在半导体衬底构件中实现的功率变换器制造技术

一种在半导体衬底构件(101)上实现的功率变换器，诸如DC‑DC变换器或功率放大器，该功率变换器包括：第一区域(102)，该第一区域具有无源电气部件(104)，该无源电气部件具有沉积在半导体衬底构件的相应侧(107、108)上的导电材料的第一导电层图案(105)和导电材料的第二导电层图案(106)；其中，在第一区域内的衬底中(通过蚀刻)形成沟槽(109)或通孔(110)，并且其中，导电材料至少沉积在沟槽的底部上或通孔的侧壁上，并且电连接至第一导电层图案(105)和第二导电层图案(106)中的一个或两个；以及第二区域(103)，该第二区域具有通过半导体制造工艺制造而与半导体衬底(101)集成的有源半导体部件(111)。还提供了一种嵌入半导体衬底构件的电源，诸如DC‑DC变换器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在半导体衬底构件中实现的功率变换器
技术介绍
半导体衬底部件广泛地用于紧密地集成几个到数百万个半导体部件，诸如晶体管、二极管、电阻器、电容器甚至电感器，以形成复杂得多的电路，像中央处理单元(CPU)、微控制器以及各种各样的其它器件，像用于有线或无线通信的调制解调器。然而，经常必须将诸如电感器和电容器的外部无源部件电连接到半导体部件。与之相关地，观察到存在对进一步紧密集成的电路的未满足的需求。存在对紧密集成电路的这种未满足的需求的特殊
，该特殊
是通常基于开关模式功率变换的电源单元(诸如DC-DC变换器单元)领域。通常，对电源单元的典型要求是：成本低、重量轻、可靠性高、功率变换高效并且尺寸小。进一步的典型要求是模块化和“易于使用”。对于最早的开关模式功率变换器，很明显，更高的开关频率允许更小的电感器和电容器。这又将导致更小、更轻且更廉价的系统。更小的电感器和电容器通常有助于更高的功率密度。功率密度可以定义为每体积单位的电功率，诸如[W/mm3]，该电功率表示输入到功率变换器或从功率变换器输出的额定电功率除以功率变换器的立方空间。然而，使用高开关频率不足以实现更高的功率密度。而且，由于寄生部件随着开关频率的增加而扮演越来越重要的角色，所以高开关频率可能以开关模式功率变换器的效率降低为代价。需要开发新的器件来实现诸如更高功率密度的目标。通常，应当理解，半导体衬底构件是一片衬底，该衬底可以通过半导体制造工艺将一个或多个半导体部件嵌入其中。与此相反，半导体衬底构件可以承载一个或多个部件，该一个活多个部件例如通过焊接或引线接合或另一接合技术附接到半导体衬底构件。这通常通过诸如表面贴装的安装或蒙太奇法(montage)(在安装或蒙太奇法期间)执行。而且，应当理解，半导体衬底构件可以例如以堆的形式附接到一个或多个其他半导体衬底构件。进一步地，半导体衬底构件可以附接到印刷电路板PCB；该PCB可以具有由例如玻璃纤维增强的环氧树脂材料的层支撑的一个或多个金属层。通常，已知引线接合连接引入寄生电感和电阻，并且表现为发射电磁辐射的天线，电磁辐射容易引起与电磁干扰EMI有关的问题，尤其是在(高)开关频率下。通常，已知杂散电磁场会引起有问题的电磁干扰EMI。特别地，开关电路，诸如像DC-DC变换器的开关电源和像D类功率放大器的开关功率放大器，易于引起EMI问题。通常，已知由于用于倒装芯片的半导体衬底构件仅有一侧可用于安装，所以用于将半导体衬底构件表面安装到例如印刷电路板的技术(所谓的倒装芯片法)在堆叠部件方面具有其局限性。通常，在作为小尺寸模块完全或部分地在硅衬底中实施的功率变换器电路架构的领域中，已知术语PSiP表示“封装电源”，并且术语PwrSoC表示“芯片上的电源”。有关现有技术US8907447公开了一种集成在用于DC-DC变换器中的半导体衬底中的电感器。这种电感器有时被称为硅中的功率电感器。在实施方式中，电感器具有嵌入在硅衬底中的磁性材料的磁芯和导电绕组。电感器是集成在衬底中的螺旋电感器或环形电感器。磁性材料的覆盖层布置在硅衬底的至少一侧上，以增加电感器的电感。还描述了DC-DC变换器包括安装在硅中功率电感器的覆盖层顶部上的集成电路。然而，尽管具有小尺寸，但是仍然需要这种DC-DC变换器的更加集成和效率提高。而且，用于制造电感器的工艺与半导体工艺不兼容，这使得更难将有源器件和其他无源器件集成在同一衬底中以便更紧密的集成。KR10-0438892公开了通过在同一半导体衬底中形成集成电路和薄膜电感器产生的单芯片模块封装。在半导体衬底中形成第一阱区和第二阱区。在第一阱区和第二阱区上分别形成第一MOS(金属氧化物半导体)晶体管和第二MOS(金属氧化物半导体)晶体管。在第一和第二MOS晶体管与杂质区之间电连接多个金属层图案。在所得结构上定位保护隔离层，用于分离金属层图案。在保护隔离层的预定部分上形成下芯层图案。在所得结构上依次形成第一聚酰亚胺层、金属线圈层、第二聚酰亚胺层、上芯层图案以及第三聚酰亚胺层。大多数关于集成电源的现有技术使用通过2D半导体制造技术制造的硅上电感器或硅中电感器。2D半导体制造技术局限于平面电感器几何形状，诸如圆形螺旋、矩形螺旋以及细长螺旋(所谓的跑道形电感器)-所有这些螺旋都感应出垂直于电感器平面的强杂散电磁场。这是一个朝向部件更紧密集成的问题，因为垂直于电感器平面的杂散电磁场干扰集成在电感器附近的其它部件(诸如有源半导体器件)，从而电磁干扰(EMI)可能成为问题。由此，仍然需要一种使得能够实现紧密集成并减少杂散电磁场的小尺寸的单芯片模块封装。
