JP2021141189A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失及び電圧低下を低減することが可能な電力供給方式を提供する。【解決手段】電力供給システム１００は、電源部１１０と、プロセッサ部１２０と、導電部１３０とを備える。電源部１１０は、基板１１１を備えており、基板１１１上には、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するパワーＭＯＳＦＥＴ１１４、インダクタ１１５、キャパシタ１１６等が実装されている。プロセッサ部１２０は、基板（パッケージ基板）１２１を備えており、基板１２１上にプロセッサ（ＩＣチップ）が実装されている。導電部１３０は、電源部１１０とプロセッサ部１２０との間に配置されて、両者を電気的に接続するものであり、複数の導電部材１３１によって構成されている。電源部１１０が備える基板１１１、及び、プロセッサ部１２０が備える基板１２１の側面（端面）にはそれぞれ、凹部が形成されており、各導電部材１３１の側面が嵌まり込むようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、プロセッサ等への電力の供給方式に関する。

従来より、汎用又は特定用途向けの各種プロセッサが知られているが、半導体プロセスの微細化とプロセッサ動作の高速化に伴い、プロセッサが必要とする電力の低電圧化と大電流化が進んでいる。例えば、最近では、１プロセッサのコア電圧としては０．５Ｖ以下、電流としては３００Ａ以上が必要となる場合がある。

一般に、電源モジュールや電源ユニットからプロセッサまでの電力供給経路を構成する構成要素（スルーホール、配線パターン、ＢＧＡのはんだボールのような端子等）が持つ抵抗値と、それに流れる電流によって電圧降下が発生することになるが、上記のような低電圧かつ大電流という条件下では、例えば、プロセッサにおける情報処理量の変化によりプロセッサが必要とする電力が大きく変動した際、プロセッサに供給される電圧が、プロセッサの最低動作電圧以下になってしまい、その結果プロセッサの動作に支障が生じる場合がある。

一般的に、このような事態を防止するために、配線に用いるケーブルやパターンを太くしたり、多数のスルーホールや端子を配置することにより抵抗値を下げる対策を行っている。

しかしながら、このような対策を行った場合、通常は、基板サイズの拡大や、基板重量の増加、さらには、基板製造費用の増大を招くことになっていた。

なお、特開２０１９−７５４４２号公報には、半導体チップが搭載される配線基板において、電源電位を供給する導電経路を複数化することにより、配線抵抗を低減するようにした構成が記載されている。

特開２０１９−７５４４２号公報

本発明の目的は、電力損失及び電圧低下を低減することが可能な電力供給方式を提供することにある。

本発明に係る電力供給システムは、第一の基板を備えた電力供給部と、第二の基板を備えた電力消費部と、前記電力供給部と前記電力消費部とを電気的に接続する導電部材とを備え、前記第一の基板の側面には、外部に電力を供給するための第一の電極が形成されており、前記第二の基板の側面には、外部から電力の供給を受けるための第二の電極が形成されており、前記導電部材は、柱状（例えば、円柱状又は角柱状）の形状を有しており、その側面が前記第一の電極及び前記第二の電極に接合されていることを特徴とする。

この場合において、前記第一の基板の側面には、前記導電部材が嵌まり込む凹部が形成されており、前記第一の電極は、当該凹部内に形成されているようにしてもよい。また、前記第二の基板の側面には、前記導電部材が嵌まり込む凹部が形成されており、前記第二の電極は、当該凹部内に形成されているようにしてもよい。

以上の場合において、前記電力供給部を一方の面に搭載すると共に、前記電力消費部を他方の面に搭載する第三の基板を更に備え、前記導電部材は、当該第三の基板を貫通するように設けられているようにしてもよい。

以上の場合において、前記導電部材は、電気伝導率が高い材料（例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属）で構成されているようにしてもよい。

