基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块及其制备方法技术

基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块及其制备方法，包括氮化镓芯片、解耦电容、第一驱动芯片、第二驱动芯片、功率铜面、驱动铜面、第一驱动芯片外围电路、第二驱动芯片外围电路和底部陶瓷基板；若干功率铜面和驱动铜面设置在底部陶瓷基板上，氮化镓芯片和解耦电容设置在功率铜面上，第一驱动芯片和第二驱动芯片设置在驱动铜面上，第一驱动芯片和第二驱动芯片分别对应连接有第一驱动芯片外围电路和第二驱动芯片外围电路；第一驱动芯片和第二驱动芯片用于驱动氮化镓芯片。本发明专利技术实现驱动芯片在模块内的集成。功率回路经过优化，功率换流回路寄生电感小于2nH，有效减小芯片开通关断过程中的过电压和电流震荡。程中的过电压和电流震荡。程中的过电压和电流震荡。

【技术实现步骤摘要】
基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块及其制备方法


[0001]本专利技术属于智能功率模块
，特别涉及基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓(Gallium Nitride,GaN)功率器件作为宽禁带半导体的代表，因其高频、高效的优异特性，在功率半导体市场正逐步替代传统硅基功率器件。但是，目前的大部分宽禁带半导体仍然沿用传统硅基半导体的封装集成方式，限制了其优异特性的发挥，是宽禁带半导体功率器件应用的瓶颈问题。氮化镓器件相比传统的硅器件拥有更高的开关速度，因而在开关过程中相比传统硅器件对寄生参数更加敏感。如果芯片封装技术不当，会引发严重的过电压、电磁干扰等问题，造成电力电子开关器件损耗增加，器件可靠性变差，甚至引发器件损坏。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块及其制备方法，以解决氮化镓器件在开关过程中相比传统硅器件对寄生参数更加敏感，会引发严重的过电压、电磁干扰的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，包括氮化镓芯片、解耦电容、第一驱动芯片、第二驱动芯片、功率铜面、驱动铜面、第一驱动芯片外围电路、第二驱动芯片外围电路和底部陶瓷基板；若干功率铜面和驱动铜面设置在底部陶瓷基板上，氮化镓芯片和解耦电容设置在功率铜面上，第一驱动芯片和第二驱动芯片设置在驱动铜面上，第一驱动芯片和第二驱动芯片分别对应连接有第一驱动芯片外围电路和第二驱动芯片外围电路；第一驱动芯片和第二驱动芯片用于驱动氮化镓芯片。
[0006]进一步的，功率铜面包括第一功率铜面、第二功率铜面、第三功率铜面和第四功率铜面；驱动铜面包括第一驱动铜面、第二驱动铜面、第三驱动铜面以及第四驱动铜面；氮化镓功率芯片和第一功率铜面、第二功率铜面、第三功率铜面、第四功率铜面、第一驱动铜面、第二驱动铜面、第三驱动铜面以及第四驱动铜面连接；氮化镓功率芯片上设置有顶部陶瓷基板；解耦电容和第一功率铜面及第二功率铜面连接；第五功率铜面设置在底部陶瓷基板的背面。
[0007]进一步的，第一驱动芯片外围电路包括第一驱动电阻、第二驱动电阻及第一驱动电容；第一驱动电阻、第二驱动电阻及第一驱动电容均连接到第一驱动芯片。
[0008]进一步的，驱动铜面还包括第五驱动铜面、第七驱动铜面、第十一驱动铜面、第十二驱动铜面和第十三驱动铜面；第一驱动电阻、第二驱动电阻通过第十一驱动铜面与第一驱动铜面连接；第一驱动电阻、第二驱动电阻通过第十二驱动铜面、第十三驱动铜面和第一驱动芯片连接；第一驱动电容通过第五驱动铜面、第七驱动铜面和第一驱动芯片连接。
[0009]进一步的，第二驱动芯片外围电路包括第三驱动电阻、第四驱动电阻及第二驱动电容；第三驱动电阻、第四驱动电阻及第二驱动电容均连接到第二驱动芯片。
