專利名稱：具有降低的寄生回路電感的集成電路封裝的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路封裝的領域，并且具體地涉及一種具有降低的寄生回路電感的集成電路封裝。
背景技術：
開關模式電源電路諸如同步降壓變換器通過諸如電容器、電感器、變壓器等的部件為負載提供功率，并且使用在導通或關斷狀態中操作的開關。在任一狀態下開關模式電源電路都消耗很小的功率，并且功率變換用最小的功率損耗來完成，因此產生高效率。開關模式電源典型地使用諸如MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)的半導體器件。例如， 開關模式電源可以包括電容器、電感器、MOSFET以及二極管或者可替代地包括高側MOSFET 和低側M0SFET。其它的部件配置是可能的。在每種情況中，諸如晶體管、二極管和電容器的部件具有關聯的寄生元件，其不利地影響電源電路的EMI (電磁干擾)或噪聲性能，因此限制電源的開關頻率。例如，包括高側MOSFET、低側MOSFET和電容器的開關模式電源電路具有關鍵 (critical)電流回路，該關鍵電流回路包括高側MOSFET的漏極到源極電流路徑、低側 MOSFET的漏極到源極電流路徑以及從高側MOSFET的漏極到低側MOSFET的源極的電容器電流路徑。關鍵回路還包括互連部件的導電跡線或電線。關鍵回路的寄生電感限制了開關模式電源電路的開關頻率。寄生回路電感是回路面積的函數。傳統的開關模式電源電路通過最小化關鍵回路的面積來降低寄生回路電感。此類解決方案與電源封裝設計和布局高度相關，因此對特定類型的封裝和布局有效。每次相同的開關模式電源電路包括在不同類型的封裝中，就需要對關鍵回路的再設計。其它的傳統解決方案包括關鍵部件的緊密布置。期望進一步降低寄生回路電感以增加開關模式電源的效率。
發明內容
根據集成電路封裝的實施例，該封裝包括開關模式電源電路，該電源電路包括耦合在一起的多個晶體管和電容器以形成具有寄生回路電感的主電流回路。集成電路封裝進一步包括導電板，該導電板通過集成電路封裝的一個或多個絕緣體層與多個晶體管和電容器間隔開。導電板在集成電路封裝內位于主電流回路的至少一部分之上，并且配置成降低主電流回路的寄生回路電感，而不承載主電流回路中流動的電流。根據操作集成電路的方法的實施例，該方法包括提供帶有開關模式電源電路以及導電板的集成電路封裝，其中該電源電路包括耦合在一起的多個晶體管和電容器以形成具有寄生回路電感的主電流回路，并且該導電板通過一個或多個絕緣體層與多個晶體管和電容器間隔開且位于主電流回路的至少一部分上。該方法進一步包括通過在集成電路封裝的導電板中電磁感應出電流來降低主電流回路的寄生回路電感，而導電板不承載主電流回路中流動的電流。根據多層集成電路封裝的實施例，該封裝包括具有多個晶體管的開關模式電源電路，該多個晶體管形成開關模式電源電路的主電流回路的一部分。多個晶體管布置在集成電路封裝的一層或多層中。該封裝進一步包括導電板，該導電板布置在集成電路封裝的與多個晶體管不同的層中。導電板足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得能夠響應于主電流回路中的電流變化而在導電板中電磁感應出電流。根據制造多層集成電路封裝的方法的實施例，該方法包括在集成電路封裝的一層或多層中布置開關模式電源電路的多個晶體管以形成開關模式電源電路的主電流回路的一部分。該方法進一步包括將導電板布置在集成電路封裝的與多個晶體管不同的層中且足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得能夠響應于主電流回路中的電流變化而在導電板中電磁感應出電流。在閱讀以下的詳細描述后和在查看附圖后，本領域技術人員將認識到附加的特征和優勢。
附圖中的部件不必成比例繪制，而重點在于示出本發明的原理。而且在附圖中，類似的附圖標記指代對應的部件。在附圖中圖1是根據實施例的包括開關模式電源電路和導電板的集成電路封裝的分解透視圖。圖2是圖1中所示的開關模式電源電路的電路圖。圖3是根據實施例的帶有附著到導電板的散熱器的圖1的集成電路封裝的透視圖。圖4A-4E是根據實施例的圖1的集成電路封裝的不同層的自頂向下的平面圖。
