JP3767296B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板に形成した半導体集積回路装置と、該半導体集積回路装置上に形成された薄膜コイルや薄膜コンデンサなどの薄膜受動部品で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯機器などに用いられるＤＣ−ＤＣコンバータなどの直流電源は、小型・軽量・省電力が求められる。近年、開発が活発化しているハイブリッド型電源モジュールの小型化のポイントは、半導体基板に搭載される受動部品であるコイルやトランスなどの磁気誘導部品を如何に小型化するかに掛かっている。この小型化技術は、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）などの技術により著しい進歩を見せている。
【０００３】
近年、半導体技術を適用して、半導体基板上に薄型のマイクロ磁気誘導素子である平面型磁気誘導素子（コイル、トランス）を搭載した例が報告されており、この平面型磁気誘導素子の構造などについて、特願平８−１４９６２６号などで開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の小型電力変換装置に搭載される平面型磁気誘導素子の構造は、図４に示すように、薄膜コイル５６上に薄い磁性体薄膜５４が形成されており、またこの薄膜コイル５６を形成する導体間の隙間には絶縁性充填材（ポリイミド充填材５５）を充填している。また、図中の番号で５１はシリコン基板、５２はＩＣ保護膜、５３は下部絶縁膜、５７は上部絶縁膜、５８は磁性体薄膜、６１は従来の平面型磁気誘導素子、６２は保護膜である。
【０００５】
この構造では、熱処理により、磁性体薄膜５４、５８やポリイミド充填材５５が収縮し、そのストレスで半導体基板が反ってしまう。この反りは、磁性体薄膜５４、５８とポリイミド充填材５５の収縮により生じ、その引っ張り応力は５８×Ｎ／ｃｍと大きく、直径６インチ、厚さ６２５μｍのシリコン基板５１では１２００μｍ程度の反りが生じる。このように大きな反りが生じると、その後形成される上部絶縁膜５７、磁性体薄膜５８および保護膜６２のフォトリソグラフィーなどの加工が困難になる。
【０００６】
また、磁性体薄膜５４、５８はスパッタ法で形成されるが、成長速度が遅く、厚くても１０μｍ程度しか成長できないために、磁束が飽和しやすく、平面型磁気誘導素子の性能が悪く、また、磁束密度が大きくとれないため、薄膜コイル５６の占有面積を大きくする必要がある。さらに、小型電力変換装置として必要なコンデンサは薄膜コイル５６もしくはシリコン基板５１と併設されるために、小型電力変換装置が大きくなる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、超小型で、高性能で、半導体基板に反りが生じない電力変換装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、半導体基板に形成された半導体集積回路装置上に、第１絶縁膜を介して薄膜の受動部品が形成された超小型電力変換装置において、前記半導体集積回路装置上に、下部磁性体と上部磁性体で薄膜コイルを挟んだ構成の平面型磁気誘導素子を形成し、該平面型磁気誘導素子の前記半導体集積回路装置側に形成される前記下部磁性体が、磁性体薄膜で形成され、前記平面型磁気誘導素子の前記上部磁性体が、磁性体薄板で形成され、該磁性体薄板が厚さ１００〜３００μｍのフェライト磁性板である構成とする。
【０００８】
前記磁性体薄板上に薄膜コンデンサを形成すると小型化のためによい。
前記平面型磁気誘導素子の薄膜コイルが、前記半導体集積回路装置と前記磁性体薄膜との間に形成された前記第１絶縁膜に開けられたコンタクトホールを介して、前記半導体集積回路装置と電気的に接続すると小型化できる。
前記磁性体薄板が、フェライト磁性板で形成されるとフィライト磁性板の中の磁束密度が増大して、平面型磁気誘導素子の特性が向上し、電力変換装置の性能が向上し小型化にも効果がある。また、反りが発生しないために加工が容易になる。
【０００９】
前記の薄膜コイルを形成する導体は絶縁体によって覆われているとよい。
前記絶縁体は前記下部磁性体と前記薄膜コイル間に形成された第２絶縁膜、前記上部磁性体と薄膜コイル間に形成された第３絶縁膜および前記薄膜コイルを形成する導体間の隙間に充填された第４絶縁膜からなると絶縁性が向上する。この第４絶縁膜が、ポリイミドで形成されるとよい。
