一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块的制作方法

本实用新型涉及IPM技术领域，特别是一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块。

背景技术：

如图1A、图1B、图1C所示，智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)是把功率开关器件(主要是IGBT或MOS)和驱动组件、保护组件集成在一起。保护组件一般有过电压，过电流和过热等故障检测及保护组件，并可将检测信号送到MCU。IPM在各种电机驱动、变频器、逆变器、大功率电源等电力电子领域应用广泛。IPM内部一般集成有6 个或7个大功率开关器件，目前的大功率开关器件是IGBT(如图2B所示)或MOS(如图2A所示)。

图2B中示出的大功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT， Insulated Gate Bipolar Transistor)，IGBT属于电力电子中常用的一种功率开关器件，其电路符号如图3(a)所示，图3(b)示出了IGBT芯片的电极正面示意图，图3(c)示出了IGBT芯片电极反面示意图，在图3 (b)和图3(c)中示出了基极B、集电极C和发射极E。

图2A中示出的大功率开关器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，简称 MOS/MOS管，是电力电子中常用的功率开关器件。其电路符号如图4(a) 所示，图4(b)示出了MOS芯片的正面，图4(c)示出了MOS芯片的反面，如栅极G、漏极D和源极S。

另外，图2A和图2B中还使用到一个快速反向恢复二极管(FRD， Fast Recovery Diode)，属于二极管中的一种，反向恢复速度快，广泛应用于功率处理电路。二极管的电路符号如图5(a)所示。每个硅功率开关器件都必须并联一个FRD。在IGBT使用中，在IGBT管的EC之间并联一个FRD是为了保护IGBT管不被较高的反向电压击穿，图5(b)和图5(c)为FRD芯片的正极P及和负极N极。

图6A示出了一种三相全桥的原理示意图，三相全桥又称三相全桥电路或三相全桥逆变或三相桥式逆变电路，即由2个功率开关管两两串联组成半桥，再把3对串联后功率管的部分电极连接在一起的方式。主要用于各种电机驱动、电源等，图2B中的IPM内部也包含此电路。

目前，IPM内部三相全桥电路使用的功率管都是IGBT或MOS管，根据用处的不同，内部集成有6个(组成三相全桥电路)或7个(一个用于PFC电路，6个用于三相全桥电路)功率开关管，同时每个功率开关管并联有快恢复的二极管(FRD)。在图6A和图6B中以MOS管为例，并联FRD的三相全桥电路。其中，MOS或IGBT的D极焊盘直接焊接在 PCB板上，FRD的N极(负极)也是直接焊接在PCB板上，通过PCB 板走线连接，而正面的其余电极焊盘，如MOS或IGBT的G极、S极和 FRD的P极，则通过引线绑定，连接到PCB板对应的焊盘上，从6B中可直接看出，6个MOS或IGBT组成的三相全桥电路的引线绑定数量至少需要18根引线才能完成线路的连接。

现有的IPM的缺陷如下：

IPM中一般都有6个或7个独立的大功率硅芯片作为开关器件，独立的驱动组件和保护组件组成，这样的硅IPM模块通常体积较大，容易产生寄生参数影响，能量转换效率和集成度低下，同时每个硅功率开关器件都必须并联一个FRD来组成IPM内部的三相全桥电路，从而增加 IPM的工艺复杂度和不稳定性。

具体地，1)同等功率下，由于IGBT或MOS芯片面积较大；该类硅开关器件导通电阻较大、开关转换速度较慢特别是反向恢复时间较长从而导至开关能量损耗较大，并且产生较多的热能影响开关器件的开关性能；

2)目前使用IGBT或MOS的硅IPM，硅开关器件的特征要求每个 IGBT或MOS都需并联一个通流能力跟IGBT或MOS类似的快恢复二极管才能安全有效实现开关动作，成本较贵、体积较大、增加了IPM电路的连接工艺复杂度。

3)目前使用IGBT或MOS的IPM，都是利用分立器件(独立器件) 构成，相互之间需要的引线绑定就要很多，这样容易造成寄生参数影响导致IPM可靠性降低，不能进一步缩小体积和提高集成度。

