CN1998273A - 嵌入式功率管理控制电路 - Google Patents

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M·帕维尔
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Abstract

一种用于包括母板的电子设备的外围电子系统，具有多个单独电连接的垂直层叠模块，所述垂直层叠模块中的至少一个由电路板组件组成，该电路板组件包括嵌入其中的有源和/或无源电子部件，并且所述部件由导电轨迹电连接以提供期望的操作功能。所述外围电子系统进一步包括在所述组合结构的暴露表面上的电连接器阵列，该电连接器阵列适于在所述外围电子设备和所述母板之间提供电连接。

Description

嵌入式功率管理控制电路
相关申请
【0001】本申请基于并且要求于2004年3月11日申请的、名称为“嵌入式功率管理控制电路”的美国临时申请No.60/552,143的权益，该申请的全部内容被清楚地结合于此以作参考。
技术领域
【0002】本发明广泛地涉及半导体电子系统的紧致组装，尤其涉及这样的系统，其中通过将有源和无源电子器件嵌入到组成子系统的电路板中实现紧致性，所述组成子系统然后组装在垂直叠层中。该发明的一个特定应用是功率管理控制电路模块，其可以与功率变换器组装在一起以用于小型、便携式电子设备。可选择地，所述嵌入式功率管理控制电路可以被修改以用于包含功率晶体管器件和控制器的电路中。这样的应用包括音频丁类电路，半桥和全桥电机控制应用和照明电路。为此，术语“嵌入式”应当被理解成表示包埋在衬底(substrate)或载体内。
背景技术
【0003】便携式电子设备，例如蜂窝式电话和计算机，需要占用少量体积的高效功率管理控制电路。这样的电路可以包括功率晶体管、集成电路、集成电路、电阻器、电容器、电感器、二极管、配线、传感器和比较器。
【0004】这样的功率控制电路常规地组装在印刷电路板上耗费了过多体积和面积。当功能增加时，对减小体积的需要变得越来越重要。
【0005】诸如电阻器和电容器这样的嵌入式无源器件的使用是公知的。通过将有源和/或无源器件嵌入到电路板中，电路板的表面上的有用“不动产(real estate)”被保存用于有源半导体器件。
发明内容
【0006】根据本发明的一个实施方式的嵌入式功率管理控制电路包括控制板模块，该控制板模块与集成电路功率变换器一起组装在垂直叠层中以用于附着到手持设备的母板上。所述控制板模块包括诸如场效应晶体管(FET)这样的功率晶体管，和/或安装在电源集成电路下方的集成电路，节省了设备母板上的空间。无源器件(例如电阻器、电容器和电感器)也可以嵌入到所述控制板模块中以节省设备母板上的附加“不动产”。例如包含MOSFET、IC和无源部件的电路可以嵌入到具有基板栅格阵列垫布置(land grid array pad arrangement)的载体中，基板栅格阵列垫布置可以焊接到母板。散热器可以附着到所述组件以便增加热量散发到嵌入部件周围的环境中。
【0007】本发明的一个目标是将用于小型便携式电子装置的外围电子系统组装到具有小台面面积和小体积的模块中。
【0008】本发明的更特别的目标是提供这样一种紧致外围电子系统，其可以用作功率变换器和功率控制模块以便于附着到诸如蜂窝式电话等这样的小型电子设备中的母板。
【0009】根据本发明第一方面，用于具有母板的电子设备的外围电子系统包括带有多个单独电连接垂直层叠模块的组合结构，所述垂直层叠模块中的至少一个由电路板组件组成，该电路板组件包括嵌入其中的有源和/或无源电子部件，并且所述部件由导电轨迹(trace)电连接以提供预期操作功能，所述外围电子系统进一步包括在所述组合结构的暴露表面上的电连接器阵列，该电连接器阵列适于在所述外围电子设备和所述母板之间提供电连接。
【0010】根据本发明的第二方面，电子设备包括根据第一方面的外围电子系统，也包括母板，所述母板和所述外围电子系统由电连接器阵列电连接在一起。
【0011】根据本发明的第三方面，一种用于组装用于电子设备的外围电子系统的方法，所述电子设备包括母板和所述外围电子系统，所述方法包括以下步骤：制造电路板形式的第一模块，该第一模块包括嵌入其中并且由嵌入导电轨迹电互连的第一组电子部件以提供所述外围电子系统的功能的第一部分，然后封装所述电路板同时留下暴露的电连接结构，制造第二模块，该第二模块包括嵌入其中并且被电连接的第二组电子部件以提供所述外围电子系统的功能的第二部分，然后封装所述第二模块同时留下暴露的第二电连接结构，将所述第一和第二封装模块组装到垂直叠层中，并且第一和第二电连接结构提供第一和第二模块之间的电连接；和在垂直层叠模块的一个的暴露表面上提供第三电连接结构，第三电连接结构适于将组装模块电连接到所述母板。
