一种氮化镓半桥模块

技术领域

本发明涉及氮化镓技术领域，更具体地说，涉及一种氮化镓半桥模块。

背景技术

半导体产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性产业，是电子信息产业的核心和基础。第三代半导体是以碳化硅S i C、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料,具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件。

近年来，电动汽车、高铁和航空航天领域不断发展，对功率器件模块在高频、高温和高压下工作的需求不断增加，传统的硅基功率器件模块几乎已达到其自身的材料性能极限，氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料具有高耐温、高耐压及高开关速率的优点，其逐渐成为重点产业，然而封装技术却为充分发挥氮化镓材料的优势带来了挑战。

氮化镓器件的开关速度极高，如果使用传统引线键合封装型式会带来较大的封装杂散电感，继而产生显著的开关损耗、电压过冲等问题，这将无法满足氮化镓器件的高频应用需求。考虑到传统封装形式存在的弊端，现迫切需一种能充分发挥氮化镓材料优势的封装器件，可以彻底解决开关损耗、电压过冲及散热等问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种能充分发挥氮化镓材料优势以彻底解决开关损耗、电压过冲及散热等问题的氮化镓半桥模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氮化镓半桥模块，包括封装体，在所述封装体内封装设置有：

在表面刻蚀有第一基区、第二基区和连接线路的覆铜陶瓷基板；第一基区内设置有由第一组氮化镓芯片互连构成的第一半桥电路单元，第二基区内设置有由第二组氮化镓芯片互连构成的第二半桥电路单元；

设置在所述连接线路上方用于将所述连接线路与所述第一基区、第二基区进行互连的层压基板；

以及，与所述覆铜陶瓷基板互连的引线架，所述引线架上设置有多个端子，所述多个端子的自由端伸出到所述封装体之外形成电气连接引脚。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述第一组氮化镓芯片包括氮化镓芯片A、氮化镓芯片B，所述氮化镓芯片A设置在所述第一基区的上部位置处，所述氮化镓芯片B设置在所述第一基区的下部位置处，所述氮化镓芯片A与所述氮化镓芯片B相互平行；

所述第二组氮化镓芯片包括氮化镓芯片C、氮化镓芯片D，所述氮化镓芯片C设置在所述第二基区的上部位置处，所述氮化镓芯片D设置在所述第二基区的下部位置处，所述氮化镓芯片C与所述氮化镓芯片D相互平行。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述第一组氮化镓芯片中的氮化镓芯片A、氮化镓芯片B和所述第二组氮化镓芯片中的氮化镓芯片C、氮化镓芯片D的顶部结构上设有第一栅极、第一源极和第一漏极，其底部结构上设有第二漏极，所述第一源极和第一漏极为多个，且该多个第一源极和第一漏极均呈平行交叉排布设置。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述第一组氮化镓芯片中的氮化镓芯片A、氮化镓芯片B和所述第二组氮化镓芯片中的氮化镓芯片C、氮化镓芯片D的第一源极通过绑定线键合焊接至所述第一基区和第二基区上，所述第一栅极和第一漏极通过绑定线键合焊接至所述连接线路上，所述第二漏极通过粘结介质装配在所述第一基区和第二基区上。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述第一组氮化镓芯片中的氮化镓芯片A、氮化镓芯片B和所述第二组氮化镓芯片中的氮化镓芯片C、氮化镓芯片D的第一源极为4个，第一漏极为3个。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，在所述层压基板(11)的顶部结构的四周位置处设有多个无源元件，中间位置处设置有一个有源元件，所述多个无源元件和所述有源元件通过所述层压基板上的刻蚀铜箔电路进行互连导通。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，在所述层压基板(11)的底部结构的四周位置处排列设置有供所述无源元件(17)和有源元件互连引出的压焊端口，中间位置处对应上方所述有源元件的位置处设置有散热片。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述覆铜陶瓷基板的两侧设有多个刻蚀端口，所述多个刻蚀端口和所述引线架上的多个端子一一对应并互连导通。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述引线架上任意相邻的两个端子间均设有一NTC热敏电阻。

