CN103000594B

CN103000594B - 电子模块

Info

Publication number: CN103000594B
Application number: CN201210340029.5A
Authority: CN
Inventors: 约翰内斯·舍伊斯沃尔; 马丁·斯坦丁
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN103000594A; US20130062706A1; DE102012108608A1; DE102012108608B4; US20150371979A1; US9472541B2; US9070642B2

Abstract

本发明公开了一种电子模块，包括第一半导体芯片和无源器件，其中第一半导体芯片布置于无源器件的表面上。

Description

电子模块

技术领域

本发明涉及一种电子模块和一种电源模块。

背景技术

由于计算平台的电力需求的增加，为装置(诸如中央处理单元、存储器或外围负载)提供电源和电压调整成为主要挑战。必须在用于电压调整器的持续减小的可利用电路板空间上输送较高的电流，这导致电压调整器必然需要较高的功率密度的溶液。电源或电压调整器的有源和无源器件占据了电路板空间并且阻碍了最高功率密度溶液。将这些有源和无源器件集成到一个封装件中并同步提供高电流并且同时满足效率目标且保持低的热应力是要克服的主要挑战。

发明内容

一方面，本发明提供一种电子模块，包括：无源器件，具有第一面积的上表面；以及半导体芯片，具有比所述第一面积小的第二面积的下表面，其中，所述半导体芯片的下表面布置在所述无源器件的上表面上，并且其中，所述半导体芯片电附接和机械附接至所述无源器件。

另一方面，本发明提供一种电子模块，包括：电感器(inductor，感应器)，具有其中设置有凹槽的顶面；以及半导体芯片，布置在所述电感器的所述凹槽中，其中所述半导体芯片电耦接至所述电感器。

再一方面，本发明提供一种电子模块，包括：电感器；高端(high-side，高侧)MOSFET，布置于所述电感器的表面上且电耦接至所述电感器；以及低端(low-side，低侧)MOSFET，布置于所述电感器的所述表面上且电耦接至所述电感器，所述低端MOSFET与所述高端MOSFET横向隔开。

附图说明

附图包含于此以提供对实施方式的进一步理解并且结合并构成本说明书的一部分。附图示出了实施方式并与说明一起用于解释实施方式的原理。其他实施方式和实施方式的许多预期优点将会变得显而易见，因为通过参考以下的详细说明能够更好地理解它们。附图的元件相对于彼此无需按比例绘制。相同的参考数字表示对应的类似部分。

图1示出表示根据一个实施方式的电子模块的示意性横截面侧视图；

图2示出表示根据一个实施方式的电源模块的示意性横截面侧视图；

图3示出表示根据一个实施方式的电源模块的示意性横截面侧视图；

图4示出表示根据一个实施方式的电感器模块的透视图；

图5示出表示根据一个实施方式的电源模块的透视图；

图6a和图6b示出根据一个实施方式的载有半导体芯片的衬底的顶部透视图和底部透视图；以及

图7示出根据一个实施方式的电源模块的透视图。

具体实施方式

现将参考附图说明本发明的方面和实施方式，其中全文中相同的参考数字一般用于表示相同的元件。在以下说明中，为了说明的目的，列出大量的具体细节，以便提供对实施方式的一个或多个方面的详尽理解。然而，对本领域技术人员来说很显然，可以以具体细节程度较低的方式来实施这些实施方式的一个或多个方面。在其他情况下，公知的结构和元件以示意性形式示出，以便利于说明实施方式的一个或多个方面。应当理解，在不背离本发明的范围情况下，可使用其他实施方式或进行结构和逻辑变化。还应当理解，附图未按比例绘制，也无需按比例绘制。

此外，虽然仅关于若干执行方式中的一个公开了一个实施方式的具体特征或方面，但此类特征或方面可以与其他执行方式的一个或多个其他特征或方面如期望地并且有利于任何给定的或具体的应用进行组合。此外，关于详细说明或权利要求中所使用的术语“包含”、“具有”、“带有”或它们的变体的程度，这些术语旨在以类似于术语“包括”的形式表示包含。可能使用术语“耦接”和“连接”以及它们的衍生术语。应当理解，此类术语可用于表示两个元件相互配合或相互作用，而不管它们是直接地物理接触或电接触，还是它们不是直接接触。同样，术语“示例性”仅表示作为实例，而不是最好的或最优的。因此，以下详细说明不用于限制，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

