TW201131751A - Integrated buck power supply architectures for LED-based displays - Google Patents

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Description

201131751 六、發明說明： 【相關申請案的交叉引用】 ΪΪΪί要求於層年12月18日提出的第6漏，221號美 於2010十年由4月27日提出的第6趣，567號美國 案的私。上射請案的公開在此通過在其全部中引用 【發明所屬之技術領域】 本發明通常涉及基於LED的顯示器，且更特 於LED的顯示器的集成關（buck)電源^制地"及對於基 【先前技術】 供的背景描述是為了通常呈現本揭露的上下文的目 署 人的工作，以在該背景部分中所描述的工作 S3 ί Ξ: Γ及在申請的時候可不以另外方式作為習知技術的2 知技術。’林舰地也树減縣認作為姆於本揭露的習 光。^體Λϋ)的ΡΝ接面正向偏壓時，ΡΝ接面發射 ί是效的、可飾、低賴及環境友好的。 5中=====，乡_朗及商業 路燈，等等。』賴在微波爐、廣告標H控制面板、 向電i伽PN接面的正 向電壓電壓確定通過阳接面的正向電流。正 201131751 不同類型的開關模式電源（SMPS)被用於向LED供電。例如， SMPS可包含降壓SMPS、升壓SMPS、返馳SMPS等。 【發明内容】 本發明所揭露之系統包含多個發光二極體（led)及配置為 產生脈寬調變（PWM)脈衝以驅動LED的控制模組。LED及控 制模組被集成在積體電路（1C)封裝中。 、 工 在其他特徵中’ LED是非密封的，並且LED被串聯連接到彼 此。 在其他特徵中，LED及控制模組被佈置在IC封裝中的晶粒 上。晶粒包含具有第一側及與第一側相反的第二側的陶瓷層，以 及矽層。LED被鄰近陶瓷層的第一侧佈置。矽層包含控制模組。 矽層是鄰近陶瓷層的第二側的。LED被電連接到矽層。 在其他特徵中，使用陶究層中的通孔或使用接合線將led電 連接到珍層。 在其他特徵中，晶粒還包含多個齊納二極體。齊納二極體中 ，至少-個跨過相應的LED中的—個LED連接。齊納二極體被 鄰近陶瓷層的第一側佈置或佈置在矽層中。 在另一特徵中，陶瓷層的第一側塗覆有反射材料。 他雜巾’晶㈣包含配置為基於由㈣模組產生的 ^脈衝向LED供電崎壓電源的電献電容巾的至少一個。 、屬核心層佈置在碎層的相對於陶竞層的相反側上。 制模ίί t，led被佈置在1㈣的第-晶粒上，並且控 制杈組被佈置在1C封裝中的第二晶粒上。 體中第—晶粒還包含多個齊納二極體。齊納二極 的至乂個跨過相應的LED中的一個LED連接。 盘第二晶ίί含具有鄰近第-晶粒的第-側及 ”第側相反的第二側_錢’以及销1層包含控制模级。 201131751 ㈣二侧。LED «連接财層。咖使用 勺入ΐίϊί徵中，第二晶粒還包含金屬核心層，該金屬核心居 對於陶竟層的相反固金屬核〜層被佈置在石夕層的相 反的的第-側及與第-側相 來確ί另—特徵中，IC封裝的尺寸基於㈣的每瓦特流明額定值 反比在另—特财’IC職的尺寸與LED的每瓦· _定值成 1C封t另中二特徵中’使用單個封裝過程將LED及控制模組集成在 置在法包含將多個發光二極體⑽）佈 ίί _ί 將$ 二申; 性的目的而不是用來限制本揭露的範圍。m〗于惶沾為了況明 【實施方式】 201131751 露、了的’ ^決不是用來限制本揭 ϊ 二在：以 的邏鲺二釋為表示使用非排除性邏輯“或（〇r) ” 解方法中的步射料關順序被執 t：^zA2.Tm^ 的記中專可包含儲存由處理器執行的代碼 且可ί用代碼，可包含軟體、韌體及/或微代碼， 所你二吊式r〇utme)、函數、種類及/或物件。