本申请公开具有减小的开关节点振铃的三维电源模块。同步降压转换器的高频电源模块(800)有漏极向下直接焊接到引脚框架的焊盘(801)的控制管芯(810)；焊盘(801)连接到VIN，且到控制管芯(810)的VIN连接表现消失的阻抗和电感，因此将开关节点电压振铃的幅值和持续时间减小多于90％。因此输入电流从焊盘垂直进入控制管芯端子。控制管芯(810)顶部上的开关节点夹片(840)被设计为具有面积足够大以漏极向下的方式放置同步管芯(820)在控制管芯顶部上；电流继续垂直流过转换器堆叠。同步管芯的有效面积等于或大于控制管芯的有效面积；同步管芯的物理面积等于或大于控制管芯的物理面积。同步管芯(820)的源极端子由设计为充当散热器的夹片(860)连接到地。
【技术实现步骤摘要】
具有减小的开关节点振铃的三维电源模块本申请是分案申请，原申请的申请日为2012年02月07日，申请号为201280007839.7，国际申请号为PCT/US2012/024171，专利技术名称为“具有减小的开关节点振铃的三维电源模块”。
本专利技术总体涉及半导体器件和工艺的领域，并且更具体涉及具有高效率并且以减小的开关节点振铃工作在高频下的电源模块的系统结构和制造方法。
技术介绍
DC-DC电源电路，尤其是开关模式电源电路的类别，在功率开关器件中是受欢迎的系列。特别适合于新兴的输电需求的是同步降压转换器，其具有串联连接的并且由共同的开关节点耦合在一起的两个功率MOS场效应晶体管(FET)。在降压转换器中，控制FET管芯(也称为高边开关)连接在供给电压VIN和LC输出滤波器之间，并且同步(sync)FET管芯(也称为低边开关)连接在LC输出滤波器和地之间(同步FET替换续流二极管(freewheelingdiode)充当同步整流器)。转换器还包括驱动器电路和控制器电路。输出电路的电感器用作电源电路的能量存储。通常的电感器应是约300到400nH，从而可靠维持恒定输出电压VOUT。一些功率开关器件用功率MOSFET、驱动器电路、控制器电路构建为分离的管芯。每个管芯通常附连到金属引脚框架的矩形或正方形焊盘，并且该焊盘由作为输出端子的引脚围绕。引脚可以在没有悬臂延伸的情况下成形，并且以四方扁平无引脚(QFN)或小型外壳无引脚(SON)器件的方式布置。源自管芯的电气连接由键合引线提供。这样的组件通常被封装在塑料封装中，并且已封装的部件作为分立构件块用于电源系统的板级组装。在其他功率开关器件中，功率MOSFET与驱动器和控制器管芯被并排组装在引脚框架焊盘上，该引脚框架焊盘进而在全部四个侧面上由用作器件输出端子的引脚围绕。引脚也可以用QFN或SON形式成形。在一些近来引入的先进组装中，铜夹用来替换连接线。这些夹片是宽的并且引入较小的寄生电感。在另一近来发展中，控制FET和同步FET以堆叠的方式被垂直组装在彼此的顶部上，其中该两者中物理面积较大的管芯附连到引脚框架焊盘，并且夹片提供到开关节点和堆叠顶部的连接。在该封装中，同步FET芯片被组装到引脚框架焊盘上，其中源极端子焊接到引脚框架焊盘。控制FET芯片的源极联结到同步管芯的漏极，从而形成开关节点，并且控制FET芯片的漏极连接到输入供给电压VIN。在两个FET之间插入的夹片连接到开关节点。焊盘处于地电位并且用作散热器。在堆叠顶部上的细长夹片将控制FET的漏极端子连接到输入供给电压VIN。在图1中示出了上一段中描述的典型的转换器，总体标为100。控制FET110堆叠在同步(sync)FET120上。控制FET管芯110相对于同步FET管芯120具有较小的面积。QFN金属引脚框架具有矩形扁平焊盘101。引脚102a和102b沿焊盘的两个相对侧面成直线布置。FET管芯的堆叠是源极向下的配置。同步FET120的源极由焊接层121焊接到引脚框架焊盘101。由焊接层122焊接在同步FET120的漏极上的第一夹片140具有由焊接层111附连的控制FET110的源极。第一夹片140因此用作转换器的开关节点端子。第二夹片160由焊接层112连接到控制FET110的漏极。第二夹片160附连到引脚框架的引脚102b，并且因此连接到输入供给电压VIN。该转换器可以高效地工作在500kHz直到1MHz的频率。图2是图1的同步降压转换器组件的电路图表示。在图2中，栅极210b示作由引线键合连接到引脚，引线键合关联于约1.94nH的寄生电感LGATE(211)和约26mΩ的寄生阻抗RGATE(212)。因为控制FET210源极向下组装到第一夹片140上，所以源极210a的寄生阻抗RSOURCE(213)几乎为零。因为源极向下组装，所以源极210a的寄生电感也是微小的。图2进一步列出同步FET220到引脚框架焊盘101的通常的寄生电感和阻抗。由于源极220a通过焊接连接到焊盘，因此该连接的寄生电阻RSOURCE(224)是微小的(约0.001mΩ)。由于同步FET220焊接附连到第一夹片140上，因此漏极220c的寄生阻抗RDRAIN(221)几乎为零；漏极220c的寄生电感也很低。栅极220b由引线键合连接到引脚，并且因此关联于约1.54nH的寄生电感LGATE(223)和约22mΩ的寄生阻抗RGATE(222)。如在图2中示出，转换器的负载电流从开关节点240流过第一夹片140到输出电感器VOUT(270)，该第一夹片140附连到引脚框架的相应引脚。沿第一夹片140，寄生阻抗ROUT(272)约为0.2mΩ，并且寄生电感LOUT(271)约为0.45nH。图2进一步示出从开关节点240连接到引脚框架的相应引脚的控制FET的栅极回路。由于该连接是通过引线键合进行的，因此该连接贡献约1.54nH的寄生电感241和约22mΩ的寄生阻抗242。
