JP2002529933A - 集積回路電源 - Google Patents

集積回路電源

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JP2002529933A JP2000581688A JP2000581688A JP2002529933A JP 2002529933 A JP2002529933 A JP 2002529933A JP 2000581688 A JP2000581688 A JP 2000581688A JP 2000581688 A JP2000581688 A JP 2000581688A JP 2002529933 A JP2002529933 A JP 2002529933A
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レスリー, ロナルド アヴェリー,
ロバート アマンテア,
ローレンス, アラン グッドマン,
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サーノフ コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 表面を有する電気絶縁材料で作られた基板(12)を含む集積回路システム(10)。基板の表面には、IC(30)、つまり複数の機能ブロックを有するマイクロプロセッサ等の回路を有する半導体ピースが取り付けられる。更に、基板には、複数の電源チップ(34)が取り付けられる。それぞれの電源チップは、基板の導体(36)とバイア(20)を介して、IC半導体ピース上の別個の機能ブロックに接続される。それぞれの電源チップは、DC−DCコンバータ等の回路の一部を形成し、この回路は供給された電圧を、特定の電源チップが接続される特定の機能ブロックに適した低い電圧に落とすことができる。したがって、基板上の導体を通じて電源チップに供給される単一の相対的に大きな電圧は、それぞれの電源チップによって、IC半導体ピース(30)の特定の機能ブロックに適した低い電圧になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本願は、1998年11月12日出願の米国暫定出願第60/108,077
号及び1999年1月29日出願の米国暫定出願第60/117,908号の利
益を主張するものである。
【0002】
【発明の分野】
本発明は、集積回路(IC)電源に関し、より詳しくは、システム内に収容さ
れてシステム内の回路の異なる部分に電気的に接続される複数の電源を有する半
導体集積回路システムに関する。
【0003】
【発明の背景】
半導体集積回路デバイスは、単一のチップ上に多数の様々なタイプの回路が組
み込まれるため、大きくなりつつある。様々な回路のすべてを単一のチップ上に
収容するために、回路を形成する様々な要素の特徴サイズは小さくなっている。
そのため、こうした集積回路の特徴のサイズはサブミクロンを大きく下回る範囲
になりつつある。こうしたサイズでは、電源の電圧は1ボルトを下回るレベルに
到達しつつあり、クロック速度は1ギガヘルツを超えるようにスケジュールされ
る。マイクロプロセッサなど、非常に大規模な集積回路では、電源の電流は数十
アンペアを超えることが予想される。こうしたタイプの電力をチップ外から供給
することは非常に難しく、チップの周囲に多数の電力及び接地パッド(ポート)
が必要になる。更に、チップ上の電力を多数の電力及び接地パッドから分配する
には、最終的にデバイスの性能を制限する可能性がある大きな抵抗損失を予防す
るために、比較的幅が広く厚い金属の導体が必要になる。
【0004】
【発明の概要】
集積回路デバイスは表面を有する絶縁材料の基板を含む。IC半導体チップが
、この基板上に取り付けられる。このICチップは、複数の機能ブロックを有す
る電気回路を含む。複数の電源チップが基板に取り付けられ、ICチップの別個
の機能ブロックに電気的に接続される。それぞれの電源チップは、入力電圧を、
その電源チップが結合されている機能ブロックで要求される低い電圧に落とすこ
とができる。
【0005】
【好適な実施形態の詳細な説明】
先ず図1を参照すると、本発明の集積回路システムの全体が符号10で示され
