特表 2024-531323 多段アレイベースの垂直集積電力供給

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-29

(54)【発明の名称】多段アレイベースの垂直集積電力供給

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20240822BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 U

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024509304

(86)(22)【出願日】2022-08-15

(85)【翻訳文提出日】2024-04-09

(86)【国際出願番号】 US2022040353

(87)【国際公開番号】W WO2023022991

(87)【国際公開日】2023-02-23

(31)【優先権主張番号】63/260,392

(32)【優先日】2021-08-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】510192916

【氏名又は名称】テスラ，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チョウ，ジン

(72)【発明者】

【氏名】スン，シシュアン

(72)【発明者】

【氏名】スン，ヤン

(72)【発明者】

【氏名】クリティヴァサン，ヴィジャイクマール

(72)【発明者】

【氏名】チャン，ウィリアム

(72)【発明者】

【氏名】リー，ジアンジュン

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS05

5H730AS19

5H730BB62

5H730BB86

5H730ZZ07

(57)【要約】

本開示の態様は、アレイ内のチップへの電力供給に関する。電力変換経路のアレイは、アレイのチップに対して垂直に配置することができる。電力変換経路は、高電圧低電流信号を低電圧高電流に変換することができる。電力変換経路は、第１の電力変換段および第２の電力変換段を含むことができる。電力変換経路は、例えば、電力供給モジュールに実装することができる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンピューティングシステムであって、
複数のチップを含むチップのアレイと、
前記複数のチップに対して垂直に配置された複数の電力変換経路を含む電力変換経路のアレイと、を備え、
前記複数の電力変換経路が第１の電力変換経路を含み、
前記第１の電力変換経路が、
第１の電力変換段と、
前記第１の電力変換段から電力供給信号を受信し、前記電力供給信号よりも低い電圧および高い電流を有する出力電力供給信号を生成し、前記出力電力供給信号を前記複数のチップのうちの第１のチップに提供するように構成された第２の電力変換段と、を備える、コンピューティングシステム。

【請求項2】

前記第２の電力変換段が、
第１のプリント回路基板上の第１の回路と、
第２のプリント回路基板上の第２の回路と、を備え、
前記第２のプリント回路基板が前記第１のプリント回路基板と積層されており、電気接続部が前記第１のプリント回路基板と前記第２のプリント回路基板との間に垂直に延びる、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項3】

前記第１の電力変換段が、１つまたは複数の第１のプリント回路基板上の第１の回路を備え、前記第２の電力変換段が、１つまたは複数の第２のプリント回路基板上の第２の回路を備え、前記１つまたは複数の第１のプリント回路基板が、前記１つまたは複数の第２のプリント回路基板と積層されている、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項4】

前記第１の電力変換段が、前記第２の電力変換段と垂直に一体化されている、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項5】

前記第１の電力変換段が第１の直流－直流コンバータを備え、前記第２の電力変換段が第２の直流－直流コンバータを備える、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項6】

複数の電力供給モジュールが前記複数の電力変換経路を備え、第１の電力供給モジュールが前記第１の電力変換経路を備える、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項7】

前記第１の電力供給モジュールが、前記第１の電力変換段と前記第２の電力変換段との間に配置された熱伝達構造を備える、請求項６に記載のコンピューティングシステム。

【請求項8】

前記第１の電力供給モジュールが、前記第１の電力変換段および前記第２の電力変換段に対して垂直に配置されたデカップリングコンデンサを備える、請求項６に記載のコンピューティングシステム。

【請求項9】

前記第１の電力供給モジュールが、クロック回路と、前記第１の電力変換段および前記第２の電力変換段に対して垂直に配置されたプリント回路基板上のフィルタとを備える、請求項６に記載のコンピューティングシステム。

【請求項10】

前記電力供給モジュールの各々が、前記複数のチップのそれぞれの１つのフットプリントに対応する面積を有する、請求項６に記載のコンピューティングシステム。

【請求項11】

前記第１の電力変換段が、４０ボルト～６０ボルトの範囲の電圧を有する入力電力供給信号を受信するように構成され、前記出力電力供給信号が１ボルト未満の電圧を有する、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項12】

前記出力電力供給信号が、１ボルト未満の電圧および１００アンペア程度の電流を有する、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項13】

ウェハ上のシステムが前記チップのアレイを備え、前記コンピューティングシステムがウェハレベルパッケージング構造を備える、請求項１に記載のコンピューティングシステム。

【請求項14】

コンピューティングシステムにおける電力供給生成の方法であって、
電力供給モジュールのアレイの電力供給モジュールの第１の電力変換段を用いて、入力電力供給信号を、中間電力供給信号であって、前記中間電力供給信号が、前記入力電力供給信号よりも低い電流および高い電圧を有する、中間電力供給信号に変換するステップと、
前記電力供給モジュールの第２の電力変換段を用いて、前記中間電力供給信号に基づいて、出力電力供給信号を生成するステップであって、前記出力電力供給信号が、前記中間電力供給信号よりも低い電流および高い電圧を有する、ステップと、
前記電力供給モジュールと前記チップとの間に垂直に延びる少なくとも１つの電気的相互接続によって前記出力電力供給信号をチップアレイの前記チップに提供するステップであって、前記電力供給モジュールが前記チップに対して垂直に配置されている、ステップと、を含む、方法。

