一种低寄生参数功率模块的封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及功率半导体器件的封装技术领域，特别涉及一种低寄生参数功率模块的封装结构。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，利用电力电子设备实现电能转换已成为电力领域的常见手段，近年来交通运输、航空航天、新能源等领域的飞速发展，也对现有的功率器件及变换器提出了更高的要求，如更高的功率密度，更高的效率，更小的电磁干扰(emi)。
3.实现高功率密度需要提高功率器件的开关频率，而高开关频率会带来更高的开关损耗与更高的emi。功率器件的开关性能与其封装结构密切相关：封装模块中的寄生电感会影响开关速度，从而影响开关损耗的大小，而寄生电容决定了模块开关过程中产生的emi的大小，因此优化功率开关管芯片的封装结构是提升其性能的重要途经。然而现有的大部分商用功率器件，寄生电感和寄生电容普遍偏大，以to247封装结构为例，其单个器件的寄生电感即大于10nh，正常使用环境下单个器件漏极对地电感可达30pf，这将使得功率器件在高速开关过程中产生较大的尖峰电流电压与震荡，并造成较大的emi问题。因此为了提高功率器件的高频化应用性能，必须设法降低封装结构中产生的寄生电容与寄生电感。
4.目前功率开关管芯片的封装结构主要有键合线结构，平板结构和混合结构。其中键合线结构的结构简单、可靠性高，但是单面的封装尺寸大，寄生电感大；平板结构寄生参数小、散热性好，但是工艺复杂、可靠性差；混合封装结构是由键合线结构、直接覆铜陶瓷基板技术的结合，具有前2者的优点。但目前的功率开关管芯片封装结构的设计都只考虑了寄生电感，而忽略了寄生电容，因此需要一种新的封装结构，在保持低寄生电感的同时实现尽可能小的寄生电容，且结构简单可靠易于加工制造。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种低寄生参数功率模块的封装结构，可在保持低寄生电感的同时实现尽可能小的寄生电容，且结构简单可靠易于加工制造。
6.本实用新型提供一种低寄生参数功率模块的封装结构，包括：
7.pcb板，所述pcb板内置功率电路，所述pcb板包括上下设置且相互电气连接的上层pcb板和下层pcb板，位于所述上层pcb板和下层pcb板中的功率电路具有相反的电流流向；
8.覆铜基板，包括绝缘导热层和覆在绝缘导热层上表面的dbc铜层，所述pcb板覆在dbc铜层上表面，一功率开关管芯片固定于所述dbc铜层；
9.所述功率开关管芯片与所述上层pcb板和所述下层pcb板中的功率电路依次连接构成功率回路。
10.进一步地，所述上层pcb板上设有驱动电路，所述功率开关管芯片的功率输出端通过功率键合线连接所述上层pcb板的功率电路，所述驱动电路通过驱动键合线连接所述功率开关管芯片的驱动端以驱动开启或者关闭所述功率开关管芯片，所述功率键合线与所述
驱动键合线相互垂直。
11.进一步地，所述功率开关管芯片包括串联连接的上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片；
12.所述驱动电路通过多条驱动键合线连接所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片的源极和栅极以分别控制开关所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片开关；
13.外界输入电源通过所述pcb板上的输入端子连接所述上桥臂开关管芯片的漏极，所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片的源极均为功率输出端，所述上桥臂开关管芯片的源极通过对应的功率键合线连接所述上层pcb板，所述上层pcb板通过所述下层pcb板连接所述下桥臂开关管芯片的漏极，所述下桥臂开关管芯片的源极通过对应的功率键合线和功率电路连接所述pcb板上的输出端子对外输出功率。