电子模块和电源模块的实施方式可使用包含于半导体芯片中的各种类型的半导体芯片或电路，其中包括驱动器电路、逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、传感器电路、MEMS(微电子机械系统)、功率集成电路、带有集成无源器件的芯片等。此类实施方式也可使用半导体芯片，包括MOS晶体管结构或垂直晶体管结构等，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)结构，或一般的晶体管结构，其中至少一个电接触垫(electricalcontact pad)布置在半导体芯片的第一主面上并且至少一个其他的电接触垫布置在与半导体芯片第一主面相对的半导体芯片的第二主面上。

参考图1，示出了表示根据一个实施方式的电子模块的示意性横截面侧视图。该电子模块10包括第一半导体芯片2和无源器件1，其中第一半导体芯片2布置在无源器件1的表面上。

根据电子模块10的一个实施方式，第一半导体芯片2布置于无源器件1的一个主要表面上或上方。

根据电子模块10的一个实施方式，第一半导体芯片2包括比无源器件1更小的空间尺寸，具体地，第一半导体芯片2的主要表面在空间尺寸上小于无源器件1的主要表面，并且第一半导体芯片2以其一个主要表面附接于无源器件1的主要表面上或上方。

根据电子模块10的一个实施方式，第一半导体芯片2机械连接或电连接至无源器件1，具体地，第一半导体芯片2以其一个表面直接连接至无源器件1的一个表面。

根据电子模块10的一个实施方式，电子模块10还包括电子电路，其中第一半导体芯片2和无源器件1都是电子电路的一部分。

根据电子模块10的一个实施方式，无源器件1包括一个或多个电感器、电容器、变压器、散热器、底板元件(chassis element)或外壳元件(enclosure element)。

根据电子模块10的一个实施方式，无源器件1包括位于其一个表面(特别是其一个主要表面)上的至少一个电端子，其中第一半导体芯片2布置于至少一个电端子上或上方。根据其另一个实施方式，第一半导体芯片2的接触垫直接电连接或机械连接至无源器件1的至少一个电端子。根据其又一个实施方式，第一半导体芯片2至少部分地直接位于无源器件1的电端子上方，特别是第一半导体芯片2的包括接触垫的这部分直接位于无源器件1的电端子上方。

根据电子模块10的一个实施方式，电子模块10还包括衬底，第一半导体芯片2布置于衬底上，而衬底布置于无源器件1的表面上或上方。

根据其另一个实施方式，衬底具有板状矩形，包括两个主相对表面。根据其一个实施方式，衬底包括第一表面和第二表面以及从第一表面延伸至第二表面的多个通孔。

根据一个实施方式，衬底包括主表面，该主表面包括的空间尺寸小于或等于无源器件1的表面的空间尺寸。根据一个实施方式，衬底直接布置于无源器件1的表面上和上方，具体是这样的方式：衬底的一个侧边缘直接位于无源器件1的一个侧边缘上方。

根据电子模块10的一个实施方式，无源器件1包括位于表面中的凹槽，该凹槽的空间尺寸对应于半导体芯片的主表面的空间尺寸或者对应于载有半导体芯片的衬底的主表面的空间尺寸。半导体芯片或载有半导体芯片的衬底插入到无源器件1的凹槽中。根据其另一个实施方式，无源器件1包括至少一个电端子，尤其是位于凹槽下方的电端子。换句话说，凹槽的底部由电端子或电端子的至少一部分形成。电端子可具有矩形的平坦表面，延伸至无源器件1的边缘。

根据电子模块10的一个实施方式，该模块包括第二电子芯片，尤其是使得其布置于前述衬底上。

根据电子模块10的一个实施方式，第一半导体芯片包括晶体管结构，尤其是垂直场效应晶体管结构，或替换地，任何其他类型的场效应晶体管结构。

根据电子模块10的一个实施方式，第一半导体芯片和第二半导体芯片都包括功率晶体管，尤其是垂直结构的功率MOSFET。尤其是，这两个功率MOSFET晶体管是同步半桥降压转换器(synchronous half-bridge buckconverter)电路的一部分。

根据电子模块10的一个实施方式，该模块还包括至少一个电容器，尤其是输入电容器和输出电容器，其例如可以是诸如转换器电路(尤其是降压转换器电路)的电路的一部分。

根据电子模块10的一个实施方式，该模块的空间尺寸对应于无源器件1的空间尺寸。在电感器作为无源器件1的情况下，电感器的主体由铁氧体材料制成。

根据电子模块10的一个实施方式，该模块包括或由一个或多个电源模块、切换式电源模块、电压调整器、DC/DC转换器、降压转换器、升压转换器(boost converter)、LLC谐振转换器、TTF/ITTF转换器、移相ZVS转换器、或H4转换器。

