TWI222259B - System level battery integration system - Google Patents

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TWI222259B
TWI222259B TW092100054A TW92100054A TWI222259B TW I222259 B TWI222259 B TW I222259B TW 092100054 A TW092100054 A TW 092100054A TW 92100054 A TW92100054 A TW 92100054A TW I222259 B TWI222259 B TW I222259B
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Louis L Hsu
Carl J Radens
Li-Kong Wang
Kwong-Hon Wong
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Description

(i) (i)1222259 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明通常與適於電子及計算系統的電源供給單元 (power supply unit)有關，且更特別是與一種支援手持式裝置 ，電腦系統以及其它電子設備的系統層次電源整合有關。 先前技術 在當今無線系統和個人系統中，連續供電以維持服務品 質變成一項重要挑戰。使用電池來支援系統使用變成在那 些系統中的主要操作模式。雖然在針對較長使用期限，壽 命以及操作環境的電池科技方面有許多的研發，但將電池 整合到系統中經證明是既笨拙又不便的。 目前，針對非常複雜的基於電氣和電子的電路或裝置（ 諸如：通常利用可充電電池的膝上型電腦）而言，配備了 一種電池管理系統（battery management system)。在這些應用中 ，電池管理系統通常會提供一種專用串列界面（諸如：SM 匯流排（SMBus))，以供和諸如微控制器之外部控制器界面 連接（interfacing)之用。這些電池管理系統由專用電路所組 成，該電路最適宜監控著特定電池類型之唯一化學性質（ 即：鎳編（nickel cadmium)，裡（lithium)等）。 最近已經研發出許多先進電池科技，諸如：金屬氫化物 (例如·· Ni-MH)，鋰離子，以及鋰聚合物電池科技，它們 似乎提供針對許多商業暨消費性應用的必要能量產生位 準和安全限度（safety margin)。然而，這些先進電池科技卻 經常展現向先進儲能裝置（energy storage device)之設計師和 1222259 (2) 發明說明續頁 製造廠商挑戰的特性。 而且，近年來，在電子裝置或設備領域中’已經加速研 發縮小尺寸（down-sized)以及電池與外部電源兩用的（c〇rdless) 設計方案。有鑑於這種趨勢，電池組和電池系統之所以利 益遞增，是因為：它們具備尺寸縮減和高電能密度之能力 而已經增加充當這種電子設備之電源的適用性（applicability)。 這些電池管理系統及有關聯微控制器會利用電流或電 壓位準監控（level monitoring)技術，以便在兩個電池電源之 間切換及/或將依照一電池放電位準而供電中的裝置加以 關機（shut down)，該放電位準係由儲存於記憶體中的資料所 控制。確切而言，目前的電池管理系統都是非常複雜的， 因而成本理所當然地比較低廉裝置要大得多。 此外’針對既新又已改良的電子暨機電（electromechanical) 糸統的治求已經對儲能裝置的設計師和製造廠商增加施 壓，以便研發出證明在小體積封裝中有高能量產生的電池 科技。諸如那些利用譬如說是鉛酸電池（lead acid cell)之系 統的傳統電池系統通常不適用於既高電力又重量輕的應 用中。針對用於諸如可攜式無線裝置之消費性產品應用中 而言’其它已知電池科技可能被視為太不穩定或危險的。 根據一種傳統先進電池組設計，將諸多個別電池（cells) 加以硬體接線（hardwired)在一起，並且連接到電池組（battery) 之正和負電源端。