【請求項15】

前記第１の電力変換段が前記第２の電力変換段と垂直に一体化されている、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記第２の電力変換段が、
第１のプリント回路基板上の第１の回路と、
第２のプリント回路基板上の第２の回路と、を備え、
前記第２のプリント回路基板が前記第１のプリント回路基板と積層されており、電気接続部が前記第１のプリント回路基板と前記第２のプリント回路基板との間に垂直に延びる、請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記電力供給モジュールのアレイの各電力供給モジュールが、前記チップのアレイのそれぞれのチップのフットプリントに対応する面積を有する、請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記第１の電力変換段と前記第２の電力変換段との間に配置される熱伝達構造位置を使用して熱を放散することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記入力電力供給信号が、４０ボルト～６０ボルトの範囲の電圧を有し、前記出力電力供給信号が、１ボルト未満の電圧を有する、請求項１４に記載の方法。

【請求項20】

ウェハ上のシステムがチップのアレイを備える、請求項１４に記載の方法。

【請求項21】

前記チップのアレイを使用してニューラルネットワーク訓練を実行することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年８月１８日に出願された「ＨＩＧＨ ＤＥＮＳＩＴＹ ＭＵＬＴＩ－ＳＴＡＧＥ ＡＲＲＡＹ ＢＡＳＥＤ ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＯＷＥＲ ＳＯＬＵＴＩＯＮ ＦＯＲ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」と題する米国仮出願第６３／２６０，３９２号の利益を主張するものであり、その各々の開示は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は、一般に、電力供給を伴う電子アセンブリに関する。

【背景技術】

【0003】

コンピューティングシステムは、複数のチップと、電力供給モジュールなどの関連する電子機器とを含むことができる。高い計算密度が望ましい場合がある。高い計算密度を達成するために、関連する電子機器の面積を制限することができる。電力供給の効率は、システム性能に影響を与える場合がある。

【発明の概要】

【0004】

特許請求の範囲に記載された技術革新は各々いくつかの態様を有し、そのうちの１つだけがその望ましい属性を単独で担うものではない。特許請求の範囲を限定することなく、本開示のいくつかの顕著な特徴をここで簡単に説明する。

【0005】

本開示の１つの態様は、複数のチップを備えるチップのアレイと、複数のチップに対して垂直に配置された複数の電力変換経路を含む電力変換経路のアレイとを備えるコンピューティングシステムである。複数の電力変換経路は、第１の電力変換経路を含む。第１の電力変換経路は、第１の電力変換段と、第１の電力変換段から電力供給信号を受信し、電力供給信号よりも低い電圧および高い電流を有する出力電力供給信号を生成し、出力電力供給信号を複数のチップのうちの第１のチップに提供するように構成された第２の電力変換段とを含む。

【0006】

第１の電力変換段は、第２の電力変換段と垂直に一体化することができる。第１の電力変換段は、１つまたは複数の第１のプリント回路基板上に第１の回路を含むことができ、第２の電力変換段は、１つまたは複数の第２のプリント回路基板上に第２の回路を含むことができ、１つまたは複数の第１のプリント回路基板は、１つまたは複数の第２のプリント回路基板と積層することができる。第２の電力変換段は、少なくとも２つのプリント回路基板上の回路を含むことができる。第１の電力変換段は第１の直流－直流コンバータを含むことができ、第２の電力変換段は第２の直流－直流コンバータを含むことができる。

【0007】

複数の電力供給モジュールは複数の電力変換経路を含むことができ、第１の電力供給モジュールは第１の電力変換経路を含む。第１の電力供給モジュールは、第１の電力変換段と第２の電力変換段との間に配置された熱伝達構造を含むことができる。第１の電力供給モジュールは、第１の電力変換段および第２の電力変換段に対して垂直に配置されたデカップリングコンデンサを含むことができる。第１の電力供給モジュールは、クロック回路と、第１の電力変換段および第２の電力変換段に対して垂直に配置されたプリント回路基板上のフィルタとを含むことができる。電力供給モジュールの各々は、複数のチップのそれぞれの１つのフットプリントに対応する面積を有することができる。

【0008】

第１の電力変換段は、４０ボルト～６０ボルトの範囲の電圧を有する入力電力供給信号を受信することができ、出力電力供給信号は１ボルト未満の電圧を有する。出力電力供給信号は、１ボルト未満の電圧および１００アンペア程度の電流を有することができる。

