一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)。包括第一銅箔、半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片、電容、第二銅箔、銅柱、磁開(kāi)關(guān)和第三銅箔；電容的一端焊接第三銅箔，另一端焊接銅柱的一端，銅柱與電容的中心軸垂直，銅柱的另一端穿過(guò)磁開(kāi)關(guān)的中心焊接至第二銅箔的一端，第二銅箔與電容的中心軸平行，其另一端靠近電容的一面焊接半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片的陽(yáng)極，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片的陰極焊接第一銅箔。本實(shí)用新型將多個(gè)外圍器件與半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)封裝在一起形成一個(gè)整體模塊，體積小，功能完善，降低了雜散參數(shù)并簡(jiǎn)化了外圍電路，采用新型封裝工藝，增強(qiáng)了功率器件的穩(wěn)定性，降低了成本。
【專利說(shuō)明】一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于集成封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝 結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于低電感脈沖電源裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖功率技術(shù)是一種將功率密度小的能量進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)后，在極短的時(shí)間內(nèi)以高 功率釋放的技術(shù)。其始于1962年，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的工程應(yīng)用 技術(shù)，在軍事和工業(yè)上有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于一個(gè)脈沖功率系統(tǒng)而言，核心 包括電路拓?fù)?、絕緣和開(kāi)關(guān)三大技術(shù)。
[0003] 常見(jiàn)的半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)有脈沖晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-off Thyristor, GTO)、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)、 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)、反向開(kāi)關(guān)晶體管（Reversely Switched Dynistor，RSD)等。
[0004] 高通態(tài)電流上升率（di/dt)在脈沖功率技術(shù)中的應(yīng)用很多，例如準(zhǔn)分子激光器、 電磁軌道炮等。它們對(duì)于電壓的要求不高，但對(duì)電流的要求比較苛刻，理想的電流一般為梯 形脈沖電流，其峰值要求幾百kA至MA，峰值上升時(shí)間短（一般為微秒級(jí)別），峰值持續(xù)時(shí)間 達(dá)到毫秒量級(jí)。一般而言，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)都需要在電路中增加緩沖電路以防止di/dt 過(guò)高導(dǎo)致器件損壞。
[0005] 傳統(tǒng)的脈沖功率電路一般是使用導(dǎo)線或者銅排等連接各個(gè)分立器件，各個(gè)器件的 連接通過(guò)螺栓，連接處的金屬接觸依靠擠壓力保持，所帶來(lái)的雜散參數(shù)較大且難以計(jì)算。另 夕卜，隨著對(duì)脈沖功率電路中的di/dt、最高電壓、重復(fù)頻率等的等級(jí)要求越來(lái)越高，寄生參數(shù) 所帶來(lái)的影響越來(lái)越大，電路的分析和計(jì)算也變得相當(dāng)復(fù)雜，還會(huì)帶來(lái)一些難以預(yù)計(jì)的問(wèn) 題。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路 封裝結(jié)構(gòu)，將多個(gè)外圍器件與半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)封裝在一起形成一個(gè)整體模塊，體積小， 功能完善，降低了雜散參數(shù)并簡(jiǎn)化了外圍電路，采用新型封裝工藝，增強(qiáng)了功率器件的穩(wěn)定 性，降低了成本。對(duì)比傳統(tǒng)的放電回路，本實(shí)用新型的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路達(dá)到的di/dt量級(jí) 能提升至原來(lái)的兩倍。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一銅箔、半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片、電容、第二銅箔、銅柱、磁開(kāi) 關(guān)和第三銅箔；所述電容的一端焊接所述第三銅箔，另一端焊接所述銅柱的一端，所述銅 柱與所述電容的中心軸垂直，所述銅柱的另一端穿過(guò)所述磁開(kāi)關(guān)的中心焊接至所述第二銅 箔的一端，所述第二銅箔與所述電容的中心軸平行，其另一端靠近所述電容的一面焊接所 述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片的陽(yáng)極，所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片的陰極焊接所述第一銅 箔。
[0008] 按照本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在 于，包括半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片、電容、磁開(kāi)關(guān)、第一 DBC銅層塊、第二DBC銅層塊和第三 DBC銅層塊；所述第二DBC銅層塊穿過(guò)所述磁開(kāi)關(guān)的中心，所述電容的兩端分別焊接在所述 第一 DBC銅層塊和所述第二DBC銅層塊上，所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片的陽(yáng)極焊接在所 述第二DBC銅層塊上，其陰極通過(guò)銅箔焊接在所述第三DBC銅層塊上，所述磁開(kāi)關(guān)位于所述 半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片和所述電容之間。
[0009] 優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片為門極可關(guān)斷晶閘管或反向開(kāi)關(guān)晶體管。 [0010] 總體而言，通過(guò)本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有 益效果：
[0011] 1、將半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)與電容器、磁開(kāi)關(guān)等回路器件集成封裝在一起，通過(guò)合 理設(shè)計(jì)各元件的結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，使各元件之間的連接關(guān)系更穩(wěn)固，連線長(zhǎng)度最小，封裝結(jié) 構(gòu)更緊湊，從而使雜散參數(shù)的分布也得到優(yōu)化和降低，提升了其di/dt等特性，使回路在低 電壓情況下獲得比傳統(tǒng)回路更加高的電流上升率。
[0012] 2、采用回流焊接工藝與銅箔進(jìn)行鍵合，減少了傳統(tǒng)半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)采用鋁線 鍵合技術(shù)帶來(lái)的電流分配不均，雜散電感過(guò)大等問(wèn)題。
[0013] 3、通過(guò)集成封裝，減小了整個(gè)裝置的體積，簡(jiǎn)化了電路連接方式，降低了使用者使 用半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)的難度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0016] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例2的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0018] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的電路原理圖。
[0019] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1_第一銅箔， 2_半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片，3-電容，4-第二銅箔，5-銅柱，6-磁開(kāi)關(guān)，7-第三銅箔，8-第 一 DBC銅層塊，9-第二DBC銅層塊，10-銅箔，11-第三DBC銅層塊。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所 涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021] 集成電路技術(shù)在微電子【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用成功地改變了整個(gè)世界，本實(shí)用新型將集 成電路技術(shù)的發(fā)展思路應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域，通過(guò)集成技術(shù)，將元器件、電路、控制、電磁、 材料、傳熱等方面的技術(shù)難題和主要設(shè)計(jì)工作解決在集成模塊內(nèi)部，減小了整個(gè)裝置的體 積與接線長(zhǎng)度，有效降低了電路本身帶來(lái)的雜散參數(shù)，從而降低了雜散參數(shù)帶來(lái)的影響。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 如圖1和圖2所示，脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)包括：第一銅箔1、半導(dǎo)體脈沖功 率開(kāi)關(guān)芯片2、電容3、第二銅箔4、銅柱5、磁開(kāi)關(guān)6和第三銅箔7。磁開(kāi)關(guān)6為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。 電容3的一端焊接第三銅箔7,另一端焊接銅柱5的一端，銅柱5與電容3的中心軸垂直，銅 柱5的另一端穿過(guò)磁開(kāi)關(guān)6的中心焊接至第二銅箔4的一端，第二銅箔4與電容3的中心 軸平行，其另一端靠近電容3的一面焊接半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片2的陽(yáng)極，半導(dǎo)體脈沖功 率開(kāi)關(guān)芯片2的陰極焊接第一銅箔1的一端，第一銅箔1的另一端折彎以形成電極。第一 銅箔1和第三銅箔7用于外接負(fù)載。
[0024] 實(shí)施例2
[0025] 如圖3和圖4所示，脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)包括：半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片 2、電容3、磁開(kāi)關(guān)6、第一 DBC銅層塊8、第二DBC銅層塊9、銅箔10和第三DBC銅層塊11。預(yù) 先設(shè)計(jì)直接覆銅（Direct Bonding Copper, DBC)層，得到第一 DBC銅層塊8、第二DBC銅層 塊9和第三DBC銅層塊11。磁開(kāi)關(guān)6為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，第二DBC銅層塊9穿過(guò)磁開(kāi)關(guān)6的中心， 電容3的兩端分別焊接在第一 DBC銅層塊8和第二DBC銅層塊9上，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān) 芯片2的陽(yáng)極焊接在第二DBC銅層塊9上，陰極通過(guò)銅箔10焊接在第三DBC銅層塊11上。 磁開(kāi)關(guān)6位于半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片2和電容3之間。第一 DBC銅層塊8和第三DBC銅 層塊11用于外接負(fù)載。
[0026] 上述實(shí)施例中，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片與銅的焊接采用回流焊接工藝，焊錫采 用含鉛類焊料，材質(zhì)較軟，有利于減少熱應(yīng)力；銅箔厚度依據(jù)電路參數(shù)決定；電容與銅的連 接采用普通焊接技術(shù)。半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)為Si基脈沖晶閘管、GT0或RSD，也可以為SiC 基半導(dǎo)體功率器件。
[0027] 脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的電路原理圖如圖5所示，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)T的 陽(yáng)極通過(guò)線路中的雜散電感L (在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在具體的電感線圈）連接磁開(kāi)關(guān)SL的 一端，磁開(kāi)關(guān)SL的另一端連接電容C的一端，電容C的另一端與半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)T的 陰極外接負(fù)載Z。電容C的兩端外接電源，半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)的兩端外接預(yù)充觸發(fā)電路。
[0028] 對(duì)于RSD器件而言，其預(yù)充電流與流過(guò)的di/dt存在如下關(guān)系：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一銅箔（1)、半導(dǎo)體脈沖功率 開(kāi)關(guān)芯片（2)、電容（3)、第二銅箔（4)、銅柱（5)、磁開(kāi)關(guān)（6)和第三銅箔（7); 所述電容（3)的一端焊接所述第三銅箔（7)，另一端焊接所述銅柱（5)的一端，所述銅 柱（5)與所述電容（3)的中心軸垂直，所述銅柱（5)的另一端穿過(guò)所述磁開(kāi)關(guān)（6)的中心 焊接至所述第二銅箔（4)的一端，所述第二銅箔（4)與所述電容（3)的中心軸平行，其另一 端靠近所述電容（3)的一面焊接所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片（2)的陽(yáng)極，所述半導(dǎo)體脈 沖功率開(kāi)關(guān)芯片（2)的陰極焊接所述第一銅箔（1)。
2. -種脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片（2)、 電容（3)、磁開(kāi)關(guān)（6)、第一 DBC銅層塊（8)、第二DBC銅層塊（9)和第三DBC銅層塊（11); 所述第二DBC銅層塊（9)穿過(guò)所述磁開(kāi)關(guān)（6)的中心，所述電容（3)的兩端分別焊接 在所述第一 DBC銅層塊（8)和所述第二DBC銅層塊（9)上，所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片 (2)的陽(yáng)極焊接在所述第二DBC銅層塊（9)上，其陰極通過(guò)銅箔（10)焊接在所述第三DBC 銅層塊（11)上，所述磁開(kāi)關(guān)（6)位于所述半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)芯片（2)和所述電容（3)之 間。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的脈沖功率開(kāi)關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體脈沖 功率開(kāi)關(guān)芯片為門極可關(guān)斷晶閘管或反向開(kāi)關(guān)晶體管。
【文檔編號(hào)】H01L23/488GK203850294SQ201420282203
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】梁琳, 常文光 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)