本發(fā)明屬于半導(dǎo)體生產(chǎn)，具體而言，涉及一種氮化鎵半橋模塊封裝方法。
背景技術(shù)：
1、氮化鎵功率器件憑借其寬禁帶特性、高電子遷移率和低導(dǎo)通電阻，已成為高頻高效功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。傳統(tǒng)氮化鎵半橋模塊封裝方法主要采用平面封裝或散熱片堆疊結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化電極布局和添加緩沖電路來抑制開關(guān)過程中的電壓尖峰。然而，這些方法主要關(guān)注電氣性能或熱管理的單一方面，缺乏系統(tǒng)層面的協(xié)同設(shè)計(jì)。
2、隨著氮化鎵器件開關(guān)頻率不斷提高(超過1mhz)，傳統(tǒng)封裝方法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一方面，高頻開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)導(dǎo)致器件擊穿；另一方面，開關(guān)損耗集中產(chǎn)生的熱點(diǎn)效應(yīng)加速器件老化。現(xiàn)有技術(shù)通常采用增大柵極電阻或添加緩沖電路的方式抑制電壓尖峰，但這會(huì)增加開關(guān)損耗，加劇熱管理困難；而強(qiáng)化散熱設(shè)計(jì)又往往增加電流環(huán)路面積，導(dǎo)致寄生電感增大，電壓尖峰加劇。
3、目前，業(yè)界缺乏有效的方法同時(shí)解決氮化鎵半橋模塊高頻開關(guān)中的電壓尖峰控制與熱管理問題，電磁場與溫度場的耦合效應(yīng)使二者形成相互制約的關(guān)系，在提高開關(guān)頻率的同時(shí)維持電壓尖峰與熱分布的平衡成為技術(shù)難點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種氮化鎵半橋模塊封裝方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在氮化鎵半橋模塊在高頻開關(guān)條件下電壓尖峰與熱管理協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)問題。
2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供一種氮化鎵半橋模塊封裝方法包括：設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路，確定最大允許環(huán)路面積；在絕緣基板上構(gòu)建電極布局；制備異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板；將氮化鎵芯片固定在散熱基板上；連接上下橋臂器件，設(shè)置電流諧振抑制結(jié)構(gòu)；對半橋模塊進(jìn)行封裝，構(gòu)建電磁屏蔽腔體；采用寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型對寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸出最優(yōu)電感補(bǔ)償參數(shù)向量，用于指導(dǎo)寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；其中寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型將半橋模塊的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與物理特性映射到最優(yōu)寄生參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)電磁場與溫度場的協(xié)同優(yōu)化。
3、其中，設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路的步驟包括：使用平面封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路，根據(jù)電壓尖峰閾值確定最大允許環(huán)路面積，并采用電流密度分布仿真驗(yàn)證環(huán)路設(shè)計(jì)合理性。
4、其中，構(gòu)建電極布局的步驟包括：在絕緣基板上采用梯度式電流路徑設(shè)計(jì)，使高頻電流分布均勻，減少電磁干擾頻譜擴(kuò)散。
5、其中，制備異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板的步驟包括：制備包含微通道散熱層與熱阻抑制層的異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板，確保在高頻工作狀態(tài)下維持熱梯度平衡，應(yīng)用熱擴(kuò)散方程進(jìn)行熱阻計(jì)算。
6、其中，固定氮化鎵芯片的步驟包括：將氮化鎵芯片通過直接鍵合技術(shù)固定在散熱基板上，形成低熱阻界面，并構(gòu)建柵極驅(qū)動(dòng)通路。
7、其中，連接上下橋臂器件的步驟包括：采用無感引線工藝連接上下橋臂器件，形成優(yōu)化電流路徑，并設(shè)置電流諧振抑制結(jié)構(gòu)降低開關(guān)過沖。
8、其中，封裝半橋模塊的步驟包括：使用三維封裝技術(shù)對半橋模塊進(jìn)行封裝，構(gòu)建電磁屏蔽腔體，并填充散熱復(fù)合材料。
9、其中，寄生電感補(bǔ)償參數(shù)向量是指優(yōu)化寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)所需的關(guān)鍵參數(shù)集合，包括補(bǔ)償電感值、補(bǔ)償電容值、布局位置坐標(biāo)與連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)；所述寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是電感、電容元件組成的電路結(jié)構(gòu)，通過反向電感效應(yīng)抵消原有寄生電感的影響，降低電壓過沖幅值。
10、其中，寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型的具體結(jié)構(gòu)為多層圖卷積網(wǎng)絡(luò)與參數(shù)生成網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合架構(gòu)，包含拓?fù)涮卣魈崛∧K、物理特性編碼模塊、參數(shù)回歸模塊與約束優(yōu)化模塊。
11、其中，還包括：應(yīng)用表面微結(jié)構(gòu)處理技術(shù)增強(qiáng)界面結(jié)合力，提高封裝熱循環(huán)耐受能力，延長模塊使用壽命；通過終端封裝測試驗(yàn)證半橋模塊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，包括開關(guān)速度、導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗測量，確認(rèn)電流路徑設(shè)計(jì)有效性。
12、本發(fā)明通過梯度式電流路徑設(shè)計(jì)與異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電流密度分布與熱梯度的協(xié)同優(yōu)化。該方法首先利用電流密度分布仿真確定合理的環(huán)路設(shè)計(jì)，然后通過寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型對寄生電感進(jìn)行補(bǔ)償，最終構(gòu)建三維封裝結(jié)構(gòu)，形成電磁屏蔽腔體。
13、采用本方法設(shè)計(jì)的半橋模塊在維持小環(huán)路面積的同時(shí)，通過微通道散熱層與熱阻抑制層的協(xié)同作用，有效平衡了熱梯度分布。特別是寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，使電磁場與溫度場耦合問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問題，通過學(xué)習(xí)歷史設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，生成最優(yōu)寄生電感補(bǔ)償參數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)過程。
14、本發(fā)明解決了氮化鎵半橋模塊高頻開關(guān)中電壓尖峰控制與熱管理協(xié)同優(yōu)化問題，使模塊能夠在更高頻率(>2mhz)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效抑制了電壓尖峰幅值，同時(shí)保持了均勻的溫度分布，延長了器件使用壽命，提高了功率密度。
1.一種氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，包括：設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路，確定最大允許環(huán)路面積；在絕緣基板上構(gòu)建電極布局；制備異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板；將氮化鎵芯片固定在散熱基板上；連接上下橋臂器件，設(shè)置電流諧振抑制結(jié)構(gòu)；對半橋模塊進(jìn)行封裝，構(gòu)建電磁屏蔽腔體；采用寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型對寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸出最優(yōu)電感補(bǔ)償參數(shù)向量，用于指導(dǎo)寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；其中寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型將半橋模塊的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與物理特性映射到最優(yōu)寄生參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)電磁場與溫度場的協(xié)同優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路的步驟包括：使用平面封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半橋模塊電流環(huán)路，根據(jù)電壓尖峰閾值確定最大允許環(huán)路面積，并采用電流密度分布仿真驗(yàn)證環(huán)路設(shè)計(jì)合理性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，構(gòu)建電極布局的步驟包括：在絕緣基板上采用梯度式電流路徑設(shè)計(jì)，使高頻電流分布均勻，減少電磁干擾頻譜擴(kuò)散。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，制備異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板的步驟包括：制備包含微通道散熱層與熱阻抑制層的異質(zhì)層結(jié)構(gòu)散熱基板，確保在高頻工作狀態(tài)下維持熱梯度平衡，應(yīng)用熱擴(kuò)散方程進(jìn)行熱阻計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，固定氮化鎵芯片的步驟包括：將氮化鎵芯片通過直接鍵合技術(shù)固定在散熱基板上，形成低熱阻界面，并構(gòu)建柵極驅(qū)動(dòng)通路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，連接上下橋臂器件的步驟包括：采用無感引線工藝連接上下橋臂器件，形成優(yōu)化電流路徑，并設(shè)置電流諧振抑制結(jié)構(gòu)降低開關(guān)過沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，封裝半橋模塊的步驟包括：使用三維封裝技術(shù)對半橋模塊進(jìn)行封裝，構(gòu)建電磁屏蔽腔體，并填充散熱復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，寄生電感補(bǔ)償參數(shù)向量是指優(yōu)化寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)所需的關(guān)鍵參數(shù)集合，包括補(bǔ)償電感值、補(bǔ)償電容值、布局位置坐標(biāo)與連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)；所述寄生電感補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是電感、電容元件組成的電路結(jié)構(gòu)，通過反向電感效應(yīng)抵消原有寄生電感的影響，降低電壓過沖幅值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，寄生參數(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型的具體結(jié)構(gòu)為多層圖卷積網(wǎng)絡(luò)與參數(shù)生成網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合架構(gòu)，包含拓?fù)涮卣魈崛∧K、物理特性編碼模塊、參數(shù)回歸模塊與約束優(yōu)化模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化鎵半橋模塊封裝方法，其特征在于，還包括：應(yīng)用表面微結(jié)構(gòu)處理技術(shù)增強(qiáng)界面結(jié)合力，提高封裝熱循環(huán)耐受能力，延長模塊使用壽命；通過終端封裝測試驗(yàn)證半橋模塊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，包括開關(guān)速度、導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗測量，確認(rèn)電流路徑設(shè)計(jì)有效性。