以上说明的实施方式使得可以将两个功率装置，即，电压转换器电路的高端MOSFET和低端MOSFET以及无源器件，尤其是电感器，集成到单个低寄生封装件中。因此，高端MOSFET和低端MOSFET位于电感器之上或之下，使得有源装置的电路板空间消耗几乎降至零。并且由于寄生杂散电感和寄生跟踪电阻的降低，可预期显著的效能改进。这允许将切换频率增加至1-2MHz。另一个优点在于，无源器件，尤其是在电感器的情况下，可用作散热器，因为有源装置直接安装于电感器之上或之下并且与电感器本身具有良好的热连接。通常，位于功率转换结构附近的任何大型现存器件可考虑作为功率装置的潜在的基质(host)或衬底。如上所述，这也可以是变压器、共享的散热器、键盘的金属底板、电解质电容器、或底板元件或外壳元件。

参考图2，示出了表示根据一个实施方式的电源模块的示意性横截面侧视图。图2的电源模块20包括电子电路，该电子电路包括至少一个半导体芯片22和至少一个电感器21，其中半导体芯片22布置于电感器21的第一表面上。电感器21在此处表现为可由铁氧体材料制成的主体21a以及嵌入主体21a内的电感器绕组21b。

根据电源模块21的一个实施方式，电感器21包括位于第一表面上的至少一个电端子，其中半导体芯片22布置于所述至少一个电端子上，该电端子连接至电感器绕组21b。根据其另一个实施方式，半导体芯片的接触垫直接电连接或机械连接至电感器21的所述至少一个电端子，其中直接连接也包括通过胶或焊料将芯片连接至端子。

根据电源模块20的一个实施方式，电源模块20的空间尺寸对应于电感器21的空间尺寸，这意味着电源模块20的空间尺寸由电感器21的空间尺寸定义为电源模块20的最大部分。然而，也可能出现电源模块被设计成比电感器稍大的应用。例如，有源或无源器件过大，难以集成至电感器下方，从而它们将位于电感器的占地面积(footprint)之外，因此在此类情况下，电源模块的空间尺寸大于电感器的空间尺寸。

沿着关于图1的电子模块10所说明的实施方式和特征的线路可形成其他实施方式。

在以上说明的实施方式中，电感器的所述至少一个电端子也可作为热管，以使半导体芯片中产生的热量以非常有效的方式进入电感器线圈中。电感器21的主体21a(其可由铁氧体材料制成)可作为整个组件的热质量。通过形成规则的表面结构而人工地扩大电感器的主体21a的一个或多个外表面也是可行的，从而将所产生的热量以有效的方式传导至外部环境。

参考图3，示出了表示根据一个实施方式的电源模块的示意性横截面。图3的电源模块30包括电子电路和衬底33，该电子电路包括第一半导体芯片32和至少一个电感器31，其中第一半导体芯片32布置于衬底33上，并且衬底33布置于电感器31的表面上。

根据电源模块30的一个实施方式，衬底33布置于电感器31的凹槽中。

根据电源模块30的一个实施方式，电子电路包括或由电压调整器电路、DC/DC转换器电路、降压转换器电路、升压转换器电路、LLC谐振转换器电路、TTF/ITTF转换器电路、移相ZVS转换器电路、或H4转换器电路组成。

沿着关于图1的电子模块所说明的实施方式可形成其他实施方式。

参考图4，示出了根据一个实施方式的电感器模块40的透视图。图4的电感器模块40可用作之前关于图1至图3所说明的实施方式的无源器件。

电感器模块40包括由铁氧体材料制成的主体41。可以看出，在主体41的上主表面中形成有板状矩形凹槽41a，该凹槽具有的空间尺寸使得具有类似空间尺寸的衬底可插入该凹槽中。凹槽41a延伸至主体41的表面的一个侧边缘。由于电感器模块通常倒置地以该表面安装于PCB板上，因此该表面通常被指定为电感器模块40的底面。在凹槽41a的底部，板状输入连接器42附接至主体41的表面，其中输入连接器42在该表面的边缘向下弯曲至输入连接器42的附接于主体41的一个侧面的竖直板状部分。输入连接器42的上部水平板状部分插入到形成于凹槽41a的底面中的另一个凹槽中，从而衬底可以衬底的底面直接机械连接和电连接输入连接器42的方式插入到凹槽41a中。电感器模块40还包括输出连接器43，该输出连接器以与输入连接器42几乎相同的方式附接至主体41，即，输出连接器43包括插入到形成于主体41的上表面的凹槽中的平坦水平部分以及附接至主体41的另一侧面并通过下弯部分连接至输出连接器43的水平部分的竖直部分(未示出)。

