具有集成分立电感器的功率转换器件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月4日提交的、名称为“powerconversiondevicewithintegrateddiscreteinductor(具有集成分立电感器的功率转换器件)”的美国临时申请第62/274,554号的权益。故通过引用的方式将上述申请的全部内容并入本文。

概括而言，本公开内容涉及半导体器件的技术领域，具体而言，涉及具有集成分立电感器的功率转换器件。

背景技术：

电压调节器，例如dc到dc转换器，用于为电子系统提供稳定的电压源。对于低功率器件而言，尤其需要高效的dc到dc转换器。一种类型的dc到dc转换器是开关式电压调节器。开关式电压调节器通过将输入dc电压源与负载交替地耦合和去耦合来产生输出电压。耦合和去耦合动作可以由开关来执行，同时，能够使用包括电容器和电感器的低通滤波器来对开关的输出进行过滤以提供dc输出电压。

图1示出能够执行dc到dc降压转换的“降压”型开关式调节器的示例性实施方式。参考图1，电路100包括电压源103、开关式调节器102和负载113。开关式调节器102通过输入端子114耦合到电压源103。开关式调节器102还经由输出端子112耦合到负载113，负载113能够是汲取电流的另一电子电路。开关式调节器102包括开关电路116，开关电路116充当用于将输入端子114与中间端子lx节点109交替地耦合和去耦合的电源开关。开关电路116包括第一晶体管107和第二晶体管108。通常，晶体管107和108两者能够实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。晶体管107具有连接到输入端子114的漏极、连接到中间端子109的源极和连接到控制线105的栅极。晶体管108具有连接到中间端子lx节点109的漏极、连接到低电压电位115(例如，接地)的源极和连接到控制线106的栅极。

开关式调节器102包括控制器104，用以经由控制线105和106对开关电路116的操作进行控制。开关式调节器102还具有输出滤波器117，输出滤波器117包括连接在中间端子109和输出端子112之间的电感器110以及与负载113并联连接的电容器111。控制器104使开关电路116在第一导通周期与第二导通周期之间交替，在第一导通周期内，第一晶体管107被启用而第二晶体管108被禁用以使中间端子109达到基本上等于输入电压的电压，在第二导通周期内，第一晶体管107被禁用而第二晶体管108被启用以使中间端子109达到基本上等于低电压电位115的电压。这在能够作为中间端子的lx节点109处导致矩形波形，所述矩形波形基本上在输入电压和等于电压电位115的电压之间切换。109经由输出滤波器117耦合到输出端子112。输出滤波器117将中间端子109处的矩形波形转换成输出端子112处的基本上dc电压。端子112处的输出dc电压的幅值取决于中间端子109处的矩形波形的占空比。

随着bcd(双极-cmos-dmos)技术的广泛使用，将控制器104、开关电路116以及高精度反馈电路(图1中未示出)集成在单个控制器芯片上是很常见的。该控制器芯片能够具有对应于lx节点109的输出端口。然后，该控制器芯片能够在与lx节点109对应的输出端口处连接到分立电感器(例如，电感器110)以形成开关式调节器102。也能够将外部电感器连接到其他分立组件(例如，电容器111)以形成开关式调节器102的输出端子(例如，输出端子112)。

图2示出将控制器芯片和分立组件放置在印刷电路板(pcb)上以形成图1的开关式调节器102的方式。如图2所示，系统200包括控制器芯片202，控制器芯片202能够包括例如图1的控制器104和开关电路116。系统200还包括图1的电容器111和电感器110。图2还示出布置为图1的lx节点109、vout112、vin114和gnd115的多个板迹线和焊盘。系统200还包括连接到vin114的电容器203(图1中未示出)以用作旁路电容器，从而进一步降低该节点处的开关噪声。如图2所示，控制器芯片202被放置为与电容器111和203相邻。电容器111和203还被放置为与电感器110相邻。

