CN213780903U - 一种集成电源模块的芯片及板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开一种集成电源模块的芯片及板卡，涉及半导体技术领域。包括：基板，其特征在于，在所述基板上设有耗电单元模块，所述耗电单元模块包括晶粒，在所述耗电单元模块周边设有供电电源模块，所述供电电源模块的引脚与所述耗电单元模块的供电引脚电连接。由于将供电电源模块集成于芯片的基板上，可以降低输出给芯片管脚路径上的电流，从而在一定程度上可以提高芯片及具有该芯片的板卡或设备的工作可靠性。

Description

一种集成电源模块的芯片及板卡

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种集成电源模块的芯片及板卡。

背景技术

随着高性能芯片需求量的逐步提升，芯片性能在不断提升，功耗呈现了大幅度提高，这对芯片供电要求提出了很大挑战，高功耗大电流需要增加很多供电管脚，从而带来了芯片面积及电路板(Printed Circuit Board，印刷电路板，简称PCB或电路板)上供电电路面积的增大，导致了芯片成本及板卡成本的增加。

目前业界解决大功率芯片供电问题通用的方案是将高密度供电模块放置到电路板上靠近芯片的位置，此种解决方案部分解决了电路板面积问题，但是输出给所述芯片的耗电单元的电流依然很大，而且大面积的供电电流通过供电模块到芯片，具体的供电至芯片的耗电单元，所述耗电单元例如为晶粒(英文：die，即晶圆上切割的一个小块，也称为单个裸片)等，容易引起对芯片高速信号的干扰。

另外，由于PCB上的供电电流很大，PCB上的功率损耗也很大，对于板卡(PrintedCircuit Board Assembly，区别于PCB光板，板卡是PCB光板经过SMT上件，或经过DIP插件制程形成的具有元器件的组件)及芯片的性能功耗比参数是非常不利的，同时，由于板卡上电流大，功率损耗大，浪费电能，而且转化成热能很大，板卡会比较热，在PCB高温情况下，电子器件的稳定性会受到影响，同时高温下PCB板易产生形变带来稳定性问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种集成电源模块的芯片及板卡，可以降低输出给芯片管脚路径上的电流，至少能够解决上述技术问题之一，从而在一定程度上可以提高芯片及具有该芯片的板卡或设备的工作可靠性。

为达到上述目的，第一方面，本实用新型实施例提供一种集成电源模块的芯片，包括：基板在所述基板上设有耗电单元模块，所述耗电单元模块包括晶粒，在所述耗电单元模块周边设有供电电源模块，所述供电电源模块的输出引脚与所述耗电单元模块的供电引脚电连接。

可选地，所述供电电源模块包括第一供电电源模块及第二供电电源模块，所述第一供电电源模块及第二供电电源模块对应设置于所述耗电单元模块的两侧；或者，

所述第一供电电源模块及第二供电电源模块呈“L”形相邻设置于所述耗电单元模块的周边。

可选地，所述供电电源模块包括隔离变压单元，所述隔离变压单元的输出端电连接于所述耗电单元模块的供电引脚。

可选地，所述供电电源模块的输入引脚上电连接有第一稳压电路。

可选地，所述供电电源模块的输出引脚到所述耗电单元模块的供电引脚之间的电路上设有第二稳压电路。

可选地，在所述晶粒上表面与所述供电电源模块上表面设有散热器。

可选地，所述散热器包括基座，在所述基座下表面设有第一散热凸台及第二散热凸台，所述第一散热凸台下表面与所述晶粒上表面接触，所述第二散热凸台与所述供电电源模块上表面接触。

可选地，所述第一散热凸台的厚度大于所述第二散热凸台的厚度。

可选地，所述散热器还包括散热管，所述散热管设于所述基座上表面。

第二方面，还提供一种板卡，包括印刷电路板，在所述印刷电路板上安装有总电源模块及第一方面任一所述的集成电源模块的芯片，所述总电源模块的输出端与所述供电电源模块的输入引脚电性连接。

