中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家示范性微電子學(xué)院教授程林教授課題組在全集成隔離電源芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要成果。該研究提出的架構(gòu)通過(guò)在單個(gè)玻璃襯底上利用三層再布線(xiàn)層（RDL）實(shí)現(xiàn)了高性能微型變壓器的繞制，并完成與發(fā)射和接收芯片的互聯(lián)，有效地提高了芯片轉(zhuǎn)換效率和功率密度……
近日據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道，該校國(guó)家示范性微電子學(xué)院教授程林教授課題組在全集成隔離電源芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要成果。
該研究提出了一種基于玻璃扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）的全集成隔離電源芯片。所提出的架構(gòu)通過(guò)在單個(gè)玻璃襯底上利用三層再布線(xiàn)層（RDL）實(shí)現(xiàn)了高性能微型變壓器的繞制，并完成與發(fā)射和接收芯片的互聯(lián)，有效地提高了芯片轉(zhuǎn)換效率和功率密度，為今后隔離電源芯片的設(shè)計(jì)提供新的解決方案。
2月18日，相關(guān)研究成果以A 1.25W 46.5%-Peak-Efficiency Transformer-in-Package Isolated DC-DC Converter Using Glass-Based Fan-Out Wafer-Level Packaging Achieving 50mW/mm2 Power Density為題，發(fā)表在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別會(huì)議國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（IEEE International Solid-State Circuits Conference，簡(jiǎn)稱(chēng)ISSCC）上，該成果被選入在該會(huì)議上進(jìn)行DEMO演示。
隔離電源芯片對(duì)于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中保證系統(tǒng)的安全和可靠性具有重要作用。近年來(lái)，在一些尺寸和成本受限的應(yīng)用中，如何高效地在相互隔離的兩個(gè)地之間傳輸數(shù)百毫瓦的功率是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)，得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。
與傳統(tǒng)隔離電源芯片相比，該研究利用先進(jìn)的玻璃扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)，將接收和發(fā)射芯片通過(guò)封裝上可再布線(xiàn)層制成的微型變壓器進(jìn)行互聯(lián)封裝，不需要額外的變壓器芯片，克服了現(xiàn)有芯片設(shè)計(jì)中需要三顆甚至四顆芯片的缺點(diǎn)從而提高了隔離電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。
此外，該研究還提出了一種采用可變電容的功率管柵極電壓控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在更寬的電源電壓范圍下，控制柵極峰值電壓使其保持在最佳的安全電壓范圍，而無(wú)須采用特殊厚柵氧工藝的功率管，實(shí)現(xiàn)更高的效率和降低成本。
測(cè)試結(jié)果表明，該隔離電源芯片實(shí)現(xiàn)了46.5%的峰值轉(zhuǎn)換效率和最大1.25W的輸出功率，且最終的封裝尺寸僅有5mm×5mm，在目前所報(bào)道的無(wú)磁芯隔離電源芯片中效率和功率密度均為最高。
中國(guó)科大微電子學(xué)院博士后潘東方為論文第一作者，程林為論文通訊作者，這是中國(guó)科大首次以第一作者單位在ISSCC上發(fā)表論文。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中科院等的資助。
圖1. 論文中提出的全集成隔離電源芯片解決方案（圖自：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)）
圖2.隔離電源系統(tǒng)封裝和芯片照片（圖自：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)）
國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）創(chuàng)建于1953年，是國(guó)際上最尖端芯片技術(shù)發(fā)表之地，每年大約有200篇論文入選。由于國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界受到極大關(guān)注，也被稱(chēng)為集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“奧林匹克大會(huì)”。程林教授課題組的相關(guān)成果以論文形式在該會(huì)議上發(fā)表，并進(jìn)行演示。這是中國(guó)科大首次以第一作者單位在該會(huì)議上發(fā)表論文。