半导体电路及用于其的装置

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别涉及一种半导体电路及用于其的装置。

背景技术

半导体电路是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品，半导体电路外表一般由注塑形成的树脂材料进行封装形成密封层，以将内部的电路板、电子元件等进行密封，引脚从密封层的一侧或者两侧伸出。目前，半导体电路的引脚布置密集，强电引脚与弱电引脚之间未进行有效隔离，爬电距离(即两相邻导体沿绝缘表面测量的最短距离)不够，在电路运行过程中存在安全隐患，工作安全性低，并且走线聚集交错，布线不方便。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种半导体电路，旨在解决目前的半导体电路工作安全性低、布线不方便的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种半导体电路，该半导体电路包括：

散热基板；

电路布线层，设置于散热基板上；

多个电子元件，设置于电路布线层，电子元件包括功率器件和驱动芯片；

多个引脚，设置于散热基板的侧面；

密封层，密封层至少包裹设置电子元件的散热基板的一面，引脚的一端从密封层的侧面露出；

其中引脚包括传输强电信号的强电引脚组和传输弱电信号的弱电引脚组，强电引脚组的引脚与功率器件电连接，弱电引脚组的引脚与驱动芯片电连接，强电引脚组和弱电引脚组中的多个引脚分别靠近布置，且强电引脚组和弱电引脚组之间的距离大于强电引脚组和弱电引脚组内的引脚之间的距离。

可选地，弱电引脚组包括控制信号输入引脚，强电引脚组包括三相输出引脚，控制信号输入引脚和三相输出引脚分别设置于密封层的相对的第一侧边和第二侧边。

可选地，引脚还包括传输在弱电信号和强电信号之间变化的电信号的浮动引脚组，浮动引脚组设置于第二侧边，且与三相输出引脚靠近设置。

可选地，强电引脚组还包括PFC电感输出引脚和母线电压正端引脚组，弱电引脚组还包括三相下桥发射极输出引脚和母线电压负端引脚，其中PFC电感输出引脚和母线电压正端引脚组设置于第二侧边，三相下桥发射极输出引脚和母线电压负端引脚设置于密封层的与第二侧边相邻的第三侧边。

可选地，弱电引脚组还包括使能控制端引脚、驱动供电电压引脚组和保护探测端引脚组，其中使能控制端引脚和驱动供电电压引脚组设置于密封层的与第三侧边相对的第四侧边，保护探测端引脚组设置于第一侧边，且远离控制信号输入引脚设置。

可选地，电路布线层上设置的电路包括由驱动芯片组成的驱动电路、三相桥式逆变电路和PFC开关电路；

驱动电路位于靠近控制信号输入引脚和使能控制端引脚的第一设置区，三相桥式逆变电路和PFC开关电路位于靠近PFC电感输出引脚、母线电压正端引脚组、母线电压负端引脚和三相下桥发射极输出引脚的第二设置区，第一设置区远离第二设置区。

可选地，三相桥式逆变电路包括上桥臂开关管组和下桥臂开关管组；

PFC开关电路靠近PFC电感输出引脚、母线电压正端引脚组和母线电压负端引脚布置，上桥臂开关管组靠近PFC电感输出引脚和母线电压正端引脚组布置，下桥臂开关管组靠近三相下桥发射极输出引脚布置。

可选地，功率器件为IGBT、MOS管和续流二极管中的一者或多者。

本发明还提出一种用于半导体电路的装置，该电机驱动电路板包括PCB板和设置于PCB板上、如前述所记载的半导体电路，PCB板上设置有整流电路、滤波电路、PFC外围电路和采样外围电路；

其中滤波电路靠近母线电压正端引脚组布置，PFC外围电路靠近PFC电感输出引脚和滤波电路设置，整流电路靠近PFC外围电路设置，所述采样外围电路靠近所述三相下桥发射极输出引脚和所述整流电路设置。

