CN105024556A - 基于低温共烧陶瓷混合集成的dc-dc变换器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括低温共烧陶瓷微型变压器和基于CMOS的电路芯片；其中，所述低温共烧陶瓷微型变压器为层叠式设计且与所述基于CMOS的电路芯片采用混合集成设计方式。本发明的DC-DC变换器芯片面积小、成本低、性能更优，本发明的LTCC陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，同时使用电导率高的金属材料作为导体材料，微型变压器不受CMOS工艺下衬底涡流效应的影响，有利于提高微型变压器的性能和电路系统的品质因子，同时基于LTCC混合集成的CMOS电路芯片可以采用密闭的金属封装，可以有效防止外界电磁环境的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔离型DC-DC变换器，特别是一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器及其制造方法。
背景技术
DC-DC变换器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种芯片，广泛应用在计算机、通信、航天、国防等各个重要领域中。目前，为了能够显著节省成本和功耗，DC-DC变换器常采用晶圆CMOS工艺制造。然而，随着工作频率的不断提高，CMOS级硅衬底的高频损耗和金属欧姆损耗十分显著，导致变换器中变压器性能急剧下降，品质因数Q值常小于10，限制了基于CMOS工艺DC-DC变换器的发展和应用。研究人员针对该问题开展了大量的工作，如申请号为201220317662.8、发明名称为“一种新型的分形PGS结构”的中国专利申请和申请号为US201113019541、发明名称为“Semiconductor device and method of forming holes in substrateto interconnect top shield and ground shield”的美国专利申请均是基于标准CMOS工艺进行器件结构的优化设计模块化接地保护(Patterned GroundShield，PGS)结构来减小变压器的衬底损耗，但是这种优化的效果与分立无源器件的性能相比不甚理想。而逐渐兴起的低温共烧陶瓷(LTCC)技术为高度集成的数字隔离器提供了一个更好的途径，具有与分立无源器件相比拟的优异性能。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种可满足集成化、小型化和高频化要求的低温共烧陶瓷变压器与CMOS电路芯片混合集成的DC-DC变换器。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括低温共烧陶瓷微型变压器和基于CMOS的电路芯片；其中，所述低温共烧陶瓷微型变压器为层叠式设计且与所述基于CMOS的电路芯片采用混合集成设计方式。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法，包括以下步骤：
将配制好的低温共烧陶瓷粉通过流延制成一定厚度的生瓷带；
将流延好的生瓷带切割成生瓷片，在需要过孔的位置打孔，需要形成空腔的位置形成空腔；
在所述生瓷片表面适当位置以导体浆料印刷微型变压器图案，形成微型变压器电路；
将多层生瓷片按照需要进行叠压，将压好的生瓷片切割成单个器件或模块；
将切割好的器件或模块进行一次性低温烧结。
作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器的制造方法，是通过将如上所述的基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法制造的基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器与基于CMOS的电路芯片组装在一起而制成。
基于上述技术方案可知，本发明的隔离型DC-DC变换器具有如下优点：(1)芯片面积小；常规方法通常是将DC-DC变换器中变压器采用CMOS工艺单片集成与电路芯片进行封装，而本发明采用基于低温共烧陶瓷微型变压器，与CMOS电路芯片采用混合集成，从而大大减小芯片面积；(2)降低了成本；本发明采用LTCC和CMOS混合集成方案，相比普遍采用的驱动电路、变压器、接收电路分片集成DC-DC变换器，最大限度的减小了系统的体积、元器件数量，提高了性能和可靠性，降低了成本；(3)性能提升；本发明中LTCC陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，同时使用电导率高的金属材料作为导体材料，微型变压器不受CMOS工艺下衬底涡流效应的影响，有利于提高微型变压器的性能和电路系统的品质因子；同时，基于LTCC混合集成的CMOS电路芯片可以采用密闭的金属封装，可以有效防止外界电磁环境的干扰。
附图说明
图1a和图1b分别为本发明基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器的俯视和剖面结构示意图；
图2为作为本发明一实施例的DC-DC变换器的电路原理示意图；
图3为作为发明一实施例的微型变压器的分解结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种隔离型DC-DC变换器，具备低温共烧陶瓷微型变压器和基于CMOS的电路芯片；微型变压器为层叠式设计且与电路芯片采用混合集成设计。
上述方案中，低温共烧陶瓷微型变压器的特点是：包括至少两组金属线圈组件的LTCC微型变压器基板；所述金属线圈组件包括金属带状导电线圈，由初级线圈和次级线圈构成；所述LTCC微型变压器基板上金属线圈导线图样围绕同一轴制作。所述LTCC微型变压器基板内金属导线通过通孔连接。
上述方案中，低温共烧陶瓷微型变压器采用生瓷带和导体浆料制作。其中，所述生瓷带由低温共烧陶瓷粉制成，所述导体料浆可采用金浆或银浆。该低温共烧陶瓷粉应满足：(1)烧结温度应该低于900℃；(2)介电常数小、损耗低；(3)良好的物理和化学稳定性以及机械性能；(4)热膨胀系数要适当、热导率高等特点。常用的材料有微晶玻璃、单相陶瓷、玻璃陶瓷等。
