一种GaN半桥功率模块集成封装结构及其封装方法与流程

本发明涉及功率模块集成设计，特别涉及一种gan半桥功率模块集成封装结构及其封装方法。

背景技术：

1、近年来传统的si基功率模块达到其自身的材料性能极限，氮化镓(gan)作为宽基带半导体材料具有高饱和电子速率(2.7×107cm/s)和电子迁移率(1000cm2/(v.s))的优点，并且高达的击穿电场强度使得其可以耐高压。gan电力电子器件主要以gan高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)为主，该器件的algan/gan异质结界面存在高密度的二维电子气(two-dimensional electron gas，2deg)，而2deg的电子迁移率更是高达2000cm2/(v.s)。因此gan特别适合应用于无线充电、基站、雷达和车载充电器等高频快开关功率转换中。

2、高频快开关下势必带来较高的dv/dt和di/dt，较高的封装寄生电感将引起漏极电压过冲、栅极错误触发、振铃和电磁干扰等不良现象，阻碍gan起价你的高频优势的发挥。当下低电感的gan器件封装技术和模块集成封装技术成为主流研究方向。

3、单芯片封装主要是由国际厂家商用开发，如transphorm公司的gan hemt是利用一个gan和一个sic mosfet采用cascode级联实现增强型，主要采用to-247和to-220等封装形式，由于引线互联和插针形端子，电感达到10nh左右；efficient power conversion(epc)公司的gan hemt主要采用芯片级lga和bga的封装形式，其产品尺寸特别小，有的甚至小于2mm2，由于尺寸小，封装引线特别短，所以寄生的电阻电感也是特别的小；gan systems公司的增强型gan hemt的封装设计主要是采用嵌入式封装(embedded componentpackaging)，就是把gan hemt芯片封装入封装基板中，再通过芯片金属层、cu rdl和基板cu层引出源、漏、栅极和散热板。这种嵌入式封装的优点是利用cupiller和cupost实现无引线键合，具有很低的寄生电感，并且封装过程和产品的可靠性得到了很大程度的提高；整个器件只有0.5mm左右的封装厚度，并且都是利用铜布线层实现电路连接，具有很低的导通电阻，但是由于基板是导热系数较低的环氧树脂，散热性能较差。

4、模块集成封装主要对象是gan hemt芯片、驱动芯片以及去耦电容等，利用印制电路板pcb、直接覆铜板dbc、绝缘金属基板ims等载板进行低电感互联和高导热散热，典型的结构：最传统的gan芯片焊接在图形化的dbc上面，然后通过引线或者cu clip互联，驱动通过smt元器件在pcb上实现，再然后将驱动和芯片连通。为了避免引线带来的额外电感，可以将芯片倒装在dbc上面，驱动和去耦电容也可焊接在dbc上，但这种方式芯片背面被塑封热量不能很好散出。2020年西安交通大学将两个gan芯片采用嵌入式技术内嵌到pcb基板里面，利用铜层进行互联和散热，集成了驱动和去耦电容形成半桥，电感低至0.305nh，节壳热阻为0.42℃/w；2021年西安交通大学又利用两层dbc和4个gan芯片形成三明治结构的双面散热模块，电感低至0.95nh；2022年弗吉尼亚理工大学将2个氮化镓裸芯片直接嵌入pcb板及dbc基板之间用于热提取，并集成去耦电容形成半桥模块，电感低至1.112nh，节壳热阻为0.099℃/w。

5、但是，以上的模块封装都要利用单个pcb嵌入式技术、多层陶瓷基板双面散热技术或者陶瓷基板结合pcb的方案实现，单个pcb嵌入式技术方案由于低导热的有机材料包裹芯片而热量不能很好散出，双面散热技术方案由于采用多层陶瓷基板虽然散热性能优良但成本昂贵工艺复杂，陶瓷基板结合pcb的方案需涉及有机基板pcb和陶瓷基板两种工艺，两种基板互联线路存在大电感和可靠性不高的缺点。

技术实现思路

1、本发明提供了一种gan半桥功率模块集成封装结构及其封装方法，其目的是为了降低芯片的寄生电感，同时提高芯片的散热能力。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种gan半桥功率模块集成封装结构，包括：

3、陶瓷基板，陶瓷基板的上表面覆有具有图案化的顶部覆铜层，陶瓷基板的下表面覆有具有图案化的底部覆铜层，陶瓷基板的上表面开设有芯片嵌入槽，陶瓷基板上还开设有多个贯穿上表面和下表面的通孔，顶部覆铜层和底部覆铜层通过通孔的孔壁电连接；

4、功率模块，功率模块包括第一功率芯片、第二功率芯片和去耦电容，第一功率芯片和第二功率芯片均嵌入芯片嵌入槽内，第一源极端子和第二源极端子均通过通孔的孔壁与底部覆铜层连接，去耦电容安装于陶瓷基板的上表面，且去耦电容的引脚通过通孔与底部覆铜层连接；

