功率片上系统结构技术方案

提供了一种照明器件。该照明器件包括衬底、多个集成电路(22’、24)、多个嵌入式无源元件(26、27)以及照明元件(22)，该器件被布置为具有三层的结构：包括集成电路(22’、24)的集成电路层(11)，其中集成电路层(11)集成在衬底的第一面上；包括嵌入式无源元件(26、27)的嵌入式无源元件层(12)，其中嵌入式无源元件(26、27)嵌入在形成于衬底中的沟槽内，并且其中嵌入式无源元件(26、27)通过衬底中的过孔(28)连接至集成电路(22’、24)；以及包括照明元件(22)的接合层(13)，照明元件(22)通过倒装芯片接合或单片集成的方式连接至集成电路层(11)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉引用 本专利申请要求于2013年3月25日提交的美国临时专利申请No. 61/852, 933的 优先权，该申请以引用方式并入本文中。
本专利技术的实施例涉及功率片上系统结构。具体地，本文对集成了固态照明、信号处 理、控制电路、半导体功率开关和无源元件的结构与平台以及示例性应用进行讨论。
技术介绍
固态照明（solid state lighting，SSL)技术（例如发光二极管（LED))在光源、 照明及显示应用中具有广阔的前景。由于相比于传统日光灯和荧光灯的更高的效率和更长 的寿命，使得SSL的使用可显著降低电力消耗成本、更换成本及维护成本。另外，通过利用 信号处理及控制电路对SSL显示器中的像素进行直接控制，可将SSL技术广泛应用于微显 示、投影显示（projection display)及其他领域，以实现高性能、高效率和环保的系统。 然而，传统固态照明具有两个关键问题：价格相对昂贵且体积相对较大。以LED灯 泡为例，其价格可以是竞争产品荧光灯泡的数倍。LED灯泡成本的两大来源是LED封装及驱 动模块。LED灯的另一个缺点是驱动模块占据较大体积。通常，驱动模块的电路板包括功率 变压器、功率开关、几个电容器、和控制器。进一步地，驱动模块的无源元件（变压器、电容 器）也占据较大体积（变压器体积较大是由于离线电压相对较高（110VAC~220VAC)，因此 在几十kHz的频率范围中，变压器所需的电感值较大）。这些大体积的驱动电路严重制约了 SSL在紧凑型应用中的应用。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种经济且紧凑的适于SSL照明及显示应用的功率片上系 统结构。该结构包括具有不同功能的三层：1)集成电路层；2)嵌入式无源元件层；以及3) 接合层。这些层以高效的方式互连和集成，从而使器件的成本和体积最小化。【附图说明】 图1是示出本专利技术的实施例的整体概念性原理图的示图。 图2A是示出示例性器件的集成化功率片上系统结构的俯视图的示图。 图2B是示出图2A所示的示例性器件的集成化功率片上系统结构的仰视图的示 图。 图2C是示出图2A所示的示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图（沿 着图2A中的截面线A-A'）的示图。 图3是示出另一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。 图4是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。 图5是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。 图6是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。 图7是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。 图8A至图8G是示出制造具有根据本专利技术示例性实施例的集成化功率片上系统结 构的器件的步骤的示图。 图9示出了示例性交通灯装置。 图10示出了使用智能交通灯装置的污染物感测部署的示例。【具体实施方式】 总体而言，本专利技术的实施例涉及层状结构。该结构包括三个不同的部分。 ?第一，使用衬底来构建信号处理和控制电路以及电源管理控制电路。应当理解的 是，可在衬底正面上使用传统的1C制造工艺，来在衬底上制造所述信号处理和控制电路以 及电源管理控制电路。这些位于衬底正面上的信号处理和控制电路以及电源管理控制电路 组成了本文所谓的集成电路层。 ?第二，衬底可在例如衬底背面提供包括电感器、变压器以及电容器在内的无源元 件。