14.进一步地，所述上层pcb板上表面覆有上层pcb板正极、上层pcb板负极和上层pcb板输出极；所述下层pcb板上表面覆有下层pcb板正极、下层pcb板负极和下层pcb板输出极；所述dbc铜层包括dbc正极、dbc负极和dbc输出极；
15.所述上桥臂开关管芯片的漏极与所述上层pcb板正极、下层pcb板正极和dbc正极电气连接，所述下桥臂开关管芯片的漏极与所述上层pcb板输出极、下层pcb板输出极和dbc输出极电气连接，所述上层pcb板负极和下层pcb板负极电气连接；所述上层pcb板正极连接输入端子，所述下层pcb板负极和下层pcb板输出极均连接有输出端子；
16.所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片均开启时，输入端子上的电流从上层pcb板正极依次流入下层pcb板正极、dbc正极、所述上桥臂开关管芯片的漏极、所述上桥臂开关管芯片的源极、上层pcb板输出极、下层pcb板输出极、dbc输出极、所述下桥臂开关管芯片的漏极、所述下桥臂开关管芯片的源极、上层pcb板负极、下层pcb板负极，并从所述输出端子输出。
17.进一步地，所述pcb板上具有若干上下贯穿的通孔，所述通孔内设电气连接件，所述上桥臂开关管芯片的漏极与所述上层pcb板正极、下层pcb板正极和dbc正极通过对应通孔中的电气连接件电气连接，所述下桥臂开关管芯片的漏极与所述上层pcb板输出极、下层pcb板输出极和dbc输出极通过对应通孔中的电气连接件电气连接，所述上层pcb板负极和下层pcb板负极通过对应通孔中的电气连接件电气连接，所有通孔均为竖直孔；
18.所述pcb板上还开设有上下贯穿所述上层pcb板和下层pcb板的镂空窗，所述功率开关管芯片显露于所述镂空窗，所述镂空窗有两个，分别显露所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片，所述功率键合线和所述驱动键合线连接所述功率开关管芯片与所述pcb板时均穿过对应的镂空窗。
19.进一步地，所述功率开关管芯片还包括二肖特基二极管芯片，所述上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片分别与一肖特基二极管芯片反并联连接。
20.进一步地，所述上桥臂开关管芯片的漏极和对应的肖特基二极管芯片的阴极均焊接于所述dbc正极，所述上桥臂开关管芯片的源极和对应的肖特基二极管芯片的阳极均通过对应的功率键合线连接所述上层pcb板输出极；所述下桥臂开关管芯片的漏极和对应的肖特基二极管芯片的阴极均焊接于所述dbc输出极，所述下桥臂开关管芯片的源极和对应的肖特基二极管芯片的阳极均通过对应的功率键合线连接所述上层pcb板负极。
21.进一步地，所述上层pcb板上表面还覆有上桥臂mos管源极铜层、上桥臂mos管栅极
铜层、下桥臂mos管源极铜层、下桥臂mos管栅极铜层，所述上桥臂mos管源极铜层、上桥臂mos管栅极铜层、下桥臂mos管源极铜层、下桥臂mos管栅极铜层为驱动电路的四个连接端；
22.所述上桥臂开关管芯片的栅极通过一驱动键合线与上桥臂mos管栅极铜层连接，所述上桥臂开关管芯片的管源极通过一驱动键合线与上桥臂mos管源极铜层铜层连接，下桥臂开关管芯片的栅极通过一驱动键合线与下桥臂mos管栅极铜层连接，下桥臂开关管芯片的源极通过一驱动键合线与下桥臂mos管源极铜层连接。
23.进一步地，所述封装结构还包括外壳，所述外壳底部敞开，且底部扣在所述上层pcb上表面，所述外壳的顶部设有用于向内灌注灌封胶的灌封孔，所有驱动键合线和所有功率键合线被灌封胶浸没；
24.所述覆铜基板还包括托底铜层，所述绝缘导热层夹在所述托底铜层和dbc铜层之间，所述托底铜层为散热层，所述绝缘导热层为氮化铝陶瓷层；
