一種雙面布局的低寄生電感GaN功率集成模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雙面布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，包括上橋臂器件、下橋臂器件和母線電容。上橋臂器件、下橋臂器件是LGA封裝的GaN器件，母線電容是貼片封裝。兩個器件安放在基板的正反兩面，上橋臂器件的源極和下橋臂器件的漏極正對放置，并通過過孔直接相連。母線電容放置在上橋臂器件兩側(cè)。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，同時充分利用了LGA封裝漏極和源極引腳交錯排列的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多個交錯并聯(lián)的高頻功率電流回路，從而極大地降低了高頻功率回路寄生電感，有效地減小了開關(guān)過程中的過電壓和振蕩。
【專利說明】一種雙面布局的低寄生電感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】，具體涉及雙面布局的低寄生電感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)特性和非常好的開關(guān)特性，因此在較短的時間內(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關(guān)頻率，同時保持了良好 的效率指標(biāo)。毫無疑問，在低壓、小功率應(yīng)用中，GaN器件將會獲得越來越普遍的應(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)用過程中，也出現(xiàn)了一些亟待解決的關(guān)鍵性問題，如：GaN器件 的柵極驅(qū)動電荷（Qg)很小，結(jié)電容也非常小，因此開關(guān)速度比Si器件快得多。好的一面 是可以提高開關(guān)頻率，但壞的一面就是開關(guān)過程中開關(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，在開關(guān)器件兩端會產(chǎn)生 很高的尖峰過電壓。輕則造成電路誤動作、EMI超標(biāo)，重則導(dǎo)致器件擊穿損壞。GaN器件很 高的開關(guān)速度導(dǎo)致其開關(guān)過程中的寄生振蕩和過電壓現(xiàn)象遠(yuǎn)比Si器件明顯。GaN器件由于 開關(guān)速度更快，因此對電路中的寄生電感更為敏感。如果布線不夠優(yōu)化，寄生電感較大，則 會直接影響電路的正常工作。
[0004] 針對GaN器件應(yīng)用的這些問題，已經(jīng)開展了 一些研究工作，現(xiàn)有針對GaN器件的布 局和布線方案，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)化布局和布線方式以減小商頻功率回路電感。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種雙面布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，通過優(yōu)化 布局和布線方式，能夠有效的降低功率回路寄生電感。
[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、下橋臂器件和母線電容，上橋臂器件和下橋臂器件分別對應(yīng)安 放在基板的正反面上，上橋臂器件的源極和下橋臂器件的漏極正對放置，上橋臂器件的源 極通過基板上的過孔與下橋臂器件的漏極對應(yīng)相連；母線電容安放在上橋臂器件一側(cè)或兩 側(cè)的基板上；上橋臂器件的所有漏極在靠近母線電容側(cè)與母線電容的一個電極相連，母線 電容的另一個電極通過基板上的過孔與基板內(nèi)的中間導(dǎo)電層相連，所述中間導(dǎo)電層通過基 板上的過孔與下橋臂器件的所有源極相連。
[0008] 所述上橋臂器件和下橋臂器件均為LGA封裝的GaN器件。
[0009] 所述母線電容由多個貼片電容并聯(lián)組成。
[0010] 所述基板為PCB板或LTCC板。 toon] 所述中間導(dǎo)電層是一個導(dǎo)電平面。
[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，同時充分利用了 LGA封裝交錯排列漏極和源極引腳的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多個交錯并聯(lián)的高 頻功率電流回路，從而極大地降低了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 關(guān)回路避免出現(xiàn)過大的振蕩和尖峰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是功率集成模塊中帶母線電容的橋臂電路圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正面示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)反面示意圖；
[0016] 圖4是圖2的B-B剖視圖；
[0017] 圖5是圖2的A-A剖視圖；
[0018] 圖6是基于功率集成模塊的BUCK電路實驗波形；
[0019] 圖中：1.上橋臂器件，2.下橋臂器件，3.母線電容，4.母線電壓正極，5.母線電 壓負(fù)極，6.橋臂中點引出端，7.基板，8.連接上橋臂器件源極和和下橋臂器件漏極的過孔， 9.連接下橋臂器件源極和中間導(dǎo)電層的過孔，10.高頻功率回路，11.連接母線電壓負(fù)極和 中間導(dǎo)電層的過孔，12.中間導(dǎo)電層。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021] 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和母線電容3順序 相連構(gòu)成高頻功率回路10,上橋臂器件1和下橋臂器件2分別安放在基板7 (基板為PCB板 或LTCC板）的正反兩面，上橋臂器件1的源極和下橋臂器件2的漏極正對放置，并通過過 孔直接相連；母線電容3安放在上橋臂器件1的一側(cè)或兩側(cè)；上橋臂器件1的所有漏極在靠 近母線電容側(cè)連接到母線電容3的一個電極，母線電容3的另一個電極通過過孔連接到中 間導(dǎo)電層12,中間導(dǎo)電層12通過過孔直接連接到下橋臂器件2的所有源極。具體說明如 下：
[0022] 如圖1所示，上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線電容3順序相連構(gòu)成高頻功率回 路10。
[0023] 如圖2和圖3所示，上橋臂器件1和母線電容3位于基板7的正面，下橋臂器件2 位于基板7的反面，并且上橋臂器件1的源極和下橋臂器件2的漏極正對放置，上橋臂器件 和下橋臂器件為LGA封裝的GaN器件，且封裝大小相同。母線電容3安放在上橋臂器件1 的兩側(cè)，母線電容3由多個貼片電容經(jīng)并聯(lián)組成，貼片電容兩極分別與母線電壓正極4以及 母線電壓負(fù)極5相連，上橋臂器件1的所有漏極通過母線電壓正極4連接到母線電容3的 一個電極。母線電壓正極4和母線電壓負(fù)極5形成于基板7正面上的頂部導(dǎo)電層的對應(yīng)區(qū) 域。
[0024] 如圖3、圖4所示，下橋臂器件2的漏極通過過孔（連接上橋臂器件源極和下橋臂 器件漏極的過孔8)連接到上橋臂器件1的源極（一一對應(yīng)相連），中間導(dǎo)電層12通過過孔 (連接下橋臂器件源極和中間導(dǎo)電層的過孔9)直接連接到下橋臂器件2的所有源極。所述 基板7的反面上設(shè)置有底部導(dǎo)電層，底部導(dǎo)電層與連接上橋臂器件源極和和下橋臂器件漏 極的過孔8相連，作為橋臂中點引出端6。也可以采用位于基板內(nèi)部的導(dǎo)電層作為橋臂中點 引出端。
[0025] 如圖5所示，母線電容3的另一電極通過過孔（連接母線電壓負(fù)極和中間導(dǎo)電層 的過孔11)連接到中間導(dǎo)電層12。
[0026] 連接上橋臂器件源極和下橋臂器件漏極的過孔8以及連接下橋臂器件源極和中 間導(dǎo)電層的過孔9位于基板上與器件相應(yīng)電極相對應(yīng)的位置處，可以減小回路的面積，有 利于減小1?頻功率回路電感。
[0027] 由于利用了 GaN器件LGA封裝漏極和源極交錯排列的特點，可以形成交錯并聯(lián)的 多個高頻功率電流回路，從而可以減小高頻功率回路電感。同時，在上橋臂器件兩側(cè)設(shè)置母 線電容，相比僅單側(cè)設(shè)置而言，由于形成了兩個并聯(lián)的高頻功率回路，可以更有效地減小高 頻功率回路電感。另外，在基板制備工藝允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量減小中間導(dǎo)電層12和頂部導(dǎo)電 層之間的距尚，以減小1?頻功率回路10的面積，從而進(jìn)一步減小1?頻功率回路電感。
[0028] 為了提取高頻功率回路寄生電感，建立一個12V輸入，3V/6A輸出的同步BUCK實驗 電路。GaN器件型號是EPC2015,來自于美國的Efficient Power Conversion公司（http:// 印c-co. com/epc)，10個0603封裝的貼片電容，單個電容容值為4. 7 μ F，PCB板，集成模塊 中，頂部導(dǎo)電層和中間導(dǎo)電層是厚度為2oz的銅，且它們的之間間距為5mil。下橋臂器件的 漏源電壓V ds如圖6所示。圖6中的橫坐標(biāo)是時間，每格2. 5ns,縱坐標(biāo)是電壓，每格3V。通 過圖6可以提取出振蕩周期TKing，GaN器件在輸入電壓V in下的輸出電容(；ssWin可以通過器 件手冊獲得。高頻功率回路電感、^可以通過以下公式求?。?br> [0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種雙面布局的低寄生電感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)和母線電容（3)，上橋臂器件（1)和下橋臂器件（2)分別對應(yīng)安放在基板 (7)的正反面上，上橋臂器件（1)的源極和下橋臂器件（2)的漏極正對放置，上橋臂器件 (1)的源極通過基板（7)上的過孔與下橋臂器件（2)的漏極對應(yīng)相連；母線電容（3)安放 在上橋臂器件（1) 一側(cè)或兩側(cè)的基板（7)上；上橋臂器件（1)的所有漏極在靠近母線電容 (3)側(cè)與母線電容（3)的一個電極相連，母線電容（3)的另一個電極通過基板（7)上的過孔 與基板⑵內(nèi)的中間導(dǎo)電層（12)相連，所述中間導(dǎo)電層（12)通過基板（7)上的過孔與下 橋臂器件（2)的所有源極相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙面布局的低寄生電感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LGA封裝的GaN器件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙面布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特征在于： 所述母線電容（3)由多個貼片電容并聯(lián)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙面布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特征在于： 所述基板（7)為PCB板或LTCC板。
【文檔編號】H01L23/31GK104112718SQ201410360374
【公開日】2014年10月22日 申請日期: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 申請人:西安交通大學(xué)