一种集成化SiC固态功率控制器制造技术

本发明专利技术公开一种集成化SiC固态功率控制器，采用功率电路板、驱动电路板和数字电路板三层叠加结构，通过铜柱与插针进行电气连接，模块与外部采用功率端子弯折引出连接，实现模块耐高温、高功率密度和低寄生参数的特点。功率走线采用陶瓷基板为Si3N4材料的覆铜陶瓷基板技术实现，集成了主电路，限流支路和泄放支路的布局，采用直角弯折迂回结构，大大减小功率部分电路体积，降低功率部分电路寄生参数，从而降低SiC MOSFET的电压应力。SiC MOSFET采用裸芯片并利用纳米银烧结技术焊接在电路布局中，采用超声波铝线键合方式互连，形成良好的导热路径，大大提高散热效果，提高固态功率控制器耐高温性能，可靠性高。

An Integrated SiC Solid State Power Controller

【技术实现步骤摘要】
一种集成化SiC固态功率控制器
本专利技术属于电力电子与电工领域，涉及一种固态功率控制器（SSPC）模块集成化技术，可大大减小SSPC体积，提高SSPC可靠性，扩展其应用领域。
技术介绍
固态功率控制器（SolidStatePowerController，简称SSPC）是用固态半导体功率器件构成的电子开关电器，主要完成负载接通关断控制、反时限过流保护、过欠压保护和短路保护等功能，其具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点，正广泛应用于飞机、坦克、轮船、民用配电网等方面。为了满足目前航空界正广泛研究和应用的高压直流供电系统技术，开展体积小，重量轻的大功率和高功率密度固态功率控制器迫在眉睫。目前商业化的固态功率控制器以美国DDC公司和Astronics公司为代表，最高电压等级为270V，单通道最大电流为75A，且体积较大，为适应航空飞机更高功率等级的高压直流供电系统，开展大功率和高功率密度的固态功率控制器是未来应用于航空飞机的固态功率控制器的研究重点。在高功率密度集成化SSPC模快设计中，热设计以及寄生参数优化是至关重要的部分。由于集成化SSPC模块体积小，产生的热不易散发出去，在模块内部聚集就会造成模块内部温度过高，破坏模块内部功率器件和铜层走线；此外功率走线的布局产生的寄生参数在功率芯片关断过程中引起的过电压现象也威胁着功率器件芯片的安全正常工作，为了保证功率器件芯片不因过电压击穿而失效，目前SSPC模块设计工程师不得不使用更高电压等级的高成本器件产品。同时，此过电压现象还会增加器件损耗，影响电路工作效率与电磁性能，并对模块散热条件提出了更高的要求。集成化SSPC模块的电流检测对实现电路的短路保护，带容起动等功能起着决定性作用，目前商业化SSPC产品都以检测电阻为电路电流检测手段，此方法在大电流的SSPC中精度低，安全性低且功耗大。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于克服现有技术的上述不足，提供一种带有隔离和高精度的无损电流检测的低寄生参数SiC集成化固态功率控制器模块，可以大大提高散热能力，降低功率芯片关断过程中的电压应力以及不低于150W/cm3的高功率密度。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种集成化SiC固态功率控制器，由功率电路板及板上铜层布局和电流检测电路布局、驱动电路板、数字电路板以及各连接端子组成。其中功率电路板及板上铜层布局提供大功率流通路径，集成了主电路、限流支路、泄放支路以及电流检测电路；驱动电路板为功率电路板上的所有功率芯片提供驱动信号并实现短路过流保护，利用功率信号端子对功率输入和功率输出进行检测，并利用插针实现对负载电流的检测上传；数字电路板实现对SSPC的状态实时监测，并实现可编程的反时限和过欠压保护以及SSPC的通讯功能；三块电路板上下叠加，通过铜柱与插针进行电气连接，功率电路板与驱动电路板通过外壳封装在模块内部，数字电路板通过插针实现与驱动板的电气连接并支撑置于外壳之上。在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的功率电路板及板上铜层布局，包括主电路、限流支路、泄放支路以及电流检测电路的布局，利用覆铜陶瓷基板（DBC）实现。主电路通过功率电接入端子引入功率电，利用12只左右对称分布的SiCMOSFET裸芯片对负载进行540V/200A的功率开通断操作，SiCMOSFET裸芯片的驱动输入输出采用开尔文连接，将驱动回路与功率回路完全解耦，驱动回路设置两个左右对称分布源极输出信号端子，一个栅极输入信号端子，从驱动电路板接入驱动信号，栅极电阻分布以驱动信号端子为轴心采用上下左右对称分布结构，SiCMOSFET裸芯片的功率输入输出采用同侧边接入接出分布，功率输出源极通过铝键合线连接至接入负载的功率走线铜层；限流支路通过弯折引出的功率端子与功率电接入端子接入限流电阻和功率电，两只SiCMOSFET裸芯片并联控制限流支路开通断，同样采用开尔文连接将驱动回路和功率回路解耦，驱动回路通过信号端子从驱动电路板接入驱动信号，功率回路源极输出通过铝键合线与主电路SiCMOSFET裸芯片功率回路源极输出并联连接至接入负载的功率走线铜层；电流检测采用各向异性磁阻传感器，通过检测下部U形导体磁场强度差实现电流检测，U形导体为接入负载的功率走线铜层的一部分，回绕至靠近主电路SiCMOSFET裸芯片方向，泄放支路采用一只SiCMOSFET裸芯片控制其开通断，该SiCMOSFET裸芯片功率漏极输入直接覆在接入负载的功率走线铜层之上，功率源极输出通过端子和迂回至主电路SiCMOSFET裸芯片的功率地端子接入泄放电阻，驱动回路仍然采用开尔文连接，利用信号端子从驱动电路板上引入驱动信号；泄放支路并联的两只SiC肖特基二极管裸芯片负极直接覆在接入负载的功率走线铜层之上，正极利用铝键合线连接至功率地铜层；负载利用直接覆在接入负载的功率走线铜层上的功率端子和功率地端子接入功率电路。在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的覆铜陶瓷基板（DBC），包括上下为铜层和中间硅基层三层结构，中间硅基层为Si3N4材料，上铜层即为功率电路板上铜层布局，下铜层与AlSiC基板焊接。在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的电流检测电路包括各向异性磁阻传感器，传感器周围电路，U形导体，干扰磁场屏蔽罩。U形导体为接入负载的功率走线铜层的一部分，厚度为0.3mm，直接覆在DBC硅基层之上；传感器周围电路用于设置传感器工作状态，焊接在0.8mm厚的PCB上，PCB利用耐高温的硅凝胶粘在U形导体上，并利用插针从驱动电路板引入电源以及将电流检测值上传至驱动电路板；磁屏蔽罩采用坡莫合金材料，为半全屏蔽罩结构，厚度0.3mm，上部屏蔽板直接置于DBC陶瓷层上，下部屏蔽板通过腐蚀与DBC下铜层嵌合，直接与DBC陶瓷层焊接。在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的SiCMOSFET裸芯片和SiC肖特基二极管裸芯片的焊接均采用纳米银烧结技术。在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的铝键合线均采用超声波键合方式。采用上述方案后，本专利技术的有益效果如下：1）本专利技术采用功率电路板，驱动电路板和数字电路板三层叠加结构，三层结构之间通过铜柱与插针进行电气连接，模块与外部采用功率端子弯折引出连接，可以极大的减小模块体积，实现集成化SiCSSPC模块耐高温、高功率密度和低寄生参数的特点；2）本专利技术功率铜层采用覆铜陶瓷基板实现，且中间层硅基层采用Si3N4材料，相比于传统DBC技术的陶瓷材料，热导率和机械强度高出至少两倍，且热膨胀系数与功率芯片更接近，下表面加工成鳍片结构，此外功率MOSFET和二极管均采用SiC材料的裸芯片并利用纳米银烧结技术焊接在电路布局中，其顶部和底部既是器件的电源端子又是散热面，可以形成良好的导热路径，极大地提高散热效率，提高固态功率控制器耐高温性能；3）本专利技术功率回路采用直角弯折迂回结构，功率芯片的功率输入漏极直接焊覆在功率铜层上，支路间以及功率芯片之间连接采用铝键合线方式，最大限度的减小损耗以及铜层厚度，功率SiCMOSFET电路连接采用开尔文连接，将驱动回路和功率回路完全解耦，避免小功率信号和大