可选地，PCB板为双面电路板，PFC外围电路中连接PFC电感输出引脚的走线和滤波电路中连接母线电压负端引脚的走线分别设置于PCB板的两面。

本半导体电路包括散热基板、电路布线层、多个电子元件、多个引脚和密封层，其中引脚包括传输强电信号的强电引脚组和传输弱电信号的弱电引脚组，强电引脚组和弱电引脚组中的多个引脚分别靠近布置，且强电引脚组和弱电引脚组之间的距离大于强电引脚组和弱电引脚组内的引脚之间的距离。本发明半导体电路将引脚中的强电引脚和弱电引脚按组分开布置，以增加强弱电之间的爬电距离，防止在电路运行过程中出现安全事故，从而提高了工作安全性，并且走线分散有序，方便布线。

附图说明

图1为本发明一实施例中半导体电路的结构示意图；

图2为本发明一实施例中半导体电路的元件走线示意图；

图3为本发明一实施例中电机驱动电路板的电路布线图；

图4为本发明一实施例中电机驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提到的半导体电路1000，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路1000还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(Modular Intelligent PowerSystem，MIPS)、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，或者称为混合集成电路、功率半导体模块、功率模块等名称。在本发明的以下实施例中，统一称为模块化智能功率系统(MIPS)。

本发明提出一种MIPS，MIPS包括散热基板、电路布线层、多个电子元件、多个引脚、密封层。

其中散热基板由金属材料制成，具体可以是由1100、5052等材质的铝制成的矩形板材。在散热基板上设置有绝缘层，以在绝缘层上设置电路布线层，实现电路布线层和散热基板之间的电隔离。绝缘层覆盖散热基板至少一个表面形成，且由环氧树脂等树脂材料制成，并在树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝等填料，以提高热导率。为了提高热导率，这些填料的形状可采用角形，为了避免填料损坏设置在其表面的电子元件的接触面的风险，填料可采用球形、角形或者角形与球形混合型。

电路布线层可以是铜箔蚀刻形成，也可以是膏状导电介质印刷形成，导电介质可以是石墨烯、锡膏、银胶等导电材料。在电路布线层上形成电路的走线，并设置了连接走线的多个连接焊盘，用于安装电子元件和引脚。

进一步地，还可以在电路布线层的表面设置一层较薄的绿油层，其起到防止电路布线层的走线之间发送短路带来的损坏，还起到防止电路布线层的表面氧化、污染，以此起到保护作用。

密封层可由树脂形成，通过传递模方式使用热固性树脂模制，也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制，根据实际情况设置。密封层有两种封装结构，一种是密封层包覆散热基板的上下两面，并包覆设置在散热基板上的电子元件，同时还包覆引脚设置于散热基板的一端，为密封层的全包覆方式；在另一种封装方式中，密封层包覆散热基板的上表面，即包覆散热基板、电子元件和设置于散热基板的一端的引脚，散热基板的下表面即散热面露出于密封层，以此形成密封层的半包覆方式。

电子元件配置于电路布线层的连接焊盘上，电子元件包括功率器件和驱动芯片，其中功率器件包括开关管如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOS管(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)等，也包括续流二极管，其工作消耗的功率大发热量大，因此MIPS工作过程中温度相对室温要高。

引脚固定电连接在散热基板的靠近其边缘的连接焊盘上，具有与MIPS连接的外部电路进行输入、输出信号的作用。引脚一般采用铜等金属制成，铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐蚀氧化，并可提高可焊接性。引脚中具有强电引脚和弱电引脚，所谓的强电引脚的工作电压一般为几百伏，弱电引脚的工作电压一般为几伏到几十伏不等。在该实施例中，引脚包括传输强电信号的强电引脚组和传输弱电信号的弱电引脚组，强电引脚组的引脚与功率器件电连接，弱电引脚组的引脚与驱动芯片电连接，强电引脚组和弱电引脚组中的多个引脚分别靠近布置，且强电引脚组和弱电引脚组之间的距离大于强电引脚组和弱电引脚组内的引脚之间的距离。对此，需要说明的是，此处所提及的强弱电引脚组之间和引脚组内引脚之间的距离为沿密封层周边走向的距离，而并非物理空间上的直线距离。

