JP2005340754A - 超小型電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フレキシブル基板1に半導体基板3と磁気誘導素子を構成するコイル導体2を固着し、フレキシブル基板1を折り曲げて半導体基板3の背面にコイル導体2を重ね合わせて固着する。
【選択図】 図1
Description
このハイブリッド型の電源モジュールの小型化は、MCM(マルチチップモジュール)などの技術により進歩してきている。しかしながら、コイルやトランスなどの磁気誘導素子の小型化は困難であり、その占める体積が大きいため、この電源モジュールの小型化にとって制約条件となっている。
近年、この磁気誘導素子の製作に半導体技術を適用し、半導体基板上に薄型の超小型磁気誘導素子(コイル、トランス)を形成した例が報告されている(例えば、特許文献2や特許文献3)。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、優れた磁気誘導素子特性を持つ薄型の超小型磁気誘導素子を有する低コストの超小型電力変換装置を提供することにある。
また、フレキシブル基板と、該フレキシブル基板の両面に形成された配線および端子電極と、該フレキシブル基板の一方の主面の端子電極と接続する半導体基板と、前記半導体基板の両側に一方が前記フレキシブル基板の一方の面に形成され、他方が前記フレキシブル基板の他方の面に形成された磁気誘導素子の2つのコイル導体と、を有する超小型電力変換装置であって、前記フレキシブル基板の両側を折り曲げて前記半導体基板の真上に前記2つのコイル導体を重ねて配置する構成とする。
また、前記コイル導体を磁性絶縁膜で被覆するとよい。
また、前記磁性絶縁膜が磁性体微粒子分散樹脂もしくは低温成形フェライト膜であるとよい。
また、前記コイル導体と前記フレキシブル基板を挟んで対向して配置される第2磁性絶縁基板を有するとよい。
また、前記2つのコイル導体の間に磁性絶縁基板を挟み、一方のコイル導体の一端と他方のコイル導体の一端を前記磁性絶縁基板を貫通する接続導体で接続するとよい。
また、前記第1または第2磁性絶縁基板がフェライト基板であるとよい。
また、前記半導体基板上に第1突起電極を形成し、該第1突起電極を介して前記半導体基板と前記端子電極とを固着するとよい。
また、前記第1突起電極が、スタッドバンプもしくはメッキバンプであるとよい。
また、前記2つのコイル導体の間に絶縁膜を挟んでトランスを形成するとよい。
また、前記半導体基板直下の前記フレキシブル基板裏面に形成された前記端子電極に第2突起電極を形成するとよい。
また、前記第2突起電極が、はんだボールであるとよい。
また、前記薄膜コンデンサを構成する強誘電体層として、PST(PbScx Ta1-x O3 )もしくはPZT(PbZrx Ti1-x O3 )のペロブスカイト構造の薄膜を用いるとよい。
また、2つのコイルを重ねることで、コイル導体を通常の2倍以上厚くできるのでコイルの抵抗損失を低減でき、電力変換効率を高め、発熱を抑えることができる。
また、配線や端子電極を形成したフレキシブル基板に、半導体素子と薄型磁気誘導素子を固着し、フレキシブル基板を折り曲げて半導体素子と薄型磁気誘導素子を重ね合わせて積層するために、半導体素子の外部端子電極を形成するための磁性絶縁基板に形成する貫通孔が不要となり、工程数を減らすことができて製造コストを低減できる。
超小型電力変換装置は、フレキシブル基板1と、このフレキシブル基板1表面と裏面に形成した第1、第2配線21、22および第1、第2端子電極6、9と、このフレキシブル基板1の一方の主面に形成され、このフレキシブル基板1を折り曲げることで互いを固着する半導体基板3と磁気誘導素子のコイル導体2と、コイル導体2上とコイル導体2が形成された箇所のフレキシブル基板1上を被覆する磁性絶縁膜7と、半導体基板1に形成したバンプ4と、外部導出端子となる第2端子電極9に固着するはんだボール10と、図示しないセラミックコンデンサなどで構成される。前記の半導体基板1には制御用ICやスイッチング素子などが集積形成されている。またバンプ4は第1端子電極6と固着し、第1端子電極6と第1配線21が電気的に接続し、第2端子電極9と第2配線22が電気的に接続する。
