TWI789400B

TWI789400B - 充電器

Info

Publication number: TWI789400B
Application number: TW107121763A
Authority: TW
Inventors: 陳佑民; 林天麒; 林冠宇; 陳廷瑋
Original assignee: 澳門商萬國半導體（澳門）股份有限公司
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2023-01-11
Also published as: TW201943170A; TW202315268A

Abstract

本揭露提供一種充電器，該充電器包含用於散熱的一導熱板、以及一電晶體。該電晶體包含一第一脈動電壓位準的一汲極終端，以及一第二脈動電壓位準的一源極終端。該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準。其中，該源極終端連接至該導熱板，該導熱板位在一母板的一第一表面上，該母板包括一或多個導熱層，該導熱層包埋在該第一表面及與該第一表面對立的第二表面之間的該母板中，以及該一或多個導熱層連接至該導熱板。

Description

充電器

本揭露係關於電源充電裝置。更特別地，本揭露係關於充電電子裝置的充電器。

諸如手機充電器之類的充電器已為人所知。由於有越來越多的應用程式，尤其是在手機上運作的多媒體應用程式，可使手機的電池電量非常快速地消耗。其他消費電子裝置(例如MP3播放器、遊戲機、相機和手機藍牙耳機)也可能發生同樣的情況。這些電子裝置可能需要頻繁充電。為了滿足這種電力需求，開發了可攜式電源供應器。

本揭露的一些實施例提供一種充電器。該充電器包含用於散熱的一導熱板、以及一電晶體。該電晶體包含一第一脈動電壓位準的一汲極終端，以及一第二脈動電壓位準的一源極終端。該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準。其中，該源極終端連接至該導熱板，該導熱板位在一母板的一第一表面上，該母板包括一或多個導熱層，該導熱層包埋在該第一表面及與該第一表面對立的第二表面之間的該母板中，以及該一或多個導熱層連接至該導熱板。

在一實施例中，該源極終端附接至一載體，而該汲極終端是打線接合並且連接至該載體的多個第一接腳。

在另一實施例中，該載體包含附接至該導熱板的多個第二接腳。

在另一實施例中，該導熱板包含一銅包覆(copper clad)。

在另一實施例中，該一或多個導熱層包含一或多個銅包覆。

在另一實施例中，該充電器另包含一控制器，經配置以控制該電晶體的導通時間。

在另一實施例中，控制器包含脈衝寬度調節(pulse-width modulation，PWM)控制器或恆定導通時間(constant on-time，COT)控制器其中之一。

在另一實施例中，該控制器與該電晶體共同封裝於一半導體裝置中。

在另一實施例中，該充電器另包含一變壓器(transformer)，其中該電晶體的該汲極終端耦合至該變壓器的初級繞組(primary winding)的同位端(dotted terminal)。

本揭露的一些實施例提供亦提供一種充電器。該充電器包含用於散熱的一導熱板、以及一半導體裝置。該半導體裝置包含一載體，其包含一晶粒墊(die pad)、第一接腳與第二接腳，並且包含附接至該載體的一電晶體。該電晶體包含一第一脈動電壓位準的一汲極終端、以及一第二脈動電壓位準的一源極終端，該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準。該汲極終端是打線接合並且連接至該載體的該等第一接腳。該源極終端附接至該載體的該晶粒墊。該等第二接腳自該半導體裝置暴露並且附接至該導熱板。

