CN103036421A - 与构造为散热片的负载电感器垂直集成的dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电源转换器(100)，其包含连接到接地(230)的第一FET(210)，所述第一FET耦合到系到输入端子(240)的第二FET(220)，两个FET都以导电方式并排附接到金属载体(120)的第一表面且用作产热的转换器；及系到所述载体及输出端子(241)的经封装负载电感器(110)，所述电感器封装由与所述金属载体的相对表面接触的金属套筒(113)包裹，所述套筒可操作以扩散及辐射由所述转换器产生的所述热。

Description

与构造为散热片的负载电感器垂直集成的DC/DC转换器
技术领域
本发明大体上涉及半导体装置及工艺领域，且更明确来说涉及包括构造为散热片且与DC/DC转换器半桥垂直集成的负载电感器的多组件电子系统的结构及制造方法。
背景技术
商业应用中的电子产品(例如，电信产品、家用音响产品及调节器产品)通常需要可切换电源、调节及稳定电压及用作dc/dc转换器的系统。这些系统不仅需要具有高效率以适当地操作，而且优选地应该还具有小的横向及厚度尺寸且需要非常低的成本。
作为系统的实例，流行的功率开关涉及15×9mm外形的矩形金属引线框，多个离散电子组件组装在所述引线框上且接着通过转移模制技术使用塑封化合物来包覆成型作为一个单元。包覆成型电力系统的高度在2.6与2.8m之间。功率开关的组件可包括具有低电阻及大电流处置能力的有线接合且封装的MOS场效应晶体管(FET)；各种电阻器及电容器；及作为能量存储装置的经封装负载电感器。在操作中，MOSFET必须通过经由散热器及散热片高效地使热消散来保持冷却，使得其可快速切换(快速瞬间响应)。为增强冷却，将梳状散热片频繁地添加在包覆成型囊封的顶部。对于经封装电源系统的体积以及引线框及后来的印刷电路母板(PBC)两者的占用面积的消耗来说，起支配作用的组件是经封装负载电感器。作为实例，常规电感器可为具有大于5mm的侧长度的正方形形状。通常，电感器包括焊接到镀敷铜引线框且模制到磁铁氧体材料中的经涂覆铜导线的螺旋配置线圈。
用于通常的功率开关的MOSFET具有三个端子：电流在源极端子与漏极端子之间流动，且栅极端子使此流动接通或关断。以塑料模制封装来产生这些FET是常见的，通常以方形扁平无引脚(QFN)或小外形集成电路(SOIC)配置。在所述封装内部，芯片组装在金属引线框的垫上且通过接合导线(通常用于栅极)及线夹(通常用于载流源极及漏极)连接到引线。
在用于电源中的半桥中，第一FET与第二FET耦合。许多电源通过将两个FET“漏极向下”组装在单独金属垫上来实现所述耦合；第二FET的垫接着通过金属线夹连接到第一FET的源极，借此所述线夹表示公共连接或开关节点。第一FET的垫系到接地且第二FET的源极系到输入端子。近来引进的产品通过将第一FET“源极向下”组装在系到接地的垫及耦合到开关节点的FET的漏极上来实现所述耦合；所述开关节点又系到第二FET的源极，所述第二FET的漏极连接到输入端子。
在所描述的两个电源组合件中，开关节点连接到用作电源电路的能量存储装置的输出负载电感器；所述电感器必须足够大以可靠地起作用以维持恒定输出电压。经封装电感器包括围绕铁氧体的磁芯包裹的铜导线的线圈。所述电感器通过封装化合物来囊封，且具有立方体形状且在一个产品系列中具有7.25×6.8mm的尺寸及2.3mm的高度。即使对于电感器与FET之间的紧密接近度及与电路电容器的紧密接近度来说，也存在必然引入寄生电阻及电感的连接迹线。
发明内容
申请人认识到，市场趋势正变得无法容忍使用常规并排布置的个别经封装FET及输出负载电感器的功率转换器系统。此布置消耗越来越有价值的PCB面积。此外，连接FET及电感器所必需的PCB迹线引入寄生电阻及电感，其降低转换器效率。此外，需要额外的散热片来提供对使其能够实现规定电平的电流所必需的操作FET的基本冷却。
