CN108809056A - 一种三维集成智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维集成智能功率模块及其制造方法，包括功率开关电路与驱动电路，及与功率开关电路及其驱动电路相连的主控制电路、状态监控及保护电路，主控制电路组装到上层基板，状态监控及保护电路组装到下层基板，上层基板与下层基板通过直通导孔互连形成三维结构的智能控制单元，功率开关电路及其驱动电路焊接到高导热基板，通过引线焊接与智能控制单元连接。本发明公开的智能功率模块，集成了功率开关电路及其驱动电路、主控制电路、状态监控及保护电路，采用三维集成形式，可以提高模块功率密度、减小器件体积，缩短了功率半导体器件引脚之间的导线长度，降低了寄生参数和噪声尖峰电压，提高功率器件的应用可靠性。

Description

一种三维集成智能功率模块及其制造方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，更具体地涉及一种智能功率模块及其制造方法。
背景技术
智能功率控制模块通过***级封装技术，将功率开关器件、开关驱动电路、主控制电路和保护电路集成到一个封装体内，由主控制电路负责对采集或控制输入的数据进行处理、实现各种控制算法、通过输出接口向功率电路发送控制信号、并将运算结果输出给***设备、从***设备接收指令并执行相应的操作。这种集成模块简化了应对不同功能环境时的器件设置，具有结构紧凑、功能强大、配置灵活和易于安装等显著优势。目前的智能功率模块内部一般仅集成驱动电路和简单的保护电路，存在保护电路不够完善，需要另外配置处理器以实现智能控制算法，增加了模块制造的复杂性，导致用户设计周期较长、生产成本较高。现有智能功率模块主要采用平面组装方式，模块体积较大，功率密度较低，互连线距离较长，寄生参数大，增加了模块的电磁干扰。
发明内容
鉴于上述原因，本发明提供了一种三维集成智能功率模块及其制造方法，内部集成功率开关、智能控制电路、采集电路和保护电路，可实现无传感器控制、功率因数校正等电机智能控制算法；并且采用基于基板叠层的大功率电路和数字控制电路的三维集成技术，减小了EMI干扰，减小模块体积、优化信号传输质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种三维集成智能功率模块，包括功率开关电路和智能控制电路，功率开关电路连接智能控制电路；
智能控制电路包括主控制电路、驱动电路、对外接口、状态监控电路及保护电路，对外接口连接主控制电路，主控制电路分别连接驱动电路、保护电路、状态监控电路，保护电路连接驱动电路；
所述主控制电路，用于接收外部电机的转子位置信息，为功率开关驱动电路提供工作控制信号，监控功率开关电路的工作信息，还用于与用户的主控***进行通信；
所述驱动电路，与功率开关电路相连，用于为所述功率开关电路的栅极充放电，使得功率开关导通或关闭；
所述保护电路，与功率开关电路相连，用于为所述功率开关电路提供过压、过流、过温保护；
所述状态监控电路，用于监测功率开关电路的结温、母线电压、工作电流信息，并反馈给所述主控制电路。
所述对外接口包括主控制电路程序下载接口、智能功率模块电源接口、主控制电路通信接口及电机的相位接口，主控制电路程序下载接口、智能功率模块电源接口、主控制电路通信接口及电机的相位接口均与主控制电路连接。
所述保护电路为功率开关电路，还用于向主控制电路反馈异常信息，主控制电路记录功率开关电路的异常信息，并将功率开关电路的异常信息提供给用户的主控***。
所述的功率开关电路包括功率开关器件，功率开关器件由六个功率MOS管组成。
还包括多个用于组装芯片的功能基板，功能基板与元件形成气密封装：
功率开关及其驱动电路通过键合组装到高导热基板，形成功率单元；
状态监控及保护电路通过键合组装到下层基板，形成监控保护单元；
主控制电路与对外接口通过键合组装到上层基板，形成控制通信单元；
监控保护单元与控制通信单元通过直通导孔垂直互连形成三维结构的智能控制单元；
智能控制单元与功率单元通过引线焊接相连。
三维集成智能功率模块的制造方法，包括以下步骤：
制造用于组装芯片的上层基板、下层基板及高导热基板；其中，上层基板为内部开有空腔的低温共烧陶瓷基板，通过内部布线和直通孔将互连端口引出，在底部制作钯银焊盘；下层基板为LTCC基板，在下层基板与上层基板相连接位置制作钯银焊盘；高导热基板为陶瓷DBC基板；
将状态监控及保护电路芯片焊接到下层基板上，将滤波电容焊接到上层基板上，同时将下层基板及高导热基板焊接到外壳上；
将状态监控及保护电路芯片键合到下层基板上；
上层基板和下层基板上的钯银焊盘上印刷焊膏，对准后进行回流焊；将功率开关电路及其驱动电路芯片焊接到高导热基板上；焊接后清洗模块；
用粘接剂将主控制电路芯片粘接到上层基板上，然后通过键合丝完成引线键合；
