半导体电路及使用其的封装结构及封装结构的制备方法

文献发布时间：2023-06-19 16:04:54

技术领域

本发明涉及半导体功率器件领域，尤其涉及一种半导体电路及使用其的封装结构及封装结构的制备方法。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，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。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。

三相智能功率模块的功率器件一般都是六个IGBT+FRD的或六个RC-IGBT。目前IPM智能功率模块的上下桥功率器件一般都是采用单独的IGBT+FRD结构或是单独RC-IGBT结构，采用单独的一种结构，模块的功能较为单一。

发明内容

本发明的目的在于提出一种半导体电路及使用其的封装结构及封装结构的制备方法，上桥使用RC-IGBT结构,下桥使用IGBT管和续流二极管的结构，降低模块成本，同时也能使模块具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小、更好的反向恢复能力等优点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种半导体电路，包括驱动HVIC芯片、高侧驱动模块和低侧驱动模块；所述驱动HVIC芯片与所述高侧驱动模块电连接，所述高侧驱动模块包括三个上桥功率元件，所述上桥功率元件为RC-IGBT结构；所述驱动HVIC芯片与所述低侧驱动模块电连接，所述低侧驱动模块包括三个下桥功率元件，所述下桥功率元件包括IGBT管和续流二极管；所述上桥功率元件的输入端与所述驱动HVIC芯片电连接，所述上桥功率元件的输出端与所述下桥功率元件的控制端电连接，三个所述上桥功率元件的控制端电连接并作为电路的驱动端P；所述下桥功率元件的输入端与所述驱动HVIC芯片电连接，三个所述下桥功率元件的输出端分别作为电路的输出端。

优选的，所述RC-IGBT结构包括三极管和n型半导体，所述n型半导体嵌入在所述三极管的集电极的p区内；所述三极管的基极作为RC-IGBT结构的G端与所述驱动HVIC芯片电连接，所述三极管的集电极作为RC-IGBT结构的C端与电路的驱动端P电连接，所述三极管的发射极作为RC-IGBT结构的E端与所述上桥功率元件电连接。

优选的，所述IGBT管的G端与所述驱动HVIC芯片电连接，所述IGBT管的C端与RC-IGBT结构的E端电连接，所述IGBT管的E端作为电路的输出端；所述续流二极管的负极端与所述IGBT管的C端电连接，所述续流二极管的正极端与所述IGBT管的E端电连接。

优选的，所述驱动HVIC芯片还包括电源模块、过流保护模块、互锁与死区模块和报错模块；所述电源模块与外部电源电连接，并为驱动HVIC芯片内的模块提供电源电压和基准电压；所述过流保护模块与所述高侧驱动模块和所述低侧驱动模块电连接，用于提供过流保护功能；所述互锁与死区模块连接于所述高侧驱动模块和所述低侧驱动模块之间，用于提供互锁和死区功能；所述报错模块与所述高侧驱动模块和所述低侧驱动模块电连接，用于出现欠压、过流、过压或过温时，发出报错功能。

一种使用上述的半导体电路的封装结构，包括电路铝基板、绝缘层、电路布线层、电路元件、引脚以及封装树脂；

所述绝缘层设置在所述电路铝基板的上表面，所述电路布线层设置在所述绝缘层的上表面，所述电路元件设置在所述电路布线层上且与所述电路布线层电连接，所述引脚的一端与所述电路布线层电连接，所述引脚的另一端延伸至所述封装树脂的外侧；所述封装树脂封装于所述电路铝基板以及所述电路元件的外围；

