CN1457629A - 带有安装在支撑装置上的集成电路和电源模块装置的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于集成电路的电源的装置。提出了多种方案以保证电源能满足关于更大的容许负载跳动、更高的容许电流变化率和所述电压稳定性的更窄容许范围方面的所有技术要求。尤其提出了一种带有安装在支撑装置(1)上的集成电路(2)和电源模块装置(3)的装置，电源模块装置放置在支撑装置(1)和集成电路(2)的组合体上，其基底至少在集成电路(2)的基底上延伸部分地延伸，和/或在集成电路(2)的基底周围延伸。

Description

带有安装在支撑装置上的集成电路和电源模块装置的装置
本发明涉及一种带有安装在支撑装置上的集成电路和电源模块装置的装置。
在必须以高时钟频率提供低电压和高电流的集成电路的电源中，尤其是因不可忽略的小线路电感引起的寄生馈电效应会导致问题。在个人计算机的已知装置中，在母板上设置有作为电压调节模块(VRM)的电源模块，用于为处理器提供电能。这种装置无法保证电源能满足关于更大的容许负载跳动、更大的容许电流变化率和所述电源电压稳定性的更窄容许范围方面的所有技术要求。
本发明的一个目的是提供可满足这些日益迫切的要求的装置。
此目的通过一种带有安装在支撑装置上的集成电路和放置在支撑装置及集成电路的组合体上的电源模块装置的装置来实现，电源模块装置的基底至少在集成电路的基底上部分地延伸，和/或在集成电路的基底周围延伸(权利要求1)。
电源模块装置和集成电路最好与集成电路的基底有些偏斜地正交。通过这种装置，电源模块装置的输出滤波器和集成电路的相应电源端子之间的供电线的线路长度可以最小化。此外，均可提供预设电源电压的大量电源模块可以结合到紧凑的电源模块设置中，其可放置于支撑装置及集成电路的组合体上，因此在预制的电源模块装置中，可以较小的成本来实现进一步地安装。电源模块装置的基底至少可以部分地重叠。然而，电源模块装置的基底还可在集成电路的基底周围延伸、也就是使这两种基底不重叠，以及在电源模块装置的全部(通常为四个)侧边周围延伸。电源模块装置的基底相对于集成电路的基底的空间设置的两种方法也可以结合使用。
权利要求2说明了电源模块装置具有若干电源模块和相应数量的输出端子，而端子又与集成电路的相应数量的外部电源端子(不必与上述输出端子的数量相同)相连，这样就可通过最短长度的电线来实现这些连接。
权利要求3的主体部分具有这样的优点，通过设置适应于集成电路基底的凹腔(其在权利要求4中有更详细的说明)，将电源模块的输出端子和集成电路的相应外部电源端子相连的短的电连接可以通过凹腔来馈送。因此，就不需要通过支撑电源模块的印制电路板材料的馈电连接。另一优点在于用于冷却集成电路的冷却装置可以穿过凹腔(见权利要求6)。
权利要求5使得可以在围绕凹腔的区域内设置大量的电源模块，在这种情况下，围绕凹腔的区域可被认为是凹腔的所有边、例如对方形凹腔来说是所有四条边，以及沿这些边的狭窄区域。
在如权利要求7所述的实施例中，电源模块装置的电路和集成电路的外部电源端子之间的电触点设置在邻近集成电路的区域内。采用电源输出滤波电容器作为连接件，即它们具有与放置在支撑装置上邻近于集成电路的电源触点的直接电连接。尤其根据如权利要求8和9所述的实施例，电源触点通过直接通向集成电路的外部电源端子的低阻抗和低电感的连接而与集成电路的外部电源端子相连。尤其可以采用所谓的陶瓷多层电容器作为电源输出滤波电容器，其在这里作用支撑的机械装置。
权利要求10使得可以采用集成电路表面的整个区域来用于集成电路的外部电源端子，外部电源端子尤其在集成电路的相应表面侧上均匀地分布。这样，可以在电源模块装置和集成电路之间实现大量的电连接且寄生效应最小(这是因为线路长度最小)。通过这种方法，需要集成电路的一个相应实施例，其中集成电路的外部电源端子位于集成电路上远离集成电路板的一侧。
在如权利要求11所述的实施例中采用了电源输出滤波电容器，其位于电源模块装置的印制电路板和集成电路之间，而且电源输出滤波电容器与集成电路的外部电源端子直接相连。电源输出滤波电容器和集成电路的外部电源端子之间的距离减小到最小(接近于零)。
权利要求12涉及关于集成电路的冷却的有利实施例。
权利要求13和14涉及电源模块的实施例，其包括若干印制电路板区域。通过将电源模块的印制电路板区域放置成一个角度，电源模块一方面可以做得更紧凑。另一方面，相同冷却装置可以用来冷却位于这些成角度的印制电路板区域上的电子元器件，就如用来冷却集成电路一样。
通过带有安装在支撑装置上的集成电路以及带有位于集成电路周围的单独电源输出端子的若干电源模块的装置，也可以解决上述问题(权利要求15)。
