一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构

1.本实用新型涉及纳秒脉冲发生器领域，具体是一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构。


背景技术：

2.开关的性能是纳秒脉冲发生器研制过程中其核心作用的部件。现有商用开关多应用于常规电力电子应用，在寄生电感控制和动态性能优化方面难以与与日俱增的纳秒脉冲发生器需求相适应。而纳秒脉冲的产生使得开关承受着瞬态变化的高电压、电流应力，同时由于告诉变化的电压电流一起的瞬态电磁场也对开关作用下产生的脉冲特性产生巨大影响。因此，研制一款具有极低寄生电感并且可以提升动态性能发开关成为提升纳秒脉冲发生器性能的最为迫切的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构，包括顶板、开关裸片、介质板、焊盘基板。
4.所述顶板包括散热陶瓷基板和散热铜皮基板。所述散热铜皮基板分别覆盖于散热陶瓷基板的上表面和下表面。
5.所述顶板包括顶板漏极焊盘、顶板栅极焊盘和顶板源极焊盘。所述顶板栅极焊盘和顶板源极焊盘之间填充有阻焊层。
6.所述开关裸片漏极焊接在顶板漏极焊盘上。
7.所述开关裸片栅极和源极上布置有金球阵列。
8.所述开关裸片漏极引线通过焊盘基板引出，源极引线通过连接过孔与顶板连接，从而令源极引线与漏极母线实现上下层对称输出。
9.所述开关裸片所在区域的矢量方向为同心圆分布，左右两侧分别呈逆时针和顺时针反向布置。
10.所述介质板的一个表面与顶板焊接，另一个表面和焊盘基板焊接。
11.所述介质板上开设有若干连接过孔。
12.所述焊盘基板的栅极、源极采用开尔文栅极、源极连接的布线设计。
13.所述焊盘基板具有引脚。
14.封装结构还包括用于焊接开关裸片漏极与顶板漏极焊盘、介质板与顶板、介质板与焊盘基板的锡膏。
15.封装结构还包括用于填充开关裸片和介质板之间缝隙的硅凝胶。
16.本实用新型的技术效果是毋庸置疑的，本实用新型提出了将印制电路板多层堆叠和开关晶圆裸片层叠封装的方法。
17.本实用新型提出并验证了基于金球阵列的异种金属焊接和温度梯度焊接封装工艺。
18.本实用新型提出并验证了板级开关封装及其引脚设计装置，实验结果证明该装置可有效开关寄生电感并改善开关动态特性。
附图说明
19.图1为极低寄生电感层叠结构内部示意图；
20.图中：开关裸片2、锡膏3、介质板4、焊盘基板5、散热陶瓷基板11、散热铜皮基板12、连接过孔42、引脚6、介质板铜皮层41、金球阵列7、功率电流方向a。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。
22.实施例1：
23.参见图1，一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构，包括顶板、开关裸片2、介质板4、焊盘基板5。
24.所述顶板包括散热陶瓷基板11和散热铜皮基板12。所述散热铜皮基板12分别覆盖于散热陶瓷基板11的上表面和下表面。
25.所述顶板包括顶板漏极焊盘、顶板栅极焊盘和顶板源极焊盘。所述顶板栅极焊盘和顶板源极焊盘之间填充有阻焊层。
26.所述开关裸片2漏极焊接在顶板漏极焊盘上。
27.所述开关裸片2栅极和源极上布置有金球阵列7。
28.所述开关裸片2漏极引线通过焊盘基板5引出，源极引线通过连接过孔与顶板连接，从而令源极引线与漏极母线实现上下层对称输出。
29.所述开关裸片2所在区域的矢量方向为同心圆分布，左右两侧分别呈逆时针和顺时针反向布置。
30.所述介质板4的一个表面与顶板焊接，另一个表面和焊盘基板5 焊接。
31.所述介质板4上开设有若干连接过孔42。
32.所述介质板4的外表面为介质板铜皮层41。
33.所述焊盘基板5的栅极、源极采用开尔文栅极、源极连接的布线设计。
34.所述焊盘基板5具有引脚6。
35.封装结构还包括用于焊接开关裸片2漏极与顶板漏极焊盘、介质板4与顶板、介质板4与焊盘基板5的锡膏3。
36.封装结构还包括用于填充开关裸片2和介质板4之间缝隙的硅凝胶。
37.利用降低开关寄生电感和提升动态性能的封装方法制得的封装结构的功率电流方向沿a所指箭头方向。
38.实施例2：
39.一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构的过程如下：
40.在顶板漏极焊盘上印刷焊料。
41.将开关裸片2漏极焊接在顶板漏极焊盘上。利用锡膏3将开关裸片2漏极焊接在顶
板漏极焊盘上。所述开关裸片2包括gan开关裸片、si开关裸片、sic开关裸片、sicmosfet晶圆等。
42.在开关裸片2源极和栅极位置进行金球阵列7键合。利用金丝键合机分别在开关裸片2源极和栅极上布置金球阵列。
43.在介质板4上印刷焊料。
44.将介质板4与顶板焊接。利用锡膏3将介质板4与顶板焊接。所述介质板4包括pcb板、陶瓷基板等基板。
45.对开关裸片2和介质板4之间的缝隙进行填充。
46.用于开关裸片2和介质板4之间缝隙填充的材料包括硅凝胶。
47.在顶板栅极焊盘和顶板源极焊盘之间填充阻焊层。
48.在焊盘基板5上印刷焊料。
49.将介质板4和焊盘基板5焊接。利用锡膏3将介质板4与焊盘基板5焊接。
50.焊接方法包括回流焊工艺。
51.实施例3：
52.一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构的封装过程如下：
53.所提结构从顶板开始封装，现在顶板漏极焊盘上印刷焊料。将开关裸片漏极通过锡膏焊接在顶板上。在已有过程件上进行金球阵列键合。金球直径为38μm，利用金丝键合机分别在晶圆两个源极和栅极上布置金球阵列，阵列中金球数量与焊盘大小直接相关，布置原则是尽可能布置交为密集的金球。将中间层与顶板有效焊接结合。但由于加工工艺限制以及电磁场仿真中强场分布区域定位，需要在晶圆和中间层缝隙中填充硅凝胶，这个缝隙填充不仅起到加固作用也可以有效抑制由于强场畸变引起的空气击穿。同时由于源极和栅极之间通过倒装方式连接，相比于使用铝丝键合线外拉连接，对外连接焊盘的间隙直接降低至最小值，由于焊料为锡膏不可避免会引起部分爬锡或在非焊接区形成锡球和锡珠，从上节电磁场仿真可知晶圆区域是整个封装磁场强度最强且畸变最为剧烈的位置，在缝隙中填充硅凝胶，栅源焊盘位置也应当具有一定阻焊层设计。因此，便在栅源极之间填充少量阻焊层。进行焊盘基板焊接。
54.实施例4：
55.一种降低开关寄生电感和提升动态性能的封装结构，主要结构见实施例3，其中，该封装结构的源极连接采用开尔文源极连接。
56.开尔文连接的核心是通过有意设计低功率回路与高功率回路寄生差异以尽可能降低高功率回路对低功率的耦合影响，进而使高功率回路和低功率回路相互独立提供驱动效率提高低功率回路的抗干扰能力。因此，本实施例在层叠封装结构设计中开展了开尔文连接设计。得益于pcb设计和加工上的适应性和简洁性。
57.本实施例将晶圆芯片与栅极驱动负输入引脚连接的源极部分定义为l
s.gate
，与栅极驱动正输入引脚连接的栅极部分定义为l
g.gate
。将所提焊盘基板电路导入ansysq3d，得到如表1所示数据。因此，所提层叠封装结构在保持高功率回路寄生电感小于1nh的前提下，通过开尔文栅极-源连接方式改变了高、低功率回路寄生电感差异，提升了开关动态性能。
58.表1焊盘基板栅极驱动栅源引脚寄生电感提取参数
[0059][0060]
实施例5：
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降低开关寄生电感和提升动态性能的封装方法及封装结构的电磁场仿真实验，内容如下：
[0062]
本实施例所提极低寄生电感层叠封装具有极低寄生电感、开尔文源极连接、倒装焊盘、结构紧凑等优势，整体尺寸仅为 10mm*10mm*0.8mm。而纳秒短脉冲发生器应用环境中多追求更快的电压、电流上升时间，而此时开关内部除了由于高速di/dt和du/dt 引起的电参数畸变外还曾受着剧烈变换的电磁场。电磁场的分布和发射不仅与发射源强度有关还会由于结构设计差异存在天壤之别，剧烈的电磁场变化不仅会制约开关本身的动态特性还会对外围电路的正常运行产生巨大影响，因此在纳秒短脉冲发生器中应用的开关封装需要进行使用工况下的瞬态电磁场仿真。本节使用电磁仿真软件ansys electronics desktop研究所提封装的瞬态场分布特性。
[0063]
得益于ansys electronics desktop的高度集成平台优势，本实施例可以将solidworks中的三维封装模型直接导入maxwell3d和 q3dextractor得到与实际封装一致的电磁场仿真几何模型。本实施例知道电磁场是一个辐射场，不仅分布在封装上，在空间结构上也有场分布。此外，为了更加真实的反映脉冲形成情况，在激励设置上本实施例利用ansys electronics的波形定义功能，设置了脉冲宽度为100ns，脉冲上升、下降时间均为3ns(10％～90％)的脉冲电流作为激励，其中脉冲电流幅值为90a(所提开关手册中的极限脉冲电流为90a)。
[0064]
首先可以明确，所提封装中磁场分布是不均匀但对称的，脉冲上升和下降时间和磁场的建立和消退一致。激励脉冲的上升时间和下降时间均为3ns，因此从0ns到5ns可以看到磁场强度在空间上不断扩散，作用强度不断增大，而且随着作用范围扩大逐渐减小。在 50ns的脉冲平顶阶段，可以看到封装输出引脚区域及其垂直往下区域是磁场强度的集中区域，在sicmosfet晶圆布置区域呈最强分布。因此在功率回路和驱动回路设计中要避开该磁场集中区域以避免突变磁场对低电压电路的空间干扰。而且在晶圆边沿需要额外增加绝缘措施以避免由于极不均匀场畸变引起的绝缘失效。从95ns到 100ns是脉冲下降阶段，磁场强度逐渐降低。以晶圆为中心左右两边的磁场为对称分布，两者等效增加和减少。因此在指导封装工艺方面应尤其注意开关源极对外回路走线的布置。
[0065]
通过磁场的强度分析，可以得到脉冲形成过程所提封装的磁场分布规律，功率回路通过结构设计使得电流方向在有限空间内反方向设计可以有效提升负互感降低回路寄生电感进而提升脉冲动态特性。因此，本实施例分析了所提层叠封装的磁场矢量分布，晶圆区域的矢量方向为同心圆分布，左右两侧分别呈逆时针和顺时针反向布置。但所提封装安装在实际电路中时，主回路的走线设计可以直接通过焊盘底层实现功率回路输出。并且两侧磁场强度远小于中间侧，主要强度仅在sicmosfet晶圆部位集中，因此可以通过焊盘所在top层引出漏极走线，源极通过pcb过孔直接bottom层与漏极母线上下层对称输出，最终降低布线难度和为功率寄生电感降低提供便利。
[0066]
最后电流密度分布也对外围电路设计存在直接影响，当高功率回路的电流密度集中区域靠近低功率回路时，不可避免的会对低功率回路的信号传递产生致命影响。本实施例可以发现所提封装的电流密度主要分布在高功率回路的引脚区域，而栅极信号分布的低功率区域分布很小。
[0067]
实施例6：
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降低开关寄生电感和提升动态性能的封装方法及封装结构的热管理分析实验，内容如下：
[0069]
使用ansysicepak热仿真软件对所提层叠封装进行热特性仿真研究。首先，将仿真工况定义为开关额定电流(36a)，连续高重复频率(5mhz)，固定脉冲宽度(100ns)，其稳定运行状态的输出功率为 42.12w，将其设定为功率热源，并且添加于sicmsofet晶圆。 ansysicepak中的仿真参数设置如表2。
[0070]
表2热仿真设置参数
[0071][0072]
首先讨论自然冷却模式，开关被固定于pcb基板上， sicmosfet晶圆作为热源向外传递热量。仿真类型为稳态热场仿真，即设定1000秒的仿真时长，仿真步长为1秒，经过仿真计算后可以得到结温度tj＝180℃；封装壳温度ta＝170℃；pcb基板中心温度 t
pcb
＝175℃。整个开关处于169℃～180℃之间，此时开关已经无法正常运行，整个pcb基板区域温度均超过155℃。芯片晶圆垂直区域温度最高，平均达到了178℃以上。虽然仅存在自然冷却作为唯一热传递途径，但连续运行1000s后，开关晶圆温度仅为65℃，此时在适当空气对流条件发生器可以直接运行而无需外接散热装置。
[0073]