技术实现思路
认识到，全功能功率变换器(诸如DC-DC变换器)可以在包括所有需要的有源和无源部件的、厚度小于一毫米的单个半导体衬底构件上实现。提供了：一种如下的在半导体衬底中实现的功率变换器。在一些实施方式中，功率变换器是DC-DC变换器。在一些实施方式中，功率变换器是功率放大器，例如，音频功率放大器。还提供了一种半导体衬底构件，该半导体衬底构件包括：-第一区域，该第一区域具有无源电气部件，该无源电气部件具有沉积在半导体衬底构件的相应侧上的导电材料的第一导电层图案和导电材料的第二导电层图案；其中，在第一区域内的衬底中形成沟槽或通孔，并且其中，导电材料至少沉积在沟槽的底部上或通孔的侧壁上，并且电连接至第一导电层图案和第二导电层图案中的一个或两个；以及-第二区域，该第二区域具有通过半导体制造工艺嵌入在半导体衬底构件中的有源半导体部件。这种半导体衬底构件使得能够制造薄的电源，这些电源适用于需要其部件非常紧密集成的产品，诸如在移动装置中，例如，智能电话、智能手表等。通常，这种产品需要一定程度的电磁兼容性EMC，以确保产品内部的高级电路的正常运行。与螺旋电感器相比，这种半导体衬底构件使得能够实现更好的电感器拓扑结构，诸如环形电感器和螺线管电感器。这可以归因于使得能够实现电感器的改进的品质因数(与能量存储损耗比有关)的几何形状。可以使这种半导体衬底构件比印刷电路板上的对应部件小得多，并且具有更小的公差，这又减少了寄生元件，因此使得能够在例如诸如DC-DC变换器的电源模块中使用更高的开关频率。特别地，可以减少来自半导体衬底构件的电磁场辐射。无源部件具有3D(三维)配置，该配置不仅作为在水平的顶部和底部平面中的一个或两个中的半导体衬底构件的表面处的电气通路延伸，而且具有在垂直方向上穿过半导体衬底构件的电气通路。由此，形成3D(三维)配置。这使得能够比平面无源部件更大程度地将电磁场至少在它们最强的地方保持在半导体衬底构件的体积内。嵌入在半导体衬底构件中的有源半导体部件可以例如通过硅、氮化镓或砷化镓半导体制造工艺来制造。半导体制造工艺可以是常规的半导体制造工艺，其中，半导体晶片用作制造工艺的起始材料。该工艺可以包括蚀刻、沉积(诸如像硼和磷的)所谓掺杂剂的注入物以形成(像晶体管和二极管的)有源器件、以及沉积一层或多层金属以形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率变换器，该功率变换器包括半导体衬底构件(101)，该半导体衬底构件包括：/n-第一区域(102)，该第一区域具有无源电气部件(104)，该无源电气部件具有沉积在所述半导体衬底构件的相应侧(107、108)上的导电材料的第一导电层图案(105)和导电材料的第二导电层图案(106)；其中，在所述第一区域内的所述衬底中形成沟槽(109)或通孔(110)，并且其中，所述导电材料至少沉积在所述沟槽的底部上或所述通孔的侧壁上，并且电连接至所述第一导电层图案(105)和所述第二导电层图案(106)中的一个或两个；以及/n-第二区域(103)，该第二区域具有通过半导体制造工艺嵌入所述半导体衬底构件(101)中的有源半导体部件(111)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180211 EP 18000124.01.一种功率变换器，该功率变换器包括半导体衬底构件(101)，该半导体衬底构件包括：
-第一区域(102)，该第一区域具有无源电气部件(104)，该无源电气部件具有沉积在所述半导体衬底构件的相应侧(107、108)上的导电材料的第一导电层图案(105)和导电材料的第二导电层图案(106)；其中，在所述第一区域内的所述衬底中形成沟槽(109)或通孔(110)，并且其中，所述导电材料至少沉积在所述沟槽的底部上或所述通孔的侧壁上，并且电连接至所述第一导电层图案(105)和所述第二导电层图案(106)中的一个或两个；以及
-第二区域(103)，该第二区域具有通过半导体制造工艺嵌入所述半导体衬底构件(101)中的有源半导体部件(111)。