10:充電器

11:控制器

12:電晶體

14:變壓器

15:輸入級

16:濾波器

17:緩衝器

18:輸出級

25:模塑料

30:半導體裝置

35:模塑料

40:母板

42:散熱片

50:充電器

60:母板

61:第一表面

62:第二表面

68:傳導通路

71:銅包覆層

72:銅包覆層

120:晶粒墊

128:主動層

155:橋式整流器

S:源極

D:汲極

G:閘極

BW:接合線

BW1:第一接合線

BW2:第二接合線

LF:引線框架

LF1:第一載體

LF2:第二載體

GND:接地

CS:電流感測接腳

Source:源極

Controller:控制器

CTRL:控制訊號

MOSFET:金屬氧化物半導體場效電晶體

Drain:汲極

VCC:電源

Vac:交流電壓

Vin:輸入電壓

C1:電容元件

C2:電容元件

C3:電容元件

D1:二極體

D2:二極體

R1:電阻元件

R2:電阻元件

Vout:輸出電壓

Load:負載

請注意，根據產業標準施行，各種特徵並未依比例繪製。事實上，各種特徵的尺寸可放大或縮小以利清楚說明。

圖1為電路圖，例示本揭露實施例之充電器。

圖2A為示意圖，例示本揭露實施例之圖1所示的充電器之電晶體。

圖2B為剖面圖，例示圖2A沿著線AA所示之電晶體。

圖3A為示意俯視圖，例示本揭露實施例之包含圖1所示該充電器之電晶體與控制器的半導體裝置。

圖3B為仰視圖，例示圖3A所示之半導體裝置。

圖4為示意圖，例示本揭露實施例之圖1所示的充電器。

圖5為剖面圖，例示本揭露實施例之充電器。

以下揭露內容提供許多不同的實施例或實例，用於實施所提供標的之不同的特徵。以下描述組件與配置的特定實例以簡化本揭露。當然，這些僅為例式而非用以限制本揭露。例如，在說明內容中，第一特徵形成於第二特徵上方或形成於第二特徵上可包含形成第一與第二特徵直接接觸的實施例，亦可包含形成其他特徵於第一與第二特徵之間的實施例，使得第一與第二特徵可不直接接觸。此外，本揭露可於不同實例中重複元件符號與/或文字。此重複是為了簡化與澄清之目的，且其本身並不決定所討論的各種實施例和/或架構之間的關係。

根據本揭露的一些實施例，圖1為充電器10的電路圖。充電器10可包含攜式充電器，用於對手機或其他可攜式電子裝置即時充電。

參閱圖1，充電器10包含控制器11、電晶體12以及變壓器14。控制器11經配置以產生控制訊號CTRL，其控制電晶體12的導通時間與關閉時間。在一實施例中，控制器11包含脈衝寬度調節(pulse-width modulation，PWM)控制器或恆定導通時間(constant on-time，COT)控制器。該控制器11在電流感測接腳CS偵測流經電晶體12的源極接腳之電流強度，並且測定控制訊號CTRL的工作週期(duty cycle)。藉由改變提供至電晶體12的控制訊號CTRL之工作週期，控制器11使變壓器14產生用於電子裝置，即圖1中的負載，的所欲之輸出電壓Vout。在本實施例中，控制器11與電晶體12作為AC至DC轉換器。

電晶體12可包含金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)。電晶體12的汲極終端連接至變壓器14的初級繞組(primary winding)的同位端(dotted terminal)(表示極性)。電晶體12的源極終端(將詳述於下)附接至導熱板，例如散熱用的散熱片。電晶體12的閘極連接至控制器11，以接收控制訊號CTRL。在操作中，汲極脈動電壓可至少高達數百伏特(V)，而源極脈動電壓可低至1V。汲極電壓顯著大於源極電壓，並且可大至少兩個量級(一百倍)。電晶體12作為在高壓環境中操作的開關。

在本實施例中，充電器10亦包含輸入級(input stage)15、濾波器16、緩衝器(snubber)17以及輸出級(output stage)18。響應交流(ac)電壓Vac(其可為主要供應電壓)，輸入級15經配置以提供輸入電壓Vin。在一些亞洲國家，Vac可為110V，在美國或歐洲可為220V至240V之範圍。輸入級15包含橋式整流器155，用於將Vac轉變為直流(dc)電壓。電壓Vin在濾波器16過濾以移除AC波紋，並且在緩衝器(snubber)17處理以抑制電壓瞬變。在例示實施例中，濾波器16包含電容元件C1連接於橋式整流器155與參考電壓(例如，接地電壓)之間。再者，緩衝器(snubber)17包含並聯連接的電容元件C2與電阻元件R1，而後一起與變壓器14的初級繞組的終端之間的二極體D串聯連接。二極體D1的陽極連接至變壓器14的初級繞組的同位端。