以上の場合において、前記導電部材は、前記第一の電極及び前記第二の電極それぞれとはんだ付けによって接合されているようにしてもよい。

以上の場合において、前記第一の基板には、電源回路が実装されているようにしてもよい。また、前記第二の基板には、プロセッサが実装されているようにしてもよい。

本発明によれば、電力損失及び電圧低下を低減することが可能な電力供給方式を提供することができる。

本発明による電力供給システムの構成を説明するための斜視図である。 本発明による電力供給システムの構成を説明するための正面図である。 基板の側面に形成される凹部の構成を説明するための拡大斜視図である。 電源部１１０の機能構成（回路構成）を説明するための図である。 本発明による別の電力供給システムの構成を説明するための斜視図である。 本発明による別の電力供給システムの構成を説明するための正面図である。 本発明の変形例の構成を説明するための平面図（その１）である。 本発明の変形例の構成を説明するための平面図（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

《第一実施形態》
図１及び図２は、本発明による電力供給システムの構成を説明するための図である。図１は斜視図を示し、図２は正面図を示す。

図１及び図２に示すように、本発明による電力供給システム１００は、電源部１１０と、プロセッサ部１２０と、導電部１３０とを備える。電源部１１０及びプロセッサ部１２０については、両者が隣接するようにメイン基板２００上に実装されている。なお、簡単のため、図２では、メイン基板２００の図示は省略している。

電源部１１０は、プロセッサ部１２０に必要な電力を供給するもの（電力供給部）である。本実施形態においては、電源部１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータが実装された電源モジュールによって構成される。図１に示すように、電源部１１０は、基板１１１を備えており、基板１１１上には、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するパワーＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transister）１１４、インダクタ（コイル）１１５、キャパシタ（コンデンサ）１１６等が実装されている。本実施形態においては、電源部１１０は、基板１１１の底面に設けられた端子（不図示）と、メイン基板２００上に設けられたパッド（不図示）とをはんだ付けすることによって、メイン基板２００上に実装される。

プロセッサ部１２０は、電源部１１０から供給される電力を消費して、所定の動作を行うもの（電力消費部）である。プロセッサ部１２０は、基板（パッケージ基板）１２１を備えており、基板１２１上にプロセッサ（ＩＣチップ）が実装されている。なお、簡単のため、図１及び図２においては、プロセッサの図示は省略している。また、図１においては、基板１２１は、一部を切り欠いた状態を示している。本実施形態においては、プロセッサ部１２０は、基板１２１の底面に設けられたはんだボール１２４と、メイン基板２００上に設けられたパッド（不図示）とをはんだ付けすることによって、メイン基板２００上に実装される。

導電部１３０は、電源部１１０とプロセッサ部１２０との間に配置されて、両者を電気的に接続するものであり、電源部１１０から供給される電力（電源電圧）は、導電部１３０を介して、プロセッサ部１２０に供給されることになる。本実施形態においては、導電部１３０は、電源部１１０とプロセッサ部１２０のそれぞれと、はんだ付けによって接合される。また、本実施形態においては、電源部１１０から供給されるグラウンド電圧（接地電圧）については、メイン基板２００を介して、プロセッサ部１２０に供給される。

導電部１３０は、本実施形態においては、複数（具体的には、４つ）の導電部材１３１によって構成されている。各導電部材１３１は、柱状の形状を有するものである。本実施形態においては、各導電部材１３１は、円柱状部材（より具体的には、平面視において、小判状の形状を有する柱状部材）によって構成されており、両端部（基板１１１，１２１の側面に対向する部分）は、半円柱状に形成されている。なお、本実施形態においては、隣接する基板１１１，１２１の側面同士が干渉しないよう、平面視における形状を小判状にしている。

各導電部材１３１は、例えば、平面視における長さ及び幅が１〜２ｍｍ程度、正面視における高さ（基板の板厚方向の寸法）が１〜３ｍｍ程度のサイズに形成される。

また、各導電部材１３１は、電気伝導率が高い材料（例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属）によって構成される。本実施形態においては、各導電部材１３１は、銅柱によって構成されている。

図１に示すように、電源部１１０が備える基板１１１、及び、プロセッサ部１２０が備える基板１２１の側面（端面）にはそれぞれ、凹部が形成されており、各導電部材１３１の側面が嵌まり込むようになっている。

図３は、基板１１１及び基板１２１それぞれの側面に形成される凹部の構成を説明するための拡大斜視図である。同図においては、一番手前の導電部材１３１が省略されている。また、図１と同様に、基板１２１については、一部を切り欠いた状態を示している。

