半桥电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求2013年10月29号提交的第14/065, 715号美国专利的优先权，通过 引用将其包括在本申请的整体内。本发明是在美国政府合同约定下完成的。美国政府对本 发明享有一定权利。
[0002] 本申请设及半桥电路，具体设及减少具有垂直电流环路的半桥转換器中的功率环 路和栅极环路电感。
【背景技术】
[0003] 半桥电路用于将直流电转换成直流电，直流电转换成交流电，或交流电转换成直 流电。转换较高频的电从而能够使用小型且较便宜的无源器件。对于大尺寸的切换开关， 寄生电感和栅极电阻会减缓其开启时间，如图1所示，其展示了一个20A、350V的氮化嫁异 质结场效应晶体管的切换。
[0006] 将栅极电压减小AVgs后，存在于半桥电路的功率环路中的电感减慢了电流切换 时间Ti,电流切换时间TI是通过下面的等式1来近似计算。栅极电阻减缓了电压切换时 间Tv,电压切换时间TV是通过下面的等式2来近似计算的。Id和Qgd是与转换功率成正 比地增加，但是源极寄生电感Lg和栅极电阻Rg不会与转换功率成正比地减小，因此大尺寸 切换开关都会有一个较慢的开启时间W及在高频转换时有一个更低的效率。正向栅-源极 电压Vg+和台阶电压VPbt-般不会随着切换开关的尺寸而改变。
[0007] 一个横向电源20A的氮化嫁异质结场效应晶体管切换开关可W有6并联的单元， 每个单元都有并联的若干个721毫米长的指状物。在运样一个设计里，上述20A的切换开 关的栅极电阻Rg是受控于栅极馈电电阻。表1展示了若干不同尺寸和类型的氮化嫁异质 结场效应晶体管的估算的开启时间。
[0009] 在一个多单元的设计里，功率环路电感和转换电流会增加电压超调量。图2展示 了一个20A、350V的氮化嫁异质结场效应晶体管的切断时由12纳亨的功率环路电感导致的 一个150V的超调量。超调量的电压会损害切换开关，或者要求更高额定电压的切换开关， 而运将会增加导通电阻（R。。）。高的导通电阻R。。会导致较高的传导损耗W及降低切换开关 的效率。导通电阻（R。。）通常会与切换开关的额定电压的平方成正比增加。
[0010] 栅极电感也会减缓转换过程W及导致振铃。栅极电压的振铃会导致高超调量电 压，运会损害切换开关。一个横向切换开关内部固有的栅极电感会随着切换开关尺寸而增 加，也会随着栅极电容而增加。随着切换开关尺寸而反正比地来减小外部线接合栅极电感， 是一个技术挑战。由于栅极电感和切换开关电容而导致的振铃随着切换开关的尺寸而增 加。
[0011] 随着横向切换开关在尺寸上增加，馈电电阻对R。。的贡献也急剧增加。装置锻金属 层的厚度和表面电阻通常受到平版印刷的约束。为了阻止馈电电阻控制R。。，需要更宽的馈 电路径，而运会增加切换开关的面积，增加R。。*面积的值，从而增加切换开关的成本。上面 的表1展示了将具有栅极宽度为432毫米的6单元设计结构与单个单元或并联的切换开关 增加R。。*面积的值的对比。
[0012] 现有技术中半桥切换开关常常使用娃制成。在更快速的技术中，比如使用氮化嫁， 切换时间至少快了 5倍，但上面的问题显得更加严重。
[0013] 最终，一个不成熟切换开关技术的转换收益会随着切换开关的尺寸增加而急剧降 低。小尺寸的切换开关的收益可W是高的，但对于大尺寸的切换开关来说，其转换收益是相 当低的。
[0014] 需要可W解决现有技术中上述问题的半桥电路装置。减少了源极电感、栅极电阻、 环路电感，同时增加了转换效益，运样的半桥电路装置是被期望的。本申请的实施例就是来 满足上述需求和其他需求的。