ている。集積回路システム10は、金属等の導電材料である基部16上に、セラ
ミック等の絶縁材料である本体14の基板12を備える。この絶縁本体14は、
互いに接合された絶縁材料の複数の層によって形成可能であり、この本体14は
金属基部16に接合される。この本体14は更に、それぞれの絶縁層14の表面
にスクリーン印刷された金属回路18を含むことができる。層14に形成された
導電バイア20には、層14上の様々な回路18を結合させるために、導電材料
が充填される。これらのバイア20は本体14を通じて延び、様々な導体18を
本体14の上面22と結合させる。
【0006】 上の基板は多層プリント回路基板として知られている。これは約950℃未満
で結晶化された低焼成温度ガラスから作られる。こうしたガラスには、マグネシ
ウムと、アルミニウムと、シリコンとの酸化物で作られるコージェライト・フォ
ーステライト型のガラスが含まれる。グリーンテープ構成物は細かく区分したガ
ラス粒子から作られ、随意的にその他の無機充填粒子を含み、有機ビヒクルと混
合され、スリップ又はスラリが形成される。このスリップはテープの形で成型さ
れ、グリーンテープと呼ばれる。このテープを乾燥させ、その後焼成して、セラ
ミック層が形成される。
【0007】 導電回路は、銅、銀、及び金等の導電粒子と、一般にグリーンテープの生成に
使用したものと同じガラスであるガラス粒子と、有機ビヒクルとで作られた導体
インクをスクリーン印刷することで、グリーンテープの表面に加えることができ
る。グリーンテープにはバイアが形成され、これには、同じく一般にグリーンテ
ープの生成に使用したものと同じにすることが可能なガラス又は高いTgのガラ
スと、導電パウダと、有機ビヒクルとで作られた導電バイアインクが充填される
。この導電バイアは、スクリーン印刷された回路を電気的に結合させる。複数の
スクリーン印刷されたグリーンテープは、次に位置調整され、共に重ね合わされ
、有機材料を除去し、ガラスを結晶化させるために焼成される。
【0008】 最近の成果には、グリーンテープスタックの底部に接合される金属支持基板の
追加がある。こうした金属支持部により、グリーンテープスタックに機械的な強
度が追加される。更に、グリーンテープスタックを金属支持基板に接合するのに
適切な接合ガラスが使用された場合、金属支持部はx及びyの次元における収縮
を防止するので、すべての収縮はz又は厚さの次元において発生する。これによ
り、回路とグリーンテープスタック内に含まれる任意の受動素子とにおいて厳密
な許容範囲を実施できる。
【0009】 金属支持部は、銅被覆モリブデン又は銅被覆Kovar(登録商標)合金で作
ることができる。Kovar(登録商標)は、鉄と、ニッケルと、コバルトと、
少量のマンガンとの合金でカーペンタ・テクノロジの登録商標である。接合ガラ
スは、金属支持基板上にスクリーン印刷することが可能であり、一般に、金属支
持基板及びグリーンテープのガラスより高い膨張係数を有する。接合ガラスは、
重量パーセントにおいて、約45乃至55%の酸化亜鉛、30乃至40%の酸化
ホウ素、3乃至7%の酸化カルシウム、及び3乃至7%のアルミナ、又は20乃
至45%の酸化バリウム、5乃至15%の酸化カルシウム、15乃至22%の酸
化亜鉛、15乃至25%の酸化ケイ素、及び15乃至25%の酸化ホウ素を含む
ことができる。
【0010】 Kovar(登録商標)と互換性のあるガラスは、結晶化可能なZnO−Mg
O−B23混合物を含む。こうしたガラスは、結晶化可能ではない鉛ベースのガ
ラス又は酸化物ベースのフィルタを含むこともできる。
【0011】 グリーンテープスタックは、パンチ穴を付けて作ることが可能であり、ここに
受動素子を配置可能である。しかしながら、更に都合よく、コンデンサ、抵抗器
、インダクタ及びその他同種のものといった素子は、グリーンテープスタック上
にスクリーン印刷できる。こうした受動素子の製造については後で更に説明する
【0012】 図1に示すように、本体14は、上面22に間隔を空けて形成された複数の凹
部24を有する。図2において更に明確に表示されているように、それぞれの凹
部24では、凹部24の底部において導体18の部分が露出している。更に、図
2に表示されるように、本体14は、インダクタその他を形成するために周囲を
