一種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)。包括第一銅箔、半導體脈沖功率開關(guān)芯片、電容、第二銅箔、銅柱、磁開關(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，銅柱的另一端穿過磁開關(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體脈沖功率開關(guān)芯片的陽極，半導體脈沖功率開關(guān)芯片的陰極焊接第一銅箔。本實用新型將多個外圍器件與半導體脈沖功率開關(guān)封裝在一起形成一個整體模塊，體積小，功能完善，降低了雜散參數(shù)并簡化了外圍電路，采用新型封裝工藝，增強了功率器件的穩(wěn)定性，降低了成本。
【專利說明】一種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實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行壓縮存儲后，在極短的時間內(nèi)以高 功率釋放的技術(shù)。其始于1962年，經(jīng)過數(shù)十年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為一項重要的工程應(yīng)用 技術(shù)，在軍事和工業(yè)上有著重要的科學意義和應(yīng)用價值。對于一個脈沖功率系統(tǒng)而言，核心 包括電路拓撲、絕緣和開關(guān)三大技術(shù)。
[0003] 常見的半導體脈沖功率開關(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體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)、反向開關(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，例如準分子激光器、 電磁軌道炮等。它們對于電壓的要求不高，但對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，峰值上升時間短（一般為微秒級別），峰值持續(xù)時間 達到毫秒量級。一般而言，半導體脈沖功率開關(guān)都需要在電路中增加緩沖電路以防止di/dt 過高導致器件損壞。
[0005] 傳統(tǒng)的脈沖功率電路一般是使用導線或者銅排等連接各個分立器件，各個器件的 連接通過螺栓，連接處的金屬接觸依靠擠壓力保持，所帶來的雜散參數(shù)較大且難以計算。另 夕卜，隨著對脈沖功率電路中的di/dt、最高電壓、重復頻率等的等級要求越來越高，寄生參數(shù) 所帶來的影響越來越大，電路的分析和計算也變得相當復雜，還會帶來一些難以預(yù)計的問 題。 實用新型內(nèi)容
[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種脈沖功率開關(guān)電路 封裝結(jié)構(gòu)，將多個外圍器件與半導體脈沖功率開關(guān)封裝在一起形成一個整體模塊，體積小， 功能完善，降低了雜散參數(shù)并簡化了外圍電路，采用新型封裝工藝，增強了功率器件的穩(wěn)定 性，降低了成本。對比傳統(tǒng)的放電回路，本實用新型的脈沖功率開關(guān)電路達到的di/dt量級 能提升至原來的兩倍。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種脈沖功率開關(guān)電路封 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一銅箔、半導體脈沖功率開關(guān)芯片、電容、第二銅箔、銅柱、磁開 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所述磁開關(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 述半導體脈沖功率開關(guān)芯片的陽極，所述半導體脈沖功率開關(guān)芯片的陰極焊接所述第一銅 箔。
[0008] 按照本實用新型的另一方面，提供了一種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在 于，包括半導體脈沖功率開關(guān)芯片、電容、磁開關(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銅層塊穿過所述磁開關(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，所述半導體脈沖功率開關(guān)芯片的陽極焊接在所 述第二DBC銅層塊上，其陰極通過銅箔焊接在所述第三DBC銅層塊上，所述磁開關(guān)位于所述 半導體脈沖功率開關(guān)芯片和所述電容之間。
[0009] 優(yōu)選地，所述半導體脈沖功率開關(guān)芯片為門極可關(guān)斷晶閘管或反向開關(guān)晶體管。 [0010] 總體而言，通過本實用新型所構(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、將半導體脈沖功率開關(guān)與電容器、磁開關(guān)等回路器件集成封裝在一起，通過合 理設(shè)計各元件的結(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行鍵合，減少了傳統(tǒng)半導體脈沖功率開關(guān)采用鋁線 鍵合技術(shù)帶來的電流分配不均，雜散電感過大等問題。
[0013] 3、通過集成封裝，減小了整個裝置的體積，簡化了電路連接方式，降低了使用者使 用半導體脈沖功率開關(guān)的難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本實用新型實施例1的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2是本實用新型實施例1的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0016] 圖3是本實用新型實施例2的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖4是本實用新型實施例2的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0018] 圖5是本實用新型實施例的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的電路原理圖。
[0019] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1_第一銅箔， 2_半導體脈沖功率開關(guān)芯片，3-電容，4-第二銅箔，5-銅柱，6-磁開關(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。

【具體實施方式】
[0020] 為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所 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世界，本實用新型將集 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)計工作解決在集成模塊內(nèi)部，減小了整個裝置的體 積與接線長度，有效降低了電路本身帶來的雜散參數(shù)，從而降低了雜散參數(shù)帶來的影響。
[0022] 實施例1
[0023] 如圖1和圖2所示，脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)包括：第一銅箔1、半導體脈沖功 率開關(guān)芯片2、電容3、第二銅箔4、銅柱5、磁開關(guān)6和第三銅箔7。磁開關(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的另一端穿過磁開關(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的一面焊接半導體脈沖功率開關(guān)芯片2的陽極，半導體脈沖功 率開關(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用于外接負載。
[0024] 實施例2
[0025] 如圖3和圖4所示，脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)包括：半導體脈沖功率開關(guān)芯片 2、電容3、磁開關(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。磁開關(guān)6為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，第二DBC銅層塊9穿過磁開關(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，半導體脈沖功率開關(guān) 芯片2的陽極焊接在第二DBC銅層塊9上，陰極通過銅箔10焊接在第三DBC銅層塊11上。 磁開關(guān)6位于半導體脈沖功率開關(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用于外接負載。
[0026] 上述實施例中，半導體脈沖功率開關(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)。半導體脈沖功率開關(guān)為Si基脈沖晶閘管、GT0或RSD，也可以為SiC 基半導體功率器件。
[0027] 脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)的電路原理圖如圖5所示，半導體脈沖功率開關(guān)T的 陽極通過線路中的雜散電感L (在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在具體的電感線圈）連接磁開關(guān)SL的 一端，磁開關(guān)SL的另一端連接電容C的一端，電容C的另一端與半導體脈沖功率開關(guān)T的 陰極外接負載Z。電容C的兩端外接電源，半導體脈沖功率開關(guān)的兩端外接預(yù)充觸發(fā)電路。
[0028] 對于RSD器件而言，其預(yù)充電流與流過的di/dt存在如下關(guān)系：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一銅箔（1)、半導體脈沖功率 開關(guān)芯片（2)、電容（3)、第二銅箔（4)、銅柱（5)、磁開關(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)的另一端穿過所述磁開關(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體脈沖功率開關(guān)芯片（2)的陽極，所述半導體脈 沖功率開關(guān)芯片（2)的陰極焊接所述第一銅箔（1)。
2. -種脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括半導體脈沖功率開關(guān)芯片（2)、 電容（3)、磁開關(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)穿過所述磁開關(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，所述半導體脈沖功率開關(guān)芯片 (2)的陽極焊接在所述第二DBC銅層塊（9)上，其陰極通過銅箔（10)焊接在所述第三DBC 銅層塊（11)上，所述磁開關(guān)（6)位于所述半導體脈沖功率開關(guān)芯片（2)和所述電容（3)之 間。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的脈沖功率開關(guān)電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導體脈沖 功率開關(guān)芯片為門極可關(guān)斷晶閘管或反向開關(guān)晶體管。
【文檔編號】H01L23/488GK203850294SQ201420282203
【公開日】2014年9月24日 申請日期: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 申請人:華中科技大學