开关输出模块及具有其的混合功率开关电路的制作方法

1.本实用新型涉及混合集成电路(hybrid integrated circuit，hic)技术领域，尤其涉及开关输出模块及具有其的混合功率开关电路。


背景技术：

2.开关电路主要应用在控制系统中，起到使电流流过或者阻止电流流过的作用。其中，功率开关电路是在开关断开时，开关能够承受高电压且漏电流小；开关接通时，开关能够流过大电流并且开关芯片产生较低的管压降。
3.典型的多通道功率开关电路中，其开关输出模块是将功率场效应管的引脚按需求数量和形式焊接在印刷电路板(printed circuit boards，pcb)上，功率场效应管之间通过印刷电路板上的金属布线实现电气连接。
4.上述功率开关输出电路组装复杂度高，每只功率场效应管都具有多个引脚，需要对每个引脚进行焊接，导致焊接工作量大、难度高，开关输出模块和功率开关电路的可靠性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种开关输出模块，其具有组装简单，工作量小、可靠性高的特点。
6.本实用新型还提供一种具有上述开关输出模块的混合功率开关电路。
7.为了达到上述目的，本实用新型一方面提供一种开关输出模块，包括：
8.陶瓷基体，具有相对的正面和背面；
9.第一覆铜层，设置于陶瓷基体的正面；
10.晶片组，通过连接层固定于第一覆铜层上并与第一覆铜层电连接；
11.其中，晶片组包括多个功率场效应管晶片以及相邻功率场效应管晶片之间的划片道。
12.进一步地，在晶片组中，多个功率场效应管晶片向同一方向延伸。
13.进一步地，多个功率场效应管晶片的漏极与第一覆铜层电连接。
14.进一步地，上述开关输出模块还包括第二覆铜层，设置于陶瓷基体的背面。
15.进一步地，陶瓷基体的面积大于第一覆铜层的面积，并且，第一覆铜层的边缘与陶瓷基体的边缘之间的距离为0.20mm到0.40mm。
16.进一步地，陶瓷基体的厚度在0.25mm至1.00mm之间；第一覆铜层的厚度在0.12mm至0.40mm之间。
17.进一步地，连接层为金属粘合层。
18.本实用新型另一方面提供一种混合功率开关电路，包括：
19.底座；
20.设置在底座一表面中部的薄膜基板，薄膜基板包括多个电阻和多条带状导线；薄
膜基板上设有多个裸芯片；裸芯片之间以及裸芯片与电阻之间通过带状导线电连接以形成驱动模块和译码模块；
21.至少一个上述第一方面所述的开关输出模块，开关输出模块沿底座表面的边沿设置，开关输出模块与所述驱动模块电连接；
22.封装件，其与底座固定连接，用以封盖驱动模块、译码模块和开关输出模块。
23.进一步地，开关输出模块与驱动模块通过金属键合丝电连接。
24.进一步地，底座的周边设有多个引脚，引脚穿过底座，引脚的两端分别伸出于底座相对的两面；其中，引脚的一端与带状导线、裸芯片及功率场效应管晶片电连接。
25.本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的开关输出模块，其包括陶瓷覆铜板以及晶片组，其中晶片组包括多个以划片道连接的功率场效应管晶片。在加工组装时，可以将作为一个整体的晶片组通过连接层与陶瓷覆铜板中的覆铜层电连接。相对于将多个功率场效应管的引脚分别焊接到pcb上的安装加工方式，本实用新型提供的开关输出模块，不仅提高了加工效率，还可以减少所需焊接的焊点数量，提高了开关输出模块以及混合功率开关电路的可靠性。
附图说明
26.图1是本实用新型实施例提供的开关输出模块的结构示意图；
27.图2是晶圆结构示意图；
28.图3是本实用新型提供的一种混合功率开关电路的俯视图。
29.附图标记：
30.1、陶瓷基体；
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2、覆铜层；
31.3、连接层；
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4、晶片组；