【0012】根据本发明的第五方面，一种组装电子设备的方法，所述电子设备包括母板和外围电子系统，所述方法包括根据本发明的第四方面组装外围电子子系统，和将外围电子系统上的第三连接结构电连接到母板。
附图说明
【0013】图1示出了本发明的一个实施方式的横截面图。
【0014】图2A-2F示出了显示嵌入有源半导体器件的方法的横截面图。
【0015】图3A-3I示出了嵌入无源器件的方法。
【0016】图4显示了本发明的一个实施方式的电路图。
【0017】图5显示了根据本发明的带有附加散热器的电路板组件。
【0018】图6A-6C显示了本发明的一个实施方式的接触图案层。
具体实施方式
【0019】在图1中示出了负载传递控制电路组件10的嵌入式功率管理点。控制板14介于功率集成电路12，例如d-c至d-c功率变换器，和电子设备的母板15之间。例如，电子设备可以是小型蜂窝式电话，其要求最佳地使用印刷电路板“不动产”以便减小设备的尺寸。
【0020】功率IC12可以包含用于同步补偿变换器、控制MOSFET、同步MOSFET、过电流/过电压保护和过热保护的控制电路。可选择地，功率IC12可以是任何其它合适或理想体系和构造的电源模块。诸如电阻器、电容器和电感器这样的嵌入式无源器件可以被加入到附加于模面的层中。诸如场效应晶体管(FET)这样的功率晶体管被嵌入到介于功率IC和母板之间的控制板14中。
【0021】在图2A-2F中显示了用于组装具有嵌入式有源半导体器件的控制板14的合适方法，但是应当理解的是本发明并不限于所示的方法。在图2A中，电绝缘掩模层22被应用于导电层24，该导电层可以是常规球形栅格阵列(ball grid array)23(参见图1)或基板栅格阵列型封装的绝缘层21上的导电表面。导电层24可以可选择地为直接粘结铜(DBC)元件的铜箔，绝缘金属衬底(IMS)的上层导电部件或用于印刷接线板中的铜箔元件。可选择地所述导电层可以形成例如用于功率电子设备应用中的那些复杂引线框组件的一部分。
【0022】作为下一步骤，如图2B中所示，导电粘合剂26被应用到由诸如常规焊接掩模这样的掩模层22限定的暴露导电表面24的至少一部分上。导电粘合剂26可以是焊料或导电环氧模固定粘合剂，或者例如由丝网印刷施加的任何其它合适或理想材料。
【0023】在下一步骤中，如图2C中所示，诸如FET或IC这样的有源半导体器件28被安装成使得在半导体器件的一个主表面上的电极71、73和导电粘合剂26之间形成电接触。例如，半导体器件可以由其表面上的接触垫连接。该表面可以包含可焊金属或含金属粘合剂，焊接凸块(solder bump)的阵列或金属或聚合物柱螺栓的阵列，或任何其它合适或理想结构。另一主表面75是模77主体的金属化。对于功率器件，这可以是背面金属化，对于IC，这可以是电极上的金属化。类似地，其它半导体和无源器件，例如二极管，MESFET或IGBT，电容器，电阻器或电感器可以安装到器件28并且成间隔关系。例如，如图8A-8D中所示电阻器79和第二MOSFET 78器件可以被放置在淀积于铜箔24上的粘合剂26上。
【0024】然后，半导体器件28和间隔器件78和79可以嵌入到电绝缘封装物21中，例如预浸粘合剂粘合层或类似的粘合膜，并且如图2D中所示可以应用由介电背衬铜箔或仅仅由铜箔形成的叠片芯23。产生的控制板14模块在图1和2E中示出。导电层24可以在29被蚀刻以限定如图1和2F中所示的接触和线迹。在包含在控制板14中之前或之后，线迹25和垫27可以通过任何合适或理想的方法，例如通过钻孔包含在叠片芯23中，随后进行金属化和形成图案(patterning)。
【0025】为了将无源和/或其它有源半导体器件的更多层加入到控制板的任一表面，重复结合图2A-2F描述的上述制造方法，并且通过下面更具体描述的金属化实现层之间的连接。
【0026】图3A-3I示出了用于将无源器件嵌入诸如控制板14这样的结构中的方法的一个例子。图3A示出了嵌入式IC器件30，例如控制IC，并且接触垫31在其表面的一个上。在图3B中，钝化层33被显示成应用于接触垫31上。钝化层33的一部分然后例如通过蚀刻被去除以暴露接触垫31的至少一些部分(参见图3C)。接着例如电镀铜形式的金属化层50被应用于接触垫31上的IC30的表面，如图3D中所示，并且通过蚀刻形成图案，从而产生如图3E中所示的导电图案轨迹35。用于产生如图3E中所示的图案轨迹的其它合适方法包括蒸汽淀积、溅射或丝网印刷。
【0027】可选择地，非金属导电图案可以用于替换图案金属化层。例如，导电胶34可以印刷在表面上以形成理想接触图案35并且随后被固化。
【0028】接着，例如通过丝网印刷分别用于电阻器和电容器的电阻胶32或介电胶34，无源部件32、34可以淀积在接触图案35的轨迹之上或之间。类似地可以由铜层50中的螺旋图案形成电感器。
【0029】具有高介电常数的电绝缘材料，例如聚合物/陶瓷复合物被印刷在第一导电接触的表面上，第二导电接触被布置在第一导电接触的相对面上，将电绝缘材料夹在所述两个导电接触之间。
【0030】在图3G中，应用了第二钝化层37，并且所述钝化部分被去除以展示用于下方无源部件32和34以及IC30的图案轨迹35和接触31。随后的电镀和蚀刻和/或印刷的步骤可以用于根据需要建立无源电子部件的附加层。钝化的附加层和导电轨迹可以用于建立和形成垫栅格阵列39，其具有由绝缘栅格38分离的导电接触垫36，如图3I中所示。该垫栅格阵列39可以与常规球形栅格阵列中的焊球一起使用以用于将集成电路30和无源部件32、34与另一电路板或半导体器件连接，例如如图1中所示。
【0031】当电连接到诸如母板15这样的外电路时，产生的有源和无源部件的三维结构可以用于提供利用最小母板面积的嵌入式功率管理控制。
【0032】作为根据本发明原理构造的嵌入式半导体器件的一个例子，图4显示了电路板14的电路图，该电路板包括用作半桥门驱动器的IC40，和一个或多个嵌入式MOSFET或IGBT器件6和7，所述器件控制正负DC轨(DC+和DC-或GND)和连接到电机的输出点125之间的电流。也包括了嵌入式自举电容器41，自举电阻器43和形成需要用以驱动高边MOSFET121的自举电路的一部分的二极管45，和控制进出功率器件6和7的门的电流的嵌入式电阻器101-106。应当注意的是电路图只是代表典型半桥的一个普通例子，电阻器101-106可以不在所有驱动电路上。电阻器101-103的每一个终端连接到高边器件7的门。每个电阻器的相对终端连接到控制IC40上的单个管脚。电阻器104-106以类似的配置连接，但是连接到低边器件6的门。自举电容器41，自举电阻器43和二极管45由集成线迹、接触垫和球形栅格阵列电连接到半桥门驱动集成电路40。
【0033】在一个应用中，通过将嵌入式自举电容器41与电解槽自举电容器(未示出)并联，电容器41可以充当仅仅用于门充电的高速充电槽，并且电解槽电容器将并联自举(bootstrap)电容器上的电压脉动(ΔVBS)保持在可接受的限度内。可选择地，如果仅仅使用陶瓷或聚合物/陶瓷电容器作为自举电容器41的限制是可接受的，则可以在没有电解槽电容器的情况下使用嵌入式自举电容器41。
【0034】众所周知，选择自举电容器41的值是限制功率MOSFET的占空比和工作时间，这是因为自举电容器41上的电荷必须定期更新。如于2003年10月29日申请的未决美国专利申请No.10/696,711，即现在于2005年2月22日发布的美国专利6,859,087中所述，自举电容器41的特定大小在本领域中是已知的。嵌入式自举电容器41的电容大小例如由绝缘层的面积、厚度和介电常数限定。因此，可以确定嵌入式自举电容器41的大小和选择介电常数，使得嵌入式电容器41或多个电容器符合功率管理控制设备10的自举电容器41的要求。
【0035】配线轨迹和配线接触可以由上述的嵌入方法提供，使得嵌入式电容器41与自举电容器电连接以用于集成功率管理控制电路，包括完成自举电路，如图4中所示。
【0036】图4的MOSFET 6、7可以是任何功率晶体管。例如，可以使用绝缘门双极晶体管IGBT，例如由International RectifierCorporation制造的IRGP30B120K(D)，和IRG4PH30K(D)。优选地，嵌入到控制板中的MOSFET是Flip FET或FETKY器件，其可以使用自动捡放(pickup and place)设备进行安装。这些器件可以是带有可以附着到铺轨(tracking)层24的合适表面接触的任何MOSFET。
