DE202016004404U1 - Hochintegrierter Spannungsumsetzer - Google Patents

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Abstract

Hochintegrierter Spannungsumsetzer, insbesondere für tragbare elektronische Systeme, mit einer integrierten Schaltung und wenigstens einem passiven elektrischen Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine passive Bauelement innerhalb eines ersten Quaders mit ersten Anschlusskontakten an einer Unterseite angeordnet ist, dass die integrierte Schaltung innerhalb eines zweiten Quaders mit zweiten Anschlusskontakten an seiner Oberseite und dritten Anschlusskontakten an seiner Unterseite angeordnet ist, dass die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders passend zueinander ausgebildet sind und dass das wenigstens eine passive Bauelement und die integrierte Schaltung mittels der ersten und der zweiten Anschlusskontakte miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hochintegrierten Spannungsumsetzer, insbesondere für tragbare elektronische Systeme, mit einer integrierten Schaltung und wenigstens einem passiven elektrischen Bauelement.
  • Hochintegrierte Spannungsumsetzer werden auch als DC-DC-Konverter bezeichnet und werden immer dann benötigt, wenn elektrische Energie mit einem anderen Spannungsniveau benötigt wird, als ein Energiespeicher bereitstellt. Anwendungen hierfür finden sich beispielsweise im Bereich portabler elektronischer Geräte. Eine Spannung einer Batterie oder eines Akkumulators kann von der für den Betrieb des elektronischen Geräts benötigten Spannung abweichen. Um für den Spannungsumsetzer möglichst wenig Raumbedarf einplanen zu müssen, werden hochintegrierte Spannungsumsetzer benötigt.
  • Mit der Erfindung soll ein verbesserter hochintegrierter Spannungsumsetzer bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu ein hochintegrierter Spannungsumsetzer, insbesondere für tragbare elektronische Systeme, mit einer integrierten Schaltung und wenigstens einem passiven elektrischen Bauelement vorgesehen, bei dem das wenigstens eine passive Bauelement innerhalb eines ersten Quaders angeordnet ist, der mit ersten Anschlusskontakten an einer Unterseite versehen ist, bei dem die integrierte Schaltung innerhalb eines zweiten Quaders angeordnet ist, der mit zweiten Anschlusskontakten an seiner Oberseite und dritten Anschlusskontakten an seiner Unterseite versehen ist, bei dem die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders passend zueinander ausgebildet sind und bei dem das wenigstens eine passive Bauelement und die integrierte Schaltung mittels der ersten und der zweiten Anschlusskontakte miteinander verbunden sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Spannungsumsetzer ist eine modulare Bauweise realisiert, bei der das passive elektrische Bauelement, beispielsweise eine Induktivität, in einem anderen Quader als die integrierte Schaltung angeordnet ist. Dennoch können das passive Bauelement und die integrierte Schaltung mit äußerst geringem Raumbedarf zu dem erfindungsgemäßen Spannungsumsetzer zusammengesetzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders, der das passive Bauelement enthält, und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders, der die integrierte Schaltung enthält, passend zueinander ausgebildet sind. Durch einfaches Aufsetzen des ersten Quaders auf den zweiten Quader kommen die beiderseitigen Anschlusskontakte dadurch in elektrischen Kontakt. Die Anschlusskontakte können dann in bekannter Weise miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Löten. Zwischen den beiden Quadern liegt dann aber nur ein verschwindend geringer Abstand vor und der erfindungsgemäße hochintegrierte Spannungsumsetzer kann extrem kompakt aufgebaut werden.
  • Durch den modularen Aufbau können, je nach vorgesehener Anwendung, beispielsweise unterschiedliche passive Bauelemente mit der integrierten Schaltung verbunden werden. Es kann dadurch ein modularer Baukasten entstehen, aus dem ein hochintegrierter Spannungsumsetzer mit den für die spezielle Anwendung geforderten Eigenschaften zusammengebaut werden kann. Der erste Quader mit dem passiven Bauelement und der zweite Quader mit der integrierten Schaltung können durch einen sogenannten Flip-Chip-Prozess zusammengebracht werden. Bei einem solchen Prozess wird einer der Quader um 180° gedreht und auf den anderen Quader aufgesetzt. Ein solches Verfahren lässt sich automatisiert durchführen, da ja erfindungsgemäß die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders passend zueinander ausgebildet sind.
