TWI522012B - 整合式光源驅動電路及應用其之光源模組 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光源驅動設計,且特別是有關於一種整合式光源驅動電路及應用其之光源模組。
一般用以驅動發光單元的光源驅動電路係由驅動晶片、功率電晶體、二極體以及諧振電路等等的電路元件所組成。其中,驅動晶片可提供控制訊號來切換功率電晶體,藉以使發光單元得以依據功率電晶體的切換所產生之電流而發光。
在現行的光源驅動電路的設計中,上述各電路元件通常僅有驅動晶片本身因為電路複雜度較高,故而會以積體化地方式製成,而其餘電路元件一般皆係採用離散式元件的架構來實現,藉以組合出光源驅動電路。然而,如此一來光源驅動電路會在光源模組中佔據較大的面積,對於設計者的設計自由度及產品生產成本皆有不利的影響。
另一方面,即便是將上述電路元件藉由整合/積體化的方式封裝在一起,在現有的技術下,由於功率電晶體、驅動晶片及
二極體等電路元件的本身結構限制,設計者亦僅能在同一平面上進行電路佈局,因此以一般積體化的方式整合上述電路元件並無法顯著地降低整體光源驅動電路的面積。此外,由於採用一般積體化的佈局方式來整合光源驅動電路需要較大晶片面積,故整體封裝成本也會大為提升。
本發明提供一種整合式光源驅動電路及應用其之光源模組,其可利用堆疊配置的方式將光源驅動電路中的電路元件整合在一起。
本發明的整合式光源驅動電路適於驅動發光單元。所述整合式光源驅動電路包括功率電晶體、驅動晶片以及二極體。功率電晶體包括基板、第一主動區、第二主動區、閘極區以及隔絕區。第一主動區與第二主動區配置於基板的相對兩側。第二主動區與閘極區配置於基板的同一側。隔絕區與第一主動區相互電性連接,且隔絕區與第二主動區及閘極區相互電性獨立。驅動晶片堆疊於功率電晶體的第二主動區上,且電性連接至閘極區。二極體配置於功率電晶體的隔絕區中,其中二極體的陽極端朝向隔絕區以電性連接至第一主動區。
於本發明一實施例中,功率電晶體受控於該驅動晶片而選擇性地電性連接或電性分離該第一主動區與該第二主動區。
於本發明一實施例中,基板與該第二主動區具有相互對
應的開口,該開口經由該第二主動區與該基板延伸至該第一主動區,其中該隔絕區設置於該開口之中。
於本發明一實施例中,開口位於功率電晶體的中心區域內,且開口之四周與第二主動區及基板相鄰。
於本發明一實施例中,開口位於功率電晶體的邊緣區域上,且開口之四周至少一側與第二主動區及基板不相鄰。
於本發明一實施例中,功率電晶體更包括終端區。終端區,環繞地設置於基板、第一主動區以及第二主動區的周圍。
於本發明一實施例中,整合式光源驅動電路更包括導線架。導線架,具有晶片座以及多個焊墊,所述多個焊墊配置於晶片座之四周,其中功率電晶體配置於晶片座上,且第一主動區朝向晶片座。
於本發明一實施例中,二極體的陰極端電性連接至所述多個焊墊的至少其中之一,第一主動區電性連接至所述多個墊的至少其中之另一,且第二主動區電性連接至所述多個焊墊的至少其中之又一。
於本發明一實施例中,功率電晶體為一垂直雙擴散金屬氧化物半導體電晶體(vertical double-diffused MOS,VDMOS),第一主動區為VDMOS的汲極(drain),第二主動區為VDMOS的源極(source),且閘極區為VDMOS的閘極(gate)。
於本發明一實施例中,功率電晶體為一絕緣閘雙極性電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT),第一主動區為IGBT
的集極(collector),第二主動區為IGBT的射極(emitter),且閘極區為IGBT的閘極。
本發明的光源模組包括整合式光源驅動電路、諧振電路以及發光單元。所述整合式光源驅動電路包括功率電晶體、驅動晶片以及二極體。功率電晶體包括基板、第一主動區、第二主動區、閘極區以及隔絕區。第一主動區與第二主動區配置於基板的相對兩側。第二主動區與閘極區配置於基板的同一側。隔絕區與第一主動區相互電性連接,且隔絕區與第二主動區及閘極區相互電性獨立。驅動晶片堆疊於功率電晶體的第二主動區上,且電性連接至閘極區。二極體配置於功率電晶體的隔絕區中,其中二極體的陽極端朝向隔絕區以電性連接至第一主動區。諧振電路電性連接二極體的陽極端與第一主動區。發光單元電性連接二極體的陰極端。
