專利名稱：與構造為散熱片的負載電感器垂直集成的dc/dc轉換器的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及半導體裝置及エ藝領域，且更明確來說涉及包括構造為散熱片且與DC/DC轉換器半橋垂直集成的負載電感器的多組件電子系統的結構及制造方法。
背景技術：
商業應用中的電子產品(例如，電信產品、家用音響產品及調節器產品)通常需要可切換電源、調節及穩定電壓及用作dc/dc轉換器的系統。這些系統不僅需要具有高效率以適當地操作，而且優選地應該還具有小的橫向及厚度尺寸且需要非常低的成本。作為系統的實例，流行的功率開關涉及15X9mm外形的矩形金屬引線框，多個離散電子組件組裝在所述引線框上且接著通過轉移模制技術使用塑封化合物來包覆成型作為ー個単元。包覆成型電カ系統的高度在2. 6與2. Sm之間。功率開關的組件可包括具有低電阻及大電流處置能力的有線接合且封裝的MOS場效應晶體管(FET);各種電阻器及電容器；及作為能量存儲裝置的經封裝負載電感器。在操作中，MOSFET必須通過經由散熱器及散熱片高效地使熱消散來保持冷卻，使得其可快速切換(快速瞬間響應)。為增強冷卻，將梳狀散熱片頻繁地添加在包覆成型囊封的頂部。對于經封裝電源系統的體積以及引線框及后來的印刷電路母板(PBC)兩者的占用面積的消耗來說，起支配作用的組件是經封裝負載電感器。作為實例，常規電感器可為具有大于5_的側長度的正方形形狀。通常，電感器包括焊接到鍍敷銅引線框且模制到磁鐵氧體材料中的經涂覆銅導線的螺旋配置線圈。用于通常的功率開關的MOSFET具有三個端子電流在源極端子與漏極端子之間流動，且柵極端子使此流動接通或關斷。以塑料模制封裝來產生這些FET是常見的，通常以方形扁平無引腳(QFN)或小外形集成電路(SOIC)配置。在所述封裝內部，芯片組裝在金屬引線框的墊上且通過接合導線(通常用于柵極)及線夾(通常用于載流源極及漏扱)連接到引線。在用于電源中的半橋中，第一 FET與第二 FET耦合。許多電源通過將兩個FET“漏極向下”組裝在単獨金屬墊上來實現所述耦合；第二 FET的墊接著通過金屬線夾連接到第一 FET的源極，借此所述線夾表示公共連接或開關節點。第一 FET的墊系到接地且第二 FET的源極系到輸入端子。近來引進的產品通過將第一 FET “源極向下”組裝在系到接地的墊及耦合到開關節點的FET的漏極上來實現所述耦合；所述開關節點又系到第二 FET的源扱，所述第二 FET的漏極連接到輸入端子。在所描述的兩個電源組合件中，開關節點連接到用作電源電路的能量存儲裝置的輸出負載電感器；所述電感器必須足夠大以可靠地起作用以維持恒定輸出電壓。經封裝電感器包括圍繞鐵氧體的磁芯包裹的銅導線的線圈。所述電感器通過封裝化合物來囊封，且具有立方體形狀且在ー個產品系列中具有7. 25X6. 8mm的尺寸及2. 3mm的高度。即使對于電感器與FET之間的緊密接近度及與電路電容器的緊密接近度來說，也存在必然引入寄生電阻及電感的連接跡線。
發明內容
申請人:認識到，市場趨勢正變得無法容忍使用常規并排布置的個別經封裝FET及輸出負載電感器的功率轉換器系統。此布置消耗越來越有價值的PCB面積。此外，連接FET及電感器所必需的PCB跡線引入寄生電阻及電感，其降低轉換器效率。此外，需要額外的散熱片來提供對使其能夠實現規定電平的電流所必需的操作FET的基本冷卻。分析用于降低需要的PBC組裝面積及相關聯的寄生損失的選項吋，申請人發現，電感器與FET的集成不僅被所述電感器的主體尺寸抑制，而且還被其歸因于其由磁鐵氧體材料圍繞的銅導線的組成的不規則的大熱容抑制；所述熱容妨礙將梳作為散熱片添加到FET的動作。申請者通過塑形負載電感器以使其兼作為有效散熱片來解決降低組裝所需的PBC面積及相關聯的寄生損失的問題。發明概念包括在承載FET的開關節點板上垂直堆疊負載電感器，使得負載電流沿著FET被引導且通過電感器；將電流產生的熱通過圍繞電感器包裹且與所述板接觸的厚散熱銅套筒而傳送到鐵氧體磁芯的熱容中且尤其傳送到環境中。