DE102011082986A1

DE102011082986A1 - Integrierte schaltkreisbaugruppe mit reduzierter parasitärerschleifeninduktivität

Info

Publication number: DE102011082986A1
Application number: DE102011082986A
Authority: DE
Inventors: Jens A. Ejury
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: US8748960B2; DE102011082986B4; CN102412238B; CN104851845B; CN104851845A; US20130187211A1; US20120068681A1; CN102412238A; US8362540B2; DE102011123093B4

Abstract

Eine integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe enthält einen Schaltnetzteilschaltkreis, der eine Mehrzahl von Transistoren umfasst, die einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises bilden. Die Mehrzahl von Transistoren in einer oder mehreren Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet ist. Die Baugruppe umfasst ferner eine leitende Platte, die in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet ist als die Mehrzahl von Transistoren. Die leitenden Platte befindet sich in ausreichender Nähe zu wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife, so dass in der leitenden Platte als Reaktion auf eine Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.

Description

HINTERGRUND
Schaltnetzteilschaltkreise wie beispielsweise synchrone Abwärtswandler versorgen eine Last über Bauelemente wie beispielsweise Kondensatoren, Induktivitäten, Transformatoren etc. mit Energie und verwenden Schalter, die in einem eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand betrieben werden. Schaltnetzschaltkreise dissipieren in jedem Zustand sehr wenig Energie und die Energieumwandlung wird mit minimalem Energieverlust durchgeführt, so dass sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Schaltnetzteile verwenden typischerweise Halbleiterbauelemente wie beispielsweise MOSFETs (Metal-Oxid Semiconductor Field Effect Transistors). Beispielsweise kann ein Schaltnetzteil Kondensatoren, eine Induktivität, einen MOSFET, eine Diode oder alternativ einen High-Side MOSFET und einen Low-Side MOSFET umfassen. Andere Bauelementkonfigurationen sind möglich. In jedem Fall besitzen Bauelemente wie Transistoren, Dioden und Kondensatoren parasitäre Elemente, die elektromagnetische Störungen (EMI = Electromagnetic Interference) oder das Rauschverhalten des Netzteilschaltkreises nachteilig beeinflussen und dadurch die Schaltfrequenz des Netzteils begrenzen.
Beispielsweise besitzt ein Schaltnetzteilschaltkreis, der einen High-Side MOSFET, einen Low-Side MOSFET und einen Kondensator enthält, eine kritische Stromschleife, die den Strompfad von Drain zu Source des High-Side MOSFETs, den Strompfad von Drain zu Source des Low-Side MOSFETs und den Strompfad des Kondensators von Drain des High-Side MOSFETs zu Source des Low-Side MOSFETs umfasst. Die kritische Schleife umfasst ebenso die Leiterbahnen oder Drähte zur Verbindung der Bauelemente. Die parasitäre Induktivität der kritischen Schleife begrenzt die Schaltfrequenz des Schaltnetzteilschaltkreises. Die Induktivität der parasitären Schleife ist eine Funktion der Schleifenfläche. Herkömmliche Schaltnetzteilschaltkreise reduzieren die Induktivität der parasitären Schleife durch die Minimierung der Fläche der kritischen Schleife. Derartige Lösungen hängen in hohem Maße vom Design und dem Layout der Netzteilbaugruppe ab und gelten daher nur für einen speziellen Typ von Baugruppe und Layout. Jedes Mal, wenn derselbe Schaltnetzteilschaltkreis in einem anderem Baugruppentyp verwendet wird, ist eine Änderung des Designs der kritischen Schleife erforderlich. Andere herkömmliche Lösungen umfassen eine dichte Anordnung der kritischen Bauelemente. Eine weitere Reduzierung der Induktivität der parasitären Schleife ist wünschenswert, um den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltkreisbaugruppe umfasst die Baugruppe einen Schaltnetzteilschaltkreis mit einer Mehrzahl von Transistoren und einem Kondensator, die so miteinander gekoppelt sind, dass sie eine Hauptstromschleife bilden, die eine parasitäre Schleifeninduktivität aufweist. Die integrierte Schaltkreisbaugruppe umfasst weiterhin eine leitende Platte, die von der Mehrzahl von Transistoren und dem Kondensator durch eine oder mehrere Isolatorschichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe beabstandet sind. Die leitende Platte ist innerhalb der integrierten Schaltkreisbaugruppe oberhalb wenigstens eines Teils der Hauptstromschleife angeordnet und dazu ausgebildet, die parasitäre Schleifeninduktivität der Hauptstromschleife zu verringern und dabei keinen Strom zu führen, der in der Hauptstromschleife fließt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines integrierten Schaltkreises weist das Verfahren das Bereitstellen einer integrierten Schaltkreisbaugruppe mit einem Schaltnetzteilschaltkreis auf, der eine Mehrzahl von Transistoren und einen Kondensator umfasst, die miteinander so gekoppelt sind, dass sie eine Hauptstromschleife bilden, die eine