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近日，中國科大國家示范性微電子學(xué)院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。研究者提出了一種基于玻璃扇出型晶圓級封裝（FOWLP）的全集成隔離電源芯片。所提出的架構(gòu)通過在單個(gè)玻璃襯底上利用三層再布線層（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)提供一個(gè)新的解決方案。該研究成果2月18日以“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)域最高級別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference （ISSCC）上。受疫情影響，會議于2021年2月13日至22日在線上舉行，該成果還被入選在該會議上進(jìn)行DEMO演示。

隔離電源芯片對于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中保證系統(tǒng)的安全和可靠性起到至關(guān)重要的作用。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)前面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，近年來得到了學(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，該研究基于利用先進(jìn)的玻璃扇出型晶圓級封裝技術(shù)，將接收和發(fā)射芯片通過封裝上可再布線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)從而大大提高了隔離電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。此外，該研究中還提出了一種采用了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，而無需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。最終測試結(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，并且最終的封裝尺寸僅有5mm×5mm，在目前所報(bào)道的無磁芯隔離電源芯片中效率和功率密度均為最高。

圖1. 論文中提出的全集成隔離電源芯片解決方案

圖2. 隔離電源系統(tǒng)封裝和芯片照片

論文第一作者為我校微電子學(xué)院博士后潘東方，程林教授為通訊作者，這是中國科大首次以第一作者單位在ISSCC上發(fā)表論文。ISSCC創(chuàng)建于1953年，是國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ISSCC在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界受到極大關(guān)注，也被稱為集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“奧林匹克大會”。本項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等的資助。

ISSCC會議官網(wǎng)：http://isscc.org/

（微電子學(xué)院、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、科研部）