图2中的组件的布置虽然易于实现，但也带来了一些缺点。首先，这样的布置占据大量的板空间，因为上述组件中的每个组件占据板表面上的不同区域。其次，需要相对长的板迹线以在组件之间连接，导致在一些关键节点处的巨大的寄生电容。例如，如图2所示，lx节点109的长度为约3cm。由于lx节点109是用于由第一晶体管107和第二晶体管108对电感器110和电容器111进行充电和放电的中间节点，所以减小lx节点109的长度和相关联的寄生电容能够减少开关损耗并提高功率转换器的效率。

图3示出为了减小板空间，用于形成图1的开关式调节器102的组件布置的方法。如图3所示，开关式调节器300包括控制器芯片302，控制器芯片302能够包括例如图1的控制器104和开关电路116。开关式调节器300还包括容纳在电感器外壳304内的电感器110。电感器外壳304还容纳内线309a-b，其中，线309a在焊盘308a处焊接到板306。控制器芯片302还包括控制器焊盘307a和307b，控制器焊盘307a和307b提供到控制器芯片302的内部组件(例如，lx节点109处的开关电路116)的电连接。为了减少开关式调节器300所占据的空间，将控制器芯片302设置在电感器外壳304的顶部。接合线310a被配置为提供控制器焊盘307a和焊盘308a之间的电连接，从而提供电感器110和控制器芯片302(例如，lx节点109)之间的电连接。接合线310b被配置为提供板上的控制器焊盘307b和焊盘308b之间的电连接。焊盘308b使控制器芯片302能够电连接到板306上的其他组件。

尽管图3中所示的布置减少了用于放置控制器芯片202和电感器外壳304所需的板空间，但是接合线310a和310b仍然相对较长，并且能够带来相当大量的寄生电容和电阻。

图4示出用于解决图3的缺点的组件布置的方法。如图4所示，开关式调节器400包括控制器芯片402，控制器芯片402能够包括例如图1的控制器104和开关电路116。控制器芯片402能够是倒装芯片器件并且包括焊球408a-b，焊球408a-b能够配置为:充当提供到例如设置在控制器芯片402内的控制器104和开关电路116的电连接的端子。开关式调节器400还包括容纳在电感器外壳404内部的电感器110。电感器外壳404包括焊盘410，焊盘410配置为经由内线409a提供到电感器110的电连接。如图4所示，电感器110经由焊球408a和焊盘410电连接到控制器芯片402。电感器外壳404设置在板406上。为了减少开关式调节器400所占据的空间，控制器芯片402设置在电感器外壳404的顶部。

利用图4的布置，其中控制器芯片402和电感器外壳404之间的电连接由焊球和焊盘来提供，能够减少与那些电连接(包括用于lx节点109的那些电连接)相关联的寄生电容。然而，图4的布置仍然存在许多缺点。首先，尽管焊盘和焊球提供电感器和控制器(例如，lx节点)之间的良好电连接，但是它们暴露于环境，并且噪声能够被耦合到电连接中。所述噪声可能影响开关式调节器400的电压输出。其次，在控制器402与板406被电感器外壳404间隔开的情况下，图4的布置能够减少用于控制器402的其他电连接，例如vin114、gnd115、vout112等。可能仍然需要较长的接合线来提供这些电连接，这能够给这些连接带来相当大量的寄生电容和电阻。

因此，尽管图4的布置改进了控制器和电感器之间的电连接，但是其可能使用于控制器的其余电连接降级，并且开关式调节器400的性能仍然能够受到损害。

因此，需要一种布置开关式调节器的组件的技术，其不仅减少对板面积的需求，而且为所有组件提供良好的电连接和良好的绝缘，使得调节器能够被制造的更加紧凑并且能够更加容易地装配到小型化设备，例如移动电话中。

技术实现要素：

一种开关式调节器可以包括电感器外壳、板和一个或更多个电组件。所述电感器外壳可以容纳电感器和一条或更多条线。所述板可以包括一个或更多个板迹线以及一个或更多个焊盘。所述电组件可以包括一个或更多个芯片、电容器、电压源和/或其他电组件。所述电感器外壳可以附接到所述板以在所述电感器外壳和所述板之间创建空间。所述空间可以创建在所述电感器外壳下方和所述板上方。一个或更多个电组件可以附接到所述板。一个或更多个电组件可以设置在所述空间内。

