專利名稱：帶有集成高功率分立場效應晶體管和低壓控制器的升壓變換器的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及ー種升壓變換器，更具體地涉及ー種高壓高功率的升壓變換器。
背景技術：
升壓變換器電路用于將輸入電壓升高至更高的輸出電壓。例如在運用于便攜式顯示器時，升壓比可以達到10或10以上。升壓變換器可以用來向一系列用于LCD(液晶顯示器)背光的白色LED(發光二極管)提供電源。在這樣的情況下，升壓變換器可用來將5伏的輸入電壓轉換成直至50伏的輸出電壓。升壓變換器通常包括五個基本元件，即功率半導體開關，ニ極管，電感器，電容器和調制控制器。在高功率和高輸出電壓的應用中，如圖I的升壓變換器100所示，通常使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)的升壓控制器集成電路，提供必要的阻斷電壓的外部高壓N型場效應晶體管(NFET)和外部檢測電阻。如圖I所示，升壓變換器電路100包括其上安裝包含控制器104的低壓集成電路(IC)的芯片區102。外部檢測電阻Rs以及外部高壓NFET 106可以連接到控制器104上?？刂破?04可以是諸如脈寬調制(PWM)控制器的任何類型的調制控制器。電感器L可以在標示為LX的開關點直接連接在控制器104的輸入電壓Vin和NFET 106的漏極D之間。外部檢測電阻Rs可以連接在NFET 106的源極S和接地端之間。外部高壓(HV)肖特基ニ極管Dsdl和電容器C可以串聯連接在漏極D和接地端之間。在肖特基 ニ極管Dsdl和電容器C之間可以獲得輸出電壓Vott。肖特基ニ極管的兩端可以存在電壓降 Vdiodeo該類型的升壓變換器電路100配合低壓或高壓側的電流檢測可以適合于高電壓，高功率的應用場合。這樣的應用場合可以在高壓或低壓側使用外部高壓NFET和外部高功率檢測電阻。外部檢測電阻可以降低控制器IC 104的高壓要求。然而，低壓CMOS集成電路， 外部高功率電阻以及外部高功率FET的總體尺寸往往要超出諸如便攜式模板DVD播放器或高集成度便攜式個人電腦的對電路板空間相當敏感的應用場合所要求的尺寸范圍。另外， 外部檢測電阻以及外部高功率FET增加了原材料總體(BOM)成本。在低功率但高輸出電壓的應用中，例如如圖2所示，有時使用與CMOS或雙極型控制器和DMOS或雙極型升壓開關完全集成的升壓變換器。與上述升壓變換器電路100相類似，升壓變換器200可以包括直接連接到輸入電壓Vin以及經過外部高壓肖特基ニ極管Dsdl 連接到輸出電壓Votit的電感器L，電容器C提供輸出電壓Vott的濾波。升壓變換器200還可包括低壓控制器204，高壓NFET以及高壓電流檢測電阻206，所有這些元件都安裝在必須是高額定電壓的復電壓IC 202上。
在低功率但高輸出電壓的應用中，完全集成的升壓變換器可以達到小形狀因數。 然而，生產成本可能由于要求由エ藝限制確定的最大額定電壓(VoUT+VDraDE)的高壓IC制造 エ藝的自然原因而變得太高。

發明內容
本發明的目的是將升壓器結構中的低壓控制器與高壓垂直分立FET共同封裝在一個單獨的封裝中，以減小升壓變換器的尺寸。為了達到上述目的，本發明公開了ー種升壓變換器，其包括低壓控制器集成電路；高壓垂直分立場效應晶體管，該高壓垂直分立場效應晶體管具有連接到所述低壓控制器集成電路的柵極。其中，所述低壓控制器集成電路和高壓垂直分立場效應晶體管一起被封裝在ー個單一封裝中。所述低壓控制器集成電路可以還包括脈寬調制控制器。所述低壓控制器集成電路可以還包括內部檢測元件。內部檢測元件可以是電阻或晶體管，也可以是場效應晶體管。所述低壓控制器集成電路附貼到第一芯片區上，同時將高壓垂直分立場效應晶體管用導電環氧樹脂層附貼到第二芯片區上。這樣的低壓控制器集成電路也可以包括內部電流檢測元件。內部電流檢測元件可以是電阻或晶體管，也可以是場效應晶體管。