囲む(表示なし)又は埋め込み型の導体28を有する磁性材料のエリア26を有
することができる。
【0013】 本体14の上面22はICピース30である。このICピース30は、ケイ素
等の半導体材料38を備え、これはトランジスタ、ダイオード、抵抗器、及びコ
ンデンサを有し、これらは共に結合され、マイクロプロセッサ及び関連する回路
等の必要な回路又は一連の回路を形成する。こうしたIC回路の構造は広く知ら
れており、詳細には説明しない。しかしながら、回路の様々な部分に関する端子
パッドは基部16の表面まで延び、金属等の導電材料である端子隆起32がそれ
ぞれの端子パッド上に形成される。端子隆起32の代わりに、その他任意の公知
である表面に取付可能な端子のタイプを、それぞれの端子パッドで使用すること
ができる。このICチップ30は、本体14の上面に設置されている端子隆起3
2によって基板上に取り付けられる。図1及び2の両方に表示されるように、そ
れぞれの端子隆起32は、導電バイア20の最上部に直接設置され、溶接又は半
田付けによって、その場所に接合される。したがって、ICピース30内の回路
は、端子隆起32とバイア20とを通じて、本体14の導体18と電気的に接続
される。希望する場合には、端子隆起32とバイア20との電気的接続を簡略化
するために、本体14の上面22で、それぞれのバイアの周囲及び上に導電端子
エリア(表示なし)を設けることができる。
【0014】 基板12の本体14に設けられたそれぞれの凹部24には、別個の電源回路チ
ップ34が取り付けられる。それぞれの電源回路チップ34は、必要な回路を形
成するトランジスタ、ダイオード、抵抗器、及びコンデンサ等、様々な回路要素
を有する半導体素材のチップを備えた集積回路である。それぞれの電源回路チッ
プ34の回路は、好ましくは、集積回路システム10に供給される高電圧を、電
源回路34が接続される主回路の特定の部分に適した低電圧に変換するDC−D
Cコンバータである。図2に示すように、それぞれの電源回路チップ34は、ワ
イヤボンド36によって、ICピース30上に設けられた回路のそれぞれの部分
と電気的に接続される。ワイヤボンド36は、電源回路チップ34から、凹部2
4の底部で露出する導体18へ延びる。しかしながら、希望する場合には、表面
ボンド等、公知である任意の接続形態によって、電源回路チップ34と導体18
とを電気的に接続できる。したがって、それぞれの電源回路チップ34は、大き
な入力電圧を、ICチップ30上に設けられた集積回路の特定の部分で必要とな
る低い電圧へ落とすように設計される。このため、システム10には単一の相対
的に高い電圧が供給されるが、集積回路の各部分には、回路の特定の部分で必要
となる低い電圧のみが供給される。加えて、ICチップ30と電源回路チップ3
4との接続では、従来技術のチップにおいてチップ周囲に位置するパッドではな
く、電力を必要とするICピース30の領域にバイアを使用して直接結合される
。これにより、電力バスの厚さを許容範囲内に収めたままで、電力バス幅を狭く
保ち、ICピース30の長さを短くして、スペースを節約し、抵抗による電流の
損失及び電気ノイズを最低限に抑えることができる。更に、ICピースの共通単
一接地では、電流を最小にして、幅を最小にすることができる。或いは、機能ブ
ロック間で異なるドライブ機構を使用し、信号の完全性に影響を与えることなく
、共通信号基準バス電圧において、ある程度の相違を認めることができる。更に
別の実施形態において、電源回路チップ34の制御は、電源切り替えデバイスに
対する独立したチップ上で行うことが可能であり、又は共通制御チップを使用し
て、いくつかの出力切り替えデバイスを制御することができる。
【0015】 希望する場合には、ICピース30又は電力回路チップ34の表面上で、追加
のコンデンサ、インダクタ、変圧器、及び抵抗器を作成する、又は取り付けるこ
とができる。更に、こうしたデバイスは、基板12の絶縁本体14の層の中で作
成することができる。性能を最大限にするために、電源エネルギ蓄積コンデンサ
をICピース30の表面上で形成することができる。加えて、優れた電圧変動範
囲をもたらすために、ICピース30から電源回路チップ34へのフィードバッ
ク線を設けることができる。
【0016】 図3には、集積回路システム10を含むパッケージ38が表示されている。パ