25.所述dbc负极为框型结构，所述dbc正极和dbc输出极均为片型结构且均位于所述框型结构的框内，所述dbc正极、dbc负极和dbc输出极之间的间距大于功率开关管芯片最大工作电压对应的电气绝缘距离；所述下层pcb板通过焊接的方式固定于所述dbc铜层，所述dbc铜层上用于与所述下层pcb板焊接的区间包括整个所述dbc负极、所述dbc正极的左侧和所述dbc输出极的左侧；
26.所述上层pcb板正极、上层pcb板负极均为片型结构，所述上层pcb板输出极为框型结构，所述pcb板上显露所述下桥臂开关管芯片的镂空窗为下桥镂空窗，显露所述上桥臂开关管芯片的镂空窗为上桥镂空窗，所述下桥镂空窗位于所述上层pcb板输出极的框内，所述上层pcb板正极覆在所述上桥镂空窗左侧的上层pcb板上表面，所述上层pcb板负极覆在所述下桥镂空窗右侧的上层pcb板上表面，且位于所述上层pcb板输出极的框内；
27.所述下层pcb板正极、下层pcb板输出极均为片型结构，所述下层pcb板负极为框型结构，所述上桥镂空窗和下桥镂空窗均位于所述下层pcb板负极的框内，所述下层pcb板正极覆在所述上桥镂空窗左侧的层pcb板的上表面且位于所述下层pcb板负极的框内，所述下层pcb板输出极覆在所述上桥镂空窗和下桥镂空窗之间的下层pcb板的上表面。
28.本实用新型的技术效果：
29.(1)采用双层pcb板结构，利用上层pcb板和下层pcb板中的铜层的屏蔽效应，可以有效减小上桥臂开关管芯片和下桥臂开关管芯片能够半桥电路中点铜层(即dbc输出极)的对地面积，从而减小了寄生电容，可以有效地减小功率模块工作中产生的共模电磁干扰；
30.(2)充分利用了双层pcb板的灵活性，使位于所述上层pcb板和下层pcb板中的功率电路具有相反的电流流向，从而利用互感抵消技术进一步减小了换流回路的寄生电感，有效地减小了开关过程中的震荡与过电压；
31.(3)所述功率键合线与所述驱动键合线相互垂直，从而可有效降低驱动电路与功率电路的耦合，从而降低所述功率模块在开关的过程中存在的串扰问题；
32.(4)本实用新型所述的功率开关管芯片的封装结构的功率端子与信号端子等设于pcb板上，可直接外延与外部电路互联，具有良好的可扩展性，且可减小功率引线引入的寄生电感与接触电阻，同时降低成本。
附图说明
33.图1是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的整体剖视图；
34.图2是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的覆铜基板的示意图；
35.图3是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的上层pcb板的示意图；
36.图4是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的下层pcb板的示意图；
37.图5是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的半桥电路的原理图；
38.图6是本实用新型一种低寄生参数功率模块的封装结构的覆铜基板和pcb半连接的示意图；
39.图7是图6的俯视图；
40.图8是一种低寄生参数功率模块的封装方法流程图；
41.图中：1覆铜基板；2pcb板；3外壳；4灌封胶；5上桥臂开关管芯片；6、8肖特基二极管芯片；7下桥臂开关管芯片；9dbc正极；10dbc输出极；11dbc负极；12绝缘导热层；13托底铜层；14上层pcb板正极；15上层pcb板输出极；16上层pcb板负极；17上桥镂空窗；18下桥镂空窗；19上桥臂mos管栅极铜层；20上桥臂mos管源极铜层；21下桥臂mos管栅极铜层；22下桥臂mos管源极铜层；23～25通孔；26驱动键合线；27功率键合线；28灌封孔；29下层pcb板正极；30下层pcb板输出极；31下层pcb板负极。