本实用新型实施例提供的集成电源模块的芯片及板卡，包括：基板在所述基板上设有耗电单元模块，所述耗电单元模块包括晶粒，在所述耗电单元模块周边设有供电电源模块，所述供电电源模块的输出引脚与所述耗电单元模块的供电引脚电连接。通过将为芯片的耗电单元模块直接供电的供电电源模块与耗电单元模块集成于基板上，可以提高总供电电压及输出至芯片管脚的输入电压，由于芯片的耗电功耗不变，电压提高，相应的电路板上的总电源模块到芯片的路径之间及芯片的基板上的电流相应就会减小，而在基板上由于供电电源模块位于所述耗电单元模块周边，供电电源模块输出至耗电单元模块的路径很短，从而对芯片的高速信号可能造成干扰影响的范围更少，使得芯片信号容易受到干扰的问题得到优化，从而在一定程度上可以提高芯片及具有该芯片的板卡或设备的工作可靠性。

进一步地，由于供电电压得到提高，板卡的电路板上及芯片基板上的电流减小，从而可以在一定程度上降低供电路径上的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术的芯片一实施例结构示意框图；

图2为本实用新型集成电源模块的芯片一实施例结构示意框图；

图3为本实用新型集成电源模块的芯片另一实施例结构示意框图；

图3为本实用新型集成电源模块的芯片再一实施例结构示意框图；

图4为本实用新型集成电源模块的芯片另一实施例结构示意框图

图5A为本实用新型板卡一实施例结构示意框图；

图5B为本实用新型板卡另一实施例结构示意框图；

图5C为本实用新型板卡又一实施例结构示意框图；

图6为本实用新型集成电源模块的芯片又一实施例结构示意框图；

图7为图6中散热器的一实施例主视图；

图8为图6中散热器的一实施例俯视图；

图9为图6中散热器的一实施例底视图；

图10为图6中散热器的另一实施例底视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本实用新型，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本实用新型同样可以实施。另外，为了凸显本实用新型的实用新型主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本实用新型的实施。本文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前业界解决大功率芯片供电问题通用的方案是：将高密度供电电源模块放置到电路板上靠近芯片摆放的方式，如图1所示，图中，电路板1，及设置于电路板上的芯片2、芯片耗电单元模块3、为芯片2供电的供电电源模块4及总电源模块5。此种解决方案部分解决了电路板面积问题，但是至少存在如下问题：电路板的总电源模块5输出至直接为芯片2供电的供电电源模块4的电压较小，对于芯片电功率不变的情况下，流过总电源模块到供电电源模块路径的电流就较大，功耗损失较大，而且对电路板上电流路径周边的其它元件的信号会产生较大干扰；若提高总电源模块的输出电压，则需要在电路板上增加一些高电压到低电压的转换电路模块，而这些转换电路模块占用的面积较大，就会增加电路板的面积。

另外，供电电源模块4到芯片2之间，更具体的说是到芯片的耗电单元3之间的路径较长，路径上的电流损耗较大，且路径辐射的大面积的供电电流，会对芯片的高速信号产生干扰。因此，对芯片高速信号的影响依然没有得到优化。

实施例一

为了至少解决上述技术问题，参看图2所示，本实用新型实施例提供的集成电源模块的芯片，包括：基板(Substrate)100，在所述基板100上设有耗电单元模块101，所述耗电单元模块101包括晶粒，在所述耗电单元模块101周边设有供电电源模块110，所述供电电源模块110的输出引脚与所述耗电单元模块101的供电引脚电连接。

需要说明的是，图2中基板上的元件或单元模块之间是有线路连接关系的，一般采用在基板上蚀刻印铜实现元件之间的互联，图中为了凸显本发明创造的技术主旨，未具体展示，本领域技术人员根据上述描述的各元件的互联关系可以选择实现的具体方式。

在一些应用实施例中，所述基板及其上的电子元件一起封装于外壳内，以对基板上的电子元件，例如晶粒，实现保护。

或者，用ring环围设在所述基板周围，这样可以有利于基板上的电子元件，例如耗电单元模块的散热。

本实施例中，由于将为芯片的耗电单元模块直接供电的供电电源模块与耗电单元模块集成于基板上，可以将所述集成电源模块的芯片的供电针脚(pin，中文也称为引脚)由低电压，如0.9V，改成高电压，如12V，甚至是48V。由于供电电压得到提高，板卡的电路板上及芯片基板上的电流减小，可以在一定程度上降低供电路径上的损耗。

