三维集成大功率同步整流器的研究与设计

同步整流器简称为AC/DC电力变换装置,其实质是利用电力电子器件将交流电变换为直流电。同步整流器具有功耗低、效率高、可靠性高、集成度高等优点。整流器的性能对整机的可靠性有着至关重要的影响,保持整流管MOSFET栅极控制信号的相位与被整流电压的相位同步、提高同步整流器的转换效率和智能化控制是实现高性能同步整流器的关键。三维集成技术能有效地减小互连线的长度、提高互连密度、实现异质集成、减小芯片面积、降低制造成本,它被认为是使集成电路技术继续快速发展的重要技术。三维集成技术在提高集成度的同时,系统的功率密度也会急剧增大,因此,散热是三维集成电路的研究重点和难点之一。将三维集成技术应用于大功率系统中,热可靠性问题会更加凸显。本文围绕大功率同步整流器的电路设计、三维集成版图设计以及三维集成系统的热分析和热设计开展了一系列的研究工作,主要内容如下:1.大功率同步整流器电路设计。基于HG 700V 1μm BCD工艺设计了包含有误差放大器、电压比较器、带隙基准电路、振荡电路、高压降压稳压电路、逻辑控制驱动电路以及保护电路的大功率同步整流器,完成了各功能模块以及整体电路的仿真验证,仿真得到:大功率同步整流器的输出电压为5V,当负载为2Ω时,输出电流为2.5A,输出功率为12.5W。2.三维集成大功率同步整流器的版图设计。首先分别设计了同步整流器的控制芯片版图和整流桥芯片版图,为便于三维堆叠时的对准,设计两层芯片的大小一致。然后,在相应位置放置互连用TSV和散热用TSV,基于Calibre 3DSTACK工具对三维堆叠的版图进行了电气连接检查,检查覆盖顶层和底层的全部端口,TSV连接孔的坐标重合,纵向深度达到要求,两层芯片的TSV电气连接关系正确。3.三维集成功率系统的热特性分析和热设计。首先,以三层芯片的堆叠为研究对象,上、中、下三层功率芯片以二氧化硅介质键合在一起,经二氧化硅安装在铜散热基座上,深入分析了TSV的稳态热阻模型、以TSV为中心的传热路径以及键合层热导率与热负载能力之间的关系。接下来,设计了三种基于TSV的内部嵌套式散热网络。分析结果表明:引入TSV嵌套散热网络可以明显提升三维功率集成系统的散热效果;TSV非均匀型(下粗上细型、内粗外细型)的嵌套散热系统散热效果明显优于TSV均匀排布的嵌套散热系统;TSV下粗上细型的散热效果优于TSV内粗外细型,其热特性最接近二维平面封装。