也必須將可能納入電池組設計中的各種 電子組件加以硬體接線到個別電池。對於那些熟習於此技 藝者而言應該顯而易見的是：當試圖改變個別電池與組件 1222259 (3) 發明說明續頁 之間的串聯及/或並聯硬體接線連接時，這些傳統互連方 法會提供幾乎沒有的變通性（flexibility)。 ~ 而且，典型用於製造傳統先進電池中的佈線過程通常是 既複雜又費時的。傳統先進電池之設計師和製造廠商特別 顧慮的是·非故意的佈線短路’它會在佈線過糕中產生。 這些和其它設計缺點通常會導致減少電池之效能和使用 壽命（service life)，因此經常代表一項重大的安全顧慮。 先進電池科技的其它特性會對先進儲能裝置之設計師 提出附加挑戰。譬如說，由於在電池充電狀態方面的變化 ，某些先進電池結構會承受在體積方面的循環變化 (cyclical changes)。在充放電循環期間，這樣一種電池的總 體積可能變化多達百分之五到六。在電池實體尺寸方面的 這種重複變化會使機械外罩（mechanical housing)設計和電連 接策略變得極為複雜。當設計一種適合用於商業暨消費性 裝置和系統中的儲能系統時，通常必須徹底瞭解和適當考 量先進電池組電池（battery cell)的電化學，熱，以及機械特 性。 然而，仍然需要一種晶片與封裝的整合解法（integrated solution)當作適於處在晶片封裝及系統層次之電源的一種 新概念。而且，需要一種會提供變通性和可靠性以及能夠 容易製造且成本比傳統系統還低的系統層次自行供電系 統（self-powered system) 〇 發明内容 由傳統電源系統單元的前述者和其它問題，缺失，以及 1222259 (4) 發明說明續頁 缺點看來；已經設計本發明，而本發明之一目的則是提供 :針對一種晶片與封裝的整合解法當作適於處在晶片封 裝及系統層次之電源的一種新概念之結構及方法。 本發明之另一目的是提供：一種適於系統安裝在晶片上 (System On Chip ;簡稱SOC)晶片層次封裝及可攜式系統層次 的封裝與系統層次電池解法。
本發明之又一目的是提供：可能是適於較小又較低供電 系統之專用電源和適於較高供電系統之輔助電源的科技。
為了要達到以上所建議的目的，根據本發明之一觀點， 提供一種適於固態電池或其它類型電池與積體電路晶片 之系統層次整合的方法及結構，它包括：電池，由電池供 電之積體電路晶片，以及連接到電池和積體電路晶片之封 裝。封裝經由封裝之内部而連接到積體電路晶片，而電池 則突出於積體電路晶片上面，其中積體電路晶片連接到封 裝之上内縮部分，且其中電池大於積體電路晶片。兩者擇 其一地，固態電池連接到封裝之一底面。此外，其中可能 使用：電池堆疊，或者佈置在多晶片模組中的多數積體電 路晶片。 根據本發明，晶片與電池整合有許多利益。譬如說，本 發明會大幅減縮整個系統尺寸。第二，由於電池晶片位置 非常接近系統，故而本發明會改善電源供給效率。因此， 不予考慮導因於電阻性損耗（resistive loss)的能量浪費，損耗 是由電源經過長電阻性電源匯流排所造成。另一優點是： 因為電池晶片除了相關控制電路外還包括電池組電池陣 -10- 1222259 (5) 發明說明續頁 列，所以電源管理變得比較容易。另一利益則是：藉由滅 少接線電感來減少導因於電源的雜訊（noise)。而且，本奁 明容許增加去摩禺電容器（decoupling capacitor)和穩壓器 (regulator)，也可以將它們整合在電池晶片上以管理雜訊。 本發明之又一優點是：將由電池充放電所引起的熱效應 (thermal effect)減到最小。沿著這些線路，藉由降低充電期 間電池發熱，就會增加電池使用期限（life span)，進而大幅 改善充電效率。 附圖概述 參考諸多附圖，根據以下本發明的一些較佳實施例之詳 細描述，就會徹底瞭解前述者以及其它諸多目的，觀點及 優點，其中： 圖1是一種整合式電池暨晶片封裝系統的第一實施例之 示意圖； 圖2(a)是一種電池暨晶片封裝系統的第二實施例之示意 圖； 圖2(b)是一種電池暨晶片封裝系統的第三實施例之示意 圖， 圖2(c)是一種電池暨晶片封裝系統的第四實施例之示意 圖； 圖3是用來圖解說明電池系統之子系統層次整合（subsystem level integration)的 一種電 池暨晶 片封裝 系統的 第五實 施例之示意圖；以及 圖4是用來圖解說明本發明之一較佳方法的流程圖。 1222259 (6) I發明說明續頁 實施方式