前記薄膜コイルを形成する導体間に隙間を有すると半導体基板の反りが一層発生し難くなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の超小型電力変換装置で、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部の説明図である。半導体集積回路装置として制御用ＩＣとスイッチング素子を集積したＤＣ−ＤＣコンバータを同図（ｂ）のように形成したシリコン基板１上にポリイミド膜やＳｉＯ2 膜などのＩＣ保護膜２上に平面型磁性誘導素子１１を形成する。このＤＣ−ＤＣコンバータを構成する制御用ＩＣは、例えばＣＭＯＳ回路で形成され、またスイッチング素子は、例えば、スイッチング用高耐圧ｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、このドレインはボンディングパッド９に接続している。この平面型磁性誘導素子１１は、薄膜コイル６の一方の面にポリイミド膜などの下部絶縁膜３を介して磁性体薄膜４を形成し（この磁性体薄膜４は下部絶縁膜３で取り囲まれている）、他方の面に上部絶縁膜７を介して磁性体薄板であるフェライト磁性板８を固着した構造をしている。平面型磁気誘導素子１１の下部絶縁膜３はシリコン基板１上に形成されたＩＣ保護膜２上に形成される。尚、個別に製作された平面型磁気誘導素子１１の下部絶縁膜３とＩＣ保護膜２とを固着しても構わない。また、上部絶縁膜７と磁性体薄板８とはエポキシ接着樹脂で位置合わせ後固着される。薄膜コイル６の導体間は、ポリイミド充填材５で充填される。薄膜コイル６の両端は、ＩＣ保護膜２、下部絶縁膜３にコンタクトホール１２を開けて、このコンタクトホール１２を通してシリコン基板１と接続する。
【００１１】
このように、上部絶縁膜７と固着する磁性体を、従来の磁性体薄膜５８より厚いフェライト磁性板８とすることで、フェライト磁性板８の中の磁束密度が増大して、平面型磁気誘導素子１１の特性が向上し、これでＤＣ−ＤＣコンバータを製作した場合は、最大変換効率が向上する。また、磁束密度が増大することで、平面型磁気誘導素子１１の小型化が図れる。また、シリコン基板１に反りが発生し難くなるために、その後の加工が容易になる。具体的には、３００μｍ厚のフェライト磁性板８を用いた場合、反りは従来の２／３程度に軽減した。また、フェライト磁性板８をエポキシ接着樹脂で固着するために、従来の磁性体薄膜５８をスパッタ法で形成する場合よりは工程が簡略化（工数の低減など）される。また、薄膜コイル６を直接シリコン基板１に固着することで、小型化できて、且つ、信頼性が向上することは勿論である。また、フェライト磁性板８の厚みは１００μｍ以上であれば本発明の効果が得られる。
【００１２】
尚、同図（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータを形成する制御回路ＩＣの一部とスイッチ用高耐圧ＭＯＳＦＥＴを示す。制御回路ＩＣは、相補回路を構成するｎチャネルＭＯＳＦＥＴとｐチャネルＭＯＳＦＥＴを示し、スイッチ用高耐圧ＭＯＳＦＥＴはｐチャネルＭＯＳＦＥＴは薄膜コイル６に電流を流し込み、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴは薄膜コイル６から電流を引き抜く役目をしている。また薄膜コイル６が接続するボンディングパッド９とｐチャネルＭＯＳＦＥＴおよびｎチャネルＭＯＳＦＥＴのドレインはＡｌ配線３３で接続される。また、図中の３１は３層からなる酸化膜、３２はＭＯＳＦＥＴのゲート電極である。
【００１３】
図２は、この発明の第２実施例の超小型電力変換装置の要部断面図である。図１との違いは、薄膜コイル６を形成する導体の隙間を充填しているポリイミド充填材５を無くし、薄膜コイル６の表面を厚さ１μｍ程度の酸化膜などの保護膜１３で被覆した点である。この保護膜１３が図１の上部絶縁膜７に相当する。ポリイミド充填材５を無くする方法は、薄膜コイル６を形成した後のポリイミド充填材を充填する工程を省くことでよい。また、この保護膜１３である酸化膜は、スパッタリングなどのＰＶＤ法でも、ＣＶＤ法のどちらで形成してもよい。尚、図１でポリイミド充填材５が存在する箇所は空洞となっており、この空洞は空気１４などで満ちている。
【００１４】
このように、ポリイミド充填材５がないために、図１の場合と比べて、シリコン基板１の反りはより一層発生し難くなる。具体的には、反りは従来の１／５程度に低減した。そのために、薄膜コイル６を形成した後の保護膜１３のフォトリソグラフィーによる加工や、フェライト磁性板８の貼付け時の位置合わせなどが容易になる。その他の効果は図１の場合と同じである。
【００１５】
尚、図２のシリコン基板１には、図示しないが図１（ｂ）のＤＣ−ＤＣコンバータが形成されていることは勿論である。
