一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，包括上橋臂器件、下橋臂器件和母線(xiàn)電容，上橋臂器件、下橋臂器件是LGA封裝的GaN器件，母線(xiàn)電容是貼片封裝。兩個(gè)GaN器件并排放置，多個(gè)母線(xiàn)電容放置在兩個(gè)GaN器件中間。上橋臂器件的每一個(gè)源極引腳和下橋臂器件的一個(gè)漏極直接相連，上橋臂器件的每一個(gè)漏極和下橋臂器件的一個(gè)源極分別連接到一個(gè)母線(xiàn)電容的兩個(gè)電極。本發(fā)明采用的布局方式，可以有效地減小高頻功率回路的面積，同時(shí)充分利用了LGA封裝漏極和源極引腳交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)的高頻功率電流回路，從而明顯地降低了高頻功率回路寄生電感，減小了開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓和振蕩。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功 率集成模塊。

【背景技術(shù)】
[0002] GaN功率器件是近幾年出現(xiàn)并逐步商業(yè)化的熱門(mén)新材料器件，與Si器件相比具有 優(yōu)越的通態(tài)特性和非常好的開(kāi)關(guān)特性，因此在較短的時(shí)間內(nèi)就吸引了工業(yè)界的關(guān)注，從事 應(yīng)用研究的學(xué)者們也開(kāi)展了大量的研究工作，將其應(yīng)用到POL、DC/DC等低壓、小功率的電 源裝置中。研究表明，用GaN器件替換Si器件可以大幅度提高開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)保持了良好 的效率指標(biāo)。毫無(wú)疑問(wèn)，在低壓、小功率應(yīng)用中，GaN器件將會(huì)獲得越來(lái)越普遍的應(yīng)用，并極 大的促進(jìn)這些領(lǐng)域電源裝置在功率密度、效率等方面的性能的提高。
[0003] 但在GaN器件的應(yīng)用過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，如：GaN器件 的柵極驅(qū)動(dòng)電荷（Qg)很小，結(jié)電容也非常小，因此開(kāi)關(guān)速度比Si器件快得多。好的一面 是可以提高開(kāi)關(guān)頻率，但壞的一面就是開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)關(guān)支路的電流變化非常迅速、di/dt很 高。由于功率回路中不可避免的存在寄生電感，當(dāng)電流迅速變化時(shí)，在開(kāi)關(guān)器件兩端會(huì)產(chǎn)生 很高的尖峰過(guò)電壓。輕則造成電路誤動(dòng)作、EMI超標(biāo)，重則導(dǎo)致器件擊穿損壞。GaN器件很 高的開(kāi)關(guān)速度導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)過(guò)程中的寄生振蕩和過(guò)電壓現(xiàn)象遠(yuǎn)比Si器件明顯。GaN器件由于 開(kāi)關(guān)速度更快，因此對(duì)電路中的寄生電感更為敏感。如果布線(xiàn)不夠優(yōu)化，寄生電感較大，則 會(huì)直接影響電路的正常工作。另外，GaN芯片尺寸小，又沒(méi)有散熱基板，其熱量的散發(fā)全靠 引線(xiàn)傳導(dǎo)至安裝基板（PCB基板），然后再通過(guò)PCB基板散發(fā)到環(huán)境中，這導(dǎo)致器件結(jié)殼熱阻 很大。芯片尺寸小、電路中幾個(gè)GaN器件又必須相互靠近安裝以減小回路寄生電感，因此導(dǎo) 致熱集中。以上兩個(gè)問(wèn)題決定了 GaN器件的散熱非常不好，難以完全發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。
[0004] 針對(duì)GaN器件應(yīng)用的這些問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)展了 一些研究工作，現(xiàn)有針對(duì)GaN器件的布 局和布線(xiàn)方案，有效地減小了高頻功率回路電感，最優(yōu)結(jié)構(gòu)為0. 4nH，是目前最好的方案。然 而，寄生振蕩現(xiàn)象依然存在，有必要進(jìn)一步優(yōu)化布局和布線(xiàn)方式以減小商頻功率回路電感。 采用高熱導(dǎo)率的氧化鋁基板，可以有效地提高GaN集成模塊的散熱性能。然而，氧化鋁基板 只能單層或雙層布線(xiàn)，且基板厚度較大，這對(duì)布線(xiàn)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。在氧化鋁基板上，最 優(yōu)布線(xiàn)結(jié)構(gòu)的功率回路電感大約是1.2nH，這會(huì)給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電壓尖峰和振蕩。所以很 有必要在高熱導(dǎo)率的基板（例如氧化鋁基板和氮化鋁基板）上尋求一種更優(yōu)的布線(xiàn)方式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊， 通過(guò)優(yōu)化布局和布線(xiàn)方式，能夠有效的降低回路寄生電感。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 包括上橋臂器件、下橋臂器件和多個(gè)母線(xiàn)電容，上橋臂器件、下橋臂器件和多個(gè)母 線(xiàn)電容位于基板的一側(cè)表面上，上橋臂器件和下橋臂器件平行并排放置，多個(gè)母線(xiàn)電容安 放在上橋臂器件與下橋臂器件中間；每個(gè)母線(xiàn)電容的一個(gè)電極與上橋臂器件的一個(gè)漏極對(duì) 應(yīng)相連，上橋臂器件的所有漏極相互連接，每個(gè)母線(xiàn)電容的另一個(gè)電極與下橋臂器件的一 個(gè)源極對(duì)應(yīng)相連，下橋臂器件的所有源極相互連接；上橋臂器件的所有源極與下橋臂器件 的所有漏極一一對(duì)應(yīng)相連。