parasitäre Schleifeninduktivität aufweist, und eine leitende Platte, die von der Mehrzahl von Transistoren und dem Kondensator durch eine oder mehrere Isolatorschichten getrennt und oberhalb wenigstens eines Teils der Hauptstromschleife angeordnet ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Reduzieren der parasitären Schleifeninduktivität der Hauptstromschleife durch das elektromagnetische Induzieren eines Stromes in der leitenden Platte der integrierten Schaltkreisbaugruppe, ohne dass die leitende Platte einen Strom führt, der in der Hauptstromschleife fließt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Multilayer-Schaltungsbaugruppe umfasst die Baugruppe einen Schaltnetzteilschaltkreis, der eine Mehrzahl von Transistoren umfasst, die einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises bilden. Die Mehrzahl von Transistoren ist in einer oder mehreren Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet. Die Baugruppe umfasst weiterhin eine leitende Platte, die in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet ist als die Mehrzahl der Transistoren. Die leitende Platte befindet sich in ausreichender Nähe bei wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife, so dass in der leitenden Platte aufgrund einer Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer integrierten Multilayer-Schaltkreisbaugruppe umfasst das Verfahren das Anordnen einer Mehrzahl von Transistoren eines Schaltnetzteilschaltkreises in einer oder mehreren Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe, so dass diese einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises bilden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Anordnen einer leitenden Platte in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe als die Mehrzahl von Transistoren und in ausreichender Nähe zui wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife, so dass in der leitenden Platte aufgrund einer Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.
Der Fachmann wird beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Betrachtung der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Eigenschaften und Vorteile der Erfindung erkennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den Figuren gezeigten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt, vielmehr wurde Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu verdeutlichen. Weiterhin bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile. In den Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer integrierten Schaltkreisbaugruppe, die einen Schaltnetzteilschaltkreis und eine leitende Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst.
2 einen Schaltplan des in 1 gezeigten Schaltnetzteilschaltkreises.
3 eine perspektivische Ansicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe gemäß 1 mit einem Kühlkörper, der gemäß einem Ausführungsbeispiel an der leitenden Platte angebracht ist.
Die 4A–4E Draufsichten auf die Grundflächen verschiedener Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe gemäß 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine Explosionsansicht einer integrierten Multilayer-Schaltkreisbaugruppe 100, die einen Schaltnetzteilschaltkreis 110 umfasst, der in einer oder mehreren Schichten der Baugruppe 100 angeordnet ist, sowie eine leitende Platte 120, die in einer anderen Schicht der Baugruppe 100 angeordnet ist. Der Schaltnetzteilschaltkreis 110 umfasst eine Mehrzahl aktiver Bauelemente 112, 114 wie beispielsweise Transistoren und/oder Dioden, die einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 bilden. Der Schaltnetzteilschaltkreis 110 umfasst außerdem einen Kondensator 116, der wie in 1 gezeigt in der Baugruppe 100 enthalten oder aber außerhalb der Baugruppe 100 angeordnet sein kann. In jedem Fall bilden die aktiven Bauteile 112, 114 und der Kondensator 116 eine Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110, der eine parasitäre Schleifeninduktivität aufweist.
2 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels des Schaltnetzteilschaltkreises 110. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schaltnetzteilschaltkreis 110 einen Low-Side MOSFET 112, einen High-Side MOSFET 114 und einen Kondensator 116. Bei dem Schaltnetzteilschaltkreis kann es sich beispielsweise um einen synchronen Abwärtswandler handeln, einen Aufwärtswandler, einen Abwärts-Aufwärts-Wandler, etc., oder um jede andere Art von geschaltetem Schaltkreis. Die leitende Platte 120 ist in dem Schaltplan gemäß 2 nicht dargestellt, aber sie koppelt elektromagnetisch mit dem Schaltnetzteilschaltkreis 110 während des Schaltens der Transistoren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind der Low-Side MOSFET 112, der High-Side MOSFET 114 und die leitende Platte 120 in demselben Halbleiterchip integriert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegen die MOSFETs 112, 114 separat von der leitenden Platte 120 vor.