【0009】

ウェハ上のシステムは、チップのアレイを含むことができる。コンピューティングシステムは、ウェハレベルパッケージング構造を含むことができる。

【0010】

本開示の別の態様は、コンピューティングシステムにおける電力供給生成の方法である。本方法は、電力供給モジュールのアレイの電力供給モジュールの第１の電力変換段を用いて、入力電力供給信号を中間電力供給信号に変換することを含む。中間電力供給信号は、入力電力供給信号よりも低い電流および高い電圧を有する。本方法は、電力供給モジュールの第２の電力変換段を用いて、中間電力供給信号に基づいて出力電力供給信号を生成することを含む。出力電力供給信号は、中間電力供給信号よりも低い電流および高い電圧を有する。本方法は、電力供給モジュールとチップとの間に垂直に延びる少なくとも１つの電気的相互接続によって、出力電力供給信号をチップアレイのチップに提供することを含む。電力供給モジュールは、チップに対して垂直に配置される。

【0011】

第１の電力変換段は、第２の電力変換段と垂直に一体化することができる。第２の電力変換段は、第１のプリント回路基板上の第１の回路と、第２のプリント回路基板上の第２の回路とを含むことができ、第２のプリント回路基板は第１のプリント回路基板と積層され、電気接続部は第１のプリント回路基板と第２のプリント回路基板との間で垂直に延びる。電力供給モジュールアレイの各電力供給モジュールは、チップアレイのそれぞれのチップのフットプリントに対応する面積を有することができる。

【0012】

本方法は、第１の電力変換段と第２の電力変換段との間に配置された熱伝達構造位置を使用して熱を放散することを含むことができる。

【0013】

入力電力供給信号は、４０ボルト～６０ボルトの範囲の電圧を有することができ、出力電力供給信号は、１ボルト未満の電圧を有することができる。

【0014】

本方法は、チップのアレイを使用してニューラルネットワーク訓練を実行することを含むことができる。ウェハ上のシステムは、チップのアレイを含むことができる。

【0015】

本開示を要約する目的で、技術革新の特定の態様、利点、および新規の特徴が本明細書に記載されている。そのような利点のすべてが、任意の特定の実施形態に従って必ずしも達成され得るとは限らないことを理解されたい。したがって、技術革新は、本明細書で教示または示唆され得るような他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点または利点の群を達成または最適化するように具現化または実行され得る。

【図面の簡単な説明】

【0016】

本開示は、本開示を例示することを意図しているが、本開示を限定することを意図していない特定の実施形態の図面を参照して本明細書で説明される。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本明細書に開示された概念を例示するためのものであり、縮尺通りではない場合があることを理解されたい。

【0017】

【図1】チップのアレイと、チップに垂直に電力供給信号を供給するように配置された電力供給モジュールのアレイとを含むウェハアセンブリ上のシステムの概略図である。

【0018】

【図2】電力供給モジュールのアレイの概略図である。

【0019】

【図3】一実施形態によるチップのアレイに垂直に電力を供給するように配置された電力供給モジュールのアレイの概略図である。

【0020】

【図4】一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段の概略ブロック図である。

【0021】

【図5】一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段の概略ブロック図である。

【0022】

【図6】一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段および追加機能の概略ブロック図である。

【0023】

【図7】一実施形態による複数のプリント回路基板上に実装された電力変換段の概略等角図である。

【0024】

【図8】一実施形態による追加の回路を含む電力供給モジュールのプリント回路基板の概略図である。

【0025】

【図9】一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段および熱伝達構造の概略ブロック図である。

【0026】

【図10】一実施形態による複数の電力変換段および熱伝達構造を有する電力供給モジュールの概略側面図または断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

特定の実施形態の以下の説明は、特定の実施形態の様々な説明を提示する。しかしながら、本明細書に記載された技術革新は、例えば、特許請求の範囲によって定義および包含されるように、多数の異なる方法で具現化され得る。この説明では、図面を参照するが、同様の参照番号は同一または機能的に同様の要素を示し得る。図面に示されている要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことが理解されよう。さらに、特定の実施形態は、図面に示されているよりも多くの要素および／または図面に示されている要素のサブセットを含み得ることが理解されよう。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の適切な組み合わせを組み込み得る。

【0028】

本開示の態様は、高電圧、低電流から低電圧、高電流までの複数の段を通る一体化された垂直電力変換経路に関する。出力電力供給は、例えば数百アンペアの高電流を有することができる。同時に、出力電力供給は１ボルト未満の電圧を有することができる。複数の電力変換段の各段の実現は、他の段（複数可）に対して独立していてもよい。例えば、第１の段はＬＬＣ電力変換段とすることができ、第２の段は降圧スイッチングレギュレータとすることができる。垂直電力変換経路は、積層されたプリント回路基板（ＰＣＢ）などの複数積層された構造で実装することができる。積層されたＰＣＢは、互いにほぼ平行であり得る。ＰＣＢは、はんだ付けまたはポゴピン接続などの任意の適切な電気接続部を介して垂直に相互接続することができる。デカップリングコンデンサをこの積層構造に一体化することもできる。クロック生成、位相ロックループ（ＰＬＬ）フィルタ、テストデバッグ回路など、またはそれらの任意の適切な組み合わせなど、システムオンチップ（ＳＯＣ）をサポートするための他の機能は、複数積層されたＰＣＢのうちの１つまたは複数に実装することができる。