由于此布置，負載電感器與FET集成，從而節約有價值的PCB組裝面積，且所述集成不是無源而是有源的，因為所述電感器作為散熱器及散熱片參與以提高轉換器效率。體現發明原理的實施方案是ー種組裝方法，所述方法首先將第一 FET漏極向下且將第二 FET源極向下并排附接到作為開關節點的導電載體的第一表面上。在下一個步驟中，將導熱銅套筒包裹在具有鐵氧體磁芯的電感器的囊封周圍。接著，在FET的正上方，使被銅包裹的電感器與相對的載體表面對準，且將所述套筒焊接到載體上。作為此方法的附帶益處，針對負載濾波器電容器及輸入電容器產生短且緊的電流環路，從而降低寄生電阻及電感。與常規并排放置相比，負載電感器在FET的頂部上的堆疊降低約50%的所消耗的PCB面積。此垂直集成使得非常短的互連及電路環路能夠降低寄生電阻及電感，且因此改進功率密度、效率及切換瞬態(“振鈴”)。負載電感器到散熱片的變型使得在達到允許的150°C的結溫度之前的較高開關電流成為可能；作為實例，現在可在500到2000kHz下處置達35A的電流而不是常規的25A。此外，降低的操作溫度使DC/DC轉換器的較高速度成為可能且因此使較高效率成為可能。
圖1展示垂直附接到載體以形成功率轉換器的負載電感器的透視頂視圖，其中所述負載電感器包裹在銅外殼中以同時作為散熱片而起到兩種作用。線指示圖2的橫截面。圖2說明沿著所述線的圖1的功率轉換器的(直角)橫截面。根據本發明，載體與FET組裝在一起且附接到由銅包裹的負載電感器；沿著所述載體流動且流經電感器的負載電流產生熱，其由圍繞所述電感器包裹的金屬片的散熱熱套筒冷卻。圖3描繪圖1的功率轉換器的底視圖以及到負載濾波器電容器及輸入電容器的電路環路的圖。圖4到8為描繪根據本發明的用于制造具有垂直附接的負載電感器的功率轉換器的組裝流程的步驟的橫截面。圖4展示在支撐托盤中倒置放置多個由銅包裹的電感器的步驟。
圖5展示在電感器的底側上施配第一焊料層的步驟。圖6展示將導電載體附接到所述第一焊料層且施配第二焊料層以附接FET的步驟。圖7展示在所述第二焊料層上附接FET且回流所有焊料層的步驟。圖8展示使用臨時帶來保護暴露的FET端子、移除支撐托盤且鋸開導電載體以切割完成的功率轉換器的步驟。
具體實施例方式圖1展示通常表示為100的示范性的已完成功率轉換器的透視頂視圖，其中負載電感器110與導電載體120垂直集成，導電載體120用作半橋或同步降壓轉換器的場效應晶體管(FET)(圖1中不可見)的·開關節點。負載電感器110的可看出的優越特征包括外殼111、到鐵氧體內部的金屬線圈的引線112a及112b及包裹在所述外殼的長度周圍的金屬套筒113。引線112b附接到輸出端子122，輸出端子122與載體120分離但由相同的金屬片制成(見圖6)。一般來說，例如負載電感器110等電感器在內部包括焊接到鍍敷引線框(優選地為銅)且模制到磁鐵氧體材料(通常簡稱為鐵氧磁)的經涂覆金屬導線(優選地也為銅)的螺旋配置線圈。所述鐵氧體材料在高溫下加壓、固化且囊封在外殼111中，外殼111可為硬化的模制化合物。一般來說，鐵氧磁材料具有較高的電阻率、尖晶水晶結構及化學式XFe2O4，其中X表示任何ニ價金屬離子，所述金屬離子的大小使得其將配合到所述水晶結構中。歸因于其組成，電感器110具有較高的熱容。在圖1的示范性實施例中，負載電感器110的載體120以及輸出端子122具有約
7.34mm的總長度114 ;載體寬度115以及輸出端子寬度為約4. 20mm。金屬套筒113具有約1. 60mm的高度116，且所述載體具有額外高度121，其優選地為約0. 25mm。圖1中的線指示在何處施加穿過功率轉換器100的垂直切除，以產生圖2中說明的轉換器100的橫截面。在圖2中，示范性功率轉換器100包括第一芯片210及第ニ芯片220。第一芯片210包括低側或同步或同步(sync) FET，且芯片220包括高側或控制FET。兩個FET都組裝在導電載體120上，所述導電載體120優選地為用作同步降壓轉換器的半橋的開關節點的銅板。