如先前提及的，需要一種晶片與封裝的整合解法當作適 於處在晶片封裝及系統層次之電源的一種新概念；並且需 要一種會提供變通性和可靠性以及能夠容易製造且成本 比傳統系統還低的系統層次自行供電系統。本發明藉由提 供晶片上（on-chip)固態電池科技和適於晶片上電池組之電 源系統的解法來提出（address)這些需要。本發明進一步提 供其它電池類型（與固態電池不同）之整合。本發明使用封 裝科技，其中：固態電池能夠被獨立地製造，進而包裝到 晶片或封裝。
現在參考諸多附圖，且更特別地參考圖1到4，其中顯示 :根據本發明之方法及結構的一些較佳實施例。在圖1中 ，一種整合式固態電池暨晶片封裝系統100的第一實施例 之示意圖圖解說明了：固態電池102呈現在一完成晶片101 之上。將固態電池晶片（例如：電容器等）102焊接到進一步 包括積體電路之晶片101的底面。藉由微C4(micro-C4)或類似 技術，能夠將電池電極103焊接到晶片電壓源。然後，能 夠將整個堆疊晶片安置於標準封裝104中。由於將電池晶 片102安置於晶片101中央，故而這種結構對具有少數輸入 和輸出（I/O)插腳103且不會要求全晶片尺寸（full chip size)電 池的晶片而言是更理想的。要增加額外供電能力，通常需 要一種較大尺寸電池。 本實施例的優點是：使用焊接技術，將電池直接附著在 矽晶片上。而且，本實施例會產生在電池端子與晶片電源 -12- 1222259 (7) 發明說明續頁
焊接區（pad)之間的最低電阻和電感；於是，將由電感所產 生的雜訊減到最少，並且將電源電流的電阻損耗減到最小 。在晶片101與封裝104之間的陰影區域1〇5是晶片ιοί之底 面附件，它可能是導電或非導電。兩條引線106a，i〇6b是 :焊接到在晶片101四周上面之焊接區（未示出）的引線。因 為晶片101被安置面朝上，所以晶片上電池102覆蓋著晶片 101之中心。而且，藉由引線106a，106b來將輸入/輸出焊接 區103連接到封裝。 在圖2(a)到2(c)中’顯示了幾個其它實施例。確切而言， 有幾種方法是將電池安置於晶片封裝中當作晶片封裝法 之一整合部分（integrated part)。在圖2(a)中，將具有尺寸大於 積體電路晶片210的固態電池220安置於封裝240之邊框（rim) 上面，其中電源及接地電極230直接接觸封裝240。
在此第二實施例中，晶片封裝法與正規封裝方法相同。 有幾個焊接凸塊（soldering bumps)250可供矽晶片輸入和輸出 插腳之用。諸多I / Ο插腳中的一些插腳是電源/接地插腳。 通到晶片210的連接（connections)250都是經由封裝内部240。 經由封裝結構將電池電源和接地饋送到電源/接地插腳。 雖然這種結構具有與傳統系統相比較呈現減少的電阻和 電感；但是由於在封裝中電源和接地引線都是有限長度， 故而該結構具有與第一實施例相比較呈現稍微高的電阻 和電感。然而，針對諸如微處理器之具有多數I / 〇插腳的 晶片而言，因為沒有來自電池的阻塞，所以這是一個較佳 實施例。顯示於圖2 (a)中的實施例與顯示於圖1中的實施 -13 - 1222259 (8) 發明說明續頁 例不同在於：晶片210面朝下，並且經由焊球250而連接到 封裝240。此處，電池220在晶片210後，因而只能夠經由封 裝240而連接到晶片電源電極230。
在圖2(b)中，顯示了用來圖解說明一種不同封裝模式的 第三實施例，其中：將固態電池220安置於封裝240之對邊 上面，因此電源和接地電極230直接接觸封裝240。通到晶 片210的連接250都是經由封裝内部240。與顯示於圖2(a)中的 第二實施例相比較，本實施例提供一種電池電極與封裝之 間的較佳連接。在第二實施例中，電池到封裝連接只有在 封裝的邊框中，它可能增加電源和接地線路之路徑。而且 ，在電池與封裝之間的接點（contacts)尺寸則受限於邊框之 寬度。反過來說，在此第三實施例中，來自電池的連接引 線能夠經由封裝而饋送，進而連接到晶片。