基於上述,本發明實施例提出一種整合式光源驅動電路及應用其之發光模組。所述整合式光源驅動電路可利用堆疊配置的方式將功率電晶體、驅動晶片以及二極體整合在一起,藉以節省整體電路的封裝面積,從而令發光模組的設計成本可有效地降低。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧發光模組
100、300、400‧‧‧整合式光源驅動電路
110、310、410‧‧‧功率電晶體
112、312、412‧‧‧第一主動區
114、314、414‧‧‧第二主動區
116、316、416‧‧‧閘極區
118、318、418、350、450‧‧‧隔絕區
120、320、420‧‧‧驅動晶片
130、330、430‧‧‧二極體
340、440‧‧‧導線架
342、442‧‧‧焊墊
344、444‧‧‧晶片座
350、450‧‧‧隔絕區
GND‧‧‧接地端
LU‧‧‧發光單元
LEDS‧‧‧發光二極體串
OP‧‧‧開口
P1、P2、P3‧‧‧接腳/焊墊
RC‧‧‧諧振電路
S‧‧‧基板
TR‧‧‧終端區
圖1為本發明一實施例的發光模組的電路示意圖。
圖2A至2C為本發明一實施例的整合式光源驅動電路的結構示意圖。
圖3為本發明一實施例的整合式光源驅動電路的頂視圖。
圖4為本發明另一實施例的整合式光源驅動電路的頂視圖。
本發明實施例提出一種整合式光源驅動電路及應用其之發光模組。所述整合式光源驅動電路可利用堆疊配置的方式將功率電晶體、驅動晶片以及二極體整合在一起,藉以節省整體電路的封裝面積,從而令發光模組的設計成本可有效地降低。為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭,以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。於此,凡可能之處,在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟,係代表相同或類似部件。另外,在實施方式中所述及之“上”、“下”、“左”、“右”等敘述皆係參照圖式所繪示之方向而言,其並非用以限定本發明,於此合先敘明。
圖1為本發明一實施例的發光模組的電路示意圖。請參照圖1,本實施例的發光模組10包括整合式光源驅動電路100、諧振電路RC以及發光單元LU。
在本實施例中,整合式光源驅動電路100是由功率電晶
體110、驅動晶片120以及二極體130三者整合/積體化而成。在整合式光源驅動電路100中,功率電晶體110的控制端耦接至驅動晶片120,且功率電晶體110的第一端耦接至二極體130的陽極端。此外,整合式光源驅動電路100具有至少三個用以連接外部電路元件的接腳(如P1、P2、P3),其中二極體130的陰極端耦接至接腳P1,功率電晶體110的第一端與二極體130的陽極端共同耦接至接腳P3,且功率電晶體110的第二端耦接至接腳P2。
以光源模組10的整體電路配置觀之,諧振電路RC耦接至整合式光源驅動電路100的接腳P3,以經由接腳P3耦接至功率電晶體110的第一端與二極體130的陽極端。發光單元LU耦接至整合式光源驅動電路100的接腳P1,以經由接腳P1耦接至二極體130的陰極端。整合式光源驅動電路100的接腳P2則是耦接至一接地端GND。
以光源模組10的運作方式觀之,在光源模組10被啟動的期間,整合式光源驅動電路100中的驅動晶片120會提供週期性的控制訊號來控制功率電晶體110的導通狀態,使得諧振電路RC反應於功率電晶體110的切換而充/放能,從而產生一穩定的驅動電流,並且經由二極體130提供給發光單元LU。基此,發光單元LU即可反應於整合式光源驅動電路100所提供的驅動電流而發光。
於此,本實施例的諧振電路RC可例如為由電容、電感、電阻等被動元件所組成的諧振槽(resonant tank)。而發光單元LU
可例如為由相互並接的多個發光二極體串LEDS所組成的發光二極體模組,但本發明不以此為限。此外,在整合式光源驅動電路100中,所述二極體130可例如為蕭特基二極體(schottky diode)、快速回復二極體(fast recovery diode)、超接面二極體(super junction diode,SJ-diode)或以III-V族元素為基礎的二極體(例如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)),本發明同樣不以此為限。