  • Indem das passive Bauelement und die integrierte Schaltung mittels der ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und der zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders miteinander verbunden werden, sind die Zuleitungen zwischen dem passiven Bauelement und der integrierten Schaltung sehr kurz und bewirken kaum parasitäre Effekte. Der erfindungsgemäße Spannungsumsetzer bietet gegenüber konventionellen Spannungsumsetzern dadurch auch erhebliche Vorteile bezüglich seiner elektrischen Eigenschaften.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine passive Bauelement in einen Kunststoff eingebettet, wobei Außenflächen des ersten Quaders mit Ausnahme der ersten Anschlusskontakte durch den Kunststoff gebildet sind.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist die integrierte Schaltung in einen Kunststoff eingebettet, wobei Außenflächen des zweiten Quaders mit Ausnahme der zweiten und dritten Anschlusskontakte durch den Kunststoff gebildet sind.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die Unterseite des ersten Quaders und die Oberseite des zweiten Quaders gleich groß.
  • Auf diese Weise wird das automatisierte Verbinden des ersten Quaders und des zweiten Quaders erleichtert, da die exakte Position, in der die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders passend zueinander ausgerichtet sind, dann erreicht ist, wenn die Seitenflächen des ersten und des zweiten Quaders zueinander fluchten.
  • In Weiterbildung der Erfindung liegt eine Höhe des ersten Quaders mit dem wenigstens einen passiven Bauelement zwischen etwa 0,4 mm und etwa 0,8 mm.
  • In Weiterbildung der Erfindung liegt eine Höhe des zweiten Quaders mit der integrierten Schaltung zwischen 0,2 mm und 0,8 mm.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine passive Bauelement in Dünnschichttechnik aufgebaut.
  • Mittels Dünnschichttechnik lassen sich beispielsweise Spulen und Kondensatoren verwirklichen, wobei lediglich sehr wenig Bauraum für die Realisierung solcher passiven Bauelemente benötigt wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das passive Bauelement als Spule ausgebildet.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das passive Bauelement mittels mehrerer Schichten aufgebaut.
  • Bei Verwendung einer sogenannten Multilayer-Technik lassen sich die Bauraumanforderungen für passive Bauelemente, beispielsweise Spulen, noch weiter reduzieren.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Gesamthöhe der miteinander verbundenen Quader kleiner oder gleich 1 mm.
  • Auf diese Weise wird ein äußerst kompakter hochintegrierter Spannungsumsetzer geschaffen, der insbesondere für die Verwendung in tragbaren elektronischen Geräten geeignet ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, in den Zeichnungen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen hochintegrierten Spannungsumsetzers von schräg oben,
  • 2 eine Ansicht des Spannungsumsetzers der 1 von schräg unten,
  • 3 eine Ansicht des ersten Quaders mit der integrierten Schaltung des Spannungsumsetzers der 1 von schräg oben,
  • 4 eine Ansicht des ersten Quaders mit dem wenigstens einen passiven Bauelement des Spannungsumsetzers der 1 von unten,
  • 5 eine weitere Ausführungsform eines ersten Quaders eines erfindungsgemäßen Spannungsumsetzers mit einer Spule als passivem Bauelement, wobei der umhüllende Kunststoff weggelassen wurde,
  • 6 das Bauelement der 5 von schräg unten,
  • 7 eine weitere Ausführungsform eines ersten Quaders des Spannungsumsetzers der 1, wobei der umhüllende Kunststoff weggelassen wurde,
  • 8 das Bauelement der 7 von schräg unten und
  • 9 einen ersten Quader gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von schräg unten.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen hochintegrierten Spannungsumsetzer 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Spannungsumsetzer 10 besteht aus einem ersten Quader 12 und einem zweiten Quader 14. Die beiden Quader 12, 14 weisen die gleiche Grundfläche auf, so dass die Seitenflächen der Quader miteinander fluchten. An der Unterseite des zweiten Quaders 14 sind Anschlusskontakte 16 zu erkennen, die dazu dienen, den Spannungsumsetzer 10 mit passenden Anschlusskontakten einer Leiterplatte zu verbinden.