Der Schaltnetzteilschaltkreis 110 weist einen Spannungseingangsanschluss (V_IN) auf, der mit Drain des High-Side MOSFETs 114 und einer Elektrode des Kondensators 116 gekoppelt ist. Die andere Elektrode des Kondensators 116 ist mit einem Referenzpotential wie beispielsweise Masse gekoppelt. Der Schaltnetzteilschaltkreis 110 weist außerdem einen ersten Gateeingang (G_HS) auf, der mit dem Gate des High-Side MOSFETs 114 gekoppelt ist, sowie einen zweiten Gateeingang (G_LS), der mit dem Gate des Low-Side MOSFETs 112 gekoppelt ist, um die betreffenden Schaltzustände der MOSFETs zu steuern. Die Source des High-Side MOSFETs 114 ist mit dem Drain des Low-Side MOSFETs 112 gekoppelt, um einen Spannungsausgangsanschluss (V_OUT) des Schaltnetzteilschaltkreises 110 zu bilden. Die Source des Low-Side MOSFETs 112 liegt auf Masse. Die Hauptstromschleife wird durch den Strompfad von Drain zu Source des High-Side MOSFETs 114, dem Strompfad von Drain zu Source des Low-Side MOSFETs 112 und dem Kondensatorstrompfad von Drain des High-Side MOSFETs 114 zu Source des Low-Side MOSFETs 112 gebildet.
Während Schaltübergängen zwischen dem High-Side MOSFET 114 und dem Low-Side MOSFET 112 treten starke di/dt Schaltströme auf, die von dem Kondensator 116, bei dem es sich in einigen Ausführungsbeispielen beispielsweise um einen Vielschicht-Keramikkondensator handelt, gespeist werden. Die Energie, welche in der induktiven Schleife gespeichert ist, die durch den Strompfad von Drain nach Source des High-Side MOSFETs 114, den Strompfad von Drain nach Source des Low-Side MOSFETs 112 und den Kondensatorstrompfad gebildet ist, ist verloren, sofern sie nicht genutzt wird. Dieser Verlust steigt linear mit der Schaltfrequenz an und begrenzt die Schaltfrequenz bei einer gegebenen Konstellation. Eine höhere Schaltfrequenz kann dadurch erreicht werden, dass die leitende Platte 120 der Baugruppe 100 in unmittelbare Nähe zu wenigstens einigen der Bauelemente gebracht wird, die die Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 bilden und dabei die Induktivität der Schleife verringern.
Die Induktivität der Hauptstromschleife verringert sich aufgrund der Kopplung des magnetischen Feldes zwischen dem Schaltnetzteilschaltkreis 110 und der leiten Platte 120. Das bedeutet dass ein starker di/dt Schaltstrom des Schaltnetzteilschaltkreises 100 ein starkes magnetisches Feld erzeugt, welches als Reaktion darauf in der leitenden Platte 120, die innerhalb der Baugruppe 100 nahe bei dem Netzteilschaltkreis 110 angeordnet ist, einen Strom induziert. Der in der leitenden Platte 120 induzierte Strom erzeugt daraufhin ein zweites magnetisches Feld, welches dem durch den Netzteilschaltkreis 110 erzeugten magnetischen Feld entgegenwirkt, so dass wenigstens ein Teil des magnetischen Feldes neutralisiert und die parasitäre Schleifeninduktivität reduziert wird. Der in der leitenden Platte 120 induzierte Strom korrespondiert mit Änderungen des Betrags oder der Richtung des in der Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 fließenden Stromes, allerdings führt die leitende Platte keinen Strom, der in der Hauptstromschleife fließt, d. h., die leitende Platte 120 bildet keinen Teil der Hauptstromschleife.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die in 1 gezeigte integrierte Schaltkreisbaugruppe 100 weist die Baugruppe 100 mehrere Schichten auf, wobei die leitende Platte 120 in einer oder mehreren dieser Schichten angeordnet ist. Bei der leitenden Platte 120 kann es sich um eine einzelne, ununterbrochene Platte handeln. Alternativ dazu kann die leitende Platte eine oder mehrere Öffnungen aufweisen. Grundsätzlich kann die leitende Platte jede geeignete Gestalt und Größe aufweisen, die geeignet ist, die Platte 120 mit wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 elektromagnetisch so zu koppeln, dass als Reaktion auf eine Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom in der Platte 120 induziert wird.