通过这种方法，即使具有大量的集成电路的外部电源端子，电源模块装置的输出端子也可以设置于紧邻于集成电路的相应外部端子的区域内，在这个区域内馈送大量的电源电压，这样，各个电连接的线路长度可以减小到最小。
通过如权利要求16所述的装置也可解决此问题。在此实施例中，模块装置设置成邻近于集成电路。在这种设置中，通过重新布置输出滤波电容器，可以使输出滤波电容器和集成电路的相关外部电源端子之间的电连接的长度最小。在本发明的一个优选形式中，采用控制来保证提供给集成电路的电源电压位于所需的容许范围内。控制可通过在电源模块装置和集成电路之间设置附加的测量线路来进行，沿测量线路只有可忽略的小电流流动。
权利17到24涉及可以单独生产的本发明的上述装置的部件。
参考下述实施例并借助非限制性的示例，可以清楚并理解本发明的这些和其它方面。
在附图中：
图1显示了带有安装在支撑装置上的集成电路和相配的电源模块装置的装置，
图2显示了电源输出滤波电容器放置支撑装置上且邻近于集成电路的实施例，
图3显示了如图2所示的装置的具体情况，
图4显示了图2所示实施例的带有电源模块装置的成角度的部件的改进，
图5显示了图4所示实施例的另一变型，其中在集成电路的上侧设置有外部电源端子，
图6显示了带有放置于集成电路周围的电源模块的本发明的装置，
图7显示了未设有冷却装置和封装的图6所示装置的顶视图，以及
图8显示了本发明的一个实施例，其中电源模块放置在个人计算机的母板上且邻近于支撑装置和集成电路的组合体。
图1显示了带有安装在支撑装置1上的集成电路2的装置。在支撑装置1和集成电路2的组合体上放置了电源模块装置3，其具有大量的位于电源模块装置3中的凹腔4周围的电源模块，其中的一个电源模块标有标号13用作示例。凹腔4的区域基本上在集成电路2的基底上延伸，使得冷却装置(未示出，例如为散热片、风扇、放热件、热管等)可穿过凹腔4并靠在集成电路的顶面，这样，在操作中由集成电路2所产生的热能就可以通过冷却装置有效地散播到周围环境中。电源模块13包括电源输出滤波电容器5、驱动电路6、开关装置7和磁元件(线圈或变压器)。为清楚起见，用于电源模块装置3的各类元件只被标上一个标号。电源模块的设计只是示例性地示出。电源模块的详细设计取决于在各示例中采用的转换器的类型(尤其是Buck转换器)。然而对于所有的转换器类型均可采用输出滤波电容器。
在图1所示的实施例中，外部电源端子10和与位于凹腔4边缘上的输出滤波电容器5的端子相对应的电源模块13的输出端子之间的电连接通过在这里形成为导线接合(wire juction)的电连接11来形成，导线接合穿过凹腔4。同样为了清楚起见，只有一个外部电源端子和一个导线接合被标上标号。在所述情况下电源模块装置3只采用了一块印制电路板12，在上面放置了电源模块装置的电路和元件，电路板用于电源模块装置的衬底。输出滤波电容器5设置在印制电路板12上紧邻于凹腔4的边缘区域处，在这种情况下输出滤波电容器5在凹腔4的所有四条边上均匀地分布。在理论上输出滤波电容器的分布或电源模块的分布可以不同，即在凹腔边缘上的分布可以是不均匀的；而且输出滤波电容器或电源模块也不必分布在凹腔4的所有边缘上。在所述实施例中，各电源模块的输出端子设置成与集成电路2的相关外部电源端子相对。因此，导线接合11的长度可以减少到最小，并取决于电源模块装置3的印制电路板12分别到支撑装置1和到集成电路2的距离，以及印制电路板12的厚度。通过如图1所示的装置，可以为集成电路2馈送具有相等和/或不同的电压值的大量的电源电压，集成电路2的外部电源端子10和电源模块装置3的电源输出端之间的电连接11的长度可减小到最小。此装置适用于新一代处理器的电源，这种电源需要高电源电流、大负载跳动、电源电流的高电流变化率，以及其它关于电源电压的容许波动的更高要求。
图2所示的装置显示了放置在支撑装置101上的集成电路102。在支撑装置101的底侧上设有触点103，支撑装置101可通过触点103与用于放置图2所示装置的个人计算机的母板电路相接触。在集成电路102和支撑装置101的组合体上设置了具有用作衬底的印制电路板105的电源模块装置104，在印制电路板105上设有可产生不同电源电压的不同电源模块的电源电路和元件。在图中示例性地显示了属于第一电源模块的元件106和属于第二电源模块的元件107，在各情况下元件都属于一个电源模块(如图1所示的电源模块13的装置)。印制电路板105与图1中的印制电路板12相似，包括大致穿过集成电路102的表面并在集成电路102上方延伸的凹腔120，在凹腔周围设置了如图1所示的所采用的电源模块。在支撑装置101上邻近于集成电路102设有电源输出滤波电容器108。它们通过位于印制电路板105底侧上的触点109、在此例中为可拆接触点而与电源模块装置104的相关电路相连。输出滤波电容器108的另一侧上连接了电源触点110，其位于支撑装置101上集成电路102的附近，在此例中电源触点110为永久焊点，通过此触点可与集成电路102的外部电源端子121(此标号为示例性的)形成电连接，其在图3中更详细地显示出。