32.40、晶圆；
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41、晶片；
33.42、划片道；
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6、薄膜基板；
34.7、底座；
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8、外壳；
35.9、驱动模块；
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10、译码模块；
36.11、引脚；
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12、金属键合丝。
具体实施方式
37.为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合本实用新型的优选实施例及其附图进行详细描述。
38.实施例一
39.请参阅图1和图2，本实用新型实施例提供一种开关输出模块，包括：陶瓷覆铜板、连接层3和至少一个晶片组4，其中陶瓷覆铜板包括陶瓷基体1和覆铜层2，晶片组4包括至少两个晶片41以及相邻晶片41之间的划片道42。
40.本实施例中，陶瓷基体1的主要成分为导热陶瓷粉末和有机粘合剂，其中的导热陶瓷粉末中三氧化二铝含量最好在90％至99％之间。采用上述材质的陶瓷基体1具有优良的电绝缘性能和高导热特性，将开关输出模块工作时产生的热量散发，以增加开关输出模块的可靠性。在其它实施例中，根据实际应用需求，也可以采用以氮化铝以及粘合剂作为主要
成分的陶瓷基体1。
41.陶瓷基体1的形状可以根据实际的电路设计确定。本实施例中，陶瓷基体1的形状为带状体，具体地可为长方体。在其它实施例中，陶瓷基体1也可以采用其它的形状。
42.本实施例中，陶瓷基体1的厚度在0.25mm至1.00mm之间，采用该厚度可保证陶瓷基体1制作过程中的成品率，节省生产成本。
43.陶瓷基体1具有相对的两个表面，本实施例为了方便说明，将对应于晶片组4的表面称为正面，与之相对的一面称为背面。在具体实施过程中，可以仅在陶瓷基体1的正面设置覆铜层2，用以连接晶片组4。或者，也可以在陶瓷基体1的正面和背面均设置覆铜层2，其中，位于陶瓷基体1正面的覆铜层2用以连接晶片组4，位于陶瓷基体1背面的覆铜层2用以热量散发。以下为方便区分，将位于陶瓷基体1正面的覆铜层2称为第一覆铜层，将位于陶瓷基体1背面的覆铜层2称为第二覆铜层。
44.在本实用新型中，陶瓷基体1和覆铜层2可以用陶瓷和铜箔烧结的技术结合在一起；具体可采用陶瓷覆铜板制作过程中常用的烧结工艺，此处不再赘述。此外需要说明的是，本实施例中采用的陶瓷覆铜板，在陶瓷基体1和覆铜层2之间还可以设置有钛层和镍层等其它金属层，在覆铜层2、尤其是第一覆铜层背离陶瓷基体1的表面上也可以设有其它金属层，以满足不同的加工和产品需求。当然，若在第一覆铜层背离陶瓷基体1的表面上设置其它金属层，则晶片组4通过连接层3固定于其它金属层表面上并通过此金属层与覆铜层2电连接。
45.覆铜层2中铜的纯度可在99.9％至99.99％之间。覆铜层2的厚度可在0.12mm至0.40mm之间，以便保证电流的载流量以及实施的可操作性，实施的可操作性具体可包括烧结和键合等，具体地，覆铜层2的厚度可为0.12mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm和0.40mm。当然，根据功能不同，第一覆铜层和第二覆铜层的厚度可以不同。
46.本实施例中，覆铜层2覆盖陶瓷基体1的部分表面；换言之，陶瓷基体1正面中间区域被第一覆铜层所覆盖，陶瓷基体1正面边缘区域未被第一覆铜层所覆盖。在具体实施过程中，第一覆铜层的边缘与陶瓷基体1的边缘之间的距离为0.20mm到0.40mm，比如0.25mm、0.30mm、0.34mm等。类似的，陶瓷基体1背面中间区域被第二覆铜层所覆盖，陶瓷基体1背面边缘区域未被第二覆铜层覆盖；陶瓷基体1背面边缘部分的宽度为0.20mm到0.40mm。
