三维集成大功率同步整流器的研究与设计

摘要

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HG700V1μm 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Calibre3DSTACK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。

目录

第一章 绪论

1.1同步整流技术介绍

1.1.1 同步整流技术概述

1.1.2 同步整流技术的发展现状

1.2 三维集成技术介绍

1.2.1 三维集成技术概述

1.2.2 三维集成技术的发展现状

1.3 本论文的主要工作

第二章 基于TSV的三维集成电路

2.1 基于TSV的三维集成电路工艺技术

2.1.1 TSV的制造顺序

2.1.2 堆叠方式和键合方式

2.2 TSV RLC 寄生参数提取

2.2.1 圆柱形TSV寄生参数提取

2.2.2 锥形TSV寄生参数提取

2.2.3 环形TSV寄生参数提取

2.2.4 同轴TSV寄生参数提取

2.3 基于TSV的三维集成电路热管理

2.3.1 热分析概述

2.3.2 基于TSV的三维集成电路温度解析模型

第三章 大功率同步整流器的电路设计与仿真

3.1 大功率同步整流器的整体结构

3.2 误差放大器的设计

3.2.1 误差放大器的参数指标

3.2.2 误差放大器的电路设计

3.2.3 误差放大器的电路仿真

3.3 带隙基准电路的设计

3.3.1 正、负温度系数

3.3.2 带隙基准的电路设计

3.3.3 带隙基准电路的仿真

3.4 高压降压稳压电路

3.4.1 高压降压稳压电路的电路设计

3.4.2 高压降压稳压电路的电路仿真

3.5 锯齿波产生电路的设计

3.6 PWM电压比较器的设计

3.7 逻辑控制驱动电路

3.8 保护电路

3.8.1 过温保护电路

3.8.2 过压保护电路

3.8.3 过流保护电路

3.9 整体电路的仿真验证

第四章 大功率同步整流器的版图设计

4.1 版图几何设计规则及其设计流程

4.2 工艺介绍及各模块版图

4.3 大功率同步整流器版图设计

4.4 版图DRC与LVS验证

第五章 三维集成大功率同步整流器的设计及其验证

5.1 calibre-3Dstack

5.1.1 calibre-3Dstack的简介

5.1.2 calibre-3Dstack的命令参考以及网表生成

5.2 大功率同步整流器的三维集成

5.3 三维集成大功率同步整流器的验证

第六章 基于TSV的嵌套式散热网络研究

6.1 稳态热阻模型及其计算

6.1.1 稳态热阻模型

6.1.2 三维功率IC的热阻计算

6.1.3 三维功率IC热阻仿真验证

6.2 基于TSV的三种三维嵌套式散热研究

6.2.1 均匀型TSV嵌套式散热研究

6.2.2 下粗上细型TSV嵌套式散热研究

6.2.3 内粗外细型TSV嵌套式散热研究

6.2.4 三种嵌套式散热模型的对比分析

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 下一步工作

参考文献

致谢

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