Die leitende Platte 120 ist oberhalb wenigstens eines Teils des Low-Side MOSFETs 112 und wenigstens eines Teils des High-Side MOSFETs 114 angeordnet. Die MOSFETs 112, 114 können, wie in 1 gezeigt ist, in verschiedenen Halbleiterchips angeordnet oder in demselben Chip integriert sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der leitenden Platte 120 und den MOSFETs 112, 114 ein Isolator 130 angeordnet. Die leitende Platte 120 kann so ausgestaltet sein, dass sie den Kondensator 116 bedeckt, wenn der Kondensator 116 in der Baugruppe 100 integriert ist. Der Kondensator 116 befindet sich, wie in 1 gezeigt ist, in einer anderen Schicht der Baugruppe 100 als die leitende Platte 120 und ist mit der Mehrzahl der Transistoren 112, 114, wie in 2 gezeigt ist, gekoppelt, um die Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 wie oben erläutert zu vervollständigen. Anderenfalls ist der Kondensator extern angeschlossen. In jedem Fall befindet sich die leitende Platte 120 innerhalb der Baugruppe 100 in ausreichender Nähe zu wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife, so dass als Reaktion auf eine Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife wie oben erläutert in der leitenden Platte ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.
Die integrierte Schaltkreisbaugruppe 100 weist außerdem Anschlüsse auf, die die Herstellung elektrischer Verbindungen zu dem Schaltnetzteilschaltkreis 110 erleichtern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Gateanschluss 114 mit einer auf der Oberseite des Low-Side MOSFETs 112 angeordneten Gateelektrode 142 gekoppelt. Ein zweiter Gateanschluss 115 ist mit einer Gateelektrode 152 gekoppelt, die sich auf einer Unterseite des High-Side MOSFETs 114 befindet. Die Gateanschlüsse 140, 150 sorgen dafür, dass den MOSFETS 112, 114 Gatesteuersignale zugeführt werden können. Ein Spannungsausgangsanschluss 160 ist mit der Drainelektrode 162 gekoppelt, die sich auf einer Unterseite des Low-Side MOSFETs 112 befindet, sowie mit einer Sourceelektrode 164, die auf der Unterseite des High-Side MOSFETs 114 angeordnet ist. Die Baugruppe 100 weist außerdem einen Spannungseingangsanschluss 170 auf, sowie einen Masseanschluss 171. Eine Drainelektrode 172, die sich auf der Oberseite des High-Side MOSFETs 114 befindet, ist mit einem Anschluss 174 des Kondensators 116 über eine Spannungseingangsebene 176 der Baugruppe 100 gekoppelt. Die Unterseite des Kondensatoranschlusses 174 ist mit dem Spannungseingangsanschluss 170 verbunden. Die Unterseite des anderen Anschlusses 184 des Kondensators 116 ist mit dem Masseanschluss 171 der Baugruppe 100 verbunden. Eine Referenzebene 180 koppelt die Oberseite des zweiten Kondensatoranschlusses 184 mit einer Sourceelektrode 182, die sich auf der Oberseite des Low-Side MOSFETs 112 befindet. Die Gate- und Sourceelektroden 152, 164, welche auf der Unterseite des High-Side MOSFETs 114 angeordnet sind, sind gegeneinander isoliert, um einen zuverlässigen Betrieb des MOSFETs 114 zu gewährleisten, und die Gate- und Sourceelektroden 142, 182, welche sich auf der Oberseite des Low-Side MOSFETs 112 befinden, sind gleichermaßen gegeneinander isoliert. Die Referenzebene 180 befindet sich zwischen den MOSFETs 112, 114 und der leitenden Platte 120 in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe 100.
Die integrierte Schaltkreisbaugruppe 100 kann weiterhin einen leitenden Zwischenschichtverbinder 190 umfassen, der sich von einer Stelle an der Unterseite der leitenden Platte 120 bis zu der Referenzebene 180 erstreckt, die zwischen der leitenden Platte 120 und den Transistoren 112, 114 angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel liegt die Referenzebene 180, wie oben erläutert, auf Masse, und eine Platte des Kondensators 116 ist, wie oben erläutert, an die auf Masse liegende Referenzebene 180 angeschlossen. Die leitende Platte 120 führt keinen Strom, der in der Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 fließt, und zwar selbst dann nicht, wenn sie an einer Stelle an die Referenzebene 180 angeschlossen ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist keine Stelle der leitenden Platte 120 an die Referenzebene 180 und die leitende Platte 120 angeschlossen. Die leitende Platte 120 kann grundsätzlich, wie in 1 gezeigt ist, eben sein, oder konform zur Gestalt der darunter liegenden Schichten der Baugruppe 100 verlaufen.
