内部微型变压器：拆解隔离的电力传输芯片

我看到一个提供5伏隔离电源的微型芯片1的广告：你一边供电5伏，另一边供电5伏。最引人注目的是，两边之间的电压最高可达5000伏。这个芯片包含一个DC-DC转换器和一个微小的隔离变压器，所以从一边到另一边没有直接的电气连接。我很惊讶他们能把所有这些都装进一个比你的指甲还小的包装里，所以我决定看看里面。

我从德州仪器(Texas Instruments)拿到了一块样品芯片。5474项目的罗伯特·巴鲁克(Robert Baruch)在210°C的硫酸中为我拆封了这块芯片。这溶解了环氧树脂封装，留下了一堆微小的组件，下面显示了一分钱的比例。顶部是两个微小的硅模，一个用于一次电路，另一个用于二次电路。下面的芯片是变压器上的两个磁化铁氧体片。右边是五块编织玻璃纤维中的一块。底部是一次电路和二次电路用的一块硅片。下面是变压器上的两块磁化铁氧体片。右边是五块编织玻璃纤维中的一块。底部是一块。3个。

芯片中还含有两个八角形的变压器绕组，下面的照片显示的是一个线圈拆封后的残余物，这些绕组很可能是微小印刷电路板上的铜痕迹，编织玻璃纤维片是这些电路板在环氧树脂溶解后的残留物，似乎绕组是由多根并联的导线组成的，而不是一根线圈。

为了确定元件是如何组合在一起的，我研究了德州仪器的专利，发现了一种类似的电源隔离芯片(见下文)。注意两个芯片和线圈的结构。这项专利的一个主要特点是引线在内部升高，芯片上下颠倒安装。这提供了与电路板更好的电磁隔离。

该芯片在SOIC封装中，比指甲还小。下面的样机图像显示硅芯片和变压器绕组非常小，可以放在这个封装中。这种电源芯片的厚度大约是标准SOIC封装的两倍，因此它可以容纳多层变压器。

芯片内部结构的表示。这是一种由多块芯片组成的复合材料，第二块铁氧体片材覆盖在变压器线圈上，芯片可能在实际芯片中倒置，芯片尺寸为7.5 mm×10.3 mm，厚度为2.7 mm。

芯片包含两个硅晶片，一个用于接收电力的初级电路，另一个用于输出电能的次级电路。下面的照片显示了次级电路的硅裸片。芯片顶部的金属层是可见的；我认为总共有三层金属层使芯片旋转。在这张照片中看不到芯片的硅，因为它隐藏在金属下面。在顶部和左侧，键合线连接到芯片上的焊盘。芯片的左半部分与芯片上的焊盘相连。芯片的硅隐藏在金属下面，因此在这张照片中看不到芯片的硅。在顶部和左侧，焊线连接到芯片上的焊盘。芯片的左半部分。左侧是模拟电力电子设备，需要大电流接线。

移除金属层5会露出下面的硅(下图)。图中显示了构成芯片的晶体管、电阻器和电容器。金属层和底层硅在外观上没有太多相似之处，但有一些特征是匹配的。

芯片的一个有趣的特点是CMP填充。.在制造过程中，芯片的各层用化学机械抛光(CMP)抛光。但是，没有任何金属布线的区域比较软，会被抛光太多。为了防止这种情况，用方格网格填充空白区域，以确保芯片抛光到均匀的水平。填充在下面的照片中可以看到，小方框呈微小角度。芯片有多层金属，每一层都有自己的不同角度的填充。(角度防止填充与填充对齐(该角度防止填充与填充对齐(角度防止填充与填充对齐))：在下面的照片中，可以看到带有轻微角度的小方框。芯片有多层金属，每一层都有自己的填充物，角度不同(角度防止填充物与填充物对齐。

主模上的徽标，周围有CMP填充。"；UCP&34；中的"；P"；表示主要名称。

在芯片的底部，在金属层下面，硅也有CMP填充，如下所示。这些凸起的填充正方形是硅的一部分，正方形之间的线条填充材料，可能是多晶硅。请注意，虽然栅格是成一定角度的，但每个正方形都与芯片平行。换句话说，正方形的位置是成角度的，而不是正方形本身。

下图标记了芯片的一些组件，左侧是连接到变压器的电源组件，右侧是控制逻辑。

芯片的逻辑似乎是由两块标准单元电路构建而成的，每个逻辑元件都是库中的固定设计，这些单元排列在网格上。下面的照片显示了实现这种逻辑的硅的特写。每个块都是一个MOS晶体管，由顶部的金属层连在一起。最小的可见特征大约是700 nm宽，相当于红光的波长。(这就解释了为什么图像是模糊的。)相比之下，尖端芯片现在正转向5。

芯片的一大块区域由电容器组成，这些电容器是由硅片上的金属层构成的，中间用电介质隔开。下面照片中的大正方形区域是电容器；根据厚度的不同，介质看起来是淡黄色、红色或绿色的。这些电容器通过金属层连接在一起，形成更大的电容器。(电容器之间的小正方形图案是CMP填充，如前所述。)我无法溶解介质，所以我怀疑它是氮化硅，而不是氮化硅。(如前所述，电容器之间的小正方形图案是CMP填充。)我无法溶解介质，所以我怀疑它是氮化硅，而不是氮化硅。(如前所述，电容器之间的小正方形图案是CMP填充。)我无法溶解介质，所以我怀疑它是氮化硅，而不是。

下面硅中的水平条纹是电阻器，通过掺杂硅产生高电阻区，电阻与长度除以宽度成正比，所以电阻又长又细，以获得显著的电阻，通过将两端的电阻条纹以之字形连接起来，可以生产出高价值的电阻器。

