集成有驱动芯片的功率半导体器件的制作方法

1.本实用新型涉及一种集成有驱动芯片的功率半导体器件，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.目前，由一颗功率驱动芯片和两个n型mosfet（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，全称金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管）组成的半桥式结构常用于dcdc（直流-直流）系统（一个半桥式结构）、h桥电机驱动系统（两个半桥式结构）、三相无刷直流电机驱动系统（3个半桥式结构）等系统中，为了能够获得更高的耐受电压以及更大的电流驱动能力，通常采用纵向的n型mosfet来组成该半桥式结构。即n型mosfet的栅极和源极位于功率半导体器件的顶部，漏极位于功率半导体器件的底部。这种排布方式需要预留一定的空间来安放驱动芯片，同时还要为驱动芯片提供电源和必要的外围支持电路，导致功率半导体器件的结构较为复杂，产品的体积也较大。
3.随着当下消费类电子产品、电动工具等产品的日益小型化，提升系统集成度迫在眉睫，而目前最为常见的提高系统集成度的方法就是采用多芯片单封装技术。如图1所示，传统的功率半导体器件中包括一颗驱动芯片、两个n型mosfet、一个自举二极管和一个自举电容，值得注意的是该功率半导体器件中需要设置三个供电电源，第一个是芯片供电电源vcc端，第二个是bus电压hv，第三个是利用电容供电的vb端。由于n型mosfet器件的底部为漏极，且传统的双n管半桥式结构的连接方法如图1所示，上管的源级与下管的漏极相互连，因此两个n型mosfet器件不能放置在同一块金属基底上，否则会导致上管漏源短路；同时下管也无法与驱动芯片放置在同一块基底上，否则会导致下管的漏源短路，因此，传统的不考虑自举二极管集成的情况下的功率半导体器件，需要至少三块金属基板才可完成合封，这无疑增加合封成本和难度。此外，系统应用中，仍然需要外置自举二极管和自举电容，且需要通过很多外围器件来实现多电源供电，难以实现高度集成，如果将自举二极管也合封至器件中，那么需要更多的基岛才可完成，这无疑进一步地增加了封装难度。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种集成有驱动芯片的功率半导体器件，能够减小功率半导体器件的体积，降低功率半导体器件的复杂程度。
5.一种集成有驱动芯片的功率半导体器件，所述功率半导体器件中包括：第一金属基板、第二金属基板、位于所述第一金属基板上的p型金氧半场效晶体管和n型金氧半场效晶体管、位于所述第二金属基板上的驱动芯片、七个引脚，所述七个引脚包括第一输入引脚、第二输入引脚、线性稳压引脚、输出引脚、母线电压引脚、第一接地引脚和第二接地引脚；
6.所述第一金属基板与所述输出引脚相连，所述第二金属基板分别与所述第一接地引脚和所述第二接地引脚相连；所述驱动芯片中的多个金属焊盘分别与所述第一输入引脚、所述第二输入引脚、所述线性稳压引脚、所述母线电压引脚、所述第二金属基板、所述p
型金氧半场效晶体管的第一栅极和所述n型金氧半场效晶体管的第二栅极相连；
7.当所述功率半导体器件与微控制器相连时，所述功率半导体器件通过所述母线电压引脚获取电源电压，通过所述第一输入引脚接收所述微控制器输入的第一电信号，通过所述第二输入引脚接收所述微控制器输入的第二电信号，通过所述线性稳压引脚向所述微控制器提供电源电压，通过所述驱动芯片、所述p型金氧半场效晶体管和所述n型金氧半场效晶体管对所述第一电信号和所述第二电信号进行处理后，通过所述输出引脚向负载输出功率。
8.在一种可能的实现方式中，所述p型金氧半场效晶体管的第一漏极通过导电胶连接方式、金属线连接方式和金属框架连接方式中的至少一种与所述第一金属基板相连；
9.所述p型金氧半场效晶体管的第一源极通过金属线连接方式与所述母线电压引脚相连；
10.所述p型金氧半场效晶体管的第一栅极通过金属线连接方式与所述驱动芯片的第一金属焊盘相连。
11.在一种可能的实现方式中，所述n型金氧半场效晶体管的第二漏极通过导电胶连接方式、金属线连接方式和金属框架连接方式中的至少一种与所述第一金属基板相连；
12.所述n型金氧半场效晶体管的第二源极通过金属线连接方式与所述第一接地引脚相连；
13.所述n型金氧半场效晶体管的第二栅极通过金属线连接方式与所述驱动芯片的第二金属焊盘相连。
14.在一种可能的实现方式中，所述第一金属基板通过金属框架连接方式或者金属线连接方式与所述输出引脚相连；
15.所述第二金属基板通过以下三种连接方式中的任意两种组合分别与所述第一接地引脚和所述第二接地引脚相连，所述三种连接方式包括：金属框架连接方式、金属线连接方式、金属线经过n型金氧半场效晶体管中的第二源极跨接的连接方式。
16.在一种可能的实现方式中，所述驱动芯片中包括低压差线性稳压器、欠压保护模块和过温保护模块、死区时间和直通保护模块、第一噪声过滤模块、第二噪声过滤模块、第一驱动电压转换模块和第二驱动电压转换模块；
17.所述低压差线性稳压器的输入端和所述欠压保护模块的输入端通过所述驱动芯片的第三金属焊盘与所述母线电压引脚相连；
18.所述欠压保护模块的输出端与所述过温保护模块的输入端相连；
19.所述低压差线性稳压器的输出端和所述过温保护模块的输出端通过所述驱动芯片的第四金属焊盘与所述线性稳压引脚相连；
20.所述死区时间和直通保护模块的第一输入端通过所述驱动芯片的第五金属焊盘与所述第一输入引脚相连；
21.所述死区时间和直通保护模块的第二输入端通过所述驱动芯片的第六金属焊盘与所述第二输入引脚相连；
22.所述死区时间和直通保护模块的第一输出端与所述第一噪声过滤模块的输入端相连，所述第一噪声过滤模块的输出端与所述第一驱动电压转换模块的输入端相连，所述第一驱动电压转换模块的输出端通过所述驱动芯片的第一金属焊盘与所述p型金氧半场效
晶体管的第一栅极相连；
23.所述死区时间和直通保护模块的第二输出端与所述第二噪声过滤模块的输入端相连，所述第二噪声过滤模块的输出端与所述第二驱动电压转换模块的输入端相连，所述第二驱动电压转换模块的输出端通过所述驱动芯片的第二金属焊盘与所述n型金氧半场效晶体管的第二栅极相连。
24.在一种可能的实现方式中，所述低压差线性稳压器用于将所述母线电压引脚上的电压转换为一个固定的输出电压；
25.所述欠压保护模块用于在所述母线电压引脚上的电压低于额定电压时，控制所述输出引脚输出接地电位；
26.所述过温保护模块用于在温度超过额定温度时，控制所述输出引脚输出接地电位。
27.在一种可能的实现方式中，所述第一输入引脚输入的所述第一电信号依次经过所述死区时间和直通保护模块、所述第一噪声过滤模块和所述第一驱动电压转换模块处理后得到第三电信号，所述第三电信号被输出至所述p型金氧半场效晶体管，以驱动所述p型金氧半场效晶体管；
28.所述第二输入引脚输入的所述第二电信号依次经过所述死区时间和直通保护模块、所述第二噪声过滤模块和所述第二驱动电压转换模块处理后得到第四电信号，所述第四电信号被输出至所述n型金氧半场效晶体管，以驱动所述n型金氧半场效晶体管。
29.在一种可能的实现方式中，所述线性稳压引脚通过滤波电容接地；
30.所述第一接地引脚和所述第二接地引脚接地。
31.在一种可能的实现方式中，当所述第一输入引脚输入的第一电信号和所述第二输入引脚输入的第二电信号都为低电位时，所述输出引脚输出接地电位；
32.当所述第一输入引脚输入的第一电信号和所述第二输入引脚输入的第二电信号都为高电位时，所述输出引脚输出接地电位；
33.当所述第一输入引脚输入的第一电信号为低电位，且所述第二输入引脚输入的第二电信号为高电位时，所述输出引脚输出接地电位；
34.当所述第一输入引脚输入的第一电信号为高电位，且所述第二输入引脚输入的第二电信号为低电位时，所述输出引脚输出母线电压。
35.与现有技术相比，本实用新型采用的技术方案具有如下优点和显著效果：
36.（1）仅采用一个电源即可实现功率半导体器件，无需多余外围器件，极大程度上提升了系统的集成度，减小了系统板的面积；
37.（2）仅需两个基岛即可完成三颗管芯合封，且两颗mos管利用导电胶连于同一个基岛上，该基岛直接与芯片引脚相连，有助于大电流输出，降低引线电阻的寄生影响；
38.（3）驱动芯片中集成了ldo端口，用于为外部控制芯片供电，进一步减小了系统中芯片的数量，提升了系统集成度。
附图说明
39.图1是现有技术中的双n管半桥结构的示意图；
40.图2是本实用新型提出的一种功率半导体器件的结构示意图；
41.图3是本实用新型提出的一种功率半导体器件的结构示意图；
42.图4是本实用新型提出的一种功率半导体器件的外围电路的结构示意图；
43.图5是本实用新型提供的一种功率半导体器件的时序逻辑图。
具体实施方式
44.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
45.以sop-8封装外形为例，请参考图2，其示出了一种集成有驱动芯片的功率半导体器件19。该功率半导体器件19包括：第一金属基板7、第二金属基板16、位于第一金属基板7上的p型金氧半场效晶体管3和n型金氧半场效晶体管6、位于第二金属基板16上的驱动芯片17、七个引脚，七个引脚包括第一输入引脚11、第二输入引脚12、线性稳压引脚10、输出引脚8、母线电压引脚14、第一接地引脚13和第二接地引脚9。可选的，功率半导体器件19中还可以包括至少一个冗余引脚15。
46.第一金属基板7与输出引脚8相连。在一种实现方式中，第一金属基板7通过金属框架连接方式或者金属线连接方式与输出引脚8相连。
47.第一金属基板7上设有p型金氧半场效晶体管3和n型金氧半场效晶体管6。其中，p型金氧半场效晶体管3的第一漏极通过导电胶连接方式、金属线连接方式和金属框架连接方式中的至少一种与第一金属基板7相连；p型金氧半场效晶体管3的第一源极2通过金属线连接方式与母线电压引脚14相连；p型金氧半场效晶体管3的第一栅极1通过金属线连接方式与驱动芯片17的第一金属焊盘23相连。n型金氧半场效晶体管6的第二漏极通过导电胶连接方式、金属线连接方式和金属框架连接方式中的至少一种与第一金属基板7相连；n型金氧半场效晶体管6的第二源极5通过金属线连接方式与第一接地引脚13相连；n型金氧半场效晶体管6的第二栅极4通过金属线连接方式与驱动芯片17的第二金属焊盘22相连。
48.在第一金属基板7的左侧设有第二金属基板16。第二金属基板16分别与第一接地引脚13和第二接地引脚9相连。在一种实现方式中，第二金属基板16通过以下三种连接方式中的任意两种组合分别与第一接地引脚13和第二接地引脚9相连，这三种连接方式包括：金属框架连接方式、金属线连接方式、金属线经过n型金氧半场效晶体管6中的第二源极5跨接的连接方式。其中，第一接地引脚13和第二接地引脚9与第二基板金属16之间的连线方式可以是同一种。
49.第二金属基板16上设有驱动芯片17，驱动芯片17上至少设有7个独立的金属焊盘，图2中这7个金属焊盘分别用18和20-25表示。本实施例中，驱动芯片17中的多个金属焊盘分别与第一输入引脚11、第二输入引脚12、线性稳压引脚10、母线电压引脚14、第二金属基板16、p型金氧半场效晶体管3的第一栅极1和n型金氧半场效晶体管6的第二栅极4相连。
50.请参考图3，驱动芯片17中包括低压差线性稳压器、欠压保护模块和过温保护模块、死区时间和直通保护模块、第一噪声过滤模块、第二噪声过滤模块、第一驱动电压转换模块和第二驱动电压转换模块。其中，低压差线性稳压器的输入端和欠压保护模块的输入端通过驱动芯片17的第三金属焊盘25与母线电压引脚14相连；欠压保护模块的输出端与过
温保护模块的输入端相连；低压差线性稳压器的输出端和过温保护模块的输出端通过驱动芯片17的第四金属焊盘21与线性稳压引脚10相连。死区时间和直通保护模块的第一输入端通过驱动芯片17的第五金属焊盘20与第一输入引脚11相连；死区时间和直通保护模块的第二输入端通过驱动芯片17的第六金属焊盘18与第二输入引脚12相连；死区时间和直通保护模块的第一输出端与第一噪声过滤模块的输入端相连，第一噪声过滤模块的输出端与第一驱动电压转换模块的输入端相连，第一驱动电压转换模块的输出端通过驱动芯片17的第一金属焊盘23与p型金氧半场效晶体管3的第一栅极1相连；死区时间和直通保护模块的第二输出端与第二噪声过滤模块的输入端相连，第二噪声过滤模块的输出端与第二驱动电压转换模块的输入端相连，第二驱动电压转换模块的输出端通过驱动芯片17的第二金属焊盘22与n型金氧半场效晶体管6的第二栅极4相连。
51.具体的，低压差线性稳压器用于将母线电压引脚14上的电压转换为一个固定的输出电压；欠压保护模块用于在母线电压引脚14上的电压低于额定电压时，控制输出引脚8输出接地电位；过温保护模块用于在温度超过额定温度时，控制输出引脚8输出接地电位。其中，固定的输出电压、额定电压和额定温度都可以根据需要设置。在一个示例中，固定的输出电压和额定电压都为5v，额定温度为150摄氏度。
52.具体的，第一输入引脚11输入的第一电信号依次经过死区时间和直通保护模块、第一噪声过滤模块和第一驱动电压转换模块处理后得到第三电信号，第三电信号被输出至p型金氧半场效晶体管3，以驱动p型金氧半场效晶体管3；第二输入引脚12输入的第二电信号依次经过死区时间和直通保护模块、第二噪声过滤模块和第二驱动电压转换模块处理后得到第四电信号，第四电信号被输出至n型金氧半场效晶体管6，以驱动n型金氧半场效晶体管6。
53.其中，第一噪声过滤模块和第二噪声过滤模块可以通过电平移位来对电信号进行降噪处理。第一驱动电压转换模块和第二驱动电压转换模块可以通过驱动级来对电信号进行电压转换。
54.需要补充说明的是，第七金属焊盘24通过金属线连接方式与第二金属基板16相连，并连接至第二接地引脚9。
55.总结来说，驱动芯片17需要引入的电信号为：母线电压引脚14上的电信号、第二金属基板16上的电信号、第二输入引脚12上的电信号、第一输入引脚11上的电信号；驱动芯片17需要输出的电信号为：p型金氧半场效晶体管3的第一栅极1上的电信号、n型金氧半场效晶体管6的第二栅极4上的电信号、线性稳压引脚10上的电信号。
56.请参考图4，当功率半导体器件19与微控制器21相连时，功率半导体器件19通过母线电压引脚14获取电源电压，通过第一输入引脚11接收微控制器21输入的第一电信号，通过第二输入引脚12接收微控制器21输入的第二电信号，通过线性稳压引脚10向微控制器21提供电源电压（5v），同时，线性稳压引脚10通过滤波电容（c2）接地；第一接地引脚13和第二接地引脚9接地，通过驱动芯片17、p型金氧半场效晶体管3和n型金氧半场效晶体管6对第一电信号和第二电信号进行处理后，通过输出引脚8向负载输出功率。
57.请参考图5，当第一输入引脚11输入的第一电信号和第二输入引脚12输入的第二电信号都为低电位时，输出引脚8输出接地电位；当第一输入引脚11输入的第一电信号和第二输入引脚12输入的第二电信号都为高电位时，输出引脚8输出接地电位；当第一输入引脚
11输入的第一电信号为低电位，且第二输入引脚12输入的第二电信号为高电位时，输出引脚8输出接地电位；当第一输入引脚11输入的第一电信号为高电位，且第二输入引脚12输入的第二电信号为低电位时，输出引脚8输出母线电压。
58.以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不限于本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。