同図に示すように、基板１１１及び基板１２１の対向する側面（端面）には、半円柱状の凹部１１２，１２２が形成されている。本実施形態においては、各導電部材１３１の両端部は、半円柱状に形成されているので、各凹部１１２，１２２は、各導電部材１３１の両端部が嵌合するように、半円柱状に形成されている。

更に、基板１１１の側面に形成された凹部１１２内には、電力を外部に供給するための電極パッド（導体部）１１３が形成されている。また、基板１２１の側面に形成された凹部１２２内には、外部から電力の供給を受けるための電極パッド（導体部）１２３が形成されている。各電極パッド１１３，１２３は、電気伝導率が高い材料（例えば、銅（Ｃｕ））によって構成される。

電極パッド１１３及び１２３はそれぞれ、肉薄の半円筒状の形状を有しており、凹部１１２及び１２２内の表面（壁面）を膜状に覆うように形成されている。更に、電極パッド１１３及び１２３はそれぞれ、上端部及び下端部から外向きフランジ状に延びて、基板表面を覆う部分（ランド部）１１３１及び１２３１を備えている。すなわち、電極パッド１１３及び１２３はそれぞれ、通常のスルーホールを半分に切断したような形状を有している。

本実施形態においては、電極パッド１１３，１２３は、まず、通常のスルーホールと同様の方法（めっきスルーホール法）によって、各基板１１１，１２１に所定サイズのスルーホールを形成した上で、形成されたスルーホールの中心を通る位置で、各基板１１１，１２１を切断することで形成されている。

電極パッド１１３は、例えば、基板１１１内に形成された配線パターンを介して、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電気的に接続されている。また、電極パッド１２３は、例えば、基板１１２内に形成された配線パターンを介して、プロセッサの電源端子と電気的に接続されている。

本実施形態においては、基板１１１の側面に形成された凹部１１２内に、各導電部材１３１の側面を嵌合させた状態で、電極パッド１１３と各導電部材１３１とをはんだ付けすることで、基板１１１（電極パッド１１３）と各導電部材１３１とが接合されることになる。また、基板１２１の側面に形成された凹部１２２内に、各導電部材１３１の側面を嵌合させた状態で、電極パッド１２３と各導電部材１３１とをはんだ付けすることで、基板１２１（電極パッド１２３）と各導電部材１３１とが接合されることになる。

次に、電源部１１０の機能構成（回路構成）について説明する。

図４は、電源部１１０の機能構成（回路構成）を説明するための図である。なお、同図では、簡単のため、電源部１１０が備える二系統のうち、一系統のみを示している。

同図に示すように、電源部１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部４２０と、外部Ｉ／Ｆ部４３０とを備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０は、外部から供給される電源電圧Ｖｉｎ（例えば、ＤＣ４８Ｖ）を、プロセッサ部１２０が必要とする電源電圧（例えば、ＤＣ０．５Ｖ）に変換するものである。本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０の動作に必要な電源電圧Ｖｉｎ及びグラウンド電圧ＧＮＤについては、基板１１１の底面に設けられた端子を介して、外部（メイン基板２００）から供給される。

同図に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０は、パワーＭＯＳＦＥＴ４１１，４１２と、インダクタ４１３と、キャパシタ４１４とによって構成されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０の出力は、基板１１１の側面に形成された電極パッド１１３と接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部４２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１０の動作を制御するためのアナログ回路であり、一般的なスイッチング電源と同様の動作制御を行うものである。

外部Ｉ／Ｆ部４３０は、外部（例えば、プロセッサ部１２０）との間で各種信号のやり取りを行うためのインタフェース回路であって、外部からの出力電圧の制御や、外部からの出力電圧値及び出力電流値の確認を可能にするためのものである。本実施形態においては、外部とのやり取りするための信号Ｉ／Ｏについては、基板１１１の底面に設けられた端子を介して入出力される。