  • Der erste Quader 12 enthält wenigstens ein passives Bauelement, das in der Darstellung der 1 nicht zu erkennen ist. Der Quader 12 entsteht durch Einbetten des wenigstens einen passiven elektrischen Bauelements in einen Kunststoff. Beispielsweise wird ein Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe verwendet, der unter der Bezeichnung FR-4 bekannt ist.
  • Innerhalb des zweiten Quaders 14 ist eine integrierte elektronische Schaltung angeordnet, die elektrisch über in 1 nicht erkennbare Anschlusskontakte auf der Unterseite des ersten Quaders 12 bzw. auf der Oberseite des zweiten Quaders 14 elektrisch mit dem wenigstens einen passiven Bauelement innerhalb des Quaders 12 in Verbindung steht. Die integrierte Schaltung steht elektrisch auch mit den Anschlusskontakten 16 in Verbindung. Die integrierte Schaltung ist in einen Kunststoff eingebettet, beispielsweise FR-4, so dass sich die Form des zweiten Quaders 14 ergibt.
  • 2 zeigt den Spannungsumsetzer 10 der 1 in einer Ansicht von unten. Zu erkennen sind die auf der Unterseite des zweiten Quaders 14 angeordneten Anschlusskontakte 16. Insgesamt sind sechs Anschlusskontakte 16 vorgesehen, wobei diese Anzahl lediglich beispielhaft ist.
  • Auf der Unterseite des zweiten Quaders 14 ist eine weitere Metallfläche 18 mittig angeordnet. Diese Metallfläche 18 ist gegenüber den Anschlusskontakten 16 wesentlich größer und dient zur Ableitung von Wärme von der integrierten Schaltung innerhalb des zweiten Quaders 14. Die Metallfläche 18 wird daher auch als Thermal-Pad bezeichnet. Die Metallfläche 18 kann mit geeigneten Metallflächen auf einer Leiterplatte in Verbindung stehen, um die Wärmeableitung zu verbessern.
  • Die Anzahl der Anschlusskontakte 16 und die Größe der Metallfläche 18 hängen von der vorgesehenen Applikation ab. Bei thermisch unkritischen Applikationen kann beispielsweise die Metallfläche 18 entfallen. Der zweite Quader 14, in den die integrierte Schaltung eingebettet ist, kann auch als IC-Gehäuse bezeichnet werden.
  • Die Darstellung der 3 zeigt den zweiten Quader 14 in einer Ansicht von schräg oben. Es ist zu erkennen, dass auf der Oberseite des zweiten Quaders 14 zwei Anschlusskontakte 20 angeordnet sind. Diese Anschlusskontakte 20 dienen zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit dem ersten Quader 12 und dem innerhalb des ersten Quaders 12 angeordneten wenigstens einen passiven elektrischen Bauelement. Die Anzahl und Größe der Anschlusskontakte 20 hängen wieder von der vorgesehenen Applikation ab. Beispielsweise können auch gegenüber den beiden eingezeichneten Anschlusskontakten 20 weitere Anschlusskontakte vorgesehen sein, um eine mechanische Verbindung mit dem ersten Quader 12 zu verbessern. Solche Anschlusskontakte müssen nicht notwendigerweise elektrisch mit der integrierten Schaltung oder dem passiven Bauelement in Verbindung stehen.
  • Die Darstellung der 4 zeigt den ersten Quader 12 in einer Ansicht von schräg unten. Der erste Quader 12 ist in der Ansicht der 4 mit seiner Unterseite nach oben angeordnet. Es ist zu erkennen, dass die Unterseite des ersten Quaders 12 zwei Anschlusskontakte 22 aufweist, die in Größe und Anordnung den Anschlusskontakten 20 auf der Oberseite des zweiten Quaders 14 entsprechen, siehe 3. Wird nun der erste Quader 12 in einem sogenannten Flip-Chip-Prozess umgedreht und mit seiner Unterseite auf die Oberseite des zweiten Quaders 14 gesetzt, so liegen dann die ersten Anschlusskontakte 22 auf der Unterseite des ersten Quaders 12 passgenau auf den zweiten Anschlusskontakten 20 auf der Oberseite des zweiten Quaders 14 auf. Nach dem sogenannten Flip-Chip-Prozess, der automatisiert durchgeführt werden kann, werden die Anschlusskontakte 20, 22 miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verlötet. Auch dieser Verbindungsvorgang kann automatisiert erfolgen. Da der erste Quader 12 und der zweite Quader 14 die gleiche Grundfläche haben, kann der erste Quader 12 beim Aufsetzen auf den zweiten Quader 14 in sehr einfacher Weise dadurch ausgerichtet werden, dass die Seitenflächen der beiden Quader 12, 14 jeweils fluchtend zueinander angeordnet werden. Ist dies erreicht, so liegen auch die ersten Anschlusskontakte 22 exakt auf den zweiten Anschlusskontakten 20 auf.
