專(zhuān)利名稱(chēng)：在基板柵格陣列封裝中應(yīng)用的dc－dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及使用微電子器件實(shí)現(xiàn)的電源。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施方式將高電流降壓調(diào)節(jié)器集成到基板柵格陣列(LGA)封裝內(nèi)，以滿(mǎn)足在最小區(qū)域內(nèi)封裝板層分布電源結(jié)構(gòu)的電和熱需求。
背景技術(shù)：
電子系統(tǒng)面臨進(jìn)一步的尺寸減小、器件密度以及更重要的電源密度的極大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，許多障礙需要克服。有效的熱散失以及與低電阻和低電感的互連相聯(lián)系的管理，結(jié)合提供低成本封裝的需要，僅僅是許多障礙中的一些。
傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體封裝或管芯包括一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體管芯。功率半導(dǎo)體管芯，例如電源MOSFET，具有限定漏極接點(diǎn)或電極的底表面和包括限定源極接點(diǎn)或電極的第一金屬化區(qū)域和限定柵極接點(diǎn)或電極的第二金屬化區(qū)域的頂表面。通常，每個(gè)功率半導(dǎo)體管芯與外部焊盤(pán)進(jìn)行電和熱連接。
目前，市場(chǎng)上已經(jīng)存在包括DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率半導(dǎo)體封裝或管芯。通常，該產(chǎn)品封裝在不容易容納大量分立無(wú)源器件的微型引線框(MLF)內(nèi)。因此，分立無(wú)源器件必須位于外部，這減小了封裝在尺寸減小方面的可行性。例如，電路(如升壓電路)和補(bǔ)償器件常常位于產(chǎn)品的外部并消耗額外的板空間。
DC-DC轉(zhuǎn)換器需要大量有源和無(wú)源器件。傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要功率MOSEFETs、控制集成電路(IC’s)、設(shè)定PWM控制器操作的器件、反饋補(bǔ)償器件、電容過(guò)濾元件、充電泵器件以及電源級(jí)濾波器LC(電感和電容)器件。某些情況下，DC-DC轉(zhuǎn)換器可能由多達(dá)30個(gè)器件組成。這些單獨(dú)安置的器件占據(jù)了印刷電路板(PCB)上的大量空間。這些器件需要細(xì)心設(shè)計(jì)和跡線布線以避免產(chǎn)生漏電感，漏電感可能導(dǎo)致使用性能差，或在某些情況下，可能導(dǎo)致器件失效。
希望減少大量器件需要的板空間、將這些器件組合為高密度的、簡(jiǎn)單封裝的部件，該部件容納關(guān)鍵半導(dǎo)體器件及其相關(guān)器件作為DC-DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)部件。由于尺寸因素以及使用輸出電壓可以獲得這種濾波器的事實(shí)，希望不包括輸出LC濾波器。希望這種簡(jiǎn)單的封裝使漏電感最小，提供器件之間的高導(dǎo)電性互連，提供到外部互連點(diǎn)的高導(dǎo)電性低電感路徑，并提供將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部產(chǎn)生的熱傳到外部環(huán)境中的有效方法。還希望這種封裝是低成本的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及通過(guò)在LGA平臺(tái)內(nèi)封裝DC-DC轉(zhuǎn)換器而解決上述許多問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)器件密度、整體封裝尺寸減小和非常高的功率密度的結(jié)合提供機(jī)會(huì)。
本發(fā)明的一方面是將DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到LGA封裝內(nèi)。根據(jù)這個(gè)方面，功率半導(dǎo)體管芯、控制半導(dǎo)體管芯以及分立無(wú)源器件電和熱連接在一起并裝在襯底的頂表面以制成DC-DC轉(zhuǎn)換器。封裝的底部包括多個(gè)形成LGA的焊盤(pán)。全部的半導(dǎo)體管芯與各自的外部焊盤(pán)電和熱連接。
特別地，LGA封裝包含具有頂表面和底表面的襯底，襯底上有DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器至少包含一個(gè)布置在襯底頂表面上的功率硅管芯。襯底的底表面具有大量的熱和電傳導(dǎo)焊盤(pán)，這些焊盤(pán)通過(guò)各自的導(dǎo)電通路與DC-DC轉(zhuǎn)換器電連接。大量的焊盤(pán)包括具有第一表面區(qū)域的第一焊盤(pán)和具有第二表面區(qū)域的第二焊盤(pán)，第二表面區(qū)域基本上大于第一表面區(qū)域。DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱通過(guò)大量的焊盤(pán)傳到LGA封裝的外部。
更具體地，至少一個(gè)功率硅管芯與至少一個(gè)第二焊盤(pán)基本上對(duì)齊。第一焊盤(pán)基本上位于底表面的外圍區(qū)域，第二焊盤(pán)基本上位于底表面的中間區(qū)域。作為選擇，第一焊盤(pán)可以基本上位于底表面的第一側(cè)，第二焊盤(pán)可以基本上位于底表面的第二側(cè)。至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯還可以包括第一對(duì)MOSFET器件，該器件與布置在底表面第一側(cè)附近的第二焊盤(pán)中相應(yīng)的第一對(duì)基本上對(duì)齊，而且第二對(duì)MOSFET器件與布置在底表面第二側(cè)附近的第二焊盤(pán)中相應(yīng)的第二對(duì)基本上對(duì)齊。
本發(fā)明的另一方面是提供熱增強(qiáng)的襯底。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，襯底包括多個(gè)高密度通路陣列。每個(gè)高密度通路陣列直接位于功率半導(dǎo)體管芯的下面。在更好的具體實(shí)施方式
中，每個(gè)高密度通路陣列與功率半導(dǎo)體管芯和LGA的外部焊盤(pán)進(jìn)行電和熱連接。
本發(fā)明還有另一個(gè)方面就是在功率半導(dǎo)體管芯與LGA的外部焊盤(pán)之間提供低的電阻和熱阻路徑。一個(gè)具體實(shí)施方式
中，襯底由兩層組成，管芯表面和底表面。每個(gè)高密度通路陣列在管芯表面和底表面之間提供直接的電和熱路徑，襯底由多于兩層組成，每層都包含管芯表面和底表面。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是增加封裝的散熱特性。一個(gè)具體實(shí)施方式
中，高密度通路陣列與每個(gè)半導(dǎo)體管芯電和熱連接。高密度通路陣列使處于半導(dǎo)體管芯下面(功率半導(dǎo)體管芯的物理輪廓之內(nèi))的通路的總數(shù)量最優(yōu)化。每個(gè)高密度通路陣列比傳統(tǒng)通路陣列更有效地耗散半導(dǎo)體管芯產(chǎn)生的熱。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的頂面視圖，說(shuō)明基本的封裝器件；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的頂面視圖，說(shuō)明器件之間的電互連；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的底面視圖，說(shuō)明LGA封裝的插腳分配；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的示意圖；圖5本發(fā)明具體實(shí)施方式
的側(cè)邊剖面視圖，說(shuō)明功率半導(dǎo)體管芯與通路陣列電和熱連接；圖6是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通路設(shè)計(jì)的頂面視圖；圖7是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的頂面視圖，說(shuō)明高密度通路設(shè)計(jì)；圖8是本發(fā)明替代具體實(shí)施方式
的示意圖；和圖9是本發(fā)明替代具體實(shí)施方式
的底面視圖，說(shuō)明LGA封裝的插腳分配。
具體實(shí)施例方式
一般地，本發(fā)明將DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到LGA封裝內(nèi)，以滿(mǎn)足在最小區(qū)域內(nèi)分布電源結(jié)構(gòu)的封裝層的電和熱的需求。更具體地，本發(fā)明提供高效率的負(fù)荷點(diǎn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器適合于以非常接近負(fù)荷的高電流傳送低電壓。LGA封裝集成了DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的所有必需的有源器件，包括同步降壓PWM控制器、驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET器件。
圖1-2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的功能半導(dǎo)體封裝100。功率半導(dǎo)體封裝100包括，除其它的將在后面論述的器件之外，襯底102、第一功率半導(dǎo)體管芯104、第二功率半導(dǎo)體管芯106、第三半導(dǎo)體管芯108、第四半導(dǎo)體管芯110以及多個(gè)分立無(wú)源器件(例如電阻R1-R8和電容C1-C9)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，四個(gè)半導(dǎo)體片104、106、108、110和分立無(wú)源器件電連接在一起以形成DC-DC轉(zhuǎn)換器。裝在襯底102上的分立無(wú)源器件的數(shù)量可以根據(jù)封裝100的性能要求而不同。對(duì)于封裝，只包含部分DC-DC轉(zhuǎn)換器也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
襯底102最好是包括管芯表面112和底表面114的兩層襯底(見(jiàn)圖3)。襯底102也可以包括多層。襯底102包括分別由第一和第二隔離邊界116、118以及前面和后面邊界120、122限定的邊緣。襯底102的管芯表面112包括有每個(gè)功率半導(dǎo)體管芯104、106和半導(dǎo)體管芯108、110安裝在上面的管芯粘附焊盤(pán)以及用于安裝每個(gè)分立無(wú)源器件的基板。銅線CT使不同的分立無(wú)源器件和四個(gè)半導(dǎo)體片104、106、108、110電連接。襯底102的底表面114(見(jiàn)圖3)包括形成LGA的多個(gè)外部導(dǎo)電焊盤(pán)，它們?yōu)橛∷㈦娐钒逄峁┍砻姘惭b互連。
圖2提供了管芯表面112和安裝在該表面上的各種電路器件的更詳細(xì)的說(shuō)明。襯底102的表面112包括多個(gè)使基板和器件(例如半導(dǎo)體片、電容和電阻)安裝在上面的焊盤(pán)(未示出)進(jìn)行電連接的銅線CT。銅線CT也在第三半導(dǎo)體管芯108和分立無(wú)源器件之間提供電連接。例如，銅線CT1使半導(dǎo)體管芯108的插腳8電連接到分立無(wú)源器件電阻R1。本技術(shù)中在襯底102上制作銅線CT的方法是眾所周知的，不需要過(guò)多的說(shuō)明。
最好是由功率MOSFETs提供功率半導(dǎo)體片104、106。功率半導(dǎo)體片104(高側(cè)MOSFET)和106(低側(cè)MOSFET)的每個(gè)都包括第一金屬化表面104a、106a(源極電極)，第二金屬化表面104b、106b(柵極電極)以及相反的金屬化表面104c、106c(漏極電極)。功率半導(dǎo)體片104、106的第一金屬化表面104a、106a(源極電極)和第二金屬化表面104b、106b(柵極電極)由大量的鍵合線128連接到襯底102的管芯表面112上的鍵合焊盤(pán)126。功率半導(dǎo)體管芯104、106的相反的金屬化表面104c、106c(漏極電極)被安裝到管芯粘附焊盤(pán)130(見(jiàn)圖5)。最好是使用導(dǎo)熱和/或?qū)щ姷墓苄静迥_粘合劑132將功率半導(dǎo)體片104、106安裝到管芯粘附焊盤(pán)130上。
第三半導(dǎo)體管芯108最好是為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供控制/驅(qū)動(dòng)的集成電路(“IC”)。半導(dǎo)體管芯108粘合在襯底102的管芯表面112上，并安裝在管芯焊盤(pán)130上。例如，半導(dǎo)體管芯108為第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106提供柵極驅(qū)動(dòng)。此外，為了調(diào)節(jié)第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106的準(zhǔn)時(shí)，半導(dǎo)體管芯108為第二金屬化表面104b、106b提供了脈寬調(diào)制(“PWM”)控制。
第四半導(dǎo)體管芯110最好是二極管。與電容和電阻組合，第四半導(dǎo)體110包括為第一功率半導(dǎo)體管芯104的驅(qū)動(dòng)提供升壓的充電泵。
半導(dǎo)體片104、106、108、110和襯底102的管芯表面112上的分立無(wú)源器件的物理布置意在使LGA封裝的效率最大化。第一和第二功率半導(dǎo)體管芯104、106最好是彼此靠近或相距最近以使兩個(gè)器件之間的互連感應(yīng)系數(shù)最小。第三半導(dǎo)體管芯108相對(duì)于第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106的位置使漏電感相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗最小。
圖4說(shuō)明LGA封裝100內(nèi)DC-DC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)具體實(shí)施方式
的電路圖。如圖4所示，DC-DC轉(zhuǎn)換器包括用于將輸入DC電壓Vin轉(zhuǎn)換為應(yīng)用于阻抗負(fù)荷(未示出)的輸出DC電壓Vo的傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器布局。DC-DC轉(zhuǎn)換器包括高側(cè)MOSFET104、低側(cè)MOSFET106以及由電感和電容提供的輸出濾波器。高側(cè)MOSFET104的漏極端子與輸入電壓Vin相連，低側(cè)MOSFET106的源極端子接地，而且高側(cè)MOSFET104的源極端子和低側(cè)MOSFET106的漏極端子連在一起以設(shè)定相位節(jié)點(diǎn)。輸出濾波器的電感串聯(lián)在相位節(jié)點(diǎn)和提供輸出電壓Vo的端子之間，輸出濾波器的電容與電阻負(fù)荷并聯(lián)。第三半導(dǎo)體管芯108提供的控制器/驅(qū)動(dòng)器包括脈寬調(diào)節(jié)(PWM)電路，該電路對(duì)用于控制MOSFETs104、106的啟動(dòng)時(shí)間的方波信號(hào)的占空比進(jìn)行控制。通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將反映輸出電壓和/或電流的反饋信號(hào)提供到控制器/驅(qū)動(dòng)器，以確定PWM信號(hào)的占空比。MOSFETs104、106的斷開(kāi)和閉合在相位節(jié)點(diǎn)上提供具有大體矩形波形的中間電壓，由電感和電容形成的輸出濾波器將矩形波轉(zhuǎn)換為實(shí)質(zhì)上的DC輸出電壓Vo。DC-DC轉(zhuǎn)換器也可以包括過(guò)電流保護(hù)(OCP)網(wǎng)絡(luò)和用于為PWM電路確定時(shí)鐘頻率的無(wú)源器件，與該技術(shù)中普遍知道的一樣。
封裝內(nèi)升壓電路器件的位置是本發(fā)明的另一個(gè)方面。升壓電路使第一功率半導(dǎo)體管芯104的第一金屬化表面104a相應(yīng)的電壓升高，升高的電壓足以驅(qū)動(dòng)第二金屬化表面104b。漏電感可能使升壓電壓減小，因此，本發(fā)明通過(guò)將升壓電路放入到封裝內(nèi)從而使電路內(nèi)的漏電感最小。為了在器件打開(kāi)時(shí)為第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106相關(guān)的傳導(dǎo)電流提供低阻抗路徑，濾波器電容最好相對(duì)于第三半導(dǎo)體管芯108進(jìn)行定位。
工作期間，封裝產(chǎn)生的多數(shù)熱量是由第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106產(chǎn)生的。這些熱必須被有效地從第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106的反面104c、106c散失到LGA的外部焊盤(pán)P1-P23。由于LGA封裝的尺寸小，希望LGA封裝的最多熱量散失是通過(guò)LGA封裝所連接的主板。因此，有效的熱量設(shè)計(jì)對(duì)于成功的操作是十分重要的。而且，關(guān)鍵的電路路徑需要低的寄生阻抗以維持電路的性能。
由于放入到LGA封裝內(nèi)部的半導(dǎo)體管芯具有依賴(lài)于工作條件的功率消耗率，因此LGA封裝的熱阻參數(shù)是通過(guò)考慮DC-DC的全部工作條件而最優(yōu)化確定的。對(duì)具有最關(guān)鍵溫度的管芯，確定封裝連接溫度TJ、相關(guān)的熱阻以及熱學(xué)參數(shù)。在本DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，多數(shù)的功率被高側(cè)開(kāi)關(guān)的MOSFET管芯104消耗，該管芯并不位于封裝的中央。因此，封裝溫度值Tc定在相應(yīng)于開(kāi)關(guān)的MOSFET管芯104的部位，而且所有測(cè)量的和模擬的封裝溫度均參照該部位。通過(guò)保證該部位的溫度TC不超出預(yù)定的最大值，LGA封裝的全部其它器件也因此將各自保持在安全工作限度之內(nèi)。
圖3說(shuō)明在襯底102底表面114上形成的LGA的最好具體實(shí)施方式
。LGA一般分為兩個(gè)區(qū)域——內(nèi)部區(qū)域IR和周?chē)鷧^(qū)域PR。內(nèi)部區(qū)域IR最好包含襯底底表面114的中心部分。周?chē)鷧^(qū)域PR圍在內(nèi)部區(qū)域IR的周?chē)薅ǖ妆砻?14上位于內(nèi)部區(qū)域IR和襯底的四個(gè)側(cè)邊116、118、120、122之間的空間。對(duì)于LGA，包括外部的焊盤(pán)設(shè)計(jì)也在本發(fā)明的范圍和宗旨之內(nèi)。
內(nèi)部區(qū)域包括外部的焊盤(pán)P21、P22和P23。周?chē)鷧^(qū)域包含外部焊盤(pán)P1-P20。如上面已經(jīng)提及的，封裝100想要在每個(gè)功率半導(dǎo)體管芯和外部焊盤(pán)之間提供低的熱阻。外部焊盤(pán)P21、P22專(zhuān)用于半導(dǎo)體片104、106。因此，由于在封裝內(nèi)第一和第二功率半導(dǎo)體片104、106散失最多熱量，在LGA內(nèi)外部焊盤(pán)P21、P22是最大的焊盤(pán)。大的焊盤(pán)提供了與主板的低熱阻和低電阻連接。在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，外部焊盤(pán)P22完全直接位于第一功率半半導(dǎo)體管芯104的下面。在包括兩層襯底的具體實(shí)施方式
中，大的輸入焊盤(pán)P22和第一功率半導(dǎo)體管芯104上相對(duì)的金屬化表面104c之間的間距短(例如，小于1mm)。短的間距在大的輸入焊盤(pán)P22和相對(duì)的金屬化表面104c之間提供低電感的路徑。短的路徑還包括具有低漏互連電感的高導(dǎo)電特性。圖3中功率半導(dǎo)體管芯104的區(qū)域顯示為虛線以說(shuō)明功率半導(dǎo)體管芯104相關(guān)的外部焊盤(pán)P22的物理位置。外部焊盤(pán)P22這樣放置結(jié)果使所有的相對(duì)的金屬化表面104c都直接位于外部焊盤(pán)P22的上面。
大的輸入焊盤(pán)P21完全直接位于第二功率半導(dǎo)體管芯106的下面。P21的位置提供了具有與外部焊盤(pán)P22和第一功率半導(dǎo)體管芯104之間路徑相似電和熱特性的路徑。外部焊盤(pán)P21還提供到處于外部的輸出濾波器(未示出)的高導(dǎo)電路徑和從第二功率半導(dǎo)體管芯106上相對(duì)的金屬化表面106c到封裝外部環(huán)境的高導(dǎo)熱路徑。外部焊盤(pán)P1-P20專(zhuān)用于分立無(wú)源器件。功率半導(dǎo)體管芯106所占區(qū)域顯示于圖3中。外部焊盤(pán)P21的位置為，基本上全部的功率半導(dǎo)體管芯106直接位于外部焊盤(pán)P21的上面。較小部分的半導(dǎo)體管芯104、106分別直接位于外部焊盤(pán)P22、P22的上面也是在本發(fā)明的范圍和宗旨之內(nèi)。
優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，LGA封裝至少提供下列的I/O焊盤(pán)組合電源轉(zhuǎn)換器使能、頻率調(diào)整、輸出電壓調(diào)整、第二功率半導(dǎo)體管芯106的Vcc、過(guò)電流保護(hù)輸入以及第一功率半導(dǎo)體管芯104的源極與第二半功率導(dǎo)體管芯106上相對(duì)的金屬化表面106c的連接。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，與外部焊盤(pán)設(shè)計(jì)相關(guān)的I/O插腳分配如下

表1圖8說(shuō)明LGA封裝200內(nèi)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的替代實(shí)施方式的電路圖。不像圖4的實(shí)施方式，該替代實(shí)施方式包括具有適合于并聯(lián)操作的兩對(duì)MOSFET管芯的DC-DC轉(zhuǎn)換器。與該技術(shù)中普遍知道的一樣，并聯(lián)操作提供減少了電壓起伏的輸出電壓Vo。
如圖8中所示，DC-DC轉(zhuǎn)換器包括高側(cè)MOSFET204、212，低側(cè)MOSFET206、214以及由并聯(lián)電感和電容提供的輸出濾波器。高側(cè)MOSFET204的漏極端子連接到輸入電壓Vin，低側(cè)MOSFET206的源極端子接地，而且高側(cè)MOSFET204的源極端子和低側(cè)MOSFET206的漏極端子連接在一起以設(shè)定第一相位節(jié)點(diǎn)。輸出濾波器的第一電感串聯(lián)在第一相位節(jié)點(diǎn)和提供輸出電壓Vo的端子之間，而且輸出濾波器的電容與電阻負(fù)荷并聯(lián)。同樣地，高側(cè)MOSFET212的漏極端子連接到輸入電壓Vin，低側(cè)MOSFET214的源極端子接地，而且高側(cè)MOSFET211的源極端子和低側(cè)MOSFET214的漏極端子連接在一起以設(shè)定第二相位節(jié)點(diǎn)。輸出濾波器的第二電感串聯(lián)在第二相位節(jié)點(diǎn)和提供輸出電壓Vo的端子之間，而且輸出濾波器的電容與電阻負(fù)荷并聯(lián)。MOSFETs204、206、212、214中的每個(gè)都可以由單獨(dú)的半導(dǎo)體片提供。由另一個(gè)半導(dǎo)體管芯208提供的控制器/驅(qū)動(dòng)器包括脈寬調(diào)節(jié)(PWM)電路，該電路對(duì)用于控制MOSFETs204、206、212、214的啟動(dòng)時(shí)間的方波信號(hào)的占空比進(jìn)行控制。通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將反映輸出電壓V0和/或電流的反饋信號(hào)提供到控制器/驅(qū)動(dòng)器，以確定PWM信號(hào)的占空比。MOSFETs204、206的斷開(kāi)和閉合在第一相位節(jié)點(diǎn)上提供具有大體矩形波形的第一中間電壓，而且MOSFETs212、214的斷開(kāi)和閉合在第二相位節(jié)點(diǎn)上提供具有大體矩形波形的第二中間電壓。由電感和電容形成的輸出濾波器將矩形波轉(zhuǎn)換為完全的DC輸出電壓Vo。DC-DC轉(zhuǎn)換器也可以包括過(guò)電流保護(hù)(OCP)網(wǎng)絡(luò)和用于為PWM電路確定時(shí)鐘頻率的無(wú)源器件，與該技術(shù)中普遍知道的一樣。
與前面的實(shí)施方式一樣，封裝產(chǎn)生的多數(shù)熱量是由功率半導(dǎo)體片204、206、212、214產(chǎn)生的。這些熱必須被有效地從功率半導(dǎo)體片204、206、212、214散失到LGA的外部焊盤(pán)。
根據(jù)圖8的DC-DC轉(zhuǎn)換器，圖9說(shuō)明LGA封裝的襯底202上輸入焊盤(pán)排列的替代實(shí)施方式。LGA一般分成兩個(gè)區(qū)域，包括第一側(cè)邊區(qū)域和第二側(cè)邊區(qū)域。如圖8所示，第一側(cè)邊區(qū)域包含襯底底表面的左側(cè)，第二側(cè)邊區(qū)域包含襯底底表面的右側(cè)。第一側(cè)邊區(qū)域包括多個(gè)大的輸入焊盤(pán)，第二側(cè)邊區(qū)域包括沿LGA封裝周?chē)帕械亩鄠€(gè)小的輸入焊盤(pán)。與外部焊盤(pán)相關(guān)的I/O插腳分配如下

表2如圖9所示，第一側(cè)邊區(qū)域內(nèi)大的輸入焊盤(pán)還以對(duì)稱(chēng)的圖案排列，第一終端上大的輸入焊盤(pán)P1和P2，第二終端上大的輸入焊盤(pán)P19和P20，排列在它們之間的大的焊盤(pán)P21、P22和P23。第一終端上的大的輸入焊盤(pán)P1、P2被分配到輸入電壓VIN和第一相位開(kāi)關(guān)電壓VSW1，并分別直接位于提供第一相位MOSFETs204、206的半導(dǎo)體片的下面。第二終端上的大的輸入焊盤(pán)P19、P20被分配到輸入電壓VIN和第二相位開(kāi)關(guān)電壓VSW2，并分別直接位于提供第一相位MOSFETs212、214的半導(dǎo)體片的下面。外部焊盤(pán)P3-P18專(zhuān)用于分立無(wú)源器件。通過(guò)在LGA封裝的反面對(duì)最大的熱量產(chǎn)生器進(jìn)行處理，熱量被有效地傳導(dǎo)穿過(guò)襯底。大的輸入焊盤(pán)P21、P22和P23還提供將熱傳到主板的表面。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到改變上面所示的插腳也在本發(fā)明的宗旨和范圍之內(nèi)。
眾所周知，電子器件產(chǎn)生熱，而且，除非從器件上引出多余的熱，否則器件可能過(guò)熱，而且結(jié)果可能產(chǎn)生故障。在許多應(yīng)用中，器件緊密相鄰的環(huán)境幾乎與器件一樣熱，因此，熱量將不會(huì)從器件上自然地散失。將只參照功率半導(dǎo)體管芯104對(duì)通路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，但認(rèn)為該說(shuō)明可用于本發(fā)明中任何一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯。
按照慣例，襯底包括部分(例如，多層襯底)或完全(例如，如圖5中所示)延伸穿過(guò)襯底的多個(gè)通路。該技術(shù)所知的通路為鍍覆通孔。每條通路150由部分或全部延伸穿過(guò)襯底102的鍍銅開(kāi)口產(chǎn)生。優(yōu)選的實(shí)施方式中，通路150被填充了導(dǎo)熱材料156以保證電和熱從功率半導(dǎo)體管芯104的反面金屬化表面104c傳輸?shù)酵獠亢副P(pán)P22。導(dǎo)熱材料156是一種為通路150提供低熱阻的良好導(dǎo)熱性的材料。并不是每個(gè)通路150都必須填充或插入材料156。
對(duì)每個(gè)通路150進(jìn)行填充改善了熱傳導(dǎo)并消除了襯底102的管芯表面112上焊料掩膜的需要，因此允許不需要鍵合線而使功率半導(dǎo)體管芯的反面金屬化表面(漏極電極)與通路150進(jìn)行電和熱連接。這使功率半導(dǎo)體管芯104與外部焊盤(pán)P22之間的熱阻成為最小。對(duì)每個(gè)通路150進(jìn)行填充還消除了封裝內(nèi)的水分殘留，并增強(qiáng)通過(guò)通路150的熱傳導(dǎo)。該設(shè)計(jì)、定位以及通路密度并不影響管芯粘附焊盤(pán)130的接觸表面130t，焊盤(pán)的表面最好是平的以在接觸表面130t與半導(dǎo)體管芯反面金屬化表面之間實(shí)現(xiàn)可能的最大的接觸面積。
對(duì)每個(gè)通路150進(jìn)行填充還具有幾個(gè)其它的優(yōu)點(diǎn)。例如，對(duì)每個(gè)通路150進(jìn)行填充將使加工和焊接的化學(xué)物質(zhì)避開(kāi)鍍銅通路150。對(duì)通路進(jìn)行柱塞或填充也使通路的銅環(huán)孔電絕緣并使信號(hào)短路最小。還防止了焊料通過(guò)毛細(xì)作用穿過(guò)每個(gè)通路150，因此消除了短路，特別是位于下層的器件。應(yīng)該理解并不是所有的通路150都在功率半導(dǎo)體管芯的反面金屬化層與位于LGA(例如，P21、P22或P23)的內(nèi)部區(qū)域IR內(nèi)的外部焊盤(pán)之間提供低熱阻路徑。有些通路150在分立無(wú)源器件和位于外圍區(qū)域PR(例如，外部焊盤(pán)P1-P20)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)外部焊盤(pán)之間提供電連接。
圖5說(shuō)明在第一功率半導(dǎo)體管芯104的反面金屬化表面104c和外部焊盤(pán)P22之間提供多個(gè)低熱阻路徑的通路陣列。一般地，每個(gè)通路150包括兩個(gè)相對(duì)的終端——位于管芯粘附焊盤(pán)130附近的第一終端152和位于襯底102底表面114附近的第二終端。和前面所提及的一樣，通路150的內(nèi)壁鍍有一定厚度的電沉積銅。圖5中所示的每個(gè)通路150的內(nèi)部核心最好填充了密封材料，被認(rèn)為是通路柱塞或通路填充。每個(gè)通路150的內(nèi)部核心也可以是空的。不管怎樣，每個(gè)通路150最好是在頂端和底端用電沉積銅蓋在上面。對(duì)通路加帽按慣例被認(rèn)為是“覆蓋鍍層”，“覆蓋鍍層”粘附到襯底的頂端和底端的銅薄片上。
一般地，通路150執(zhí)行兩個(gè)功能。第一，通路150為從反面的金屬化表面104c進(jìn)行的熱散失提供出口。第二，通路150在功率半導(dǎo)體管芯104與外部導(dǎo)電焊盤(pán)P22之間提供電連接。因此，分布在功率半導(dǎo)體管芯104下層的通路150并行地起著熱管的作用，即同時(shí)具有將熱量從反面的金屬化表面104c驅(qū)除的功能。在本實(shí)施方式中，襯底102包括兩層。因此，每個(gè)通路150提供單一的基本上垂直的路徑穿過(guò)襯底102。
圖6說(shuō)明用于從器件上并穿過(guò)襯底散失熱量的傳統(tǒng)的矩形通路陣列。在矩形排列中，通路可以將熱量傳到臨近通路的范圍以有效單元160表示。在圖6所示的通路排列中，有效單元160包括被四個(gè)臨近的通路151a、151b、151c和151d包圍的中央通路151。取決于通路150的節(jié)距，功率半導(dǎo)體管芯與LGA的外部焊盤(pán)之間產(chǎn)生的熱流路徑或者是完全垂直的，或者是水平路徑和垂直路徑的組合。例如，如果通路150相互之間間隔足夠近，當(dāng)引導(dǎo)熱量向下到襯底102的底表面114并到主板的同時(shí)，每個(gè)通路150將向臨近的通路150橫向傳輸熱量。圖6中，中央通路150可以有效地將熱量傳到每個(gè)臨近的通路151a、151b、51c、151d。橫向傳熱量取決于通路150的節(jié)距和縱橫比以及通路150內(nèi)器件的材料特性。只是為了舉例，如果每個(gè)通路的節(jié)距(一個(gè)通路中心到臨近通路的間距)為0.3mm，則有效單元160的面積為0.32mm2。
本發(fā)明對(duì)圖6中所示的傳統(tǒng)的矩形通路陣列進(jìn)行了改善。圖7說(shuō)明本發(fā)明的高密度通路陣列的具體實(shí)施方式
。圖7顯示通路150彼此之間的間隔是錯(cuò)排的。通路150可以將熱量傳到臨近通路的范圍以有效單元162表示。有效單元162包括被六個(gè)臨近的通路150a、150b、150c、150d、150e和150f包圍的中央通路150。因此，每個(gè)中央通路150可以有效地將熱量傳到六個(gè)臨近的通路150a、150b、150c、150d、150e、150f中的每一個(gè)，這產(chǎn)生了更高熱效率的封裝。
假定每個(gè)通路的節(jié)距保持在0.3mm，則有效單元162的面積增加到0.48mm2——在傳統(tǒng)的矩形通路陣列上增加50％。高密度通路陣列因此增加了可以裝在功率半導(dǎo)體管芯下面的通路的數(shù)量。只是為了舉例，圖7中所示的高密度通路陣列將在每個(gè)半導(dǎo)體管芯下面包括五個(gè)以上的通路(考慮到襯底上由于其它器件而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)限制)。這在能夠?qū)崃繌拿總€(gè)功率半導(dǎo)體管芯到襯底底表面散失的通路的數(shù)量上表現(xiàn)出12.5％的增加。圖7中所示的高密度通路陣列的在散熱方面的總體效果與圖6中所示的矩形通路陣列相比提高達(dá)到15％。
前面的本發(fā)明最好的具體實(shí)施方式
的說(shuō)明已用于提供說(shuō)明和描述的目的。這并不是全部的或者并不是將本發(fā)明局限在已說(shuō)明的確定的形式。明顯地，對(duì)于本技術(shù)的技術(shù)人員進(jìn)行許多更改或變化將是顯然的。為了更好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，選擇并說(shuō)明了具體實(shí)施方式
，因此使本技術(shù)的其他技術(shù)人員能夠?yàn)楦鞣N具體實(shí)施方式
以及各種更改(如適合于預(yù)定的特殊應(yīng)用)而理解本發(fā)明。有意的是本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)及其等同物而限定。
權(quán)利要求
1.一種基板柵格陣列封裝，包括具有頂表面和底表面的襯底；在上述襯底上提供的DC-DC轉(zhuǎn)換器，上述的DC-DC轉(zhuǎn)換器至少包括一個(gè)布置在上述襯底上的上述頂表面上的功率硅管芯；和在上述襯底的上述底表面上提供的多個(gè)導(dǎo)電和導(dǎo)熱的焊盤(pán)，這些焊盤(pán)通過(guò)各自的導(dǎo)電通路與上述的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電連接，上述的多個(gè)焊盤(pán)包括具有第一表面區(qū)域的第一焊盤(pán)和具有第二表面區(qū)域的第二焊盤(pán)，上述的第二表面區(qū)域基本上大于上述的第一表面區(qū)域；其中通過(guò)上述的多個(gè)焊盤(pán)，上述DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱被傳導(dǎo)到上述的基板柵格陣列封裝以外。
2.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述至少一個(gè)功率硅管芯包括至少一個(gè)功率MOSFET器件。
3.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述至少一個(gè)功率硅管芯與至少一個(gè)上述的第二焊盤(pán)基本上對(duì)齊。
4.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述第一焊盤(pán)基本上位于上述底表面的外圍區(qū)域。
5.權(quán)利要求4的基板柵格陣列封裝，其中所述第二焊盤(pán)基本上位于上述底表面的內(nèi)部區(qū)域。
6.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述第一焊盤(pán)基本上位于上述底表面的第一側(cè)。
7.權(quán)利要求6的基板柵格陣列封裝，其中所述第二焊盤(pán)基本上位于上述底表面的第二側(cè)。
8.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述至少一個(gè)功率硅管芯還包括高側(cè)MOSFET器件和低側(cè)MOSFET器件。
9.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述至少一個(gè)功率硅管芯還包括第一對(duì)MOSFET器件和第二對(duì)MOSFET器件。
10.權(quán)利要求9的基板柵格陣列封裝，其中所述第一對(duì)MOSFET器件基本上與布置在上述底表面第一側(cè)附近的第二焊盤(pán)中相應(yīng)的第一對(duì)對(duì)齊，上述的第二對(duì)MOSFET器件基本上與布置在上述底表面第二側(cè)附近的第二焊盤(pán)中相應(yīng)的第二對(duì)對(duì)齊。
11.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述襯底包括多個(gè)在上述頂表面上提供的管芯粘附焊盤(pán)，所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯被安裝到相應(yīng)的一個(gè)上述多個(gè)管芯粘附焊盤(pán)上。
12.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述DC-DC轉(zhuǎn)換器還包括多個(gè)分立無(wú)源器件，這些無(wú)源器件與所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯電連接。
13.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，還包括延伸穿過(guò)上述襯底的多個(gè)通路，上述多個(gè)通路中的每一個(gè)都有位于所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯附近的第一終端和位于上述第二焊盤(pán)之一附近的第二終端。
14.權(quán)利要求13的基板柵格陣列封裝，其中所述多個(gè)通路被排列成位于所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯下面的陣列。
15.權(quán)利要求14的基板柵格陣列封裝，其中所述陣列與所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體管芯和所述第二焊盤(pán)之一電和熱連接。
16.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述DC-DC轉(zhuǎn)換器還包括降壓轉(zhuǎn)換器。
17.權(quán)利要求1的基板柵格陣列封裝，其中所述DC-DC轉(zhuǎn)換器還包括兩相降壓轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
一種半導(dǎo)體芯片封裝，包括按照用于互連的基板柵格陣列即LGA封裝應(yīng)用并表面安裝到印刷電路板上的DC－DC轉(zhuǎn)換器。LGA封裝集成了DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的所有必需的有源器件，包括同步降壓PWM控制器、驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET器件。具體地，LGA封裝包括具有頂表面和底表面的襯底，襯底上有DC－DC轉(zhuǎn)換器。DC－DC轉(zhuǎn)換器至少包括一個(gè)布置在襯底頂表面上的功率硅管芯。襯底的底表面上存在多個(gè)電和熱傳導(dǎo)焊盤(pán)，它們通過(guò)各自導(dǎo)電通路與DC－DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電連接。多個(gè)焊盤(pán)包括具有第一表面區(qū)域的第一焊盤(pán)和具有第二表面區(qū)域的第二焊盤(pán)，第二表面區(qū)域基本上大于第一表面區(qū)域。DC－DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱通過(guò)多個(gè)焊盤(pán)傳到LGA封裝的外部。
文檔編號(hào)H02M3/00GK1739197SQ200480000149
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者米索·P.·迪瓦卡, 戴維·凱廷, 安托恩·盧塞爾 申請(qǐng)人:大動(dòng)力有限公司