专利名称：带有集成高功率分立场效应晶体管和低压控制器的升压变换器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及ー种升压变换器，更具体地涉及ー种高压高功率的升压变换器。
背景技术：
升压变换器电路用于将输入电压升高至更高的输出电压。例如在运用于便携式显示器时，升压比可以达到10或10以上。升压变换器可以用来向一系列用于LCD(液晶显示器)背光的白色LED(发光二极管)提供电源。在这样的情况下，升压变换器可用来将5伏的输入电压转换成直至50伏的输出电压。升压变换器通常包括五个基本元件，即功率半导体开关，ニ极管，电感器，电容器和调制控制器。在高功率和高输出电压的应用中，如图I的升压变换器100所示，通常使用互补金属氧化物半导体(CMOS)的升压控制器集成电路，提供必要的阻断电压的外部高压N型场效应晶体管(NFET)和外部检测电阻。如图I所示，升压变换器电路100包括其上安装包含控制器104的低压集成电路(IC)的芯片区102。外部检测电阻Rs以及外部高压NFET 106可以连接到控制器104上。控制器104可以是诸如脉宽调制(PWM)控制器的任何类型的调制控制器。电感器L可以在标示为LX的开关点直接连接在控制器104的输入电压Vin和NFET 106的漏极D之间。外部检测电阻Rs可以连接在NFET 106的源极S和接地端之间。外部高压(HV)肖特基ニ极管Dsdl和电容器C可以串联连接在漏极D和接地端之间。在肖特基 ニ极管Dsdl和电容器C之间可以获得输出电压Vott。肖特基ニ极管的两端可以存在电压降 Vdiodeo该类型的升压变换器电路100配合低压或高压侧的电流检测可以适合于高电压，高功率的应用场合。这样的应用场合可以在高压或低压侧使用外部高压NFET和外部高功率检测电阻。外部检测电阻可以降低控制器IC 104的高压要求。然而，低压CMOS集成电路， 外部高功率电阻以及外部高功率FET的总体尺寸往往要超出诸如便携式模板DVD播放器或高集成度便携式个人电脑的对电路板空间相当敏感的应用场合所要求的尺寸范围。另外， 外部检测电阻以及外部高功率FET增加了原材料总体(BOM)成本。在低功率但高输出电压的应用中，例如如图2所示，有时使用与CMOS或双极型控制器和DMOS或双极型升压开关完全集成的升压变换器。与上述升压变换器电路100相类似，升压变换器200可以包括直接连接到输入电压Vin以及经过外部高压肖特基ニ极管Dsdl 连接到输出电压Votit的电感器L，电容器C提供输出电压Vott的滤波。升压变换器200还可包括低压控制器204，高压NFET以及高压电流检测电阻206，所有这些元件都安装在必须是高额定电压的复电压IC 202上。
在低功率但高输出电压的应用中，完全集成的升压变换器可以达到小形状因数。 然而，生产成本可能由于要求由エ艺限制确定的最大额定电压(VoUT+VDraDE)的高压IC制造 エ艺的自然原因而变得太高。
发明内容
本发明的目的是将升压器结构中的低压控制器与高压垂直分立FET共同封装在一个单独的封装中，以减小升压变换器的尺寸。为了达到上述目的，本发明公开了ー种升压变换器，其包括低压控制器集成电路；高压垂直分立场效应晶体管，该高压垂直分立场效应晶体管具有连接到所述低压控制器集成电路的栅极。其中，所述低压控制器集成电路和高压垂直分立场效应晶体管一起被封装在ー个单一封装中。所述低压控制器集成电路可以还包括脉宽调制控制器。所述低压控制器集成电路可以还包括内部检测元件。内部检测元件可以是电阻或晶体管，也可以是场效应晶体管。所述低压控制器集成电路附贴到第一芯片区上，同时将高压垂直分立场效应晶体管用导电环氧树脂层附贴到第二芯片区上。这样的低压控制器集成电路也可以包括内部电流检测元件。内部电流检测元件可以是电阻或晶体管，也可以是场效应晶体管。该升压变换器还可以包括安装到第二芯片区上的外部高压肖特基ニ极管，外部高压肖特基ニ极管是具有连接到所述高压垂直分立场效应晶体管的漏极的底部阳极的底部阳极肖特基ニ极管。所述肖特基ニ极管的底部阳极与第二芯片区电接触，也可以是高压垂直分立场效应晶体管包括与第二芯片区电接触的底部漏极，或者所述底部阳极肖特基ニ极管用沉积于底部阳极和第二芯片区之间的导电环氧树脂附贴到第二芯片区上。所述的第一和第二芯片区共同封装在单封装中。该升压变换器还包括具有连接到所述高压垂直分立场效应晶体管的漏极的阳极的外部高压肖特基ニ极管。该升压变换器中的低压控制器集成电路和高压垂直分立场效应晶体管附贴到一个单芯片区上，其中所述低压控制器集成电路用绝缘环氧树脂附贴在单芯片区上，而高压垂直分立场效应晶体管用导电环氧树脂附贴到单芯片区上。该升压变换器可以还包括分立的电流检测元件，其中该分立的检测元件也封装在单芯片区中，所述分立的电流检测元件是分立的电流检测电阻，而所述分立的电流检测电阻可以是用导电环氧树脂附贴到单芯片区上的垂直检测电阻。该升压变换器可以还包括外部电流检测元件，其中所述外部电流检测元件是外部电流检测电阻，而所述外部电流检测电阻连接在控制器集成电路的低压侧及连接在控制器集成电路的高压侧。所述高压垂直分立场效应晶体管是具有与单芯片区电接触的底部源极的底部源极分立场效应晶体管。本发明所提供的升压变换器，其中的低压控制器与高压垂直分立场效应晶体管被共同封装在一个单独的封装中，达到了减小升压变换器的尺寸的目的，也进ー步降低了制造成本。
