[发明专利]功率片上系统结构

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2013年3月25日提交的美国临时专利申请No.61/852,933的优先权，该申请以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及功率片上系统结构。具体地，本文对集成了固态照明、信号处理、控制电路、半导体功率开关和无源元件的结构与平台以及示例性应用进行讨论。

背景技术

固态照明(solid state lighting，SSL)技术(例如发光二极管(LED))在光源、照明及显示应用中具有广阔的前景。由于相比于传统日光灯和荧光灯的更高的效率和更长的寿命，使得SSL的使用可显著降低电力消耗成本、更换成本及维护成本。另外，通过利用信号处理及控制电路对SSL显示器中的像素进行直接控制，可将SSL技术广泛应用于微显示、投影显示(projection display)及其他领域，以实现高性能、高效率和环保的系统。

然而，传统固态照明具有两个关键问题：价格相对昂贵且体积相对较大。以LED灯泡为例，其价格可以是竞争产品荧光灯泡的数倍。LED灯泡成本的两大来源是LED封装及驱动模块。LED灯的另一个缺点是驱动模块占据较大体积。通常，驱动模块的电路板包括功率变压器、功率开关、几个电容器、和控制器。进一步地，驱动模块的无源元件(变压器、电容器)也占据较大体积(变压器体积较大是由于离线电压相对较高(110VAC～220VAC)，因此在几十kHz的频率范围中，变压器所需的电感值较大)。这些大体积的驱动电路严重制约了SSL在紧凑型应用中的应用。

发明内容

本发明的实施例提供一种经济且紧凑的适于SSL照明及显示应用的功率片上系统结构。该结构包括具有不同功能的三层：1)集成电路层；2)嵌入式无源元件层；以及3)接合层。这些层以高效的方式互连和集成，从而使器件的成本和体积最小化。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的整体概念性原理图的示图。

图2A是示出示例性器件的集成化功率片上系统结构的俯视图的示图。

图2B是示出图2A所示的示例性器件的集成化功率片上系统结构的仰视图的示图。

图2C是示出图2A所示的示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图(沿着图2A中的截面线A-A’)的示图。

图3是示出另一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。

图4是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。

图5是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。

图6是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。

图7是示出又一示例性器件的集成化功率片上系统结构的截面视图的示图。

图8A至图8G是示出制造具有根据本发明示例性实施例的集成化功率片上系统结构的器件的步骤的示图。

图9示出了示例性交通灯装置。

图10示出了使用智能交通灯装置的污染物感测部署的示例。

具体实施方式

总体而言，本发明的实施例涉及层状结构。该结构包括三个不同的部分。

·第一，使用衬底来构建信号处理和控制电路以及电源管理控制电路。应当理解的是，可在衬底正面上使用传统的IC制造工艺，来在衬底上制造所述信号处理和控制电路以及电源管理控制电路。这些位于衬底正面上的信号处理和控制电路以及电源管理控制电路组成了本文所谓的集成电路层。

·第二，衬底可在例如衬底背面提供包括电感器、变压器以及电容器在内的无源元件。这些无源元件嵌入在衬底背面，并通过过孔连接至衬底正面(集成电路层)。通过这种嵌入方法，有效利用了衬底(例如，硅衬底)的体积，从而使器件尺寸最小化。衬底背面的这些嵌入式无源元件组成了本文所谓的嵌入式无源元件层。

·第三，衬底还充当插入件：SSL器件/芯片以及半导体开关可接合至衬底，并通过接合技术(例如倒装芯片接合)与衬底上的其他元件连接。这些SSL器件/芯片以及半导体开关组成了本文所谓的接合层。

通过采用根据此种结构的衬底而提供的高集成度避免了材料、组件和分立元件的成本以及用于测试和再造分立元件的成本。此外，高集成度显著降低了器件的体积。