具体实施方式
42.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
43.请参照图1至图7，本实用新型提供一种低寄生参数功率模块的封装结构，主要包括：pcb板2、覆铜基板1和功率开关管芯片，所述pcb板2内置功率电路，所述pcb板2包括上下设置且相互电气连接的上层pcb板和下层pcb板，位于所述上层pcb板和下层pcb板中的功率电路具有相反的电流流向，包括绝缘导热层12和覆在绝缘导热层上表面的dbc铜层，所述pcb板2覆在dbc铜层上表面，所述功率开关管芯片与所述上层pcb板和所述下层pcb板中的功率电路依次连接构成功率回路。该功率回路中，上层pcb板中的电流走向与所述下层pcb板中电流走向的方向相反，从而在回路开关时所述上层pcb板和下层pcb板中电流变化产生的磁场可相互抵消，从而能够有效降低换流回路的寄生电感，并且能够有效减小了开关过程中的震荡与过电压。
44.所述上层pcb板2上设有驱动电路，所述功率开关管芯片的功率输出端通过功率键合线27连接所述上层pcb板的功率电路，所述驱动电路通过驱动键合线26连接所述功率开关管芯片的驱动端以驱动开启或者关闭所述功率开关管芯片，所述功率键合线27与所述驱动键合线26相互垂直，从而可有效降低驱动电路与功率电路的耦合，从而降低所述功率模块在开关的过程中存在的串扰问题。具体地，所述pcb板2上还开设有上下贯穿所述上层pcb板和下层pcb板的镂空窗，所述功率开关管芯片显露于所述镂空窗，所述功率键合线27和所述驱动键合线26连接所述功率开关管芯片与所述pcb板2时均穿过对应的镂空窗，即通过所述镂空窗，可有效缩短所述功率键合线27和所述驱动键合线26所需的长度，同时避免在连接的过程中绕线，使连接直观，方便连接的实现。且在驱动电路与驱动端构成的驱动回路中，采用的连接方式为kelvin连接方式，可以进一步消除共源电感。
45.所述功率开关管芯片包括串联连接的上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7，所述镂空窗有两个，分别显露所述上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7。所述镂空窗的尺寸与拟封装的功率开关管芯片尺寸匹配。
46.所述驱动电路通过多条驱动键合线26连接所述上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7的源极和栅极以分别控制开关所述上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片开关7。
47.所述上层pcb板上表面覆有上层pcb板正极14、上层pcb板负极16和上层pcb板输出极15，所述下层pcb板上表面覆有下层pcb板正极29、下层pcb板负极31和下层pcb板输出极30，所述dbc铜层包括dbc正极9、dbc负极11和dbc输出极10。所述上桥臂开关管芯片5的漏极与所述上层pcb板正极14、下层pcb板正极29和dbc正极9电气连接，所述下桥臂开关管芯片7的漏极与所述上层pcb板输出极15、下层pcb板输出极30和dbc输出极10电气连接，所述上层pcb板负极16和下层pcb板负极31电气连接。
48.采用双层pcb板结构，利用上层pcb板和下层pcb板中的铜层的屏蔽效应，可以有效减小上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7能够半桥电路中点铜层(即dbc输出极)的对地面积，从而减小了寄生电容，可以有效地减小功率模块工作中产生的共模电磁干扰。
49.所述上层pcb板正极14连接输入端子，所述下层pcb板负极31和下层pcb板输出极30均连接有输出端子，本实用新型所述的功率开关管芯片的封装结构的功率端子与信号端子等设于pcb板2上，可直接外延与外部电路互联，具有良好的可扩展性，且可减小功率引线引入的寄生电感与接触电阻，同时降低成本。