在本公开内容的一个方面，所述开关式调节器可以包括芯片。该芯片可以包括倒装芯片。该芯片可以包括第一端子。该芯片可以附接到所述板并且设置在所述空间内。所述电感器外壳可以容纳电耦合到所述电感器的第一线。所述板可以包括第一板迹线。该第一板迹线可以将第一端子与第一线电耦合。在一些实施方式中，所述电感器可以设置在所述芯片上。在一些实施方式中，所述板可以包括经由第一板迹线电耦合的第一焊盘和第二焊盘。第一焊盘可以焊接到第一线，并且第二焊盘可以焊接到第一端子。在一些实施方式中，所述板可以包括具有表面的凹槽。所述芯片和电感器外壳可以附接到所述凹槽的所述表面。在一些实施方式中，可以使用非导电粘合剂将所述电感器外壳安装在所述芯片上。该非导电粘合剂可以包括非导电芯片贴装膜(die-attach-film)。

在一些实施方式中，所述开关式调节器可以包括电容器。该电容器可以包括第二端子。该电容器可以附接到所述板并且设置在所述空间内。所述电感器外壳可以容纳电耦合到所述电感器的第二线。所述板可以包括第二板迹线。第二板迹线可以将第二端子与第二线电耦合。在一些实施方式中，所述板可以包括经由第二板迹线电耦合的第三焊盘和第四焊盘。第三焊盘可以焊接到第二线，并且第四焊盘可以焊接到第二端子。在一些实施方式中，所述电容器可以附接到所述凹槽的所述表面。

在本公开内容的另一方面，所述开关式调节器可以包括芯片和电压源。该芯片可以包括倒装芯片。该芯片可以包括第一端子。所述电压源和所述电感器外壳可以附接到所述板的第一表面。所述电压源可以设置在所述空间内。所述芯片可以附接到所述板的第二表面。所述芯片可以不设置在所述空间内。所述电感器外壳可以容纳电耦合到所述电感器的第一线。所述板可以包括第一板迹线。第一板迹线可以将第一端子与第一线电耦合。在一些实施方式中，所述板可以包括经由第一板迹线电耦合的第一焊盘和第二焊盘。第一焊盘可以焊接到第一线，并且第二焊盘可以焊接到第一端子。在一些实施方式中，所述板可以包括具有所述第二表面的凹槽。在一些实施方式中，可以使用非导电粘合剂将所述电感器外壳安装在所述电压源上。该非导电粘合剂可以包括非导电芯片贴装膜。

在一些实施方式中，所述开关式调节器可以包括电容器。该电容器可以包括第二端子。该电容器可以附接到所述板的第二表面。该电容器可以不设置在所述空间内。所述电感器外壳可以容纳电耦合到所述电感器的第二线。所述板可以包括第二板迹线。第二板迹线可以将第二端子与第二线电耦合。在一些实施方式中，所述板可以包括经由第二板迹线电耦合的第三焊盘和第四焊盘。第三焊盘可以焊接到第二线，并且第四焊盘可以焊接到第二端子。

在本公开内容的另一方面，一种开关式调节器系统可以包括电感器外壳和板。所述电感器外壳可以包括电感器、耦合到该电感器的第一线和耦合到该电感器的第二线。所述板可以包括第一板迹线和第二板迹线。第一板迹线可以被配置为耦合到第一线，并且第二板迹线可以被配置为耦合到第二线。所述电感器外壳可以被配置为附接到所述板，以在所述电感器外壳和所述板之间创建空间。一个或更多个电组件可以设置在所述空间内。

在参照附图考虑以下描述和所附权利要求之后，本文中公开的系统和/或方法的这些以及其它目的、特征和特性，以及操作方法及相关结构元件的功能和部件的组合以及制造的经济性会变得更加显而易见，所有这些内容构成本说明书的一部分，其中在各个附图中相同的附图标记表示相应部分。然而，应当清楚地理解的是，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在作为对本发明加以限制性的限定。