該升壓變換器還可以包括安裝到第二芯片區上的外部高壓肖特基ニ極管，外部高壓肖特基ニ極管是具有連接到所述高壓垂直分立場效應晶體管的漏極的底部陽極的底部陽極肖特基ニ極管。所述肖特基ニ極管的底部陽極與第二芯片區電接觸，也可以是高壓垂直分立場效應晶體管包括與第二芯片區電接觸的底部漏極，或者所述底部陽極肖特基ニ極管用沉積于底部陽極和第二芯片區之間的導電環氧樹脂附貼到第二芯片區上。所述的第一和第二芯片區共同封裝在單封裝中。該升壓變換器還包括具有連接到所述高壓垂直分立場效應晶體管的漏極的陽極的外部高壓肖特基ニ極管。該升壓變換器中的低壓控制器集成電路和高壓垂直分立場效應晶體管附貼到一個單芯片區上，其中所述低壓控制器集成電路用絕緣環氧樹脂附貼在單芯片區上，而高壓垂直分立場效應晶體管用導電環氧樹脂附貼到單芯片區上。該升壓變換器可以還包括分立的電流檢測元件，其中該分立的檢測元件也封裝在單芯片區中，所述分立的電流檢測元件是分立的電流檢測電阻，而所述分立的電流檢測電阻可以是用導電環氧樹脂附貼到單芯片區上的垂直檢測電阻。該升壓變換器可以還包括外部電流檢測元件，其中所述外部電流檢測元件是外部電流檢測電阻，而所述外部電流檢測電阻連接在控制器集成電路的低壓側及連接在控制器集成電路的高壓側。所述高壓垂直分立場效應晶體管是具有與單芯片區電接觸的底部源極的底部源極分立場效應晶體管。本發明所提供的升壓變換器，其中的低壓控制器與高壓垂直分立場效應晶體管被共同封裝在一個單獨的封裝中，達到了減小升壓變換器的尺寸的目的，也進ー步降低了制造成本。


通過參考附圖閱讀下文的詳細敘述，本發明的目的及其優點將變得顯而易見，附圖中圖I是現有技術的升壓變換器的電路示意圖。圖2是現有技術的另一種升壓變換器的電路示意圖。圖3是根據本發明的第一實施例的升壓變換器的電路示意圖。圖4是圖3所述的升壓變換器的升壓IC封裝組件的俯視圖。圖5A-5C是說明具有位于根據本發明的第二實施例的升壓變換器的低壓側或高壓側的外部檢測電阻的升壓變換器的電路示意圖。圖6A-6B是圖5A和圖5B所述的升壓變換器升壓IC封裝組件的俯視圖。圖7是根據本發明的第三實施例的升壓變換器的電路示意圖。圖8是圖7所述的升壓變換器的升壓IC封裝組件的俯視圖。圖9是根據本發明的第四實施例的升壓變換器的電路示意圖。圖10是圖9所述的升壓變換器的升壓IC封裝組件的俯視圖。
具體實施例方式以下結合圖3 圖10，詳細說明本發明的若干較佳實施例。雖然為了說明的目的下文的詳細描述包含很多特定細節，但本技術領域的普通熟練技術人員應該理解，對下文所述的細節的各種變化和替代都處在本發明的范圍內。因此， 對下文所述的本發明的示例性實施例的具體陳述不喪失本發明主張的總體原則并且不對本發明附加任何限制。根據本發明的各個實施例，高壓輸出升壓器結構中的低壓控制器與高壓垂直分立 FET可以共同封裝在一個單獨的封裝中。圖3是說明根據本發明的實施例的升壓變換器300的電路示意圖。如圖3所示， 升壓變換器300包括建構在第一芯片區302上的具有內部電流檢測元件310的低壓控制器 306。檢測裝置310可以是電阻或諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的FET。 舉例來說，控制器306可以是脈寬調制控制器，諸如加利福尼亞桑尼維爾的美信集成產品公司(Maxim Integrated Products of Sunnyvale, California)生產的 MAX1771 型升壓 DC-DC (直流-直流)控制器?；蛘撸刂破?06也可以是任何其他類型的調制控制器，諸如脈沖頻率調制控制器?？刂破?06可以用僅對直至輸入電壓Vin的額定電壓的低壓CMOSエ 藝制造，由于有效的布局設計，該エ藝可以提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具體地，由于高壓CMOSエ藝的更高的擊穿要求，導致器件的側向間隔和器件的幾何圖形比低壓CMOSエ藝高得多。具有源極S1，S2，漏極D以及柵極G的高壓雙源極垂直分立場 FET 308構建在第二芯片區304上并用作輸出開關。一個源極SI (用于檢測)可以通過內部電流檢測裝置310接地。另ー個源極S2(用于電源)直接接地。垂直FET及其制造方法的各個實例在例如美國專利5，126，807，5，242，845，5，260，227以及6，621，121中有敘述， 所有這些專利中敘述的內容通過弓I用而結合在本文中。