上述方案中，CMOS电路芯片包括初级驱动电路和次级接收电路。
下面参照附图结合具体实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此所举实例不作为对本发明的限定。
请参阅图1a，本发明基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器由利用LTCC工艺制作而成的微型变压器100、CMOS电路芯片200、陶瓷基板301、金属壳体302、管脚引线焊盘303、壳体配套盖板304、封口环305和管脚306组成，CMOS电路芯片包括初级驱动电路和次级接收电路。
LTCC陶瓷基板固定在金属壳体302中，微型变压器和电路芯片固定在LTCC陶瓷基板301上，与管脚引线焊盘303采用金丝键合实现互连，然后实现金属壳体302的管脚引线和LTCC陶瓷基板301之间的互连，完成整个电路模块的互连。壳体配套盖板304盖在装有LTCC陶瓷基板301的金属壳体302上。
请参阅图2，为典型DC-DC变换器电路原理框图。DC-DC变换器包括：微型变压器和集成电路；所述集成电路包括初级驱动电路210和次级接收电路220；所述初级驱动电路210主要用于信号源的产生，产生的信号将加载到微型变压器的初级线圈上；所述次级接收电路220包括：整流滤波电路221、误差放大器222、脉宽调制(PWM)控制器223和基(门)驱动电路224。初级驱动电路210和次级接收电路220均可采用标准CMOS工艺，或BICMOS工艺实现。
请参阅图1b可以看出，微型变压器主要组成为LTCC陶瓷基板301；所述微型变压器线圈组件由高耦合系数的初级线圈101和次级线圈102构成。
请参阅图3，所述微型变压器LTCC陶瓷基板如图所示，由顶层高频陶瓷膜片103、底层高频陶瓷膜片106、堆叠在高频陶瓷膜片103、106中间层的高频陶瓷膜片104和105以及堆叠在印在104和105上的金属带状导电线圈；所述金属带状导电线圈即为变压器初级线圈101和次级线圈102。
请参阅图3，本发明中，基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器陶瓷基板301的制作基本原料是生瓷带和导体浆料。生瓷带可采用氧化铝普通生瓷带，导体料浆可采用金浆或银浆。
本发明还公开了一种基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法，其基本步骤如下：
1、将配好的陶瓷粉料通过流延制成一定厚度的生瓷带；
2、将流延好的生瓷带切割成6英寸或8英寸的生瓷片；
3、将切成一定尺寸后的生瓷片利用激光或机械打孔机，在需要过孔的位置打孔。
4、如果内部需要有空腔，用冲击或者打孔机，冲出空腔；
5、采用填孔设备，把通孔灌满银浆，生陶瓷片具有收缩率，银浆要填的恰到好处；
6、再把设计好的微型变压器图形以金属浆料印刷在多层陶瓷生带上；
7、将这些印刷有变压器银浆图形的生带叠加在一起，采用等静压设备将多层生瓷片进行叠压；
8、采用生瓷切割机，对压好的膜片进行切割成单个器件或模块；
9、将切割好的器件或者模块进行一次性低温排胶(800～900℃)烧结；
10、做器件的端电极或者测试。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括低温共烧陶瓷微型变压器和基于CMOS的电路芯片；其中，所述低温共烧陶瓷微型变压器为层叠式设计且与所述基于CMOS的电路芯片采用混合集成设计方式。
2.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述低温共烧陶瓷微型变压器包括至少两组金属线圈组件。
3.如权利要求2所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述金属线圈组件为金属带状导电线圈。
4.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述低温共烧陶瓷微型变压器采用生瓷带和导体浆料制作。
5.如权利要求4所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述生瓷带由低温共烧陶瓷粉制成，所述导体浆料为金浆或银浆。
6.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述低温共烧陶瓷粉包括微晶玻璃、单相陶瓷、玻璃陶瓷。
7.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器，其中所述CMOS电路芯片包括初级驱动电路和次级接收电路。
8.一种基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法，包括以下步骤：
将配制好的低温共烧陶瓷粉通过流延制成一定厚度的生瓷带；
将流延好的生瓷带切割成生瓷片，在需要过孔的位置打孔，需要形成空腔的位置形成空腔；
在所述生瓷片表面适当位置以导体浆料印刷微型变压器图案，形成微型变压器电路；
将多层生瓷片按照需要进行叠压，将压好的生瓷片切割成单个器件或模块；
将切割好的器件或模块进行一次性低温烧结。
9.如权利要求8所述的基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法，其中所述低温共烧陶瓷粉包括微晶玻璃、单相陶瓷、玻璃陶瓷，所述导体浆料为金浆或银浆，所述低温烧结温度为800～900℃。
10.一种基于低温共烧陶瓷混合集成的DC-DC变换器的制造方法，是通过将如权利要求8或9所述的基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器的制造方法制造的基于LTCC低温共烧陶瓷微型变压器与基于CMOS的电路芯片组装在一起而制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151104 |