且正面的靠近第一引线端子16的另一侧有依次间隔并排的三个方形空白区，分别各安装有一个驱动电路板5；在空白区和基区之间还设有铜箔构成的走线区域24。走线区域24延伸到每个全桥电路周围。
23.每个所述全桥电路电连接一个驱动电路板5；每个基区分别与一个第二引线端子61的接线端电连接，每个驱动电路板5通过绑定线33与第一引线端子16的接线端电连接，或者通过辅助转接板3与第一引线端子16的接线端电连接。具体地，层压电路板4上各设有六个氮化镓芯片7和电子封装元件8，用于对全桥电路的解耦，为全桥电路提供能量的储能器件，降低负载和阻抗。
24.氮化镓芯片7表面设有为两个栅极区域10、三个源极区域11和三个漏极区域12，相邻的两个氮化镓芯片7互连组建成一个全桥电路，驱动电路板5设有驱动ic器件13，其四周环绕分布设有五个无源器件14，驱动电路板5设置在层压电路板4的上表面上。
25.引线架2的两端设有引线端子16和内管脚17，引线架2一端的内管脚17和辅助转接板3进行连接，其引线架2另一端的内管脚17和层压电路板4进行连接，引线架2的引线端子16伸展至外壳1外两端形成电气连接引脚。
26.第一基区18、第二基区19、第三基区20、第四基区21、第五基区22、第六基区23和走线区域24，其铜箔厚度为0.3mm。在第二基区19、第四基区21和第六基区23位置上和对应的走线区域24之间各安装有两个电子封装元件8，两个电子封装元件8呈等间距垂直分布；陶瓷基板9整体长度为30mm，宽度为14mm，厚度为0.38mm，底层烧结为一整块的铜箔层31，厚度为0.3mm。该铜箔层31将露出在壳体1底面的镂空口，以作为散热层来向外导热。
27.如图1所示，第一氮化镓芯片25、第三氮化镓芯片27和第五氮化镓芯片29的三个源极区域11通过绑定线33键合在走线区域24上。第一氮化镓芯片25的漏极区域12通过绑定线33与第一基区18键合，栅极区域10通过绑定线33与第一个驱动电路板5进行连接。第三氮化镓芯片27的漏极区域12通过绑定线33与第三基区20键合，栅极区域10通过绑定线33与第二个驱动电路板5进行连接。第五氮化镓芯片29的漏极区域12通过绑定线33与第五基区22键
合，栅极区域10通过绑定线33与第三个驱动电路板5进行连接。
28.第二氮化镓芯片26的三个源极区域11通过绑定线33键合在第一基区上18，三个漏极区域12通过绑定线33键合在第二基区上19，栅极区域10通过绑定线33与第一个驱动电路板5进行连接。第四氮化镓芯片28的三个源极区域11通过绑定线33键合在第三基区上20，三个漏极区域12通过绑定线33键合在第四基区21上，栅极区域10通过绑定线33与第二个驱动电路板5进行连接。第六氮化镓芯片30的三个源极区域11通过绑定线33键合在第五基区22上，三个漏极区域12通过绑定线33键合在第六基区23上，栅极区域10通过绑定线33与第三个驱动电路板5进行连接。
29.具体地，氮化镓芯片7的栅极区域10通过绑定线33键合到驱动电路板5的想靠近地一侧焊区进行联接。
30.如4图所示，辅助转接板3也是一陶瓷基板，整体长宽度为6mm*2.6mm，其表面烧结有等间距排布的矩形铜箔基区34共6个，便于绑定线33键合的过渡中转互连，避免键合过长导致出现变形塌丝，底面则为一整块烧结铜片，通过锡膏涂敷后进行回流焊焊接至引线架2的、位于旁边的一第一引线端子16的接线端上。
31.如图1所示，驱动电路板5为一pcb印制电路板，四周刻蚀走线进行焊区引出，即其四周形成有多个焊区；其驱动ic器件13和5个无源元件14通过回流焊预先焊在印制电路板上，空白处的焊区通过绑定线33和辅助转接板3及层压电路板4进行电气互连导通。其中，一侧焊区靠近氮化镓芯片7，用于与氮化镓芯片上的栅极区域10电连接；另一侧焊区靠近第一引线端子16的接线端，其中一部分通过绑定线33与第一引线端子16的接线端电连接，另一部分通过绑定线33连接辅助转接板3、辅助连接板3再通过绑定线33与所述第一引线端子16的接线端电连接。
32.如图1至图2所示，走线区域24、第一基区18和第六基区23通过绑定线33与两边的第二引线端子61的接线端进行互连，其余第二基区19、第三基区20、第四基区21和第五基区22通过锡膏涂敷烧结和中间的第二引线端子61的接线端进行互连。
33.如图5所示，外壳1通过环氧树脂进行在模具中进行灌封，将内部的辅助转接板3、层压电路板4、驱动电路板5和引线架2的内管脚17进行包封，避免内部受化学环境或物理环境的侵蚀。
34.本发明实施例所提供的一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块的有益效果是:通过新的结构和布局设计简化了繁琐的操作步骤，拓宽了电力半导体模块器件的应用范围，提高电力电子装置的可靠性，层压电路板为陶瓷基板一体烧结后作为承载衬底，使得封装在高频特性应用过程中具备绝缘性能和优良散热；并能承载更高规格和高电流密度的功率芯片的封装应用，为更新迭代的高端服务器电源、逆变电路、电机驱动储能和充电桩等技术提供优秀的器件封装平台，实现高电流密度和量产化应用需求。
35.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所运用的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定；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的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，包括外壳(1)、位于所述外壳(1)内的层压电路板(4)，还包括位于所述层压电路板(4)一侧的多个并排的第一引线端子(16)和位于所述层压电路板(4)另一侧的多个并排的第二引线端子(61)，每个所述第一引线端子(16)和第二引线端子(61)都包括靠近所述层压电路板(4)侧边的接线端和远离所述层压电路板(4)的自由端，至少部分第一引线端子(16)和第二引线端子(61)的自由端伸出到所述外壳(1)之外形成电气连接引脚；所述层压电路板(4)表面并排敷设有多个铜箔构成的基区，每个基区上装有一个氮化镓芯片(7)，相邻两个氮化镓芯片(7)互连组成一个全桥电路；所述层压电路板(4)表面还安装有驱动电路板(5)，每个所述全桥电路电连接一个所述驱动电路板(5)；每个所述基区分别与一个所述第二引线端子(61)的接线端电连接，每个所述驱动电路板(5)部分地通过绑定线(33)与所述第一引线端子(16)的接线端电连接，且另一部分通过绑定线(33)连接辅助转接板(3)、辅助连接板(3)再通过绑定线(33)与所述第一引线端子(16)的接线端电连接。2.根据权利要求1所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述层压电路板(4)包括陶瓷基板(9)，所述陶瓷基板(9)背面覆有铜箔层(31)，正面表面靠近第二引线端子(61)的一侧并排设有六个铜箔构成的基区，分别为第一基区(18)、第二基区(19)、第三基区(20)、第四基区(21)、第五基区(22)、第六基区(23)，依次设有第一氮化镓芯片(25)、第二氮化镓芯片(26)、第三氮化镓芯片(27)、第四氮化镓芯片(28)、第五氮化镓芯片(29)、第六氮化镓芯片(30)，正面表面靠近所述第一引线端子(16)的另一侧有三个空白区，分别安装有一个驱动电路板(5)；在所述空白区和基区之间还设有铜箔构成的走线区域(24)。3.根据权利要求2所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，每个所述全桥电路所在的至少一个基区与所述走线区域(24)之间连接有两个封装元件(8)。4.根据权利要求2所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述第一氮化镓芯片(25)、第三氮化镓芯片(27)和第五氮化镓芯片(29)的源极区域(11)通过绑定线(33)键合在所述走线区域(24)上，漏极区域(12)通过绑定线(33)分别与所在的基区键合，栅极区域(10)通过绑定线(33)分别与一个所述驱动电路板(5)进行连接。5.根据权利要求4所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，第二氮化镓芯片(26)的源极区域(11)通过绑定线(33)键合在第一基区上(18)，漏极区域(12)通过绑定线(33)键合在第二基区上(19)，栅极区域(10)通过绑定线(33)与所述第一氮化镓芯片(25)所连接的驱动电路板(5)进行连接；第四氮化镓芯片(28)的源极区域(11)通过绑定线(33)键合在第三基区上(20)，漏极区域(12)通过绑定线(33)键合在第四基区(21)上，栅极区域(10)通过绑定线(33)与所述第三氮化镓芯片(27)所连接的驱动电路板(5)进行连接；第六氮化镓芯片(30)的源极区域(11)通过绑定线(33)键合在第五基区(22)上，漏极区域(11)通过绑定线(33)键合在第六基区(23)上，栅极区域(10)通过绑定线(33)与所述第五氮化镓芯片(29)所连接的驱动电路板(5)进行连接。6.根据权利要求1所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述辅助转接板(3)为一陶瓷板，其表面烧结有多个铜箔基区(34)，作为绑定线(33)键合的过渡中转，陶瓷板的底面为一整面的铜片，焊接至所述第一引线端子(16)的接线端上。7.根据权利要求1所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述驱动电路板(5)为一印制电路板，包括表面的驱动ic器件(13)和焊接在所述驱动ic器件(13)周
围的多个无源器件(14)，焊区通过绑定线(33)与所述辅助转接板(3)及层压电路板(4)进行电连接。8.根据权利要求2所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述走线区域(24)、第一基区(18)和第六基区(23)通过绑定线(33)与接线端进行互连，所述第二基区(19)、第三基区(20)、第四基区(21)和第五基区(22)通过焊料涂敷烧结与接线端进行互连。9.根据权利要求1所述的基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，其特征在于，所述外壳(1)内通过环氧树脂进行灌封保护，将所述辅助转接板(3)、层压电路板(4)、驱动电路板(5)和第一引线端子(106)、第二引线端子(61)进行包封。

技术总结
本发明涉及一种基于氮化镓芯片封装的全桥功率模块，包括外壳、位于外壳内的层压电路板，还包括位于层压电路板一侧的多个第一引线端子和另一侧的多个第二引线端子，每个第一引线端子和第二引线端子都包括靠近层压电路板侧边的接线端；层压电路板表面并排敷设有多个铜箔构成的基区，每个基区上装有一个氮化镓芯片，相邻两个氮化镓芯片互连组成一个全桥电路；层压电路板表面还安装有驱动电路板，每个全桥电路电连接一个驱动电路板；每个基区分别与一个第二引线端子的接线端电连接，每个驱动电路板部分地通过绑定线与所述第一引线端子的接线端电连接，且另一部分通过绑定线连接辅助转接板、辅助连接板再通过绑定线与第一引线端子的接线端电连接。端子的接线端电连接。端子的接线端电连接。


技术研发人员：贾润杰 张耀
受保护的技术使用者：深圳市盛元半导体有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/13