圖2指示載體厚度121具有擁有深度270的凹部或空穴，所述深度270適于使用具有某個厚度的焊料層來將FET 210及220附接到凹入底部上。或者，可以兩個不同的厚度來提供載體金屬，其中較薄部分用于附接FET且較厚部分用作輸出端子。在任一情形下，在FET附接到載體之后，暴露的FET表面210a及220a與輸出端子的表面120b及任何未凹入的載體表面120a共面。如圖2展示，芯片210及220的組裝是并排的且緊密接近。在此實例中，芯片210具有比芯片220更大的面積，且芯片210及芯片220具有相等的厚度，優選地為約0.1Omm;在其它實施例中，芯片210及芯片220可具有不同的厚度，且所述值可大于或小于0. 10mm。就同步FET及控制FET的物理面積與有源面積的比較而言，應注意，同步降壓轉換器的工作循環決定控制FET所需的有源面積相對于同步FET的比率，因為接通狀態的電阻Ron與有源芯片面積成反比。如果所預期的工作循環在大多數時間是低的(<0. 5)，那么控制FET在大多數操作期間是關斷的且不導電；且同步FET在大多數循環時間是導電的。為降低降壓轉換器的導電損失(Pubs = I2Rw),將為有利的是，使同步FET芯片210具有等于或大于控制FET芯片220的有源面積的有源面積。因此，同步芯片210也具有等于或大于控制芯片220的物理面積的物理面積。應注意，在其它實施例中可互換所述FET的相對位置。在提供轉換器的底視圖的圖3中，示范性轉換器展示為具有第一功率FET(同步FET) 210，所述第一功率FET 210具有3. 50mm的長度211及2. 84mm的寬度212。第二功率FET (控制FET) 220具有2. 50mm的長度221及1. 80mm的寬度222。在示范性轉換器中，第一 FET使其漏極以導電方式附接到載體120且使其源極213系到接地230。電容器215為負載濾波器電容器。第二 FET 220使其源極以導電方式附接到載體120且使其漏極224以導電方式附接到輸入端子240 (也見圖2)。電容器225為輸入電容器。因此，導電載體120表示轉換器的開關節點。用于兩個晶體管芯片的優選附接材料為焊膏層250 ;優選的沉積方法為絲網印刷；或者，可使用通過注射器施配的焊料。兩個晶體管芯片附接到載體120的相同表面，且彼此緊密接近。現在參看圖2，具有其金屬套筒113的負載電感器110附接到載體120的與FET210及220相対的表面。套筒113的附接消耗所述載體表面的幾乎整個長度；因此，套筒113與FET 210及220對準。所述套筒附接優選地使用與附接層250相同的焊接材料251。如上文所提及，金屬套筒113包裹在電感器的內部鐵氧體材料的絕緣外殼111周圍。所述套筒優選地由具有高導熱率的金屬片(例如，銅)形成；示范性片厚度117為0.25_。替代金屬包括銀或鋁或其合金；依據金屬的選擇及所允許的應用范圍，替代厚度可為更厚或更薄的。或者，套筒113可由基于碳納米管道、碳巴克球及石墨烯的材料制成。在圖2的示范性實施例中，鐵氧體磁芯的外殼111具有1. OOmm的直徑118。鐵氧體內部的金屬線圈的引線112a及112b優選地為銅；其可為平坦的(如圖1中所展示)以促進焊接到載體，但在電感器內部繼續為經涂覆金屬導線(也優選地為銅)的螺旋配置的線圈(圖2中的虛線表示是出于清晰起見)。引線112a優選地使用類似于層250及251的焊料層來電連接到及附接到載體120。引線112b通過表示為252的焊料層來連接到輸出端子122 ;端子112系到輸出電壓Vqut (241)。圖2包括通過轉換器的電流流動，如一系列的箭頭所指示。從Vin(24)開始，電流沿著開關節點120流動。因為電感器110與開關節點120垂直對準且FET并排附接到所述開關節點，所以所述電流在電感器鐵氧體的內部的金屬線圈的引線112a處進入電感器110。纏繞鑲嵌在鐵氧體材料中的線圈(在圖2中簡化為直箭頭)，所述電流通過引線112b退出電感器，所述引線112b連接(優選地通過焊接)到Vqut端子241。