如此，将引脚中的强电引脚和弱电引脚按组分开布置，以增加强弱电之间的爬电距离，防止在电路运行过程中出现安全事故，从而提高了工作安全性，并且方便布线。

在本发明的一些实施例中，参照图1和图2，弱电引脚组包括控制信号输入引脚10，强电引脚组包括三相输出引脚20，控制信号输入引脚10和三相输出引脚20分别设置于密封层的相对的第一侧边和第二侧边。具体地，控制信号输入引脚10的工作电压为0～5VDC，控制信号输入引脚10包括U相上桥逻辑驱动信号输入引脚11(即HIN1)、V相上桥逻辑驱动信号输入引脚12(即HIN2)、W相上桥逻辑驱动信号输入引脚13(即HIN3)、U相下桥逻辑驱动信号输入引脚(即LIN1)14、V相下桥逻辑驱动信号输入引脚15(即LIN2)、W相下桥逻辑驱动信号输入引脚16(即LIN3)和PFC逻辑驱动信号输入引脚(PFCIN)17。三相输出引脚20的工作电压为450VDC，三相输出引脚20包括W相输出引脚21(即W)、V相输出引脚22(即V)和U相输出引脚23(即U)。作为优设，控制信号输入引脚10和三相输出引脚20分别设置于密封层的相对两长侧边且位置相对。

在本发明的一些实施例中，参照图1和图2，引脚还包括传输在弱电信号和强电信号之间变化的电信号的浮动引脚组30，浮动引脚组30设置于第二侧边，且与三相输出引脚20靠近设置。具体地，浮动引脚组30的引脚的工作电压为(450+17.5)VDC，浮动引脚组30包括W相浮动电压引脚31(VB3)、V相浮动电压引脚32(即VB2)和U相浮动电压引脚33(即VB1)，并分别与上一实施例中的W相输出引脚21(即W)、V相输出引脚22(即V)和U相输出引脚23(即U)对应靠近布置，可进一步提高布线的便利性，并且在电路板上设置本MIPS时，方便电路板上电容等充电元件对应三相输出引脚和浮动引脚组的安装。

在本发明的一些实施例中，参照图1和图2，强电引脚组还包括PFC电感输出引脚40和母线电压正端引脚组50，弱电引脚组还包括三相下桥发射极输出引脚60和母线电压负端引脚70，其中PFC电感输出引脚40和母线电压正端引脚组70设置于第二侧边，三相下桥发射极输出引脚60和母线电压负端引脚70设置于密封层的与第二侧边相邻的第三侧边。具体地，PFC电感输出引脚40和母线电压正端引脚组50的引脚的工作电压为400VDC，三相下桥发射极输出引脚60的工作电压为0～5VDC，母线电压负端引脚70的工作电压为0VDC。其中母线电压正端引脚组50包括第一母线电压正端引脚51和第二母线电压正端引脚52，三相下桥发射极输出引脚60包括依次靠近设置的W相下桥发射极输出引脚61(即W-)、V相下桥发射极输出引脚62(即V-)和U相发射极输出引脚63(即U-)。

在本发明的一些实施例中，参照图1和图2，弱电引脚组还包括使能控制端引脚80、驱动供电电压引脚组90和保护探测端引脚组100，其中使能控制端引脚80和驱动供电电压引脚组90设置于密封层的与第三侧边相对的第四侧边，保护探测端引脚组100设置于第一侧边，且远离控制信号输入引脚1O设置。具体地，使能控制端引脚80(即FLT/EN)的工作电压为0～5VDC，驱动供电电压引脚组90包括驱动供电电压正端引脚91(即VDD)和驱动供电电压负端引脚92(VSS)，驱动供电电压正端引脚91的工作电压为13.5～20VDC，驱动供电电压负端引脚92的工作电压为0VDC，保护探测端引脚组100包括PFC过渡保护探测端引脚101(即PFCTRIP)和逆变过渡保护探测端引脚102(即ITRIP)，PFC过渡保护探测端引脚101的工作电压为-2～0VDC，逆变过渡保护探测端引脚102的工作电压为0～5VDC。其中保护探测端引脚组100远离控制信号输入引脚10设置，并靠近三相下桥发射极输出引脚60设置，可缩短电路板上连接其引脚的走线，且方便布线。