50.所述上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7均开启时，外界输入电源输给输入端子上的电流从上层pcb板正极14依次流入下层pcb板正极29、dbc正极9、所述上桥臂开关管芯片5的漏极、所述上桥臂开关管芯片5的源极、上层pcb板输出极15、下层pcb板输出极30、dbc输出极10、所述下桥臂开关管芯片7的漏极、所述下桥臂开关管芯片7的源极、上层pcb板负极16、下层pcb板负极31，并从所述输出端子输出。本实施例中，所述上层pcb板正极14连接输入端子，所述下层pcb板负极31和下层pcb板输出极30均连接有输出端子。
51.所述pcb板2上具有若干上下贯穿的通孔23～25，所述通孔23～25内设电气连接件，所述上桥臂开关管芯片5的漏极与所述上层pcb板正极14、下层pcb板正极29和dbc正极9通过对应通孔23～25中的电气连接件电气连接，所述下桥臂开关管芯片7的漏极与所述上层pcb板输出极15、下层pcb板输出极30和dbc输出极10通过对应通孔23～25中的电气连接件电气连接，所述上层pcb板负极16和下层pcb板负极31通过对应通孔23～25中的电气连接件电气连接，所有通孔23～25均为竖直孔。
52.所述功率开关管芯片还包括二肖特基二极管芯片6、8，所述上桥臂开关管芯片5和下桥臂开关管芯片7分别与一肖特基二极管芯片6、8反并联连接。优选：所述上桥臂开关管芯片5的漏极和对应的肖特基二极管芯片6、8的阴极均焊接(此处采用sn96.5/ag3.0/cu0.5高温焊料进行焊接)于所述dbc正极9，所述上桥臂开关管芯片5的源极和对应的肖特基二极管芯片6、8的阳极均通过对应的功率键合线27连接所述上层pcb板输出极15；所述下桥臂开关管芯片7的漏极和对应的肖特基二极管芯片6、8的阴极均焊接(此处采用sn96.5/ag3.0/cu0.5高温焊料进行焊接)于所述dbc输出极10，所述下桥臂开关管芯片7的源极和对应的肖特基二极管芯片6、8的阳极均通过对应的功率键合线27连接所述上层pcb板负极16。
53.所述上层pcb板上表面还覆有上桥臂mos管源极铜层20、上桥臂mos管栅极铜层19、下桥臂mos管源极铜层22、下桥臂mos管栅极铜层21，所述上桥臂mos管源极铜层20、上桥臂mos管栅极铜层19、下桥臂mos管源极铜层22、下桥臂mos管栅极铜层21为驱动电路的四个连接端。
54.所述上桥臂开关管芯片5的栅极通过一驱动键合线26与上桥臂mos管栅极铜层19连接，所述上桥臂开关管芯片5的管源极通过一驱动键合线26与上桥臂mos管源极铜层铜层20连接，下桥臂开关管芯片7的栅极通过一驱动键合线26与下桥臂mos管栅极铜层21连接，下桥臂开关管芯片7的源极通过一驱动键合线26与下桥臂mos管源极铜层22连接。即本实施中，共有4根驱动键合线26，8根功率键合线27。
55.所述封装结构还包括外壳3，所述外壳3底部敞开，扣在所述pcb板2上，用于保护内部结构，具体地，所述外壳3通过粘接的方式固定在上层pcb上。所述外壳3的顶部设有用于向内灌注灌封胶4的灌封孔28，优选所述灌封孔28的孔径为2mm
‑
4mm，灌封胶4通过灌封孔28向外壳3与pcb板2之间的空间进行灌注，本实施中所述的灌封胶4为工作温度超过200摄氏度的硅凝胶，灌封胶4高度以将所有键合线浸没为准。
56.所述覆铜基板1共三层，上层为所述dbc铜层，下层为托底铜层13，所述托底铜层13和所述dbc铜层采用的铜为高导无氧铜，所述覆铜基板1的中间层为所述绝缘导热层12，所述绝缘导热12层由氮化铝陶瓷制成，所述绝缘导热层12用于支撑所述dbc铜层，本实施例选用氮化铝陶瓷制作所述绝缘导热层12的目的在于提高导热性能，以高效的将功率模块产生的热导入所述托底铜层13进行散热。