图4的电感器模块40可以是简单的低电感类型的，其包括穿过铁氧体主体41的扁平铜条(未示出)。其他电感器模块，诸如图2示意性示出的电感应器模块，具有较大的电感值并包括纯铜线圈。

参考图5，示出了根据一个实施方式的电源模块的透视图。如图5所示，该电源模块如下制造：提供电感器模块52，诸如图4中所示的电感器模块40，并将衬底51插入到形成于电感器52的主体的表面中的凹槽52a中。衬底51包括高端MOSFET晶体管51.1(Vin)和低端MOSFET晶体管51.2(Gnd)，其中该对MOSFET晶体管以同步降压转换器配置连接。MOSFET晶体管51.1和51.2被配置为直接竖直连接至电感器52的输入连接器52.1。在该配置中，电流直接竖直地通过半导体芯片。电源模块50还包括电感器52的输出连接器52.2。输出连接器52.2以与输入连接器52.1类似的方式形成。输出连接器52.2的上部水平部分位于电感器52的上表面上的凹槽中，并且输出连接器52.2的竖直部分(未示出)以与输入连接器52.1的竖直部分相同的方式形成并附接至电感器52。

如图5中所示的电源模块50将以其上表面安装至PCB，从而在已安装于PCB上的状态下，带有半导体芯片的转换器电路完全位于电感器的下方。

参考图6a和图6b，示出了衬底60的顶部透视图和底部透视图，如图5中参考标号51所示和指定。衬底60的材料可以是塑性材料，诸如高耐热半硬质或硬质材料，如聚酰亚胺、聚醚醚酮(peek)、高TG环氧树脂或双马来酰亚胺、更具体地，双马来酰亚胺三嗪BT层板、玻璃纤维增强环氧树脂、PTFE、碳和/或Kevlar增强树脂、聚酯材料等。衬底厚度可以在从大约25μm至大约1mm的范围内，或者可以在从大约25μm至大约250μm的范围内，或者可以在大约20μm至大约100μm的范围内。如图6a和图6b中所示的衬底60具有的输入和信号连接端都在衬底60的一个侧面上，即，在图6a中示出的上表面60.1上，而在图6b所示的底面60.2上的是直接连接至电感器连接器的输出端。衬底60包括第一高端MOSFET晶体管61(Vin)和第二低端MOSFET晶体管62(Gnd)。在衬底60的底面60.2上，设置有电接触区63(L-out)，其假设直接机械连接和电连接至电感器连接器。在同步降压转换器中，两个开关，即两个半导体晶体管，都以其一个相应的端子与电感器连接。在图6a和图6b的实施方式中，垂直晶体管芯片61和62都通过衬底60的直通连接(throughconnection)以它们的背面电端子与接触区63电连接。衬底60可以以其背面60.2利用焊料和胶或者底部充胶连接至电感器。使用导电聚合物结合非导电聚合物也是可行的。

例如，衬底60可包括附加的半导体芯片，如包含用于驱动转换器电路的驱动器电路的半导体芯片。在该情况下，该模块将是完整的电源模块。衬底60可包括至少附加的接触垫，用于连接该模块和外部电路(如驱动器电路)。并且转换器电路的一个或多个电容器、电阻器、分立二极管等在原则上(in principle)也可集成在衬底60上。

参考图7，示出了根据一个实施方式的电源模块的透视图。图7的电源模块70也是基于电感器模块(诸如图5中示出的电感器模块50)而形成的。图7的电源模块70包括衬底71，该衬底具有两个主表面的板状矩形或正方形形式，该主表面具有的空间尺寸对应于电感器72的上表面的空间尺寸。电感器72在原则上对应于图4的电感器40，但不具有形成于上表面中的凹槽41a。相反，电感器72的上表面是平面，从而衬底71可通过使用焊料和胶或者底部充胶或者导电聚合物结合非导电聚合物而附接至该平面。电感器72包括由铁氧体材料制成的主体72.1、输入连接器72.2和输出连接器(未示出)。输入连接器和输出连接器可具有与图4和图5所示的相同的形式和形状，而输入连接器72.2和输出连接器都以与图4中示出的电感器模块40的输出连接器43相同的方式布置于电感器72的上表面上，即，形成于电感器的上表面上的凹槽中，从而上表面是平面。衬底71原则上具有与图5的电源模块50的衬底51相同的结构。此外，衬底71包括第一高端MOSFET晶体管71.1和第二低端MOSFET晶体管71.2。衬底71还包括输出连接器71.3，该输出连接器通过衬底的直通连接与电感器72的输出连接器连接。衬底71还包括附加的外部IC连接71.4，其可用于驱动器IC、控制器/驱动器IC和/或用于感测功能。图7的电源模块70比图5的电源模块50更完整，因为衬底71覆盖了电感器72的整个表面，使得转换器电路完备。将控制器和/或驱动器集成在衬底71上也是可行的，这将形成完整的电源模块完备或者多相电源模块的完整相。