  • Nach dem Verbinden der ersten Anschlusskontakte 22 mit den zweiten Anschlusskontakten 20 sind die beiden Quader 12, 14 miteinander verbunden und der Spannungsumsetzer 10 der 1 und 2 ist dadurch gebildet. Falls erforderlich, kann eine mechanische Verbindung des ersten Quaders 12 und des zweiten Quaders 14 durch eine wenigstens abschnittsweise zwischen den Quadern 12, 14 angeordnete Klebstoffschicht unterstützt werden.
  • Die Darstellung der 5 zeigt den Spannungsumsetzer 10 der 1 in einer Darstellung, in der sämtliches Kunststoffmaterial der beiden Quader 12, 14 weggelassen wurde. In 5 ist daher eine schematisch dargestellte integrierte Schaltung 24 zu erkennen, die über elektrisch leitfähige Zwischenelemente 26 mit den Anschlusskontakten 16 verbunden ist. Die Zwischenelemente 26 können beispielsweise als sogenannte Vias oder Durchkontaktierungen ausgebildet sein.
  • Auf der Oberseite der integrierten Schaltung 24 sind Anschlussflächen 28 zu erkennen, die über elektrisch leitfähige Zwischenelemente 30 mit den zweiten Anschlusskontakten 20 verbunden sind. In der Darstellung der 5 sind die zweiten Anschlusskontakte 20 bereits mit den ersten Anschlusskontakten 22 verbunden, und die Anschlusskontakte 20, 22 werden in 5 nicht getrennt dargestellt.
  • Mit den Anschlusskontakten 22 verbunden ist eine Drahtwindung 32, die eine Spule und somit ein passives elektrisches Bauelement bildet.
  • Die Darstellung der 6 zeigt den Spannungsumsetzer 10 in dem Zustand, in dem er in 5 dargestellt ist, von schräg unten. Zu erkennen ist hier wieder die integrierte Schaltung 24, die Spule 32 und, auf der Unterseite der integrierten Schaltung 24, auch die mittig angeordnete Metallfläche 18, das sogenannten Thermal-Pad. Auch die Metallfläche 18 ist über elektrisch und damit thermisch leitfähige Zwischenelemente 26 mit der integrierten Schaltung 24 verbunden. In der Ansicht der 6 weiter zu erkennen sind auch die dritten Anschlusskontakte 16 und die elektrisch leitfähigen Zwischenelemente 26, die jeden der dritten Anschlusskontakte 16 mit der integrierten Schaltung 24 verbinden.
  • Die Darstellung der 7 zeigt eine in einen Kunststoffquader 44 eingebettete integrierte Schaltung in einer Ansicht von oben. An seiner Oberseite weist der Quader 44 mit der integrierten Schaltung insgesamt sechs zweite Anschlusskontakte 20 auf. Diese Anschlusskontakte sind wieder, wie bereits anhand der 5 und 6 beschrieben wurde, über elektrisch leitfähige Zwischenelemente mit der integrierten Schaltung innerhalb des Quaders 44 verbunden. Eine Unterseite eines ersten Quaders mit wenigstens einem passiven elektrischen Bauelement weist die gleiche Gestaltung auf wie die in 7 dargestellt Oberseite des Quaders 44. Ein entsprechend gestalteter erster Quader wird dann wieder durch einen Flip-Chip-Prozess um 180° gedreht und mit seiner Unterseite auf die Oberseite des in 7 dargestellten zweiten Quaders 44 aufgesetzt. Die insgesamt sechs ersten Kontakte an der Unterseite des ersten Quaders gelangen dann in Kontakt mit den zweiten Anschlusskontakten 20. Es entsteht dadurch wieder ein erfindungsgemäßer hochintegrierter Spannungsumsetzer, der von außen her nicht von dem integrierten Spannungsumsetzer 10 unterschieden werden kann, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist.