【0029】

垂直電力ソリューションは、１つの垂直構造として一体化することができ、複数積層されたＰＣＢを含むことができる。各ＰＣＢは、電力変換段の一部または全部の回路を含むことができる。特定の用途では、いくつかのＰＣＢを組み合わせて１つの電力変換段として機能させることができる。例えば、降圧スイッチングレギュレータ段は、２つの積層されたＰＣＢで実装することができる。例示的な降圧スイッチングレギュレータでは、上部または第１のＰＣＢは、入力フィルタ回路、スイッチングトランジスタ（例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのスイッチング電界効果トランジスタ）、およびその上のコントローラなどの機能ブロックを含むことができる。このＰＣＢは、モジュールとして一体化することができる。あるいは、機能ブロックは、多相電力変換を提供するためにアレイ形式で実装することができる。下部または第２のＰＣＢは、出力インダクタおよび出力コンデンサを含むことができる出力フィルタを含むことができる。出力インダクタおよび／またはコンデンサ、アレイ形式で配置することができる。次いで、２つのＰＣＢを１つのサブモジュールとして一緒に組み立てることができる。このサブモジュールは、１つの電力変換段と見なされ、例えば、垂直電力供給のための垂直基板間接続（例えば、ポゴピン）を介して１つまたは複数の他の電力変換段と一体化される。ＰＣＢは、垂直にはんだ付けまたはポゴピン接続によって相互接続することができる。デカップリングコンデンサをこの積層構造に一体化することもできる。

【0030】

垂直電力ソリューションは、異なる方法で実装することもできる。各積層されたＰＣＢは、その上に電力変換段のアレイを含むことができる。例えば、各ＰＣＢは、アレイ形式で１段の電力変換を有することができる。次いで、そのようなＰＣＢは、分散コンピューティングアプリケーションをサポートするためにアレイベースの電力変換を提供するために一緒に積層されることができる。それは積層構造であるため、機械的および熱伝達構造は、積層されたＰＣＢの間に挟まれてシステムレベルの電力ソリューションを形成することができる。

【0031】

クロック、ＰＬＬフィルタ、およびテストデバッグ信号などのＳＯＣのための他の機能は、複数積層されたＰＣＢのうちの１つまたは複数に実装することができる。

【0032】

複数の電力変換段を有する電力変換経路は、本明細書に開示される任意の適切な原理および利点に従って電力供給モジュールに実装することができる。本明細書に開示される電力供給モジュールは、システムオンウェハ（ＳＯＷ）アセンブリに実装することができる。図１は、電力供給モジュール１０２のアレイと、電力供給モジュール１０２から垂直に電力供給信号を受信するように配置されたチップ１０４のアレイとを含むＳＯＷアセンブリ１００の概略図である。ＳＯＷは、チップのアレイ１０４および基板１０６を含むことができる。基板１０６は、複数のルーティング層を含むことができる。ＳＯＷアセンブリは、ＳＯＷの周りに１つまたは複数のウェハレベルパッケージング構造を含む。ＳＯＷアセンブリ１００は、高い計算密度を有する処理システムに含めることができる。そのような処理システムは、ニューラルネットワーク訓練および／または処理、機械学習、人工知能などの高性能コンピューティングおよび／または計算集約的な用途に使用および／または具体的に構成することができる。処理システムは、車両のためのオートパイロットシステムのためのデータを生成することができる。

【0033】

図１に示すように、チップ１０４のアレイは基板１０６上にある。アレイは、各々が分散コンピューティングアプリケーションのためのコンピューティングチップのインスタンスである複数のチップ１０４を含むことができる。アレイの各チップ１０４は、集積回路ダイとすることができる。アレイの各チップ１０４は、ＳＯＣとすることができる。チップ１０４は、（例えば、チップ１０４の１つまたは複数の入力／出力ブロックを介して、）互いにインターフェースして、分散コンピューティング機能を実装することができる。例えば、各チップ１０４は、アレイの行または列に直接隣接する各隣接する各チップ１０４と電気的に接続することができる。チップ１０４は、チップ間の短い経路を容易にし、高い計算密度を実装するために、互いに近接して配置することができる。各チップ１０４は、チップの外部の計算、記憶、および通信のうちの１つまたは複数を含む計算動作を実行することができる。