2.根据权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一导电层图案(105)和所述第二导电层图案(106)中的一个或两个横跨第二区域(103)中的至少一些延伸，以将所述有源半导体部件(111)与所述无源电气部件(104)电连接。


3.根据权利要求1或2所述的功率变换器，其中，所述第一导电层图案(105)和所述第二导电层图案(106)中的一个或两个包括焊盘部分(112)，该焊盘部分被暴露以便通过焊接、引线接合或倒装芯片接合进行电连接。


4.根据前述权利要求中任意一项所述的功率变换器，其中，所述第一导电层图案(105)和所述第二导电层图案(106)中的一个或两个包括从焊盘部分(112)延伸或延伸到所述焊盘部分(112)的一部分，该部分被隔离层(113)覆盖。


5.根据前述权利要求中任意一项所述的功率变换器，包括形成在所述第一区域中的电感器(124；125)，所述电感器的电感器绕组包括：
-第一绕组部分(114)，该第一绕组部分形成在所述第一导电层图案中；
-第二绕组部分(115)，该第二绕组部分由第一贯穿衬底通孔形成；
-第三绕组部分(116)，该第三绕组部分形成在所述第二导电层图案中；以及
-第四绕组部分(117)，该第四绕组部分由第二贯穿衬底通孔形成；
其中，第一部分、第二部分、第三部分以及第四部分通过所沉积的导电材料电连接。


6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·A·A·努尔，H·勒谭，
申请(专利权)人：丹麦技术大学，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK