楊勛勇，王建衛(wèi)，張涵，馬奎，楊發(fā)順

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴州畢節(jié)，551700；2.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550025）

0 引言

本文首先對(duì)大功率同步整流器的各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，整合各子模塊電路實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的芯片電路參數(shù)。然后根據(jù)大功率同步整流器電路的功能、規(guī)模以及熱穩(wěn)定性等因素，合理規(guī)劃大功率同步整流器的三維堆疊以及各層之間的三維互連，也即合理安排TSV的位置，實(shí)現(xiàn)大功率同步整流器合理的三維布局，并對(duì)其進(jìn)行電氣連接檢查，最后得到性能優(yōu)越的三維集成大功率同步整流器。

1 大功率同步整流器的電路設(shè)計(jì)

1.1 大功率同步整流器的整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的大功率同步整流器控制芯片（Controller）共有五個(gè)端口，包括連接整流橋輸出的Vrec端、輸出反饋端FK端、過流檢測(cè)端Sense、輸出端和接地端。Vrec端的電壓通過高壓降壓模塊后轉(zhuǎn)換成5V電壓給內(nèi)部各模塊電路提供電源。如圖1（a）所示，大功率同步整流器的整體結(jié)構(gòu)主要包括整流電路、控制電路、變壓器和濾波電路。將四個(gè)耐壓為700V的LDMOS器件組成的橋式整流電路規(guī)劃在整流芯片上，同步整流控制器Controller及變壓器勵(lì)磁電路規(guī)劃放置在控制芯片上，其余部分規(guī)劃為芯片外圍電路。圖1（b）所示的Controller內(nèi)部包括高壓降壓模塊、帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器、PWM電壓比較器、鋸齒波產(chǎn)生電路、邏輯控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及各種保護(hù)電路。

圖1 大功率同步整流器的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 大功率同步整流器的電路仿真

基于700V 1μm BCD工藝，在Cadence集成電路驗(yàn)證平臺(tái)上對(duì)所設(shè)計(jì)的大功率同步整流器的模塊電路以及整體電路進(jìn)行了仿真分析。在整體電路仿真時(shí)，電路按照?qǐng)D1（a）所示進(jìn)行連接。圖2為大功率同步整流輸出電壓和輸出電流的仿真曲線。

圖2 大功率同步整流輸出電壓和輸出電流的仿真

從圖2可以得到，當(dāng)大功率同步整流器的輸入Vin為220V/50Hz的交流時(shí)，通過整流電路進(jìn)行整流并濾波，再通過變壓器降壓，電阻R1和R2構(gòu)成的分壓電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣后經(jīng)Controller的FK端反饋給控制電路，控制電路根據(jù)輸出電壓反饋來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整LDMOS5驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在5V。因此，當(dāng)負(fù)載電阻RL為2Ω時(shí)，輸出電流約為2.5A。

圖3為大功率同步整流器的輸出電壓的負(fù)載特性仿真結(jié)果，從圖中可以看出，輸出電流在0～2.5A之間變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)范圍小于60mV，負(fù)載調(diào)整率為7.96mV/A。

圖3 大功率同步整流器的負(fù)載特性仿真曲線

輸出電壓與輸出電流在-30℃到140℃溫度范圍內(nèi)的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可得出，輸出電壓的溫度系數(shù)為37.289ppm、輸出電流的溫度系數(shù)為37.266ppm。從4可以得到，輸出電壓電流隨溫度的變化不大，溫度大于80℃時(shí)，隨著溫度的升高，輸出電壓與輸出電流增大，與80℃時(shí)的最小電壓電流相比，電壓與電流分別高了0.032V與0.016A，當(dāng)溫度低于80℃，隨著溫度的降低，輸出電壓與輸出電流升高，與80℃時(shí)相比，分別升高了0.025V與0.012A。

圖4 大功率同步整流器輸出電壓、電流在-30℃～140℃溫度范圍內(nèi)的變化曲線

2 大功率同步整流器的版圖設(shè)計(jì)

本論文所設(shè)計(jì)的大功率同步整流器的版圖布局規(guī)劃如圖5所示。

圖5 大功率同步整流器的版圖布局規(guī)劃

控制芯片中包括有高壓降壓模塊、同步整流控制器Controller（含有帶隙基準(zhǔn)模塊、誤差放大器、PWM電壓比較器、鋸齒波產(chǎn)生電路、邏輯控制驅(qū)動(dòng)電路以及各保護(hù)電路）和功率開關(guān)管。，高壓穩(wěn)壓模塊由RC充電電路、前置基準(zhǔn)電壓電路和LDO構(gòu)成，模塊中采用一個(gè)D-S耐壓700V的LDMOS調(diào)整管，版圖需要較大面積，功率開關(guān)管采用一個(gè)D-S耐壓700V的LDMOS，整流芯片中包含用于實(shí)現(xiàn)橋式整流的四個(gè)D-S耐壓為700V的LDMOS。為便于兩層芯片的三維堆疊，將兩層芯片的寬和長(zhǎng)均設(shè)計(jì)為一樣，寬為2196μm、長(zhǎng)為3936μm。

所設(shè)計(jì)的大功率同步整流器的版圖如圖6所示。TSV的尺寸和安全工作區(qū)間距均滿足設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。分別對(duì)整流芯片版圖和控制芯片版圖Calibre進(jìn)行了DRC和LVS驗(yàn)證。分別導(dǎo)出兩層芯片包含所有l(wèi)ayer坐標(biāo)信息的GDSII文件，用于三維堆疊版圖的驗(yàn)證。