[0008] 所述上橋臂器件和下橋臂器件均為L(zhǎng)GA封裝的GaN器件，母線(xiàn)電容為貼片0201封 裝。
[0009] 所述基板內(nèi)設(shè)置有一層屏蔽層，屏蔽層是一個(gè)導(dǎo)電平面。
[0010] 所述基板為PCB板或LTCC板或氧化鋁基板或氮化鋁基板。
[0011] 所述基板的另一側(cè)表面上設(shè)置有間隔排列的母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)、橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)以 及母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)，母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)通過(guò)基板上的過(guò)孔與上橋臂器件的漏極相連，母 線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)通過(guò)基板上的過(guò)孔與下橋臂器件的源極相連，橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)通過(guò)基板上的 過(guò)孔與橋臂中點(diǎn)相連。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用的布局方式，可以有效地減小高頻功率回路的 面積，同時(shí)充分利用了 LGA封裝漏極和源極引腳交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)的高 頻功率電流回路，從而明顯地降低了高頻功率回路寄生電感。屏蔽層采用一個(gè)完整的導(dǎo)電 平面，利用其去磁作用，可以進(jìn)一步的減小高頻功率回路寄生電感。本發(fā)明的功率集成模 塊，其適用于LGA封裝形式的GaN器件，可以明顯地降低高頻功率回路的寄生電感，使得應(yīng) 用中的開(kāi)關(guān)回路避免出現(xiàn)過(guò)大的振蕩和尖峰。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是功率集成模塊中帶母線(xiàn)電容的橋臂電路圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0015] 圖3是圖2的A-A剖視圖；
[0016] 圖4是頂部導(dǎo)電層的高頻功率電流的矢量分布圖；
[0017] 圖5是屏蔽層的電流矢量分布圖；
[0018] 圖中：1.上橋臂器件，2.下橋臂器件，3.母線(xiàn)電容，4.母線(xiàn)電壓正極，5.母線(xiàn)電壓 負(fù)極，6.屏蔽層，7.基板，8.連接母線(xiàn)電壓正極和母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)的過(guò)孔，9.連接母線(xiàn)電 壓負(fù)極和母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)的過(guò)孔，10.高頻功率回路，11.連接橋臂中點(diǎn)和橋臂中點(diǎn)焊盤(pán) 的過(guò)孔，12.母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)，13.橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)，14.母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 本發(fā)明所述GaN功率集成模塊中上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線(xiàn)電容3順序相 連構(gòu)成高頻功率回路，上橋臂器件1和下橋臂器件2平行并排放置，多個(gè)貼片母線(xiàn)電容放置 在上橋臂器件1與下橋臂器件2中間。上橋臂器件1的所有源極和下橋臂器件2的所有漏 極分別對(duì)應(yīng)直接相連，上橋臂器件1的一個(gè)漏極和下橋臂器件2的一個(gè)源極分別連接到一 個(gè)母線(xiàn)電容的兩個(gè)電極。具體說(shuō)明如下：
[0021] 如圖1所示，上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線(xiàn)電容3順序相連構(gòu)成高頻功率回 路10。
[0022] 如圖2所示，上橋臂器件1、下橋臂器件2和多個(gè)母線(xiàn)電容3位于基板7的同一表 面（正面）。上橋臂器件1和下橋臂器件2均為L(zhǎng)GA封裝的GaN器件。上橋臂器件和下橋 臂器件的封裝大小相同，但也可以采用不同封裝大小的上橋臂器件和下橋臂器件，上橋臂 器件1和下橋臂器件2并排放置，母線(xiàn)電容3放置在上橋臂器件1和下橋臂器件2的中間。 每個(gè)母線(xiàn)電容3的一個(gè)電極與上橋臂器件1的一個(gè)漏極對(duì)應(yīng)相連，上橋臂器件1的所有漏 極相互連接，每個(gè)母線(xiàn)電容3的另一個(gè)電極與下橋臂器件2的一個(gè)源極對(duì)應(yīng)相連，下橋臂器 件2的所有源極相互連接，上橋臂器件1的所有源極與下橋臂器件2的所有漏極一一對(duì)應(yīng) 相連?；?的正面上設(shè)置有頂部導(dǎo)電層，母線(xiàn)電壓正極4以及母線(xiàn)電壓負(fù)極5形成于頂 部導(dǎo)電層的對(duì)應(yīng)區(qū)域，上橋臂器件1的所有漏極的連接以及上橋臂器件1與母線(xiàn)電容3的 連接通過(guò)母線(xiàn)電壓正極4實(shí)現(xiàn)，下橋臂器件2的所有源極的連接以及下橋臂器件2與母線(xiàn) 電容3的連接通過(guò)母線(xiàn)電壓負(fù)極5實(shí)現(xiàn)。
