功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本專利申請要求于2013年3月25日提交的美國臨時(shí)專利申請No. 61/852, 933的 優(yōu)先權(quán)，該申請以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具體地，本文對集成了固態(tài)照明、信號處 理、控制電路、半導(dǎo)體功率開關(guān)和無源元件的結(jié)構(gòu)與平臺以及示例性應(yīng)用進(jìn)行討論。
【背景技術(shù)】
[0004] 固態(tài)照明（solid state lighting，SSL)技術(shù)（例如發(fā)光二極管（LED))在光源、 照明及顯示應(yīng)用中具有廣闊的前景。由于相比于傳統(tǒng)日光燈和熒光燈的更高的效率和更長 的壽命，使得SSL的使用可顯著降低電力消耗成本、更換成本及維護(hù)成本。另外，通過利用 信號處理及控制電路對SSL顯示器中的像素進(jìn)行直接控制，可將SSL技術(shù)廣泛應(yīng)用于微顯 示、投影顯示（projection display)及其他領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)高性能、高效率和環(huán)保的系統(tǒng)。
[0005] 然而，傳統(tǒng)固態(tài)照明具有兩個關(guān)鍵問題：價(jià)格相對昂貴且體積相對較大。以LED燈 泡為例，其價(jià)格可以是競爭產(chǎn)品熒光燈泡的數(shù)倍。LED燈泡成本的兩大來源是LED封裝及驅(qū) 動模塊。LED燈的另一個缺點(diǎn)是驅(qū)動模塊占據(jù)較大體積。通常，驅(qū)動模塊的電路板包括功率 變壓器、功率開關(guān)、幾個電容器、和控制器。進(jìn)一步地，驅(qū)動模塊的無源元件（變壓器、電容 器）也占據(jù)較大體積（變壓器體積較大是由于離線電壓相對較高（110VAC~220VAC)，因此 在幾十kHz的頻率范圍中，變壓器所需的電感值較大）。這些大體積的驅(qū)動電路嚴(yán)重制約了 SSL在緊湊型應(yīng)用中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種經(jīng)濟(jì)且緊湊的適于SSL照明及顯示應(yīng)用的功率片上系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括具有不同功能的三層：1)集成電路層；2)嵌入式無源元件層；以及3) 接合層。這些層以高效的方式互連和集成，從而使器件的成本和體積最小化。
【附圖說明】
[0007] 圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例的整體概念性原理圖的示圖。
[0008] 圖2A是示出示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的俯視圖的示圖。
[0009] 圖2B是示出圖2A所示的示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仰視圖的示 圖。
[0010] 圖2C是示出圖2A所示的示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖（沿 著圖2A中的截面線A-A'）的示圖。
[0011] 圖3是示出另一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。
[0012] 圖4是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。
[0013] 圖5是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。
[0014] 圖6是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。
[0015] 圖7是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。
[0016] 圖8A至圖8G是示出制造具有根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的器件的步驟的示圖。
[0017] 圖9示出了示例性交通燈裝置。
[0018] 圖10示出了使用智能交通燈裝置的污染物感測部署的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 總體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及層狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括三個不同的部分。
[0020] ?第一，使用襯底來構(gòu)建信號處理和控制電路以及電源管理控制電路。應(yīng)當(dāng)理解的 是，可在襯底正面上使用傳統(tǒng)的1C制造工藝，來在襯底上制造所述信號處理和控制電路以 及電源管理控制電路。這些位于襯底正面上的信號處理和控制電路以及電源管理控制電路 組成了本文所謂的集成電路層。
[0021 ] ?第二，襯底可在例如襯底背面提供包括電感器、變壓器以及電容器在內(nèi)的無源元 件。這些無源元件嵌入在襯底背面，并通過過孔連接至襯底正面（集成電路層）。通過這種 嵌入方法，有效利用了襯底（例如，硅襯底）的體積，從而使器件尺寸最小化。襯底背面的 這些嵌入式無源元件組成了本文所謂的嵌入式無源元件層。
[0022] ?第三，襯底還充當(dāng)插入件：SSL器件/芯片以及半導(dǎo)體開關(guān)可接合至襯底，并通過 接合技術(shù)（例如倒裝芯片接合）與襯底上的其他元件連接。這些SSL器件/芯片以及半導(dǎo) 體開關(guān)組成了本文所謂的接合層。
[0023] 通過采用根據(jù)此種結(jié)構(gòu)的襯底而提供的高集成度避免了材料、組件和分立元件的 成本以及用于測試和再造分立元件的成本。此外，高集成度顯著降低了器件的體積。
[0024] 圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例的整體概念性原理圖的示圖。所示器件具有被分為 以下?lián)碛胁煌δ艿娜龑拥慕Y(jié)構(gòu)：集成電路層（11)、嵌入式無源元件層（12)以及接合層 (13)。集成電路層（11)包括例如用于光源和照明的信號處理電路和控制電路。嵌入式無 源元件層（12)包括例如電感器、變壓器和電容器以及用于連接嵌入式無源元件與集成電 路層（11)的過孔。接合層（13)包括SSL照明元件和/或其他照明元件、以及半導(dǎo)體功率 開關(guān)。
[0025] 圖2A是示出示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的俯視圖的示圖。襯底（21) 通常使用半導(dǎo)體。襯底（21)的"正"面（或"頂"面）包括可為SSL照明/顯示元件的照明 元件（22)、用于照明元件的信號處理和控制電路（23)、電源管理電路（24)以及用于功率轉(zhuǎn) 換的半導(dǎo)體功率開關(guān)（25)。在特定的示例中，襯底（21)為硅，照明元件（22)為GaN基LED 陣列，半導(dǎo)體功率開關(guān)（25)為硅基功率晶體管或復(fù)合功率晶體管（例如，GaN功率晶體管 或SiC功率晶體管）。
[0026] 與硅基功率晶體管相比，相同擊穿電壓下，復(fù)合功率晶體管可工作在更高的頻率。 因此，通過提高電源管理模塊中轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，可減少所述器件所需的電感值和電容 值以便于集成。
[0027] 圖2B是示出示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仰視圖的示圖。襯底（21) 的"背"面（或"底"面）包括嵌入式磁性元件（26)，其包括變壓器和電感器。襯底（21)的 背面還包括嵌入式電容器（27)。
[0028] 圖2C是示出示例性器件中的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖（沿著圖2A中 的截面線A-A'）的示圖。在該示意圖中可以看到所述器件的三層：集成電路層（11)、嵌入式 無源元件層（12)和接合層（13)。集成電路層（11)包括信號處理和控制電路。這些信號處 理和控制電路包括用于照明元件（在圖2A中示為元件（23)而未在圖2C中示出）的信號處 理和控制電路、電源管理電路（24)以及進(jìn)一步用于控制照明元件（22)的矩陣電路（22'）。 在一個實(shí)施例中，矩陣電路（22'）是能夠單獨(dú)調(diào)制照明元件（22)的每個像素的驅(qū)動電路陣 列的一部分。嵌入式無源元件層（12)包括嵌入式磁性元件（26)和電容器（27)。該結(jié)構(gòu)在 襯底（21)中提供了用于放置無源元件的較大空間，使得更易于對大電感值的磁性元件（例 如，~100μΗ或以上）和高密度集成的電容器進(jìn)行集成。無源元件通過過孔（28)連接至 集成電路層（11)。如同圖2C中可見的那樣，無源元件并不占用襯底正面上的寶貴空間，并 且提供了用于所述器件的超緊湊型結(jié)構(gòu)。接合層（13)包括照明元件（22)(例如，SSL照明 /顯示元件）和半導(dǎo)體功率開關(guān)（25)。接合層（13)的元件可通過焊料凸塊（29)與集成電 路層（11)連接。
[0029] 應(yīng)當(dāng)理解，圖2A至圖2C示出了本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例，但對于多種不同的應(yīng) 用中的其他實(shí)施例，各種所示元件的布局和組成可發(fā)生變化。圖3至圖7示出了這些不同 的其他實(shí)施例中的一部分的示例。
[0030] 圖3是示出與圖2C所示的示例性器件不同的示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)的截面視圖（與圖2C類似）的示圖。在圖3所示的器件中，嵌入式無源元件層（12) 中的過孔（28)將集成電路層（11)連接至襯底（21)的背面/底面（而不是如圖2C所示， 止于用于無源元件的溝槽的頂端）。
[0031] 圖4是示出與圖2C所示的示例性器件不同的另一個示例性器件的集成化功率片 上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖（與圖2C類似）的示圖。圖4所示的器件中包括輔助結(jié)構(gòu)。在接合層 的元件（半導(dǎo)體功率開關(guān)（25)和照明元件（22))與集成電路層（11)的元件之間提供下填 充件（under-fill) (201)。下填充件（201)提高了接合層元件的機(jī)械可靠性和散熱性。在一 個示例中，下填充件為覆有二氧化娃的氮化錯（silica-coated aluminum nitride, SCAN)。 此外，襯底（21)中包含熱路由結(jié)構(gòu)（thermal routing structure) (202)，其進(jìn)一步改進(jìn)了 器件內(nèi)的散熱。
[0032] 圖5是示出又