一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块制造技术

本发明专利技术公开了一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，包括上、下DBC基板，功率单元和开有窗口的PCB板。上DBC基板的上表面金属层包括正极金属层和输出极金属层；下DBC基板的上表面金属层为负极金属层，且下DBC基板的上表面的中心部分与上DBC基板的下表面焊接在一起，四周部分与PCB板下层焊盘焊接在一起；功率单元为半桥电路结构，包括上半桥臂开关管、上半桥臂二极管、下半桥臂开关管和下半桥臂二极管；PCB板包括上层焊盘和下层焊盘，其窗口用于内嵌功率单元。功率回路中利用多层换流回路实现互感抵消，降低了模块内部寄生电感；叠层DBC的中间铜层在顶部铜层与底部铜层之间形成屏蔽效应，实现输出极铜层与底部铜层之间的完全屏蔽，实现了极低寄生电容。实现了极低寄生电容。实现了极低寄生电容。

【技术实现步骤摘要】
一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块


[0001]本专利技术属于功率半导体器件
，更具体地，涉及一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块。

技术介绍

[0002]快速发展的电力电子技术在现今的工业领域占有重要的地位。我国电力电子工业的崛起，使得功率半导体模块在新能源发电、交通运输等领域得到了广泛的应用，同时对功率模块提出了高效、高功率密度等更高的要求。
[0003]对于功率模块而言，传统的模块封装工艺会使得功率模块内部的寄生参数较大，寄生电感在电力电子功率器件在高速的开关时会造成较大的电压过冲，这一电压过冲会在外部电路中产生较大的电磁干扰噪声，同时增加功率器件击穿的风险，限制了电力电子功率模块的开关速度的提高；寄生电容为共模电磁干扰在电路中的传导形成对地回路，增大了共模干扰的幅值；同时，寄生电容和寄生电感之间存在这相互约束关系，对寄生电容的优化会造成寄生电感的增大。现有的多种新型SiC封装结构往往只针对寄生电容、寄生电感或热阻等单一目标进行研究，缺乏综合性能的量化对比。对于功率模块目前已有的封装优化而言，混合封装模块的内部由于PCB开窗和便于焊接的焊盘布局而造成的通流性能下降，并带来寄生电感问题，需要进一步优化，从而降低开通与关断时所带来的过压与震荡问题；使用屏蔽结构能够在一定程度上降低模块的对地电容，但仍有很大的优化空间，进一步降低模块内部的导体层的对地电容值，减小共模电磁干扰带来的影响；更重要的，还需要对模块的寄生参数进行综合优化，进一步设计新的封装结构，实现整个电力电子装置与系统的高频化、高功率密度。在第三代新型功率半导体器件(以SiC、GaN为主的宽禁带半导体器件)广泛应用的背景下，对高功率密度、低寄生电感的功率模块结构提出了更加迫切的需求。

技术实现思路

[0004]针对现有的半导体功率模块的改进需求，本专利技术提供了一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，其目的在于对模块内部的寄生电容和寄生电感进行了综合优化，设计了最优的混合封装结构，将两块DBC基板进行焊接形成“铜
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陶瓷
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铜
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陶瓷
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铜”叠层结构，通过混合封装结构使模块与PCB板高度集成，避免了功率端子引入的寄生电感；顶部铜层和中间铜层可以形成具有互感抵消效应的换流回路，用于减小寄生电感；在PCB开窗用以焊接功率单元的同时，通过设计布局实现导电铜层的完整性，避免了因通流问题导致的寄生电感；此外，功率单元放置于上DBC基板的上表面金属层，叠层DBC的中间铜层在顶部铜层与底部铜层之间形成屏蔽效应，使输出极铜层与底部铜层之间完全屏蔽，实现了极低寄生电容；同时通过紧凑型芯片布局，降低模块整体体积。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，包括：上DBC基板、下DBC基板、功率单元和开有窗口的PCB板；
[0006]所述上DBC基板的上表面金属层包括：横向间隔排布的正极金属层和输出极金属
层；
[0007]所述下DBC基板的上表面金属层为负极金属层，且所述下DBC基板的上表面的中心部分与上DBC基板的下表面焊接在一起，四周部分与所述PCB板下层焊盘焊接在一起；
[0008]所述功率单元为半桥电路结构，包括：依次纵向间隔排布在所述正极金属层上的上半桥臂开关管和上半桥臂二极管、以及依次纵向间隔排布在所述输出极金属层上的下半桥臂开关管和下半桥臂二极管；
[0009]所述PCB板包括上层焊盘和下层焊盘，其窗口用于内嵌所述功率单元；
[0010]所述上层焊盘包括：位于PCB板左右两侧的正极焊盘和上层负极焊盘，以及依次横向间隔排布在PCB板上端的上半桥臂开关管驱动信号焊盘、上半桥臂开关管驱动信号回路焊盘、下半桥臂开关管驱动信号焊盘和下半桥臂开关管驱动信号回路焊盘，以及位于PCB板下端的输出极焊盘；
[0011]所述下层焊盘为下层负极焊盘，位于整个PCB板背面，经由过孔与上层负极焊盘连通。
[0012]进一步地，所述上DBC基板、下DBC基板均为三层结构，其中间层为绝缘材料，上、下层均为高导材料；且所述上DBC基板的面积小于下DBC基板。
[0013]进一步地，所述上DBC基板、下DBC基板通过焊接形成“铜
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陶瓷
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铜
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陶瓷
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铜”的叠层结构，中间铜层在顶部铜层与底部铜层之间形成屏蔽效应，实现输出极铜层与底部铜层之间的完全屏蔽。
[0014]进一步地，所述正极焊盘、上半桥臂开关管、下半桥臂二极管、上层负极焊盘、负极金属层构成了半桥支路的一个换流回路；正极焊盘、上半桥臂二极管、下半桥臂开关管、上层负极焊盘、负极金属层构成了半桥支路的另一个换流回路。
[0015]进一步地，所述上半桥臂开关管的漏极与正极金属层通过焊接相连，栅极和第一源极分别通过键合线与上半桥臂开关管驱动信号焊盘和上半桥臂开关管驱动信号回路焊盘相连，第一源极和第二源极分别通过键合线与输出极金属层相连；
[0016]所述上半桥臂二极管底部电极与正极金属层通过焊接相连，顶部电极通过键合线与输出极金属层相连；
[0017]所述下半桥臂开关管的漏极与输出极金属层通过焊接相连，栅极和第一源极分别通过键合线与下半桥臂开关管驱动信号焊盘和下半桥臂开关管驱动信号回路焊盘相连，第一源极和第二源极分别通过键合线与上层负极焊盘相连；
[0018]所述下半桥臂二极管底部电极与输出极金属层通过焊接相连，顶部电极通过键合线与上层负极焊盘相连。
[0019]进一步地，所述上半桥臂开关管、下半桥臂开关管的驱动均采用Kelvin连接方式。
[0020]进一步地，所述正极金属层通过键合线与正极焊盘相连，所述输出极金属层通过键合线与输出极焊盘相连。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0022](1)本专利技术提供的混合封装半桥型功率模块，通过采用基于PCB+DBC叠层的混合封装结构，综合优化了模块内部的寄生电感、寄生电容和热阻，将功率单元与主电路、驱动电路直接集成，减小了功率模块内部由于引线和功率端子带来的寄生电感。
[0023](2)本专利技术提供的混合封装半桥型功率模块，使用叠层DBC实现了“铜
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陶瓷
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铜
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陶瓷
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铜”的多层结构，使中间铜层在顶部铜层与底部铜层之间形成屏蔽效应，将输出极铜层完全屏蔽，从而可以有效实现顶部铜层和底部同层之间的极低电容，对共模EMI的传导在传导路径中进行了抑制，进一步优化了模块的电磁兼容性能。
[0024](3)本专利技术提供的混合封装半桥型功率模块，通过采用紧凑布局与功率单元的顺序排布方式，减小了功率模块的整体尺寸，提高了功率密度，实现较短的换流回路，降低了模块内部换流回路的寄生电感。
[0025](4)本专利技术提供的混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，其特征在于，包括：上DBC基板、下DBC基板、功率单元和开有窗口的PCB板；所述上DBC基板的上表面金属层包括：横向间隔排布的正极金属层(10)和输出极金属层(11)；所述下DBC基板的上表面金属层为负极金属层(16)，且所述下DBC基板的上表面的中心部分与上DBC基板的下表面焊接在一起，四周部分与所述PCB板下层焊盘焊接在一起；所述功率单元为半桥电路结构，包括：依次纵向间隔排布在所述正极金属层(10)上的上半桥臂开关管(12)和上半桥臂二极管(14)、以及依次纵向间隔排布在所述输出极金属层(11)上的下半桥臂开关管(13)和下半桥臂二极管(15)；所述PCB板包括上层焊盘和下层焊盘，其窗口用于内嵌所述功率单元；所述上层焊盘包括：位于PCB板左右两侧的正极焊盘(1)和上层负极焊盘(2)，以及依次横向间隔排布在PCB板上端的上半桥臂开关管驱动信号焊盘(4)、上半桥臂开关管驱动信号回路焊盘(5)、下半桥臂开关管驱动信号焊盘(6)和下半桥臂开关管驱动信号回路焊盘(7)，以及位于PCB板下端的输出极焊盘(3)；所述下层焊盘为下层负极焊盘(9)，位于整个PCB板背面，经由过孔(8)与上层负极焊盘(2)连通。2.如权利要求1所述的PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，其特征在于，所述上DBC基板、下DBC基板均为三层结构，其中间层为绝缘材料，上、下层均为高导材料；且所述上DBC基板的面积小于下DBC基板。3.如权利要求2所述的PCB+叠层DBC混合封装半桥型功率模块，其特征在于，所述上DBC基板、下DBC基板通过焊接形成“铜
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陶瓷
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铜
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陶瓷
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铜”的叠层结构，中间铜层在顶部铜层与底部铜层...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈材，谢月，张一凡，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：