3 veranschaulicht die zusammengebaute integrierte Schaltkreisbaugruppe 100, wobei der Schaltnetzteilschaltkreis 110 sich in ausreichender Nähe zu der leitenden Platte 120 befindet, so dass die leitende Platte 120 während des Betriebs des Netzteils mit dem Schaltnetzteilschaltkreis 110 elektromagnetisch koppelt. Die Oberseite der leitenden Platte 120, die den darunter befindlichen Transistoren 112, 114 des Schaltnetzteilschaltkreises 110 abgewandt ist, liegt gemäß einem Ausführungsbeispiel frei. An der freiliegenden Oberseite der leitenden Platte 120 kann ein Kühlkörper 200 montiert werden, um die Wärmeübertragungscharakteristik der Baugruppenanordnung zu verbessern.
Die 4A–4E veranschaulichen verschiedene Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe 100 während der Montage. 4A zeigt eine Anschlussebene der Baugruppe 100 mit dem Gateanschluss 140 des Low-Side MOSFETs 112, dem Gateanschluss 150 des High-Side MOSFETs 114, dem Ausgangsanschluss 160, dem Spannungsanschluss 170 und dem Masseanschluss 171. 4B zeigt die Komponenten des Schaltnetzteilschaltkreises 110, die in einer dazwischen liegenden Komponentenschicht der Baugruppe 100 angeordnet sind. Der Kondensator 116 befindet sich in einem Bereich und die Transistoren 112, 114 in anderen Bereichen. Die Unterseite eines Kondensatoranschlusses 174 ist mit dem Spannungseingang des Anschlusses 170 verbunden, und die Unterseite des anderen Kondensatoranschlusses 184 ist mit dem Masseanschluss 171 verbunden. Der High-Side MOSFET 114 befindet sich über dem Gateanschluss 150 des High-Side MOSFETs 114, wobei die entsprechende, an der Unterseite des MOSFETs 114 angeordnete Gateelektrode 152 an dem entsprechendem Gateanschluss 150 der Baugruppe 100 angeschlossen ist. Die Sourceelektrode 164, welche auf der Unterseite des High-Side MOSFETs 114 angeordnet ist, ist von der Gateelektrode 152, die ebenso auf der Unterseite des High-Side MOSFETs 114 angeordnet ist, beabstandet. Die Gate- und Sourceelektroden 152, 164 auf der Unterseite des High-Side MOSFETs 114 sind in 4B mit gestrichelten Linien dargestellt, da sie sich außerhalb des Sichtbereichs befinden. Die auf der Unterseite des Low-Side MOSFETs 112 angeordnete Drainelektrode 162 ist in 4B in gleicher Weise mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Sourceelektrode 164 des High-Side MOSFETs 114 und die Drainelektrode 162 des Low-Side MOSFETs 112 sind beide mit dem Ausgangsanschluss 160 der Baugruppe 100 verbunden. Die Drainelektrode 172 des Highside-MOSFETs 114 und die Gate- und Sourceelektroden 142, 182 des Low-Side MOSFETs 112 sind auf den jeweiligen Oberseiten der Transistoren angeordnet.
4C zeigt eine dazwischen liegende Verbindungsschicht der Baugruppe 100, die oberhalb der Bauelementschicht angeordnet ist. Die Verbindungsschicht umfasst die Spannungseingangsebene 176, wobei ein Ende mit der Drainelektrode 172 des High-Side MOSFETs 114 gekoppelt ist, welche in 4C mit gestrichelten Linien dargestellt ist, weil sie sich außerhalb des Sichtbereichs befindet, und wobei das andere Ende mit dem High-Side-Anschluss 174 des Kondensators 116 gekoppelt ist, welcher ebenfalls mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Spannungseingangsebene 176 koppelt eine Eingangsspannung, die dem Spannungseingangsanschluss 170 der Baugruppe 100 zugeführt wird, mit Drain des High-Side MOSFETs 114 und einer Elektrode des Kondensators 116. Die Referenzebene 180 weist ein Ende auf, das mit der Sourceelektrode 182 des Low-Side MOSFETs 112 gekoppelt ist, die in 4D mit gestrichelten Linien dargestellt ist, weil sie sich außerhalb des Sichtbereichs befindet, und wobei das andere Ende mit dem ebenfalls mit gestrichelten Linien dargestellten Low-Side Anschluss 184 des Kondensators 116 gekoppelt ist. Die Referenzebene 180 koppelt Source des Low-Side MOSFETs 112 und die andere Elektrode des Kondensators 116 an ein Referenzpotential wie beispielsweise Masse, das über den Masseanschluss 170 der Baugruppe 100 zugeführt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzebene 180 über der leitenden Zwischenschichtverbinder 190, der sich von der Oberseite der Referenzebene 180 bis zur Unterseite der leitenden Platte 120, die in der Baugruppe 100 enthalten ist, erstreckt, auf Masse gelegt. Die Referenzebene 180 kann auf Masse gelegt oder mit einem anderen Referenzpotential gekoppelt werden. Die leitende Platte 120 führt keinen Strom, der in der Hauptschleife des Schaltnetzteilschaltkreises 110 fließt, selbst dann nicht, wenn eine Stelle über den Zwischenschichtverbinder 190 mit der Referenzebene 180 verbunden ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist keine Stelle der leitenden Platte 120 mit einer Referenzebene verbunden und der Zwischenschichtverbinder 190 befindet sich außerhalb der Baugruppe 100. in jedem Fall umfasst die Verbindungsschicht der Baugruppe 100 außerdem eine dritte leitende Ebene 210, die die Gateelektrode 142 des Low-Side MOSFETs 112 mit dem korrespondierenden Gateanschluss 140 in der darunter liegenden Anschlussebene der Baugruppe 100 verbindet.