【0034】

電力供給モジュール１０２のアレイは、それぞれのチップ１０４に垂直に電力を供給するように配置された複数の電力供給モジュール１０２を含む。各電力供給モジュール１０２は、複数の電力変換段を有する電力変換経路を実装することができる。垂直電力供給は、直流損失を低減することによって横方向電力供給と比較して性能を改善することができる。互いに対して垂直に配置された電力供給モジュール１０２とチップ１０４との間の経路が短いほど、抵抗損失を少なくすることができる。高い計算密度および垂直電力供給を達成するために、電力供給モジュール１０２は、チップ１０４と同じまたは同様のフットプリントを有することができる。このような設計では、電力供給モジュール１０２のアレイは、チップ１０４間にいかなる追加の間隔も生じさせるべきではない。図１に示すように、各電力供給モジュール１０２は、それぞれのチップ１０４と整列し、それぞれのチップに対して垂直に配置することができる。

【0035】

各電力供給モジュール１０２は、電力変換経路を含むパッケージ部品とすることができ、電力変換経路は複数の電力変換段を含む。あるいは、複数のチップ１０４の電力変換経路は、複数の積層されたＰＣＢ上の電力変換回路のアレイとして実装することができる。

【0036】

本開示の実施形態は、アレイに配置されたチップに垂直に電力を供給することに関連する技術的問題に対するソリューションを提供することができる。図２は、電力供給モジュール１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、１０２Ｆ、１０２Ｇ、１０２Ｈ、および１０２Ｉのアレイ２００を示す。これらの電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｉは、電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｉとそれぞれのチップとの間に垂直に延びる電気接続部を介してチップに垂直に電力供給信号を供給することができる。電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｉは、それぞれのチップの下または上に配置することができる。垂直に提供される電力供給信号は、チップの主面に対して直交して提供される。

【0037】

図３は、一実施形態によるチップのアレイ１０４Ａ～１０４Ｃに垂直に電力を供給するように配置された電力供給モジュールのアレイ１０２Ａ～１０２Ｃの概略図である。図３に示すように、チップ１０４Ａ、１０４Ｂ、および１０４Ｃは、基板またはプリント回路基板１０６上に配置される。基板またはプリント回路基板１０６の反対側には、各チップに関連付けられた電力供給モジュール１０２Ａ、１０２Ｂ、および１０２Ｃがある。電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｃは、本明細書に開示される任意の適切な原理および利点に従って、複数の電力変換段を含むことができる。電力供給モジュール１０２Ａ、１０２Ｂ、および１０２Ｃは、例えば、図２のアレイ２００の電力供給モジュールとすることができる。

【0038】

電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｃは、チップ１０４Ａ～１０４Ｃに対して垂直に電力供給信号を送ることができる。例えば、図３に示すように、電力信号は、垂直電気接続部３０８Ａ、３０８Ｂ、３０８Ｃ、３１０Ａ、３１０Ｂ、および３１０Ｃを介して、電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｃからチップ１０４Ａ～１０４Ｃに垂直に搬送することができる。これらの電気接続部は、電力供給モジュール１０２Ａ～１０２Ｃからチップ１０４Ａ～１０４Ｃまで垂直に延びている。電気接続部は、ポゴピンおよび／または他の適切な垂直コネクタによって実装することができる。

【0039】

いくつかの実施形態では、チップ１０４Ａ～１０４Ｃは、プリント回路基板（例えば、ウェハから分離され、次いで回路基板に取り付けられる）上に配置されてもよい。特定の実施形態では、チップ１０４Ａ～１０４ＣはＳＯＷアセンブリの一部であってもよい。ＳＯＷアセンブリは、ウェハレベルパッケージングを含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、チップ１０４を含むウェハ上のシステムは、一体型ファンアウト（ＩｎＦＯ）ウェハとすることができる。

【0040】

平面内で信号をルーティングするための複雑なルーティングを低減することによって設計を単純化することに加えて、垂直電力供給は、１つまたは複数の他の利点を達成することができる。垂直に電力を供給することにより、信号がＰＣＢ上を横方向に移動するときに通常発生する電力損失は、より短い供給経路およびそれに対応する供給経路の抵抗の低減に起因して大幅に低減され得る。このような低減は、直流（ＤＣ）ＩＲ損失（例えば、チップなどの負荷装置における利用可能な電圧の低下）を低減するだけでなく、電流ループに関連する寄生ループインダクタンスも低減し、それによって回路デカップリングのためのキャパシタンスを低減し得る。そのような垂直に配置されたブロックアレイは、アレイのダイ間の高い計算密度および高速通信を可能にし得、これは、ＡＩ機械学習アプリケーションおよび大きな計算能力および高速通信が大きな利点である他のアプリケーションに有利であり得る。

【0041】

例示的な電力供給モジュール１０２は、電圧調整モジュールである。ＶＲＭは、チップの電力供給電圧を提供するために、より高い電流で直流電圧をより低い電圧に変換することができる。ＶＲＭは、高電圧低電流入力信号を受信し、高電流低電圧出力信号を生成することができる。ＶＲＭは、本明細書に開示される任意の適切な原理および利点に従って複数の電力変換段を含むことができる。高電流、低電圧出力は、特定の用途において１００アンペア程度の電流および１ボルト未満の電圧を有することができる。

【0042】

図４は、一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段の概略ブロック図である。電力供給モジュールは、第１の電力変換段４０２および第２の電力変換段４０４を含むことができる。これらの段は、互いに独立して実装することができる。特定の用途では、多段電力変換は、一段電力変換よりも効率的であり得る。多段電力変換は、様々な用途において比較的小さいフットプリントで実装することができる。

【0043】

第１の電力変換段４０２は、高電圧かつ低電流の入力電力供給信号を受信することができる。入力電力供給信号は、例えば、４０ボルト～６０ボルトの範囲の電圧を有することができる。第１の電力変換段４０２は、入力電力供給信号を、入力電力供給信号よりも低電圧かつ高電流の中間電力供給信号に変換することができる。第１の電力変換段４０２は、任意の適切な電力変換段とすることができる。例えば、第１の電力変換段４０２は、直流－直流（ＤＣＤＣ）コンバータを含み得る。

【0044】

第２の電力変換段４０４は、中間電力供給信号を受信し、出力電力供給信号を生成することができる。出力電力供給信号は、中間電力供給信号よりも低い電圧および高い電流を有することができる。出力電力供給信号は、特定の用途において、１００アンペア程度の電流および１ボルト未満の電圧を有することができる。第２の電力変換段４０４は、第１の電力変換段４０２と垂直に一体化され得る。第１の電力変換段４０２および第２の電力変換段４０４は、電力供給モジュールから電力を受け取るチップのフットプリント内に実装することができる。第２の電力変換段４０４は、任意の適切な電力変換段とすることができる。例えば、第２の電力変換段４０４は、ＤＣＤＣコンバータを含むことができる。

【0045】

図２には２つの電力変換段が示されているが、本明細書に開示されている任意の適切な原理および利点に従って、３つ以上の電力変換段を実装することができる。例えば、電力変換段は、１０００ボルトの電力供給信号を５０ボルトの電力供給信号に変換し、５０ボルトの電力供給信号を図４の第１の電力変換段４０２の入力ノードに提供することができる。図４では、第１のおよび第２のという用語は電力変換段の記述子として使用され、第１の電力変換段４０２の前に電力供給モジュール内に電力変換段が存在し得る。

【0046】

図５は、一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段の概略ブロック図である。図５の電力変換段は、図４の電力変換段の例である。図５に示すように、第１の電力変換段５０２はＬＬＣコンバータを含むことができる。ＬＬＣコンバータは、ＤＣＤＣコンバータであり得る。ＬＬＣ電力コンバータは、２つのインダクタとコンデンサとを含むことができる。２つのインダクタとコンデンサとの組み合わせは、スイッチング周波数で共振を有することができる。ＬＬＣ共振コンバータはまた、２つのブリッジ回路および絶縁トランスを含むことができる。第２の電力変換段５０４は、降圧コンバータを含むことができる。降圧コンバータは、ＤＣＤＣコンバータであり得る。降圧コンバータは、比較的高い効率で直流電圧を降圧することができるスイッチングコンバータの一種である。

【0047】

特定の用途では、電力変換段を２つ以上の積層されたＰＣＢ上に実装することができる。これにより、電力変換段の異なる部分を垂直に互いに一体化することができる。電力変換段の回路素子の垂直集積は、電力供給モジュールから電力供給信号を受信する集積回路ダイのフットプリントに対応するフットプリントを有する電力供給モジュールに寄与することができる。電力供給モジュールの対応するフットプリントは、集積回路ダイのフットプリント内で、集積回路ダイのフットプリントと実質的に同じであり得るか、または集積回路ダイのフットプリントよりもわずかに大きくなり得る。特定の用途では、２つ以上の電力変換段の各々を垂直集積回路素子で実装することができる。

【0048】

図６は、一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段および追加の回路の概略ブロック図である。電力供給モジュールは、第１の電力変換段５０２と、第２の電力変換段５０４と、追加の回路６０２とを含むことができる。

【0049】

第１の電力変換段５０２は、特定の用途において単一のＰＣＢ上に実装することができる。いくつかの他の用途では、第１の電力変換段５０２は、２つ以上のＰＣＢ上に実装され得る。第１の電力変換段５０２が１つのＰＣＢに実装されるか複数のＰＣＢに実装されるかは、電力変換段の種類および電力供給モジュールのフットプリントに依存し得る。

【0050】

第２の電力変換段５０４は、第１のＰＣＢおよび第２のＰＣＢに実装することができる。第１のＰＣＢは、入力フィルタと、スイッチング回路と、その上のコントローラとを含むことができる。第２のＰＣＢは、その上にインダクタアレイおよびコンデンサアレイを含むことができる。場合によっては、単一のアレイは、インダクタおよびコンデンサを含むことができる。第１のＰＣＢおよび第２のＰＣＢは、任意の適切な基板間電気接続部によって電気的に接続することができる。例えば、第１のＰＣＢおよび第２のＰＣＢは、ポゴピンによって電気的に接続することができる。基板間電気接続部は、電力および／または制御信号を搬送することができる。第２の電力変換段５０４は、第１のＰＣＢのおよび第２のＰＣＢ上の回路を含む降圧コンバータとすることができる。

【0051】

電力供給モジュールの追加の回路６０２は、第２の電力変換段５０４と積層され、第２の電力変換段に対して垂直に配置されたＰＣＢ上に含まれ得る。追加の回路６０２は、デカップリングコンデンサを含むことができる。追加の回路６０２は、クロック回路、ＰＬＬフィルタ、デバッグ回路などのうちの１つまたは複数を含むことができる。

【0052】

図７は、一実施形態による複数のプリント回路基板上に実装された例示的な電力変換段の概略等角図である。電力変換段は、例えば、降圧コンバータであり得る。図示のように、入力フィルタ７１２、スイッチング回路７１４、およびコントローラ７１６は、第１のＰＣＢ ７１０上にある。第１のＰＣＢ ７１０は電気接続部７３２によって第２のＰＣＢ ７２０に電気的に接続されている。ＬＣアレイ７２２は、第２のＰＣＢ ７２０上にインダクタおよびコンデンサを含む。あるいは、コンデンサアレイを第２のＰＣＢ ７２０上に配置することができ、インダクタアレイをコンデンサアレイに対して垂直に配置することができる。図７の電力変換段は、この電力変換段を含む電力供給モジュールが、電力供給モジュールから電力供給信号を受信するように配置された集積回路ダイのフットプリントに対応するフットプリントを有することができるように、比較的小さいフットプリントで実装することができる。これにより、電力供給モジュールが計算密度を制約しない、高計算密度コンピューティングシステムを可能にすることができる。

【0053】

図８は、一実施形態による追加の回路を含む電力供給モジュールのＰＣＢ ８００の概略図ブロックである。図８は、ＰＣＢ ８００上に実装された図６の追加の回路６０２の一例を示す。追加の回路は、クロック回路８０２、ＰＬＬフィルタ８０４、デカップリングコンデンサ８０６、およびデバッグ回路８０８を含むことができる。デカップリングコンデンサ８０６は、ＰＣＢ ８００上の面積の大部分を占めることができる。デカップリングコンデンサ８０６は、デカップリングコンデンサの１つまたは複数のアレイによって実装することができる。クロック回路８０２は、ＰＬＬフィルタ８０４に近接して配置することができる。一例として、クロック回路８０２およびＰＬＬフィルタ８０４は、ＰＣＢ ８００の角の近くに配置することができる。クロック回路８０２、ＰＬＬフィルタ８０４、およびデバッグ回路８０８の各々は、デカップリングコンデンサ８０６と比較して比較的小さい面積を占めることができる。

【0054】

図９は、一実施形態による電力供給モジュールの電力変換段および熱伝達構造の概略ブロック図である。電力供給モジュールでは、垂直に一体化された構成要素間に熱伝達構造を実装することができる。例えば、２つの異なる電力変換段の間に熱伝達構造を実装することができる。熱伝達構造は、動作中に熱を放散し、熱を除去し、あるいは電力供給モジュールの最高温度を下げることができる。熱伝達構造は、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、コールドプレートなどを含むことができる。第１の熱伝達構造９０２は、第１の電力変換段５０２と第２の電力変換段５０４との間に配置することができる。第２の熱伝達構造９０４は、第２の電力変換段５０４と追加の回路６０２との間に配置することができる。本明細書に開示される任意の適切な原理および利点に従って、１つまたは複数の熱伝達構造を電力供給モジュールに含めることができる。

【0055】

図１０は、一実施形態による複数の電力変換段および熱伝達構造を有する電力供給モジュールの概略側面図または断面ブロック図である。図示のように、第１の熱伝達構造９０２は、第１の電力変換段５０２と第２の電力変換段５０４との間に配置することができる。第１の電力変換段５０２と第２の電力変換段５０４との間の電気接続部１００５は、第１の熱伝達構造９０２を通って垂直に延びることができる。代替的にまたは付加的に、第１の電力変換段５０２と第２の電力変換段５０４との間に垂直に延びる１つまたは複数の電気接続部は、第１の熱伝達構造９０２の周囲に配置することができる。第２の熱伝達構造９０４は、第１の熱伝達構造９０２に対して第２の電力変換段５０４の反対側に配置することができる。したがって、第２の電力変換段５０４は、２つの熱伝達構造の間に配置することができる。特定の用途では、第２の熱伝達構造９０４は、第２の電力変換段５０４と電力供給モジュールの追加の回路（例えば、図６および／または図８の追加の回路６０２）との間に配置することができる。電気接続部１００７は、第２の電力変換段５０４から第２の熱伝達構造９０４を通って垂直に延びることができる。電気接続部１００７は、例えば、第２の電力変換段５０４から出力される電力供給信号を搬送することができる。代替的にまたは付加的に、第２の電力変換段５０４から垂直に延びる１つまたは複数の電気接続部は、第２の熱伝達構造９０４の周囲に配置することができる。