[0010]进一步的，驱动铜面还包括第十四驱动铜面、第十五驱动铜面、第十六驱动铜面、第八驱动铜面和第十驱动铜面；第三驱动电阻、第四驱动电阻通过第十四驱动铜面与第三驱动铜面连接；第三驱动电阻、第四驱动电阻通过第十五驱动铜面、第十六驱动铜面和第二驱动芯片连接；第二驱动电容通过第八驱动铜面、第十驱动铜面和第二驱动芯片连接；第一驱动芯片和第二驱动芯片都用于驱动封装后的氮化镓芯片。
[0011]进一步的，第一驱动芯片还连接有第六驱动铜面；第二驱动芯片还连接有第九驱动铜面。
[0012]进一步的，第五驱动铜面连接有第一驱动端子；第六驱动铜面连接有第二驱动端子；第七驱动铜面连接有第三驱动端子；第八驱动铜面连接有第四驱动端子；第九驱动铜面连接有第五驱动端子；第十驱动铜面连接有第六驱动端子。
[0013]进一步的，第二功率铜面连接有第一功率端子，第三功率铜面连接有第二功率端子，第四功率铜面连接有第三功率端子。
[0014]进一步的，基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块的制备方法，包括以下步骤：
[0015]将氮化镓芯片和铜柱连接在临时载板，上表面绝缘层覆盖并图形化，待固化后打磨，减薄直至露出芯片表面铜层；
[0016]溅射种子粘附层，使用光刻胶作为待电镀的图形，电镀铜层，完成芯片表面电极间的互联；
[0017]去除光刻胶，并腐蚀溅射种子粘附层；表面绝缘层覆盖并图形化，待固化后打磨，减薄直至露出电镀的表面铜层；
[0018]再次溅射种子粘附层，使用光刻胶作为待电镀的图形，电镀半桥模块对应的铜焊盘端子；
[0019]去除光刻胶，并腐蚀溅射种子粘附层；表面绝缘层覆盖并图形化，待固化后打磨，减薄直至露出电镀的表面铜；
[0020]将模块翻面，重新连接在临时载板；溅射种子粘附层，使用光刻胶作为待电镀的图形，电镀连接氮化镓芯片衬底和铜柱；
[0021]去除光刻胶，并腐蚀溅射种子粘附层；表面绝缘层覆盖并图形化，待固化后打磨，减薄直至露出电镀的表面铜，取下完成Fan
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out封装的半桥功率芯片；
[0022]通过钢网在底部陶瓷基板表面涂抹焊接材料，保证焊锡可完成端子的焊接并涂抹不过量；
[0023]通过贴片机将驱动芯片、解耦电容、电阻、封装的功率半桥芯片、功率端子及驱动端子放置在底部陶瓷基板的指定位置；
[0024]陶瓷基板放入定制化的石墨夹具中；石墨夹具开有螺纹，调节螺母高度固定芯片及端子；
[0025]功率模块放置在真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接；清洗模块表面残留助焊剂；
[0026]通过钢网在顶部陶瓷基板表面涂抹焊接材料，保证焊锡可完成端子的焊接并涂抹不过量；将模块放置在顶部陶瓷基板上；
[0027]放入定制化的石墨夹具中，在真空焊接炉中，设置对应的温度曲线，进行真空焊接；清洗模块表面残留助焊剂。
[0028]与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：
[0029]本专利技术基于氮化镓芯片设计单相全桥智能功率模块。本模块设计出一种基于氮化镓的全桥布局，并实现驱动芯片在模块内的集成。功率回路经过优化，功率换流回路寄生电感小于2nH，有效减小芯片开通关断过程中的过电压和电流震荡。同时针对键合线驱动回路，优化驱动回路寄生电感，减小氮化镓芯片误开通现象。采用陶瓷基板实现散热，减小模块热阻。
[0030]本模块适用于对功率密度要求高的场合，对新能源汽车应用落地，家电能源的节能减排具有重要作用，可以带来极大的经济效益，为氮化镓模块化封装的产业落地提供支持。
附图说明
[0031]图1是本专利技术整个IPM的电路原理图；
[0032]图2是本专利技术的三维结构图拆分图；
