JP2005197522A

JP2005197522A - スイッチング電源内蔵ｉｃ

Info

Publication number: JP2005197522A
Application number: JP2004003277A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ida; 智井田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】最近のＩＣ等では複数の電源電圧を必要とする事が多く、外部でＩＣを稼動させるための電源電圧の種類分の安定化電源回路を構成する必要があり、それだけ装置の面積が大きくなる。さらに、必要な電源容量を確保するために最適な容量の電源回路を構成できない場合、余裕を持った電源回路を構成する必要がある。
【解決手段】ＩＣのパッケージ４をフェライト材質として、このパッケージ内面に磁気誘電素子６を形成し、ＩＣ機能回路部２が形成されているシリコンチップ３上に磁気誘導素子６とでスイッチング電源を構成する電源回路部７を形成する。このＩＣ１内部に構成されたスイッチング電源５はＩＣ１の外部から供給される基本電圧により動作する。そして、このスイッチング電源５が生成する電源をＩＣ機能回路部２に供給する。
【選択図】図１

Description

この発明は、集積半導体ＩＣを機能させるための複数の電源種を入力基準電圧から生成するスイッチング電源をＩＣ内部に備えたスイッチング電源内蔵ＩＣに関するものである。

産業用コンピュータの標準バス規格であるＶＭＥやＣｏｍｐａｃｔＰＣＩに基づいた電気回路では、電源電圧が±１２Ｖ、＋５Ｖ、＋３．３Ｖ等であるのに対し、最近のＩＣ等では低消費電力化のために＋２．５Ｖ、＋１．５Ｖ等のより低い複数の電源電圧を必要とすることが多く、ＩＣの外部でそのＩＣが必要とするそれぞれの電源電圧を作成する電源回路を設ける必要がある。このため、スイッチング電源等の安定化電源回路の性能向上、小型化が行われている。
そして、電源電圧の供給手段としてのスイッチング電源回路素子を小型化する際の電源変換効率の向上、磁気誘導素子の効率の負荷変動による低下抑制、高周波時のＱ値の低下抑制に関する解決方法を示している（例えば、特許文献１参照）。このように、スイッチング電源そのものの性能向上に関するものはあるが、集積回路ＩＣの内部に内蔵する技術はまだ見当たらない。

特許第３００６３１５号公報

解決しようとする問題点は、外部で電源電圧を作成するには、それぞれのＩＣの必要とする電源電圧の種類分の安定化電源回路を構成する必要があり、それだけ装置の面積が大きくなる。しかし、スイッチング電源回路素子としての小型化は限界があり、電源電圧を必要とするＩＣ等と、スイッチング電源回路素子が別素子である以上大幅な面積縮小は望めない。また、スイッチング電源素子の容量種類は有限であるため、必要な電源容量を確保するためには最適な容量の電源回路を構成しない場合、ワンランク余裕を持った電源回路を構成する必要がありその分冗長な装置になる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＩＣの外部から供給される単一の基本電圧からそのＩＣが機能するために必要な電源をＩＣ内部で生成するスイッチング電源を内蔵したスイッチング電源内蔵ＩＣを得ることを目的とする。

この発明に係るスイッチング電源内蔵ＩＣは、ＩＣのパッケージを誘電体材質とし、このパッケージ内面に形成された磁気誘導素子と、この磁気誘導素子と協働して入力基本電圧から電源電圧を生成するシリコンチップに形成された電源回路部と、この電源回路部の出力電圧で動作する同一シリコンチップ上に形成されたＩＣ機能回路部とを備えるものである。

この発明に係るスイッチング電源内蔵ＩＣは、薄膜導体と磁性薄膜を積層した構造を有する磁気誘導素子と、この磁気誘導素子と協働して入力基本電圧から電源電圧を生成するシリコンチップに形成された電源回路部と、この電源回路部の出力電圧で動作する同一シリコンチップ上に形成されたＩＣ機能回路部とを備えるものである。