在基板100上靠近耗电单元模块101处设计供电电源模块110，供电电源模块110的输入连接到基板100上的供电管脚(Ball)，其输出连接芯片的耗电单元模块101，耗电单元模块101的电压一般为0.9V或1V等。

本实用新型实施例提供的集成电源模块的芯片，通过将为芯片的耗电单元模块101直接供电的供电电源模块与耗电单元模块101集成于基板100上并封装，可以提高总供电电压及输出至芯片管脚的输入电压，由于芯片的耗电功耗不变，电压提高，相应的电路板上的总电源模块到芯片的路径之间及芯片的基板100上的电流相应就会减小，而在基板100上由于供电电源模块位于所述耗电单元模块101周边，供电电源模块输出至耗电单元模块101的路径很短，从而对芯片的高速信号可能造成干扰影响的范围更少，使得芯片信号容易受到干扰的问题得到优化，从而在一定程度上可以提高芯片的工作可靠性。

进一步地，由于缩短了供电电源模块与芯片的耗电单元之间的供电电流路径，可以有效降低供电电流路径上的损耗。

进一步地，由于供电电源模块集成到芯片上，可以提高总供电电压及输出至芯片管脚的输入电压，在所需供电总功率不变的情况下，板卡的电路板上及芯片基板上的电流相应会减小，从而可以在一定程度上降低供电路径上的损耗。同时，由于可以降低供电路径上的电流，电路板上布设的用于供电线路的铜箔的宽度可以在一定程度上减小，从而可以有效减少电路板供电路径占用的面积，进而降低电路板的设计难度和成本。

其中，参看图2及图3所示，所述供电电源模块110可以包括第一供电电源模块111及第二供电电源模块112，所述第一供电电源模块111及第二供电电源模块112对应设置于所述耗电单元模块101的两侧。

优选地，所述第一供电电源模块111及第二供电电源模块112可对称设置于所述耗电单元模块101的两侧，如图2所示。

或者，如图3所示，在另一可替代实施方式中，所述第一供电电源模块111及第二供电电源模块112呈“L”形相邻设置于所述耗电单元模块101的周边。

当然，根据本实用新型的技术构思，第一供电电源模块与第二供电电源也可以采用其它设置方式设置于基板上，例如呈一定夹角设置于晶粒的周边。

另外，可以理解的是，在基板面积允许或用电设备的供电高要求的情况下，所述供电电源模块还可以设置更多个，例如三个、四个等。

在本实施例中，通过将第一供电电源模块111及第二供电电源模块112设置于所述耗电单元模块101的周边，缩短了耗电单元模块101的电流路径，可以有效降低供电路径上的损耗。

参看图4所示，在一些实施例中，所述供电电源模块110包括隔离变压单元102，所述隔离变压单元102的输出端电连接于所述耗电单元模块101的供电引脚，用于将供电侧与用电侧的设备隔离，起到电气隔离(Galvanic isolation)的作用，不仅可以保护设备，还可以保护人身安全。

可以理解的是，当供电电源模块包括第一供电电源模块及第二供电电源模块时，每一个供电电源模块可以集成有隔离变压单元。另外，供电电源模块还可以包括过压及欠压监测电路、电压调整电路等，所述过压及欠压监测电路用于监测供电电压是否过压或欠压；所述电压调整电路与所述过压及欠压监测电路连接，用于根据过压或欠压信号进行电压控制调整。其中，具体的过压及欠压监测电路和电压调整电路可采用电子电路中一些常用的实现方式，为凸显本实用新型主旨，在此就不再赘述其具体电路拓扑。

在实现本方案的过程中，为了实现供电电源模块输出的电压稳定，在一些实施例中，所述供电电源模块110的输出引脚到所述耗电单元模块101的供电引脚之间的电路上设有第二稳压电路。所述第二稳压电路可以主要由稳压电容C3组成。这样，可以基本保证给耗电单元模块101供电的稳定性。