分析用于降低需要的PBC组装面积及相关联的寄生损失的选项时，申请人发现，电感器与FET的集成不仅被所述电感器的主体尺寸抑制，而且还被其归因于其由磁铁氧体材料围绕的铜导线的组成的不规则的大热容抑制；所述热容妨碍将梳作为散热片添加到FET的动作。
申请者通过塑形负载电感器以使其兼作为有效散热片来解决降低组装所需的PBC面积及相关联的寄生损失的问题。发明概念包括在承载FET的开关节点板上垂直堆叠负载电感器，使得负载电流沿着FET被引导且通过电感器；将电流产生的热通过围绕电感器包裹且与所述板接触的厚散热铜套筒而传送到铁氧体磁芯的热容中且尤其传送到环境中。
由于此布置，负载电感器与FET集成，从而节约有价值的PCB组装面积，且所述集成不是无源而是有源的，因为所述电感器作为散热器及散热片参与以提高转换器效率。
体现发明原理的实施方案是一种组装方法，所述方法首先将第一FET漏极向下且将第二FET源极向下并排附接到作为开关节点的导电载体的第一表面上。在下一个步骤中，将导热铜套筒包裹在具有铁氧体磁芯的电感器的囊封周围。接着，在FET的正上方，使被铜包裹的电感器与相对的载体表面对准，且将所述套筒焊接到载体上。作为此方法的附带益处，针对负载滤波器电容器及输入电容器产生短且紧的电流环路，从而降低寄生电阻及电感。
与常规并排放置相比，负载电感器在FET的顶部上的堆叠降低约50％的所消耗的PCB面积。此垂直集成使得非常短的互连及电路环路能够降低寄生电阻及电感，且因此改进功率密度、效率及切换瞬态(“振铃”)。负载电感器到散热片的变型使得在达到允许的150℃的结温度之前的较高开关电流成为可能；作为实例，现在可在500到2000kHz下处置达35A的电流而不是常规的25A。此外，降低的操作温度使DC/DC转换器的较高速度成为可能且因此使较高效率成为可能。
附图说明
图1展示垂直附接到载体以形成功率转换器的负载电感器的透视顶视图，其中所述负载电感器包裹在铜外壳中以同时作为散热片而起到两种作用。线指示图2的横截面。
图2说明沿着所述线的图1的功率转换器的(直角)横截面。根据本发明，载体与FET组装在一起且附接到由铜包裹的负载电感器；沿着所述载体流动且流经电感器的负载电流产生热，其由围绕所述电感器包裹的金属片的散热热套筒冷却。
图3描绘图1的功率转换器的底视图以及到负载滤波器电容器及输入电容器的电路环路的图。
图4到8为描绘根据本发明的用于制造具有垂直附接的负载电感器的功率转换器的组装流程的步骤的横截面。
图4展示在支撑托盘中倒置放置多个由铜包裹的电感器的步骤。
图5展示在电感器的底侧上施配第一焊料层的步骤。
图6展示将导电载体附接到所述第一焊料层且施配第二焊料层以附接FET的步骤。
图7展示在所述第二焊料层上附接FET且回流所有焊料层的步骤。
图8展示使用临时带来保护暴露的FET端子、移除支撑托盘且锯开导电载体以切割完成的功率转换器的步骤。
具体实施方式
图1展示通常表示为100的示范性的已完成功率转换器的透视顶视图，其中负载电感器110与导电载体120垂直集成，导电载体120用作半桥或同步降压转换器的场效应晶体管(FET)(图1中不可见)的开关节点。负载电感器110的可看出的优越特征包括外壳111、到铁氧体内部的金属线圈的引线112a及112b及包裹在所述外壳的长度周围的金属套筒113。引线112b附接到输出端子122，输出端子122与载体120分离但由相同的金属片制成(见图6)。
一般来说，例如负载电感器110等电感器在内部包括焊接到镀敷引线框(优选地为铜)且模制到磁铁氧体材料(通常简称为铁氧磁)的经涂覆金属导线(优选地也为铜)的螺旋配置线圈。所述铁氧体材料在高温下加压、固化且囊封在外壳111中，外壳111可为硬化的模制化合物。一般来说，铁氧磁材料具有较高的电阻率、尖晶水晶结构及化学式XFe2O4，其中X表示任何二价金属离子，所述金属离子的大小使得其将配合到所述水晶结构中。归因于其组成，电感器110具有较高的热容。