FET可以用I : N的器件尺寸比表征。通常，每個器件的SI，S2由若干個并聯單元構造而成。尺寸比I : N可以取決于ー個源極SI與另ー個源極S2中的單元個數之比。 該尺寸比可以約等于流過兩個器件的SI，S2的電流之比。尺寸比中N的值將確定系統的效率以及檢測用源極SI的跟蹤線性。如果N小，則跟蹤線性往往良好但系統的效率往往較低，因為更多的電流被檢測元件SI抽走。如果N大，則效率往往高但跟蹤線性往往較差，因為檢測用源極SI與電源用源極S2之間的器件失配過大。在小功率運行的情況下(例如約小于I安培)，N的范圍通常在約300到1000之間。在大功率運行的情況下(例如約大于 I安培)，N的范圍通常在約1000到3000之間。最好高壓分立FET 308具有底部漏極D?？缮虡I市售的分立FET通常是底部漏極 FET0分立FET 308可以在不損失芯片尺寸和導通電阻指標的情況下提供高得多的額定電壓。因此，不論是對于調制控制或分立FET保護的電流檢測都可以通過分立FET 308的雙源極區布圖設計來完成。在這樣的結構中，不需要附加的高壓元件進行電流檢測。外部電感器L可以直接連接在輸入電壓Vin和分立FET 308的漏極D之間。外部高壓肖特基ニ極管 Dsdl和電容器C可以在開關點LX串聯連接在電感器L和接地端之間。在肖特基ニ極管Dsdl 和電容器C之間可以獲得輸出電壓VOTT。在肖特基ニ極管Dsdl的兩端可以存在電壓降VDMDE。 HV雙源極垂直分立FET 308可以具有直至VQUT+VDIQDE的額定漏源電壓Vds和直至Vin的額定柵源電壓Ves?？刂破?06和分立FET 308可以共同封裝在單一封裝中的分離的芯片區上，以在緊湊的形狀因素下提供高電壓高功率的解決方案。舉例說明，圖4是圖3中所示的升壓變換器300的升壓IC封裝組件400的俯視圖。如圖4所示，低壓控制器306可以通過沉積于調制控制器306和第一芯片區302之間的導電環氧樹脂或絕緣環氧樹脂層附貼到第一芯片區 302上。雙源極分立FET 308可以通過沉積于分立FET 308和第二芯片區304之間的導電環氧樹脂層附貼到第二芯片區304上。控制器306和分立FET 308可以通過鍵合線408互相電連接并連接到接地的引線404和連接到電感器的引線406?？刂破?06，分立FET 308 及鍵合線408可封裝在塑料封裝402中。在替代的實施例中，低壓エ藝可用于制造控制器，并且具有底部源極的高壓分立 FET可用于輸出開關。底部源極FET的結構及制造方法例如在共同轉讓的美國專利申請 11/500，810及11/522，669中有敘述，該兩個專利申請的內容通過引用而結合在本文中。圖 5A是根據本發明的實施例的升壓變換器500的電路示意圖。升壓變換器500包括低壓控制器504 (例如PWM控制器)和具有底部源極S，柵極G和漏極D的底部源極高壓垂直分立 FET 506。例如，控制器504可以是PWM控制器。控制器504和分立FET 506可以安裝在一個單芯片區502上。升壓變換器500還可以包括位于控制器504的低壓側以及源極S和接地端之間的外部電流檢測元件508 (例如電阻或諸如MOSFET的晶體管)。外部電流檢測元件508可以用電阻Rs表征。外部電感器L可以直接連接在輸入電壓Vin和分立FET 506的漏極D之間。外部高壓肖特基ニ極管Dsdl和電容器C可以串聯連接在電感器L和接地端之間。在肖特基ニ極管Dsdl的兩端可以存在電壓降V_DE。在肖特基ニ極管Dsdl和電容器C之間可以獲得輸出電壓な。