在圖2(c)中，揭露封裝法的第四實施例。此處，封裝與 顯示於圖2(a)中的第二實施例類似。然而，在第四實施例 中，將幾個固態電池220加以堆疊，以便增加容量和延長 使用期限。若能夠將固態電池製造成多層次結構，則使用 較大型電池來替代幾個堆疊式電池也可能挺適合的。固態 電池組是基於具有溫度及充放電控制電路的電池面積。通 常，依照薄層形式加以製造。然而，也可能使用具有幾層 的大型電池。因為這些固態電池220都是藉由低溫焊接技 術加以互相連接，所以在堆疊中的電池數目是有伸縮性的 。第四實施例的最大優點是··增加電池壽命以及減少封裝 内的電阻/電感。 -14- 1222259 (9) 發明說明續頁 在圖3中，顯示第五實施例，其中：揭露一種將幾個晶 片320封裝在多晶片模組（muiti_chip_m〇duie，簡稱mcm)340中 的子系統300。諸多晶片32〇都是由一種大型全MCM尺寸固 怨電池310供電。電池31〇變成整個系統的電源。子系統3〇〇 可能包含幾個晶片320，當作完整系統300的一部分。而且 ，封裝可能是MCM類型之結構。最好是使用較大尺寸電池 ，但並不是必要的。更正確地說，選擇端視在此系統中的 晶片類型和這些晶片的功率消耗而定。本實施例構成本發 明的較佳實施例。在傳統系統中，必須將包含幾個晶片以 形成子系統的MCM加以封裝到基板以獲得電源。於是，在 傳統系統中，供電線路不可獲得資料與訊號整合之利益。 因此，在較佳實施例中，因為剔除在封裝層次中的多數 引線’換成是引線都在MCM層次中；所以減縮了系統尺寸 。而且，大幅改善了雜訊，功率，以及速度。並且，在較 佳實施例中，將電池310包括在MCM模組340中，以便將電 源整合在子系統3〇〇中。這種整合系統3〇〇能夠當作小型系 統而單獨地運作，譬如說是諸如：行動電話，個人數位助 理（PDA)等；或者是與大型系統内的其它組件相結合。再 者’在子系統3〇〇内的電池31〇能夠充當一種備用電源，以 便在電源切斷棋式（p〇wer d〇wn m〇cje)期間保存資料和處理 舌動幸乂佳貫、例對於諸如無線手機（wireless handset)，個 人系、、先’以及數位播放機器（digitai piayer machine)之較小系 統而言是挺方便的。 根據本發明之晶片與電池（晶片）整合的優點不少。譬如 1222259 (10) 發明說明續頁 說，本發明會大幅減縮整個系統尺寸。第二，由於電池晶 片位置非常接近系統，故而本發明會改善電源供給效率。 因此，不予考慮導因於電阻性損耗和熱消耗（它們是由電 源經過長電阻性電源匯流排所造成）的能量浪費。另一優 點是：因為電池晶片除了相關控制電路外還包括電池組電 池陣列，所以電源管理變得比較容易。
另一利益則是：減少了導因於電源的雜訊。而且，本發 明容許增加去耦電容器和穩壓器，也可以將它們整合在電 池晶片上以管理雜訊。本發明之又一優點是：將由電池充 放電所引起的熱效應減到最小。藉由將電池控制器和穩壓 器整合在封裝中以代替使用一種外部晶片，將熱效應減到 最小。而且，利用溫度控制來操作電池是更有效的。沿著 這些線路，藉由降低充電期間電池發熱，就會增加電池使 用期限，進而大幅改善充電效率。
圖4繪示用來圖解說明本發明之一較佳方法的流程圖， 它包括下列步驟：將至少一個積體電路晶片210，320連接 400到封裝240或多晶片模組340。其次，將至少一個固態電 池220，3 10連接410到封裝240或多晶片模組340。最後，藉由 至少一個固態電池220，3 10來供電420至少一個積體電路晶 片 210 ， 320 。 雖然依據一些較佳實施例而已經描述本發明，但是那些 熟習於此技藝者將會察覺到··在所附申請專利範圍之精神 和範圍内，能夠加以修改來實行本發明。 -16- 1222259 (ii) 圖式代表符號說明 100 101， 210, 320 102 103 104, 240 105 106a, 106b 220,310 230 250 300 340 發明說明續頁 整合式固態電池暨晶片封裝系統 晶片 (固態）電池晶片 輸入/輸出插腳（焊接區） 封裝 陰影區域 引線 固態電池 電源 焊接凸塊 (焊球） (連接） 子系統 多晶片模組
-17-

Claims (1)

1222259 第092100054號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年4月