在图1的示范性实施例中，负载电感器110的载体120以及输出端子122具有约7.34mm的总长度114；载体宽度115以及输出端子宽度为约4.20mm。金属套筒113具有约1.60mm的高度116，且所述载体具有额外高度121，其优选地为约0.25mm。图1中的线指示在何处施加穿过功率转换器100的垂直切除，以产生图2中说明的转换器100的横截面。
在图2中，示范性功率转换器100包括第一芯片210及第二芯片220。第一芯片210包括低侧或同步或同步(sync)FET，且芯片220包括高侧或控制FET。两个FET都组装在导电载体120上，所述导电载体120优选地为用作同步降压转换器的半桥的开关节点的铜板。图2指示载体厚度121具有拥有深度270的凹部或空穴，所述深度270适于使用具有某个厚度的焊料层来将FET 210及220附接到凹入底部上。或者，可以两个不同的厚度来提供载体金属，其中较薄部分用于附接FET且较厚部分用作输出端子。
在任一情形下，在FET附接到载体之后，暴露的FET表面210a及220a与输出端子的表面120b及任何未凹入的载体表面120a共面。如图2展示，芯片210及220的组装是并排的且紧密接近。在此实例中，芯片210具有比芯片220更大的面积，且芯片210及芯片220具有相等的厚度，优选地为约0.10mm；在其它实施例中，芯片210及芯片220可具有不同的厚度，且所述值可大于或小于0.10mm。
就同步FET及控制FET的物理面积与有源面积的比较而言，应注意，同步降压转换器的工作循环决定控制FET所需的有源面积相对于同步FET的比率，因为接通状态的电阻RON与有源芯片面积成反比。如果所预期的工作循环在大多数时间是低的(＜0.5)，那么控制FET在大多数操作期间是关断的且不导电；且同步FET在大多数循环时间是导电的。为降低降压转换器的导电损失(PLOSS＝I2RON)，将为有利的是，使同步FET芯片210具有等于或大于控制FET芯片220的有源面积的有源面积。因此，同步芯片210也具有等于或大于控制芯片220的物理面积的物理面积。
应注意，在其它实施例中可互换所述FET的相对位置。
在提供转换器的底视图的图3中，示范性转换器展示为具有第一功率FET(同步FET)210，所述第一功率FET 210具有3.50mm的长度211及2.84mm的宽度212。第二功率FET(控制FET)220具有2.50mm的长度221及1.80mm的宽度222。在示范性转换器中，第一FET使其漏极以导电方式附接到载体120且使其源极213系到接地230。电容器215为负载滤波器电容器。第二FET 220使其源极以导电方式附接到载体120且使其漏极224以导电方式附接到输入端子240(也见图2)。电容器225为输入电容器。因此，导电载体120表示转换器的开关节点。用于两个晶体管芯片的优选附接材料为焊膏层250；优选的沉积方法为丝网印刷；或者，可使用通过注射器施配的焊料。两个晶体管芯片附接到载体120的相同表面，且彼此紧密接近。
现在参看图2，具有其金属套筒113的负载电感器110附接到载体120的与FET 210及220相对的表面。套筒113的附接消耗所述载体表面的几乎整个长度；因此，套筒113与FET 210及220对准。所述套筒附接优选地使用与附接层250相同的焊接材料251。如上文所提及，金属套筒113包裹在电感器的内部铁氧体材料的绝缘外壳111周围。所述套筒优选地由具有高导热率的金属片(例如，铜)形成；示范性片厚度117为0.25mm。替代金属包括银或铝或其合金；依据金属的选择及所允许的应用范围，替代厚度可为更厚或更薄的。或者，套筒113可由基于碳纳米管道、碳巴克球及石墨烯的材料制成。
在图2的示范性实施例中，铁氧体磁芯的外壳111具有1.00mm的直径118。铁氧体内部的金属线圈的引线112a及112b优选地为铜；其可为平坦的(如图1中所展示)以促进焊接到载体，但在电感器内部继续为经涂覆金属导线(也优选地为铜)的螺旋配置的线圈(图2中的虚线表示是出于清晰起见)。引线112a优选地使用类似于层250及251的焊料层来电连接到及附接到载体120。引线112b通过表示为252的焊料层来连接到输出端子122；端子112系到输出电压VOUT(241)。