技术实现思路
申请人观察到，在如图1中示出的典型系统的ON循环的初始阶段期间，存在与开关节点电压关联的过多振铃，时间间隔约为50ns，最大值约为25V。该峰值电压可以接近或超过在系统中使用的MOSFET的击穿电压，并且因此对于许多应用，振铃的幅值和持续时间是不可接受的。在详细分析之后，申请人发现，过多振铃的根本原因与在转换器的输入节点处的过多寄生阻抗和电感关联，这导致能量在其和输出电路之间交换，并且表现为输出节点处的振铃。此外，申请人发现，对输入节点处的寄生电感和阻抗贡献最显著的是将控制FET的漏极连接到输入供给电压VIN的引脚框架端子102b的细长夹片。申请人进一步发现，即使细长夹片由高导电的材料例如铜制作，其在转换器中也被配置为使得控制FET的漏极和引脚框架端子之间流动的输入电流必须沿夹片的长度(包括颈部部分161)流动，并且流过该夹片的狭窄截面。申请人确定，在这样的转换器中，夹片通常在输入节点处添加600pH的电感和0.5mΩ的阻抗。申请人通过将转换器的输入端子直接连接到引脚框架焊盘，由此消除源自转换器电路输入节点的与夹片关联的寄生效应，从而解决该问题。这可以通过以下步骤来实现，例如：用漏极向下FET作为控制FET来构造转换器，并且将漏极端子直接放置在可附连到外部电路板的金属焊盘上，因此输入电流从Vin端子竖直并垂直流动到控制FET的漏极。这得到了几乎没有任何寄生电感或阻抗的电流路径。在控制管芯顶部上的开关节点夹片被设计为具有足够大的面积，从而将同步管芯漏极向下放置在控制管芯顶部上，使得电流继续垂直流过转换器堆叠。同步管芯的源极端子由第二夹片连接到地。该实施例经测试，将开关节点电压振铃的幅值和持续时间减小多于90％。随后在关联附图的帮助下，将更详细描述本专利技术的该实施例和其他实施例。附图说明图1示出根据现有技术组装的同步降压转换器的截面图，其中大面积的同步FET管芯附连到引脚框架焊盘，并且小面积的控制FET管芯在其顶部上；该小面积的控制FET管芯由细长的夹片连接到引脚。图2是在图1中示出的同步降压转换器的本申请人的电路图表示。图3是描绘在如图2中示出的同步降压转换器的启动之后，以时间(以纳秒为单位)为函数的开关节点电压(以伏特为单位)的图。图4显示以寄生输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成电路封装件即IC封装件，所述IC封装件包含：引脚框架，所述引脚框架包括管芯焊盘和多个引脚，其中所述管芯焊盘包括凹坑；所述凹坑中的第一管芯，所述第一管芯包括第一源极和第一漏极，所述第一漏极在所述管芯焊盘上；所述第一源极上的第一夹片，所述第一夹片将所述第一源极连接到所述多个引脚中的第一引线；包括第二源极和第二漏极的第二管芯，所述第二漏极在所述第一夹片上并且所述第二漏极连接到所述第一引脚；以及所述第二源极上的第二夹片，所述第二夹片将所述第二源极连接到所述多个引脚的第二引脚。
【技术特征摘要】
2011.02.07 US 13/021,9691.一种集成电路封装件即IC封装件，所述IC封装件包含：引脚框架，所述引脚框架包括管芯焊盘和多个引脚，其中所述管芯焊盘包括凹坑；所述凹坑中的第一管芯，所述第一管芯包括第一源极和第一漏极，所述第一漏极在所述管芯焊盘上；所述第一源极上的第一夹片，所述第一夹片将所述第一源极连接到所述多个引脚中的第一引线；包括第二源极和第二漏极的第二管芯，所述第二漏极在所述第一夹片上并且所述第二漏极连接到所述第一引脚；以及所述第二源极上的第二夹片，所述第二夹片将所述第二源极连接到所述多个引脚的第二引脚。2.根据权利要求1所述的IC封装件，其中所述第一管芯是控制场效应晶体管即FET管芯并且所述第二管芯是同步FET管芯。3.根据权利要求1所述的IC封装件，其中所述第一管芯的物理面积比所述第二管芯的物理面积小。4.根据权利要求1所述的IC封装件，其中所述第二引脚电连接到接地电压。5.根据权利要求1所述的IC封...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·赫尔嵩末，O·J·洛佩斯，J·A·浓趣勒，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。