沿著其沿著開關節點且通過電感器的線路，所述電流產生熱。因為電感器由熱套筒113圍繞，且因為所述套筒在其整個長度上附接(優選地通過焊接)到開關節點120，所以由在電感器中的電流以及沿著開關節點的電流產生的熱可以高效方式直接進入套筒113。因此，套筒213提供高效的熱能散熱器、散熱片及輻射器的功能。在圖2中，散熱片功能通過箭頭波260以繪畫方式指示。如圖2的示范性實施例說明，沿著開關節點120流動且流經電感器110的電流為功率轉換器100的有源產熱組件。電感器110自身將為轉換器100的熱惰性組件。然而，電感器110通過與并排附接在開關節點上的FET垂直定位且與其對準而與所述產熱組件緊密接近。此外，為熱惰性組件提供導熱外殼111，其與產熱組件物理接觸且經構造以使得其將熱惰性組件轉變成用于產熱組件的散熱片，所述散熱片可擴散、消散及輻射熱能。從電感器110與開關節點120的接近性得到的額外電路益處為用于輸入電容器225及負載濾波器電容器215的短且緊的連接環路，如圖3中指示。短互連電路環路導致寄生電阻及電感降低。因為減少功率損失，此降低提高了功率轉換器100的效率效率=輸出功率/輸入功率=輸出功率バ輸出功率-功率損失)。同步降壓轉換器中的功率損失由以下等式確定功率損失=IL2R+PSff(其中Ilj=負載電流，R =本征電阻，Psw =開關損失)。對于圖2及3中展示的示范性實施例來說，降低功率損失及提高效率通過沿著兩條路線前進來實現通過降低來自寄生電阻及電感的熱產生來降低開關損失Psw，及通過將轉換器包裹在金屬套筒中且將所述套筒附接到所述轉換器，來將熱惰性電感器轉變成散熱片來改進操作轉換器的熱消散。由于降低的熱產生及増加的熱消散帶來的兩方面的效率改進，在達到150°C的晶體管結溫度之前，垂直集成的轉換器可在25到35A下操作。因此，可將操作頻率提高到500到2000kHz的范圍。通過在較高頻率下(舉例來說IMHz而不是常規的500kHz)甚至在大體上未改變的輸出電流及效率下操作同步降壓轉換器，允許消費者降低對負載的瞬時時間響應且因此降低無源組件(例如，圍繞轉換器的電容器)的數目，從而節約板占用面積且進一歩降低熱產生。此外，消費者能夠降低輸出電感器的電感以具有相同的波紋電流，從而降低電感器的寄生電阻值且降低板水平的功率損失。與PCB上的常規并排電感器放置相比，在與FET 210及220垂直對準的情況下，通過將電感器110堆疊到載體120上，節約了約50%的PCB表面。不用說，PCB面積的節約轉化成顯著的成本節約。本發明的另ー實施例為圖4到8中描繪的用于制造具有垂直集成的負載電容器的DC/DC功率轉換器的高效制造流程。可重復使用的托盤401展示在圖4中，所述托盤401提供針對待組裝的電感器的尺寸定大小的多個溝槽402。在第一エ藝步驟中，使每ー電感器110與托盤的相應溝槽402對準且插入到其中。將電感器110制造為具有圍繞每一電感器的經封裝鐵氧體磁芯的長度纏繞的金屬套筒113。每ー電感器110經定位使得鐵氧體內部中的絕緣金屬線圈的引線112a及112b遠離托盤且因此朝向在本文中稱為向上的方向。在圖5中描繪的エ藝步驟中，將焊料層251沉積在電感器套筒113及電感器引線112a及112b的朝上金屬表面上；電感器引線112b上的焊料層表示為252。優選的沉積方法為絲網印刷技木。接著，提供金屬片，所述金屬片已被沖壓到既定用于多個電感器110的多個載體120中；此外，圖2中論述的高度差異(在載體、凹部與端子之間)已通過沖壓或蝕刻エ藝在所述片中實施。雖然每一載體通過間隙602與其自身的電感器的輸出端子分離，但載體通過帶601與鄰近電感器的輸出端子互連。作為組裝エ藝流程(見圖8)的最后步驟，將通過單片化操作來修剪金屬片的多個帶601。在圖6的エ藝步驟中，使金屬片與電感器110對準，使得每ー電感器的焊料層251面向與凹部相對的載體表面。在相同的對準操作中，將每一個電感器引線的焊料層252與輸出端子對準122。圖6進ー步展示沉積焊料層250以在載體凹部中附接功率FET芯片的エ藝步驟。