如上面 用單自多個模組的一些或全部代碼可使 二來模的—些或全部代碼可使用—組處理器來執 儲存。卜’來自早麵朗—些或全部代碼可使用—組記憶體來 ，ϋ 1圖’LED的典型的降壓電源100被示出。降壓電 ;f m模組102、電晶體Q、二極體D、電感L入電 徂轉換器或DC/DC轉換器（未示出）向降壓電源100 壓上二降壓電源100產生跨過led的輸出電麼V。。 輸入電谷cin過濾輸入電壓νίη。輸出電容Cq過濾輸出電壓V。。 Γ^ϊΐΐί102使用脈寬調變（PWM)產生脈衝以驅動電晶體 確疋的工作週期（dutycycle)。當電晶體Q導通時，電 桃々丨L、’i、感L·、LED及電晶體Q。當電晶體Q關閉時，電流流經 201131751 , 電感L、LED及二極體d。 —在ϊί電源勘中，輸入電容G及輸出電容C。通常為電解 私合。電解電容的壽命一般大約是1〇3小時。相比之下，LED具 ίί!!，到1G6小時的典型的平均故障間隔時間（MTBF)。^ 二3ί具有比LED短的壽命，利用電解電容的基於LED的 .，.員不益傾向於具有比led的壽命短的壽命。 ㈣卜尺寸及由電解電容執行的過滤品質與這些 成句話說，較大的電解電容—般被用於較大的 =輕電源的-些元件可峨集成到積體電路（IC) •石不能夠被集成到IC中。此外，將降壓電源的基於 炉封，到1C封裝中涉及與封裝LED相比較*__過 ’曰將LED及降壓電源的基於石夕的元件封裝到1C封裝中 可能是有問題的。 ^ τ -此=涉及制單個封裝過㈣LED及降壓電_基於石夕的 =件封裝到1C封裝巾。具體地，非密封的LED (即，不是用例如 體的材料密封的LED ;換句話說，LED的基於矽的部 的中基於術件可被佈置在晶粒㈣上。晶粒 可選地’非密封的LED可以被佈置在第一晶粒上，以及 基神的元件可輯佈置在第二晶粒上。第—晶粒使 ^、線接合或其他顧的連紐電連接到第二晶粒 及 第二晶粒被封裝在1C封裝中。 拉及 在包含非密封的LED的層及包含降壓電源的基於石夕的 陶it ° _層補償包含led的層及石夕層的膨 異。另外’在iC封裂上可以設置可選的散執裝置 或暴路襯墊（E-pad)以散熱。 …、 炎收!^外，基於LED的顯示器的壽命可以通過使用非電解電容作 ίϊϊ電源中的輸入遽波電容及輸出濾'波電容來增加。例ί，陶 非電1源的電感及 201131751 現參考第2圖至第4圖，降壓電源的不同的元件可以被集成 在1C封裝中。一般地，不同的封裝過程被用於將不同類型的基於 矽的元件集成在1C封裝中。例如，第一封裝過程可被用於將電晶 體及二極體縣在ic雖巾’而鮮―封裝過程概較不同的第 ^封，過程可被驗將LED㈣在1C观巾。然而，依照本揭 路，皁個封裝過程可被用於將LED及降壓電源的其他的基於石夕的 元?集成在1C封裝中。此外，IC封裝包含用於實現降壓電源的無 源兀件的金屬核心層。金屬核心層還驅散由IC封裝的其他元件及 LED產生的熱。金屬核心層可包含鋁或銅合金、鐵合金、或碳。 金屬核心層的成分取決於包含IC封裝的重量及熱驅散的因素。 乂 第从2圖J7 ’二極體D、電晶體Q及LED可以被集成 封裝中，並且單個封裝過程可被用於將二極體D、電 集成在晶粒上。此外，無源元件（即，電感L /電f$ 及C。）可以被集成在IC封裝的金屬核心層中。 】02 除二極體D、電晶體Q及咖之外，控繼組 i f晶粒上。而且，翔封裝過程可被用於將二極體 ϋ體Q、LED及控制模组1〇2集成在晶粒上。此外，無源 二層^電感L及電容Cin及c。）可以被集成在IC封裝的金屬 ，第2圖及第3圖中’電容Qn及c。是非電解電容。例如， 及c。可以包含陶竟或薄膜電容。當AC “ j壓;^時，輸入電容Cin可以如下被選擇。輸入 二巧^以使輸入電壓Vin保持大於輸出電壓V。的值。