为此，提供一种能够解决上述问题的芯片/电路成为当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本实用新型提供一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块。

第一方面，本实用新型提供一种氮化镓芯片的三相全桥电路，包括： 6个功率开关器件和提供6个功率开关器件之间三相全桥电路连接走线的 PCB板，其中，所述6个功率开关器件采用至少一个氮化镓集成组芯片形成，所述至少一个氮化镓集成组芯片正装在所述PCB板上。

可选地，所述至少一个氮化镓集成组芯片正装在所述PCB板上，包括：

所述至少一个氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于远离所述 PCB板的一面，且采用引线与所述PCB板上对应的焊盘绑定连接。

可选地，所述6个功率开关器件中的每一个分别对应于所述至少一个氮化镓集成组芯片中的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构。

可选地，所述至少一个氮化镓集成组芯片包括：

所述三相全桥电路包括六个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述至少一个氮化镓集成组芯片包括：

所述三相全桥电路包括三个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构，所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述至少一个氮化镓集成组芯片包括：

所述三相全桥电路包括两个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片，其中一个氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路高端的功率开关，另一个所述氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路低端的功率开关；或者，

所述至少一个氮化镓集成组芯片包括：

所述三相全桥电路包括一个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，所述氮化镓集成组芯片内部集成六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

可选地，所述三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

可选地，所述氮化镓集成组芯片的内部还包括用于驱动内部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的驱动电路，所述氮化镓集成组芯片内部每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路。

第二方面，本实用新型还提供一种氮化镓芯片的智能功率模块，该智能功率模块内部的三相全桥电路采用上述任一所述的三相全桥电路。

可选地，所述智能功率模块还包括：方便外部控制器驱动和/或保护所述智能功率模块IPM的驱动组件和/或保护组件；

所述驱动组件和/或所述保护组件分别借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接。

本实用新型具有的有益效果：

1)第三代半导体氮化镓功率器件芯片，在同等功率下，比传统硅材料做成的IGBT和MOS开关器件芯片的面积都小许多；与硅开关器件相比较导通电阻较小、开关转换速度较高、特别是几乎没有反向恢复时间，开关能量损耗较小，使用氮化镓功率器件替代原IPM里的硅器件能够大大提高IPM能量转换效率和集成度。本实用新型中主要是通过氮化镓集成组芯片，本身就是含有至少两个氮化镓开关器件结构的集成组芯片，能够大大减少功率器件带来的体积，从而减少IPM的整体大小，增加IPM 的集成度。

2)在IPM里使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，因GaN HEMT特殊的反向导通特性使得GaN HEMT用在IPM内部时不需要并联二极管，省去了6个二极管的成本，减小封装后IPM的体积、降低IPM生产的工艺复杂度，同时少了二极管在开关过程中的损耗，提高IPM的能量转换效率。

3)在IPM中利用高集成的氮化镓集成组芯片取代分立的IGBT或 MOS，构成三相全桥电路的不同集成组芯片使IPM的三相全桥电路开关器件芯片数从12个减少至6、3、2和1个，集成度的提高极大地缩小整体IPM体积、减少芯片与PCB板之间的引线绑定，减少IPM的寄生参数影响，提高IPM的可靠性。

4)本实用新型所用的专用氮化镓功率器件集成组芯片，通过正装贴在原硅IPM器件的PCB板(重新布线)，在不改变原封装产线的工艺制程下，简化和减少了许多制程的步骤数量，提高产线生产效率和良品率，在原硅IPM产线上更顺利高效地生产更高集成度、高功率密度、高能效和高可靠性的新型第三代半导体氮化镓IPM。

5)解决现在IGBT或者MOS主导的硅IPM模块的体积较大、能量转换效率低下、封装工艺复杂和寄生参数影响严重的问题，并实现更高集成度、高功率密度、高能效和高可靠性的新型第三代半导体氮化镓IPM 在原硅IPM产线上更顺利高效地生产。