具體實施例方式圖1示出了多層集成電路封裝100的分解透視圖，該封裝100包括布置在封裝100 的一層或多層中的開關模式電源電路110以及布置在封裝100的不同層中的導電板120。 開關模式電源電路110包括形成開關模式電源電路110的主電流回路的一部分的多個有源部件112、114，諸如晶體管和/或二極管。開關模式電源電路110還包括電容器116，其能夠如圖1所示的那樣包括在封裝100中或位于封裝100的外部。在任一情況中，有源部件 112、114和電容器116形成了開關模式電源電路110的主電流回路，該主電流回路具有寄生回路電感。圖2示出了開關模式電源電路110的實施例的電路圖。根據該實施例，開關模式電源電路110包括低側MOSFET 112、高側MOSFET 114和電容器116。例如，開關模式電源電路可以是同步降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器等、或任何其它類型的開關模式電路。導電板120在圖2的電路圖中未示出，但是在晶體管開關期間電磁耦合到開關模式電源電路110。在一個實施例中，低側MOSFET 112、高側MOSFET 114和導電板120集成在相同的半導體管芯上。在另一實施例中，MOSFET 112、114提供成與導電板120分離。開關模式電源電路110具有電壓輸入端子(Vin)，其耦合到高側M0SFET114的漏極和電容器116的一個板。電容器116的另一個板耦合到參考電位，諸如地。開關模式電源電路110還具有耦合到高側MOSFET 114的柵極的第一柵極輸入(Ghs)和耦合到低側MOSFET
5112的柵極的第二柵極輸入(GJ，用于控制MOSFET的相應開關狀態。高側MOSFET 114的源極耦合到低側M0SFET112的漏極，以形成開關模式電源電路110的電壓輸出端子(Vom)。低側MOSFET 112的源極接地。由高側MOSFET 114的漏極到源極電流路徑、低側MOSFET 112 的漏極到源極電流路徑以及從高側MOSFET的漏極到低側MOSFET的源極的電容器電流路徑形成主電流回路。在開關轉換期間，高di/dt開關電流發生在由電容器116(在一些實施例中例如是多層陶瓷電容器)供電(source)的高側MOSFET 114和低側MOSFET 112之間。由高側 MOSFET 114的漏極到源極電流路徑、低側MOSFET 112的漏極到源極電流路徑以及電容器電流路徑形成的感應回路中存儲的能量如果不加以利用則被損耗。這個損耗隨著開關頻率而線性增加并且限制了針對給定星座(constellation)的開關頻率。通過將封裝100的導電板120放置成緊密靠近形成開關模式電源電路110的主電流回路的至少一些部件，能夠實現更高的開關頻率，因而降低回路電感。由于在開關模式電源電路110和導電板120之間耦合的磁場，主電流回路的電感降低。也就是，開關模式電源電路110中的高di/dt開關電流產生強磁場，該強磁場又在設置于封裝100內接近電源電路110的導電板120中感應出電流。導電板120中感應出的電流又產生抵消電源電路110所產生的磁場的第二磁場，至少部分地取消磁場且降低寄生回路電感。導電板120中感應出的電流對應于開關模式電源電路110的主電流回路中流動的電流的數量或方向的變化，但是導電板不承載主電流回路中流動的電流。也就是，導電板 120不形成主電流回路的一部分。回到圖1中所示的集成電路封裝100，封裝100具有多層并且導電板120布置在一層或多層中。導電板120可以是單個連續板。可替代地，導電板可以具有一個或多個開口。 通常，導電板120可以具有任何合適的形狀和大小，該形狀和大小足以將該板120電磁耦合到開關模式電源電路110的主電流回路的至少一部分，使得響應于主電流回路中的電流變化而在板120中感應出電流。導電板120位于低側MOSFET 112的至少一部分和高側MOSFET 114的至少一部分之上。MOSFET 112、114可以如圖1中所示的那樣包括在不同的半導體管芯中或者集成在相同的管芯中。在一個實施例中，絕緣體130插入在導電板120和MOSFET 112、114之間。如果電容器116集成在封裝100內，導電板120可以設計成覆蓋電容器116。電容器116如圖 1所示的那樣布置在封裝100的與導電板120不同的層中，并且如圖2所示的那樣耦合到多個晶體管112、114，以完成如上所述的開關模式電源電路110的主電流回路。除此以外，電容器116在外部連接。在任一情況中，導電板120都包括在封裝100內足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得如上所述的那樣響應于主電流回路中的電流變化而可以在導電板120中電磁感應出電流。