附图说明

图1是降压型开关式调节器的框图；

图2是示出降压型开关式调节器的组件的布置的印刷电路板(pcb)布局；

图3是示出降压型开关式调节器的组件的另一布置的示意图；

图4是示出降压型开关式调节器的组件的另一布置的示意图；

图5是示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器的示意图；

图6是示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器的示意图；

图7是示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器的示意图；和

图8是示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器的示意图；和

图9是示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器的组件的布置的印刷电路板(pcb)布局。

具体实施方式

图5示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器500。如图5所示，开关式调节器500包括控制器芯片502，控制器芯片502能够包括例如图1的控制器104和开关电路116。开关式调节器500还包括电感器110，电感器110容纳在电感器外壳504内并且在板506之上升起，从而在该电感器下方创建空间507。控制器502和开关式调节器500的其他组件(例如，电容器111)能够设置在电感器110下方的空间507内并且附接到板506。在一些实施例中，能够使用非导电芯片贴装膜(daf)或任意其它的非导电粘合剂来将电感器外壳504安装在控制器芯片502上，以进一步加强控制器芯片502到板506的附着。

如图5所示，电感器外壳504还容纳内线509a和509b，而板506还包括板迹线510a-b和焊盘512a-d。控制器芯片502能够是倒装芯片器件并且包括焊球508a，焊球508a能够被配置为控制器芯片502的端子，并且能够焊接到焊盘512b。控制器芯片502还能够包括焊球508b(图5中未示出)，焊球508b被配置为焊接到板506的其它焊盘(图5中未示出)以形成其他电连接(例如gnd115)。内线509a还能够焊接到焊盘512a。利用在焊盘512a-b之间提供电连接的板迹线510a，能够在电感器110和控制器芯片502(例如，lx节点109)之间形成电连接。此外，利用焊接到焊盘512c的电容器111和焊接到焊盘512d的内线509b以及在焊盘512c-d之间提供电连接的板迹线510b，还能够在电感器110和电容器111之间形成电连接(例如，vout112)。

利用根据图5的布置，电感器110和控制器芯片502能够垂直地堆叠，而非并排地布置，从而需要较少的板空间来放置这些组件。此外，由于电感器110和控制器芯片502除了在电触点(例如，焊盘512b-c处和焊球508a-b处)处之外都是电绝缘的，而大部分的电连接(例如，内线509a-b、板迹线510a-b)也与环境绝缘，因此耦合到电感器110和控制器芯片502之间的电连接中的噪声量能够减少。此外，内线509a-b和板迹线510a-b都能够被制造得非常短，从而在电感器110和控制器芯片502之间提供良好的电连接。这是因为内线509a-b的长度主要由空间507的厚度来确定，空间507的厚度通常为毫米量级以适应控制器芯片或电容器的厚度。如果焊球508a-b与内线509a-b距离较短，即，当控制器芯片502和电容器111设置在电感器110下方时的情况，则板迹线510a-b也能够制造得非常短。最后，与其中控制器芯片从板上升起的开关式调节器400不同，在开关式调节器500中，控制器芯片附接到板，并且能够经由嵌入到板506内的其它板迹线(图5中未示出)而具有与其他组件(例如，输入电源、地极等)的良好电连接。同样地，电感器110还能够经由板迹线连接到其他组件。因此，利用根据图5的布置，不仅组件会占据较少的板空间，而且还能够在组件之间经由板迹线提供良好的电连接，以及提供良好的绝缘性。

图6示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器600。如图6所示，除了其上安装有控制器芯片502、电容器111和电感器外壳504的板606之外，开关式调节器600包括开关式调节器500的大部分组件，并包括凹槽608。焊盘512a-d能够设置在凹槽608的凹槽表面620上，并且板迹线510a-b也能够设置在凹槽表面620下面。控制器芯片502、电容器111和电感器外壳504能够安装在凹槽表面620上并焊接到焊盘512a-d。

除了减少板空间需求并且在组件之间提供良好的电连接和绝缘之外，与开关式调节器500相比，图6所示的布置还降低了开关式调节器600的垂直高度。因此，与开关式调节器500相比，开关式调节器600能够制造得更加紧凑。

图7示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器700。如图7所示，开关式调节器700包括控制器芯片502、电容器111和电感器110，该电感器110容纳在电感器外壳504内并且在板706之上升起，以在该电感器下方创建空间507。空间507能够用于容纳例如图1的电压源103，电压源103向开关式调节器700提供输入电压。在该实施例中，电感器外壳504设置在板表面707a上，而控制器芯片502和电容器111设置在板表面707a的相对侧的板表面707b上。板706还包括在板表面707a上的焊盘712a和712d，以及在板表面707b上的焊盘712b和712c。焊盘712a和712b经由板迹线710a电连接，并且焊盘712c和712d经由板迹线710b电连接。内线509a和509b能够焊接到焊盘712a和712d，而电容器111以及控制器芯片502的焊球508a能够焊接到焊盘712b和712c，以形成用于lx节点109和vout112的电连接。

利用根据图7的布置，电感器110和控制器芯片502能够垂直地堆叠而非并排地布置，从而需要较少的板空间来放置这些组件。此外，通过将组件分布在板706的两个相对侧之间能够进一步减少板空间需求，并且开关式调节器700能够比例如图5和6的开关式调节器500和600制造得更加紧凑，而同时又保持由开关式调节器500和600所提供的优点，所述优点包括为控制器芯片以及为电感器提供良好的绝缘以降低噪声耦合，以及提供组件之间的良好电连接。

图8示出根据本公开内容的实施例的示例性开关式调节器800。如图8所示，除了其上安装有控制器芯片502、电容器111和电感器外壳504的板806之外，开关式调节器800包括开关式调节器700的大部分组件，并包括凹槽808。焊盘712b和712c能够设置在凹槽808的凹槽表面820上。控制器芯片502和电容器111能够安装在凹槽表面620上并焊接到焊盘712b和712c。

除了减少板空间需求并且在组件之间提供良好的电连接之外，与开关式调节器700相比，图8中所示的布置还降低了开关式调节器800的垂直高度。因此，与开关式调节器700相比，开关式调节器800能够制造得更加紧凑。

图9是示出示例性开关式调节器(例如，图5的开关式调节器500)的组件的布置的印刷电路板(pcb)布局900。如图9所示，控制器芯片502设置在电感器外壳504(其容纳电感器110)的下方。因此，控制器芯片502和电感器110(例如lx节点109)之间的连接能够制造得非常短(与图2中所示的3cm相比，其小于1cm)，并且能够由嵌入pcb中的板迹线来提供，从而提供良好的电连接和绝缘。此外，控制器芯片502的焊球508b能够焊接到用于其他电连接(例如，gnd115)的板迹线，因此能够为与控制器芯片502相连接的所有节点提供良好的电连接。由于电容器111(图9中未示出)也能够设置在电感器外壳504(和电感器110)的下方，因此诸如vout112之类的其他电连接能够制造得非常短。

贯穿本说明书对“实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、“另一示例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”的引用意指结合该实施例或示例所描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本公开内容的至少一个实施例或示例中。因此，在贯穿本说明书各处出现的诸如“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、“在实施例中”、“在另一示例中”、“在示例中”、“在具体示例中”或“在一些示例中”之类的短语不一定指本公开内容的相同实施例或示例。此外，在一个或更多个实施例或示例中，特定特征、结构、材料或特性可以以任意合适的方式组合。

对实施例的描述仅是示例性的，且并非旨在进行限制。在本文中参照附图所描述的实施例是解释性的、说明性的，并且用于总体上理解本公开内容。实施例不应被解释为限制本公开内容。贯穿说明书，通过相同的附图标记来表示相同或相似的元素以及具有相同或相似功能的元素。就此而言，参照所描述的附图的取向来描述诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“尾部”等方向术语。由于本公开内容的实施例的组件能够以多个不同的取向来定位，所以方向术语用于说明的目的，而绝非限制性的。

尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员会理解的是，上述实施例不能被解释为限制本公开内容，并且在不背离本公开内容的精神、原理和范围的情况下，能够在实施例中进行改变、替代和修改。