當DC/DC轉 jiff輸人電壓Vin時，輸人電壓Vin大於輸出電壓田V。。此外， 控制模組102可以提供功率因數校正。 含串相串的線性電源200被示出。LED串包 二工^接的夕個 齊納二極體(z)跨過每個LED被連接， 體以ί:!二齊連接的LED發生故障時齊納二極 電㈣’當LED串中的LED發生故障時，不會使led 201131751 握知ίη,? Ϊ 2〇0包含線性調節11 202。線性調節器202包含抑 ‘二：?§ 土 ζ*電晶體2。控制模組2 〇4產生控制信號以驅動電晶ί Ο 確定的振幅。線性調節器2G2通過㈣串將電流控制i 性調節器202、LED串及齊納二極體可以被集成到 i被?02、LED串及齊納二極體可以使用單個封裝過 ί=ίί:Γ粒或第二晶粒中。第一晶粒使用通孔、線接合或 /、他類i的連接被電連接到第二晶粒。第一 : 單個封裝過織封裝到IC封裝中。# 一及第—日日粒使用 電源⑽不同，線性電源200不使用電感L、二極體D 容C。作壓電源200的輸入絲Cd以包含喊電Ϊ或 厚膜電谷。輸人電容Cin可以被集成在IC封裝的金屬核心中。/ 性雷圖至第5D圖’包含LED及降壓電源100或線 200的;'個或多個元件的1C封裝被示出。所示出的LED 岔封的。第5A圖及第5B圖示出ic封裝，其中LED及降壓 ^源贫線性電源的—個或多個元件被佈置在單個晶粒 ϋΐ 5及5D示出1c封裝，其* LED被佈置在第一晶粒上， ^且降壓電源1〇〇或線性電源的一個或多個元件被佈置在第 二晶粒上。 在第、A-圖至第5D圖中，由參考數字所指的元件僅為了說明 性，目的被不出。這些元件未以任何比例被繪製。圖<不代表所 不出的元件的實際幾何結構。在下述的討論中，第4圖中所示出 的LED+及線性電源2〇〇僅被用於舉例。下面所描述的教導還應用 於集成第2圖及第3圖中所示出的一個或多個LED及降壓電源1〇〇 的一個或多個元件。 在第5A圖中’忙封裝300包含LED 302-1、302-2、...、以 及302-N (總起來說LED 3〇2 )，其中n是大於1的整數。另外， 1C封裝3〇0包含陶曼層3〇4、石夕層3〇6、金屬核心層3〇8、以及散 201131751 熱裝置310。散熱裝置310是可選的。led 302、陶瓷層304、矽 層306及金屬核心層308被佈置在單個晶粒上。 陶瓷層304提供在LED 302及石夕層306之間的緩衝。陶瓷層 304補償LED 302及矽層306的膨脹係數之間的差異。陶瓷層3〇4 鄰近LED 302的一侧可以塗覆有反射材料以反射由LED3〇2發射 的光。例如，反射塗層可以包含一層二氧化鈦（Ti〇2)、銀塗層、 金屬塗層或鏡面塗層。 矽層306包含線性電源200的線性調節器2〇2及齊納二極體 (總起來說線性電源200的基於碎的元件）。另外，石夕層可以 包含對於LED 302及線性電源200的基於石夕的元件的靜電放電 (ESD)保護。LED 302的觸點312可使用陶瓷層3〇4中帶有接合 的通孔316被電連接到矽層306的觸點314，如所示出的。口 金屬核心層308包含線性電源200的無源元件（例如，電容 Ci^。散熱裝置310是可選的。可選地，可以使用暴露觀塾（E pad) (^不出），其是IC封裝的暴露的金屬板。E_pad —般鍵有相同的 ，屬（例如，錫）或合金作為ic封裝的引線。E_pad直接被 在印刷電路板（PCB)上。E-pad增加1C封裝的功率雜能力。 在第5B圖中，1C封裝350使用接合線。如下，led 觸點312使用接合線320被電連接到矽層306的觸點314<>LED3〇2 點312使用接合線320被電連接到陶瓷層3〇4上的觸點318。 