以上のような構成を有する電力供給システム１００においては、電源部１１０が備える基板１１１の側面に形成された電極パッド１１３から、プロセッサ部１２０が備える基板１１２の側面に形成された電極パッド１２３に、導電部材１３１を介して直接的に電力を供給するようにしているので、電源部１１０からプロセッサ部１２０までの電力供給経路を短くすることが可能となり、配線による損失を低減することが可能となる。

《第二実施形態》
次に、本発明による別の電力供給システム（第二実施形態）について説明する。以下では、主として、第一実施形態と異なる部分について説明する。

図５及び図６は、本発明による別の電力供給システム（第二実施形態）の構成を説明するための図である。図５は斜視図を示し、図６は正面図を示す。

図５及び図６に示すように、本発明による別の電力供給システム５００は、電源部５１０と、プロセッサ部５２０と、導電部５３０とを備える。電源部５１０及びプロセッサ部５２０については、一つの側面（端面）が近接するようにメイン基板６００の異なる面に実装されている。すなわち、電源部５１０及びプロセッサ部５２０が、メイン基板６００を挟んで、一つの側面（端面）が近接するように配置された上で、電源部５１０がメイン基板６００の一方の面（図６における上面）に実装され、プロセッサ部５２０がメイン基板６００の他方の面（図６における下面）に実装される。

電源部５１０及びプロセッサ部５２０はそれぞれ、前述した電源部１１０及びプロセッサ部１２０と同様の構成を有するものである。すなわち、電源部５１０が備える基板５１１、及び、プロセッサ部５２０が備える基板５２１の側面（端面）にはそれぞれ、凹部が形成されており、各凹部内には、電力を外部に供給するための電極パッド及び外部から電力の供給を受けるための電極パッドが形成されている。

導電部５３０は、電源部５１０とプロセッサ部５２０との間に配置されて、両者を電気的に接続するものであり、電源部５１０から供給される電力（電源電圧）は、導電部５３０を介して、プロセッサ部５２０に供給されることになる。

本実施形態においては、導電部５３０は、複数（具体的には、３つ）の導電部材５３１によって構成されており、各導電部材５３１は、円柱状の形状を有している。

本実施形態においては、各導電部材５３１は、円柱状に形成されているので、基板５１１及び基板５２１の近接する側面に形成される凹部は、各導電部材５３１の側面部が嵌合するように、半円柱状に形成されている。

また、本実施形態においては、各導電部材５３１は、メイン基板６００に設けられた貫通孔を介して、メイン基板６００を貫通するように配置されており、基板５１１の側面に形成された凹部と、各導電部材５３１の一方の端部側面（図６における上端部側面）とを嵌合させた状態で、基板５１１（電極パッド）と各導電部材５３１とをはんだ付けすることで、基板５１１（電極パッド）と各導電部材５３１とが接合されることになる。また、基板５２１の側面に形成された凹部と、各導電部材５３１の他方の端部側面（図６における下端部側面）とを嵌合させた状態で、基板５２１（電極パッド）と各導電部材５３１とをはんだ付けすることで、基板５２１（電極パッド）と各導電部材５３１とが接合されることになる。

以上のような構成を有する電力供給システム５００においては、電源部５１０が備える基板５１１の側面に形成された電極パッドから、プロセッサ部５２０が備える基板５２１の側面に形成された電極パッドに、導電部材５３１を介して直接的に電力を供給するようにしているので、電源部５１０からプロセッサ部５２０までの電力供給経路を短くすることが可能となり、配線による損失を低減することが可能となる。

また、電力供給システム５００においては、導電部材５３１をメイン基板６００を貫通するように配置しているので、裏面（プロセッサ部５２０が実装された面とは反対側の面）からの給電が可能となっている。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した実施形態においては、導電部材の数が４又は３の場合について説明したが、導電部材の数はこれらに限られず、必要とされる電力供給量等に応じて、導電部材の数を１又は任意の複数にすることができる。

また、上述した実施形態においては、グラウンド電圧については、メイン基板を介してプロセッサ部に供給するようにしていたが、電源電圧と同様に、導電部材を介してプロセッサ部に供給することも考えられる。

また、上述した実施形態においては、各導電部材については、円柱状（両端部が半円柱状）の形状を有するようにしていたが、図７に示すように、各導電部材を角柱状の形状にすることも考えられる。