57.所述dbc负极11为框型结构，所述dbc正极9和dbc输出极10均为片型结构且均位于所述框型结构的框内，所述dbc正极9、dbc负极11和dbc输出极10之间的间距大于功率开关管芯片最大工作电压对应的电气绝缘距离，在数百伏的工作电压场合，绝缘间距不应小于1mm，本实施例中，dbc正极9与dbc输出极10铜层之间的间距为3mm，dbc正极9与dbc输出极10与dbc负极11铜层之间的绝缘间距为1mm。
58.所述下层pcb板通过焊接的方式固定于所述dbc铜层，所述dbc铜层上用于与所述下层pcb板焊接的区间包括整个所述dbc负极11、所述dbc正极9的左侧和所述dbc输出极10的左侧。
59.所述上层pcb板正极14、上层pcb板负极16均为片型结构，所述上层pcb板输出极15为框型结构，所述pcb板2上显露所述下桥臂开关管芯片7的镂空窗为下桥镂空窗18，显露所述上桥臂开关管芯片5的镂空窗为上桥镂空窗17，所述下桥镂空窗18位于所述上层pcb板输出极15的框内，所述上层pcb板正极14覆在所述上桥镂空窗17左侧的上层pcb板上表面，所述上层pcb板负极16覆在所述下桥镂空窗18右侧的上层pcb板上表面，且位于所述上层pcb板输出极15的框内。
60.所述下层pcb板正极29、下层pcb板输出极30均为片型结构，所述下层pcb板负极31为框型结构，所述上桥镂空窗17和下桥镂空窗18均位于所述下层pcb板负极31的框内，所述下层pcb板正极29覆在所述上桥镂空窗17左侧的下层pcb板的上表面且位于所述下层pcb板负极31的框内，所述下层pcb板输出极30覆在所述上桥镂空窗17和下桥镂空窗18之间的下层pcb板的上表面。
61.所述功率开关管芯片可以是硅mosfet芯片、igbt芯片、碳化硅mosfet芯片或氮化
镓mosfet芯片等；优先选择碳化硅mosfet芯片，以实现更高的开关速度和降低工作温度。所述肖特基二极管芯片6、8可以采用硅sbd芯片或碳化硅sbd芯片；优先选择碳化硅sbd芯片。
62.请参照图8，本实用新型还提供了封装上述低寄生参数功率模块的封装结构的封装方式，包括如下步骤：
63.s1：制造覆铜基板1和pcb板2：
64.根据拟封装的功率开关管芯片制备覆铜基板1和pcb板2，采用刻蚀的方式将dbc铜层分成dbc正极9、dbc负极11和dbc输出极10三部分。
65.所述dbc正极9和dbc输出极10铜层与功率开关管芯片尺寸匹配并尽可能小；所述镂空窗的数量为2，窗口尺寸与拟封装的率开关管芯片尺寸匹配。
66.在所述覆铜基板1上贴装芯片和焊接pcb板2之前，还应包括如下工艺流程：采用超声波清洗与化学清洗的方法清除dbc铜层和pcb板2表面的颗粒物质和离子杂质。
67.s2：将所述pcb板2焊接在所述dbc铜层上：
68.根据dbc铜层的结构特征制造钢网，将高温焊料sn96.5/ag3.0/cu0.5通过丝网印刷印在dbc铜层的焊接面上。
69.s3：接装所述功率开关管芯片：
70.采用真空回流焊技术将功率开关管芯片、二极管芯片与dbc铜层进行焊接，采用键合线连接将功率开关管芯片、二极管芯片于所述pcb板电气连接，键合线的数量和粗细可以根据芯片电极的面积和所通过电流的大小而选取，在此不做具体限定。
71.s4：将外壳3固定于所述pcb板2，通过所述外壳3上的灌封孔28向内注入灌封胶4，直至灌封胶4浸没所有驱动键合线26和所有功率键合线27。
72.所述外壳3由树脂材料制成，能够完全包围功率模块封装结构的内部结构，所述硅凝胶采用点胶法灌入所述外壳3中，灌封后抽真空15分钟排出气泡，随后静置24小时，等待硅凝胶固化。
73.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
74.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。