将功率开关电路及其驱动电路芯片键合到高导热基板上。
上层基板腔体深度2～8mm，侧边宽度3～8mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
根据本发明提供的智能功率模块、主控制器采集驱动电路、保护电路及温度传感器提供的信息后，通过对外接口向用户的主控***进行反馈。内部集成功率开关、智能控制电路、采集电路和保护电路，可实现无传感器控制、功率因数校正等电机智能控制算法；并且采用基于基板叠层的大功率电路和数字控制电路的三维集成技术，减小了EMI干扰，减小模块体积、优化信号传输质量。用户的控制***只需要与模块内部的主控制器进行数据通信，就能获得功率开关电路的工作信息和故障信息，可以为用户整体***的设计提供便利。
本发明的制造方法简单、便捷，制造得到的智能功率模块集成了功率开关电路及其驱动电路、主控制电路、状态监控及保护电路，采用三维集成形式，可以提高模块功率密度、减小器件体积，缩短了功率半导体器件引脚之间的导线长度，降低了寄生参数和噪声尖峰电压，提高功率器件的应用可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对实施例所需要的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明提供的智能功率模块的电路功能框图；
图2是本发明提供的智能功率模块的电路原理示意图；
图3是本发明提供的智能功率模块的三维封装结构示意图。
图中，301为主控制电路芯片；302为键合丝；303为粘接剂；304为高温焊膏；305为状态监控及保护电路芯片；306为焊膏；307为键合丝；308为上层基板；309为下层基板；310为控制信号引腿；311为金属外壳；312为互连通孔；313为功率引腿；314为引线支架；315为高导热基板；316为功率开关电路及其驱动电路芯片；317为键合线；318为电容。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。所述是对本发明的解释而不是限定。
图1是本发明实施例提供的智能功率模块的电路功能框图。如图1所示，本发明提供的智能功率模块包括功率开关器件和智能控制电路，功率开关器件连接智能控制电路。智能控制电路包括主控制电路、驱动电路、对外接口、状态监控电路及保护电路，对外接口连接主控制电路，主控制电路分别连接驱动电路、保护电路、状态监控电路，保护电路连接驱动电路。
图2是本发明实施例提供的智能功率模块的电路原理示意图。如图2所示，本发明实施例提供的智能功率模块包括智能控制电路和功率开关器件，所述智能控制电路包括主控制电路、驱动电路、对外接口、状态监控电路及保护电路。
所述主控制电路，接收外接电机的转子位置信息、速度信息，采集电流信息，生成电子换相信号，为驱动电路提供工作信号，并接受保护电路反馈的功率开关电路异常信号，还用于与用户的主控制***进行通信；
所述对外接口包括通信接口、程序下载接口、电机霍尔信号接口、模拟量输入接口、电源转换接口；
所述驱动电路，与功率开关电路相连，用于为所述功率开关电路的栅极充放电，使得功率开关导通或关闭；
所述状态监控电路由电压采样监控、电流采样监控、温度采样监控电路组成，用于监测所述功率开关电路的结温、母线电压、工作电流信息，并反馈给所述主控制电路；
所述保护电路，根据所述功率开关电路的结温、母线电压、工作电流信息和保护逻辑，控制驱动电路使能或关闭，用于为所述功率开关电路提供过压、过流、过温保护；
图3是本发明提供的智能功率模块的三维封装结构示意图。本实施例公开的智能功率模块，公开了各功率器件的最优安装位置，改善了模块的整体散热，提高了模块的热稳定性。功率开关及其驱动电路通过键合组装到高导热基板，形成功率单元；状态监控及保护电路通过键合组装到下层基板，形成监控保护单元；主控制电路与对外接口通过键合组装到上层基板，形成控制通信单元；监控保护单元与控制通信单元通过直通导孔垂直互连形成三维结构的智能控制单元；智能控制单元与功率单元通过引线焊接相连。
以下将说明按本发明的实施例的智能功率模块的制造方法的工艺步骤：
如图3所示，制造用于组装芯片的上层基板308、下层基板309、高导热基板315。其中上层基板308为内部开有空腔的低温共烧陶瓷基板(Low Temperature CofiredCeramic，LTCC)，腔体深度2～8mm，侧边宽度3～8mm，通过内部布线和直通孔312将互连端口引出，在底部制作钯银焊盘；下层基板309为LTCC基板，在下层基板309与上层基板308相连接位置制作钯银焊盘；高导热基板315为陶瓷DBC基板。
使用高温焊膏304将状态监控及保护电路芯片305焊接到下层基板309上，将滤波电容318焊接到上层基板308上，同时将下层基板309、高导热基板315焊接到10#钢外壳311上，焊接温度为210℃～215℃；