【发明内容】
[0015] 在被公开的第一个实施例中，半桥电路包括一绝缘衬底；一位于一金属层上的功 率环路衬底；一位于上述功率环路衬底上的上切换开关；一位于上述功率环路衬底上的下 切换开关，其连接于上述上切换开关；一位于上述功率环路衬底上的电容，其连接于上述上 切换开关；一贯穿上述功率环路衬底的第一沟道，其被连接于上述下切换开关与金属层之 间；W及一贯穿上述功率环路衬底的第二沟道，其被连接于上述电容与金属层之间；其中， 上述功率环路衬底具有一定高度，并通过此高度将上述金属层与上切换开关、下切换开关、 电容运=者隔开。
[0016] 在被公开的另一实施例中，半桥电路包括一衬底；一位于此衬底上的上切换开关； 一位于此衬底上的下切换开关，其连接于上述上倍切换开关；一第二衬底；一位于此第二 衬底上的金属层；连接于上述金属层的第一沟道和第二沟道，其中第一沟道连接于上述下 切换开关；一位于上述第二衬底上的电容，其连接于上述金属层，其还通过第二沟道与上切 换开关连接；一位于金属层与上切换开关、下切换开关之间的功率环路衬底，其中此功率环 路衬底具有一定高度，并通过此高度将上述金属层与上切换开关、下切换开关、电容运=者 隔开。
[0017] 在被公开的另外一个实施例中，半桥电路包括一第一衬底；一位于此第一衬底上 的上切换开关；一第二衬底；一位于此第二衬底上的下切换开关，此下切换开关朝向上切 换开关放置；位于第一衬底和第二衬底之间的第一柱端和第二柱端，其用于将第一衬底支 撑于第二衬底上，下切换开关电连接于上切换开关；一分别连接于上切换开关、下切换开关 的电容；W及一位于上切换开关与上切换开关之间的功率环路衬底；其中此功率环路衬底 具有一定高度，并通过此高度将上述金属层与上切换开关、下切换开关、电容运=者隔开。
[0018] 从接下来的详细描述和相应的附图中上述那些和其他的技术特征将会变得很清 楚明显。在下面的附图和描述中，若干个数字标号标示出了许多技术特征，在全部附图和描 述中相同的数字标号指代相同的技术特征。
【附图说明】
[0019] 图1展示了现有技术中一个20A、350V的氮化嫁异质结场效应晶体管的切换波形 图，其展示了一个16纳秒的长的切换时间；
[0020] 图2展示了现有技术中一个氮化嫁异质结场效应晶体管切换开关的切断波形图， 其展示了一个150V的超调量；
[0021] 图3A-3D展示了一纵向功率环路半桥电路，其具有位于切换电流和微带传输线栅 极母线上的返回电流。图3A展示了本申请半桥电路的框图，图3B展示了本申请半桥多忍 片模组衬底的横截面，图3C展示了本申请在一多忍片模组功率环路衬底上的并联10个切 换开关的半桥电路的二维照片，图3D展示了本申请的上切换开关和下切换开关更高放大 倍数的照片； 阳02引图4展示了本申请当介电常量为6. 8和边缘电容为pF/mm时，电感/长度、电容/ 长度与W/h的关系曲线；
[0023] 图5展示了本申请具有十个（10)20毫米的切换开关的氮化嫁异质结场效应晶体 管多忍片模组，W及在小于4纳秒内切换8A电流和200V电压同时振铃小于20V的多忍片 模组的开启时的屏幕截图；
[0024] 图6A和6B展示了一纵向功率环路半桥电路，其具有在切换电流和微带传输线栅 极母线上的返回电流。图6A展示了本申请半桥电路的电路框图，其展示了功率环路W及关 键元件；图6B展示了本申请半桥多忍片模组衬底的横截面，其展示了沟道连接件；
[00巧]图7A-7C展示了一具有纵向功率环路的集成半桥电路。图7A展示了本申请半桥 电路的电路框图，其展示了功率环路W及关键元件，图7B展示了本申请半桥集成电路和多 忍片模组衬底的横截面，图7C展示了本申请位于多忍片模组衬底上的两个半桥集成电路 的二维视图；