陶瓷層304的觸點318使用陶瓷層304中的帶有接入的诵丨 被電連接翁層3G6的觸點314，如所示出的封 孔= 陶瓷層304、矽層306、金屬核心層308、可選散敎果^ 31〇莖3 如參考第5A圖所插述的。 置310等， 在第5C圖中，1C封裝370包含兩個晶粒。第一曰叔 =如所示出的連接的LED 302及齊納二極體303。第-曰#勺t ^層304、包含線性電源的線性調節器2。2的^日日二包^ J金屬核心層3〇8。雖然為了說明性的目的兩個 曰 疋J選的。可選地，E-pad可以被使用。 201131751 LED 302 _的第-端被連接到第一晶粒372上的觸點—。 LED 302串的第二端被連接到第_晶粒372上的觸點^。觸點 374及376使用陶兗層3〇4中的帶有接合的通孔训 接 到石夕層306的觸點378及380，如所示出的。 刀嫩电跳 ，在第5D圖中’1C封裝39〇包含如參考第％目所描述的兩個 晶粒。1C封裝390使用接合線。觸點374及376使用接合線396 被電連接到陶 304上的觸點392及394 的 392及394使用陶:是層304中的帶有接合的通孔3&皮 層306的觸點378及380，如所示出的。
在C封裝300、350、370及39〇中，一個或多個晶粒的尺寸 即’晶粒尺寸）取決於LED 302的每瓦特流明額定值 (lumens-per-watuating)’其中LED3〇2及線性電源2〇〇的元件被 集成在所述一個或多個晶粒上。結果，IC封裝3〇〇、35〇、37〇及 390的尺寸也取決於LED 302的每瓦特流明額定值。 具體地，晶粒尺寸（及1C封裝的尺寸）與LED3〇2的每瓦 定值成反比。這是因為，當LED 302的每瓦特流明額定值 =時’較少的LED可以發崎嫉數量的光。由於使用較少的 :iLED 302產生較少的熱。於是，LED 3〇2的每瓦特流明額定 值越南，晶粒尺寸及1C封裝300、350、370及390的尺寸越小。 可選地，當使用具有相對低的每瓦特流明額定值的LED時， =要更多LED來發出所期望數量的光。當LED 3〇2的數量增加 二2 ^ED 3〇2產生的熱量也增加。於*，當使用具有相對低的 :瓦特㈣敏值的LED時，散絲置或E_pad可以被用於驅散 由LED 302產生的熱。 β儘官未不出，在1C封裝3〇〇、350、370及390中’ LED 302 =以其财式⑷如，使關裝狀合（flip-diipbonding))被 ^、接到石夕層306中的基於石夕的元件。此外，金_錫共晶體 je^tectic)接合，其是一種類型的晶片級接合，可以被用於接合 f裝300、350、370及390的晶粒及基板。基板是支撐材料， 電路形成在其上或在其上被製作。金_鍚共晶體接合提供晶粒及基 201131751 板之間的電接觸。另外，金-錫共晶體接合向晶粒提供機械支撐並 改進ic封裝的熱驅散能力。 本揭露的寬泛的教導玎以以多種形式來實現。因此，雖然本 揭露包含特定的實施例，本揭露的實際範圍不應被如此限制，因 為依據附圖、說明書及下述的申凊專利範圍的研究其他的修改將 變得明顯。 ' ' 【圖式簡單說明】 由詳細的描述及所附圖式，本發明將被更加全面地理解，其 中： ' 第1圖係繪示用於LED的降壓電源的示意圖； 第2圖係繪示電晶體Q、二極體D及LED的集成的用於LED 的降壓電源的示意圖； ' 第3圖係緣示電晶體Q、二極體d、LED及控制模組的集成 的用於LED的降壓電源的示意圖； 、 ” 第4圖係繪示LED串及線性調節器的集成的用於led的線 性電源的示意圖；以及 第5A圖至第5D圖係繪示包含LED及用於LED的降壓電源 或線性電源的元件的積體電路(IC)封裝(package)的不同配置。 102 :控制模組 D .二極體 Cin :輸入電容 LED :發光二極體 V。：輸出電壓 【主要元件符號說明】 100 :降壓電源 Q :電晶體 L :電感 C。