[0023] 如圖3所示，母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)12、母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)14和橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)13位于 基板7的反面。母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)12和上橋臂器件1的漏極通過(guò)連接母線(xiàn)電壓正極和母 線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)的過(guò)孔8連接，母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)14和下橋臂器件2的源極通過(guò)連接母線(xiàn) 電壓負(fù)極和母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)的過(guò)孔9連接，橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)13和橋臂中點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔（連接 橋臂中點(diǎn)和橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)的過(guò)孔11)連接。
[0024] Maxwell 3D軟件用來(lái)提取高頻功率回路寄生電感，頂部導(dǎo)電層和屏蔽層均為2oz 的銅，它們之間的間距為5mil。圖4是頂部導(dǎo)電層的高頻功率電流的分布圖，從圖中可以看 出高頻功率電流交錯(cuò)流動(dòng)，形成多個(gè)并聯(lián)的回路，同時(shí)該回路的回路面積小，因此可以減小 高頻功率回路電感。圖5是屏蔽層的電流分布圖，該電流是由圖4中的高頻功率電流引起 的，具有減弱磁場(chǎng)的作用，在基板制備工藝允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量減小屏蔽層6和頂部導(dǎo)電層 之間的距離，以增強(qiáng)屏蔽層6的去磁作用，從而進(jìn)一步地減小高頻功率回路寄生電感。
[0025] GaN 器件型號(hào)是 EPC2015，來(lái)自于美國(guó)的 Efficient Power Conversion 公司 (http://epc-co. com/epc)，5個(gè)電容，單個(gè)電容容值為0· 1 μ F，通過(guò)仿真計(jì)算，本發(fā)明高頻 功率回路電感大約為0. 24nH，明顯小于現(xiàn)有的布線(xiàn)方式。
[0026] 本發(fā)明所述GaN功率集成模塊中上、下橋臂器件與母線(xiàn)電容僅通過(guò)頂部導(dǎo)電層進(jìn) 行連接，不依賴(lài)基板厚度，并且即使沒(méi)有屏蔽層的情況下，也可以獲得較小的高頻功率回路 電感。這種布局和布線(xiàn)方式可以在氧化鋁基板或氮化鋁基板上實(shí)現(xiàn)，并且可以保持較小的 功率回路電感，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的電性能和熱性能。
[0027] PCB或LTCC基板上，由于母線(xiàn)電容位于上、下橋臂器件中間，上、下橋臂器件間距 較大，并且在上、下橋臂器件的兩側(cè)分布有大量過(guò)孔，可以進(jìn)一步提高散熱性能。
【權(quán)利要求】
1. 一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特征在于；包括上橋臂 器件（1)、下橋臂器件（2)和多個(gè)母線(xiàn)電容（3)，上橋臂器件（1)、下橋臂器件（2)和多個(gè)母 線(xiàn)電容（3)位于基板（7)的一側(cè)表面上，上橋臂器件（1)和下橋臂器件（2)平行并排放置， 多個(gè)母線(xiàn)電容（3)安放在上橋臂器件（1)與下橋臂器件（2)中間；每個(gè)母線(xiàn)電容（3)的一 個(gè)電極與上橋臂器件（1)的一個(gè)漏極對(duì)應(yīng)相連，上橋臂器件（1)的所有漏極相互連接，每個(gè) 母線(xiàn)電容（3)的另一個(gè)電極與下橋臂器件（2)的一個(gè)源極對(duì)應(yīng)相連，下橋臂器件（2)的所 有源極相互連接；上橋臂器件（1)的所有源極與下橋臂器件（2)的所有漏極一一對(duì)應(yīng)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述上橋臂器件（1)和下橋臂器件（2)均為L(zhǎng)GA封裝的GaN器件，母線(xiàn)電容（3)為 貼片0201封裝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述基板（7)內(nèi)設(shè)置有一層屏蔽層（6)，屏蔽層（6)是一個(gè)導(dǎo)電平面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述基板（7)為PCB板或LTCC板或氧化鋁基板或氮化鋁基板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種分裂電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述基板（7)的另一側(cè)表面上設(shè)置有間隔排列的母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)（12)、橋臂中 點(diǎn)焊盤(pán)（13)以及母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)（14)，母線(xiàn)電壓正極焊盤(pán)（12)通過(guò)基板（7)上的過(guò)孔 與上橋臂器件（1)的漏極相連，母線(xiàn)電壓負(fù)極焊盤(pán)（14)通過(guò)基板（7)上的過(guò)孔與下橋臂器 件⑵的源極相連，橋臂中點(diǎn)焊盤(pán)（13)通過(guò)基板（7)上的過(guò)孔與橋臂中點(diǎn)相連。
【文檔編號(hào)】H01L25/00GK104157634SQ201410359745
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】王康平, 楊旭, 曾翔君, 馬煥, 余小玲, 郭義宣 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)