底部源極高壓垂直分立FET 506可以具有直至VQUT+V_E的額定漏源電壓Vds和直至Vin的低電壓的柵源電壓Ves。圖5B是帶有位于控制器504的高壓側的外部電流檢測元件508的替代的升壓變換器501的電路示意圖。在該情況下檢測電阻508可以連接在Vin和電感器L之間。外部電感器L可以連接在外部電阻508和漏極D之間。源極S可以直接接地。外部高壓肖特基 ニ極管Dsdl和電容器C可以在開關點LX串聯連接在電感器L和接地端之間。肖特基ニ極管Dsdl和電容器C之間可以獲得輸出電壓VOT。圖5C是使用分離芯片區的替代的升壓變換器503的電路示意圖。具體地，控制器 504可以安裝到第一芯片區502上，高壓垂直分立FET 506可以安裝在第二芯片區505上。 在該實施例中，控制器504包括位于控制器504的高壓側的內部電流檢測元件508。舉例來說，內部電流檢測元件508可以是電阻或諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管的FET的晶體管。內部電流檢測元件508可以連接在Vin和外部電感器L之間。電感器L可以在開關點LX連接到外部高壓肖特基ニ極管Dsdl。電容器C可以串聯連接在肖特基ニ極管Dsdl和接地端之間。在肖特基ニ極管Dsdl與電容器C之間可以獲得輸出電壓VOTT。在圖5A或5B所示的結構中，控制器504可以與垂直分立FET 506共同封裝在一個單芯片區中。例如，圖6A是包含升壓變換器500的升壓IC封裝組件600的俯視圖。如圖6A所示，分立FET 506和控制器504可以通過沉積于控制器504和芯片區502之間的絕緣環氧樹脂層610以及沉積于分立FET 506和單芯片區502之間的導電環氧樹脂層612附貼在單芯片區502上。絕緣環氧樹脂層610被要求耐受與外部電流檢測元件508兩端的電壓降等值的直流電壓差?？刂破?04和分立FET 506可以互相電連接，并通過鍵合線604 電連接到引線606和608。分立FET 506可以通過鍵合線604電連接到電感器L，并通過引線614在接地端直接電連接到外部電流檢測元件508。控制器504通過引線608電連接到接地端。附貼到單芯片區502的控制器504和分立FET 506可以封裝在塑料封裝602中。圖6B是包含升壓變換器501的升壓IC封裝組件601的俯視圖。電路封裝組件601 的結構與電路封裝組件600相似，區別在于，分立FET 506通過引線614接地，而控制器504 通過鍵合線604和引線608在Vin處電連接到外部電流檢測元件508。在這種情況下，由于電壓差為零，因此對絕緣環氧樹脂層610沒有耐壓要求，由此提高升壓變換器的可靠性。控制器504可以通過低壓COMSエ藝制造，由于采用有效的布圖設計，低壓COMSエ 藝提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具有底部源極S的高壓分立FET 506 可用作輸出開關，以在不損失芯片尺寸和導通電阻指標的情況下提供高得多的額定電壓。 升壓變換器500及501的總體尺寸可以做到足夠緊湊，以適合于高壓高功率的應用場合。圖7是根據本發明的另ー個實施例的升壓變換器700的電路示意圖。如圖7所示，升壓變換器700可以包括均安裝在單ー芯片區702上的低壓控制器704 (例如PWM控制器)，底部源極，高壓分立FET 706以及分立的電流檢測元件708 (例如電阻或晶體管)?？刂破?04可以用低壓COMSエ藝制造，由于采用有效的布圖設計，低壓COMSエ藝可以提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。分立FET 706具有底部源極S，柵極G和漏極 D。帶有底部源極的高壓分立FET 706可用作輸出開關，在不損失芯片尺寸和導通電阻指標的情況下提供高得多的額定電壓。分立的電流檢測元件708可以用于檢測升壓控制器700 的低壓側底部源極S和接地端之間的電流。例如，分立的電流檢測元件708可以是垂直電流電阻。本文所用的“垂直電流”是指該電阻被設計成，和沿垂直于其上形成該電阻的襯底的平面流動相反，垂直于該平面流動的電流更大或更小。底部源極S與檢測電阻708在連接點J電連接。