前文介绍表明，风冷散热难以满足高重复频率脉冲发生器对结构紧凑的设局需求，而自然对流散热难以达到足够快速的冷却速度和热量传递。液冷装置在垂直空间13mm内完成高速高功率热量传递。
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纳秒脉冲发生器在相当一部分应用中为猝发运行模式，虽然输出脉冲的频率依旧很高但未有限个数，此时整体脉冲发生器运行频率远低于输出脉冲重复频率。在这种模式下，经过仿真计算后可以得到结温度tj＝34℃；封装壳温度ta＝33℃；pcb基板中心温度 t
pcb
＝34℃，连续运行1000s后，温度稳定在34℃左右。通过以上仿真结果可以得到结论，本实施例所提极低寄生电感混合封装结构在较低频率50khz和猝发运行模式下可以依靠自然散热或简单空气对流实现稳定运行。而在5mhz重复频率运行时，需要依靠强制液冷装置才能稳定运行。
[0075]
实施例7：
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降低开关寄生电感和提升动态性能的封装方法及封装结构的验证实验，内容如下：
[0077]
本实施例全面评估了额定电流和极限脉冲电流条件下所提层叠封装pop和所提晶圆商用低寄生电感封装to-263的动态特性差异。为了控制恒定电流比较，本实施例通过固定充电时间调节充电电压实现恒定电流比较。重点关注栅极-源极电压u
gs
，漏极-源极电压u
ds
，回路电流id以及开关开通关断损耗p
loss
的对比分析来综合评估所提 pop封装的动态优势。
[0078]
进一步的对比评估结果如表3所示，可以看到两种封装的开关在电压开通关断时间没有明显差异，pop封装就电压开通和关断时间仅略优于to-263封装，这是由于自制超快栅极驱动gan_e-driver 强大的驱动能力已经将所提开关的开通关断速度接近于极限。但在回路电流改善方面，得益于pop极低的回路寄生电感，pop在电流上升速度上提升了32.7％，电流下降速度上提升了71.4％。这个优势在开关损耗上得到了直接体现，pop的是开通损耗13.5％，关断损耗降低了33.7％。同时此时母线电压已经达到950v已经接近开关极限电压1000v，此时的开关特性对追求高功率密度的脉冲发生器设计具有较强的指导意义。
[0079]
表3额定电流36a时to-263与pop封装的参数对比
[0080][0081][0082]
额定电流具有一定的指导意义，但更高功率密度无疑对开关在大电流条件下的动态特性提出更高要求，由于pop将封装的寄生电感进行了极简设计，极低寄生电感的层叠封装结果在大电流条件应当具有更为突出的优势。pop封装由于集成开尔文源极连接以及栅极回路特殊寄生电感设计，在极限电流条件下不仅表现出更快的u
gs
上升时间和更短开关米勒平台持续时间，而且在开关关断后没有表现出严重的电压振荡。相比于额定电流条件下的开关损耗，更大电流时pop具有负方向的功率，这是由于功率回路中的lc网络以及 pop对di/dt的改善，形成了能量转换过程的负向功率。本实施例在计算开关损耗时将负向功率进行取绝对值累加。
[0083]
表4详细对比极限脉冲电流条件下to-263和pop的动态特性对比评估结果。此时，pop依旧能够维持较快的电压开通、关断速度并且始终略优于to-263。在回路电流速度方面，pop提升了48％的电流开通速度以及提升了50％的电流关断速度，可以说在极限电流条件下pop相比于to-263具有更为优异的动态特性，可以在脉冲功率等高功率密度需求应用
场所中发挥更大作用。而且，pop优异动态特性进一步降低了开关损耗，开通损耗从285.8μj降低到 129.5μj，降低了54.6％。关断损耗一直是脉冲功率应用中开关损耗的主要来源，pop相较于传统封装可以有效改善关断速度降低关断损耗，实验结果表明pop相比于to-263降低62.8％的关断损耗。
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表4极限脉冲电流90a时to-263与pop封装的参数对比
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