この発明は、入力される基本電圧からＩＣ内部で、そのＩＣを機能させるために必要な電源をＩＣに入力される入力基本電圧から生成することにより、外部の電源設計が基本電圧のみとなるため効率的行え、また、装置設計も単一の基本電源のルーティング（配線）で済み、装置の面積が大幅に縮小できるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるスイッチング電源内蔵ＩＣを示すブロック図である。図１において、ＩＣ１はＩＣ機能を果たすＩＣ機能回路部２がシリコンチップ３上に形成されている。ＩＣ１の内部にはスイッチング電源５が内蔵されている。スイッチング電源５は、誘電体材質のパッケージ４（図１においては、パッケージを部品的に表しＩＣ１の内部に入れて表現している）の内面に形成された磁気誘導素子６とＩＣ機能回路部２が形成されている同一のシリコンチップ上に形成された電源回路部７から構成されている。
つぎに、図１をもとに動作を説明する。ＩＣの機能回路部２は、５Ｖ、３．３Ｖ、２．５Ｖおよび１．５Ｖで動作するＩＣとする。ＩＣ１には、基本電圧として５Ｖが外部から供給される。基本電圧は、シリコンチップ上に形成された電源回路部７ａ、７ｂ、７ｃに供給される。そして、これら電源回路部７ａ、７ｂ、７ｃは誘電体材質のパッケージ４の内面に形成された磁気誘導素子６ａ、６ｂ、６ｃとそれぞれ接続されている。磁気誘導素子６ａと電源回路部７ａは相互に動作してスイッチング電源５ａとして出力電圧３．３Ｖを作り出す。同様に、スイッチング電源５ｂが出力電圧２．５Ｖを、スイッチング電源５ｃが出力電圧１．５Ｖを生成し、それぞれの出力電圧をＩＣ機能回路部２へ供給する。これらの供給電圧によりＩＣ機能回路部２は定められた動作を行う。

つぎに、パッケージ４に形成する磁気誘導素子の詳細について説明する。図２は、ＩＣ１の内部で生成する電源が単電圧の場合の構造を示す図である。図２（ａ）は、ＩＣ１を上面からみた透視図で、図２（ｂ）は、その断面図である。内蔵スイッチング電源５の磁気誘導素子６は、誘電体材質（以下、フェライトという）パッケージ４の内側に円状に形成された溝４ａで構成される円状の凸部４ｂをフェライトコアとして円状の溝４ａに電線を巻いてコイル８として構成されている。この際、コイル８の巻き線の円がシリコンチップ３と並行になるように配置する。このような構成にすると、コイル８に電流が流れて磁気誘導素子６に発生する磁界がシリコンチップ３に対して垂直となり、シリコンチップ３のＩＣ機能回路部２への電磁的影響を与えることがなくなる。そして、コイル８の引き出し線とシリコンチップ３上の電源回路部７との接続にはワイヤーボンディン等の半導体製造プロセスで行う。図においては、ＩＣパッケージをフェライト材質のパッケージ４とパッケージ底部９を分けて表しているがフェライト材質であってもよい。

また、図３は、ＩＣ１内部で生成する電圧が４種類の場合の磁気誘導素子６をパッケージ４の内面に形成した図である。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は断面図である。
パッケージ４に形成された溝４ａに囲まれたフェライトのコア４ｂに電線を巻いたコイル８が４箇所あり、それぞれの発生する磁界がシリコンチップ３に対し垂直になるように形成されている。

図２および図３において磁気誘電素子を形成するコア４ｂの径（図２では大きく、図３では同一として表している）は、ＩＣ機能回路部２に供給するそれぞれの電源容量に基づいて、電源回路部７との関係において最適に決定すればよい。