【0056】

電力供給モジュールに含まれる熱伝達構造（複数可）の数および位置（複数可）は、熱仕様、電力変換段による発熱、電力供給モジュール内の利用可能なスペースなど、またはそれらの任意の適切な組み合わせに依存し得る。１つまたは複数の熱伝達構造は、電力供給モジュールの任意の適切な位置（複数可）に配置することができる。１つまたは複数の熱伝達構造は、電力供給モジュールのフットプリントを増加させないように、電力変換段に対して垂直に配置することができる。いくつかの用途では、電力供給モジュールは、２つの電力変換段の間に配置された単一の熱伝達構造を含むことができる。いくつかの用途によれば、電力供給モジュールは、各々が２つの異なる電力変換段の間に配置された２つ以上の熱伝達構造を含むことができる。例えば、図１０の第２の熱伝達構造９０４は、第２の電力変換段５０４と第３の電力変換段との間に配置することができる。いくつかの用途では、熱伝達構造は、電力変換段の、別の電力変換段とは反対側に配置することができる。そのような用途では、電力変換段と他の電力変換段との間に配置された熱伝達構造が存在しなくてもよい。

【0057】

本明細書に開示される任意の適切な原理および利点は、ウェハレベルパッケージングおよび／または高密度マルチダイパッケージングに適用可能であり得る。本明細書に開示される２つ以上の実施形態の特徴の任意の適切な組み合わせを実装することができる。例えば、システムオンウェハ（ＳＯＷ）アセンブリは、本明細書に開示される多段垂直電力供給の任意の適切な組み合わせを含むことができる。

【0058】

本明細書に開示されるＳＯＷアセンブリは、処理システムに含めることができる。多段電力変換に関連する技術のいずれかなどの本開示の特徴は、任意の適切な処理システムで実装することができる。処理システムは、高い計算密度を有することができ、ある場合には、処理システムによって生成された熱を放散することができる。処理システムは、特定の用途において毎秒数兆回の動作を実行することができる。処理システムは、ニューラルネットワーク訓練および／または処理、機械学習、人工知能などの高性能コンピューティングおよび／または計算集約的な用途に使用および／または具体的に構成することができる。処理システムは、冗長性を実装することができる。いくつかの用途では、処理システムは、車両（例えば、自動車）、他の自律型車両機能、または先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）機能のためのオートパイロットシステムのデータを生成するための処理を実行するために使用することができる。

【0059】

文脈上明らかに他の意味に解釈すべき場合を除き、明細書および特許請求の範囲を通して、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの単語は、排他的または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味で、すなわち、「限定されないが」という意味で解釈されるべきである。本明細書で一般的に使用される「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、直接接続されるか、または１つまたは複数の中間要素によって接続され得る２つ以上の要素を指す。同様に、本明細書で一般的に使用される「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という用語は、直接接続され得るか、または１つまたは複数の中間要素によって接続されている２つ以上の要素を指す。さらに、「本明細書（ｈｅｒｅｉｎ）」、「上記（ａｂｏｖｅ）」、「以下（ｂｅｌｏｗ）」という単語、および同様の意味の単語は、本出願で使用される場合、本出願全体を指すものとし、本出願の特定の部分を指すものではない。文脈が許す場合、単数または複数の数字を使用する上記の詳細な説明の単語はまた、それぞれ複数または単数を含み得る。２つ以上の項目のリストに関連する「または（ｏｒ）」という単語は、その単語の以下の解釈のすべて、すなわち、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて、およびリスト内の項目の任意の組み合わせを網羅する。

【0060】

さらに、本明細書で使用される条件付き言語、とりわけ、「～できる（ｃａｎ）」、「～する可能性がある（ｃｏｕｌｄ）」、「～し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「～してもよい（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「など（ｓｕｃｈ ａｓ）」などは、特に明記しない限り、または使用される文脈内で他の意味で理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／または状態を含むが、他の実施形態は含まないことを伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き言語は、一般に、特徴、要素、および／または状態が１つまたは複数の実施形態に何らかの形で必要とされることを暗示することを意図するものではない。

【0061】

上記の説明は、特定の実施形態を参照して説明されている。しかしながら、上記の例示的な説明は、網羅的であること、または本発明を記載された正確な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮して、多くの修正および変形が可能である。それにより、当業者は、様々な用途に適した様々な変更を伴う技術および様々な実施形態を最良に利用することが可能になる。

【0062】

本開示および実施例を添付の図面を参照して説明したが、様々な変更および修正が当業者には明らかになるであろう。そのような変更および修正は、本開示の範囲内に含まれると理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】