通过參考附图阅读下文的详细叙述，本发明的目的及其优点将变得显而易见，附图中图I是现有技术的升压变换器的电路示意图。图2是现有技术的另一种升压变换器的电路示意图。图3是根据本发明的第一实施例的升压变换器的电路示意图。图4是图3所述的升压变换器的升压IC封装组件的俯视图。图5A-5C是说明具有位于根据本发明的第二实施例的升压变换器的低压侧或高压侧的外部检测电阻的升压变换器的电路示意图。图6A-6B是图5A和图5B所述的升压变换器升压IC封装组件的俯视图。图7是根据本发明的第三实施例的升压变换器的电路示意图。图8是图7所述的升压变换器的升压IC封装组件的俯视图。图9是根据本发明的第四实施例的升压变换器的电路示意图。图10是图9所述的升压变换器的升压IC封装组件的俯视图。
具体实施例方式以下结合图3 图10，详细说明本发明的若干较佳实施例。虽然为了说明的目的下文的详细描述包含很多特定细节，但本技术领域的普通熟练技术人员应该理解，对下文所述的细节的各种变化和替代都处在本发明的范围内。因此， 对下文所述的本发明的示例性实施例的具体陈述不丧失本发明主张的总体原则并且不对本发明附加任何限制。根据本发明的各个实施例，高压输出升压器结构中的低压控制器与高压垂直分立 FET可以共同封装在一个单独的封装中。图3是说明根据本发明的实施例的升压变换器300的电路示意图。如图3所示， 升压变换器300包括建构在第一芯片区302上的具有内部电流检测元件310的低压控制器 306。检测装置310可以是电阻或诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的FET。 举例来说，控制器306可以是脉宽调制控制器，诸如加利福尼亚桑尼维尔的美信集成产品公司(Maxim Integrated Products of Sunnyvale, California)生产的 MAX1771 型升压 DC-DC (直流-直流)控制器。或者，控制器306也可以是任何其他类型的调制控制器，诸如脉冲频率调制控制器。控制器306可以用仅对直至输入电压Vin的额定电压的低压CMOSエ 艺制造，由于有效的布局设计，该エ艺可以提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具体地，由于高压CMOSエ艺的更高的击穿要求，导致器件的侧向间隔和器件的几何图形比低压CMOSエ艺高得多。具有源极S1，S2，漏极D以及栅极G的高压双源极垂直分立场 FET 308构建在第二芯片区304上并用作输出开关。一个源极SI (用于检测)可以通过内部电流检测装置310接地。另ー个源极S2(用于电源)直接接地。垂直FET及其制造方法的各个实例在例如美国专利5，126，807，5，242，845，5，260，227以及6，621，121中有叙述， 所有这些专利中叙述的内容通过弓I用而结合在本文中。
FET可以用I : N的器件尺寸比表征。通常，每个器件的SI，S2由若干个并联单元构造而成。尺寸比I : N可以取决于ー个源极SI与另ー个源极S2中的单元个数之比。 该尺寸比可以约等于流过两个器件的SI，S2的电流之比。尺寸比中N的值将确定系统的效率以及检测用源极SI的跟踪线性。如果N小，则跟踪线性往往良好但系统的效率往往较低，因为更多的电流被检测元件SI抽走。如果N大，则效率往往高但跟踪线性往往较差，因为检测用源极SI与电源用源极S2之间的器件失配过大。在小功率运行的情况下(例如约小于I安培)，N的范围通常在约300到1000之间。在大功率运行的情况下(例如约大于 I安培)，N的范围通常在约1000到3000之间。最好高压分立FET 308具有底部漏极D。可商业市售的分立FET通常是底部漏极 FET0分立FET 308可以在不损失芯片尺寸和导通电阻指标的情况下提供高得多的额定电压。因此，不论是对于调制控制或分立FET保护的电流检测都可以通过分立FET 308的双源极区布图设计来完成。在这样的结构中，不需要附加的高压元件进行电流检测。