このように構成されたスイッチング電源内蔵ＩＣにおいては、ＩＣ機能を発揮させるために必要な電源をＩＣ内部で供給するので、ＩＣの必要とする電源の最適化が図れ、多種多様なＩＣ設計が容易に行える。
また、ＩＣの機能動作に必要な電源を入力基本電圧からＩＣ内部で生成するため、ＩＣを実装するプリント基板の電源パターンのルーティング（配線）が非常に簡単になると共に面積の縮小、雑音の影響を低減できるという効果がある。
さらに、プリント基板に供給する電源が基本電圧のみとなるため、装置の電源の設計が容易にできるという効果がある。

実施の形態２．
なお、実施の形態１ではＩＣに内蔵する電源の磁気誘導素子をフェライト材質（誘電体）のパッケージ４に形成したが、図４に示すように薄膜導体と磁性薄膜を積層した薄膜積層構造の磁気誘導素子１０とすれば、磁気誘導素子をフェライト材質のパッケージ４とコイル８の電線に変えることができる。この場合には、磁気誘導素子１０をシリコンチップ３の上に実装することができる。そして、複数の薄膜積層構造の磁気誘導素子１０があるときには、磁気誘導素子１０を積層した構成にすればよい。そして、磁気誘導素子１０とシリコンチップ３上に形成された電源回路部７とは、それぞれワイアボンディング等により接続する。このように、薄膜積層構造の磁気誘電素子１０とシリコンチップ３上に形成された電源回路部７とで、内部電源を生成しＩＣ機能回路部２へ供給する。この磁気誘電素子１０は、供給する電源電圧、電流の容量により電源回路部７の回路定数との関係から最適な薄膜導体と磁性薄膜の積層数を求め、決定する。

また、磁気誘導素子１０がシリコンチップ３上に実装されるので、磁気誘導素子が動作時に発生する磁界がシリコンチップ３に対し垂直になるため、ＩＣ機能回路部２への影響はない。

この発明のスイッチング電源内蔵ＩＣは、ＩＣ内部で必要な電源を生成できるので、多様で複雑な機能を持つＩＣの設計、製造に利用可能である。

この発明の実施の形態１を示すスイッチング電源内蔵ＩＣの機能ブロック図である。この発明の実施の形態１におけるスイッチング電源内蔵ＩＣの単電源の場合の構造を示す図である。この発明の実施の形態１におけるスイッチング電源内蔵ＩＣの複数電源の場合の構造を示す図である。この発明の実施の形態２のスイッチング電源内蔵ＩＣの構造を示す図である。

符号の説明

１ＩＣ、２ＩＣ機能回路部、３シリコンチップ、４パッケージ、４ａ溝、４ｂコア、５スイッチング電源、６磁気誘導素子、７電源回路部、８コイル、９パッケージ底部、１０積層構造の磁気誘導素子。

Claims

誘電体からなるパッケージ内面に形成した磁気誘導素子と、前記磁気誘導素子と協働して入力基準電圧から直流電圧を生成するシリコンチップ上に形成された電源回路部と、前記電源回路部で生成される直流電源で動作する同一シリコンチップ上に形成されたＩＣ機能回路部を備えるスイッチング電源内蔵ＩＣ。
前記磁気誘導素子が動作時に発生する磁界が前記シリコンチップの面に対し垂直になるように前記誘導素子と前記シリコンチップが配置された構造であることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源内蔵ＩＣ。
薄膜導体と磁性薄膜を積層した薄膜積層構造の磁気誘導素子と、前記磁気誘導素子と協働して入力基準電圧から直流電圧を生成するシリコンチップ上に形成された電源回路部と、前記電源回路部で生成される直流電圧で動作する同一シリコンチップ上に形成されたＩＣ機能回路部を備えるスイッチング電源内蔵ＩＣ。
前記薄膜積層構造の磁気誘導素子が動作時に発生する磁界が前記シリコンチップの面に対し垂直になるように前記磁気誘導素子と前記シリコンチップが配置された構造であることを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源内蔵ＩＣ。