4D zeigt eine dazwischen liegende Isolationsschicht der Baugruppe 100, die oberhalb der Verbindungsschicht angeordnet ist. Die Isolationsschicht umfasst den Isolator 130, um die darunter liegenden Bauelemente des Schaltnetzteilschaltkreises 110 von der darüber befindlichen leitenden Platte 120 zu separieren. Bei dem Isolator 130 kann es sich um eine einzige ununterbrochene Schicht handeln, oder er kann in separate Isolatoren segmentiert sein, von denen jeder eine Dicke aufweist, die von der Dicke der darunter liegenden Schicht abhängt. Auf diese Weise ist jede Schicht der Baugruppe 100 vergleichsweise eben. Alternativ dazu können eine oder mehrere der Baugruppenschichten uneben sein. In jedem Fall ist in dem Isolator 130 ein Spalt 220 vorgesehen, die es dem leitenden Zwischenschichtverbinder 190 erlaubt, sich von der Oberseite der Referenzebene 180 zu der Unterseite der leitenden Platte 120 zu erstrecken, um eine Stelle der leitenden Platte 120 mit einem Referenzpotential wie beispielsweise Masse zu koppeln. Anderenfalls ist kein Spalt in dem Isolator 130 erforderlich.
4E zeigt die Schicht der leitenden Platte der Baugruppe 100. Bei dieser Schicht kann es sich um die oberste Sicht der Baugruppe 100 handeln, wenn die Oberseite der leitenden Platte 120, wie beispielhaft in 3 gezeigt ist, an einem Kühlkörper angebracht werden soll. Anderenfalls können ein oder mehrere weitere Schichten oberhalb der leitenden Platte 120 vorgesehen sein. Das in 4E gezeigte, gestrichelte Rechteck repräsentiert den leitenden Zwischenschichtverbinder 190, der sich von der Unterseite der leitenden Platte 120 zur Oberseite der Referenzebene 180 erstreckt, wenn eine Stelle der leitenden Platte 120 mit einem Referenzpotential wie beispielsweise Masse gekoppelt wird. Wenn eine derartige Verbindung nicht gewünscht ist, können der Zwischenschichtverbinder 120 außerhalb der Baugruppe 100 angeordnet und die leitende Platte 120 durch die Isolationsschicht physikalisch von dem darunter liegenden Schaltnetzteilschaltkreis 110 getrennt werden. Zum Beispiel der Zwischenschichtverbinder 190 wenn sich der Kondensator 116 außerhalb der Baugruppe 100 befindet.
Räumlich relative Ausdrücke wie etwa ”unter”, ”unterhalb”, ”unterer”, ”über”, ”oberhalb” und dergleichen werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um das Positionieren eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erläutern. Die Ausdrücke sollen unterschiedliche Orientierungen des Bauelements zusätzlich zu unterschiedlichen Orientierungen als jenen in den Figuren dargestellten einschließen. Weiterhin werden Ausdrücke wie etwa ”erster”, ”zweiter”, und dergleichen ebenfalls dazu verwendet, verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte und so weiter zu beschreiben und sollen ebenfalls nicht beschränkend sein. Gleiche Ausdrücke beziehen sich in der Beschreibung durchweg auf gleiche Elemente.