所述电路元件包括驱动HVIC芯片、高侧驱动模块和低侧驱动模块；所述驱动HVIC芯片与所述高侧驱动模块电连接，所述驱动HVIC芯片与所述低侧驱动模块电连接。

优选的，还包括连接线，所述连接线用于连接所述电路元件与所述电路布线层。

优选的，所述引脚之间设置有加强筋；所述电路铝基板的背面设置有凹凸的纹理结构。

一种上述封装结构的制备方法，包括下述步骤：

制备电路铝基板：选取适当大小的铝材作为电路铝基板；

制成纹理：在电路铝基板的背面通过激光蚀刻和打磨工艺形成纹理；

制备电路布线层：在电路铝基板的表面上设置绝缘层，并在绝缘层的表面上形成铜箔层，铜箔层通过刻蚀工艺形成电路布线层；

安装电路元件和引脚：在电路布线层的预设位置涂装锡膏，在涂装锡膏的位置上安放电路元件和引脚，通过回流焊使锡膏固化，固定电路元件和引脚；

清洗助焊剂：通过喷淋或超声清洗方式，清除残留在电路铝基板上的助焊剂；

电性连接：通过连接线连接电路元件和电路布线层，完成电路元件与电路布线层之间的电连接；

完成封装：通过将热塑性树脂的注入模具或使用热硬性树脂的传递模的制备方式，将完成电连接的模块进行封装；

实验测试：通过测试设备进行测试。

优选的，还包括电路铝基板连接地电位的步骤：在完成封装的步骤之前，通过钻孔将绝缘层钻穿，通过连接线将电路布线层的地电位和电路铝基板之间形成电连接。

本发明的一个技术方案的有益效果：本申请上桥全部使用RC-IGBT结构,下桥全部使用IGBT管和续流二极管的结构，降低模块成本，同时也能使模块具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小、更好的反向恢复能力的智能功率模块。

RC-IGBT结构具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小的优点。上桥功率元件采用RC-IGBT结构，下桥功率元件采用IGBT管和续流二极管的结构，使得电路成本更低，同时具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小，更好的反向恢复能力优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例半导体电路的连接示意图；

图2是本发明一个实施例驱动HVIC芯片的原理图；

图3是本发明一个实施例封装结构的结构示意图；

图4是本发明一个实施例引脚的结构示意图。

其中：驱动HVIC芯片1、电源模块11、过流保护模块12、互锁与死区模块13、报错模块14、高侧驱动模块2、低侧驱动模块3、电路铝基板4、绝缘层5、电路布线层6、电路元件7、引脚8、加强筋81、封装树脂9、连接线10。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1至图4所示，一种半导体电路，包括驱动HVIC芯片1、高侧驱动模块2和低侧驱动模块3；所述驱动HVIC芯片1与所述高侧驱动模块2电连接，所述高侧驱动模块2包括三个上桥功率元件，所述上桥功率元件为RC-IGBT结构；所述驱动HVIC芯片1与所述低侧驱动模块3电连接，所述低侧驱动模块3包括三个下桥功率元件，所述下桥功率元件包括IGBT管和续流二极管；所述上桥功率元件的输入端与所述驱动HVIC芯片1电连接，所述上桥功率元件的输出端与所述下桥功率元件的控制端电连接，三个所述上桥功率元件的控制端电连接并作为电路的驱动端P；所述下桥功率元件的输入端与所述驱动HVIC芯片1电连接，三个所述下桥功率元件的输出端分别作为电路的输出端。

本申请采用上桥全部使用RC-IGBT结构,下桥全部使用IGBT管和续流二极管的结构，降低模块成本，同时也能使模块具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小、更好的反向恢复能力的智能功率模块。

具体地，所述RC-IGBT结构包括三极管和n型半导体，所述n型半导体嵌入在所述三极管的集电极的p区内；所述三极管的基极作为RC-IGBT结构的G端与所述驱动HVIC芯片1电连接，所述三极管的集电极作为RC-IGBT结构的C端与电路的驱动端P电连接，所述三极管的发射极作为RC-IGBT结构的E端与所述上桥功率元件电连接。

RC-IGBT结构通过n型半导体嵌入在三极管的集电极的p区内，增加了反向二极管的功能，增加了反向导通性，相对硅材料的IGBT管，不需再反并续流二极管芯片。能够提高了单位面积的功率、改善了并联连接效果、加大了二极管和IGBT的电阻比值Rth(j-c)、减少了芯片的温度脉动和提高了对最佳热敏模块设计的自由度；与硅材料的IGBT管相比，RC-IGBT结构同等条件下面积更小、热效应更小、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗成本低的优势。非常适合于常高成集成功率模组。

优选的，所述IGBT管的G端与所述驱动HVIC芯片1电连接，所述IGBT管的C端与RC-IGBT结构的E端电连接，所述IGBT管的E端作为电路的输出端；所述续流二极管的负极端与所述IGBT管的C端电连接，所述续流二极管的正极端与所述IGBT管的E端电连接。

优选的，所述驱动HVIC芯片1还包括电源模块11、过流保护模块12、互锁与死区模块13和报错模块14；所述电源模块11与外部电源电连接，并为驱动HVIC芯片1内的模块提供电源电压和基准电压；所述过流保护模块12与所述高侧驱动模块2和所述低侧驱动模块3电连接，用于提供过流保护功能；所述互锁与死区模块13连接于所述高侧驱动模块2和所述低侧驱动模块3之间，用于提供互锁和死区功能；所述报错模块14与所述高侧驱动模块2和所述低侧驱动模块3电连接，用于出现欠压、过流、过压或过温时，发出报错功能。