優選的焊料沉積方法為用于焊膏的絲網技木。圖7描繪沉積FET芯片210及220的步驟；此外，圖7包括在添加熱能以達到熔化溫度及降低溫度以固化回流焊料的單個步驟中回流所有焊膏層(251、252、250)的步驟。在焊料回流步驟之后，芯片210及220的表面與輸出端子122是共面的。在圖8中，在多個經組裝轉換器上放置臨時帶801。接著，移除臨時托盤401以便可供重復使用。將用作個別轉換器之間的互連器的帶601放置在用于單片化的支撐臺上，優選地通過旋轉鋸沿著線810切割帶601。可重復使用帶801。雖然已參考說明性實施例描述本發明，但此描述無意于在限制性意義上加以理解。在參考所述描述之后，所屬領域的技術人員將理解說明性實施例的各種修改及組合以及本發明的其它實施例。作為實例，本發明不僅適用于場效應晶體管，而且還適用于其它合適的功率晶體管。作為另ー實例，本發明適用于圍繞電感器磁芯或電感器的外殼的套筒，其包括用于增強散熱片功能性的結構，例如梳、溝槽及黒色。因此，希望所附權利要求書涵蓋任何此類修改或實施例。
權利要求
1.一種電源轉換器，其包含第一 FET、第二 FET、金屬載體及負載電感器；所述第一 FET連接到接地且耦合到系到輸入端子的所述第二 FET，兩個FET都以導電方式并排附接到所述金屬載體且用作產熱的轉換器；且所述負載電感器系到所述金屬載體及輸出端子，且由與和所述FET相對的所述載體接觸的金屬套筒包裹，所述套筒可操作以擴散及輻射由所述轉換器產生的所述熱。
2.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述第一FET漏極向下附接到所述載體且所述第二 FET源極向下附接到所述載體，使得所述載體為所述轉換器的開關節點。
3.根據權利要求2所述的轉換器，其中附接到所述載體的所述第一及所述第二FET與附接到與所述FET相對的所述載體的所述負載電感器垂直對準。
4.一種設備,其包含產熱組件；熱惰性組件，其與所述產熱組件緊密接近而定位；及用于所述熱惰性組件的外殼，所述外殼與所述產熱組件接觸且經構造以將所述熱惰性組件轉變成用于所述產熱組件的散熱片。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述產熱組件為操作中的電子系統且所述熱惰性組件為電子組件。
6.一種用于制造電源轉換器的方法，其包含以下步驟提供負載電感器，所述負載電感器由經構造以將所述電感器轉變成散熱片的金屬套筒包裹；定位所述電感器以在套筒表面及電感器引線上沉積焊膏層；提供金屬載體，所述金屬載體具有擁有第一厚度的一部分及擁有較大的第二厚度的若干部分;將所述載體放置在所述電感器的所述焊料層上，其中具有第一厚度的所述載體部分與所述電感器套筒對準，且具有第二厚度的所述載體部分與所述電感器引線對準；將同步及控制FET并排放置在沉積在與所述電感器套筒相對的具有第一厚度的所述載體部分上的焊料層上 '及回流所述焊料層且接著使所述焊料層固化，借此所述FET、所述載體及所述電感器變為集成的且所述FET的無焊料表面及具有第二厚度的所述載體部分變為共面。
全文摘要
本發明涉及一種電源轉換器(100)，其包含連接到接地(230)的第一FET(210)，所述第一FET耦合到系到輸入端子(240)的第二FET(220)，兩個FET都以導電方式并排附接到金屬載體(120)的第一表面且用作產熱的轉換器；及系到所述載體及輸出端子(241)的經封裝負載電感器(110)，所述電感器封裝由與所述金屬載體的相對表面接觸的金屬套筒(113)包裹，所述套筒可操作以擴散及輻射由所述轉換器產生的所述熱。
文檔編號H02M3/00GK103036421SQ20121036710
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者胡安·A·赫布佐默, 奧斯瓦爾多·J·洛佩斯, 喬納森·A·諾奎爾, 達維德·豪雷吉, 盧奇安·赫里斯庫 申請人:德州儀器公司