外部电感器L可以直接连接在输入电压Vin和分立FET 308的漏极D之间。外部高压肖特基ニ极管 Dsdl和电容器C可以在开关点LX串联连接在电感器L和接地端之间。在肖特基ニ极管Dsdl 和电容器C之间可以获得输出电压VOTT。在肖特基ニ极管Dsdl的两端可以存在电压降VDMDE。 HV双源极垂直分立FET 308可以具有直至VQUT+VDIQDE的额定漏源电压Vds和直至Vin的额定栅源电压Ves。控制器306和分立FET 308可以共同封装在单一封装中的分离的芯片区上，以在紧凑的形状因素下提供高电压高功率的解决方案。举例说明，图4是图3中所示的升压变换器300的升压IC封装组件400的俯视图。如图4所示，低压控制器306可以通过沉积于调制控制器306和第一芯片区302之间的导电环氧树脂或绝缘环氧树脂层附贴到第一芯片区 302上。双源极分立FET 308可以通过沉积于分立FET 308和第二芯片区304之间的导电环氧树脂层附贴到第二芯片区304上。控制器306和分立FET 308可以通过键合线408互相电连接并连接到接地的引线404和连接到电感器的引线406。控制器306，分立FET 308 及键合线408可封装在塑料封装402中。在替代的实施例中，低压エ艺可用于制造控制器，并且具有底部源极的高压分立 FET可用于输出开关。底部源极FET的结构及制造方法例如在共同转让的美国专利申请 11/500，810及11/522，669中有叙述，该两个专利申请的内容通过引用而结合在本文中。图 5A是根据本发明的实施例的升压变换器500的电路示意图。升压变换器500包括低压控制器504 (例如PWM控制器)和具有底部源极S，栅极G和漏极D的底部源极高压垂直分立 FET 506。例如，控制器504可以是PWM控制器。控制器504和分立FET 506可以安装在一个单芯片区502上。升压变换器500还可以包括位于控制器504的低压侧以及源极S和接地端之间的外部电流检测元件508 (例如电阻或诸如MOSFET的晶体管)。外部电流检测元件508可以用电阻Rs表征。外部电感器L可以直接连接在输入电压Vin和分立FET 506的漏极D之间。外部高压肖特基ニ极管Dsdl和电容器C可以串联连接在电感器L和接地端之间。在肖特基ニ极管Dsdl的两端可以存在电压降V_DE。在肖特基ニ极管Dsdl和电容器C之间可以获得输出电压な。底部源极高压垂直分立FET 506可以具有直至VQUT+V_E的额定漏源电压Vds和直至Vin的低电压的栅源电压Ves。图5B是带有位于控制器504的高压侧的外部电流检测元件508的替代的升压变换器501的电路示意图。在该情况下检测电阻508可以连接在Vin和电感器L之间。外部电感器L可以连接在外部电阻508和漏极D之间。源极S可以直接接地。外部高压肖特基 ニ极管Dsdl和电容器C可以在开关点LX串联连接在电感器L和接地端之间。肖特基ニ极管Dsdl和电容器C之间可以获得输出电压VOT。图5C是使用分离芯片区的替代的升压变换器503的电路示意图。具体地，控制器 504可以安装到第一芯片区502上，高压垂直分立FET 506可以安装在第二芯片区505上。 在该实施例中，控制器504包括位于控制器504的高压侧的内部电流检测元件508。举例来说，内部电流检测元件508可以是电阻或诸如金属氧化物半导体场效应晶体管的FET的晶体管。内部电流检测元件508可以连接在Vin和外部电感器L之间。电感器L可以在开关点LX连接到外部高压肖特基ニ极管Dsdl。电容器C可以串联连接在肖特基ニ极管Dsdl和接地端之间。在肖特基ニ极管Dsdl与电容器C之间可以获得输出电压VOTT。在图5A或5B所示的结构中，控制器504可以与垂直分立FET 506共同封装在一个单芯片区中。例如，图6A是包含升压变换器500的升压IC封装组件600的俯视图。如图6A所示，分立FET 506和控制器504可以通过沉积于控制器504和芯片区502之间的绝缘环氧树脂层610以及沉积于分立FET 506和单芯片区502之间的导电环氧树脂层612附贴在单芯片区502上。绝缘环氧树脂层610被要求耐受与外部电流检测元件508两端的电压降等值的直流电压差。控制器504和分立FET 506可以互相电连接，并通过键合线604 电连接到引线606和608。分立FET 506可以通过键合线604电连接到电感器L，并通过引线614在接地端直接电连接到外部电流检测元件508。控制器504通过引线608电连接到接地端。附贴到单芯片区502的控制器504和分立FET 506可以封装在塑料封装602中。图6B是包含升压变换器501的升压IC封装组件601的俯视图。电路封装组件601 的结构与电路封装组件600相似，区别在于，分立FET 506通过引线614接地，而控制器504 通过键合线604和引线608在Vin处电连接到外部电流检测元件508。在这种情况下，由于电压差为零，因此对绝缘环氧树脂层610没有耐压要求，由此提高升压变换器的可靠性。控制器504可以通过低压COMSエ艺制造，由于采用有效的布图设计，低压COMSエ 艺提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具有底部源极S的高压分立FET 506 可用作输出开关，以在不损失芯片尺寸和导通电阻指标的情况下提供高得多的额定电压。 升压变换器500及501的总体尺寸可以做到足够紧凑，以适合于高压高功率的应用场合。图7是根据本发明的另ー个实施例的升压变换器700的电路示意图。如图7所示，升压变换器700可以包括均安装在单ー芯片区702上的低压控制器704 (例如PWM控制器)，底部源极，高压分立FET 706以及分立的电流检测元件708 (例如电阻或晶体管)。控制器704可以用低压COMSエ艺制造，由于采用有效的布图设计，低压COMSエ艺可以提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。分立FET 706具有底部源极S，栅极G和漏极 D。带有底部源极的高压分立FET 706可用作输出开关，在不损失芯片尺寸和导通电阻指标的情况下提供高得多的额定电压。分立的电流检测元件708可以用于检测升压控制器700 的低压侧底部源极S和接地端之间的电流。例如，分立的电流检测元件708可以是垂直电流电阻。本文所用的“垂直电流”是指该电阻被设计成，和沿垂直于其上形成该电阻的衬底的平面流动相反，垂直于该平面流动的电流更大或更小。底部源极S与检测电阻708在连接点J电连接。
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外部电感器L可以直接连接在输入电压VIN和分立FET 706的漏极D之间。外部高压肖特基ニ极管Dsdl和电容器C可以在开关点LX串联连接在电感器L和接地端之间。肖特基ニ极管Dsdl的两端可以存在电压降V_DE。在肖特基ニ极管Dsdl和电容器C之间可以获得输出电压Vqut。分立FET 706可以具有直至VQUT+VDIQDE的额定漏源电压Vds和直至Vin的额定栅源电压Ves。升压变换器700的总体尺寸可以做到足够紧凑以适应高压高功率的应用场合。例如，图8是升压变换器700的升压IC封装组件800的俯视图。如图8所示，控制器704，分立FET 706以及分立的检测元件708可以位于单芯片区702上。控制器704可以通过沉积于该控制器704和单芯片区702之间的绝缘环氧树脂层附贴到单芯片区702的一部分上。 分立FET 706和分立的检测元件708通过沉积于分立FET 706和单芯片区702之间以及沉积于分立的检测元件708和单芯片区702之间的ー层或多层导电环氧树脂层808附贴到单芯片区702的不同的部分上。导电环氧树脂层808可以提供在如图7中所示的连接点J处与分立FET 704的底部源极和分立检测元件708的连接。最好绝缘环氧树脂层806足够厚和/或其绝缘度能耐受与检测电阻708两端的电压降等值的DC电压差。控制器704，分立 FET 706以及分立的检测电阻708可以互相电连接，同时通过键合线804连接到引线810和 812。附帖在单芯片区702上的控制器704，分立FET 706和分立的检测元件708可以共同封装在一个塑料封装802中。图9是根据本发明的实施例的升压变换器900的电路示意图。如图9所示，升压变换器900可以包括第一和第二芯片区902和904。控制器906和内部检测元件910 (例如电阻或晶体管)可以安装在第一芯片区902上。控制器906可以用低压CMOSエ艺制造，由于采用有效的布图设计，低压CMOSエ艺能提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具有栅极G，源极SI，S2和底部漏极Dl，D2的高压双源极分立FET 908以及底部阳极肖特基ニ极管(BA-SD)912可以安装在第二芯片区904上。可以用作输出开关的高压分立 FET 908在不损失芯片尺寸和导通电阻指标的情况下提供高得多的额定电压。电感器L可以连接在控制器906的输入电压管脚VIN和连接点Jl之间。BA-SD 912的阳极A也可以连接到连接点J1。漏极Dl，D2可以在连接点J2相互连接。连接点Jl，J2可以互相电连接。 内部检测电阻910可用于检测控制器906的低压侧第一底部源极SI和可以接地的第三连接点J3之间的电流。第二底部源极S2可以直接连接到第三连接点J3。电容器C可以连接在肖特基ニ极管912的阴极Cs和第三连接点J3之间。肖特基ニ极管Dseh的两端可以存在电压降V_E。分立FET 908可以具有直至VOTT+V_E的额定漏源电压Vds和直至Vin的额定栅源电压Ves。图10是说明升压变换器900的升压IC封装组件1000的俯视图。如图10所示， 带有内部检测元件910的控制器906可以通过沉积于控制器906和第一芯片区902之间的导电或绝缘环氧树脂层1006附贴在第一芯片区902上。分立FET 908和BA-SD 912可以通过沉积于分立FET 908和BA-SD 912之间的导电环氧树脂层1008附贴到第二芯片区904 上。BA-SD 912的阳极A以及漏极D1，D2可以通过导电环氧树脂层1008形成与第二芯片区 904的电接触，由此提供等电位的连接点Jl和J2。控制器906，分立FET 908和BA-SD912 可以电连接到一起，或者通过键合线1004电连接到引线1010和1012。附贴在第一和第二芯片区902，904上的带有内部检测电阻910的控制器906，分立FET 908和BA-SD 912共同封装在塑料封装1002中。虽然上文对本发明的优选实施例进行了完整的描述，但是还可以使用各种替代， 修改和等效形式。因此，本发明的范围不应通过上文的描述确定，而是应该通过附后的权利要求及其等效内容的全部范围确定。任何技术特征不论是否优选都可以和任何其它不论是否优选的技术特征组合。在附后的权利要求中，原文中的不定冠词"A"或"An"指该冠词之后的项目的数量为ー个或多个，除非另有明确的指定。附后的权利要求不应解释为其包括方法加功能的限制，除非这样的限制在所给出的权利要求中明确地指出。
权利要求
1.一种升压变换器的封装组件，其特征在于，该升压变换器封装组件包括低压控制器集成电路，该低压控制器集成电路包含控制器和内部检测元件；高压垂直分立场效应晶体管，该高压垂直分立场效应晶体管具有连接到所述低压控制器集成电路的栅极；其中，所述低压控制器集成电路和高压垂直分立场效应晶体管一起被封装在所述的升压变换器的封装组件中。
2.如权利要求I所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述控制器是脉宽调制控制器。
3.如权利要求I所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述内部检测元件包括电阻或晶体管。
4.如权利要求I所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述低压控制器集成电路附贴到该封装组件内的第一芯片区上。
5.如权利要求4所述的升压变换器的封装组件，其特征在干，其中所述高压垂直分立场效应晶体管用导电环氧树脂层附贴到该封装组件内的第二芯片区上。
6.如权利要求I所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，该升压变换器的封装组件还包含安装在第二芯片区上的外部高压肖特基ニ极管。
7.如权利要求6所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述外部高压肖特基ニ极管是一底部阳极肖特基ニ极管，其具有连接到所述高压垂直分立场效应晶体管漏极的底部阳极。
8.如权利要求7所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述肖特基ニ极管的底部阳极与第二芯片区电接触。
9.如权利要求7所述的升压变换器的封装组件，其特征在干，其中所述高压垂直分立场效应晶体管包括与第二芯片区电接触的底部漏扱。
10.如权利要求I所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述低压控制器集成电路和高压垂直分立场效应晶体管附贴到该封装组件内的ー个单芯片区上。
11.如权利要求10所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，所述的内部检测元件是分立的电流检测元件，其也附贴封装在单芯片区上。
12.如权利要求10所述的升压变换器的封装组件，其特征在于，其中所述高压垂直分立场效应晶体管是具有与单芯片区电接触的底部源极的底部源极分立场效应晶体管。
全文摘要
本发明涉及一种适合于高功率高输出电压应用场合的升压变换器，包括低压控制器集成电路和高压垂直分立场效应晶体管，两者均被封装在一个单封装中。
文档编号H02M3/156GK102611305SQ201210073650
公开日2012年7月25日 申请日期2008年5月29日 优先权日2007年6月11日
发明者张艾伦, 郑伟强 申请人:万国半导体股份有限公司