一种集成电荷泵电容的塑封贴片理想二极管的制作方法

本发明涉一种集成电荷泵电容的塑封贴片理想二极管。

背景技术：

1、肖特基二极管广泛应用于各种电力电子应用中，主要用二极管整流、电感续流、防反接等。但是肖特基二极管其较大正向压降及随温度增加急剧上升的反向漏电等问题导致其损耗显著增加，尤其在大电流的应用场景中更为显著。增加的损耗导致系统效率降低、散热设计难度增大、散热成本增加。

2、目前一种更优的方式是采用mosfet（场效应晶体管）来替代传统肖特基二极管，由于mosfet具有较低的导通电阻和极小的反向漏电流，配合适当的驱动及检测电路可以得到超低导通压降，可忽略不计的反向漏电的理想二极管产品，在大电流场景下能够极大地降低功率损耗。

3、目前常用的方案为理想二极管控制器与一颗低导通电阻的mosfet通过pcb板或其他电路方式完成电气连接从而实现理想二极管的功能，这种方式所使用的面积较大，同时增加部分pcb制板成本，还需要考虑低导通电阻mosfet的选型，增加了系统的设计工作量。另外，目前部分方案栅极电源需要专门的供电系统，导致整体系统复杂度较高。为简化系统设计，部分厂商提出了电荷泵驱动的理想二极管方案，但是该方案仍需在外围电路中使用电荷泵电容，导致实际使用不便。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有技术中理想二极管外围电路复杂、电荷泵电容外置导致占板面积大及可靠性不足的技术问题，本发明提供一种集成电荷泵电容的塑封贴片理想二极管，通过将理想二极管控制芯片、低导通电阻mosfet及电荷泵电容集成于同一to-263塑封贴片封装体内，并采用覆铜陶瓷板配合差异化键合工艺实现内部电气互联，从而在封装级实现完整的理想二极管功能，仅保留三个外部端口即可直接替代传统肖特基二极管。

2、本发明的技术方案：

3、一种集成电荷泵电容的塑封贴片理想二极管，包括框架，所述框架的侧边连接有与其一体结构的电极片ⅰ，电极片ⅰ的两旁分别设有电极片ⅱ和电极片ⅲ；陶瓷基座通过焊料设置在所述框架上，所述陶瓷基座上设有覆铜区域；mos管通过焊料与陶瓷基座并排设置在框架上，且mos管的漏极与陶瓷基座的底部共同与框架电气连接；控制芯片通过焊料设置在陶瓷基座上，控制芯片的cathode端、gnd端、gate端、anode端和vcape端分别通过金丝与相应的覆铜区域连接；电荷泵电容设置在陶瓷基座上，其两端分别与陶瓷基座上的两个覆铜区域连接；其中，所述覆铜区域通过金丝分别与电极片ⅰ、电极片ⅱ、电极片ⅲ及mos管的栅极电气连接；mos管的源极通过铝丝与电极片ⅱ连接；还包括塑封层，塑封层将框架以及电极片相邻于框架的一端包裹，形成塑封贴片封装结构。

4、所述框架采用铜框架主体，其侧边一体延伸出三个电极片，其中电极片ⅰ作为功率输出端out、电极片ⅱ作为功率输入端in、电极片ⅲ作为公共接地端gnd，该一体式铜框架结构不仅通过其低电阻率和高热导率为大电流功率传输提供低损耗通路和高效散热通道，而且通过塑封料包裹形成标准的to-263塑封贴片封装外形，使得器件可直接通过表面贴装技术装配于pcb上，相比于传统肖特基二极管的插件封装或现有理想二极管控制器方案的多芯片分散布局，显著降低了pcb占板面积和系统装配成本，同时铜框架的机械强度为内部芯片和陶瓷基座提供了稳固的支撑基础。

5、所述陶瓷基座采用覆铜陶瓷板结构，通过软焊料烧结固定于铜框架上，利用陶瓷材料的高绝缘强度和高热导率特性，在实现控制芯片与功率mos管之间电气隔离的同时，提供从芯片结到框架的高效散热路径；覆铜区域通过蚀刻工艺在陶瓷基座表面形成特定的底板电极ⅰ、底板电极ⅱ、底板电极ⅲ、控制芯片电极、底板电极ⅳ和底板电极ⅴ，其中底板电极ⅰ通过贯穿陶瓷基座的通孔与背面电极电气连接，从而构成三维立体布线网络，该覆铜陶瓷板结构将控制芯片的各功能端子通过短距离覆铜走线转接至不同端口，大幅缩短内部电气连接距离，使寄生电感和寄生电阻降至极低水平，进而提升器件的开关速度和功率密度，并降低高频开关损耗。