虽然已关于一个或多个执行方式示出和说明了本发明，但在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可对示出的实例进行各种替换和/或修改。尤其是关于以上说明的器件或结构(组件、装置、电路、系统等)所执行的各种功能、用于说明这些器件的术语(包括提及的“方式”)旨在对应于执行所描述器件的具体功能(例如，功能等同)的任何器件或结构，除非另有说明，即使不与执行本发明此处示出的示例性实施方式的公开结构在结构上等同。

Claims

1.一种电子模块，包括：

无源器件，具有第一面积的上表面；以及

第一半导体芯片，具有比所述第一面积小的第二面积的下表面，其中，所述第一半导体芯片的所述下表面布置在所述无源器件的所述上表面上，并且其中，所述第一半导体芯片电附接和机械附接至所述无源器件，所述无源器件包括至少一个电端子，且所述第一半导体芯片布置于所述至少一个电端子上；

所述电子模块还包括布置在所述无源器件的所述上表面上的衬底，所述第一半导体芯片布置于所述衬底上。

2.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述无源器件包括电感器、电容器、变压器、散热器、底板元件或外壳元件中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述电子模块包括电子电路，所述第一半导体芯片和所述无源器件是所述电子电路的一部分。

4.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述衬底包括第一表面和第二表面以及从所述第一表面延伸至所述第二表面的多个通孔。

5.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述衬底包括具有的面积小于或等于所述无源器件的顶表面的面积的主表面。

6.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述无源器件包括位于所述上表面中的凹槽，所述凹槽的空间尺寸对应于所述第一半导体芯片的空间尺寸或对应于载有所述第一半导体芯片的衬底的空间尺寸。

7.根据权利要求6所述的电子模块，其中，所述无源器件包括位于所述凹槽下方的至少一个电端子。

8.根据权利要求1所述的电子模块，还包括布置于所述衬底上的第二半导体芯片。

9.根据权利要求8所述的电子模块，其中

所述第一半导体芯片布置于所述衬底的第一表面上，并且

所述第二半导体芯片和所述第一半导体芯片布置在所述衬底的同一表面上。

10.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述第一半导体芯片包括垂直场效应晶体管。

11.根据权利要求1所述的电子模块，还包括电耦接至所述第一半导体芯片或所述无源器件的至少一个电容器。

12.根据权利要求11所述的电子模块，其中，所述至少一个电容器包括输入电容器和输出电容器。

13.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述电子模块的空间尺寸对应于所述无源器件的空间尺寸或者大于所述无源器件的空间尺寸。

14.根据权利要求1所述的电子模块，其中，所述电子模块包括电源模块、电压调整器、DC/DC转换器、降压转换器、升压转换器、LLC谐振转换器、TTF/ITTF转换器、移相ZVS转换器、或H4转换器中的一个或多个。

15.一种电子模块，包括：

电感器，具有其中设置有第一凹槽的顶面；以及

第一半导体芯片，布置在所述电感器的所述第一凹槽中，其中所述第一半导体芯片电耦接至所述电感器，

其中，所述电感器包括位于第一表面上的至少一个电端子，其中所述第一半导体芯片布置于所述至少一个电端子上；

所述电子模块还包括布置在所述电感器的所述第一表面上的衬底，所述第一半导体芯片布置于所述衬底上。

16.根据权利要求15所述的电子模块，其中，所述电感器包括第二凹槽，所述电子模块还包括布置于所述第二凹槽中并且电耦接至所述电感器的第二半导体芯片。

17.一种电子模块，包括：

电感器；

高端MOSFET，布置于所述电感器的表面上且电耦接至所述电感器；以及

低端MOSFET，布置于所述电感器的所述表面上且电耦接至所述电感器，所述低端MOSFET与所述高端MOSFET横向隔开，

其中，所述高端MOSFET布置于所述电感器的所述表面的第一凹槽中，并且所述低端MOSFET布置于所述电感器的所述表面的第二凹槽中；

所述电子模块还包括安装在所述第一凹槽中且位于所述高端MOSFET与所述电感器之间的衬底。

18.根据权利要求17所述的电子模块，其中，所述衬底包括第一表面和第二表面以及从所述第一表面延伸至所述第二表面的多个通孔。