功率信号的耦合，提高SiC集成化SSPC模块的工作可靠性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成化SiC固态功率控制器，其特征在于包括外壳（1）、基板（2）、功率电路板（15）、驱动电路板（18）和数字电路板（10）；所述基板（2）、功率电路板（15）、驱动电路板（18）封装在外壳（1）内部，所述功率电路板（15）位于所述基板（2）上面，所述功率电路板（15）提供大功率流通路径，集成了主电路（21）、限流支路（20）、泄放支路（22）、电流检测电路的铜层布局以及采用弯折后外引出外壳（1）的各功率端子；所述驱动电路板（18）位于所述功率电路板（15）上方，通过铜柱和插针与所述功率电路板（15）电气连接，驱动电路板（18）集保护电路、驱动电路以及SSPC状态量上传电路于一体，为功率电路板（15）上所有功率芯片提供驱动信号并实现短路过流保护，利用功率小信号端子（24、25、30）对功率电路板（15）上的功率输入和功率输出电压进行检测，并利用插针（19）实现对负载电流的检测上传；所述数字电路板（10）位于所述驱动电路板（18）上方，通过插针（14）与所述驱动电路板（18）电气连接并固定在固态功率控制器外壳（1）外面，实现对固态功率控制器的状态实时监测、可编程的反时限和过欠压保护以及固态功率控制器的通讯功能。...

【技术特征摘要】
1.一种集成化SiC固态功率控制器，其特征在于包括外壳（1）、基板（2）、功率电路板（15）、驱动电路板（18）和数字电路板（10）；所述基板（2）、功率电路板（15）、驱动电路板（18）封装在外壳（1）内部，所述功率电路板（15）位于所述基板（2）上面，所述功率电路板（15）提供大功率流通路径，集成了主电路（21）、限流支路（20）、泄放支路（22）、电流检测电路的铜层布局以及采用弯折后外引出外壳（1）的各功率端子；所述驱动电路板（18）位于所述功率电路板（15）上方，通过铜柱和插针与所述功率电路板（15）电气连接，驱动电路板（18）集保护电路、驱动电路以及SSPC状态量上传电路于一体，为功率电路板（15）上所有功率芯片提供驱动信号并实现短路过流保护，利用功率小信号端子（24、25、30）对功率电路板（15）上的功率输入和功率输出电压进行检测，并利用插针（19）实现对负载电流的检测上传；所述数字电路板（10）位于所述驱动电路板（18）上方，通过插针（14）与所述驱动电路板（18）电气连接并固定在固态功率控制器外壳（1）外面，实现对固态功率控制器的状态实时监测、可编程的反时限和过欠压保护以及固态功率控制器的通讯功能。2.如权利要求1所述的SiC集成化固态功率控制器，其特征在于：所述功率电路板（15）采用覆铜陶瓷基板实现，所述覆铜陶瓷基板包括上、下铜层和中间硅基层，中间硅基层（23）为Si3N4材料，上铜层即为功率电路板上铜层布局，下铜层与基板（2）焊接。3.如权利要求1所述的SiC集成化固态功率控制器，其特征在于：所述主电路（21）包括：功率电接入端子（3），用于引入功率电；12只左右对称分布的SiCMOSFET裸芯片（31），用于对负载进行功率开通断操作；驱动回路设置在对称分布的SiCMOSFET裸芯片之间，所述驱动回路通过两个源极信号端子（26、27）和一个栅极信号端子（28）从驱动电路板（18）接入驱动信号。4.如权利要求3所述的SiC集成化固态功率控制器，其特征在于：所述12只SiCMOSFET裸芯片的栅极电阻（33）以所述两个源极信号端子（26、27）和所述一个栅极信号端子（28）为轴心上下左右对称分布，SiCMOSFET裸芯片（31）的驱动输入输出采用开尔文连接，将驱动回路与功率回路完全解耦；SiCMOSFET裸芯片（31）的功率输入输出采用同侧边接入接出分布，功率输出源极（35）通过铝键合线（36）连接至接入负载的功率走线铜层（38）。5.如权利要求1所述的SiC集成化固态功率控制器，其特征在于：限流支路（20）包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，汪开军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32