：輸出電容 Vin :輸入電壓 12 201131751 200 :線性電源 Z、303 :齊納二極體 202 :線性調節器 204 :控制模組 Q :電晶體 300、350、370、390 : 1C 封裝 302(302-1~302-Ν)： :發光二極體 304 :陶瓷層 306 :矽層 308 :金屬核心層 310 ··散熱裝置 316 :通孔 320、396 :接合線 372 :第一晶粒 375-1、375-2 :虛線 312、314、318、374、376、378、380、392、394 :觸點 13

Claims (1)

  1. 201131751 七、申請專利範圍： 1 .一種系統，包含： 多個發光二極體(LED);以及 等發;組’其配置為產生一脈寬調變斤職0脈衝以驅動該 裝中？中鱗極體及雜繼組被減在積體電路⑽封 是非1項所述的系統’其中該等發光二極體 、、、/、中該等發光二極體被串聯連接到彼此。 3.如申請專利範圍第丨 ， 及該控制模組被佈置在該積體電路封 =飢中==體 今㈣具有第—側及與該第—侧相反的第二側，豆中 該科先二極體鄰近該陶究層的該第-侧佈置；以ί 中 該第含該控制模組’其中該石夕層是鄰近該陶曼層的 其中該等發光二極||被電财層。 ^觸發光二極體 使用圍第3項所述的系統’其中該等發光二極體 第3項所述的系統’其中該晶粒還包含: 中的個跨過相應的該等發光二極體 該石夕ίϊ該齊納二極體鄰近該陶究層的該第—側佈置或被佈置在 如申叫專利|巳圍第3項所述的系統，其中該陶竟層的該第 14 201131751 一側塗覆有反射材料。 申:專彻&圍第3項所述的祕’其巾該晶粒還包含： 寬調變脈衝向產生的該脈 至少一個， 艰供電的降壓電源的電感及電容中的 側上了 “屬核、層被佈置在該石夕層的相對於該陶竟層的相反 被佈9置二申積第中曰的系統，其中該等發光二極體 被佈置在該韻電軸裝的让，並且其巾該控纏組 包含川·如申請專利範圍第9二述的系統’其中該第一晶粒還 多個齊納二極體， 中的少—個跨馳應_㈣光二極體 含：η .如㈣專利翻第9項所述㈣統，其中該第二晶粒包 反的S層以ί具有鄰近該第-晶粒的第-側及與該第-側相 該第含該控侧組，射該補是__究層的 其中該等發光二極體被電連接到該矽層。 體二圍第11項所述的系統’其中該等發光二極 包含1:3 ·如申請專利第U項所述的系統，其中該第二晶粒還 201131751 至少一個， 側上其中該金屬核心層被佈置在該梦層的相對於該_層的相反 14 ·如申請專利範圍第1項所述的系 5具侧及與該第‘ 裝4鄰範?第1項所述的系統，其中該積體電路封 側?及與該第-側相反的第二
    裝二額電路封 穿的2寸ϊΓίίϊ範圍第1項所述的系統’其中該積體電路封 裝的尺寸，、料發光二極體的每瓦概明軟值成反比例。 18 .如申請專利範圍第丨項所述的系統，其中該 體及該控纏域科侧㈣織録在該_電路^裝^。 19 · 一種方法，包含： 將多個發光二極體(LED)佈置在積體電路(IC)封裝中；以及
    一使用一控制模組產生一脈寬調變(PWM)脈衝以驅動該等發光 二極體’ 其中該等發光二極體及該控制模組被集成在該積體電路封裝 中〇 20 .如申請專利範圍第19項所述的方法，其中該等發光二極 體是非密封的，並j_其中料發光二極體被串聯連接到彼此，該 方法還包含： 將多個齊納二極體佈置在該積體電路封裝中； 跨過相應的該等發光二極體中的一個發光二極體連接該齊納 二極體中的至少一個；以及 使用單個封裝過程將該發光二極體、該控制模組及該齊納二 16 201131751 極體集成在該積體電路封裝中。
    17
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