至此，容易理解的是，三相下桥发射极输出引脚60和母线电压负端引脚70与使能控制端引脚80和驱动供电电压引脚组90分别设置于密封层的相对两短侧边。

基于以上实施例的MIPS，MIPS的四周边侧均设置有引脚，故MIPS在与电路板焊接封装后其引脚受力均匀，不易断裂，可提升MIPS在电路板上的安装稳固性。

在本发明的一些实施例中，参照图2，电路布线层上设置的电路包括由驱动芯片组成的驱动电路、三相桥式逆变电路和PFC开关电路；

驱动电路位于靠近控制信号输入引脚10和使能控制端引脚80的第一设置区1，三相桥式逆变电路和PFC开关电路位于靠近PFC电感输出引脚40、母线电压正端引脚组50、母线电压负端引脚70和三相下桥发射极输出引脚60的第二设置区2，第一设置区1远离第二设置区2。

其中，驱动芯片优选HVIC芯片，HVIC即High Voltage IC，HVIC芯片是利用单片机的输入信号直接驱动功率MOSFET和IGBT门极的耐高压IC，其与三相桥式逆变电路，用于接收外部控制信号并控制三相桥式逆变单元的各个开关器件完成逆变。其中电路布线层上靠近控制信号输入引脚10和使能控制端引脚80具有第一设置区1，驱动电路位于该第一设置区1内，此布局设置可缩短驱动芯片与控制信号输入引脚10的控制信号走线，并远离另一长边侧的强电引脚(即三相输出引脚20及浮动引脚组30等)，以降低受强电走线的干扰，进一步提升MIPS工作的可靠性和稳定性。具体地，驱动芯片对应控制信号输入引脚10的一侧具有高侧输入端口、低侧输入端口、PFCIN端口、PFCTRIP端口和ITRIP端口；其中的高侧输入端口具有HIN1端口、HIN2端口和HIN3端口，低侧输入端口具有LIN1端口、LIN2端口和LIN3端口。基于此，控制信号输入引脚1O的U相上桥逻辑驱动信号输入引脚11与HIN1端口连接，V相上桥逻辑驱动信号输入引脚12与HIN2端口连接，W相上桥逻辑驱动信号输入引脚13与HIN3端口连接；U相下桥逻辑驱动信号输入引脚14与LIN1端口连接，V相下桥逻辑驱动信号输入引脚15与LIN2端口连接，W相下桥逻辑驱动信号输入引脚16与LIN3端口连接，PFC逻辑驱动信号输入引脚17与PFCIN端口连接，保护探测端引脚组100中的PFC过渡保护探测端引脚101与PFCTRIP端口连接，逆变过渡保护探测端引脚102与ITRIP端口连接。并且，驱动芯片对应使能控制端引脚80的一侧具有F/IN端口、VCC端口和VSS端口，使能控制端引脚80与F/IN端口连接，驱动供电电压正端引脚91与VCC引脚连接，驱动供电电压负端引脚92与VSS引脚连接。

并且电路布线层上靠近PFC电感输出引脚40、母线电压正端引脚组50、母线电压负端引脚70和三相下桥发射极输出引脚60具有第二设置区2，三相桥式逆变电路和PFC开关电路位于该第二设置区2内，其可优化电路与芯片以及密封层侧边引脚的走线布局，以使走线线路最佳，方便日常维护。

进一步地，参照图2，三相桥式逆变电路包括上桥臂开关管组和下桥臂开关管组；

PFC开关电路靠近PFC电感输出引脚40、母线电压正端引脚组50和母线电压负端引脚70布置，上桥臂开关管组靠近PFC电感输出引脚40和母线电压正端引脚组50布置，下桥臂开关管组靠近三相下桥发射极输出引脚60布置。