图2包括通过转换器的电流流动，如一系列的箭头所指示。从VIN(24)开始，电流沿着开关节点120流动。因为电感器110与开关节点120垂直对准且FET并排附接到所述开关节点，所以所述电流在电感器铁氧体的内部的金属线圈的引线112a处进入电感器110。缠绕镶嵌在铁氧体材料中的线圈(在图2中简化为直箭头)，所述电流通过引线112b退出电感器，所述引线112b连接(优选地通过焊接)到VOUT端子241。沿着其沿着开关节点且通过电感器的线路，所述电流产生热。因为电感器由热套筒113围绕，且因为所述套筒在其整个长度上附接(优选地通过焊接)到开关节点120，所以由在电感器中的电流以及沿着开关节点的电流产生的热可以高效方式直接进入套筒113。因此，套筒213提供高效的热能散热器、散热片及辐射器的功能。在图2中，散热片功能通过箭头波260以绘画方式指示。
如图2的示范性实施例说明，沿着开关节点120流动且流经电感器110的电流为功率转换器100的有源产热组件。电感器110自身将为转换器100的热惰性组件。然而，电感器110通过与并排附接在开关节点上的FET垂直定位且与其对准而与所述产热组件紧密接近。此外，为热惰性组件提供导热外壳111，其与产热组件物理接触且经构造以使得其将热惰性组件转变成用于产热组件的散热片，所述散热片可扩散、消散及辐射热能。
从电感器110与开关节点120的接近性得到的额外电路益处为用于输入电容器225及负载滤波器电容器215的短且紧的连接环路，如图3中指示。短互连电路环路导致寄生电阻及电感降低。因为减少功率损失，此降低提高了功率转换器100的效率：
效率＝输出功率/输入功率
＝输出功率/(输出功率-功率损失)。
同步降压转换器中的功率损失由以下等式确定：
功率损失＝IL 2R+PSW
(其中IL＝负载电流，R＝本征电阻，PSW＝开关损失)。
对于图2及3中展示的示范性实施例来说，降低功率损失及提高效率通过沿着两条路线前进来实现：通过降低来自寄生电阻及电感的热产生来降低开关损失PSW，及通过将转换器包裹在金属套筒中且将所述套筒附接到所述转换器，来将热惰性电感器转变成散热片来改进操作转换器的热消散。
由于降低的热产生及增加的热消散带来的两方面的效率改进，在达到150℃的晶体管结温度之前，垂直集成的转换器可在25到35A下操作。因此，可将操作频率提高到500到2000kHz的范围。通过在较高频率下(举例来说1MHz而不是常规的500kHz)甚至在大体上未改变的输出电流及效率下操作同步降压转换器，允许消费者降低对负载的瞬时时间响应且因此降低无源组件(例如，围绕转换器的电容器)的数目，从而节约板占用面积且进一步降低热产生。此外，消费者能够降低输出电感器的电感以具有相同的波纹电流，从而降低电感器的寄生电阻值且降低板水平的功率损失。
与PCB上的常规并排电感器放置相比，在与FET 210及220垂直对准的情况下，通过将电感器110堆叠到载体120上，节约了约50％的PCB表面。不用说，PCB面积的节约转化成显著的成本节约。
本发明的另一实施例为图4到8中描绘的用于制造具有垂直集成的负载电容器的DC/DC功率转换器的高效制造流程。可重复使用的托盘401展示在图4中，所述托盘401提供针对待组装的电感器的尺寸定大小的多个沟槽402。在第一工艺步骤中，使每一电感器110与托盘的相应沟槽402对准且插入到其中。将电感器110制造为具有围绕每一电感器的经封装铁氧体磁芯的长度缠绕的金属套筒113。每一电感器110经定位使得铁氧体内部中的绝缘金属线圈的引线112a及112b远离托盘且因此朝向在本文中称为向上的方向。
在图5中描绘的工艺步骤中，将焊料层251沉积在电感器套筒113及电感器引线112a及112b的朝上金属表面上；电感器引线112b上的焊料层表示为252。优选的沉积方法为丝网印刷技术。