集成電路封裝100還包括用于便于電連接到開關模式電源電路110的端子。在一個實施例中，第一柵極端子140耦合到設置于低側MOSFET 112頂側上的柵電極142。第二柵極端子150耦合到設置于高側MOSFET 114底側上的柵電極152。柵極端子140、150分別提供用于把柵極控制信號耦合到MOSFET 112、114。電壓輸出端子160耦合到設置于低側 MOSFET底側上的漏電極162以及到設置于高側MOSFET 114底側上的源電極164。封裝100 還包括電壓輸入端子170和接地端子171。設置于高側MOSFET 114頂側上的漏電極172通過封裝100的電壓輸入平面176耦合到電容器116的一個端子174。電容器端子174的底側連接到電壓輸入端子170。電容器116的另一端子184的底側連接到封裝100的接地端子171。參考平面180將第二電容器端子184的頂側耦合到設置于低側MOSFET 112頂側上的源電極182。設置于高側MOSFET 114底側上的柵和源電極152、164相互絕緣以確保 MOSFET 114的正常操作，并且設置于低側MOSFET 112頂側上的柵和源電極142、182同樣相互絕緣。參考平面180插入在集成電路封裝100的不同層中的導電板120和MOSFET 112、 114之間。集成電路封裝100可以進一步包括層間導電連接器190，其從導電板120的底側處的一點延伸到插入在導電板120和晶體管112、114之間的參考平面180。在一個實施例中，參考平面180如上所述的那樣接地，并且電容器116的一個板如上所述的那樣連接到接地參考平面180。即使有一點連接到參考平面180，導電板120也不承載開關模式電源電路 110的主回路中流動的電流。在其它實施例中，沒有導電板120的點連接到參考平面180和導電板120。導電板120可以如圖1所示的那樣大體上是平面的，或者與封裝100的底下層的形狀一致。圖3示出了組裝的集成電路封裝100，其開關模式電源電路110足夠緊密靠近導電板120，使得在電源操作期間導電板120電磁耦合到開關模式電源電路110。根據一個實施例，露出背對開關模式電源電路110的底下晶體管112、114的導電板120的頂側。散熱器 200可以附著到導電板120的露出頂側以改善封裝組件的熱傳遞特性。圖4A-4E示出了在組裝期間集成電路封裝100的不同層。圖4A示出了封裝100 的端子層，其具有用于低側MOSFET 112的柵極端子140、用于高側MOSFET 114的柵極端子 150、輸出端子160、電壓輸入端子170和接地端子171。圖4B示出了位于封裝100的中間部件層中的開關模式電源電路110的部件。電容器116提供在一個區域中，而晶體管112、 114提供在不同的區域中。一個電容器端子174的底側連接到電壓輸入端子170，而另一電容器端子184的底側連接到接地端子171。高側MOSFET 114設置于用于高側MOSFET 114 的柵極端子150之上，其中設置于MOSFET 114底側上的對應柵電極152連接到封裝100的對應柵極端子150。設置于高側MOSFET 114底側上的源電極164與也設置于高側MOSFET 114底側上的柵電極152間隔開。高側MOSFET 114頂側上的柵和源電極152、164在圖4B 中以虛線示出，因為它們不在視野中。設置于低側MOSFET 112底側上的漏電極162同樣在圖4B中以虛線示出。高側M0SFET114的源電極164和低側MOSFET 112的漏電極162 二者都連接到封裝100的輸出端子160。高側MOSFET 114的漏電極172和低側MOSFET的柵和源電極142、182設置于晶體管的相應頂側上。圖4C示出了設置于部件層之上的封裝100的中間連接層。連接層包括電壓輸入平面176，其一個末端耦合到高側MOSFET 114的漏電極172而另一個末端耦合到電容器116 的高側端子174，其中高側MOSFET 114的漏電極172由于它不在視野中而在圖4C中以虛線示出并且電容器116的高側端子174也以虛線示出。電壓輸入平面176將提供在封裝100 的電壓輸入端子170處的輸入電壓耦合到高側MOSFET 114的漏極和電容器116的一個板。 參考平面180具有耦合到低側MOSFET 112的源電極182的一個末端以及耦合到電容器116 的低側端子184的另一個末端，其中低側MOSFET 112的源電極182由于它不在視野中而在圖4C中以虛線示出并且電容器116的低側端子184也以虛線示出。