5、外接端子，外接端子包括母线电压正极端子、母线电压负极端子、功率输出端子、第一栅极端子、第一源极端子、第二栅极端子和第二源极端子；

6、第一功率芯片的漏极与去耦电容的第一引脚连接的连接点作为母线电压正极端子，第二源极端子与去耦电容的第二引脚连接的连接点作为母线电压负极端子，第一源极端子连接第二功率芯片的漏极，构成一个桥臂，桥臂的中点作为功率输出端子，第一源极端子与第一功率芯片的源极连接，第一栅极端子与第一功率芯片的栅极连接，第二源极端子与第二功率芯片的源极连接，第二栅极端子与第二功率芯片的栅极连接。

7、进一步来说，gan半桥功率模块集成封装结构还包括：散热槽，散热槽位于陶瓷基板的下表面与芯片嵌入槽相对的位置，散热槽内填充满有散热块，第一功率芯片和第二功率芯片的底部均与散热块连接。

8、进一步来说，顶部覆铜层的表面设有绿油层。

9、进一步来说，第一功率芯片和第二功率芯片的底部均通过纳米银焊料和散热块烧结。

10、进一步来说，铜夹包括第一铜夹、第二铜夹、第三铜夹、第四铜夹和第五铜夹，去耦电容通过第一铜夹与第一功率芯片的漏极连接，第一功率芯片的源极通过第二铜夹与第二功率芯片的漏极连接，第二功率芯片的源极通过第三铜夹与底部覆铜层连接，第一功率芯片的栅极通过第四铜夹与第一栅极端子连接，第二功率芯片的栅极通过第五铜夹与第二栅极端子连接。

11、进一步来说，第一功率芯片、第二功率芯片与芯片嵌入槽之间的缝隙填充有底填胶。

12、本发明还提供了一种gan半桥功率模块集成封装结构的封装方法，包括：

13、步骤1，选择陶瓷基材，并利用数控铣的方式对陶瓷基材进行加工，得到陶瓷基板，并在陶瓷基板上形成散热槽以及多个贯穿上表面和下表面的通孔；

14、步骤2，通过dpc技术，在陶瓷基板的上表面和下表面溅射种子层，得到图案化后的顶部覆铜层和图案化后的底部覆铜层；并对通孔的孔壁进行镀铜处理，得到孔壁镀铜后的通孔；

15、步骤3，在散热槽内进行镀铜处理，形成用于填充满散热槽的散热块；

16、步骤4，在陶瓷基板的上表面开设芯片嵌入槽，将第一功率芯片和第二功率芯片均嵌入芯片嵌入槽，第一功率芯片、第二功率芯片的底部均通过纳米银焊料与散热块进行烧结；

17、步骤5，将第一功率芯片的源极通过第二铜夹与第二功率芯片的漏极连接，第二功率芯片的源极通过第三铜夹与底部覆铜层连接，第一功率芯片的栅极通过第四铜夹与第一栅极端子连接，第二功率芯片的栅极通过第五铜夹与第二栅极端子连接；

18、步骤6，将第一功率芯片的漏极作为母线电压正极端子，将第二功率芯片的源极作为母线电压负极端子，将第一功率芯片的源极连接第二功率芯片的漏极，构成一个桥臂，将桥臂的中点作为功率输出端子，将母线电压正极端子、母线电压负极端子安装于功率模块的一侧；将第一栅极端子、第一源极端子、第二栅极端子和第二源极端子均相对安装于半桥功率回路的另一侧；

19、步骤7，将去耦电容焊接于陶瓷基板的上表面，去耦电容通过第一铜夹与第一功率芯片的漏极连接，得到功率模块集成封装结构。

20、进一步来说，在步骤3之后还包括：

21、在顶部覆铜层的表面涂覆绿油，形成绿油层；

22、对底部覆铜层的线路进行镍金防氧化处理。

23、进一步来说，步骤4还包括：

24、通过底填胶对第一功率芯片、第二功率芯片与芯片嵌入槽的槽壁之间的缝隙进行填充。

25、本发明的上述方案有如下的有益效果：

26、本发明由第一功率芯片、第二功率芯片与去耦电容构成的功率回路采用垂直布局，采用嵌入式技术将第一功率芯片和第二功率芯片直接内嵌到高导热的陶瓷基板中，陶瓷基板的上表面堆叠去耦电容，母线正负极、桥臂中点以及第一功率芯片和第二功率芯片的栅极通过端子引出，将功率模块集成在陶瓷基板上，嵌入式芯片与覆铜层通过铜夹互联，减小了功率回路电流传输面积，既提高了高功耗芯片的散热能力又降低了芯片的寄生电感；且不只限于平面gan器件，也适用于单芯片桥臂、多芯片并联桥臂的半桥和全桥等功率转换电路中。

27、本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。