在本发明所述的氮化镓半桥模块中，所述封装体内通过环氧树脂进行灌封保护，将所述覆铜陶瓷基板、第一半桥电路单元、第二半桥电路单元、层压基板、引线架及多个端子进行包封。

实施本发明的氮化镓半桥模块，具有以下有益效果：通过合理设计氮化镓芯片在封装内部的布局结构，构成的氮化镓半桥模块大大缩小了封装外型尺寸，从而减少在印刷电路板上的占用面积；并且本氮化镓半桥模块在模块封装化后更能快速减小寄生参数和尖峰电压的产生，进一步提高系统性能和产品可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明氮化镓半桥模块的结构示意图；

图2是本发明氮化镓半桥模块中采用的氮化镓芯片的顶层结构示意图；

图3是本发明氮化镓半桥模块中层压基板的顶部结构示意图；

图4是本发明氮化镓半桥模块中层压基板的底部结构示意图；

图5是本发明氮化镓半桥模块封装后的外观结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，是本发明氮化镓半桥模块的结构示意图，本发明提供了一种氮化镓半桥模块，包括封装体100，在封装体100内封装设置有：在表面刻蚀有第一基区4、第二基区5和连接线路6的覆铜陶瓷基板2；第一基区4内设置有由第一组氮化镓芯片互连构成的第一半桥电路单元12，第二基区5内设置有由第二组氮化镓芯片互连构成的第二半桥电路单元12’；设置在连接线路6上方用于将连接线路6与第一基区4、第二基区5进行互连的层压基板11；以及与覆铜陶瓷基板2互连的引线架1，引线架1上设置有多个端子3，该多个端子3的自由端伸出到封装体100之外形成电气连接引脚。

可见，本发明提供的氮化镓半桥模块，通过将多个独立的氮化镓器件优化成互连的半桥模块，缩小了封装尺寸，同时降低了高频应用过程中的寄生电感参数。经桥式模块化封装后，输出电压脉动和电流脉动系数都很小，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波和电流纹波就可以达到非常小，大大提高了系统性能和产品可靠性。

如图5所示，是本发明氮化镓半桥模块封装后的外观结构图。下面结合图1、图5进行详细阐述，下面结合图1、图5进行详细阐述。本发明的氮化镓半桥模块，包括封装体100，封装体100内设有引线架1、覆铜陶瓷基板2、层压基板11和氮化镓芯片。本氮化镓芯片共有4个，分别为氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10。氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8组成第一组氮化镓芯片，二者互连构成第一半桥电路单元12；氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10构成第二组氮化镓芯片，二者互连构成第二半桥电路单元12’。

覆铜陶瓷基板2表面刻蚀有第一基区4、第二基区5和连接线路6。第一基区4内设置有由第一组氮化镓芯片互连构成的第一半桥电路单元12，具体地：在第一基区4上方也就是上部位置处设有一氮化镓芯片A7，在下方也就是下部位置与氮化镓芯片A7相平行的位置处设有另一氮化镓芯片B8。第二基区5内设置有由第二组氮化镓芯片互连构成的第二半桥电路单元12’，具体地：在第二基区5的上方也就是上部位置处设有一氮化镓芯片C9，在下方也就是下部位置与氮化镓芯片C9相平行的位置处设有另一氮化镓芯片D10。特别地说明，第一基区4上的两个氮化镓芯片A7和氮化镓芯片B8互连构成了半桥电路单元，同理第二基区5上的另两个氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10也互连构成了半桥电路单元。可见，高度集成化的半桥电路单元大大简化了电路设计，提升了内部封装空间的利用率，缩小了封装外型尺寸，可有效减小PCB板面积。

另外，在连接线路6上方位置处设置有一层压基板11，层压基板11通过连接线路6和第一基区4、第二基区5及氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10进行电气连接。另外，覆铜陶瓷基板2和引线架1进行互连并引出。优选地，引线架1有24个端子3。