  • Ein solcher Spannungsumsetzer ist, wieder ohne den umhüllenden Kunststoff, in 8 von schräg oben dargestellt. Wie erläutert wurde, ist die integrierte Schaltung 24 wieder mit insgesamt sechs Anschlusskontakten 16 verbunden, von denen in 8 lediglich vier zu erkennen sind. Darüber hinaus ist die integrierte Schaltung 24, wie anhand der 7 erläutert wurde, über elektrisch leitfähige Zwischenelemente mit insgesamt sechs zweiten Anschlusskontakten 20 verbunden.
  • Mit den zweiten Anschlusskontakten 20 sind insgesamt drei passive elektrische Bauteile 46, 48 und 50 verbunden, die in der Darstellung der 8 lediglich schematisch als Blöcke dargestellt sind. Diese passiven elektrischen Bauelemente 46, 48, 50 können beispielsweise Spulen, Kondensatoren, Widerstände oder dergleichen sein.
  • Die Darstellung der 9 zeigt den Spannungsumsetzer 40 der 8 in einer Ansicht von schräg unten. Zu erkennen ist wieder die mittig angeordnete Metallfläche 18, die zum Abführen von Wärme aus der integrierten Schaltung 24 dient. Weiterhin sind die passiven elektrischen Bauelemente 46, 48, 50 zu erkennen, die elektrisch mit der integrierten Schaltung 24 in Verbindung stehen.
  • Durch die Erfindung werden hochintegrierte Spannungsumsetzer bereitgestellt, die durch ihren modularen Aufbau in sehr einfacher Weise an unterschiedliche Applikationen anpassbar sind. Die integrierten Spannungsumsetzer können eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen und beispielsweise liegt eine Höhe der erfindungsgemäßen Spannungsumsetzer 10, 40 noch unter 1 mm. Die Spannungsumsetzer 10, 40 können automatisiert hergestellt und montiert werden und sind auf aufgrund ihres geringen Raumbedarfs in besonderer Weise für die Anwendung in tragbaren elektronischen Geräten geeignet.

Claims (10)

  1. Hochintegrierter Spannungsumsetzer, insbesondere für tragbare elektronische Systeme, mit einer integrierten Schaltung und wenigstens einem passiven elektrischen Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine passive Bauelement innerhalb eines ersten Quaders mit ersten Anschlusskontakten an einer Unterseite angeordnet ist, dass die integrierte Schaltung innerhalb eines zweiten Quaders mit zweiten Anschlusskontakten an seiner Oberseite und dritten Anschlusskontakten an seiner Unterseite angeordnet ist, dass die ersten Anschlusskontakte an der Unterseite des ersten Quaders und die zweiten Anschlusskontakte an der Oberseite des zweiten Quaders passend zueinander ausgebildet sind und dass das wenigstens eine passive Bauelement und die integrierte Schaltung mittels der ersten und der zweiten Anschlusskontakte miteinander verbunden sind.
  2. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine passive Bauelement in einen Kunststoff eingebettet ist, wobei Außenflächen des ersten Quaders mit Ausnahme der ersten Anschlusskontakte durch den Kunststoff gebildet sind.
  3. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung in einen Kunststoff eingebettet ist, wobei Außenflächen des zweiten Quaders mit Ausnahme der zweiten und dritten Anschlusskontakte durch den Kunststoff gebildet sind.
  4. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des ersten Quaders und die Oberseite des zweiten Quaders gleich groß sind.
  5. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des ersten Quaders mit dem wenigstens einen passiven Bauelement zwischen etwa 0,4 mm und etwa 0,8 mm liegt.
  6. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des zweiten Quaders mit der integrierten Schaltung zwischen 0,2 mm und 0,8 mm liegt.
  7. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine passive Bauelement in Dünnschichttechnik aufgebaut ist.
  8. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement als Spule aufgebaut ist.
  9. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement mittels mehrerer Schichten aufgebaut ist.
  10. Hochintegrierter Spannungsumsetzer nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe der miteinander verbundenen Quader kleiner oder gleich 1 mm ist.
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