Die Ausdrücke ”aufweisend”, ”beinhaltend”, ”enthaltend”, ”umfassend” und dergleichen sind offene Ausdrücke, die die Gegenwart von angeführten Elementen oder Merkmalen anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale aber nicht ausschließen. Die Artikel ”ein”, ”einer”, und ”der/die” sollen den Plural sowie den Singular beinhalten, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt.
Unter Berücksichtigung der obigen Palette an Variationen und Anwendungen ist zu versehen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorausgegangene Beschreibung beschränkt ist noch durch die beiliegenden Zeichnungen beschränkt wird. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente beschränkt.

Claims

Integrierte Schaltkreisbaugruppe umfassend: einen Schaltnetzteilschaltkreis mit einer Mehrzahl von Transistoren und einem Kondensator, die so miteinander gekoppelt sind, dass sie eine Hauptstromschleife bilden, die eine parasitäre Schleifeninduktivität aufweist; und eine leitende Platte, die von der Mehrzahl von Transistoren und dem Kondensator durch eine oder mehrere Isolatorschichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe beabstandet sind, wobei die leitende Platte innerhalb der integrierten Schaltkreisbaugruppe oberhalb wenigstens eines Teils der Hauptstromschleife angeordnet und dazu ausgebildet, die parasitäre Schleifeninduktivität der Hauptstromschleife zu verringern und dabei keinen Strom zu führen, der in der Hauptstromschleife fließt.
Integrierte Schaltkreisbaugruppe gemäß Anspruch 1, bei der die leitende Platte dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf einen Strom, der in der leitenden Platte durch ein Magnetfeld erzeugt wird, das auf Änderungen des in der Hauptstromschleife fließenden Stromes basiert, ein magnetisches Feld zu erzeugen.
Integrierte Schaltkreisbaugruppe gemäß Anspruch 1, bei der der Schaltnetzteilschaltkreis als Schaltwandlerschaltkreis ausgebildet ist, der einen High-Side MOSFET und einen Low-Side MOSFET umfasst, und wobei die leitende Platte oberhalb wenigstens eines Teils des High-Side MOSFETs und oberhalb wenigstens eines Teils des Low-Side MOSFETs angeordnet ist.
integrierte Schaltkreisbaugruppe gemäß Anspruch 3, bei der der High-Side MOSFET und der Low-Side MOSFET in unterschiedlichen Halbleiterchips angeordnet sind
Integrierte Schaltkreisbaugruppe gemäß Anspruch 1, bei der die leitende Platte an einer Stelle an ein Referenzpotenzial angeschlossen ist.
Integrierte Schaltkreisbaugruppe gemäß Anspruch 5, bei der das Referenzpotenzial Masse und eine Elektrode des Kondensators and das Masse-Referenzpotenzial angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb eines integrierten Schaltkreises umfassend: Bereitstellen einer integrierten Schaltkreisbaugruppe mit einem Schaltnetzteilschaltkreis, der eine Mehrzahl von Transistoren und einen Kondensator umfasst, die miteinander so gekoppelt sind, dass sie eine Hauptstromschleife bilden, die eine parasitäre Schleifeninduktivität aufweist, und einer leitende Platte, die von der Mehrzahl von Transistoren und dem Kondensator durch eine oder mehrere Isolatorschichten getrennt und oberhalb wenigstens eines Teils der Hauptstromschleife angeordnet ist; und Reduzieren der parasitären Schleifeninduktivität der Hauptstromschleife durch das elektromagnetische Induzieren eines Stromes in der leitenden Platte der integrierten Schaltkreisbaugruppe, ohne dass die leitende Platte einen Strom führt, der in der Hauptstromschleife fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 7 umfassend: Ändern des Stromes in der Hauptstromschleife; Induzieren eines Stromes in der leitenden Platte als Reaktion auf ein erstes magnetisches Feld, das als Reaktion auf eine Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife erzeugt wird; und Erzeugen eines zweiten magnetischen Feldes als Reaktion auf den Strom, der in der leitenden Platte induziert wird, das das erste magnetische Feld zumindest teilweise neutralisiert.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem eine Stelle der leitenden Platte an ein Referenzpotenzial angeschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 umfassen: Verbinden einer Stelle der leitenden Platte mit einem Massepotenzial; und Verbinden einer Elektrode des Kondensators mit dem Massepotenzial.