电源模块11包括5V LDO电路和1.2V BANDGAP电路，给驱动HVIC芯片1内部所有电路和外部电路供给5V电压，同时给驱动HVIC芯片1以及外部电路提供稳定的1.2V电压基准；过流保护模块12、互锁与死区模块13和报错模块14为本领域中常见的电路结构，在实际设计电路时，采用具有对应功能的电路模块即可。

驱动HVIC芯片1的HO1\HO2\HO3\LO1\LO2\LO3端口分别与RC-IGBT1、RC-IGBT2、RC-IGBT3、IGBT1、IGBT2、IGBT3的G端口电连接；RC-IGBT1、RC-IGBT2、RC-IGBT3的C端口连接于一点,引出作为电路模块的第1脚P端口；

IGBT1、IGBT2、IGBT3的E端口分别与FRD1、FRD2、FRD3的AN端口连接,并引出分别作为电路模块的第8脚UN、第9脚VN、第10脚WN端口；

驱动HVIC芯片1的VB1\U,VS1,VB2\V,VS2,VB3\W,VS3分别与自举电容电连接,VB1、VB2、VB3引出作为IPM的第3、5、7脚VB1、VB2、VB3端口；

驱动HVIC芯片1的RCIN端口引出作为IPM的第18脚RCIN端口；

IGBT1、IGBT2、IGBT3的C端口与FRD1、FRD2、FRD3的CN端口电连接，同时还分别与RC-IGBT1、RC-IGBT2、RC-IGBT3的C端口电连接；

上桥功率元件RC-IGBT3的E极与下桥功率元件IGBT3的C极连接点引出作为IPM的第6脚W，VS3端口；

上桥功率元件RC-IGBT2的E极与下桥功率元件IGBT2的C极连接点引出作为IPM的第4脚V，VS2端口；

上桥功率元件RC-IGBT1的E极与下桥功率元件IGBT1的C极连接点引出作为IPM的第2脚U，VS1端口；

HIN1引出作为电路模块的第11脚HIN1端口；

HIN2引出作为电路模块的第12脚HIN2端口；

HIN3引出作为电路模块的第13脚HIN3端口；

LIN1引出作为电路模块的第14脚LIN1端口；

LIN2引出作为电路模块的第15脚LIN2端口；

LIN3引出作为电路模块的第16脚LIN3端口；

驱动HVIC芯片1的FLT/EN并引出作为电路模块的第18脚FLT/EN端口；

驱动HVIC芯片1的ITRIP与滤波电容的C4一端连接，并引出作为电路模块的第17脚ITRIP端口，滤波电容C4的另一端与GND连接；

驱动HVIC芯片1的RCIN并引出作为电路模块的第19脚RCIN端口；

VCC引出作为电路模块的第20脚VDD端口；

GND引出作为电路模块的第21脚GND端口。

一种使用上述的半导体电路的封装结构，包括电路铝基板4、绝缘层5、电路布线层6、电路元件7、引脚8以及封装树脂9；

所述绝缘层5设置在所述电路铝基板4的上表面，所述电路布线层6设置在所述绝缘层5的上表面，所述电路元件7设置在所述电路布线层6上且与所述电路布线层6电连接，所述引脚8的一端与所述电路布线层6电连接，所述引脚8的另一端延伸至所述封装树脂9的外侧；所述封装树脂9封装于所述电路铝基板4以及所述电路元件7的外围；

所述电路元件7包括驱动HVIC芯片1、高侧驱动模块2和低侧驱动模块3；所述驱动HVIC芯片1与所述高侧驱动模块2电连接，所述驱动HVIC芯片1与所述低侧驱动模块3电连接。

优选的，还包括连接线10，所述连接线10用于连接所述电路元件7与所述电路布线层6。所述引脚8之间设置有加强筋81；所述电路铝基板4的背面设置有凹凸的纹理结构。

电路元件7包括但不限于驱动HVIC芯片1、高侧驱动模块2和低侧驱动模块3等元件。

为了避免所述电路元件在后续加工工序中被静电损伤，在引脚8的预设位置设置加强筋81，相邻的引脚8通过加强筋81相连，在完成封装后，将部分或者全部加强筋81切除，并形成所需的形状。