ッケージ38では、基板12は、金属等の熱伝導材料で作られた放熱板40上に
取り付けられる。放熱板40は複数の放熱フィン42を有する。基板12は、基
部16が放熱板40の上面41に載った状態で取り付けられ、適切な接合材料4
8によって固定される。カバー44は、集積回路システム10の全体で、集積回
路システム10の外側の端部を超えて延びる。スペーサリング46は、カバー4
4と集積回路システム10の基板12との間に取り付けられる。スペーサリング
46は、カバー44と集積回路システム10との両方に固定される。スペーサリ
ング46とカバー44と集積回路システム10との接合が断絶するのを防止する
ために、スペーサリング46は、カバー44と集積回路システム10との間の熱
膨張係数を有する材料で作成する。カバー44は、熱伝導に優れた材料で作成す
るか、又は、好ましくは、適切な冷媒流等による適切な閉鎖式能動冷却システム
を含む。集積回路システム10の基板12は、カバー44の外周を超えて延びる
ように、カバー44よりも大きくする。基板12の本体14に設けられた様々な
導体18は、基板12の端部に隣接するバイア20まで延びる。バイア20は本
体14の上面まで延びる。入力および出力端子50は、本体14の端部に隣接す
る本体14の上面22上で延び、適切な端子隆起32によってバイア20に機械
的及び電気的に接続される。したがって、集積回路システム10はパッケージ3
8内に密封され、放熱板40とカバー44とにより、二重の放熱手段が設けられ
る。入力及び出力端子50は、導体18及びバイア20を通じて、ICピース3
0の回路と電源回路チップ34とに電気的に接続される。
【0017】 したがって、本発明では、マイクロプロセッサ等の回路を有するIC半導体ピ
ースを含む集積回路システムが提示され、この回路には複数の機能ブロックが設
けられ、そのそれぞれが別個の動作電圧を利用し、場合によっては異なる動作電
圧を利用する。更に、DC−DCコンバータ等の複数の電源が設けられ、そのそ
れぞれはICピース上の別個の機能ブロックに電気的に接続され、それぞれの機
能ブロックには適切な電力が供給される。電源は、好ましくは、ICピースが取
り付けられるのと同じ、絶縁素材の基板に取り付けられる。それぞれの電源は、
ICピース上の端子パッド又は隆起と接続する基板の導体及びバイアを通じて、
ICピース上の個々の機能ブロックと電気的に接続する。或いは、適切である場
合には、電源は最適な接続技術によってICピースに直接接続される。ICピー
スの端部周辺の端子パッドではなく、機能ブロックに電源を直接接続することで
、電力バスの厚さを許容範囲内に収めたままで、電力バス幅を狭く保ち、長さを
短くして、スペースを節約し、抵抗による電流の損失及び電気ノイズを最低限に
抑えることができる。更に、ICピースの共通単一接地では、電流を最小にして
、幅を最小にすることができる。
【0018】 一部の回路では、誘電率の高い低電圧コンデンサと、抵抗器及び小型インダク
タとが必要である。本発明のシステム10では、こうしたコンデンサ、抵抗器、
及びインダクタは、基板12の誘導性本体14に組み込むことができる。
【0019】 焼成多層セラミックプリント回路基板スタックに埋め込まれた高誘電率コンデ
ンサは既に知られている。スクリーン印刷可能な低焼成温度コンデンサインクは
、ニオブ酸鉛マグネシウム又はチタン酸鉛粉末を、ガラス粉末又は酸化鉛粉末、
及び適切な有機ビヒクルと混合することで生成される。高誘電率コンデンサを形
成するために、コンデンサ層は通常は銀で作成される導体層と交互に配置される
【0020】 埋め込み抵抗器を、この多層セラミックシステムの一部にすることもできる。
厚い膜抵抗器は、酸化ルテニウムと低温で焼結する適切なガラスとを有機ビヒク
ルに混合することで作成可能である。抵抗器インクによって、金属支持基板上で
グリーンテープスタックにスクリーン印刷し、1乃至2本のグリーンテープで覆
い、下にある第一の導体層で終端処理される。グリーンテープの位置調整を行い
、共に重ね合わせ、焼成する。第二の導体層は、焼成され支持されるグリーンテ
ープスタックの最上部にスクリーン印刷され、その後焼成される。
【0021】 インダクタは、銀から、好ましくは銀粉末及び銀薄片の混合物から作られた厚
い膜コンダクタインクをガラスと有機ビヒクルと共にグリーンテープ上にスクリ
ーン印刷することで作られる。
【0022】 本発明のデバイスにおいて、コンデンサ、抵抗器、及びインダクタは、基板上
の好きな場所に配置できる。これにより、接地/電力ノイズの結合が排除される
ようコンデンサ及びインダクタを適切に配置できる。希望する場合には、コンデ
ンサは電源回路チップ34、又は信号処理ピース30上に設けることが可能であ
り、或いは、本体14の凹部24又は本体14の上面に配置する別個の構成要素
にすることができる。更に、基板12において、信号線を伝送線の中に入れ、望
ましくないクロストークを防止するシールド構造にすることができる。
【0023】 本発明のICデバイスで使用できるタイプ等の低電圧集積回路は、こうした低
電圧集積回路の動作電圧よりも高い電圧で動作する外部の集積回路又はシステム
と相互作用することが必要な場合がある。かかる場合、低電圧で動作するチップ
から、より高い電圧で動作する任意の他のチップへ信号を送信できるように、電
圧変換インタフェース回路が必要である。この電源チップは高電圧DC入力を低
電圧入力に変換する技術を利用するため、チップの未使用部分も、信号経路にお
いて低電圧チップと他のチップとの間の信号電圧変換を行うインタフェース回路
の構築に利用される。こうしたケースでは、電源チップ上の基板上での金属化を
使用して、一つのボルト信号が基板から電圧変換回路へ送られ、電圧変換後、基
板上の出力パッドへ送られる。高電圧入力信号は逆向きだが同様の経路を通る。
【0024】 本発明のデバイスについて、電源チップと基板上に取り付けられた別のチップ
上に設けられたインタフェース回路を有するものとして、表示及び説明されてい
るが、電源回路とインタフェース回路とは単一のシリコンチップ上に配置できる
。加えて、電源回路と、単一レベル変換インタフェース回路と、単一の処理回路
とは、単一のシリコン基板上で作成できる。更に、コンデンサ、抵抗器、及びイ
ンダクタは、単一のシリコンチップに統合すること、又は単一のシリコンチップ
の表面で作成することが可能である。更に、電源回路は、機能ブロックが使用さ
れていない時に「スタンバイ」状態となるスマート電源にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の集積回路システムの形状を示す断面略図である。
【図2】 図1に示した集積回路システムの丸で囲まれた部分を示す拡大断面図である。
【図3】 本発明の集積回路システムを含むシールパッケージの断面略図である。
【符号の説明】
10 … 集積回路システム 12 … 基板 14 … 本体 16 … 基部 18 … 回路 20 … バイア 22 … 上面 24 … 凹部 26 … エリア 28 … 導体 30 … ICピース 32 … 端子突起 34 … 電源回路チップ 36 … ワイヤボンド 38 … 半導体材料 40 … 放熱板 42 … 放熱フィン 44 … カバー 46 … スペーサリング 48 … 接合材料 50 … 出力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 09/327,797 (32)優先日 平成11年6月8日(1999.6.8) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),JP,KR,S G (72)発明者 グッドマン, ローレンス, アラン アメリカ合衆国, ニュー ジャージー 州, プレインズボロ, パーカー ロー ド サウス 149 Fターム(参考) 5F036 AA01 BB05 BE09

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面を有する絶縁材料の基板と; 前記基板表面に取り付けられ、複数の機能ブロックを有する電気回路を含む、
    IC半導体ピースと; 前記基板に取り付けられる複数の電源チップであって、前記電源チップのそれ
    ぞれは、前記ICピースの別個の機能ブロックに電気的に接続されると共に、電
    源チップが接続される回路の機能ブロックで必要となる低い電圧まで入力電圧を
    低下させることができる、複数の電源チップと、 を備える、集積回路システム。
  2. 【請求項2】 基板が基板を通じて延びる複数の導電体を含み、電源チップ
    がICピースの機能ブロックに電気的に接続されるように、前記電源チップとI
    Cピースが基板の導体に電気的に接続される、請求項1の集積回路システム。
  3. 【請求項3】 基板が絶縁材料の多数の層から作られる本体を備え、導体が
    多数の層のそれぞれの上に置かれ、導電材料のバイアが絶縁層を介して導体を本
    体表面に接続する、請求項2の集積回路システム。
  4. 【請求項4】 IC半導体ピースが表面上に複数のコンタクトを有し、該コ
    ンタクトが基板の表面にある基板のバイア又は基板表面上の導体上に位置すると
    共に係合する、請求項3の集積回路システム。
  5. 【請求項5】 基板の本体が上面に複数の凹部を有し、それぞれの凹部にお
    いて導体が露出され、導体及びバイアを介してICピースに電気的に接続される
    ように、電源チップが凹部に設置されると共に導体に電気的に接続される、請求
    項4の集積回路システム。
  6. 【請求項6】 基板の本体が磁性材料の領域を含み、磁性体の内部の導体又
    は磁性体を取り囲む導体が埋め込み型インダクタを形成する、請求項3の集積回
    路システム。
  7. 【請求項7】 絶縁層にコンデンサインクをスクリーン印刷し、コンデンサ
    インク層の上下に導体インクをスクリーン印刷することで、多数の絶縁層にコン
    デンサが埋め込まれる、請求項6の集積回路システム。
  8. 【請求項8】 ハウジングがICピースと基板とを取り囲んで収容し、IC
    ピースが冷却されるようにハウジングが熱伝導能力を有する、請求項2の集積回
    路システム。
  9. 【請求項9】 ハウジングが基板を取付けた放熱板を含み、前記放熱板が熱
    伝導材料から形成されると共に該放熱板から延びるフィンを有する、請求項8の
    集積回路システム。
  10. 【請求項10】 ハウジングが、 ICチップ上で延びて冷却手段を有するカバーと、 カバーと基板との間にICピースを収容するようにカバーを基板に固定する手
    段と、 を更に備える、請求項8の集積回路システム。
  11. 【請求項11】 基板上のコンデンサ、ICピース、及び/又は上にある様
    々な回路に電気的に接続された電源チップを含む、請求項1の集積回路システム
  12. 【請求項12】 基板上のインダクタ、ICピース、及び/又は上にある様
    々な回路に電気的に接続された電源チップを含む、請求項1の集積回路システム
  13. 【請求項13】 ICピース上の回路と電源チップとの間に接続される電圧
    フィードバック手段を更に含む、請求項1の集積回路システム。
  14. 【請求項14】 複数の機能ブロックを有する電気回路を含むIC半導体ピ
    ースと; 前記半導体ピース上の複数の電源回路チップであって、前記電源回路チップの
    それぞれは、別個の機能ブロックに接続されると共に、電源回路チップが接続さ
    れる回路の機能ブロックで必要となる低い電圧まで入力電圧を低下させることが
    できる、複数の電源回路チップと、 を備える、集積回路システム。
  15. 【請求項15】 複数の電源チップがシリコン基板上の単一のチップとして
    形成される、請求項1の集積回路システム。
  16. 【請求項16】 多数の電源チップを含む単一のシリコンチップが、前記集
    積回路システムの入出力回路を更に含む、請求項15の集積回路システム。
  17. 【請求項17】 入出力回路はまた、低電圧で動作するICピースと、より
    高い電圧で動作する外部回路との間での電圧レベル変換を行うことができる、請
    求項16の集積回路システム。
  18. 【請求項18】 電源チップの一部が共通のシリコンチップ内に結合形成可
    能であり、他の部分が別のチップ内に形成される、請求項1の集積回路システム
  19. 【請求項19】 ICピースと電源チップとの間の特定の接続が、基板を介
    した接続を使用しない直接接続によって実施できる、請求項2の集積回路システ
    ム。
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