下面的照片显示了芯片上的一些晶体管。芯片使用的晶体管种类繁多，从底部的大功率晶体管到标签左侧的微型逻辑晶体管集合，应有尽有。所有的晶体管都以相同的比例显示，因此您可以看到尺寸的巨大范围。(这里可能也有二极管。)

来自二次管芯的晶体管的集合，所有这些晶体管都以相同的比例显示以供比较。

下面的照片显示了初级硅管芯。在这张照片中，一些金属层已经被移除，显示了下面的布线。芯片的顶端有模拟电源电路，主要是电容器，上面覆盖着一层基本均匀的金属层。6个。

下面的特写显示了在去除金属和氧化层过程中的主要模具。请注意，一些金属和聚硅石片已经从模具上松动，并且呈随机角度。这说明了模具是如何具有三维结构的，多层重叠在一起。随着氧化物的去除，一层中的结构可能会脱落。

该芯片的基本思想很简单，它的工作方式是隔离的DC-DC转换器。芯片的一次侧将输入电压转换成脉冲，送入变压器。二次侧对脉冲进行整流以产生输出电压。由于一次侧和二次侧之间没有电气连接--只有变压器--所以输出电压是电隔离的。但是，没有详细的文档记录：有许多可能的拓扑用于产生和整流脉冲，如FLASH。

我研究了TI的各种专利，我认为芯片使用了一种叫做移相双有源电桥的技术，如下所示。主要使用四个配置为H桥的晶体管(左边)向变压器(中间)发送正负脉冲。二次侧(右边)类似的H桥将变压器的输出转换回DC。使用H桥而不是二次侧二极管的原因是通过或多或少地改变时序，来改变二次侧的时间，从而将变压器的输出转换回DC。在二次侧使用H桥而不是二极管的原因是，通过或多或少地改变定时，或多或少地通过改变时序，将变压器的输出转换回DC。在二次侧使用H桥代替二极管的原因是，通过或多或少地改变时序，可以或多或少地改变时序。换句话说，通过在主桥和副桥之间切换相位，可以调节电压。(与大多数变换器不同的是，这种方法既不会改变脉冲频率，也不会改变脉冲宽度。)。

每个H桥由四个晶体管组成：两个N沟道MOS晶体管和两个P沟道MOS晶体管，下面的照片显示了六个大功率晶体管，它们占据了次级芯片的很大一部分，从它们的结构来看，右边的两个是N沟道MOSFET，另外四个是P沟道MOSFET，这就产生了H桥所需的四个晶体管，剩下两个晶体管用于其他用途。

我把芯片连线到一个面包板上(如下所示)，它的工作就像宣传的那样。这是一个非常容易使用的芯片，只在输入和输出上有几个滤波电容。(虽然这些芯片包含许多电容器，但它们太小了，不能过滤。外部电容提供更大的电容。)我在5伏(左下)和5伏(右上)的电压下，点亮了LED。在实现电力电子产品时，遵循布局建议很重要，以避免噪音和振荡。但是，即使这个面板不符合这些建议中的任何一个，芯片工作得很好。我在5伏的电压下测量了输出，几乎没有噪音。

芯片用电线连接在面包板上。芯片安装在中间的分路板上，这样就可以将其插入面包板。

当我看到一个包含完整DC-DC转换器的芯片时，我想里面一定有一些有趣的技术。对芯片进行拆封揭示了部件，包括两个硅管芯和微小的平面变压器绕组。通过研究这些部件并与德州仪器的专利进行比较，我得出结论，该芯片使用移相双有源电桥拓扑进行电能传输。(有趣的是，这种拓扑在电动汽车充电器中变得流行起来，尽管功率要高得多)。(有趣的是，这种拓扑结构正在电动汽车充电器中流行起来，尽管功率要高得多。8)。

这些芯片很复杂，有三层金属，还有一些无法用光学方法分辨的小特征。我通常检查的是几十年前的芯片，而且更容易理解，所以这篇文章比我典型的逆向工程有更多的猜测。(换句话说，我可能弄错了一些东西。)如果你熟悉现代IC元件，并认识任何元件，请告诉我。

我在Twitter上宣布了我最新的博客帖子，所以请关注me@kenshiriff以获得未来的文章。我还有一个RSS源，感谢罗伯特·巴鲁克为我拆解这个芯片，也感谢德州仪器提供给我一个免费的芯片样品。

很多人抱怨广告定向，但在这种情况下，广告(下面)完全符合我的兴趣。这个芯片是UCC12050；数据表在这里。

由于芯片的内部结构，存在着水分穿透封装并在内部积聚的风险。在焊接芯片时，这些水分可能会蒸发，导致芯片像爆米花一样爆裂。为了避免这种可能性，芯片被封装在一个特殊的防潮袋中，里面装着水分指示卡。芯片的湿敏级别为3，表明必须在从袋中取出后的一周内焊接。如果芯片超过限制，必须在焊接前烘焙，以清除剩余的水分。如果芯片超过限制，则必须在焊接前烘焙，以清除残留的水分。芯片的湿敏级别为3，表示必须在从袋中取出后的一周内焊接。如果芯片超过限制，则必须在焊接前烘焙，以清除残留的水分。芯片的湿敏级别为3，表明必须在取出袋子后的一周内焊接。

为了去掉芯片上的层，我交替使用盐酸(池酸)溶解金属，然后应用铠甲蚀刻来去除二氧化硅层。-↩。

我在清洗时不小心把主要骰子掉进了排水沟，所以我没有太多主要骰子的照片。--↩。

我偶然看到一段有趣的视频，视频中展示了一款电动车充电用的双有源桥式变换器，这个变换器直接由2.5千伏电力线供电，有点吓人。--↩