参看图4、图5A、图5B及图5C所示，总电源模块210输入端的储能能力为1/2*C2*Vin²，当输入电压Vin较高时，例如为48V的时候，Vin²通常是12V供电电压的很多倍，在电路板上、位于总电源模块210的输出端设有第一稳压电路220，经过第一稳压电路220之后，其输出电压Vin2，此电压稳定性较高，纹波也较小。在基板100上放置供电电源模块由于包括隔离变压单元102，经过隔离变压单元102之后，输出电压Vout＝N*Vin2，其中，N为隔离变压单元102输出端与输入端线圈的匝数比；由于通过第一稳压电路220保证了电压Vin2的稳定输出，加之隔离变压单元102的线圈匝数比确定，则可以在理论上使输出电压Vout稳定不变。

同时，跟传统的电源调整器(Voltage regulator简称VR，也称为电压调整器)所基于的PWM(Pulse Width ModulaTlon，脉冲宽度调制)原理相比，由于隔离变压电路102，具体可以为隔离变压器，是全占空比调节(所谓全占空比调节，可以简单理解为输入和输出之间的通路一直都是打开的)，而传统电源调整器是Vout/Vin的占空比调节。因此，本实施例中，实际需要的稳压电容C3值相对比较小就可以满足稳压输出的要求，从而可以实现在基板100上放置一些规格较小的小电容即可满足稳压输出要求的目的，保障了基板100上有足够空间实现集成供电电源模块的方案。

其中，在一些实施例中，所述第一稳压电路220设置于印刷电路板200上。

如图5B及图5C所示，在另一个实施例中，所述第一稳压电路220也可以设置于基板100上。这样可使第一稳压电路220的输出离基板100上的供电电源模块110更近，在一定程度上可减轻板卡到基板供电路径上的干扰输传给第一稳压电路220输出，从而增强了基板上的供电电源模块110输入电压的稳定性稳定

参看图6所示，所述耗电单元模块101上表面与所述供电电源模块110上表面设有散热器120。具体的，所述耗电单元模块101包括晶粒(die)，在所述晶粒上表面与所述供电电源模块110上表面设有散热器120。

当然，耗电单元模块101还包括晶粒上装载的核(Core)。通过在晶粒上表面与供电电源模块上表面设置散热器120，对芯片进行整体散热。

参看图6至图10所示，所述散热器120包括基座121，在所述基座121下表面设有第一散热凸台122及第二散热凸台123，所述第一散热凸台122下表面与所述晶粒上表面接触，所述第二散热凸台123与所述供电电源模块110上表面接触。

具体的，第二散热凸台的数量与供电电源模块110的数量一致。

其中，所述基座121上表面设有散热组件124。第一散热凸台122用于给芯片上包括晶粒在内的耗电单元进行散热传导，第二散热凸台123用于给供电电源模块散热传导；并通过基座121上表面上的散热管将热量带走。

散热方式可以采用液冷散热或风冷散热等，其中，图7中所示的散热组件根据散热方式的选择会有所不同，例如，当为液冷散热时，可以如图7所示，设置冷却管路接口，用于连接制冷设备。当为风冷散热时，图7所示的冷却管路接口可以替换为风扇。当然，为了加快散热，也可以在散热基座121上设置散热风扇与冷却管路接口，采用两种散热模式，二者协同则可以提高散热效率，单独散热则可以提供备用散热。

可以理解的是，耗电单元模块的发热量相对较高，因此，如图6所示，在一些实施例中，所述第一散热凸台122的厚度大于所述第二散热凸台123，以保证散热器与相应电子元件接触良好，实现较佳的散热。

当然，在一些实施例中，例如，在供电电源模块的厚度比耗电单元模块所包括的诸多电子元件中较厚的一个或一些元件大时，如图7所示，所述第一散热凸台122的厚度也可以小于所述第二散热凸台123。

可以理解的是，为了保证散热器与功耗元件的良好接触，根据耗电单元模块包括的电子元件的厚度(在板卡上直观地说就是高度)与供电单元模块的厚度关系，在一些实施例中，第一散热凸台的厚度也可以等于所述第二散热凸台123。