變壓器14經配置以將相對大的輸入電壓Vin轉變為相對小的輸出電壓Vout。Vout與Vin之間的關係可用以下方程式表示。

其中D代表控制訊號CRTL的工作週期，以及N1與N2分別代表變壓器14的初級繞組與次級繞組(secondary winding)的線圈數。

在一實施例中，Vin接近

Vac，而Vout取決於應用而通常範圍可自約5至12V，或是在一些情況下可達到接近20V。在輸出級18提供輸出電壓Vout。在例示實施例中，輸出級18包含電阻元件R2與電容元件C3，串聯連接於二極體D2的陰極與變壓器14的次級繞組的非同位端之間。電阻元件R2功能作為等效串聯電阻(equivalent series resistor，ESR)。二極體D2的陽極連接至變壓器14的次級繞組的同位端。

圖2A為示意圖，例示本揭露實施例之圖1所示的充電器10的電晶體12。

參閱圖2A，電晶體12於其源極終端附接至支撐基板或載體，例如引線框架LF。引線框架LF包含晶粒墊120、第一接腳D與第二接腳S。電晶體12的閘極與汲極終端經由接合線BW而打線接合至引線框架 LF的對應接腳G與D。電晶體的源極終端附接至引線框架LF的晶粒墊120。電晶體12與接合線BW一起封裝在模塑料25(如虛線矩形框所示)中。該技藝中具有通常技術者可理解取決於施加到其上的電壓位準，MOS電晶體的汲極和源極終端可互換。例如，在操作中，汲極電壓通常高於n型MOS(NMOS)電晶體中的源極電壓，並且低於p型MOS(PMOS)電晶體中的源極電壓。

圖2B為剖面圖，例示圖2A沿著線AA所示之電晶體。

參閱圖2B，電晶體12包含閘極終端G、汲極終端D、源極終端S、以及汲極終端D與源極終端S之間的主動層128。主動層128可包含半導體層與互連結構以致能電晶體功能。源極終端S與汲極終端D位於主動層128的對側上。電晶體12的源極終端S附接至引線框架LF，其附接至母板(例如印刷電路板)上的散熱片。因此，可說電晶體12具有底部源極結構，其中源極終端S比汲極終端D更接近散熱片。以下討論電晶體12的優點，其中源極S耦合至散熱片。

在現有的充電器中，對比於本揭露之充電器10中的頂部汲極底部源極電晶體結構，電晶體的汲極終端附接至載體，而後附接至印刷電路板上的散熱片。如前所述，在ACDC應用中，汲極電壓高於數百伏特。為了散熱，需要相對大的銅包覆作為散熱片以冷卻電晶體。然而，在底部汲極電晶體結構中，汲極接腳脈動電壓為電磁干擾的射極(emitter of electromagnetic influence，EMI)。雖然使用大的銅包覆以獲得較佳的熱性能，但是可能發生更強的輻射並且惡化EMI問題。因此，需要有效率的EMI濾波器，以減輕EMI輻射，這可能無可避免地使電路設計複雜化並增加充電器的成本。

不像現有的充電器，底部源極電晶體結構具有相對低的源極脈動電壓，其可為如前所述之低至1V，顯著低於汲極脈動電壓。相較於基於底部汲極電晶體結構之現有方法，本揭露之充電器10享有相對大的散熱片，其增強了熱性能，同時避免由於作為發射源的高脈動電壓所引起的EMI問題。

