带电感器模块的功率半导体系统和制造电感器模块和带电感器模块的功率半导体系统的方法技术方案

公开了具有电感器模块的功率半导体系统以及制造电感器模块以及具有电感器模块的功率半导体系统的方法。一种功率半导体系统，包括：功率级模块，其具有附接到或嵌入在第一印刷电路板中的一个或多个功率晶体管管芯；以及电感器模块，其附接到所述功率级模块，并且具有电连接到所述功率级模块的输出节点的电感器。所述电感器形成于嵌入在第二印刷电路板中的铁氧体片材以及被图案化到所述第二印刷电路板中的绕组。还公开了制造所述功率半导体系统和所述电感器模块的对应方法。

Power Semiconductor System with Inductor Module and Method of Manufacturing Power Semiconductor System with Inductor Module and Inductor Module

A power semiconductor system with an inductor module, a method for manufacturing an inductor module and a power semiconductor system with an inductor module are disclosed. A power semiconductor system includes a power stage module with one or more power transistor core attached to or embedded in the first printed circuit board, and an inductor module attached to the power stage module and having an inductor electrically connected to the output node of the power stage module. The inductor is formed in a ferrite sheet embedded in the second printed circuit board and a winding patterned into the second printed circuit board. A corresponding method for manufacturing the power semiconductor system and the inductor module is also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
带电感器模块的功率半导体系统和制造电感器模块和带电感器模块的功率半导体系统的方法
本申请涉及用于功率半导体系统的电感器模块，具体地说，涉及用于对功率半导体系统的功率级模块的附接的电感器模块。
技术介绍
DC-DC电压调节器系统（诸如降压转换器）包括两个功率晶体管、栅极驱动器IC以及电感器的布置，以针对负载向下转换电压。在功率系统中的连接路径处生成真实系统中的损耗。为了使这些寄生损耗最小化，功率晶体管和栅极驱动器IC通常被一起组装在单个功率模块中，而电感器在主PCB（印刷电路板）上被组装在旁边。损耗取决于晶体管输出（开关节点）与电感器端子之间的连接线的距离和横截面，因此，需要将电感器定位得更靠近功率模块的更理想的解决方案。
技术实现思路
根据功率半导体系统的实施例，所述功率半导体系统包括：功率级模块，其包括附接到或嵌入在第一印刷电路板中的一个或多个功率晶体管管芯；以及电感器模块，其附接到所述功率级模块并且包括电连接到所述功率级模块的输出节点的电感器，所述电感器形成于嵌入在第二印刷电路板中的铁氧体片材以及被图案化到所述第二印刷电路板中的绕组。根据制造功率半导体系统的方法的实施例，所述方法包括：提供功率级模块，其包括附接到或嵌入在第一印刷电路板中的一个或多个功率晶体管管芯；以及将电感器模块附接到所述功率级模块，所述电感器模块包括电连接到所述功率级模块的输出节点的电感器，所述电感器形成于嵌入在第二印刷电路板中的铁氧体片材以及被图案化到所述第二印刷电路板中的绕组。