47.现有技术中，一般是对单晶硅片、碳化硅片等晶圆正面进行前道加工，然后对晶圆背面进行减薄、根据实际需要进行背面金属化，最后进行切割，以获得裸芯片(die，或称为晶片、晶粒)。图2是典型的晶圆结构示意图。如图2所示，晶圆4包括多个晶片41与划片道(scribe line，又称划片槽或划片线)42，多个晶片41按行和列的形式呈阵列式排布，相邻晶片41之间的区域为划片道42。沿划片道42对晶圆4进行切割(俗称划片)，即可获得单个晶片41。比如图1中，每个矩形即代表一个晶片41。理想情况下，晶圆4划片后获得的晶片41数量与图中矩形的数量一致。
48.在本实施例提供的开关输出模块中，所使用的晶片组4包括多个晶片41，相邻晶片41之间为划片道42。即在晶片组4中，涉及的多个晶片41通过相邻的划片道42连接成整体结构；更具体的，在划片过程中，不对相邻晶片41之间的划片道42进行切割，而是沿着环绕多个晶片41整体外周的划片道42进行切割，获得的多个晶片41为整体连接的晶片组4。基于是否封装，本实施例中的晶片组4实际上也可以归入裸芯片的范畴。
49.比如对于两连片的晶片组4，包括两个晶片41以及二者之间的划片道42，三者构成整体结构；也即，两连片的晶片组4包括两个晶片41，两个晶片41之间通过划片道42连接。同理，对于图2中由右侧虚线框出的三连片的晶片组4，其包括三个晶片41以及相邻晶片41之间的划片道42；对于图2中由左侧虚线框出的五连片的晶片组4，其包括五个晶片41以及相邻晶片41之间的划片道42。
50.本实施例提供的开关输出模块中，所用的晶片41为功率场效应管(功率mos场效应晶体管)晶片，通常为n沟道功率型金属氧化物场效应管。单一晶片41的尺寸一般不超过9mm2，晶片组4厚度可以在200微米至400微米之间。每个晶片41的正面具有金属布线层以用于电极引出，背面具有金属层以作为电极。典型的功率mos场效应管晶片，其正面的金属布线层采用铝，以用于源极、栅极的引出，背面金属层为钛/镍/银，作为漏极。本实施例中，晶片组4中的多个功率场效应管晶片背面的漏极分别通过连接层3与覆铜层2电连接。
51.需要说明的是，在实际应用时，两连片的晶片组4是由两颗功率场效应管晶片组成的一颗两路功率场效应管裸芯片；三连片的晶片组4是由三颗功率场效应管晶片组成的一颗三路功率场效应管裸芯片，以此类推。
52.本实施例对于晶片组4中功率场效应管晶片的数量不做特别限定，具体可以根据实际电路功能确定。比如图3所示的混合功率开关电路为三十路功率开关电路，其包括六个晶片组4，每个晶片组4包括五个功率场效应管晶片。但是在其它实施例中，也可以设置其它数量的功率场效应管晶片。并且在同一个混合功率开关电路中，可以使用多个规格的晶片组4，即多个晶片组4中功率场效应管晶片的数量可以不同或者相同。比如图3中的三十路功率开关电路，可将其中一个五连片的晶片组4替换成一个三连片的晶片组4和一个二连片的晶片组4。
53.本实施例中，考虑到切割难度、以及开关输出模块应用于混合功率开关电路中时的电路模块布局以及加工难度等因素，每个晶片组4中多个晶片41之间延伸方向相同，即每个晶片组4中多个晶片41沿直线排列。比如图2中三连片的晶片组4，三个晶片41沿图中纵向排列；对于五连片的晶片组4，五个晶片41沿图中横向排列。此外，将晶片组4中的多个晶片41沿直线排列，还可节省装配的空间。
54.晶片组4背面的金属层通过连接层3与陶瓷覆铜片的覆铜层2电连接。在此，连接层3可包括金属粘合材料，金属粘合材料具体可为铅锡银合金。
55.在安装过程中，可以采用组装常规工艺，将晶片组4通过连接层3固定在陶瓷覆铜片正面的覆铜层2上，形成多路开关输出模块。比如将两连片的晶片组4通过连接层3固定在陶瓷覆铜片正面的覆铜层2上，形成两路功率开关模块；同理，将含有3个功率场效应管晶片的晶片组4，通过连接层3固定在陶瓷覆铜片正面的覆铜层2上，形成三路功率开关模块；以此类推。
56.实施例二
57.如图3所示，在本实用新型的另一个实施例中，提出一种混合功率开关电路，该混合功率开关电路包括：底座7、薄膜基板6、封装件和至少一个上述实施例一中提供的开关输出模块。薄膜基板6包括多个电阻和多条带状导线；薄膜基板6上设有多个裸芯片；裸芯片之间以及裸芯片与电阻之间通过带状导线电连接以形成驱动模块9和译码模块10。
58.译码模块10用于对输入信号进行译码处理，并将译码后的信号提供给驱动模块9；
驱动模块9将译码后的信号加强并输出至开关输出模块。
59.需要说明的是，为了方便区分，本实施例将开关输出模块中构成晶片组4的die称为“晶片”，将形成驱动模块9和译码模块10的单颗die称为“裸芯片”。其中，形成驱动模块9和译码模块10的单颗die可以为传统意义上的裸芯片，即严格按照划片道42切割而获得的管芯。
60.不难理解，上述驱动模块9和译码模块10的功能均是由裸芯片、导带以及可能的电阻实现，具体所需的裸芯片可根据需要设定。例如，在十路输入信号的情况下，译码模块10可选用核心结构为4位栓锁/4-16线译码器，驱动模块9的核心结构是低功耗低失调电压四比较器。在混合功率开关电路通道数量不同的情况下，每个模块所包括的裸芯片数量不同。
61.具体的，底座7表面中部为安装区域，用于设置薄膜基板6和开关输出模块中的陶瓷基体1。薄膜基板6位于安装区域的中部区域。陶瓷基体1位于底座7安装区域的边缘，环绕薄膜基板6设置。
62.开关输出模块与驱动模块9电连接。本实施例中，开关输出模块中的晶片41正面的金属布线层(含pad)通过金属键合丝12与构成驱动模块9的裸芯片或带状导线实现电连接。
63.封装件与底座7固定连接，用以封盖驱动模块9、译码模块10和开关输出模块。
64.具体的，底座7可采用混合集成电路中常用的底座结构，其材质可以选择可伐合金。底座7具有相对的正面和背面，底座7正面的中部区域为薄膜基板6和陶瓷覆铜板的安装区域，且陶瓷覆铜板绕薄膜基板6设置。
65.底座7的边缘区域上固设有多个引脚11，引脚11的两端分别伸出于底座7相对的两面，其中，引脚11的一端自底座7正面伸出，并通过金属键合丝12与开关输出模块、驱动模块9和译码模块10电连接，引脚11的另一端自底座7背面伸出，以用于与外部电路连接。在具体实施过程中，引脚11的一端与带状导线或裸芯片电连接，比如，通过铝硅键合丝等金属键合丝12与带状导线或裸芯片连接，从而实现引脚11与驱动模块9、译码模块10之间的电连接。对于开关输出模块，引脚11的一端与晶片11正面的金属布线层(具体为焊盘)可通过金属键合丝12电连接。
66.底座7上设有封装件，用以封盖驱动模块9、译码模块10和开关输出模块，作用在于隔绝驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等与外部的直接接触，免于受不良因素的影响而损坏或失效，提高混合功率开关电路的可靠性。
67.根据混合功率开关电路的应用需求，封装件可以有不同的形式。在一种实现方式中，封装件包括外壳8，外壳8与底座7的边缘密封连接，以在外壳8与底座7之间形成封闭腔室，以便对置于底座7上的驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等进行保护，防止水汽、灰尘等对驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等带来的不利影响，延长混合功率开关电路的使用寿命。
68.进一步地，还可根据混合功率开关电路使用需要，在底座7与外壳8所形成的封闭腔室内填充保护物质，以有效保护驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等。上述保护物质具体可以为气体或固体，其中，保护气体具体可以为氮气以及氩气等惰性气体；保护固体可以是有机树脂，比如，在加工时可以将环氧树脂等液体状有机树脂填充至外壳8与底座7之间的封闭腔室内，经固化成型即得到固态的保护物质。
69.外壳8同样可以采用金属材料制备，比如，使用钢镀镍。在具体实施过程中，可采用
焊接的形式实现外壳8与底座7之间的密封连接，比如，焊接可选用储能焊接，以保证外壳8与底座7之间的密封性和牢固连接。
70.在另一种实现方式中，封装件还可为保护层，用于封盖驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等。具体地，上述保护层可以是将有机树脂等液体材料涂覆在驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等的表面，然后再进行固化成型，以阻止驱动模块9、译码模块10和开关输出模块等与外部接触，避免外界环境所造成的不利影响；此外，还能进一步将裸芯片分别固定于薄膜基板6表面以及将晶片41固定在陶瓷覆铜板上。在具体实施过程中，上述采用封装件的形式可采用软包封，其中，软包封材料可包括聚硫化物、聚氨基甲酸酯、有机硅和环氧树脂中的一种或多种。
71.进一步参考图3，薄膜基板6包括第一安装区和第二安装区。其中，第一安装区位于薄膜基板6的边缘部分，可呈匚形；驱动模块9安装在薄膜基板6的第一安装区。第二安装区位于薄膜基板6的中部区域，可为矩形，被第一安装区部分环绕，即第二安装区的三个边被第一安装区环绕；译码模块10安装在薄膜基板6的第二安装区。通过上述布局，有效降低了混合功率开关电路的尺寸，实现了混合功率开关电路的小型化。
72.功率开关模块固定在底座7安装区的边缘区域，可采用常规技术手段实现与底座7的连接固定，例如，可通过绝缘胶固定在底座7安装区的边缘区域。其功率开关模块分别与部分引脚11和驱动模块9通过金属键合丝12电连接。其中，金属键合丝12可为铝硅合金丝。
73.外壳8可以采用金属外壳，并可通过储能焊接的方式将外壳8与底座7焊接，以实现密封连接，进而形成用于容纳上述薄膜基板6、五路功率开关模块、驱动模块9和译码模块10等的封闭腔室。
74.本实施例提供的混合功率开关电路在安装加工过程中，仅需要将五连片陶瓷覆铜片贴装在底座7上即可完成功率场效应管的装配，此外在封闭腔室内部充入氮气，能够防止内部各元材料氧化。外壳8和保护气体一起，能够使电路漏率达到2
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cm3/s。
75.需要说明的是，以现有技术中的三十路功率开关电路为例，是将三十个to-92封装结构的功率场效应管集成到印刷电路板上，彼此之间通过印刷电路板上的金属布线实现电气连接。印刷电路板功率开关电路能够承受的电流较低，一般在1a。此外，受限于印刷电路板的材质以及功率场效应管的封装材料，功率开关电路的工作温度一般为-40℃至+85℃。印刷电路板上的三十个功率场效应管均裸露在外，容易发生磕碰。此外，印刷电路板功率开关电路采用焊接的方式将分立元器件的引脚固定在印刷电路板板上，所需焊点数量较多，焊点的增多会导致不良率的提高，可靠性降低，且组装工序较为复杂。
76.根据本实施例的三十路混合功率开关电路，只需贴装六次五路功率开关模块，使组装效率大大提升，降低焊接不良率，提高可靠性。并且，陶瓷覆铜片能够使承载电流达到7a。此外，由于所用芯片均为裸芯片，使混合功率开关电路的工作温度不再受到封装材料的限制，大大拓宽了工作温度，能够达到-55℃至125℃；在外壳8和内部氮气保护下，能够防止各元器件磕碰和氧化，能够使电路漏率达到2
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77.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。