将状态监控及保护电路芯片305键合到下层基板309上；
上层基板308和下层基板309上的钯银焊盘上印刷低温焊膏306，对准后进行回流焊；将功率开关电路及其驱动电路芯片316用低温焊膏306焊接到高导热基板315上；焊接后清洗模块。
用环氧树脂粘接剂303将芯片301粘接到上层基板308上，烘烤温度150℃～160℃，烘烤时间2h～4h，然后通过键合丝302完成引线键合；
将功率开关电路及其驱动电路芯片316键合到高导热基板315上。
在本发明所披露的实施例中可以作出各种修改和变化，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，如果这些修改和变化落在所附权利要求和其等同替换的范围内，本发明所披露的实施例旨在覆盖这些显而易见的修改和变化。

Claims (7)

1.一种三维集成智能功率模块，其特征在于，包括功率开关电路和智能控制电路，功率开关电路连接智能控制电路；
智能控制电路包括主控制电路、驱动电路、对外接口、状态监控电路及保护电路，对外接口连接主控制电路，主控制电路分别连接驱动电路、保护电路、状态监控电路，保护电路连接驱动电路；
所述主控制电路，用于接收外部电机的转子位置信息，为功率开关驱动电路提供工作控制信号，监控功率开关电路的工作信息，还用于与用户的主控***进行通信；
所述驱动电路，与功率开关电路相连，用于为所述功率开关电路的栅极充放电，使得功率开关导通或关闭；
所述保护电路，与功率开关电路相连，用于为所述功率开关电路提供过压、过流、过温保护；
所述状态监控电路，用于监测功率开关电路的结温、母线电压、工作电流信息，并反馈给所述主控制电路。
2.根据权利要求1所述的三维集成智能功率模块，其特征在于，所述对外接口包括主控制电路程序下载接口、智能功率模块电源接口、主控制电路通信接口及电机的相位接口，主控制电路程序下载接口、智能功率模块电源接口、主控制电路通信接口及电机的相位接口均与主控制电路连接。
3.根据权利要求1所述的三维集成智能功率模块，其特征在于，所述保护电路为功率开关电路，还用于向主控制电路反馈异常信息，主控制电路记录功率开关电路的异常信息，并将功率开关电路的异常信息提供给用户的主控***。
4.根据权利要求1所述的三维集成智能功率模块，其特征在于，所述的功率开关电路包括功率开关器件，功率开关器件由六个功率MOS管组成。
5.根据权利要求1所述的三维集成智能功率模块，其特征在于，还包括多个用于组装芯片的功能基板，功能基板与元件形成气密封装：
功率开关及其驱动电路通过键合组装到高导热基板，形成功率单元；
状态监控及保护电路通过键合组装到下层基板，形成监控保护单元；
主控制电路与对外接口通过键合组装到上层基板，形成控制通信单元；
监控保护单元与控制通信单元通过直通导孔垂直互连形成三维结构的智能控制单元；
智能控制单元与功率单元通过引线焊接相连；
具体地，主控制电路组装到上层基板308，所述状态监控及保护电路组装到下层基板309，上层基板308与下层基板309通过直通导孔互连形成三维结构的智能控制单元，所述功率开关电路及其驱动电路焊接到高导热基板315，通过键合线317焊接与智能控制单元连接。
6.如权利要求5所述的三维集成智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制造用于组装芯片的上层基板(308)、下层基板(309)及高导热基板(315)；其中，上层基板(308)为内部开有空腔的低温共烧陶瓷基板，通过内部布线和直通孔(312)将互连端口引出，在底部制作钯银焊盘；下层基板(309)为LTCC基板，在下层基板(309)与上层基板(308)相连接位置制作钯银焊盘；高导热基板(315)为陶瓷DBC基板；
将状态监控及保护电路芯片(305)焊接到下层基板(309)上，将滤波电容(318)焊接到上层基板(308)上，同时将下层基板(309)及高导热基板(315)焊接到外壳(311)上；
将状态监控及保护电路芯片(305)键合到下层基板(309)上；
上层基板(308)和下层基板(309)上的钯银焊盘上印刷焊膏，对准后进行回流焊；将功率开关电路及其驱动电路芯片(316)焊接到高导热基板(315)上；焊接后清洗模块；
用粘接剂(303)将主控制电路芯片(301)粘接到上层基板(308)上，然后通过键合丝(302)完成引线键合；
将功率开关电路及其驱动电路芯片(316)键合到高导热基板(315)上。
7.根据权利要求6所述的三维集成智能功率模块的制造方法，其特征在于，上层基板(308)腔体深度2～8mm，侧边宽度3～8mm。
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