參考平面180將低側MOSFET 112的源極和電容器116的另一板耦合到參考電位，諸如提供在封裝100的接地端子170處的地。在一個實施例中，參考平面180通過層間導電連接器190接地，該層間導電連接器 190從參考平面180的頂側延伸到包括在封裝100內的導電板120的底側。參考平面180 可以接地或耦合到另一參考電位。即使有一點通過層間連接器190連接到參考平面180，導電板120也不承載開關模式電源電路110的主回路中流動的電流。在其它實施例中，沒有導電板120的點連接到參考平面，并且層間連接器190從封裝100排除。在任一情況中，封裝100的連接層都還包括第三導電平面210，其將低側MOSFET 112的柵電極142連接到在封裝100的底下端子層中的對應柵極端子140。圖4D示出了設置于連接層之上的封裝100的中間隔離層。隔離層包括絕緣體 130，用于將開關模式電源電路110的底下部件與上覆導電板120分離。絕緣體130可以是單個連續層或者分割成單獨的絕緣體，每個絕緣體都具有取決于底下層的厚度的厚度。這樣，封裝100的每個層是相對平面的。可替代地，一個或多個封裝層是非平面的。在任一情況中，間隙220提供在絕緣體130中以允許層間導電連接器190從參考平面180的頂側延伸到導電板120的底側從而用于將導電板120的一點耦合到諸如地的參考電位。除此以外， 在絕緣體130中不需要間隙。圖4E示出了封裝100的導電板層。如果導電板120的頂側待附著到散熱器，例如如圖3所示，則該層可以是封裝100的頂層。除此之外，在導電板120之上可以設置一個或多個附加層。圖4E中所示的虛線框表示層間導電連接器190，當導電板120的一點耦合到諸如地的參考電位時，該層間導電連接器190從導電板120的底側延伸到參考平面180的頂側。如果不期望這樣的連接，則層間連接器190從封裝100排除并且導電板120通過絕緣層而與底下開關模式電源電路110物理斷開。例如，如果電容器116在封裝100的外部， 則層間連接器190。為易于描述起見，空間上相對的術語諸如“在...下面”、“在...之下”、“下”、 “在...之上”、“上”等等用來解釋一個元件相對于第二元件的定位。這些術語旨在涵蓋除與附圖中描述的取向不同的取向之外的裝置的不同取向。進一步，術語諸如“第一”、“第二” 等等也用來描述各個元件、區域、部分等并且也不旨在進行限制。在整個描述中，類似的術語指代類似的元件。如這里使用的，術語“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等等是開放式術語，其表明存在所述的元件或特征但不排除另外的元件或特征。冠詞“一”、“一個”及“該”旨在包括復數以及單數，除非上下文另外明確表明。記住變化和應用的上述范圍，應當理解的是，本發明不被在前的描述限制，也不被附圖限制。相反，本發明僅由所附權利要求及其法律等同物所限制。
權利要求
1.一種集成電路封裝，包括開關模式電源電路，包括耦合在一起的多個晶體管和電容器以形成具有寄生回路電感的主電流回路；以及導電板，通過集成電路封裝的一個或多個絕緣體層而與多個晶體管和電容器間隔開， 所述導電板在集成電路封裝內位于主電流回路的至少一部分之上，所述導電板配置成降低主電流回路的寄生回路電感而不承載主電流回路中流動的電流。
2.權利要求1的集成電路封裝，其中導電板配置成響應于在導電板中由基于主電流回路中流動的電流變化而產生的磁場感應出的電流來產生磁場。
3.權利要求1的集成電路封裝，其中開關模式電源電路為包括高側MOSFET和低側 MOSFET的功率變換器電路，并且其中導電板位于高側MOSFET的至少一部分和低側MOSFET 的至少一部分之上。
4.權利要求3的集成電路封裝，其中高側MOSFET和低側MOSFET包括在不同的半導體管芯中。
5.權利要求1的集成電路封裝，其中導電板在一點處連接到參考電位。
6.權利要求5的集成電路封裝，其中參考電位是地并且電容器的一個板耦合到地參考電位。
7.一種操作集成電路的方法，包括提供帶有開關模式電源電路以及導電板的集成電路封裝，該開關模式電源電路包括耦合在一起的多個晶體管和電容器以形成具有寄生回路電感的主電流回路，并且該導電板通過一個或多個絕緣體層而與多個晶體管和電容器間隔開且位于主電流回路的至少一部分之上；以及通過在集成電路封裝的導電板中電磁感應出電流來降低主電流回路的寄生回路電感， 而導電板不承載主電流回路中流動的電流。