可在美國專利第7,394,151號(‘151專利)(標題為「Semiconductor package with Plated Connection」)或是美國專利第8,008,716(‘716專利)(標題為「Inverted-Trench Grounded-Source FET Structure with Trenched Source Body Short Electrode」)中找到底部源極結構，該兩個專利皆授權給相同的受讓人。特別地，底部源極結構揭露於例如‘151專利中的圖7A與7B及相關說明中，或是例如‘716專利中的圖2與3及相關說明中。‘151與‘716專利的相關說明併入本案作為參考。

具有底部汲極結構之現有的電晶體(例如平面MOSFET與溝渠MOSFET)亦可應用於本實施例中而不需修飾。在一些實施例中，該電晶體經「翻轉」以其源極終端面向引線框架，並且於源極終端附接至該引線框架，形成圖2A與2B所示之底部源極結構。

圖3A為俯視示意圖，例示本揭露實施例之半導體裝置30，其包含圖1所示的充電器10的控制器11與電晶體12。

參閱圖3A，充電器10的控制器11與電晶體12共同封裝於半導體裝置30中。具體而言，附接至第一載體LF1的控制器11與附接至第二載體LF2的電晶體12封裝在模塑料35中。為了控制電晶體12，控制器11經由第一接合線BW1傳送控制訊號CTRL至電晶體12的閘極。電晶體12的汲極終端經由第二接合線BW2而電連接至第二載體LF2的第一接腳(汲極接腳D)。考量相對大的汲極電壓，第二載體LF2包含數個汲極接腳。

圖3B為仰視圖，例示圖3A所示之半導體裝置30。參閱圖3B，第二載體LF2的一些第二接腳(源極接腳S)自半導體裝置30暴露。這些暴露的源極接腳S與散熱片一起作用以助於散熱。

圖4為示意圖，例示本揭露實施例之圖1所示的充電器10。

參閱圖4，第二載體LF2藉由例如焊膏而附接至母板40上的散熱片42。在本實施例中，電晶體12的源極終端所位在的晶粒墊120係附接至散熱片42。半導體裝置30(特別是電晶體12)所產生的熱可經由底部源極終端而向散熱片42消散，並且亦可經由暴露的源極接腳S而向散熱片42消散。因此，暴露的源極接腳S提供額外的散熱路徑。

圖5為剖面圖，例示本揭露實施例之充電器50。

參閱圖5，充電器50包含電晶體12與變壓器14，其位於母板60的第一表面61上。在本實施例中，電晶體12經封裝為單一半導體裝置。或者，如圖3A所示，電晶體12可與控制器11共同封裝於半導體裝置中。電晶體12的源極終端附接至載體，其附接至位在第一表面61上的銅包覆42。銅包覆42作為散熱片。母板60包含至少一導熱層，用於散熱。在本實施例中，該至少一導熱層包含包埋在母板60中的銅包覆71與72。在其他實施例中，銅包覆層的數目不限於兩層。額外的銅包覆層71與72經由傳導通路68而與銅包覆42耦合，使得從電晶體12經由第一表面61上的銅包覆42與銅包覆層71、72朝向母板60的第二表面62散熱。

該技藝中具有通常技術者可理解可進行本文所揭露的實施例之修飾。例如，可改變接腳的總數。此技藝中具有通常技術者可進行其他修飾，並且所有該等修飾皆落入申請專利範圍所定義之本揭露中。

10‧‧‧充電器

11‧‧‧控制器

12‧‧‧電晶體

14‧‧‧變壓器

15‧‧‧輸入級

16‧‧‧濾波器

17‧‧‧緩衝器

18‧‧‧輸出級

155‧‧‧橋式整流器

GND‧‧‧接地

CS‧‧‧電流感測接腳

Source‧‧‧源極

Controller‧‧‧控制器

CTRL‧‧‧控制訊號

MOSFET‧‧‧金屬氧化物半導體場效電晶體

Drain‧‧‧汲極

VCC‧‧‧電源

Vac‧‧‧交流電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

C1‧‧‧電容元件

C2‧‧‧電容元件

C3‧‧‧電容元件

D1‧‧‧二極體

D2‧‧‧二極體

R1‧‧‧電阻元件

R2‧‧‧電阻元件

Vout‧‧‧輸出電壓

Load‧‧‧負載

Claims

一種充電器，包括：一導熱板，用於散熱；以及一電晶體，包括：一第一脈動電壓位準的一汲極終端；以及一第二脈動電壓位準的一源極終端，該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準；其中該源極終端連接至該導熱板；其中該導熱板位在一母板的一第一表面上；其中該母板包括一或多個導熱層，該導熱層包埋在該第一表面及與該第一表面對立的第二表面之間的該母板中；其中該一或多個導熱層連接至該導熱板；以及其中該導熱板位於該電晶體與該母板之間。
一種充電器，包括：一導熱板，用於散熱；以及一電晶體，包括：一第一脈動電壓位準的一汲極終端；以及一第二脈動電壓位準的一源極終端，該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準；其中該源極終端連接至該導熱板；其中該導熱板位在一母板的一第一表面上；其中該母板包括一或多個導熱層，該導熱層包埋在該第一表面及與該第一表面對立的第二表面之間的該母板中；以及其中該源極終端附接至一載體，以及其中該汲極終端係打線接合且連接至該載體的複數個第一接腳。
如請求項2所述之充電器，其中該載體包含附接至該導熱板的複數個第二接腳。
如請求項1所述之充電器，其中該導熱板包含一銅包覆(copper clad)。
如請求項1所述之充電器，其中該一或多個導熱層包含一或多個銅包覆。
如請求項1所述之充電器，另包括：一控制器，經配置以控制該電晶體的導通時間。
如請求項6所述之充電器，其中該控制器包含脈衝寬度調節(pulse-width modulation，PWM)控制器或恆定導通時間(constant on-time，COT)控制器其中之一。
如請求項7所述之充電器，其中該控制器與該電晶體共同封裝在一半導體裝置中。
如請求項1所述之充電器，另包括一變壓器，其中該電晶體的該汲極終端耦合至該變壓器的初級繞組(primary winding)的同位端(dotted terminal)。
一種充電器，包括：一導熱板，用於散熱；以及一半導體裝置，其包括：一載體，其包括一晶粒墊、複數個第一接腳與複數個第二接腳；以及一電晶體，其附接至該載體，該電晶體包括：一第一脈動電壓位準的一汲極終端，該汲極終端係打線接合且連接至該載體的該複數個第一接腳；以及一第二脈動電壓位準的一源極終端，該第二脈動電壓位準低於該第一脈動電壓位準，該源極終端附接至該載體的該晶粒墊，其中該複數個第二接腳連接至該晶粒墊；其中該複數個第二接腳暴露自該半導體裝置；以及其中該複數個第二接腳附接至該導熱板。
如請求項10所述之充電器，其中該載體的該晶粒墊附接至該導熱板。
如請求項10所述之充電器，其中該導熱板包含一銅包覆。
如請求項10所述之充電器，其中該導熱板位在一母板上；其中該母板包括：一導熱層，其包埋在該母板中；以及其中該導熱層連接至該導熱板。
如請求項13所述之充電器，其中該導熱層包含一銅包覆。
如請求項10所述之充電器，另包括：一控制器，經配置以控制該電晶體的導通時間。
如請求項15所述之充電器，其中該控制器包含脈衝寬度調節(pulse-width modulation，PWM)控制器或恆定導通時間(constant on-time，COT)控制器其中之一。
如請求項16所述之充電器，其中該控制器與該電晶體共同封裝在該半導體裝置中。
如請求項10所述之充電器，另包括一變壓器，其中該電晶體的該汲極終端耦合至該變壓器的初級繞組(primary winding)的同位端(dotted terminal)。