詳細而言,本發明實施例的功率電晶體110是採用具垂直擴散特性的電晶體結構(後續實施例會進一步說明)來實現。基於功率電晶體110的結構特性,本實施例的驅動晶片120和二極體130是採用堆疊(stack)的方式配置於功率電晶體110之上。換言之,本發明實施例的整合式光源驅動電路100是藉由逐層堆疊功率電晶體110、驅動晶片120及二極體130的結構所封裝而成。
相較於傳統的光源驅動電路的封裝結構而言,基於所述以堆疊方式所形成之光源驅動電路100可節省較多的封裝面積,從而令電路佈局/設計的自由度可進一步提升,並且令光源模組10整體設計及生產的成本亦可相應的下降。
底下以圖2A至圖2C實施例來說明本發明實施例的整合式光源驅動電路的結構配置。其中,圖2A繪示整合式光源驅動電路100的頂視示意圖,圖2B繪示整合式光源驅動電路100的底視示意圖,圖2C繪示整合式光源驅動電路100的剖面示意圖。
請同時參照圖2A至2C,在本實施例中,功率電晶體110
包括基板S、第一主動區112、第二主動區114、閘極區116以及隔絕區。第一主動區112與第二主動區114配置於基板S的相對兩側(如圖2C所示,分別位於基板S的下側與上側)。第二主動區114與閘極區116配置於基板S的同一側。隔絕區118係配置於第二主動區112上或者周邊(後續實施例會分別說明,於此所繪示之位置僅為示意,故以虛線框表示之)。其中,隔絕區118與第一主動區112相互電性連接,且隔絕區118與第二主動區114及閘極區116相互電性獨立。除上述的結構配置外,功率電晶體110還可包括有用以分散電場作用的終端區(termination region)TR,其環繞地設置於基板S、第一主動區112及第二主動區114所形成之堆疊結構的周圍。
驅動晶片120堆疊於功率電晶體110的第二主動區114上,並且電性連接至功率電晶體110的閘極區116。二極體130配置於功率電晶體110的隔絕區118上,其中二極體116的陽極端朝向並承靠於隔絕區118與第一主動區112電性連接的表面以電性連接至第一主動區112。
更具體地說,比對圖1實施例所繪示之電路示意圖來看,第一主動區112即係對應至功率電晶體110的第一端,第二主動區114即係對應至功率電晶體110的第二端,且閘極區116即係對應至功率電晶體110的控制端。換言之,在本實施例中,上述驅動晶片120控制功率電晶體110週期性地導通/截止的動作可藉由在兩主動區112、114之間建立通道的方式,從而令第一主動區
112與第二主動區114之間選擇性/週期性地電性連接或電性分離,藉以實現功率電晶體110導通/截止的動作。
在一範例實施例中,功率電晶體110可例如為垂直雙擴散金屬氧化物半導體電晶體(vertical double-diffused MOS,VDMOS)。於此範例實施例中,第一主動區112即為VDMOS的汲極(drain),第二主動區114即為VDMOS的源極(source),且閘極區116即為VDMOS的閘極(gate)。
在另一範例實施例中,功率電晶體110亦可例如為絕緣閘雙極性電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。於此範例實施例中,第一主動區112即為IGBT的集極(collector),第二主動區114即為IGBT的射極(emitter),且閘極區116為IGBT的閘極。
但應注意的是,本發明之功率電晶體110不僅限於上述所列舉之實施範例。任何具有垂直擴散特性的電晶體結構(即,用以建立傳導通道之兩電極係設置於基板兩側的結構)皆可應用於此,本發明不以此為限。另外,於圖2C所繪示之整合式光源驅動電路100之剖面結構僅係為簡單示意功率電晶體110中的基板S、第一主動區112、第二主動區114以及閘極區116四者間的相對配置關係,其並非用以限定本發明實施例之整合式光源驅動電路100的具體剖面結構。
為便於後續實施例之配置關係說明,於此將功率電晶體110之邊緣以內之區域定義為中心區域CR(內側虛線框所包圍的
區域),並且將功率電晶體110之邊緣以外之區域定義為邊緣區域PR(兩虛線框之間所包圍的區域),如圖2B所示,在後述實施例中若提及中心區域CR與邊緣區域PR即係基於此定義所做之說明。另外,於圖2A至圖2C中,功率電晶體110中的各區112~118之間的相對配置僅係示意,本發明不以此為限。
底下以圖3及圖4實施例來分別說明上述之整合式光源驅動電路的具體實施範例。其中,圖3及圖4分別繪示本發明不同實施例之整合式光源驅動電路的頂示圖。
請先參照圖3,在本實施例中,整合式光源驅動電路300除了包括功率電晶體310、驅動晶片320以及二極體330之外,還包括有導線架(lead frame)340以及隔絕區350。其中,導線架340包括有多個焊墊342(如焊墊P1、P2、P3)以及晶片座344。
在本實施例的功率電晶體310中,基板S(於頂視圖中未示出)、第一主動區312、第二主動區314及閘極區316之間的相對配置類似於前述圖2實施例。導線架340的焊墊342配置於晶片座344的四周,而功率電晶體310則是以第一主動區312朝向晶片座344的方向配置於晶片座344之上。隔絕區350環繞地設置於終端區TR的外側四周,藉以隔絕整合式光源驅動電路300與外部元件的電性連接。於本實施例中,焊墊342是繪示以每一邊配置四個焊墊做為實施範例,但本發明不僅限於此。
更進一步地說,在本實施例的功率電晶體310中,基板S與第二主動區314具有相互對應的開口OP,所述開口OP位於中
心區域CR內,故開口OP之四周會與第二主動區314及基板S相鄰,並且依序經由第二主動區314與基板S延伸至第一主動區112(由頂部至底部之方向而言)。在本實施例中,功率電晶體310的隔絕區318係設置於所述開口OP之中。
在一範例實施例中,隔絕區318可利用在開口OP內壁上覆蓋絕緣材料並且在開口OP底部的表面上(即,第一主動區312於開口OP內所露出的表面)塗佈導電膠(conductive epoxy)的配置方式來形成。其中,二極體330的陽極端係配置於開口OP的底部,藉以透過開口OP底部的導電膠與第一主動區312電性連接,並且藉由開口OP內壁上的絕緣材料而使其本身的電性獨立於第二主動區314及閘極區316。
另一方面,在本實施例中,整合式光源驅動電路300可藉由打線(wire bonding)或打帶(ribbon bonding)的方式電性連接至焊墊342,再藉由對應的焊墊342與外部的電子元件相互電性連接。以圖3所繪示之架構為例,二極體330的陰極端、第二主動區314及第一主動區312可分別利用打線/打帶的方式電性連接至對應的焊墊P1、P2、P3。對比圖1實施例的電路架構來看,於此所述之焊墊P1、P2、P3即對應至整合式光源驅動電路100的接腳P1、P2、P3。換言之,在本實施例中,二極體330的陰極端即可經由焊墊P1電性連接至發光單元LU,第一主動區312即可經由焊墊P2電性連接至諧振電路RC,且第二主動區314即可經由焊墊P3電性連接至接地端GND。另外附帶一提的是,於此雖繪
示二極體330、第二主動區314及第一主動區312皆僅被打線/打帶至一個對應的焊墊P1~P3,但本發明不僅限於此,設計者亦可基於其設計需求與考量而將同一元件/區域同時打線至多個焊墊。
請再參照圖4,整合式光源驅動電路400包括基板S(未示出)、功率電晶體410、驅動晶片420、二極體430、導線架440以及隔絕區450,其整體配置大致上與前述實施例的整合式光源驅動電路300相似。其中,兩者間的主要差異在於隔絕區418的配置方式。
詳細而言,在本實施例中,功率電晶體410的開口OP係形成於功率電晶體410的邊緣區域PR上,故開口OP之四周至少會有一側會與第二主動區414及基板S不相鄰(於本實施例開口OP係形成於功率電晶體410之右上角,但本發明不僅限於此)。於此,隔絕區418(可例如由導電膠形成)會直接電性連接於第一主動區412,並且可視為與第二主動區420及基板S分離的區塊,因此隔絕區418會與第二主動區420及基板S相互電性獨立。基此,二極體430的陽極端可朝向隔絕區418的表面而直接地垂直置放於隔絕區418上,藉以透過隔絕區418與第一主動區312電性連接。
此外,與前述圖3實施例相類似,本實施例的整合式光源驅動電路400同樣可藉由打線/打帶的方式電性連接至焊墊442,再藉由對應的焊墊442(如焊墊P1、P2、P3)與外部的電子元件相互電性連接。
綜上所述,本發明實施例提出一種整合式光源驅動電路及應用其之發光模組。所述整合式光源驅動電路可利用堆疊配置的方式將功率電晶體、驅動晶片以及二極體整合在一起,藉以節省整體電路的封裝面積,從而令發光模組的設計成本可有效地降低。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧整合式光源驅動電路
110‧‧‧功率電晶體
112‧‧‧第一主動區
114‧‧‧第二主動區
116‧‧‧閘極區
118‧‧‧隔絕區