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外部電感器L可以直接連接在輸入電壓VIN和分立FET 706的漏極D之間。外部高壓肖特基ニ極管Dsdl和電容器C可以在開關點LX串聯連接在電感器L和接地端之間。肖特基ニ極管Dsdl的兩端可以存在電壓降V_DE。在肖特基ニ極管Dsdl和電容器C之間可以獲得輸出電壓Vqut。分立FET 706可以具有直至VQUT+VDIQDE的額定漏源電壓Vds和直至Vin的額定柵源電壓Ves。升壓變換器700的總體尺寸可以做到足夠緊湊以適應高壓高功率的應用場合。例如，圖8是升壓變換器700的升壓IC封裝組件800的俯視圖。如圖8所示，控制器704，分立FET 706以及分立的檢測元件708可以位于單芯片區702上?？刂破?04可以通過沉積于該控制器704和單芯片區702之間的絕緣環氧樹脂層附貼到單芯片區702的一部分上。 分立FET 706和分立的檢測元件708通過沉積于分立FET 706和單芯片區702之間以及沉積于分立的檢測元件708和單芯片區702之間的ー層或多層導電環氧樹脂層808附貼到單芯片區702的不同的部分上。導電環氧樹脂層808可以提供在如圖7中所示的連接點J處與分立FET 704的底部源極和分立檢測元件708的連接。最好絕緣環氧樹脂層806足夠厚和/或其絕緣度能耐受與檢測電阻708兩端的電壓降等值的DC電壓差。控制器704，分立 FET 706以及分立的檢測電阻708可以互相電連接，同時通過鍵合線804連接到引線810和 812。附帖在單芯片區702上的控制器704，分立FET 706和分立的檢測元件708可以共同封裝在一個塑料封裝802中。圖9是根據本發明的實施例的升壓變換器900的電路示意圖。如圖9所示，升壓變換器900可以包括第一和第二芯片區902和904?？刂破?06和內部檢測元件910 (例如電阻或晶體管)可以安裝在第一芯片區902上?？刂破?06可以用低壓CMOSエ藝制造，由于采用有效的布圖設計，低壓CMOSエ藝能提供更好的性能，更低的功耗以及更低的芯片成本。具有柵極G，源極SI，S2和底部漏極Dl，D2的高壓雙源極分立FET 908以及底部陽極肖特基ニ極管(BA-SD)912可以安裝在第二芯片區904上?？梢杂米鬏敵鲩_關的高壓分立 FET 908在不損失芯片尺寸和導通電阻指標的情況下提供高得多的額定電壓。電感器L可以連接在控制器906的輸入電壓管腳VIN和連接點Jl之間。BA-SD 912的陽極A也可以連接到連接點J1。漏極Dl，D2可以在連接點J2相互連接。連接點Jl，J2可以互相電連接。 內部檢測電阻910可用于檢測控制器906的低壓側第一底部源極SI和可以接地的第三連接點J3之間的電流。第二底部源極S2可以直接連接到第三連接點J3。電容器C可以連接在肖特基ニ極管912的陰極Cs和第三連接點J3之間。肖特基ニ極管Dseh的兩端可以存在電壓降V_E。分立FET 908可以具有直至VOTT+V_E的額定漏源電壓Vds和直至Vin的額定柵源電壓Ves。圖10是說明升壓變換器900的升壓IC封裝組件1000的俯視圖。如圖10所示， 帶有內部檢測元件910的控制器906可以通過沉積于控制器906和第一芯片區902之間的導電或絕緣環氧樹脂層1006附貼在第一芯片區902上。分立FET 908和BA-SD 912可以通過沉積于分立FET 908和BA-SD 912之間的導電環氧樹脂層1008附貼到第二芯片區904 上。BA-SD 912的陽極A以及漏極D1，D2可以通過導電環氧樹脂層1008形成與第二芯片區 904的電接觸，由此提供等電位的連接點Jl和J2。控制器906，分立FET 908和BA-SD912 可以電連接到一起，或者通過鍵合線1004電連接到引線1010和1012。