具体地，上桥臂开关管组和下桥臂开关管组分别包括3个开关管，所涉及的开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOS管(metaloxide semiconductor，金属氧化物半导体)等，参照图2，其中的IGBT1、IGBT2和IGBT3为上桥臂开关管组，IGBT4、IGBT5和IGBT6为下桥臂开关管组，上桥臂开关管组中的IGBT1、IGBT2和IGBT3靠近PFC电感输出引脚和母线电压正端引脚组布置，以对应与其中的第一母线电压正端引脚连接，PFC开关电路包括IGBT7，其靠近PFC电感输出引脚40、母线电压正端引脚组50和母线电压负端引脚70布置，以对应与第二母线电压正端引脚52、PFC电感输出引脚40和母线电压负端引脚70连接；下桥臂开关管组中的IGBT4、IGBT5和IGBT6靠近三相下桥发射极输出引脚60布置，以对应与其中的W相下桥发射极输出引脚61、V相下桥发射极输出引脚62和U相下桥发射极输出引脚63连接，电子元件布局紧凑，可缩短走线。

并且每一个开关管均并联有二极管，开关管优选快恢复二极管，即图2中所示出的与开关管位置对应的D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7，二极管的正极与IGBT的源极连接，二极管的负极与IGBT的漏极连接。此外，图2中的P1A、P2A、P3A、P4A、P5A、P6A、P7A和P8A均为设于电路布线层上的跳线焊盘。

在本发明的一些实施例中，功率器件为IGBT、MOS管和续流二极管中的一者或多者。

本发明还提出一种用于半导体电路的装置，具体为一种电机驱动电路板，参照图3，该电机驱动电路板包括PCB板和设置于PCB板上、如前述实施例所记载的半导体电路，PCB板上设置有整流电路、滤波电路、PFC外围电路和采样外围电路；

其中滤波电路靠近母线电压正端引脚组50布置，PFC外围电路靠近PFC电感输出引脚40和滤波电路设置，整流电路靠近PFC外围电路设置，采样外围电路靠近三相下桥发射极输出引脚60和整流电路设置。

本电机驱动电路板用于实现电机的驱动，图4所示为本电机驱动电路板的电机驱动电路的电路原理图。

参照图3，其中的整流电路包括整流桥D，D-1为整流桥正极，D-2和D-3和整流桥交流输入端，D-4为整流桥负极。

滤波电路包括电解电容E1和E2，E1-1和E2-1为电解电容的负极，E2-1和E2-2为电解电容的正极。

PFC外围电路包括PFC电感L1，L1-1和L1-2为PFC电感L1的引脚。

采样外围电路包括无感电流采样电阻R1和R2，R1-1、R1-2、R2-1和R2-2为电阻引脚。

其中，基于上述PCB板上各电路之间的位置设置，整流桥D正极DC+——PFC电感L1-1——PFC电感L1-2——MIPS电感输出PFC——MIPS母线电压负端-VCC——无感电流采样电阻R2-2——无感电流采样电阻R2-1——整流桥D负极DC-，电流环小、走线简单容易实现、抗干扰能力强。

MIPS母线电压正端(PFC快恢复二极管输出端)VCC2——电解电容E1-2、E2-2——MIPS母线电压正端(经过大电解电容滤波的母线电压)VCC1——三相下桥发射极输出W-V-U-——无感电流采样电阻R1-1、R1-2电流环小、走线简单容易实现、抗干扰能力强，并且滤波效果较佳。

在本发明的一些实施例中，PCB板为双面电路板，PFC外围电路中连接PFC电感输出引脚40的走线和滤波电路中连接母线电压负端引脚70的走线分别设置于PCB板的两面。具体地，基于上述实施例PFC外围电路和滤波电路的位置设置，若PCB板为单面电路板，PFC外围电路中连接PFC电感输出引脚40的走线和滤波电路中连接母线电压负端引脚70的走线将会交错，因此，PCB板采用双面电路板，通过将两者的走线分设于PCB板的两面，以进一步方便PCB板布线，并且防线路串扰，提高电路稳定性。

此外，基于上述实施例的MIPS，MIPS的强电引脚与弱电引脚之间的爬电距离足够，在设置半导体电路时无需在PCB板上开槽以增加爬电距离，节省工序，操作简单方便；并且，引脚排布合理，PCB板上焊接工艺方便实现，PCB电控生产过波峰时，不会出现连焊，生产容易控制。

此外，MIPS的母线电压负端引脚70和三相下桥发射极输出引脚60之间距离比宽，可以走较宽的线路，产品在大功率运行时，线路不易出现高温升。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。