120‧‧‧驅動晶片
130‧‧‧二極體
S‧‧‧基板
TR‧‧‧終端區
Claims (13)
- 一種整合式光源驅動電路,包括:一功率電晶體,包括一基板、一第一主動區、一第二主動區、一閘極區以及一隔絕區,該第一主動區與該第二主動區配置於該基板的相對兩側,該第二主動區與該閘極區配置於該基板的同一側,該隔絕區與該第一主動區相互電性連接,且該隔絕區與該第二主動區及該閘極區相互電性獨立;一驅動晶片,堆疊於該功率電晶體的第二主動區上,且電性連接至該閘極區;以及一二極體,配置於該功率電晶體的隔絕區中,其中該二極體的陽極端朝向該隔絕區以電性連接至該第一主動區。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,其中該功率電晶體受控於該驅動晶片而選擇性地電性連接或電性分離該第一主動區與該第二主動區。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,其中該基板與該第二主動區具有相互對應的一開口,該開口經由該第二主動區與該基板延伸至該第一主動區,其中該隔絕區設置於該開口之中。
- 如申請專利範圍第3項所述的整合式光源驅動電路,其中該開口位於該功率電晶體的一中心區域內,且該開口之四周與該第二主動區及該基板相鄰。
- 如申請專利範圍第3項所述的整合式光源驅動電路,其中 該開口位於該功率電晶體的一邊緣區域上,且該開口之四周至少一側與該第二主動區及該基板不相鄰。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,其中該功率電晶體更包括:一終端區,環繞地設置於該基板、該第一主動區以及該第二主動區的周圍。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,更包括:一導線架,具有一晶片座以及多個焊墊,該些焊墊配置於該晶片座之四周,其中該功率電晶體配置於該晶片座上,且該第一主動區朝向該晶片座。
- 如申請專利範圍第7項所述的整合式光源驅動電路,其中該二極體的陰極端電性連接至該些焊墊的至少其中之一,該第一主動區電性連接至該些焊墊的至少其中之另一,且該第二主動區電性連接至該些焊墊的至少其中之又一。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,其中該功率電晶體為一垂直雙擴散金屬氧化物半導體電晶體(vertical double-diffused MOS,VDMOS),該第一主動區為該VDMOS的汲極(drain),該第二主動區為該VDMOS的源極(source),且該閘極區為該VDMOS的閘極(gate)。
- 如申請專利範圍第1項所述的整合式光源驅動電路,其中該功率電晶體為一絕緣閘雙極性電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT),該第一主動區為該IGBT的集極(collector),該第二主動區為該IGBT的射極(emitter),且該閘極區為該IGBT的閘極。
- 一種光源模組,包括:一整合式光源驅動電路,包括:一功率電晶體,包括一基板、一第一主動區、一第二主動區、一閘極區以及一隔絕區,該第一主動區與該第二主動區配置於該基板的相對兩側,該第二主動區與該閘極區配置於該基板的同一側,該隔絕區與該第一主動區相互電性連接,且該隔絕區與該第二主動區及該閘極區相互電性獨立;一驅動晶片,堆疊於該功率電晶體的第二主動區上,且電性連接至該閘極區;以及一二極體,配置於該功率電晶體的隔絕區上,其中該二極體的陽極端朝向該隔絕區以電性連接至該第一主動區;一諧振電路,電性連接該二極體的陽極端與該第一主動區;以及一發光單元,電性連接該二極體的陰極端。
- 如申請專利範圍第11項所述的光源模組,其中該整合式光源驅動電路更包括:一導線架,具有一晶片座以及多個焊墊,該些焊墊配置於該晶片座之四周,其中該功率電晶體配置於該晶片座上,且該第一主動區朝向該晶片座。
- 如申請專利範圍第12項所述的光源模組,其中該些焊墊包括至少一第一焊墊、至少一第二焊墊以及至少一第三焊墊,該二極體的陰極端經由所述第一焊墊電性連接至該發光單元,該第一主動區經由所述第二焊墊電性連接至該諧振電路,且該第二主動區經由所述第三焊墊電性連接至一接地端。
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