同図（ａ）及び（ｂ）は、各導電部材１３１ａを四角柱状に形成した場合の例を示しており、同図（ｃ）及び（ｄ）は、各導電部材１３１ｂを八角柱状に形成した場合の例を示している。なお、同図（ａ）及び（ｃ）は、接合前の状態を示し、同図（ｂ）及び（ｄ）は、接合後の状態を示している。

この場合、各基板１１１ａ，１２１ａ，１１１ｂ，１２１ｂの側面に形成される凹部１１２ａ，１２２ａ，１１２ｂ，１２２ｂ及び電極パッド１１３ａ，１２３ａ，１１３ｂ，１２３ｂの形状も、同図に示すように、各導電部材１３１ａ，１３１ｂの（嵌合部分の）形状に適合した形状に形成されることになる。

また、上述した実施形態においては、各基板の側面の形成された凹部内に電極パッドを設けるようにしていたが、図８に示すように、各基板の側面に、凹部を形成することなく、電極パッドを形成することも考えられる。

同図（ａ）及び（ｂ）は、各導電部材１３１ｃを四角柱状に形成した場合の例を示しており、同図（ｃ）及び（ｄ）は、各導電部材１３１ｄを八角柱状に形成した場合の例を示している。なお、同図（ａ）及び（ｃ）は、接合前の状態を示し、同図（ｂ）及び（ｄ）は、接合後の状態を示している。

この場合、各基板１１１ｃ，１２１ｃ，１１１ｄ，１２１ｄの側面に形成される電極パッド１１３ｃ，１２３ｃ，１１３ｄ，１２３ｄの形状も、同図に示すように、各導電部材１３１ｃ，１３１ｄの（当接部分の）形状に適合した形状に形成されることになる。

１００ 電力供給システム
１１０ 電源部
１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ 基板
１１２，１１２ａ，１１２ｂ 凹部
１１３，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ 電極パッド
１１３１ ランド部
１１４ パワーＭＯＳＦＥＴ
１１５ インダクタ
１１６ キャパシタ
１２０ プロセッサ部
１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ 基板
１２２，１２２ａ，１２２ｂ 凹部
１２３，１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄ 電極パッド
１２３１ ランド部
１２４ はんだボール
１３０ 導電部
１３１，１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ 導電部材
２００ メイン基板
４１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１１，４１２ パワーＭＯＳＦＥＴ
４１３ インダクタ
４１４ キャパシタ
４２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部
４３０ 外部Ｉ／Ｆ部
５００ 電力供給システム
５１０ 電源部
５１１ 基板
５２０ プロセッサ部
５２１ 基板
５３０ 導電部
５３１ 導電部材
６００ メイン基板

Claims (8)

1. 第一の基板を備えた電力供給部と、
   第二の基板を備えた電力消費部と、
   前記電力供給部と前記電力消費部とを電気的に接続する導電部材と
   を備え、
   前記第一の基板の側面には、外部に電力を供給するための第一の電極が形成されており、
   前記第二の基板の側面には、外部から電力の供給を受けるための第二の電極が形成されており、
   前記導電部材は、柱状の形状を有しており、その側面が前記第一の電極及び前記第二の電極に接合されている
   ことを特徴とする電力供給システム。
2. 前記第一の基板の側面には、前記導電部材が嵌まり込む凹部が形成されており、前記第一の電極は、当該凹部内に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記第二の基板の側面には、前記導電部材が嵌まり込む凹部が形成されており、前記第二の電極は、当該凹部内に形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給システム。
4. 前記電力供給部を一方の面に搭載すると共に、前記電力消費部を他方の面に搭載する第三の基板を更に備え、
   前記導電部材は、当該第三の基板を貫通するように設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力供給システム。
5. 前記導電部材は、電気伝導率が高い材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力供給システム。
6. 前記導電部材は、前記第一の電極及び前記第二の電極それぞれとはんだ付けによって接合されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力供給システム。
7. 前記第一の基板には、電源回路が実装されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力供給システム。
8. 前記第二の基板には、プロセッサが実装されている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力供給システム。

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