附图说明

图1A、图1B、图1C分别为现有技术中IPM的外观示意图；

图2A为现有技术中采用MOS的IPM的原理示意图；

图2B为现有技术中采用IGBT的IPM的原理示意图；

图3为现有技术中IGBT的电路符号、正反面示意图；

图4为现有技术中MOS的电路符号、正反面示意图；

图5为现有技术中FRD的电路符号、正反面示意图；

图6A和图6B为现有技术中的基于MOS管的三相全桥电路的示

意图；

图7为本实用新型中的氮化镓高电子迁移率晶体管的电路符号、正反面示意图；

图8为本实用新型实施例1中的IPM的原理示意图；

图9为本实用新型实施例1中三相全桥电路中芯片中焊盘与PCB板上焊盘焊接的示意图；

图10A为本实用新型实施例2中三相全桥电路的示意图；

图10B分别为本实用新型实施例2中的IPM的示意图；

图10C和图10D分别为本实用新型实施例2中的三相全桥电路的原理示意图；

图10E为本实用新型实施例2中三相全桥电路的部分连接端的示意图；

图11A为本实用新型实施例3中三相全桥电路的示意图；

图11B分别为本实用新型实施例3中的IPM的示意图；

图11C和图11D分别为本实用新型实施例3中的三相全桥电路的原理示意图；

图12A为本实用新型实施例4中三相全桥电路的示意图；

图12B和图12C分别为本实用新型实施例4中的IPM的示意图；

图12D和12E分别为本实用新型实施例4中的三相全桥电路的原理示意图；

图13A、图13B、图13E和图13F分别为本实用新型实施例2至实施例4中集成组芯片中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的原理图；

图13C和图13D分别为本实用新型实施例中三相全桥电路的示意图；

图14为现有技术的MOS和本实用新型的GaN HEMT的反向恢复电荷对比示意图；

图15A、图15B和图15C分别为本实用新型另一实施例的IPM的结构示意图；

图16A为本实用新型实施例5中三相全桥电路的示意图；

图16B和图16C为本实用新型5中的三相全桥电路的原理示意图。

附图标记说明

10：高端驱动

11：低端驱动

12：保护、故障指示等其它组件

13、三相全桥电路

14、氮化镓集成组芯片

15、引线

16、IPM内SIP的PCB板

17、PCB板上的焊盘/焊盘电极

18a、输入端一；18b、输入端二；18c、输出端；18d、高边控制端； 18e、低边控制端。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

为更好的理解本实用新型的内容，对本实用新型中使用的部分词语解释如下：

正装：将封装后的芯片或未经封装的裸芯片的正面(包含连接焊盘的面)朝上，底部直接焊接在封装支架或PCB板上；

本实用新型实施例中提及的氮化镓高电子迁移率晶体管结构可为 E-ModeGaN HEMT或Cascode级联的GaN HEMT，其中，Cascode级联的GaN HEMT由D-Mode Gan HEMT和LVMOSFET构成。

GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管，电路符号如图7(a)所示，芯片正面电极图如图7(b)所示，反面如图7(c)所示。

需要说明的是，本实用新型实施例中提及的打线是指通过引线方式将两个焊盘/电极连接。

绑定(bonding)：是在封装流程中，通过金属线(引线)把两个电极或者两个位置实现电路连接的封装工艺。

实施例1

本实施例提供一种氮化镓芯片的智能功率模块，智能功率模块内部的三相全桥电路13包括6个功率开关器件，6个功率开关器件采用至少一个氮化镓集成组芯片形成(参见下述实施例2至实施例5的描述)。

本实施例中的三相全桥电路包括：实现三相全桥电路连接走线的 PCB板和正装在PCB板上的至少一个氮化镓集成组芯片；

每一个氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于远离所述PCB板的一面，且采用引线与所述PCB板上对应的焊盘绑定连接，并借助于所述 PCB板上的连接走线形成三相全桥电路。

本实施例中，三相全桥电路的输入端和输出端均连接到IPM的引脚上作为所述IPM连接外部电路或负载的端口。

需要说明的是，六个功率开关器件中的每一个分别对应于至少一个氮化镓集成组芯片中的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构。图7示出了功率开关器件的电路符号示意图。

