專利名稱：具有分離的電源環(huán)的半導體芯片及其制造和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體芯片，特別是涉及一種要求低功率設計的半導體芯片。
背景技術：
在專有集成電路(ASICs)，特別是用于移動或無線設備中的數(shù)字半導體電路的應用中，低功率設計是很重要的。這是因為移動和無線設備使用由其特性決定的充電電源，且充電電池的電源損耗必須最小化以便該設備可使用持續(xù)時間長的充電電源。
在數(shù)字半導體電路的設計中，電源損耗的總量可表示為工作狀態(tài)的電源損耗量(PAC)和閑置狀態(tài)的電源損耗量(PDC)之和。在此，閑置狀態(tài)的電源損耗量與工作狀態(tài)的電源損耗量相比已被忽略。但是，近來，隨著集成電路(IC)芯片的比例、被包含在半導體芯片中的門的數(shù)量以及輸入/輸出焊墊(I/O PADs)數(shù)量的增加，使得在閑置狀態(tài)時引起功率損耗的靜態(tài)電流的相對重要性增加了。
同時，ASICs應用電源焊墊以獲取電源。電源焊墊是與信號輸入/輸出焊墊一起向在半導體芯片中的核心提供電源的單元。一般地，電源焊墊被分為模擬電源焊墊和數(shù)字電源焊墊，其以模擬電源焊墊和數(shù)字電源焊墊分別提供模擬電源和數(shù)字電源的方式設計。
圖1說明了典型的半導體芯片10的結構。
將半導體芯片10安裝在位于引線框上的半導體芯片底板上，并且通過引線框與外部電路連接。半導體芯片10具有形成于半導體芯片10的周邊部分處的焊墊4和8，它們用來供電、接地并與外部電路交換信號。同時，半導體芯片10包括形成于半導體芯片10內側的電源環(huán)2和6，它們通過內部導線將從焊墊4和8之中的電源焊墊獲得的電源(一般地，標記為‘VDD’)傳輸給半導體電路。
將電源環(huán)2和6分別分為模擬部分和數(shù)字部分，其中模擬部分從模擬電源焊墊4獲得電源以將電源供給半導體芯片內部的模擬電路，將數(shù)字部連接至數(shù)字電源焊墊8以將電源供給半導體芯片10內部的數(shù)字電路。
一般地，模擬電源焊墊4可以根據(jù)模擬電源焊墊4的使用狀態(tài)開/關電源。但是，數(shù)字電源焊墊8不管數(shù)字電源焊墊8的功能和工作狀態(tài)而一直接通電源。從而，數(shù)字電源焊墊的連續(xù)通電狀態(tài)是閑置狀態(tài)時引起靜態(tài)電流消耗的主要原因。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明用來解決出現(xiàn)在現(xiàn)有技術中的上述問題，且本發(fā)明的一個目的在于提供一種半導體芯片、制造該半導體芯片的方法及其控制方法，其可降低閑置狀態(tài)下半導體芯片的雙向焊墊和輸出焊墊的電源損耗。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導體芯片，制造該半導體芯片的方法及其控制方法，其可根據(jù)半導體電路中相應焊墊功能的使用狀態(tài)通過焊墊使供給的電源接通和斷開。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種半導體芯片、制造該半導體芯片的方法及其控制方法，其可根據(jù)電源環(huán)的功能將用于向半導體芯片內部電路提供電源的電源環(huán)分類。
為完成這些目的，提供了一種半導體芯片，該半導體芯片包括一用于從外部器件接收電源的電源焊墊、多個焊墊組，根據(jù)功能將其分組成每個焊墊組包括至少一個輸入/輸出焊墊、一連接至每個焊墊組并用于將由電源焊墊供給的電源傳輸?shù)矫總€焊墊組的分離電源環(huán)、以及一開關控制單元，該開關控制單元用于確定焊墊組的輸入/輸出焊墊的使用狀態(tài)并用于進行關于每個焊墊組的開/關切換控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導體芯片的方法，其中該半導體芯片包括焊墊供給電源和輸入/輸出信號，該方法包括如下步驟將輸入/輸出焊墊分組成多個焊墊組，每個焊墊組包括至少一個同步工作焊墊，并將每個分離環(huán)連接到各個焊墊組，從而每個焊墊組的接通/斷開狀態(tài)被控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種方法用來控制半導體芯片，該半導體芯片包括從外部器件接收電源的電源焊墊、根據(jù)功能分組的多個焊墊組、以及分離電源環(huán)，每個電源環(huán)將由電源焊墊供給的電源傳輸?shù)矫總€焊墊組，該方法包括確定每個焊墊組的使用狀態(tài)和關閉閑置焊墊組的輸入/輸出焊墊的步驟。


從下面的詳細描述并結合附圖，本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點將更清楚，其中圖1示出典型的半導體芯片的結構；圖2和3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體封裝的引線框的剖面圖和結構；以及圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分離的電源焊墊的半導體芯片的結構。
具體實施例方式
以下，將結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細描述。注意盡管示出于不同的附圖中，但附圖中的相同或相似的組件盡可能被標以相同的附圖標記。在本發(fā)明的實施例的以下描述中，為清楚起見將省略已知的功能和引入其中的結構。
在本發(fā)明實施例的以下描述中，應用專有集成電路(ASIC)，特別是要求低功率的半導體芯片被按照如下方式設計，即根據(jù)環(huán)境條件通過切換輸入/輸出焊墊的電源開關來減小輸入/輸出焊墊中的靜態(tài)電源損耗。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實施例，如果沒有執(zhí)行特定功能，則切斷具有特定功能的輸入/輸出焊墊的電源。
圖2和3示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的半導體封裝的引線框的剖面圖和結構；沿著由銅或者銅合金制成的引線框26的兩個相對面或者四面排列多條引線14。用于裝配半導體芯片18的半導體芯片底板12被引線14圍繞，且被設置在與引線14相同或者比其稍微低的平面處。半導體芯片底板12由從引線框26的四個角延伸出的層條16(tier bar)支撐。同時，在半導體芯片18上的輸入/輸出(I/O)電源焊墊24借助導線20通過鍵合形式連接到引線14的鍵指粒(bond fingers)22上，從而將半導體芯片18電連接到引線14上。
半導體芯片底板12具有形成于半導體芯片底板12上表面上的長方形電源金屬板28。電源金屬板28被設置于半導體芯片底板12的上表面上預定空間處，該半導體芯片底板12位于半導體芯片18安裝在其上的中心部分和引線14的內部末端之間。
電源通過導線20a在引線14中從用于提供電源的預定數(shù)目的引線被供給到電源金屬板。通過導線20a將被供給的電源傳送到半導體芯片18內部的焊墊24。借助半導體芯片18內部的電源環(huán)2或6，焊墊24將電源傳輸給包含在半導體芯片18中的電路。
將一個半導體芯片設計為具有多種功能集成電路(IC)，并且通過輸入/輸出(I/O)焊墊與外部器件連接。根據(jù)本發(fā)明的實施例，為把設置在一個半導體芯片上的多個焊墊分成多個具有同時工作的焊墊的組，每個焊墊組被連接到每個分離電源環(huán)。焊墊的分組根據(jù)實現(xiàn)相同功能的焊墊來進行。具體地，根據(jù)焊墊通過至少一個電源引線接收電源來進行分組。
在半導體芯片的控制下，每個焊墊組可以獨立地處于接通或斷開狀態(tài)。因此，當沒有使用連接到一個電源環(huán)的焊墊時，能通過斷開焊墊保存電源。如果通過重復上述的操作來控制多個焊墊組，則可降低閑置狀態(tài)下的總輸入/輸出(I/O)焊墊的電源損耗。
圖4說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有分離的電源焊墊的半導體芯片的結構。
半導體芯片30安裝于引線框的半導體芯片底板上，并通過引線框與外部器件連接。半導體芯片30具有形成在半導體芯片30周邊部分的焊墊，它們用于供電、接地和與外部電路的信號交換。在此，參考標記36、40、44和48表示能根據(jù)輸入/輸出焊墊中的各種功能獨立操作的焊墊的組。
焊墊組36、40、44和48是根據(jù)分離的電源環(huán)34、38、42、46傳輸通過電源焊墊提供的電源(一般地，標記為‘Vdd’)來分組。將電源環(huán)34、38、42、和46分為模擬或數(shù)字電源環(huán)。模擬電源環(huán)34連接至模擬焊墊組36，用來將接受來自模擬電源焊墊的模擬電源供給自焊墊組36、40、44、和48中的模擬焊墊組36，數(shù)字電源環(huán)分別連接至數(shù)字焊墊組40、44和48，以將接收自數(shù)字電源焊墊的數(shù)字電源(VDD)供給自焊墊組36、40、44和48中的數(shù)字電源焊墊40、44、48。將數(shù)字電源環(huán)38、42和46分開從而使其分別連接至可獨立操作的相應的焊墊組40、44和48。
通常，當啟動半導體芯片時，半導體芯片在工作狀態(tài)和閑置狀態(tài)下一直接收電源。即從電源焊墊接收的電源一直施加于電源環(huán)。在半導體芯片中的開關控制單元50的控制下，焊墊組36、40、44和48能獨立地開啟和關閉。當使用具有特定功能的焊墊組時，開關控制單元50接通該焊墊組。當焊墊組沒被使用時，開關控制單元50關閉該焊墊組。在此，開啟焊墊組指的是焊墊組的輸入和輸出焊墊連接至電源環(huán)，關閉焊墊組指的是焊墊組從電源環(huán)斷開。因此，當焊墊組關閉時，焊墊組不工作，因此在閑置狀態(tài)時不消耗電源。
具體地，從一個分離電源環(huán)接收電源的焊墊組的焊墊可以是具有通過總線讀取存儲設備的輸入或輸出焊墊。當進行讀取存儲器時，開關控制單元50開啟焊墊組，當未進行存儲器讀取，開關控制單元50關閉焊墊組。
以下，將根據(jù)本發(fā)明的實施例描述制造半導體芯片的方法。
首先，半導體芯片的數(shù)字輸入/輸出焊墊根據(jù)每個焊墊的功能被分成多個焊墊組。一個焊墊組包括至少一個焊墊，該焊墊用于通過至少一個電源焊墊接收電源。同樣，和分離電源環(huán)一樣多的焊墊組可被設置于半導體芯片上。電源環(huán)優(yōu)選由金屬制成，用來將從電源焊墊供給的電源傳輸?shù)捷斎?輸出焊墊。焊墊組優(yōu)選通過內部導線與電源環(huán)連接。
接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明實施例的分離電源環(huán)的控制操作。
設置于半導體芯片上的開關控制單元確定了每個焊墊組周期性的使用狀態(tài)或者確定何時需要該使用狀態(tài)。如果開關控制單元確定電源必須提供給相應的焊墊組，則開關控制單元開啟相應焊墊組的輸入/輸出焊墊。否則開關控制單元重復進行斷開相對于所有焊墊組的相應焊墊組的輸入/輸出焊墊操作。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的控制操作中，開關控制單元相對于所有的焊墊組的輸入/輸出焊墊保持斷開狀態(tài)。當需要使用相應特定功能的焊墊組時，開關控制單元開啟焊墊組的輸入/輸出焊墊。如果在通電狀態(tài)下停止使用焊墊組，則開關控制單元關閉相應的焊墊組的輸入/輸出焊墊。
如上所述，在數(shù)字半導體的設計中，電源損耗的總量表示為工作狀態(tài)時的電源損耗(PAC)和閑置狀態(tài)時的電源損耗(PDC)之和。
在CMOS電路中通過使用漏電流的量和輸入/輸出電流的量的總和來計算靜態(tài)電源損耗的總量。在此，漏電流在反向偏壓狀態(tài)產生于阱區(qū)和襯底之間。一般地，由于在閑置狀態(tài)沒有接地DC電源通過CMOS電路，所以漏電流只存在于靜態(tài)時的CMOS電路的內部。幾nA的漏電流可忽略。但是，如果CMOS電路中的門數(shù)增加，則漏電流可能是導致電源損失的重要因素之一。
同時，當CMOS電路與其他元件例如TTL等連接時，產生通過輸入/輸出緩沖器的輸入/輸出電流。在此，盡管幾十μA的輸入緩沖器的全開/全關晶體管電流是可忽略的，但輸出緩沖器或雙向緩沖器的電流引起問題。因此，輸出緩沖器中的DC電流消耗的量可能變成靜態(tài)電流消耗總量的大部分?？梢杂梅匠淌?計算，通過輸出緩沖器和雙向緩沖的DC電源損耗。
PDC_OUT[mW]=(Σk=1n(VOL(k)×IOL(k)×tL(k))+Σk=1n((VDD-VOH(k))×IOH(k)×tH(k)))/T]]>PDC_BI[mW]=(Σk=1n(VOL(k)×IOL(k)×tL(k))+Σk=1n((VDD-VOH(k))×IOH(k)×tH(k)))×Sout/T]]>在此，PDC_OUT表示通過輸出緩沖的DC電源損耗的量，PDC_BI表示通過雙向緩沖器的DC電源損耗的量。VOL、IOL、VOH和IOH分別表示低態(tài)和高態(tài)相應的電壓和電流，VDD表示數(shù)字電源電壓。同時，n表示輸出緩沖器或雙向緩沖器的數(shù)量，T表示輸出模式的總操作時間，tH表示高態(tài)下的時間總量，tL表示低態(tài)時的時間總量。因此，假定輸出緩沖器和雙向緩沖器不是三態(tài)，則T的值等于tH+tL的值。Sout表示雙向緩沖器的輸出模式的比，并且Sout值大約為0.5。
同時，DC靜態(tài)電流可用方程式1來表示。
例如，如果連接至輸出緩沖器或雙向緩沖器的輸入/輸出焊墊根據(jù)每個組的功能分成三個數(shù)字電源組，并且在其它情況只有第一和第二組工作，則第三組的靜態(tài)電流消耗量是“0”。也就是說，對應于第三組電源環(huán)的電源環(huán)已被斷開。當輸出和雙向焊墊以上述的方式控制時，可以預料減小的靜態(tài)電流與斷開的焊墊的成比例。特別地，如果同步工作的焊墊占總焊墊的50％，則靜態(tài)電流的量降低到50％。
以下，將簡單地描述本發(fā)明實施例的效果，尤其是以上描述的本發(fā)明的如上所述，單一存在的焊墊或根據(jù)每個焊墊的功能分組的焊墊的每一個都連接至一個分離的電源環(huán)，且電源環(huán)的開/關狀態(tài)根據(jù)每個焊墊或焊墊組的工作狀態(tài)來控制，由此降低半導體芯片閑置狀態(tài)時DC電流消耗。
雖然結合本發(fā)明的特點的優(yōu)選實施例已示出和描述了本發(fā)明，但應理解，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的條件下，本領域技術人員可以進行形式和細節(jié)上的各種改變，因此本發(fā)明的范圍不應當限定于實施例，而應當由其所附的權利要求和等效物限定。
權利要求
1.一種半導體芯片，包括用于從外部器件接收電源的電源焊墊；根據(jù)焊墊組的功能分組的多個焊墊組，使得每個焊墊組包括至少一個輸入/輸出焊墊；連接至每個焊墊組的分離的電源環(huán)，用于將由電源焊墊提供的電源傳輸?shù)矫總€焊墊組；和一開關控制單元，用于確定焊墊組的輸入/輸出焊墊的使用狀態(tài)以及用于進行有關每個焊墊組的開/關控制。
2.如權利要求1所述的半導體芯片，其中開關控制單元確定每個焊墊組的使用狀態(tài)并從相應的電源環(huán)斷開閑置焊墊組的輸入/輸出焊墊。
3.如權利要求1所述的半導體芯片，其中每個焊墊組包括至少一個同步工作的輸入/輸出焊墊。
4.一種制造半導體芯片的方法，該半導體芯片包括焊墊供給電源和輸入/輸出信號，該方法包括以下步驟將輸入/輸出焊墊分組為多個焊墊組，每個焊墊組包括至少一個同步工作的焊墊；并且將每個分離的環(huán)連接到每個焊墊組，從而每個焊墊組的開/關狀態(tài)被控制。
5.如權利要求4所述的方法，其中在輸入/輸出焊墊的分組步驟中，以每個焊墊組包括至少焊墊的方式進行分組，該焊墊共用通過一個電源焊墊提供的電源。
6.一種半導體芯片的控制方法，該半導體芯片包括從外部設備接收電源的電源焊墊、根據(jù)焊墊組的功能分組的多個焊墊組和分離的電源環(huán)，每個電源環(huán)將由電源焊墊供給的電源傳輸?shù)矫總€焊墊組，該方法包括以下步驟確定每個焊墊組的使用狀態(tài)；并且斷開閑置焊墊組的輸入/輸出焊墊。
7.如權利要求6所述的方法，其中在斷開輸入/輸出焊墊的步驟中，焊墊組的輸入/輸出焊墊與相應的電源環(huán)斷開。
8.如權利要求6所述的方法，還包括接通使用的焊墊組的輸入/輸出焊墊作為確定焊墊組使用狀態(tài)的結果的步驟。
全文摘要
公開了一種半導體芯片，該半導體芯片包括用來接收電源的電源焊墊、根據(jù)每個焊墊組包括至少一個輸入/輸出焊墊的功能分組的多個焊墊組、連接至每個焊墊組并且將由電源焊墊供給的電源傳輸?shù)矫總€焊墊組的分離電源環(huán)、和一開關控制單元，該開關控制單元用于確定焊墊組的輸入/輸出焊墊的使用狀態(tài)并用于進行與每個焊墊組有關的開/關控制。焊墊組包括至少同步工作的輸入/輸出焊墊，并且以焊墊組包括至少兩個焊墊的方式分組，這兩個焊墊共用從一個電源焊墊提供的電源。一開關控制單元，確定每個焊墊組的使用狀態(tài)，并且作為確定的結果，斷開閑置焊墊組的輸入/輸出焊墊。
文檔編號H01L23/495GK1649153SQ20041010339
公開日2005年8月3日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權日2003年12月8日
發(fā)明者李種林, 金東潤, 任晙爀 申請人:三星電子株式會社