図2、図3および図4は、図1の超小型電力変換装置の製造方法を工程順に示した図である。図2、図3の(a)はフレキシブル基板1の表側の要部平面図、(b)はフレキシブル基板1の裏側の要部平面図、(c)は(a)のX−X線で切断した要部断面図である。(a)と(b)のX−X線は同一箇所を示す。
図2において、フレキシブル基板1の表面に、厚さ100μmのコイル導体2と、コイル導体2の一端と接続する第1配線21と、第1配線21と接続する第1端子電極6とを形成し、フレキシブル基板1の裏面に、コイル導体2の他端と接続導体23を介して接続する第2配線22と、第2配線22と接続する第2端子電極9とを形成する。半導体基板3に外部接続用のバンプ4を形成し、このバンプ4と第1端子電極6を固着する。半導体基板3とフレキシブル基板1の隙間にアンダーフィル5を充填して、半導体基板3とフレキシブル基板1との接着強度を補強する。接続導体23はフレキシブル基板1に貫通孔を開口しこの開口部に金属膜を被覆して形成する。第1配線21と第1端子電極6および第2配線22と第2端子電極9は同時に形成して構わない。
つぎに、フレキシブル基板1に形成したコイル導体2の表裏両面に磁性絶縁膜7を形成し、薄型磁気誘導素子とする。この磁性絶縁膜7は磁性体粒子分散樹脂または低温成形フェライトなどであり、この磁性体粒子分散樹脂または低温成形フェライトは印刷硬化、型による圧縮成形または焼結により外部磁心を形成する(図3)。
つぎに、150℃〜200℃に加熱しながらフレキシブル基板1を折り曲げ、半導体基板3の背面に磁気誘導素子の磁性絶縁膜7を重ね合わせ、接着剤またはモールド樹脂などの固着材31を用いて固着する。続いて、フレキシブル基板1の裏面に形成された表面実装用端子電極である第2端子電極9にBGA(ボールグリッドアレイ)用のはんだボール10を固着する。はんだボールを固着しないでLGA(ランドグリッドアレイ)として平面実装に表面実装用端子電極を用いることもできる。その後で、はんだボール10と図示しないコンデンサチップを固着する(図4)。
図7は、図6の超小型電力変換装置の製造方法を示す要部平面図である。フレキシブル基板1の中央部に半導体基板3を固着させ、半導体基板3を挟んで両側に互いに点対称のパターン(このパターンとすることで、渦巻き状コイルに流れる電流で発生した磁力線が互いに強め合う)で、第1コイル導体2aをフレキシブル基板の右側の表面、第2コイル導体2bをフレキシブル基板1の左側の裏面に形成する。続いて、図6に示すように、第1、第2コイル導体2a、2b上を磁性絶縁膜7で被覆し、フレキシブル基板1の左側を折り曲げて、フェライト基板8を介して半導体基板3上に第2コイル導体2bを配置し、この第2コイル導体2bを被覆している磁性絶縁膜7上にフェライト基板8を配置する。続いて、フレキシブル基板1の右側を折り曲げて、フェライト基板8上に第1コイル導体2aを被覆している磁性絶縁基板7を配置し、第1コイル導体2aが形成されているフレキシブル基板1a上にフェライト基板8を配置する。第1コイル導体2aの中心部と第2コイル導体2bの中心部はフェライト基板8の中心部に開けた貫通孔に形成した接続導体23で電気的に接続する。尚、フェライト薄板8を挟んで、パターン位置が合致するように第1、第2コイル導体2a、2bを重ねる。
図9は、図8の超小型電力変換装置の製造方法を示す要部平面図である。フレキシブル基板1の中央部に半導体基板3を固着させ、半導体基板3を挟んで両側に互いに線対称となるパターン(折り曲げると第1コイル導体2cのパターンと第2コイル導体2dのパターンが重ね合わせることができる)で、第1コイル導体2cをフレキシブル基板1の右側の表面、第2コイル導体2dをフレキシブル基板1の左側の裏面に形成する。第2コイル導体2dは半導体基板3と配線22で接続する必要はない。続いて、図8に示すように、第1、第2コイル導体2c、2dパターン間の隙間を磁性絶縁膜7で埋め、フレキシブル基板1の左側を折り曲げて、半導体基板3上に第2コイル導体2dを配置する。続いて、フレキシブル基板1の右側を折り曲げて、第2コイル導体2d上に第1コイル導体2cを配置して、第1コイル導体2cと第2コイル導体2dを固着材12で固着する。
前記の実施例で説明したように、薄型(平面型)磁気誘導素子(コイル、トランス)を半導体基板3(半導体チップ)の背面に重ねて配置する構造のため、並列配置した場合と比較すると磁気誘導素子が占める実装面積を削減でき、例えば、1W級のDC−DCコンバータでは電源モジュールの体積をほぼ1/4に削減できる。また半導体基板3の背面全面に磁気誘導素子を構成するコイル導体を配置できるため、半導体基板3上に直接積層形成する場合と比較して約1.5倍のインダクタンス値を得ることができる。また、2つのコイルを重ねることで、コイル導体を通常の2倍以上厚くできてコイル導体の熱損失を低減できる。
ところで、前記の第1実施例〜第5実施例で示した半導体チップと薄膜磁気誘導素子を積層固着したモジュールに、さらに薄膜コンデンサを積層固着し一体化すると、超小型電力変換装置を一層小型化することができる。つぎに、半導体チップ、薄膜磁気誘導素子および薄膜コンデンサを積層固着した実施例について説明する。
このように、半導体基板3と薄膜磁気誘導素子および薄膜コンデンサ27をそれぞれ積層固着することで、超小型電力変換装置を一層小型化できる。
つぎに、図11の超小型電力変換装置の製造方法について説明する。
図12〜図16は、図11の超小型電力変換装置の製造方法であり、工程順に示した要部製造工程平面図(図12〜図14)と要部製造工程断面図(図15、図16)である。 フレキシブル基板1の第1主面に、厚さ100μmのコイル導体2と、半導体基板3の接続用の端子電極6と、薄膜コンデンサ27の第1コンデンサ電極25および第1配線21をそれぞれ形成し、フレキシブル基板1の第2主面(裏側)に表面実装用の図示しない端子電極と、第2配線22と、接続導体23をそれぞれ形成する。このフレキシブル基板1の半導体基板3の接続用の端子電極6にAuバンプ4を形成した半導体基板3を超音波フリップチップボンディングにより接続する。このときAuバンプ4はAuワイヤを用いたスタッドバンプ、メッキバンプのどちらでもよい。また、端子電極6の固着には、Auの熱圧着及び、高温はんだ接合を用いてもよい(図12)。
つぎに、スパッタ法により第1コンデンサ電極25と対向するように第2コンデンサ電極26を形成する。その後、第2コンデンサ電極26と半導体基板3の接続用の端子電極6の一端とを第1配線21で接続する。このとき、第1コンデンサ電極25および第2コンデンサ電極26の最表面はAuであることが望ましい(図14)。
つぎに、フレキシブル基板1のコイル導体2の表側に磁性体粒子分散樹脂などの磁性絶縁膜7を形成し、コイル導体2の表側、裏側に低温成形フェライトを印刷硬化または型による圧縮成形及び焼結により外部磁心(フェライト薄板8)を形成して磁気誘導素子を形成し、150℃〜200℃に加熱しながらフレキシブル基板1を折り曲げ、半導体基板3の背面に薄膜コンデンサ27とその上に薄膜磁気誘導素子を重ねて貼り合わせる。このとき固着には固着材31(もしくは、モールド封止)を用いるとよい(図15)。
前記のように、2枚の高透磁率のフェライト薄板8でコイル導体2を挟み込むことにより、インダクタンス値を高め、かつ直流抵抗値を低減し、電力損失の低減を図ることができる。
こうすることで、第2コンデンサ電極26と半導体基板3の裏側を固着材31で固着する工程を省略できる。
2 コイル導体
2a、2c、2e 第1コイル導体
2b、2d、2f 第2コイル導体
3 半導体基板
4 バンプ
5 アンダーフィル
6 第1端子電極
7 磁性絶縁膜
8 フェライト薄板
9 第2端子電極
10 ハンダボール
11 絶縁膜
12、31 固着材
21 第1配線
22 第2配線
23 接続導体
24 強誘電体層
25 第1コンデンサ電極
26 第2コンデンサ電極
27 薄膜コンデンサ
28 薄膜磁気誘導素子
Claims (16)
- フレキシブル基板と、該フレキシブル基板の両面に形成された配線および端子電極と、該フレキシブル基板の一方の主面の端子電極と接続する半導体基板と、該フレキシブル基板の一方の主面に前記半導体基板と離して形成した磁気誘導素子のコイル導体と、を有する超小型電力変換装置であって、前記フレキシブル基板を折り曲げて前記半導体基板の背面上に前記コイル導体を配置することを特徴とする超小型電力変換装置。
- フレキシブル基板と、該フレキシブル基板の両面に形成された配線および端子電極と、該フレキシブル基板の一方の主面の端子電極と接続する半導体基板と、前記半導体基板の両側に、一方が前記フレキシブル基板の一方の面に形成され、他方が前記フレキシブル基板の他方の面に形成された磁気誘導素子の2つのコイル導体と、を有する超小型電力変換装置であって、前記フレキシブル基板の両側を折り曲げて前記半導体基板の真上に前記2つのコイル導体を重ねて配置することを特徴とする超小型電力変換装置。
- フレキシブル基板と、該フレキシブル基板の両面に形成された配線および端子電極と、該フレキシブル基板の一方の主面の端子電極と接続する半導体基板と、前記半導体基板の両側の前記フレキシブル基板のうち一方のフレキシブル基板上に形成される磁気誘導素子のコイル導体と、他方のフレキシブル基板上に形成される薄膜コンデンサと、を有する超小型電力変換装置であって、前記フレキシブル基板の両側を折り曲げて前記半導体基板の真上に前記薄膜コンデンサと前記磁気誘導素子が重ねて配置されることを特徴とする超小型電力変換装置。
- 前記コイル導体を磁性絶縁膜で被覆することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記磁性絶縁膜が磁性体微粒子分散樹脂もしくは低温成形フェライト膜であることを特徴とする請求項4に記載の超小型電力変換装置。
- 前記半導体基板と前記コイル導体とに挟まれて配置される第1磁性絶縁基板を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記コイル導体と前記フレキシブル基板を挟んで対向して配置される第2磁性絶縁基板を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記2つのコイル導体の間に磁性絶縁基板を挟み、一方のコイル導体の一端と他方のコイル導体の一端を前記磁性絶縁基板を貫通する接続導体で接続することを特徴とする請求項2に記載の超小型電力変換装置。
- 前記第1または第2磁性絶縁基板がフェライト基板であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記半導体基板上に第1突起電極を形成し、該第1突起電極を介して前記半導体基板と前記端子電極とを固着することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記第1突起電極が、スタッドバンプもしくはメッキバンプであることを特徴とする請求項10に記載の超小型電力変換装置。
- 前記2つのコイル導体を導電性接着剤で固着することを特徴とする請求項2、4、5のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記2つのコイル導体の間に絶縁膜を挟んでトランスを形成することを特徴とする請求項2、4、5のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記半導体基板直下の前記フレキシブル基板裏面に形成された前記端子電極に第2突起電極を形成することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の超小型電力変換装置。
- 前記第2突起電極が、はんだボールであることを特徴とする請求項14に記載の超小型電力変換装置。
- 前記薄膜コンデンサを構成する強誘電体層として、PST(PbSc1-x Tax O3 )もしくはPZT(PbZr1-x Tix O3 )のペロブスカイト構造の薄膜を用いることを特徴とする請求項3に記載の超小型電力変換装置。
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