实施例二

参看图5A及图5B所示，本实用新型还实施例提供了一种板卡，俗称PCBA(PrintedCircuit Board Assembly)，包括印刷电路板200，该印刷电路板200也称为空板或光板，俗称PCB，在所述印刷电路板200上安装有总电源模块210及实施例一任一所述的集成电源模块的芯片，所述总电源模块210的输出端与所述基板上的供电电源模块110电连接。

其中，在一些实施例中，所述总电源模块210的输出端到所述芯片的基板之间的电流路径上还设有第一稳压电路220。这样可以使输出至芯片基板上供电电源模块的电压稳定性很高，纹波很小，从而可以实现在基板100上只放置一些规格较小的小电容进行稳压即可满足要求，保障了基板100上有足够空间实现集成供电电源模块。

具体地，在所述供电电源模块的输入引脚上电连接有第一稳压电路时，所述总电源模块210通过所述第一稳压电路220与所述供电电源模块的输入引脚电连接；所述第一稳压电路220设置于所述基板100上或印刷电路板200上，如图5A及图5B所示。

当然，在一些实施例中，当所述第一稳压电路220设置于基板上时，第一稳压电路220也可以集成于所述供电电源模块110中，如图5C所示。本实用新型实施例提供的板卡，由于采用集成有电源模块的芯片，可以提高提高总供电电压及输出至芯片管脚的输入电压，进而降低印刷电路上总电源模块到芯片的路径之间及芯片的基板100上的电流，同时可以有效减少板卡供电路径的面积，缩小了对电流路径周边信号的干扰范围。从而可以提高板卡的工作稳定性和可靠性。

另外，可以理解的是，随着芯片性能不断提升，芯片功耗也在逐步提高，导致了芯片的电源管脚数量暴增，目前已经有越来越多的芯片电源管脚数量已经超过信号管脚数量。通过利用本方案，由于将供电电源模块集成到了基板100上，供电电源输入电压提高，相比于传统的方案，芯片的电源针脚将有所减少，从而可以减少用于芯片安装的电路板上的管脚数量，进而缩小了芯片面积及降低了加工难度及成本。

进一步地，由于减小了电路板上总电源模块到芯片上的供电电源模块之间电流路径上流过的电流，相比于传统的方案，在电路板上铺设的铜箔层数可以相应减少，降低电路板(PCB)的成本，从而进一步可以降低板卡(PCBA)的制作成本。

需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第三等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种集成电源模块的芯片，包括：基板，其特征在于，在所述基板上设有耗电单元模块，所述耗电单元模块包括晶粒，在所述耗电单元模块周边设有供电电源模块，所述供电电源模块的输出引脚与所述耗电单元模块的供电引脚电连接。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述供电电源模块包括第一供电电源模块及第二供电电源模块，所述第一供电电源模块与第二供电电源模块对应设置于所述耗电单元模块的两侧；或者，

所述第一供电电源模块及第二供电电源模块呈“L”形相邻设置于所述耗电单元模块的周边。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述供电电源模块包括隔离变压单元，所述隔离变压单元的输出端电连接于所述耗电单元模块的供电引脚。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述供电电源模块的输入引脚上电连接有第一稳压电路。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述供电电源模块的输出引脚到所述耗电单元模块的供电引脚之间的电路上设有第二稳压电路。

6.根据权利要求1至4任一所述的芯片，其特征在于，在所述晶粒上表面与所述供电电源模块上表面设有散热器。

7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，所述散热器包括基座，在所述基座下表面设有第一散热凸台及第二散热凸台，所述第一散热凸台下表面与所述晶粒上表面接触，所述第二散热凸台与所述供电电源模块上表面接触。

8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述第一散热凸台的厚度大于所述第二散热凸台的厚度。

9.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述散热器还包括散热管，所述散热管设于所述基座上表面。

10.一种板卡，其特征在于，包括印刷电路板，在所述印刷电路板上安装有总电源模块及权利要求1至9任一所述的集成电源模块的芯片，所述总电源模块的输出端与所述供电电源模块的输入引脚电连接。

11.根据权利要求10所述的板卡，其特征在于，在所述供电电源模块的输入引脚上电连接有第一稳压电路时，所述总电源模块通过所述第一稳压电路与所述供电电源模块的输入引脚电连接；

所述第一稳压电路设置于所述基板上或印刷电路板上。

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