6、所述mos管通过软焊料与陶瓷基座并排烧结于框架上，且其漏极与陶瓷基座的底部通过同一焊料层共同连接至电极片ⅰ对应的框架区域，该并排布局使mos管漏极直接通过最短路径连接功率输出端out，功率回路中的导通电阻仅包含mos管导通电阻和极短的铝丝线阻，而控制芯片将连接源漏两侧的铝丝线阻纳入其闭环控制范围内，通过实时检测源漏电压差并动态调节栅极驱动电压，确保整体正向压降维持在超低水平，从而实现理想二极管功能；同时mos管与陶瓷基座并排设置优化了封装内部空间利用率，为电荷泵电容的集成预留了布局空间。

7、所述控制芯片通过软焊料烧结于陶瓷基座上的控制芯片电极区域，其cathode端通过直径18μm的金丝球焊连接至底板电极ⅰ，再经通孔电气连接至电极片ⅰ；gnd端通过金丝球焊连接至底板电极ⅳ，再经金丝连接至电极片ⅲ；gate端通过金丝球焊连接至底板电极ⅱ，再经金丝连接至mos管的栅极pad；anode端和en端通过金丝球焊连接至底板电极ⅴ，再经金丝连接至电极片ⅱ；vcape端通过金丝球焊连接至底板电极ⅲ。此处采用18μm细金丝球焊工艺传输控制信号，是因为控制回路工作电流极小，细金丝的低寄生电容和优良的高频特性确保了栅极驱动信号的完整性和快速响应能力，球焊工艺提供的球形焊点与芯片pad的接触面积大、应力分布均匀，有效避免了芯片表面铝垫的裂纹风险，提升了长期可靠性。

8、所述电荷泵电容通过软钎焊料直接焊接于陶瓷基座上的底板电极ⅲ和底板电极ⅴ之间，从而集成于封装内部，控制芯片内部的电荷泵电路通过vcape端和anode端）对电荷泵电容进行充放电，产生高于anode电压的升压栅极驱动电压，以充分导通外部n沟道mosfet；将电荷泵电容集成于封装内部，消除了系统级外置电容的需求，使应用电路仅需连接in、out、gnd三个端口即可实现理想二极管功能，极大降低了外围电路复杂度和pcb面积；同时，电荷泵电容通过软钎焊而非直接打线的方式连接至覆铜陶瓷板，避免了在电容金属端直接进行金丝键合可能导致的金属层剥离或裂纹风险，提高了电容连接的机械可靠性和热循环寿命。

9、所述mos管的源极通过直径380μm的粗铝丝楔焊工艺连接至电极片ⅱ，功率输入电流经铝丝流入mos源极，再经mos沟道流向漏极和out端。采用380μm粗铝丝是因为功率回路需承载数安培至数十安培的大电流，铝丝的大截面积提供了极低的寄生电阻，从而将功率路径的附加损耗降至最低；楔焊工艺通过超声波焊接将铝丝压扁形成楔形焊点，与芯片源极pad和框架电极片形成大面积金属间化合物连接，具有优异的电流承载能力和抗疲劳性能，且铝丝与芯片铝垫的热膨胀系数匹配性好，在功率循环过程中可有效降低热应力。

10、所述电极片ⅲ通过金丝及底板电极ⅳ与控制芯片的gnd端键合连接，并通过塑封料悬空固定在框架的一侧，该悬空结构利用塑封料的机械锚固作用将电极片ⅲ稳定保持于特定位置，无需额外的机械卡扣或铆接结构，简化了框架制造工艺，同时塑封料包裹电极片根部形成密封，防止潮气和污染物沿电极片侵入封装内部，提高了器件的环境适应性和长期可靠性。

11、本发明的有益效果：通过铜框架一体式电极片结构、覆铜陶瓷板三维布线、控制芯片金丝球焊、mos管粗铝丝楔焊、电荷泵电容内部软钎焊及to-263塑封贴片的协同设计，在封装级实现了控制器、功率mosfet和电荷泵电容的深度集成，使器件对外仅呈现in、out、gnd三个端口，内部则通过闭环控制将mos管源漏极间的正向压降调节至极低水平，并快速阻断反向电流，从而在降低导通损耗的同时，最大限度降低外围应用电路复杂度、减小系统占板面积、提高功率密度和器件易用性。