圖6 大功率同步整流器的版圖

3 大功率同步整流器的三維集成設(shè)計(jì)

3.1 大功率同步整流器的三維集成

大功率同步整流器的兩層芯片版圖如圖6所示，將這兩層芯片進(jìn)行三維堆疊，整流芯片放置于底層，控制芯片放置于頂層， 每層芯片上各放置12個(gè)TSV，其中靠左側(cè)的四個(gè)TSV用于散熱，靠右側(cè)的8個(gè)TSV中位于芯片中心的2個(gè)用于散熱、另外6個(gè)用于信號(hào)互連，每層芯片上相應(yīng)的TSV坐標(biāo)位置一一對(duì)應(yīng)。

TSV是一個(gè)多種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它引入的應(yīng)力會(huì)使其附近的硅材料中產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，硅材料的壓阻效應(yīng)會(huì)影響有源區(qū)載流子的遷移率，載流子遷移率相對(duì)變化率的計(jì)算公式為：

其中，方向因子β(θ)是關(guān)于角度θ的函數(shù)，θ定義為TSV中心和晶體管溝道中心的夾角，π是壓阻系數(shù)，硅的壓阻系數(shù)π為71.8×10-11Pa-1，σrr是硅表面上距離TSV中心原點(diǎn)r處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

為了保證有源器件的性能，TSV與相鄰的有源區(qū)域之間需設(shè)置合適的安全間距，確保TSV引起的相鄰晶體管溝道區(qū)載流子遷移率的變化率低于5%。

在本文所設(shè)計(jì)的三維集成同步整流器中，設(shè)定每層芯片的厚度為100μm、TSV內(nèi)部絕緣層二氧化硅的厚度為1μm。有限元仿真得出當(dāng)銅芯半徑為22μm時(shí)，TSV引起的應(yīng)力最小。因此，設(shè)計(jì)TSV的半徑為24.2μm（銅芯半徑為22μm、側(cè)壁氧化層厚度為1μm、勢(shì)壘層厚度為100nm）、TSV與相鄰有源區(qū)的最小間距為17μm、相鄰TSV之間的間距為260μm。根據(jù)式3-1計(jì)算得出θ為0°、45°和90°三種情況下，載流子遷移率變化率為5%時(shí)TSV與有源區(qū)器件的安全間距分別為：當(dāng)θ為0°，TSV的半徑為24.2μm時(shí)，TSV與NMOS器件的安全距離為86.73μm，與PMOS器件的安全距離為98.02μm；當(dāng)θ為45°，TSV的半徑為24.2μm時(shí)，TSV與NMOS器件的安全距離為77.27μm，與PMOS器件的安全距離為35.08μm；當(dāng)θ為90°，TSV的半徑為24.2μm時(shí)，TSV與NMOS器件的安全距離為61.46μm，與PMOS器件的安全距離為94.64μm。TSV中銅芯的直徑不同，導(dǎo)致的應(yīng)力分布也不同。

3.2 三維集成大功率同步整流器的版圖驗(yàn)證

首先分別對(duì)圖6所示的兩層芯片版圖進(jìn)行了DRC和LVS驗(yàn)證，將通過驗(yàn)證后的兩層芯片版圖分別導(dǎo)出為GDS II文件。然后分別檢查銅芯、側(cè)壁二氧化硅層以及勢(shì)壘層對(duì)應(yīng)GDS II編號(hào)的坐標(biāo)匹配信息，編寫規(guī)則檢查腳本文件，如圖7所示。最后，聯(lián)合兩層芯片的GDS II文件和規(guī)則檢查腳本文件，驗(yàn)證坐標(biāo)位置以及電氣連接情況。

圖7 三維集成同步整流器版圖的Calibre 3D stack規(guī)則檢查腳本文件

Calibre 3D stack驗(yàn)證報(bào)告如圖8所示，檢查覆了兩層芯片上的全部6個(gè)LDMOS功率器件、12個(gè)信號(hào)互連TSV。驗(yàn)證結(jié)果表明孔的坐標(biāo)重合、縱向深度達(dá)到要求，保證了兩層芯片上TSV電氣連接關(guān)系正確。

圖8 三維集成大功率同步整流器的驗(yàn)證報(bào)告

4 結(jié)論

基于700V 1μm BCD工藝設(shè)計(jì)了一種大功率同步整流器，整合各功能模塊，仿真得到：大功率同步整流器的輸出電壓為5V，最大輸出電流為13.38A，最大輸出功率為66.9W?；谝褍?yōu)化好的電路設(shè)計(jì)了大功率同步整流器的控制芯片版圖和整流芯片版圖，將四個(gè)同步整流功率管LDMOS1、LDMOS2、LDMOS3、LDMOS4放置在整流芯片上，將整流控制電路、高壓降壓電路和開關(guān)管放置在控制芯片上。兩層芯片堆疊在一起，由6個(gè)半徑為24μm的TSV實(shí)現(xiàn)層間信號(hào)互連，額外添加了6個(gè)TSV作散熱用，基于Calibre 3D stack工具對(duì)三維堆疊的版圖進(jìn)行了幾何規(guī)則和電氣連接檢查，檢查結(jié)果表明12個(gè)TSV連接孔的坐標(biāo)重合，縱向深度達(dá)到要求，兩層芯片的TSV電氣連接關(guān)系正確。