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe umfassend: einen Schaltnetzteilschaltkreis, der eine Mehrzahl von Transistoren umfasst, die einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises bilden, wobei die Mehrzahl von Transistoren in einer oder mehreren Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet ist; und eine leitende Platte, die in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe in ausreichender Nähe zu wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife angeordnet ist, so dass in der leitenden Platte aufgrund einer Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 11, bei der der Schaltnetzteilschaltkreis einen ersten MOSFET und einen zweiten MOSFET umfasst, wobei die leitende Platte oberhalb des ersten und zweiten MOSFETs angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Isolatorschicht zwischen der leitenden Platte und dem ersten und zweiten MOSFET angeordnet ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 12, bei der die leitende Platte oberhalb wenigstens eines Teils des ersten MOSFETs und wenigstens eines Teils des Low-Side MOSFETs angeordnet ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 12, bei der der erste MOSFET als High-Side MOSFET einen Schaltwandlerschaltkreises ausgebildet ist, und bei der der zweite MOSFET als Low-Side MOSFET des Schaltwandlerschaltkreises ausgebildet ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 14, bei der die integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe weiterhin umfasst: einen ersten Gateanschluss, der mit einer Gateelektrode des Low-Side MOSFETs gekoppelt ist; einen zweiten Gateanschluss, der mit einer Gateelektrode des High-Side MOSFETs gekoppelt ist; einen Ausgangsanschluss, der mit einer Drainelektrode des Low-Side MOSFETs und einer Sourceelektrode des High-Side MOSFETs gekoppelt ist; einen Eingangsanschluss, der mit einer Drainelektrode des High-Side MOSFETs gekoppelt ist; und eine Masseebene, die mit einer Sourceelektrode des Low-Side MOSFETs gekoppelt ist, wobei die Masseebene in einer anderen Schicht der integrierten Multilayer-Schaltungsbaugruppe zwischen die MOSFETs und die leitende Platte eingefügt ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 11, bei der die leitende Platte als einzelne ununterbrochene leitende Platte ausgebildet ist.
integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 11, die weiterhin einen Kondensator umfasst, der in einer anderen Schicht der integrierten Multilayer-Schaltungsbaugruppe angeordnet ist als die leitende Platte, und der zur Vervollständigung der Hauptstromschleife mit der Mehrzahl von Transistoren gekoppelt ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 17, die weiterhin einen leitenden Zwischenschichtverbinder umfasst, der sich von einer Unterseite der leitenden Platte bis zu einer Referenzebene erstreckt, die in einer der Schichten der integrierten Schaltungsbaugruppe angeordnet und zwischen der leitenden Platte und der Mehrzahl von Transistoren eingefügt ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 18, bei der die Referenzebene auf Masse gelegt ist und bei der eine Elektrode des Kondensators mit der Referenzebene gekoppelt ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 11, bei der die leitende Platte im wesentlichen eben ist.
Integrierte Multilayer-Schaltungsbaugruppe gemäß Anspruch 11, die weiterhin einen Kühlkörper umfasst, der an der der Mehrzahl von Transistoren abgewandten Seite der leitende Platte angebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Multilayer-Schaltkreisbaugruppe umfassen: Anordnen einer Mehrzahl von Transistoren eines Schaltnetzteilschaltkreises in einer oder mehreren Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe, so dass diese einen Teil einer Hauptstromschleife des Schaltnetzteilschaltkreises bilden; und Anordnen einer leitenden Platte in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe als der Mehrzahl von Transistoren und in ausreichender Nähe zu wenigstens einem Teil der Hauptstromschleife, so dass in der leitenden Platte aufgrund einer Änderung des Stroms in der Hauptstromschleife ein Strom elektromagnetisch induziert werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 22, umfassend das Positionieren der leitenden Platte oberhalb wenigstens eines Teils eines ersten MOSFETs und wenigstens eines Teils eines zweiten MOSFETs des Schaltnetzteilschaltkreises.
Verfahren gemäß Anspruch 22, weiterhin umfassend: Anordnen eines Kondensators in einer anderen Schicht der integrierten Schaltkreisbaugruppe als die leitende Platte; und Koppeln des Kondensators mit der Mehrzahl von Transistoren zur Vervollständigung der Hauptstromschleife.
Verfahren gemäß Anspruch 24, weiterhin umfassend das Anschließen eines Endes eines leitenden Zwischenschichtverbinders mit einer der Mehrzahl von Transistoren zugewandten Seite der leitenden Platte, sowie eines entgegengesetzten Endes leitenden Zwischenschichtverbinders mit einer Referenzebene, die in einer der Schichten der integrierten Schaltkreisbaugruppe angeordnet und zwischen die leitende Platte und die Mehrzahl von Transistoren eingefügt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin umfassend: Anschließen der Referenzebene an Masse; und Anschließen einer Elektrode des Kondensators an die Referenzebene.