拾、申請專利範圍 1 . 一種適於電池與積體電路晶片整合之系統層次裝置，包 括： 至少一個電池； 由該至少一個電池供電的至少一個積體電路晶片；以 及 一個具有一對相對的直立末端之封裝，該封裝係連接 到該至少一個電池和該至少一個積體電路晶片中任一 個，該至少一個積體電路晶片係配置於該至少一個電池 及該封裝之間。 2.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該封裝經由封裝 之内部而連接到該至少一個積體電路晶片。 3 .根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該至少一個電池 突出於該至少一個積體電路晶片上面，其中該至少一個 積體電路晶片連接到該封裝之上内縮部分，其中該至少 一個電池大於該至少一個積體電路晶片。 4.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該至少一個電池 連接到該封裝之一底面。 5 . —種適於電池與積體電路晶片整合之系統層次裝置，包 括： 至少一個電池； 由該至少一個電池供電的至少一個積體電路晶片；以及 連接到該至少一個電池和該至少一個積體電路晶片 中任一個的一個封裝，該至少一個電池連接到該封裝的 1222259
一對相對的直立末端，且該至少一個積體電路晶片係1己 置於該至少一個電池及該封裝之間。 6. 根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該至少一個電池 進一步包括連接電池堆疊。 7. —種適於電池與積體電路晶片整合的系統層次裝置，包 括一多晶片模組整合系統，其中該多晶片模組整合系統 包括： 具有一對相對的直接末端之一多晶片模組； 連接到該多晶片模組的至少一個電池；以及 連接到該電池的至少一個積體電路晶片，其中該積 體電路晶片是由該電池供電，且其中該至少一個電池 懸浮於該積體晶片上面，且該至少一個電池係大於該 至少一個積體電路晶片。 8 ·根據申請專利範圍第7項之裝置，其中該多晶片模組經 由多晶片槔組之内部而連接到該至少一個積體電路晶 片° 9. 根據申請專利範圍第7項之裝置，其中該至少一個積體 電路晶片連接到該多晶片模組之上内縮部分。 10. —種適於電池與積體電路晶片整合之系統層次裝置，包 括一多晶片模組整合系統，其中該多晶片模組整合系統 包括： 一多晶片模組， 連接到該多晶片模組的至少一個電池；以及 -2-
1222259 連接到該電池的至少一個積體電路晶片，其中該積襤 電路晶片是由遠電池供電， 其中該至少一個電池連接到該多晶片模組之一對相 對直立末端，且其中該至少一個電池懸浮於該至少一個 積體電路晶片上面，且該至少一個電池係大於該至少一 個積體電路晶片。 11. 一種整合式晶片結構，包括： 一積體電路晶片； 直接連接到該積體電路晶片之一電池；以及 一個具有一對相對的直立末端之封裝，該封裝係連接 到該電池和該積體電路晶片中任一個，該積體電路晶片 係配置於該電池及該封裝之間。 12. 根據申請專利範圍第11項之結構，進一步包括在該電池 與該積體電路晶片之間的焊接連接（solder connections)。 13. 根據申請專利範圍第12項之結構，其中該焊接連接包括 在該電池與該積體電路晶片之間的電連接。 14. 根據申請專利範圍第11項之結構，其中該封裝包圍著該 電池和該積體電路晶片。 15. 根據申請專利範圍第12項之結構，其中將該電池直接連 接到該封裝。 16. —種整合式晶片結構，包括： 具有一對相對的直立末端之一封裝； 黏裝在該封裝上面之一積體電路晶片，以及 直接連接到該封裝且電連接到該積體電路晶片之一
1222259 電池，該積體電路晶片係配置於該電池及該封裝之間一。 17. 根據申請專利範圍第16項之結構，其中藉由該封裝將該 電池固定鄰接著該積體電路晶片。 18. 根據申請專利範圍第16項之結構，其中該封裝是在該電 池與該積體電路晶片之間。 19. 根據申請專利範圍第16項之結構，其中該電池經由電池 而被電連接到該積體電路晶片。 20. 根據申請專利範圍第16項之結構，其中該電池包括堆疊 在該封裝上面的多數電池。
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