从图3中可看出，在所述实施例的示例中，采用陶瓷多层电容器作为输出滤波电容器108，其具有两个相对的金属接触层111；此电容器的电介体的标号为112。在各种情况下电源电位通过两个接触层11 1中的一个来传递，而相关的参考电位通过电容器108的另一个接触层111来传递。电源电位和参考电位在两个相对的导体层113的辅助下馈送给集成电路102的相关外部电源端子121，各导体层113与一个接触点110相连。导体层113相互间电绝缘，尤其是通过电介体如陶瓷材料114来绝缘。
在图2和3所示的实施例中还设置了封装115，其覆盖了集成电路102和输出滤波电容器108。作为一个有利实施例，还为电源模块装置104的元件(106，107)设置了标号为116的封装。还设置了冷却装置117，其用于冷却电源模块装置104的热发生元件和集成电路102。冷却装置117的突出部分穿过凹腔120，并分别平放在集成电路102上和位于集成电路102之上的一部分封装115上。冷却装置117可以常用方式来设置；为了提高冷却，也可以常用方式采用风扇。
图4显示了图2所示实施例的一个变型。在此装置中印制电路板105添加了印制电路板部分105a，其正交于分别与支撑装置101和集成电路102平行的印制电路板105。至少一部分要冷却的元件107设置在印制电路板部分105a上。在所述实施例的示例中，还为分别位于印制电路板部分105a上的元件和电路设置了另一封装118。成角度的印制电路板部分105a在理论上还可与印制电路板105形成其它的角度。然而它们应有利地设置成使它们直接地相邻于冷却装置117，并保证传到冷却装置117中的热传递为最佳。通过成角度的印制电路板区域可提高整个装置的紧凑结构形状。图4还显示了封装115不一定必须在电源输出滤波电容器108上延伸，而是可以只覆盖住集成电路102，如图4所示，其中右侧的电源输出滤波电容器108并没有被所示封装115所覆盖。未被封装覆盖的电源输出滤波电容器108可以在电源模块装置104的制造过程中焊接在印制电路板105的底侧；在此示例中可通过触点109a(焊接或接触接合)来实现接触点位于与外部电源端子121相连的支撑装置101上侧且位于集成电路102的附近的连接。由封装115所覆盖的电源输出滤波电容器108可集成到支撑装置101和集成电路102的组合体的制造中。
在图5所示的实施例中，集成电路102的外部电源端子与电源模块装置104的相应电源输出端子的接合与图4所示的实施例相比进一步提高。在此示例中，采用了外部电源端子位于其上侧的集成电路102，集成电路102的其它端子位于集成电路的底侧即位于朝向支撑装置101的一侧。为了实现与电源模块104的接合，将相应的电源输出滤波电容器108放置并固定在集成电路102的外部电源端子上，而电源输出滤波电容器108的另一侧又相邻于印制电路板105中心连续区域内的电源模块装置104底侧上的相应接触点109。此外，此实施例的示例还设置了封装115，其覆盖了整个集成电路102且在这里在整个支撑装置101上延伸，只有电源输出滤波电容器108部分地穿过封装115的外部而突出。在此方法中，所用的冷却装置117具有若干突出部分117a，其穿过印制电路板105中的相应凹腔。突出部分117a填满了电源输出滤波电容器108之间的空间，并如这里所示地靠在封装115上或者直接靠在集成电路102上。图5所示的实施例可被视为尤其优选的实施例，这是因为在这种情况下可以特别有效地减小不希望发生的寄生效应。
图6和7显示了本发明的另一实施例。在此装置中，在支撑装置201上的集成电路202周围设置了若干电源模块，集成电路202和电源模块均直接放置在支撑装置201上。这里电源模块的标号为203，其具有电源输出滤波电容器204和其它电源元件/电路205，它们在这里只是大体上显示出来。图6还显示了可选封装206，其在集成电路202和电源电路/元件上延伸。图7显示了电源输出滤波电容器204如何设置在集成电路202周围并与之紧邻，以使电源输出滤波电容器204和集成电路202的相应外部电源端子之间的连接线路尽可能地短；连接线路最好构建成如图3及其相关介绍所示。这里电源输出滤波电容器在集成电路202的所有四条边上均匀地分布；然而在理论上电源输出滤波电容器204也可以在集成电路202周围不均匀地分布。例如，不需要将电源输出滤波电容器204设置在集成电路202的所有四条边上。与此实施例相似，集成电路202可通过分布在集成电路周围的电源模块而被供应大量的相同或不同的电源电压，同时电源输出滤波电容器204紧邻于集成电路202，由于电源输出滤波电容器204和集成电路202的外部电源端子之间的连接线路的长度最小，因此在这里，尤其是由不可忽略的线路电感所引起的寄生效应可以有效地降低。
图8显示了带有母板301(例如个人计算机的母板)的装置，在母板上设置有位于支撑装置302上的集成电路303，支撑装置302和集成电路303的组合体又放置在基底304上，以便与母板301的电路结构形成连接。除支撑装置302之外，这里母板301还间接地执行集成电路303的支撑装置的功能(在理论上将集成电路直接放置在母板301上的方案是可行的；如图1到7所示的个人计算机的母板也用作支撑装置的方案也可行)。在母板301上除集成电路303之外，即在这里除支撑装置302和基底304之外还设置了电源模块305，其通过进入到母板301中的连接线路306而将电源电压馈送到支撑装置302底侧的相应触点，并因而将电源电压馈送到集成电路303中。为了抵消因馈电线路306的不可忽略的线路长度所引起的寄生效应并使将馈送给集成电路303的电源电压波动最小，电源模块包含控制电路307，其可评估由测量线路308所测得的电压并可调节施加给连接线路306的电压，这样，来自施加给线路306的不同电压且馈送给集成电路的电源电压位于所需的容许范围内。在此装置中，电源输出滤波电容器309从电源模块305中脱离且重新定位，并放置在支撑装置302上的集成电路303的邻近区域内(然而它也可以放置在支撑装置上与集成电路相反的一侧上的集成电路303的邻近区域内)；施加给电源输出滤波电容器309的电压分出一部分并通过测量线路308馈送给控制电路307。电源输出滤波电容器309通过穿过支撑装置302的未示出的连接而与位于支撑装置302底侧的接触点相连，而这些接触点又与线路306和308相连。所介绍的方法当然可应用于可产生若干电源电压的电源模块，和/或分布在集成电路周围的若干电源模块。同样作为示例，只显示了一个单一的电源输出滤波电容器309。即使只带有一个单一的电源模块，并联的若干电源输出滤波电容器也通常需要达到足够高的电容。
图1到8的说明只是对本发明原理说明的示意性解释。为清楚起见，本发明的不重要的、对本领域的技术人员来说不言而喻的以及技术人员根据他的知识可以增添的说明细节在此没有示出和阐明。

Claims (24)

1.一种带有安装在支撑装置(1，101)上的集成电路(2，102)和电源模块装置(3，104)的装置，所述电源模块装置放置在所述支撑装置(1)和集成电路(2)的组合体上，所述电源模块装置的基底至少在所述集成电路(2，102)的基底上部分地延伸，和/或在所述集成电路(2，102)的基底周围延伸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集成电路(2)具有若干外部电源端子，所述电源模块装置(3)具有若干电源模块(13)，所述集成电路(2)的各个外部电源端子(10)中的至少一个与所述电源模块(13)的一个相对的输出端子相连。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电源模块(13)位于带有凹腔(4)的衬底(12)上，所述电源模块(13)的输出滤波器(5)位于所述凹腔(4)的边缘区域。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述凹腔(4)和所述集成电路(2)所延伸的区域基本上相同。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输出滤波器(5)在所述凹腔(4)的若干边缘上分布。
6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，设置了穿过所述凹腔(4)的冷却装置，用于冷却所述集成电路(2)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑装置(101)具有位于紧邻所述集成电路(102)的区域内的电源触点(110)，所述触点(110)与所述集成电路(102)的外部电源端子相连，所述电源模块装置(104)的电源输出滤波电容器(108)设置成可在所述电源模块装置(104)的衬底(105)和所述电源触点(110)之间通过所述电源触点来实现电连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述集成电路(102)的外部电源端子(110)和所述支撑装置(101)的电源触点(110)之间的连接通过所述支撑装置(101)的强导电层(113)来实现，所述强导电层(113)由绝缘材料(114)隔开。