[0033]图3是本专利技术的半桥拓扑换流回路示意图。；
[0034]图4是本专利技术的阐述的加工工艺流程图；
[0035]下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0036]其中
[0037]1.封装后的氮化镓半桥芯片；2.顶部陶瓷基板；3.底部陶瓷基板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，包括氮化镓芯片(1)、解耦电容(11)、第一驱动芯片(29)、第二驱动芯片(20)、功率铜面、驱动铜面、第一驱动芯片外围电路、第二驱动芯片外围电路和底部陶瓷基板(3)；若干功率铜面和驱动铜面设置在底部陶瓷基板(3)上，氮化镓芯片(1)和解耦电容(11)设置在功率铜面上，第一驱动芯片(29)和第二驱动芯片(20)设置在驱动铜面上，第一驱动芯片(29)和第二驱动芯片(20)分别对应连接有第一驱动芯片外围电路和第二驱动芯片外围电路；第一驱动芯片(29)和第二驱动芯片(20)用于驱动氮化镓芯片(1)。2.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，功率铜面包括第一功率铜面(4)、第二功率铜面(5)、第三功率铜面(6)、第四功率铜面(7)和第五功率铜面(42)；驱动铜面包括第一驱动铜面(12)、第二驱动铜面(13)、第三驱动铜面(14)以及第四驱动铜面(15)；氮化镓功率芯片(1)和第一功率铜面(4)、第二功率铜面(5)、第三功率铜面(6)、第四功率铜面(7)、第一驱动铜面(12)、第二驱动铜面(13)、第三驱动铜面(14)以及第四驱动铜面(15)连接；氮化镓功率芯片(1)上设置有顶部陶瓷基板(2)；解耦电容(11)和第一功率铜面(4)及第二功率铜面(5)连接；第五功率铜面(42)设置在底部陶瓷基板(3)的背面。3.根据权利要求2所述的基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，第一驱动芯片外围电路包括第一驱动电阻(16)、第二驱动电阻(17)及第一驱动电容(21)；第一驱动电阻(16)、第二驱动电阻(17)及第一驱动电容(21)均连接到第一驱动芯片(29)。4.根据权利要求3所述的基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，驱动铜面还包括第五驱动铜面(30)、第七驱动铜面(32)、第十一驱动铜面(36)、第十二驱动铜面(37)和第十三驱动铜面(38)；第一驱动电阻(16)、第二驱动电阻(17)通过第十一驱动铜面(36)与第一驱动铜面(12)连接；第一驱动电阻(16)、第二驱动电阻(17)通过第十二驱动铜面(37)、第十三驱动铜面(38)和第一驱动芯片(29)连接；第一驱动电容(21)通过第五驱动铜面(30)、第七驱动铜面(32)和第一驱动芯片(29)连接。5.根据权利要求4所述的基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，第二驱动芯片外围电路包括第三驱动电阻(18)、第四驱动电阻(19)及第二驱动电容(28)；第三驱动电阻(18)、第四驱动电阻(19)及第二驱动电容(28)均连接到第二驱动芯片(20)。6.根据权利要求5所述的基于氮化镓功率芯片的半桥智能功率模块，其特征在于，驱动铜面还包括第十四驱动铜面(39)、第十五驱动铜面(40)、第十六驱动铜面(41)、第八驱动铜面(33)和第十驱动铜面(35)；第三驱动电阻(18)、第四驱动电阻(19)通过第十四驱动铜面(39)与第三驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，姚乙龙，孔航，杨奉涛，汪岩，董晓博，齐志远，张虹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：