在具体实现中，如图8所示，每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对于一组G、D、S的焊盘，且G、D、S的焊盘均位于芯片的同一个面上。本实施例中氮化镓集成组芯片正装在PCB板上，此时，氮化镓集成组芯片中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的G、D、S的焊盘均处于该芯片远离PCB板的一面，且采用引线与所述PCB板上对应的焊盘绑定连接(如图9所示)，并借助于PCB板上的连接走线形成三相全桥电路(如图8的三相全桥功率管)。本实施例中，氮化镓集成组芯片通过正装贴在原IPM器件的PCB板，在保持原有的封装工艺不变的情况下，取代原有在IPM内部中三相全桥电路的IGBT或MOS管。

在图9中左侧示出了氮化镓集成组芯片14，图9右侧示出了氮化镓集成组芯片14的焊盘(G极、S极、D极)通过各自低端引线15连接到 PCB板16上的焊盘17的结构。

本实施例的智能功率模块还包括：方便外部控制器驱动和/或保护所述IPM的驱动组件(如高端驱动10、低端驱动11)和/或保护组件(如保护、故障指示等其它组件12)，如图8所示；

本实施例中的驱动组件和/或所述保护组件可分别借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接，图中未示出驱动组件、保护组件对应的连接关系。

本实用新型实施例中的驱动组件是保证功率开关器件在开关控制信号控制下有效地实现开关动作的拓扑电路；保护组件一般指过电压，过电流和过热等故障检测及保护等功能的拓扑电路，保护组件同时可能将检测信号送到IPM外部MCU作相关用途。IPM在各种电机驱动、变频器、逆变器、大功率电源等电力电子领域应用广泛。另外，在本实用新型的具体实现过程中，还可以将驱动组件集成在氮化镓集成组芯片中，如图15A至图15C所示，在图15A至图15C中，其高端驱动10、低端驱动11均集成在氮化镓集成组芯片中，上述设置驱动组件的方式可根据实际需要调整，本实施例不对其限定。

本实施例的三相全桥电路中采用氮化镓高电子迁移率晶体管结构作为功率开关器件，以替换现有技术中的IGBT或MOS管，因氮化镓高电子迁移率晶体管没有寄生的体二极管，因此在工作过程中反向恢复损耗比传统的IGBT或MOS低，有利于提高IPM的效率。一个典型的展示 MOS和GaN HEMT的反向恢复电荷对比结果如图14所示。阴影部分的面积为反向恢复电荷，此电荷越小，代表反向恢复损耗越小。

本实施例的三相全桥电路中采用氮化镓高电子迁移率晶体管结构作为功率开关器件，以替换现有技术中的IGBT或MOS管，可利用现有的工艺设备和成熟简单的工艺，有效减少应用在IPM内部打线的数量，降低加工成本。

本实施例中氮化镓高电子迁移率晶体管没有体二极管，进而氮化镓集成组芯片占有体积减少，形成的三相全桥电路的体积也非常小，使得 IPM的体积降低，提高功率密度。

实施例2

本实施例针对包括三个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路包括三个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个氮化镓集成组芯片内部集成了半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图10A所示，所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

每个氮化镓集成组芯片中的每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应有各自的G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘，且G极焊盘、D极焊盘和 S极焊盘均位于芯片中远离PCB板的一面。芯片的所有连接焊盘均位于芯片的同一面。

图10A示出了实施例2中的三相全桥电路的示意图，在图10A中每个氮化镓集成组芯片的G、S、D极焊盘通过引线焊接到PCB板对应的焊盘位置(如图10A、10B所示的灰色区域)。

即，三个半桥形式的氮化镓集成组芯片，通过正装工艺，使得每个氮化镓集成组芯片的衬底直接焊接在PCB板相应的位置，进而氮化镓集成组芯片上的电极焊盘与PCB板上对应的焊盘通过引线绑定，连接在一起。