接着，提供金属片，所述金属片已被冲压到既定用于多个电感器110的多个载体120中；此外，图2中论述的高度差异(在载体、凹部与端子之间)已通过冲压或蚀刻工艺在所述片中实施。虽然每一载体通过间隙602与其自身的电感器的输出端子分离，但载体通过带601与邻近电感器的输出端子互连。作为组装工艺流程(见图8)的最后步骤，将通过单片化操作来修剪金属片的多个带601。在图6的工艺步骤中，使金属片与电感器110对准，使得每一电感器的焊料层251面向与凹部相对的载体表面。在相同的对准操作中，将每一个电感器引线的焊料层252与输出端子对准122。图6进一步展示沉积焊料层250以在载体凹部中附接功率FET芯片的工艺步骤。优选的焊料沉积方法为用于焊膏的丝网技术。
图7描绘沉积FET芯片210及220的步骤；此外，图7包括在添加热能以达到熔化温度及降低温度以固化回流焊料的单个步骤中回流所有焊膏层(251、252、250)的步骤。在焊料回流步骤之后，芯片210及220的表面与输出端子122是共面的。
在图8中，在多个经组装转换器上放置临时带801。接着，移除临时托盘401以便可供重复使用。将用作个别转换器之间的互连器的带601放置在用于单片化的支撑台上，优选地通过旋转锯沿着线810切割带601。可重复使用带801。
虽然已参考说明性实施例描述本发明，但此描述无意于在限制性意义上加以理解。在参考所述描述之后，所属领域的技术人员将理解说明性实施例的各种修改及组合以及本发明的其它实施例。作为实例，本发明不仅适用于场效应晶体管，而且还适用于其它合适的功率晶体管。
作为另一实例，本发明适用于围绕电感器磁芯或电感器的外壳的套筒，其包括用于增强散热片功能性的结构，例如梳、沟槽及黑色。
因此，希望所附权利要求书涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (6)

1.一种电源转换器，其包含：
第一FET、第二FET、金属载体及负载电感器；
所述第一FET连接到接地且耦合到系到输入端子的所述第二FET，两个FET都以导电方式并排附接到所述金属载体且用作产热的转换器；且
所述负载电感器系到所述金属载体及输出端子，且由与和所述FET相对的所述载体接触的金属套筒包裹，所述套筒可操作以扩散及辐射由所述转换器产生的所述热。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一FET漏极向下附接到所述载体且所述第二FET源极向下附接到所述载体，使得所述载体为所述转换器的开关节点。
3.根据权利要求2所述的转换器，其中附接到所述载体的所述第一及所述第二FET与附接到与所述FET相对的所述载体的所述负载电感器垂直对准。
4.一种设备，其包含：
产热组件；
热惰性组件，其与所述产热组件紧密接近而定位；及
用于所述热惰性组件的外壳，所述外壳与所述产热组件接触且经构造以将所述热惰性组件转变成用于所述产热组件的散热片。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述产热组件为操作中的电子系统且所述热惰性组件为电子组件。
6.一种用于制造电源转换器的方法，其包含以下步骤：
提供负载电感器，所述负载电感器由经构造以将所述电感器转变成散热片的金属套筒包裹；
定位所述电感器以在套筒表面及电感器引线上沉积焊膏层；
提供金属载体，所述金属载体具有拥有第一厚度的一部分及拥有较大的第二厚度的若干部分；
将所述载体放置在所述电感器的所述焊料层上，其中具有第一厚度的所述载体部分与所述电感器套筒对准，且具有第二厚度的所述载体部分与所述电感器引线对准；
将同步及控制FET并排放置在沉积在与所述电感器套筒相对的具有第一厚度的所述载体部分上的焊料层上；及
回流所述焊料层且接着使所述焊料层固化，借此所述FET、所述载体及所述电感器变为集成的且所述FET的无焊料表面及具有第二厚度的所述载体部分变为共面。
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