[00%]图8A-8C展示了一具有纵向功率环路的集成半桥电路，其用衬底沟道来代替接合 线。图8A展示了本申请半桥电路的电路框图，其展示了功率环路W及关键元件，图8B展示 了本申请半桥集成电路和多忍片模组衬底的横截面，其展示了沟道连接件，图8C展示了本 申请位于多忍片模组衬底上的一个两半桥集成电路的二维视图；
[0027] 图9A和9B展示了一切换开关在另一切换开关之上的纵向功率环路。图9A展示 了本申请半桥电路的电路框图，此电路框图展示了功率环路和一些关键元件；图9B展示了 在多忍片模组衬底并都安装于其上的若干半桥切换开关的横截面；
[0028] 图IOA和IOB展示了一切换开关在另一切换开关之上的纵向功率环路，其中切换 开关通过背面进行连接。图IOA展示了本申请半桥电路的电路框图，此电路框图展示了功 率环路和关键元件；图IOB展示了本申请背面具有沟道和多忍片模组衬底的半桥切换开关 的横截面；
[0029] 图IlA和IlB展示了电压超调量、环路谐振频率对切换开关长度W的曲线图。图 IlA和IlB展示了本申请当h分别为200微米和20微米时的曲线图；
[0030] 图12A和12B展示了图6B的实施例的纵向栅极环路。图12A展示了本申请半桥 多忍片模组衬底的横截面，其展示了栅极环路，图12B展示了本申请图6B实施例的半桥电 路的二维视图，其展示了连接件和方向维度；
[0031] 图13A和13B展示了图6B的实施例中的使用了集成半桥电路的纵向栅极环路。 图13A展示了本申请半桥电路的横截面，其展示了集成电路和多忍片模组衬底栅极环路， 图13B展示了本申请半桥电路的二维视图；W及
[0032]图14展示了本申请栅极微带传输线中一段的衰减网络系统。
【具体实施方式】
[0033]接下来的说明书中，许多具体的细节被陈述，W清楚明白地描述多个被公开的具 体实施例。本领域的技术人员可W了解的是，当前要求的申请是可W被实施而必包括下面 被讨论的全部具体细节。在其他的例子中，一些公知的技术特征没有被描述但运也不会使 本申请产生描述不清的问题。
[0034] 图3A-3D展示了 一个纵向功率环路半桥电路10,其具有流过沟道60、62和位于上、 下切换开关14、16下面的金属层64的返回电流。具体地，图3A展示了一个半桥电路的框 图，展示了纵向功率环路2,其通过电流，电流经过上切换开关14、下切换开关16、电容18W 及连接件20、22、24。连接件24是返回电流连接件。现有技术中，连接件24可W简单地就 是一根导线，用于连接下切换开关16的末端32和电容18。上切换开关14和下切换开关 16可W是场效应晶体管40、42,其分别被栅极驱动器44、46驱动，栅极驱动器44、46可W是 放大器，或者图腾柱电路。栅极电流环路26、28也被展示在图中，其存在于场效应管40、42 和栅极驱动器44、46之间。本领域技术人员可W明白，说明书中上切换开关、下切换开关中 的"上"和"下"不是指物理实际排列，而是指切换开关相对于地的电势。 阳03引 图3B展示本申请一构造于多忍片模组（MCM，Multi-化ipMo化Ie)上的半桥电路 的横截面。图3C展示了一张在一具有功率环路衬底48的并联的半桥电路中的10个切找 开关的二维照片，图3D展示了本申请的若干上切换开关和下切换开关的更高放大倍数的 照片。
[0036]如图3B，纵向功率环路50具有一返回电流52,其紧邻流经切换开关的电流54,电 流54可W称之为切换电流。纵向功率环路50的楠圆曲线在图3B中是抽象概念性的。切 换电流54实际上流经上、