三个半桥形式的氮化镓集成组芯片的上端D极，通过引线绑定，连接到PCB板上的焊盘，形成三相全桥电路的输入端一18a，三个半桥形式的氮化镓集成组芯片的下端S极，通过引线绑定，连接到PCB板上的焊盘，形成三相全桥电路的输入端二18b。

进一步地，在图10A和图10B中，半桥形式的氮化镓集成组芯片上端的S极和下端的D极在芯片内部连接在一起，为此，对外表现的为一个焊盘，可通过一个引线连接到PCB板上对应的焊盘，形成三相全桥电路的三个输出端18c。也就是说，每个集成组芯片中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘在芯片内部已经连接，即通过一个晶圆制备的集成组芯片中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘已经连通，对外表现是一个焊盘。

从图10A和图10B中可知，由3个半桥形式的氮化镓集成组芯片组成的三相全桥电路，需要引线绑定的数量为15根，比由原来6个MOS 或IGBT芯片组成的三相全桥电路的引线绑定的18根，少3根，减少16％。

三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均可为所述PCB板上的焊盘电极。

图10E示出了图10A中一个氮化镓芯片正装后的三相全桥电路的输入端、输出端等接口的示意图，图10E中示出了输入端一18a、输入端二 18b、高边控制端18d、低边控制端18e、输出端18c。

此外，当三相全桥电路应用于IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述IPM的引脚上作为 IPM连接外部电路或负载的端口，如图10B所示。

本实施例中，使用在同一晶圆上制造的一致性、上下管对称性优良的半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构取代分立的IGBT或MOS。如图10C和图10D所示，由此，取消并联在IGBT或MOS上的快恢复二极管，从而减少IPM体积，降低IPM的成本，较好解决了现有技术中将 FRD连接进IPM中的工艺复杂度和提高IPM的功率密度。

另外，在IPM内部使用3对在同一晶圆上制造的一致性、对称性优良的半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构取代分立的IGBT或 MOS，若半桥内的两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构本身已有电气连接(如上端D极焊盘和下端的S极焊盘)，此时可以有效减少绑定的引线数量，从而减少三相全桥电路上连接线上的分布寄生参数。

实施例3

本实施例针对包括两个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路包括两个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个氮化镓集成组芯片内部集成了三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图11A所示，氮化镓集成组芯片的形式可以是未经封装的裸芯片，其中一个氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路高端的功率开关，另一个所述氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路低端的功率开关。

图11A示出了实施例3中的三相全桥电路的示意图，每个氮化镓集成组芯片的所有焊盘位于芯片的同一面，且在三相全桥电路中位于远离 PCB板的同一面，即正装在PCB板上。

用作三相全桥电路高端功率开关的集成组芯片中氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘在该集成组芯片内连接，再通过一根引线连接到PCB板上的焊盘后，形成三相全桥电路的输入端一；用作三相全桥电路低端的功率开关的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘在该集成组芯片内连接，再通过一根引线连接到PCB板上的焊盘后，形成三相全桥电路的输入端二，如图11B，本实施例根据实际需要选择。

在图11B中，2个三相全桥电路的上端开关器件或下端开关器件的氮化镓集成组芯片，通过正装工艺，底衬直接焊接到PCB板(铝基板或陶瓷基板)相应的位置。氮化镓集成组芯片上的电极焊盘与PCB板上对应的焊盘，通过引线绑定，连接在一起。

上述图11B所示可得，由2个三相全桥电路的上端开关器件或下端开关器件的氮化镓集成组芯片，需要引线绑定的数量为14根，比由原来 6个MOS或IGBT芯片组成的三相全桥电路的引线绑定的18根，少4根，减少22％。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述IPM的引脚上作为IPM 连接外部电路或负载的端口。如图11C所示，两个氮化镓集成组芯片取代MOS管的原理图，如图11D所示，两个氮化镓集成组芯片取代IGBT 的原理图。

实施例4

本实施例针对包括一个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路包括一个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个氮化镓集成组芯片内部集成了六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图12A所示，氮化镓集成组芯片的形式可以是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

本实施例中，芯片中所有氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应的连接焊盘均位于芯片的同一面，且在芯片正装在PCB板上时，芯片的所有连接焊盘位于芯片的远离PCB板的一面。