8.權利要求7的方法，包括改變主電流回路中的電流；響應于響應于主電流回路中的電流變化而產生的第一磁場，在導電板中感應出電流；以及響應于導電板中感應出的電流而產生第二磁場，該第二磁場至少部分取消第一磁場。
9.權利要求7的方法，包括將導電板的一點連接到參考電位。
10.權利要求9的方法，包括將導電板的一點連接到地電位；以及連接電容器的一個板到地電位。
11.一種多層集成電路封裝，包括包括多個晶體管的開關模式電源電路，所述多個晶體管形成開關模式電源電路的主電流回路的一部分，所述多個晶體管布置在集成電路封裝的一層或多層中；以及導電板，布置在集成電路封裝的與多個晶體管不同的層中足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得能夠響應于主電流回路中的電流變化而在導電板中電磁感應出電流。
12.權利要求11的多層集成電路封裝，其中開關模式電源電路包括第一MOSFET和第二 M0SFET，導電板位于第一和第二 MOSFET之上，并且至少一個絕緣體層插入在導電板與第一和第二 MOSFET之間。
13.權利要求12的多層集成電路封裝，其中導電板位于第一MOSFET的至少一部分以及第二 MOSFET的至少一部分之上。
14.權利要求12的多層集成電路封裝，其中第一MOSFET是功率變換器電路的高側 MOSFET,而第二 MOSFET是功率變換器電路的低側M0SFET。
15.權利要求14的多層集成電路封裝，其中多層集成電路封裝進一步包括耦合到低側MOSFET的柵電極的第一柵極端子；耦合到高側MOSFET的柵電極的第二柵極端子；耦合到低側MOSFET的漏電極和高側MOSFET的源電極的輸出端子；耦合到高側MOSFET的漏電極的輸入端子；以及耦合到低側MOSFET的源電極的地平面，所述地平面插入在多層集成電路封裝的不同層中的導電板和MOSFET之間。
16.權利要求11的多層集成電路封裝，其中導電板是單個連續導電板。
17.權利要求11的多層集成電路封裝，進一步包括電容器，布置在集成電路封裝的與導電板不同的層中并且耦合到多個晶體管以完成主電流回路。
18.權利要求17的多層集成電路封裝，進一步包括層間導電連接器，該層間導電連接器從導電板的底側延伸到參考平面，該參考平面布置在集成電路封裝的插入在導電板和多個晶體管之間的層之一中。
19.權利要求18的多層集成電路封裝，其中參考平面接地并且電容器的一個板耦合到參考平面。
20.權利要求11的多層集成電路封裝，其中導電板大體上是平面的。
21.權利要求11的多層集成電路封裝，進一步包括散熱器，該散熱器附著到導電板的背對多個晶體管的一側。
22.一種制造多層集成電路封裝的方法，包括在集成電路封裝的一層或多層中布置開關模式電源電路的多個晶體管以形成開關模式電源電路的主電流回路的一部分；以及將導電板布置在集成電路封裝的與多個晶體管不同的層中足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得能夠響應于主電流回路中的電流變化而在導電板中電磁感應出電流。
23.權利要求22的方法，包括將導電板定位在開關模式電源電路的第一MOSFET的至少一部分以及第二 MOSFET的至少一部分之上。
24.權利要求22的方法，進一步包括將電容器布置在集成電路封裝的與導電板不同的層中；以及將電容器耦合到多個晶體管以完成主電流回路。
25.權利要求M的方法，進一步包括將層間導電連接器的一個末端連接到導電板的面對多個晶體管的一側以及將層間導電連接器的相對末端連接到參考平面，該參考平面布置在集成電路封裝的插入在導電層和多個晶體管之間的層之一中。
26.權利要求25的方法，進一步包括將參考平面接地；以及將電容器的一個板連接到參考平面。
全文摘要
本發明涉及具有降低的寄生回路電感的集成電路封裝。多層集成電路封裝包括具有多個晶體管的開關模式電源電路，該多個晶體管形成開關模式電源電路的主電流回路的一部分。多個晶體管布置在集成電路封裝的一層或多層中。該封裝進一步包括導電板，該導電板布置在集成電路封裝的與多個晶體管不同的層中。導電板足夠緊密靠近主電流回路的至少一部分，使得能夠響應于主電流回路中的電流變化而在導電板中電磁感應出電流。
文檔編號H01L23/64GK102412238SQ20111033565
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月22日 優先權日2010年9月22日
發明者J·A·埃尤里 申請人:英飛凌科技股份有限公司