这些无源元件嵌入在衬底背面，并通过过孔连接至衬底正面（集成电路层）。通过这种 嵌入方法，有效利用了衬底（例如，硅衬底）的体积，从而使器件尺寸最小化。衬底背面的 这些嵌入式无源元件组成了本文所谓的嵌入式无源元件层。 ?第三，衬底还充当插入件：SSL器件/芯片以及半导体开关可接合至衬底，并通过 接合技术（例如倒装芯片接合）与衬底上的其他元件连接。这些SSL器件/芯片以及半导 体开关组成了本文所谓的接合层。 通过采用根据此种结构的衬底而提供的高集成度避免了材料、组件和分立元件的 成本以及用于测试和再造分立元件的成本。此外，高集成度显著降低了器件的体积。 图1是示出本专利技术的实施例的整体概念性原理图的示图。所示器件具有被分为 以下拥有不同功能的三层的结构：集成电路层（11)、嵌入式无源元件层（12)以及接合层 (13)。集成电路层（11)包括例如用于光源和照明的信号处理电路和控制电路。嵌入式无 源元件层（12)包括例如电感器、变压器和电容器以及用于连接嵌入式无源元件与集成电 路层（11)的过孔。接合层（13)包括SSL照明元件和/或其他照明元件、以及半导体功率 开关。 图2A是示出示例性器件的集成化功率片上系统结构的俯视图的示图。衬底（21) 通常使用半导体。衬底（21)的"正"面（或"顶"面）包括可为SSL照明/显示元件的照明 元件（22)、用于照明元件的信号处理和控制电路（23)、电源管理电路（24)以及用于功率转 换的半导体功率开关（25)。在特定的示例中，衬底（21)为硅，照明元件（22)为GaN基LED 阵列，半导体功率开关（25)为硅基功率晶体管或复合功率晶体管（例如，GaN功率晶体管 或SiC功率晶体管）。 与硅基功率晶体管相比，相同击穿电压下，复合功率晶体管可工作在更高的频率。 因此，通过提高电源管理模块中转换器的开关频率，可减少所述器件所需的电感值和电容 值以便于集成。 图2B是示出示例性器件的集成化功率片上系统结构的仰视图的示图。衬底（21) 的"背"面（或"底"面）包括嵌入式磁性元件（26)，其包括变压器和电感器。衬底（21)的 背面还包括嵌入式电容器（27)。 图2C是示出示例性器件中的集成化功率片上系统结构的截面视图（沿着图2A中 的截面线A-A'）的示图。在该示意图中可以看到所述器件的三层：集成电路层（11)、嵌入式 无源元件层（12)和接合层（13)。集成电路层（11)包括信号处理和控制电路。这些信号处 理和控制电路包括用于照明元件（在图2A中示为元件（23)而未在图2C中示出）的信号处 理和控制电路、电源管理电路（24)以及进一步用于控制照明元件（22)的矩阵电路（22'）。 在一个实施例中，矩阵电路（22'）是能够单独调制照明元件（22)的每个像素的驱动电路阵 列的一部分。嵌入式无源元件层（12)包括嵌入式磁性元件（26)和电容器（27)。该结构在 衬底（21)中提供了用于放置无源元件的较大空间，使得更易于对大电感值的磁性元件（例 如，~100μΗ或以上）和高密度集成的电容器进行集成。无源元件通过过孔（28)连接至 集成电路层（11)。如同图2C中可见的那样，无源元件并不占用衬底正面上的宝贵空间，并 且提供了用于所述器件的超紧凑型结构。接合层（13)包括照明元件（22)(例如，SSL照明 /显示元件）和半导体功率开关（25)。接合层（13)的元件可通过焊料凸块（29)与集成电 路层（11)连接。 应当理解，图2A至图2C示出了本专利技术的一个示例性实施例，但对于多种不同的应 用中的其他实施例，各种所示元件的布局和组成可发生变化。图3至图7示出了这些不同 的其他实施例中的一部分的示例。 图3是示出与图2C所示的示例性器件不同的示例性器件的集成化功率片上系统 结构的截面视图（与图2C类似）的示图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种照明器件，包括衬底、集成电路、嵌入式无源元件、以及照明元件，所述照明器件被布置为这样一种结构，其包括：包括所述集成电路的集成电路层，其中所述集成电路层集成在所述衬底的第一面上；包括所述嵌入式无源元件的嵌入式无源元件层，其中所述嵌入式无源元件嵌入在形成于所述衬底中的沟槽内，并且其中所述嵌入式无源元件通过所述衬底中的过孔连接至所述集成电路；以及包括所述照明元件的接合层，所述照明元件通过倒装芯片接合或单片集成的方式连接至所述集成电路层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞捷，单建安，刘纪美，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81