图12A示出了实施例4中的三相全桥电路的示意图，集成组芯片中上端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘可在该集成组芯片内连接，再通过一根引线连接到PCB板上的焊盘后，形成三相全桥电路的输入端一，下端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘可在该集成组芯片内连接，再通过一根引线连接到PCB板上的焊盘后，形成三相全桥电路的输入端二。对于上端，3个氮化镓晶体管结构的 D极已经在芯片内部连接在一起，所以焊盘表现出来就是一个焊盘。

此外，上述图12B所示可得，1个集成了三相全桥电路的氮化镓集成组芯片，需要引线绑定的数量为11根，比原来由6个MOS或IGBT 芯片组成的三相全桥电路的引线绑定的18根，少7根，减少38％。

也就是说，当集成组芯片正装在PCB板上时，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均可连接到所述IPM的引脚上作为 IPM连接外部电路或负载的端口。进一步地，如图12C所示，在图12C 中示出了IPM中的用于连接负载如电机的输出端18c。

在图12D中示出了一个氮化镓集成组芯片取代MOS管的原理图，在图12E中示出了一个氮化镓集成组芯片取代IGBT的原理图。

实施例5

本实施例针对包括六个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路包括六个正装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个氮化镓集成组芯片内部集成了单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图16A所示，氮化镓集成组芯片的形式可以是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

本实施例中，芯片中所有氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应的连接焊盘均位于芯片的同一面，且在芯片正装在PCB板上时，芯片的所有连接焊盘位于芯片的远离PCB板的一面。

图16A示出了实施例5中的三相全桥电路的示意图，集成组芯片中上端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘分别通过各自引线连接到PCB板上的焊盘后，再通过PCB板内走线连接，形成三相全桥电路的输入端一，下端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S 极焊盘通过各自引线连接到PCB板上的焊盘后，再通过PCB板内走线连接，形成三相全桥电路的输入端二。

当集成组芯片正装在PCB板上时，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均可连接到所述IPM的引脚上作为 IPM连接外部电路或负载的端口。

在图16B中示出了一个氮化镓集成组芯片取代MOS管的原理图，在图16C中示出了一个氮化镓集成组芯片取代IGBT的原理图。

本实施例中6个氮化镓集成组芯片，通过正装工艺，底衬直接焊接到PCB板(铝基板或陶瓷基板)相应的位置。芯片上的电极焊盘与PCB 板上对应的焊盘，通过引线绑定，连接在一起。

上端的D极通过引线连接到PCB板上对应的焊盘，形成三相全桥的输入端1，同理，下端的的S极，可以形成三相全桥的输入端2。

或者，在另一实现方式中，三相全桥电路的上端开关器件的3个D 极和下端的三个S极，通过引线绑定，连接到相应的PCB板上的焊盘上，分别形成三相全桥的输出端1，输出端2，输出端3。

上述图16A所示可得，由6个氮化镓集成组芯片组成的三相全桥电路，需要引线绑定的数量为18根，虽然与原来6个MOS或IGBT芯片组成的三相全桥电路的引线绑定的18根，绑定数量保持一致，但是却少了6个快速恢复二极管，PCB板的面积减少，从而最减少IPM的大小，增加IPM的集成度。

实施例6

上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片中的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的电路符号表示如图13A所示，上述的氮化镓高电子迁移率晶体管结构均可为单独的一个氮化镓高电子迁移率晶体管，且不需要连接FRD。图13A和图7(a)的内容一致，为了更好的说明本实施例，单独设置一个图13A。