【0037】散热器(150)可以附着到控制板14的一个或多个表面。优选地，通过形成通向嵌入式发热器件的热通道减小散热器和诸如二极管120-123和功率晶体管6、7这样的发热器件之间的热阻。例如，通过将发热器件放置在控制板的表面的一个附近，通过使用导热材料来传导来自发热器件的表面的热量，或者上述两者，从而可以提供热通道。散热器可以用于嵌入式和非嵌入式发射器件两者。图5示出了夹在控制板152和另一非嵌入式器件154之间的散热器150。
【0038】图6A-6C是三个可能用于连接诸如电阻器43和101-106、二极管45、120、122和电容器41这样的嵌入式无源电子部件的接触图案层的例子。例如，关于图3A-3I描述的方法可以用于建立由图6A和6B中所示的接触图案连接的嵌入式无源部件。图6A的接触层布置在图6B中所示的接触层之上，图6B中所示的接触层布置在图6C中所示的接触层之上。在一个例子中，高边电压VEH连接到第一线迹段70，如图6B中所示。第一线迹段70由第三线迹段71连接到第二线迹段72，第三线迹段布置在图6A中所示的接触层上。通过以该方式连接这些线段70、71、72，这些线迹70、71、72避免了与如图6B中所示的另一线迹段73电接触。因此，嵌入式功率管理控制电路10可以由通过连接多个接触图案层形成的三维网络连接到嵌入无源器件，每个图案层至少部分布置在另一个之上。在一个例子中，层叠每个接触层31、33、35将每个层直接布置在另一个之上，假如电路板表面不大于待安装到控制板14(例如功率集成电路12)上的有源半导体器件所需的表面。通过限制控制板14的面积，母板(未示出)的表面上的有用“不动产”被保存。
【0039】尽管已经通过特定实施方式描述了本发明，许多其它变型和改进以及其它使用对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。所以优选的是，本发明不应当由这里的特定公开限定，而是仅仅由后附权利要求限定。

Claims (29)

1.一种用于具有母板的电子设备的外围电子系统，所述外围电子系统包括：
包括多个单独电连接垂直层叠模块的组合结构，所述模块中的至少一个由电路板组件组成，该电路板组件包括嵌入其中的有源和/或无源电子部件，并且所述部件由导电轨迹电连接以提供预期操作功能，
所述外围电子系统进一步包括在所述组合结构的暴露表面上的电连接器阵列，该电连接器阵列适于在所述外围电子设备和所述母板之间提供电连接。
2.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述期望的操作功能是用于所述母板的组合式电源和功率管理系统。
3.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述电路板包括多个侧向间隔的集成电路。
4.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述板上的第一和第二电部件由导电轨迹电连接，所述导电轨迹包括在第一接触层上的第一和第二线段和在垂直相邻第二接触层上的第三线段，第三线段连接在第一和第二线段之间。
5.根据权利要求4所述的外围电子系统，其中所述第一和第二线段由通过第二接触层的各自开口连接到第三线段。
6.根据权利要求4所述的外围电子系统，其中所述导电轨迹由金属或非金属导电材料形成。
7.根据权利要求4所述的外围电子系统，包括嵌入到第一电路板中的另一导电轨迹，其中：
所述另一导电轨迹的至少一部分布置在第一和第二电子部件之间；和
所述另一导电轨迹由第三线段横穿但是根据第三线段在第二垂直间隔接触层上的定位而与之电绝缘。
8.根据权利要求7所述的外围电子系统，其中所述垂直间隔模块的电子部件由各自的球形栅格阵列连接在一起，并且所述电连接器阵列是另一球形栅格阵列。
9.根据权利要求4所述的外围电子系统，其中所述垂直间隔模块的电子部件由各自的球形栅格阵列和可焊接触连接在一起，并且所述电连接器阵列是另一球形栅格阵列。
10.根据权利要求4所述的外围电子系统，其中所述垂直间隔模块的电子部件由各自的可焊金属化接触和导电轨迹连接在一起，并且所述电连接器阵列由可焊金属化接触和导电轨迹组成。
11.根据权利要求4所述的外围电子系统，其中垂直间隔模块的电子部件由导电和非导电互连的阵列连接在一起。
12.根据权利要求9所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，所述嵌入式集成电路由倒装结构和可焊接触连接到所述电路板。
13.根据权利要求9所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，所述嵌入式集成电路由导电和非导电互连的阵列连接到所述电路板。
14.根据权利要求4所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，其中：
所述嵌入式集成电路由倒装结构和可焊接触连接到所述电路板，并且所述电路板由球形栅格阵列和可焊接触连接到垂直叠层中的相邻模块。
15.根据权利要求4所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，其中：
所述嵌入式集成电路由倒装结构连接到所述电路板，并且所述电路板由可焊金属化接触和导电轨迹连接到垂直叠层中的相邻模块。
16.根据权利要求4所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，其中：
所述嵌入式集成电路连接到所述电路板，并且所述电路板由导电和非导电互连的各自阵列连接到垂直叠层中的相邻模块。
17.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中垂直层叠模块由各自的球形栅格阵列和可焊接触连接在一起，并且所述电连接器阵列是另一球形栅格阵列。
18.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中垂直层叠模块由各自的可焊金属化接触和导电轨迹连接在一起，并且所述电连接器阵列由可焊金属化接触和导电轨迹组成。
19.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中垂直层叠模块由导电和非导电互连的各自阵列连接在一起，并且所述电连接器阵列是导电和非导电互连的阵列。
20.根据权利要求1所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，所述嵌入式集成电路由倒装结构连接到所述电路板并且所述电路板由球形栅格阵列连接到垂直叠层中的相邻模块。
21.根据权利要求1所述的外围电子系统，进一步包括嵌入到所述电路板中的集成电路，所述嵌入式集成电路由倒装结构连接到所述电路板并且所述电路板由可焊接触结构连接到垂直叠层中的相邻模块。
22.根据权利要求1所述的外围电子系统，进一步包括附着到层叠模块的散热器。
23.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述电路板包括多个侧向间隔嵌入的集成电路。
24.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述电路板包括至少一个嵌入式集成电路和侧向间隔嵌入式晶体管。
25.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述至少一对电子部件由直接电镀到所述部件上的导电轨迹电连接在一起。
26.根据权利要求1所述的外围电子系统，其中所述IC、功率器件、除功率器件之外的有源部件，和无源器件中的至少一个被安装在衬底的上部，并且IC、功率器件、除功率器件之外的有源部件，和无源器件中的至少一个被嵌入到衬底结构中。
27.一种电子设备，其包括根据权利要求1所述的外围电子系统，并且进一步包括母板，其中所述母板和所述外围电子系统由电连接器阵列电连接在一起。
28.一种用于组装用于电子设备所述的外围电子系统的方法，所述电子设备包括母板和所述外围电子系统，所述方法包括以下步骤：
制造电路板形式的第一模块，该第一模块包括嵌入其中并且由嵌入导电轨迹电互连的第一组电子部件以提供所述外围电子系统的功能的第一部分，然后封装所述电路板同时留下暴露的电连接结构；
制造第二模块，该第二模块包括嵌入其中并且被电连接的第二组电子部件以提供所述外围电子系统的功能的第二部分，然后封装所述第二模块同时留下暴露的第二电连接结构；
将所述第一和第二封装模块组装到垂直叠层中，并且第一和第二电连接结构提供第一和第二模块之间的电连接；和
在垂直层叠模块的一个的暴露表面上提供第三电连接结构，第三电连接结构适于将组装模块电连接到所述母板。
29.一种组装电子设备的方法，所述电子设备包括母板和外围电子系统，所述方法包括以下步骤：
根据权利要求28的方法组装外围电子子系统；和
将外围电子系统上的第三连接结构电连接到母板。
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