在封装体100的外部，还设置有散热结构200。进一步，在封装体100的外部还设置有便于焊接、装配及拿取等的夹持部300，甚至可便于后期装配使用时加螺丝固定。

如图2所示，是本发明氮化镓半桥模块中采用的氮化镓芯片的顶层结构示意图。本氮化镓芯片共有4个，分别为氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10，他们在封装外形、型号、结构上均相同。

在氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10的顶部结构设有第一栅极13、第一源极14和第一漏极15，其底部结构为第二漏极，优选地，第一源极14设置有4个，第一漏极15设置3个，第一漏极15和第一源极14呈平行交叉排布设置，呈现交叉几何分布状态。具体地，也就是第一源极14版块区域、第一漏极15版块区域、第一源极14版块区域、第一漏极15版块区域……横向依次水平排布。可理解地，第一源极14和第一漏极15的数量可以根据芯片本身的源极和漏极开窗数量进行定义，未必一定分别是4和3个。

结合图1、图2所示，氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10的第一源极14通过绑定铜线16键合焊接至第一基区4和第二基区5上；第一栅极13和第一漏极15也通过绑定铜线16键合焊接至连接线路6上，并且，氮化镓芯片A7、氮化镓芯片B8、氮化镓芯片C9和氮化镓芯片D10的第二漏极通过粘结介质装配在第一基区4和第二基区5上。优选的，上述粘结介质可以为导电胶、绝缘胶、烧结银或锡膏焊料等。

结合图3、图4所示，图3是本发明氮化镓半桥模块中层压基板的顶部结构示意图，图4是该层压基板的底部结构示意图。

在层压基板11的顶部结构的四周位置处，设有多个无源元件17，本实施例中设有5个无源元件17，无源元件17优选为电容和电阻器件，在中间位置处设置有一个有源元件18，有源元件18具体为集成驱动电路器件。上述5个无源元件17和有源元件18通过层压基板11上的刻蚀铜箔电路19进行互连导通。优选地，上述无源元件17的电阻采用0402型电阻，电容采用0603型电容，上述有源器件18为采用DFN3X3封装的驱动控制I C。层压基板11上设置的电路主要用于放大微弱的控制信号，促使不同电平的信号进行转换，使其通过电平转换来控制各种外部设备或元件。可见，本发明的氮化镓半桥模块，内部集成的氮化镓芯片两两组建构成半桥电路单元，且封装内部凭借集成驱动电路器件省去了外部钳位电路，能够显著降低关联的寄生参数。

在层压基板11的底部结构的四周位置处，排列设置有供无源元件17和有源元件18互连引出的压焊端口20，中间位置处对应上方有源元件18的位置处设置有散热片21。

进一步地，如图1所示，引线架1上设置有多个端子3，覆铜陶瓷基板2的两侧设有多个刻蚀端口22，该多个刻蚀端口22用于和引线架1上的多个端子3一一对应并互连导通从而引出功能信号，并起到机械支撑保护的作用。具体地，所述多个端子3分别包括有靠近覆铜陶瓷基板2的接线端和远离覆铜陶瓷基板2的自由端，该多个刻蚀端口22与该多个端子3的接线端互连，全部或部分该自由端伸出到封装体100之外形成电气连接引脚。

本发明中，优选地，该多个刻蚀端口22共24个，对应地，引线架1上的多个端子也为24个。

进一步地，引线架1上任意相邻的两个端子3间均设有一NTC热敏电阻23。本优化的端子及引脚设计可显著减小主功率寄生参数以及由此引起的电压尖峰，进一步提高了系统性能和可靠性。

可见，本发明提供的氮化镓半桥模块，通过合理设计氮化镓芯片在封装内部的布局结构，提升了内部空间利用率，使半导体器件分布更加紧凑和稳定，构成的氮化镓半桥模块大大缩小了封装外型尺寸，从而减少在印刷电路板上的占用面积；并且本氮化镓半桥模块在模块封装化后更能快速减小寄生参数和尖峰电压的产生，进一步提高了系统性能和产品可靠性，即充分发挥了氮化镓材料优势以彻底解决了开关损耗、电压过冲及散热等问题。

在本发明中，所谓的“互连”，均为具有电气连接特性的互连。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。