在一种可选的实现方式中，上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片的内部还包括用于驱动内部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的驱动电路，所述氮化镓集成组芯片内部每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路，如图13B所示。即，氮化镓集成组芯片中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构和相对应的驱动电路均是在晶圆制备过程中形成的。图13C示出了带驱动电路的半桥形式的三个氮化镓集成组芯片正装在PCB板上的三相全桥电路的示意图，图13D示出了带驱动电路的全桥形式的一个氮化镓集成组芯片正装在PCB板上的三相全桥电路的示意图。若IPM中采用图13C的氮化镓集成组芯片，则对应的IPM的示意图如图15A所示，没有单独的驱动组件。或者，如图13D 所示的氮化镓集成组芯片，则对应的IPM的结构如图15C所示。在图13E 和图13F中示出了氮化镓集成组芯片中每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构可以是多个并联的氮化镓高电子迁移率晶体管子结构的组成，本实施例对每个氮化镓集成组芯片中每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的形成方式不限定，可根据实际需要选择一个或多个并联子结构组成。

在IPM内使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，因GaN HEMT无反向恢复损耗，开关速度较类似规格的IGBT或MOS快，利于提高IPM的开关速度，在电机驱动系统中应用时，可提高逆变三相正弦波的精度，降低谐波，减少电机绕组的发热。

在第五种可选的实现方式中，上述任意氮化镓集成组芯片中的氮化镓高电子迁移率晶体管结构可以是多个晶体管子结构并联形成的。

使用半桥或全桥形式的集成组芯片的优势：

1、通过用3种专用的半桥形式的集成氮化镓集成组芯片，以正装方式替换原硅IPM里面三相全桥电路中6个相互独立的IGBT或者MOS，在不改变原封装产线的工艺制程下，在仅对原硅IPM器件的PCB板重新布线，简化和减少了许多原封装产线制程的步骤数量，提高产线生产效率和良品率，生产出性能优异的第三代半导体氮化镓IPM。

2、通过全桥形式的集成氮化镓集组芯片替换原始IPM电路中6个相互独立的IGBT或者MOS,驱动电路，利用氮化镓功率器件的优异性能，实现高集成度、高功率密度、高能效和高可靠性的新型第三代半导体氮化镓IPM。

3、在半桥或全桥的集成组芯片内部的上下两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构之间的连接直接在芯片的晶圆上实现，比之用PCB相连寄生电感更小，有利于提高IPM的性能。

4、若使用带驱动的GaN HEMT半桥或全桥，集成度更高，因此需要SIP封装的面积更小，同时带了GaN的驱动，非常便于跟IPM的信号驱动电路相连。

另外，本实用新型的优点说明如下：

1)在IPM里使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，因GaN HEMT 特殊的反向特性使得GaN HEMT用在IPM内部时不需要并联二极管，省去了6个二极管的成本，减小封装后IPM的体积、降低IPM生产的工艺复杂度，同时少了二极管在开关过程中的损耗，提高IPM的能量转换效率，集成度及功率密度。

2)利用GaN HEMT电极在同一个平面的特性，无论是硅基或其他诸如蓝宝石等基的氮化镓芯片将直接正装贴在铝基板或陶瓷基板的PCB 上，有利于功率芯片的直接散热；另外，氮化镓芯片导通电阻比IGBT或 MOS小，没有反向二极管，从而产生的热量就减少，源头上增强IPM整体的散热。

3)在IPM中使用高度集成的氮化镓集成组芯片取代IGBT或MOS，使原硅IPM的开关器件芯片数从12个减少至6、3、2和1个，集成度的提高极大地缩小IPM体积、减少芯片与芯片之间的引线绑定(减少比例最大可达38％)，减少IPM的寄生参数影响，提高IPM的可靠性。其次，减少引线绑定的材料和次数，从而简化工艺、降低生产成本。

4)通过氮化镓集成组芯片集成驱动部分，除了起到功率芯片的驱动信号的产生，还能够起到电平驱动信号PWM的电平转换功能，能实现直接替换原硅功率器件IPM里的IGBT或MOSFET及驱动组件部分，从而减少分布参数影响及IPM封装体积，提高抗干扰，稳定性能和功率密度。

本实用新型实施例中部分实施例中采用PCB描述，部分实施例中采用PCB板描述，其代表含义是相同的，均是实现三相全桥电路连接走线的PCB板。PCB板上的焊盘/焊盘电极表示的是同一个含义。

还需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

上述各个实施例可以相互参照，本实施例不对各个实施例进行限定。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。