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述绝缘材料(114)为介电材料，尤其为陶瓷材料。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集成电路(102)在其远离所述支撑装置(101)的表面侧具有外部电源端子，所述外部电源端子处于与所述电源模块装置(104)的相应电源输出端子相对。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电源输出滤波电容器(108)设置于所述电源模块装置(104)的衬底(105)和所述外部电源输出端子之间，从而可与所述集成电路(102)的外部电源输出端子形成电连接。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述电源模块装置(104)具有位于所述集成电路(102)上方的区域内的凹腔，冷却装置(117)的突出部分(117a)可穿过所述凹腔。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的装置，其特征在于，所述电源模块装置(104)具有至少一个衬底区域(105a)，其与所述支撑装置(101)的放置有所述集成电路(102)的表面侧形成角度。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述成角度尤其是几乎成直角的衬底区域(105a)支撑了电源元件(107)，并靠在用于冷却所述集成电路(102)的冷却装置(117)上。
15.一种带有安装在支撑装置(201)上的集成电路(202)和若干电源模块(204，205)的装置，所述电源模块装置带有放置在所述集成电路(202)周围的分开的电源输出端子。
16.一种带有安装在板(301，302)上的集成电路(303)和电源模块装置(305)的装置，所述电源模块装置用于为所述集成电路(303)提供电源并位于所述集成电路(303)的附近，至少一个电源输出滤波电容器(309)从所述电源模块装置(305)中脱离并重新定位而位于所述集成电路的邻近区域内，尤其还设置了控制电路(307)，其可采用附加的测量线路(308)来控制由所述电源模块装置(305)所产生的输出电压，使得馈送给所述集成电路(303)的电源电压处于所需的容许范围内。
17.一种用于为带有具有凹腔(4)的衬底(12)的集成电路(2)提供电源的电源模块装置(3)，在所述电源模块装置(3)中设置了若干电源模块，其输出滤波器(5)设置在所述凹腔(4)的边缘区域。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述输出滤波器(5)在所述凹腔(4)的若干边缘上分布。
19.一种带有放置在支撑装置(201)上的电源模块(204，205)的装置，所述电源模块设置在用于容纳集成电路(202)的支撑装置(201)的区域周围。
20.一种带有支撑了若干电源模块(106，107)的印制电路板装置(105，105a)的电源模块装置(104)，其中分配给不同电源模块的若干电源触点(109)设置在印制电路板的连续的中央区域内。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述印制电路板的连续的中央区域具有若干凹腔。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述印制电路板装置(105，105a)具有包含了所述印制电路板的连续的中央区域的第一印制电路板部分(105)和至少一个第二印制电路板部分(105a)，其与支撑了电源元件(107)的所述第一印制电路板部分(105)形成一个角度，尤其大约为直角。
23.一种带有放置在支撑装置(101)上的集成电路(102)的装置，在所述集成电路的远离所述支撑装置的侧面上设有若干电源输出滤波电容器(108)，其与所述集成电路(102)的相关外部电源端子相连。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，设置了覆盖所述集成电路的封装(115)，所述电源输出滤波电容器(108)穿过所述封装而突出。
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