根据制造电感器模块的方法的实施例，所述方法包括：将铁氧体片材嵌入在绝缘材料中，所述铁氧体片材具有多个延长的开口；将第一金属片材和第二金属片材层压到在所述铁氧体片材的相对的侧上的所述绝缘材料上，以形成面板；形成通过所述第一金属片材和所述第二金属片材以及所述绝缘材料的孔，所述孔与所述铁氧体片材中的所述延长的开口对准；利用金属镀覆所述孔，以形成在所述第一金属片材与所述第二金属片材之间延伸的导电过孔；对所述第一金属片材和所述第二金属片材进行图案化，以形成由所述过孔电连接的金属迹线，以形成多个单独的电感器；以及将所述面板划分为分离的印刷电路板，每个印刷电路板包括所述单独的电感器中的一个或多个。在阅读以下详细描述时并且在查看随附附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图的要素并非一定相对于彼此成比例。类似的参考标号指定对应的相似部分。可以组合各个图示的实施例的特征，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了各实施例并且在随后的描述中详述了各实施例。图1图示包括附接到功率级模块的电感器模块的功率半导体系统的实施例的示意图。图2图示焊接到功率级模块的PCB面板的多个单独的电感器模块的实施例的截面图。图3A图示层压到功率级模块的PCB面板上的电感器模块的PCB面板的实施例的截面图。图3B图示层压到功率级模块的PCB面板上的电感器模块的PCB面板的另一实施例的截面图。图4A图示电感器模块的实施例的自上而下的平面图，并且图4B图示电感器模块的对应的截面图。图5A图示电感器模块的另一实施例的自上而下的平面图，并且图5B图示电感器模块的对应的截面图。图6A图示电感器模块的又一实施例的自上而下的平面图，并且图6B图示电感器模块的对应的截面图。图7图示电感器模块的导电过孔和金属迹线的实施例的自上而下的平面图。图8A至图8I图示制造图1至图6B中示出的电感器模块的实施例的截面图，并且图9A至图9I图示对应的自上而下的平面图。图10A至图10H图示制造图1至图6B中示出的电感器模块的另一实施例的截面图，并且图11A至图11H图示对应的自上而下的平面图。具体实施方式本文所描述的实施例提供利用PCB材料和铁氧体片材来使用标准PCB处理而制造的嵌入式PCB电感器模块。可以使用标准焊接或层压以及过孔钻孔处理来将电感器模块安装到DC-DC转换器的功率级模块的顶部上。可以优化电感器模块的大小和形状以匹配功率级模块——电感器模块要被附接到该功率级模块。利用这样的电感器模块，在允许针对各种应用而制造定制化（大小、形状、电感/阻抗值等）的电感器模块的同时，降低总体系统成本和大小。电感器模块包括在通过经镀覆的通孔连接在一起的模块的两侧上的嵌入式铁氧体片材和金属布线。可以使用焊接或层压处理将电感器模块集成到功率级或具有（多个）嵌入式管芯的其它模块中。铁氧体片材被用作为标准PCB板中的电感器芯层。在标准PCB绝缘材料（诸如FR4、预浸料（利用未固化的环氧树脂预先浸渍的玻璃布的片材）、树脂片材、环氧化物等）中嵌入铁氧体片材，并且使用标准PCB处理将金属片材层压到绝缘材料上。通过被图案化到由经镀覆的通孔连接在一起的电感器模块的顶侧和底侧上的金属片材中的迹线实现电感器布线。铁氧体片材可以包括用于经镀覆的通孔的延长的开口。可以使通量经过其通过的横截面区域非常宽。归因于缺少空气间隙，通量被限制在磁芯（铁氧体片材）中，这减少了边缘效应并且降低了EMI（电磁干扰），并且取决于铁氧体片材的性质，允许芯在高电流下更易于饱和。图1图示降压转换器类型的DC-DC电压调节器系统的实施例。降压转换器系统包括高侧功率晶体管M1和低侧功率晶体管M2（诸如功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）等）、栅极驱动器IC（集成电路）100以及电感器L和电容器C，以针对由电阻器R表示的负载来将输入电压Vin向下转换为Vout。高侧功率晶体管M1和低侧功率晶体管M2在开关节点Vsw处耦合。电感器L耦合到开关节点Vsw，并且电容器C耦合到电感器L，以用于减少在调节器输出Vout处的电压纹波。这样的系统中的损耗生成于功率系统中的连接路径处（例如在转换器的开关节点Vsw与输出电感器L之间）。为了使寄生损耗最小化，功率晶体管M1、M2和栅极驱动器IC100被一起组装在单个封装102（本文还称为功率级模块）中。电感器L是使用标准PCB处理组装在分离的模块104中的，并且例如通过焊接或层压而附接到功率级模块102的输出OUT。功率级模块102的输出OUT在内部电连接到开关节点Vsw。在一个实施例中，附接到功率级模块102的电感器模块104的电感器L具有在400nH至550nH的范围中的电感、小于100毫欧的阻抗以及大约8A或更大的饱和电流。一般而言，电感器良好地适合于功率应用，并且被设计用于高电流（诸如1安培或更大）。对于高功率应用而言，电感为至少300nH或更大以避免饱和。图2图示将分离的电感器模块104附接到功率级模块102的PCB面板200以形成功率半导体系统的实施例。根据该实施例，在PCB面板200中存在多个功率级模块102，并且在进行电感器模块附接之时功率级模块102还必须被单独化。已经被制造并且单独化的各单独的电感器模块104被焊接到功率级模块102中的相应的一个。任何标准的焊接处理可以被用于在功率级模块102与相应的电感器模块102之间形成焊接接头202。根据在图2中示出的实施例，使用标准PCB处理形成功率级模块102和分离的电感器模块104这两者。每个功率级模块102包括附接到或嵌入在第一PCB206中的一个或多个功率晶体管管芯204。第一PCB206包括层压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率半导体系统，包括：功率级模块，其包括附接到或嵌入在第一印刷电路板中的一个或多个功率晶体管管芯；以及电感器模块，其附接到所述功率级模块，并且包括电连接到所述功率级模块的输出节点的电感器，所述电感器形成于嵌入在第二印刷电路板中的铁氧体片材以及被图案化到所述第二印刷电路板中的绕组。

【技术特征摘要】
2017.09.08 US 15/6997401.一种功率半导体系统，包括：功率级模块，其包括附接到或嵌入在第一印刷电路板中的一个或多个功率晶体管管芯；以及电感器模块，其附接到所述功率级模块，并且包括电连接到所述功率级模块的输出节点的电感器，所述电感器形成于嵌入在第二印刷电路板中的铁氧体片材以及被图案化到所述第二印刷电路板中的绕组。2.如权利要求1所述的功率半导体系统，其中，所述电感器模块被焊接到所述功率级模块。3.如权利要求1所述的功率半导体系统，其中，所述电感器模块被层压到所述功率级模块上。4.如权利要求1所述的功率半导体系统，其中，所述第二印刷电路板包括：其中嵌入有所述铁氧体片材的绝缘材料；以及被层压到在所述铁氧体片材的相对的侧上的所述绝缘材料上的第一金属片材和第二金属片材，并且其中，所述绕组由如下形成：被图案化到所述第一金属片材和所述第二金属片材中的金属迹线；以及在所述第一金属片材与所述第二金属片材之间延伸并且连接所述金属迹线以形成一个或多个线圈的多个导电过孔。5.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述多个导电过孔中的每个单独的导电过孔被部署在形成于所述铁氧体片材中的不同的通孔中。6.如权利要求5所述的功率半导体系统，其中，形成在所述铁氧体片材中的所述通孔的侧壁被电绝缘材料覆盖。7.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述多个导电过孔与所述铁氧体片材电绝缘。8.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述铁氧体片材具有多个延长的开口，并且其中，第一组的所述多个导电过孔通过所述延长的开口中的第一延长的开口，并且第二组的所述多个导电过孔通过所述延长的开口中的第二延长的开口，以连接所述金属迹线并且形成所述一个或多个线圈。9.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述多个导电过孔中的每个单独的导电过孔被填充有金属。10.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述铁氧体片材被图案化到延长的环线圈中，并且其中，第一组的所述多个导电过孔沿着所述环线圈的第一外部延长侧延伸，第二组的所述多个导电过孔沿着所述环线圈的第一内部延长侧延伸，第三组的所述多个导电过孔沿着所述环线圈的第二内部延长侧延伸，并且第四组的所述多个导电过孔沿着所述环线圈的第二外部延长侧延伸，以连接所述金属迹线并且形成所述一个或多个线圈。11.如权利要求4所述的功率半导体系统，其中，所述多个导电过孔中的每个单独的导电过孔具有在80微米至300微米的范围中的直径。12.如权利要求1所述的功率半导体系统，其中，所述功率级模块包括降压转换器的被耦合在开关节点处的高侧功率晶体管和低侧功率晶体管，并且其中，所述功率级模块的所述输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：F德黑，J赫格劳尔，P帕尔姆，AN索勒，X施勒格尔，Z尤马尔，M沃伊诺夫斯基，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT