专利名称：以单个贴装封装实现的完整功率管理系统的制作方法
技术领域：
本发明诸实施例涉及与功率管理系统相关的集成电路器件和封装的 领域。
背景技术：
市场上可得到许多种集成电路来帮助进行功率管理任务，例如控制 DC到DC电压转换或作为恒流控制器。DC/DC转换器电路常用作负载点(POL)功率源，以从路由于例如 中间总线架构(IBA)的系统周围的单"块"电压中驱动许多种半导体器 件。通常，POL转换器电路放置在每个半导体器件旁边，并且将单个IBA 电压偏移到每个集成电路所需要的不同电压电平。典型地，DC/DC转换 器驱动诸如FPGA、；縱处理器、DSP、 ADC、 SDRAM、上/下转换器等的 器件。DC/DC转换器电路还常用在包括可再充电电池的系统中。这些应用 的特点是便携性(大小、重量等)和从单次充电开始的服务期限。例如， DC/DC转换器电路的效率直接影响电池充电之间的从蜂窝电话可得到的 待机和通话时间。电流控制产品通常可归为两类恒流控制器和恒流源。恒流控制器接 受恒定DC电压并将其转换为恒流输出。当输入电压遭受变化或不稳定 时，首先使用DC/DC转换器来稳定DC电压，然后恒流控制器接受该稳 定电压并输出恒定电流。恒流源通常包括DC/DC转换器和恒流控制器。许多集成电路(IC )制造商提供的DC/DC转换器和电流控制器是仅 提供电路功能基本工作的硅芯片。于是最终用户必须选择围绕集成电路的 多达约22个其它部件以便创建完整的电路方案。电路板布局和这些部件 的选择影响诸如效率、紋波电压、可靠性等的关键领域的最终性能。遗憾 的是，集成电路制造商所限定的这些关键特征与用户添加外部部件而完成 板上电路时实现的性能特征可能并不相同。因此，由于直到所有部件第一 次聚集在例如印刷电路板上时用户的部件集合才成为完整的电路功能，所 以该功能必须作为该板上的子系统功能而被测试。宾夕法尼亚州Malvern的Vishay Intertechnology 7>司当前提供若干 版本的FunctionPAK DC/DC转换器和电流控制模块。FunctionPAK^产 品是单个贴装(例如BGA)封装的完整功率管理系统。有利地，这种产 品是单个模块的完整功率管理功能。该单个封装包含所有电路部件，并且装进行全面测试。FunctionPAI^功率管理产品通常包括多芯片模块(MCM )电路封装。 通常，术语MCM指一种包括两个或更多电路元件的封装，通常包括至少 一个集成电路以及耦合电路元件与封装接触件的互连衬底。MCM器件传 统上包括例如叠层衬底(例如FR4印刷电路板)、薄膜沉积、表面层合电 路(SLC)和/或陶瓷衬底。图1A图示了包括安装在多层印刷电路板(PCB)上的许多单独芯片 器件、无源部件和其它零件的示例MCM的顶视图。例如，该示例MCM 包括集成电路器件l、电感器2、多个无源部件(例如电阻器和/或电容器) 3以及多层印刷电路板(PCB) 4。这些器件和印刷电路板可被模制于塑 料中从而产生单个封装。图1A还示出了被才莫制于塑料包封5中的部件的 侧截面图。图IB图示了示例MCM的另一顶视图。图1C图示了供利用 阵列(BGA)封装技术的多芯片模块中使用 的示例PCB的底视图。图1C图示了示例艰鼢阵列球6， ^阵列球6用作将多芯片模块的电路与下一电子组件(例如安装到处理器"母"板的其它部件)耦合的封装接触件。图1C图示了用于耦合MCM的各部件与封 装接触件(例如"球")的示例迹线7。FunctionPAI^或MCM提供了完整方案并且提供了许多优点，例如， MCM节省了空间和重量，简化了最终产品设计/开发，减少了部件数， 减少了组装成本并节省了测试时间，而且加速了上市时间。基于MCM设计的当前FunctionPAK^功率管理产品在某些情况下可 能具有如下若干电和热局限1)薄铜层所导致的非期望寄生电阻；2)封 装引脚所导致的非期望寄生电感；有限的载流能力；3)寄生和不良热性 能的组合效应所导致的非期望的降低的效率；4)由于使用包封在导热性 不良的才莫料中的经封装珪器件(控制驱动器和功率MOSFET)而导致的 非期望功率密度；5 )(限制了额定工作温度和电流的)高开关损耗所导致 的非期望开关频率；以及6)所用材料的不良导热性所导致的非期望热性 能。此外，使用多层PCB作为具有BGA重路由连接的衬底的 FunctionPAK MCM的设计可能提供不良的热效率和不良的热沉。因此， 电路和有源器件的工作和可靠性可能会受影响。如上所述，当MCM被模 制于塑料中时，每个独立部件的热耗散元件变得低效。图2A图示了另一设计，该设计针对MOSFET器件(高边11和低边 12 )使用贴装部件(安装在铜上)，且针对DC到DC转换器系统使用驱 动器/控制器10。然而，此方案不是完整功率管理系统，因为其不包括这 种系统中所需要的无源部件。图2B图示了图2A中的设计的经封装顶边20以及同一视角的x射 线图30。图2C图示了图2A和2B中的设计的封装机喊图。封装底视图34图 示了用作热沉(31、 32和33)的引线框或金属底。遗憾的是，由于完整 设计所需要的无源部件未被包括，所以此设计未提供完整系统方案。发明内容因此，在此描述并^^用贴装封装来实现一种完整功率管理系统。该系 统可被引入DC到DC转换器系统，且该系统在贴装封装中包括驱动器 /控制器、MOSFET晶体管、无源部件(例如电感器、电容器、电阻器) 和任选的二极管。在各种实施例中，MOSFET晶体管可替换为绝,双极晶体管IGBT。该系统还可以是功率管理系统、智能功率模块、电流控 制器或运动控制系统。无源部件可连接在引线框连接之间。可使用金属夹 接合技术将有源部件与引线框耦合。在一个实施例中，暴露的金属底可充 当有效热沉。使用贴装封装的优点包括较高的额定电流、减小的寄生效应和较高的 效率。此外，本发明诸实施例提供较高的功率耗散、较低的热阻以及下一 级组件上较小的占地面积。诸实施例还提供较低的组装成本。根据本发明诸实施例，标准贴装封装(SMP)与暴露的金属底一起 使用。该封装可采用铜引线框来替代多层FR4衬底材料(PCB )和BGA 连接。因此，筒化了组装过程并降低了产品成本。此夕卜，大大增强了 DC-DC 转换器的性能和可靠性。使用SMP具有许多优点。该封装中的铜引线框比MCM FunctionPAK^中所使用的铜引线框厚得多。因此，与传统FunctionPAK 相比，寄生电阻显著降低。另一优点是在MOSFET的源极和漏极上使用 金属(例如铜)夹，其改善了 MOSFET的热和电性能。还可在二极管上 使用金属夹。而且，与MCMFunctionPAK^相比，SMP可处理大得多的 电流，这是因为较高电流造成较大功率损耗，其不能借助MCM FunctionPAK^构造的高热阻率来耗散。此外，SMP可产生较高的效率，这是因为其显著降低了寄生电感和 相关的开关损耗，并且其具有良好的热性能。而且，SMP具有较高的功 率密度，这是因为其良好的热性能可耗散较大功率，并且其由于硅片无封 装而是较紧凑的。而且，SMP可使电路在较高的开关频率下工作，这是 因为其降低了开关损耗并且其具有低得多的热阻率。SMP消除了电部件的内部封装要求。没有内部封装，棵露的电路部 件由于引线框的高热导率而将具有较好的热性能，并且由于较小的寄生电 感而将具有较好的电性能。此外，因为无需内部封装，所以SMP可导致 较少的成本。可以扩展SMP实施例以为功率MOSFET应用(在一些示例应用中 诸如功率管理、智能(智慧型)功率模块、DC-DC转换器和运动控制系 统)提供新的集成平台。
图1A是现有技术的MCM的未经模制的视图。图IB是现有技术的MCM的未经模制的视图。图1C是现有技术的MCM的BGA的底视图。图2A是现有技术的使用贴装技术的不完整系统的顶视图。图2B是图2A中的现有技术设计的顶视图。图2C是图2A中的现有技术设计的顶视图和底视图。图3A和图3B图示了利用了具有金属底的无引线贴装封装的完整功 率管理系统的本发明诸实施例。图4图示了根据本发明实施例对有源部件使用金属夹接合以改善系 统的电和热特性。图5图示了根据本发明的器件的制造过程。图6图示了根据本发明实施例使用电隔离衬底来利用内部连接将无 源部件组合。图7A和图7B图示了本发明诸实施例的平面图。图8图示了根据本发明的器件的底视图，并且图示了暴露的引线框构造。图9A图示了本发明的经模制的示例实施例的透视图。图9B图示了本发明的未经模制的示例实施例的透视图。图10A图示了本发明的示例实施例的平面图。图10B图示了本发明的未经模制的示例实施例的透视图。图11A图示了本发明的示例实施例的透^L图。图11B图示了本发明的示例实施例的引线框构造的透视图。图12A图示了本发明的示例实施例的引线框构造的透视图。图12B图示了本发明的示例实施例的引线框构造的平面图。
具体实施方式
现在详细参考本发明(以单个贴装封装实现的完整功率管理系统)的 优选实施例，其例子在附图中示出。尽管将结合优选实施例描述本发明但应理解，它们并非旨在将本发明局限于这些实施例。相反，本发明旨在 覆盖可被包括在所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的替选方案、 修改和等同设置。此外，在下面的本发明详细描述中，阐明了许多特定细 节以便提供本发明的全面理解。然而，本领域普通技术人员应理解，可以 无需这些特定细节而实践本发明。在其它情况下，没有详细描述公知方法、 过程、部件和电路以免不必要地使本发明诸方面模糊不清。图3A和图3B图示了利用了具有金属底的无引线贴装封装的完整功 率管理系统100的本发明诸实施例。该系统可以是任何功率管理应用，例 如DC到DC转换器、恒流控制器、运动控制系统或智能功率模块等。根 据图3中的实施例，该系统包括控制器/驱动器集成电路101(例如Vishay Siliconix的集成电路部分Si91966 "高频可编程拓朴控制器")、MOSFET 晶体管(HiMOS 103和LoMOS 102 )、以及多个无源部件(其中Cn是电 容器，Ln是电感器，Rn是电阻器)。有利地，如Ll等所示，无源部件 连接在金属引线框构造的引线柱之间。例如，示出电感器Ll设置在引线框部分105和引线框部分106之间。 应理解，根据本发明诸实施例，电感器L1可与引线框部分105和引线框 部分106电耦合。任选地，可用类似方式连接二极管Dl。引线框可包括 铜或适用于引线框的其它材料，例如铝、金以及其它金属和合金。根据本 发明诸实施例，引线框可以是多层的。应理解，根据本发明的诸实施例很适合于对部件使用工业标准贴装封 装。例如，可以以美国电子工程设计发展联合协会(JEDEC)标准封装 (例如"0201"或"01005")提供电阻器和/或电容器。标准部件的这种 使用提供了许多优点，包括例如多个源和容易获得的拾放技术。根据Tsui等人的于2000年5月23日授权的标题为"Separate Circuit Devices in an Intra-Package Configuration and Assembly Techniques"的 美国专利号6,066,8卯(其通过引用结合于此)中所描述的技术，本发明 诸实施例可将无源部件连接到引线框。无源部件可连接在引线框的元件之 间，以便减小寄生效应(例如电感和/或电容)并且节省器件空间(例如 允许减小系统尺寸)。根据本发明的诸实施例可利用金属(例如铜)夹掩^ 110来将有源部 件连接到引线框。这改善了系统的热和电特性。所述有源部件包括驱动器 /控制器和MOSFET驱动器。应理解，根据本发明诸实施例，使用具有金属底的无引线贴装封装来安装图3A和图3B中的完整功率管理系统100。如下面进一步所述，金 属底可提儉使系统100的热量耗散的有效热沉。应进一步理解，MOSFET 晶体管可替换为可用于移动控制系统的绝,双极晶体管(IGBT )。图4图示了系统的顶视图，并且图示了根据本发明实施例使用金属夹 接合以改善系统的电和热特性。如上所述，系统的有源部件例如驱动器/ 控制器(例如图3B中的驱动器/控制器101)和MOSFET晶体管(例如 图3B中的LoMOS 102和/或图3B中的HiMOS 103 )可使用金属(例如 铜)夹齡连接到引线框以便改善器件的电和热特性。图4图示了金属夹 111、 112、 113、 114、 115和116的顶部。应理解，被图示为经由金属夹 接合连接的部件被模糊。图5图示了根据本发明的器件的制造的示例过程120。过程120开始 于在121形成引线框。引线框可通过传统手段形成，例如冲压并弯曲。在 122，放置包括集成电路和无源部件的部件。根据本发明诸实施例， 一些部件(例如集成电路)可利用线M耦合 到引线框和/或其它部件。在123，贴，合例如通过汽相或红外工艺进行回流。在124,器件 和引线框被外模制有塑料包封，形成单个封装。在125，对该封装进行激 光打标以便标识。在126，去除例如模制缝的"飞边(flash)"或注塑机 浇口的"口 (gate)"的模制过程的过多塑料。在127，对引线框的暴露部分进行电镀，以获得环境稳定性并提高它 们对于下一级组件的可焊接性。在128,单切(singulate)封装。在129， 测试器件。然后将通过测试的那些器件封装在例如带和巻轴中130。图6图示了根据本发明实施例使用电隔离衬底来利用内部连接将无 源部件组合。在此实施例中，电隔离衬底131 (例如陶瓷)可利用内部连 接将若干无源部件组合。然后这种隔离衬底可与引线框的部分和/或其它 部件耦合。图7A和图7B图示了根据本发明诸实施例的完整功率管理系统700 的平面图。示出MOSFET 701在右上角。示出电感器702直接安装到引 线框的"跨越"部分。在本例中，还使用了二极管Dl 703。可使用金属 (例如铜)夹接合技术将该二极管连接到引线框。图7B图示了具有示例 尺寸的示例设计。图8图示了根据本发明的完整系统(其使用无引线贴装封装)的底视 图，并且图示了暴露的引线框构造140。在本发明的此实施例中，位于器 件底上的暴露的引线框充当热耗散的有效热沉。图9A图示了本发明的经模制的示例实施例的透视图。在本实施例中， 器件300包括具有覆盖模制塑料封装的系统100。示出了该塑料模的略图， 图示了内部部件。图9B图示了本发明的未经模制的示例实施例的透视图。示出完整系 统100具有驱动器/控制器50、 MOSFET晶体管以及无源部件R， L和C。 示出驱动器/控制器50与电感器Ll耦合。示出其它无源部件与引线框连 接。图10A图示了本发明的示例实施例的平面图。如图所示，完整系统 100包括跨引线框而连接的无源部件(Cn、 Ln、 Rii )，并且还包括驱动器 /控制器50和MOSFET晶体管。图10B图示了本发明的未经模制的示例实施例的透视图。如图所示， 完整系统100包括跨引线框而连接的无源部件(Cn、 Ln、 Rn )，并且还 包括驱动器/控制器50和MOSFET晶体管。图11A图示了本发明的示例实施例的透^L图。如图所示，完整系统 100包括跨引线框而连接的无源部件(Cn、 Ln、 Rn ),并且还包括驱动器 /控制器50和MOSFET晶体管。图11B图示了本发明的示例实施例的引线框构造的透视图。这图示 了系统的底部。引线框是金属。引线框被用作热耗散的有效热沉。图12A图示了部件 露的本发明的示例实施例的引线框构造的透 视图。图12B图示了本发明的示例实施例的引线框构造的平面图。这图示 了系统的底部。引线框是金属。引线框被用作热耗散的有效热沉。为了说明和描述的目的而提供了本发明(以单个贴装封装实现的完整 功率管理系统)特定实施例的以上描述。其并非旨在为穷举性的或将本发 明局限于所公开的精确形式，显然根据上述教导可以作出许多修改和变 化。选择并描述实施例以便最佳地解释本发明的原理及其实际应用，从而 使本领域的技术人员能够最佳地利用本发明以及适合于所考虑的特定应 用的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其 等同设置来限定。
权利要求
1.一种设备，包括控制器集成电路；与所述控制器集成电路耦合的功率MOSFET晶体管；多个无源部件，其中包括至少一个电感器；其中，所述控制器集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述多个无源部件在功能上耦合以实现完整功率管理系统；其中，所述控制器集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述多个无源部件被安装到金属引线框；并且其中，所述控制器集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述多个无源部件被包封在塑料中以形成单个封装。
2. 如权利要求l所述的设备，其中，所述金属引线框的一部分暴露 于所述封装的背面。
3. 如权利要求2所述的设备，其中，所述金属引线框的所述部分被 设置成与印刷电路板热耦合。
4. 如权利要求l所述的设备，其中，所述金属引线框包括铜。
5. 如权利要求l所述的设备，进一步包括金属夹接合。
6. 如权利要求4所述的设备，进一步包括金属夹接合。
7. 如权利要求l所述的设备，其中，所述多个无源部件包括二极管。
8. 如权利要求l所述的设备，其中，所述至少一个电感器的端子直 接安装到并且电连接到所述引线框的部分。
9. 如权利要求l所述的设备，其中，所述控制器集成电路、所述功 率MOSFET晶体管和所述多个无源部件通过非衬底耦合在功能上耦合。
10. 如权利要求l所述的设备，其中，所述引线框的一部分提供将所 述多个无源部件中的至少两个单独无源部件的端子耦合的电路径。
11. 如权利要求10所述的设备，其中，所述至少两个单独无源部件 直接安装到所述引线框的所述部分。
12. —种i殳备，包括完整功率管理系统，其包括 控制器集成电路；与所述控制器集成电路耦合的功率MOSFET晶体管；多个无源部件，其中包括至少一个电感器；且其中，所述控制器 集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述多个无源部件在功能上 耦合以实现所述完整功率管理系统；并且其中，所述控制器集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述 多个无源部件被设置在无引线贴装封装上。
13. 如权利要求12所述的设备，其中，所述无引线贴装封装进一步 包括暴露的金属底。
14. 如权利要求12所述的设备，其中，所述暴露的金属底起到热耗 散的热沉的作用。
15. 如权利要求12所述的设备，其中，所述多个无源部件进一步包 括电阻器和电容器。
16. 如权利要求12所述的设备，其中，所述多个无源部件中的每个 部件被耦合在金属引线框的引线柱之间，所述金属引线框耦合所述控制器 集成电路与所述功率MOSFET晶体管。
17. 如权利要求16所述的设备，其中，所述金属引线框包括铜。
18. 如权利要求12所述的设备，进一步包括二极管。
19. 如权利要求12所述的设备，其中，使用金属夹接合将所述控制 器集成电路和功率MOSFET晶体管连接到引线框。
20. 如权利要求19所述的设备，其中，所述金属夹包括铜。
21. 如权利要求18所述的设备，其中，使用金属夹^连接所述二 极管。
22. 如权利要求12所述的设备，其中，所述完整功率管理系统是DC 到DC转换器。
23. 如权利要求22所述的设备，其中，所述无引线贴装封装包括用 于接受DC输入电压的第一封装接触件和用于供给经调节的DC输出电压 的第二封装接触件。
24. 如权利要求12所述的设备，其中，所述完整功率管理系统是运动控制电路。
25. 如权利要求12所述的设备，其中，所述完整功率管理系统是智 能功率模块。
26. 如权利要求12所述的设备，其中，所述完整功率管理系统包括 恒流控制器。
27. 如权利要求26所述的设备，其中，所述无引线贴装封装包括用 于接受DC输入电压的第一封装接触件和用于供给恒定输出电流的第二 封装接触件。
28. 如权利要求12所述的设备，其中，所述控制器集成电路和所述 功率MOSFET晶体管通过非衬底耦合在功能上耦合。
29. —种DC到DC转换器系统，包括 控制器集成电路；与所述控制器集成电路耦合的功率MOSFET晶体管；以及多个无源部件，包括电感器、电阻器和电容器；且其中，所述控制 器集成电路、所述功率MOSFET晶体管和所述多个无源部件被设置在具 有暴露的金属底的无引线贴装封装上。
30. 如权利要求29所述的系统，其中，所^露的金属底起到热耗 散的热沉的作用。
31. 如权利要求29所述的系统，其中，所述多个无源部件中的每个 部件被耦合在引线框的引线柱之间，所述引线框耦合所述控制器集成电路 与所述功率MOSFET晶体管。
32. 如权利要求29所述的系统，进一步包括二极管。
33. 如权利要求29所述的系统，其中，使用金属夹接合将所述驱动 器集成电路、控制器集成电路和功率MOSFET晶体管连接到引线框。
34. 如权利要求33所述的系统，其中，所述金属是铜。
全文摘要
一种以单个贴装封装实现的完整功率管理系统。该系统可被引入DC到DC转换器系统，且该系统在无引线贴装封装中包括驱动器/控制器、MOSFET晶体管、无源部件(例如电感器、电容器、电阻器)和任选的二极管。在各种实施例中，MOSFET晶体管可替换为绝缘栅双极晶体管IGBT。该系统还可以是功率管理系统、智能功率模块或运动控制系统。无源部件可连接在引线框连接之间。可使用金属夹接合技术将有源部件与引线框耦合。在一个实施例中，暴露的金属底可充当有效热沉。
文档编号H01L23/31GK101283449SQ200680027240
公开日2008年10月8日 申请日期2006年6月30日 优先权日2005年7月1日
发明者弗兰克·郭, 森 毛, 白宇明, 穆罕默德·卡塞姆, 萨姆·郭, 金·沃扬 申请人:金·沃扬;弗兰克·郭;萨姆·郭;穆罕默德·卡塞姆;毛 森;白宇明