附貼在第一和第二芯片區902，904上的帶有內部檢測電阻910的控制器906，分立FET 908和BA-SD 912共同封裝在塑料封裝1002中。雖然上文對本發明的優選實施例進行了完整的描述，但是還可以使用各種替代， 修改和等效形式。因此，本發明的范圍不應通過上文的描述確定，而是應該通過附后的權利要求及其等效內容的全部范圍確定。任何技術特征不論是否優選都可以和任何其它不論是否優選的技術特征組合。在附后的權利要求中，原文中的不定冠詞"A"或"An"指該冠詞之后的項目的數量為ー個或多個，除非另有明確的指定。附后的權利要求不應解釋為其包括方法加功能的限制，除非這樣的限制在所給出的權利要求中明確地指出。
權利要求
1.一種升壓變換器的封裝組件，其特征在于，該升壓變換器封裝組件包括低壓控制器集成電路，該低壓控制器集成電路包含控制器和內部檢測元件；高壓垂直分立場效應晶體管，該高壓垂直分立場效應晶體管具有連接到所述低壓控制器集成電路的柵極；其中，所述低壓控制器集成電路和高壓垂直分立場效應晶體管一起被封裝在所述的升壓變換器的封裝組件中。
2.如權利要求I所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述控制器是脈寬調制控制器。
3.如權利要求I所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述內部檢測元件包括電阻或晶體管。
4.如權利要求I所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述低壓控制器集成電路附貼到該封裝組件內的第一芯片區上。
5.如權利要求4所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在干，其中所述高壓垂直分立場效應晶體管用導電環氧樹脂層附貼到該封裝組件內的第二芯片區上。
6.如權利要求I所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，該升壓變換器的封裝組件還包含安裝在第二芯片區上的外部高壓肖特基ニ極管。
7.如權利要求6所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述外部高壓肖特基ニ極管是一底部陽極肖特基ニ極管，其具有連接到所述高壓垂直分立場效應晶體管漏極的底部陽極。
8.如權利要求7所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述肖特基ニ極管的底部陽極與第二芯片區電接觸。
9.如權利要求7所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在干，其中所述高壓垂直分立場效應晶體管包括與第二芯片區電接觸的底部漏扱。
10.如權利要求I所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述低壓控制器集成電路和高壓垂直分立場效應晶體管附貼到該封裝組件內的ー個單芯片區上。
11.如權利要求10所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，所述的內部檢測元件是分立的電流檢測元件，其也附貼封裝在單芯片區上。
12.如權利要求10所述的升壓變換器的封裝組件，其特征在于，其中所述高壓垂直分立場效應晶體管是具有與單芯片區電接觸的底部源極的底部源極分立場效應晶體管。
全文摘要
本發明涉及一種適合于高功率高輸出電壓應用場合的升壓變換器，包括低壓控制器集成電路和高壓垂直分立場效應晶體管，兩者均被封裝在一個單封裝中。
文檔編號H02M3/156GK102611305SQ201210073650
公開日2012年7月25日 申請日期2008年5月29日 優先權日2007年6月11日
發明者張艾倫, 鄭偉強 申請人:萬國半導體股份有限公司