図３は、この発明の第２実施例の超小型電力変換装置の要部断面図である。図２との違いは、フェライト磁性板８上に絶縁膜１７を介して薄膜コンデンサ２０を形成したものを、絶縁膜１３上に固着する。この薄膜コンデンサ２０の電極１６はＰｔで、強誘電体薄膜１５はＰｂＺｒ1-x Ｔｉx Ｏ3 もしくはＰｂ（ＳｃＴａ）Ｏ3 などの強誘電体材料で形成される。薄膜コンデンサ２０はワイヤボンデング１０でシリコン基板１と接続する。尚、図１のフェライト磁性板上８に絶縁膜を介して図３の薄膜コンデンサ２０を形成したものを、上部絶縁膜７と固着しても勿論構わない。フェライト磁性板８の厚さとしては１００μｍ以上であれば本発明の効果が得られる。
【００１６】
図１、図２ではコンデンサは、シリコン基板１上に平面型磁気誘導素子１１と併設もしくは回路基板上にシリコン基板１と併設されるために、小型の電力変換装置の面積が大きくなっていたが、このように、平面型磁気誘導素子１１上に積層することで、シリコン基板１の面積が小さくなり、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの小型電力変換装置では、平滑用の薄膜コンデンサ２０を２ないし３個、シリコン基板１上に増設することができて、電力変換装置の実装面積を従来の２／３程度に削減できる。
【００１７】
尚、図３のシリコン基板１には、図示しないが図１（ｂ）のＤＣ−ＤＣコンバータが形成されていることは勿論である。
【００１８】
【発明の効果】
この発明によれば、薄膜コイル上に形成される磁性体を従来の磁性体薄膜より厚いフェライト磁性板のような磁性体薄板とすることで、半導体基板の反りが小さくなる。反りが小さくなることで、その後の工程の加工が容易になる。また、従来の磁性体薄膜より膜厚が厚いフェライト磁性板にすることで、磁束密度が上がり平面型磁気誘導素子の特性が向上する。また、薄膜コイルを半導体基板に直接固着することで、小型化が図れる。さらに、薄膜コンデンサを平面型磁気誘導素子上に積層することでより一層の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の超小型電力変換装置で、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の説明図
【図２】この発明の第２実施例の超小型電力変換装置の要部断面図
【図３】この発明の第３実施例の超小型電力変換装置の要部断面図
【図４】従来の小型電力変換装置に搭載される平面型磁気誘導素子の構造図
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ ＩＣ保護膜
３ 下部絶縁膜
４ 磁性体薄膜
５ ポリイミド充填材
６ 薄膜コイル
７ 上部絶縁膜
８ フェライト磁性板
９、１０ ボンディングワイヤ
１１ 平面型磁気誘導素子
１２ コンタクトホール
１３ 保護膜
１４ 空気
１５ 強誘電体薄膜
１６ 電極
１７ 絶縁膜
２０ 薄膜コンデンサ
Claims (7)
- 半導体基板に形成された半導体集積回路装置上に、第１絶縁膜を介して薄膜の受動部品が形成された超小型電力変換装置において、前記半導体集積回路装置上に、下部磁性体と上部磁性体で薄膜コイルを挟んだ構成の平面型磁気誘導素子を形成し、該平面型磁気誘導素子の前記半導体集積回路装置側に形成される前記下部磁性体が、磁性体薄膜で形成され、前記平面型磁気誘導素子の前記上部磁性体が、磁性体薄板で形成され、該磁性体薄板が厚さ１００〜３００μｍのフェライト磁性板であることを特徴とする電力変換装置。
- 前記磁性体薄板上に薄膜コンデンサを形成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記平面型磁気誘導素子の薄膜コイルが、前記半導体集積回路装置と前記磁性体薄膜との間に形成された前記第１絶縁膜に開けられたコンタクトホールを介して、前記半導体集積回路装置と電気的に接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
- 前記の薄膜コイルを形成する導体は絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記絶縁体は前記下部磁性体と前記薄膜コイル間に形成された第２絶縁膜、前記上部磁性体と薄膜コイル間に形成された第３絶縁膜および前記薄膜コイルを形成する導体間の隙間に充填された第４絶縁膜からなることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
- 前記第４絶縁膜が、ポリイミドで形成されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
- 前記薄膜コイルを形成する導体間に隙間を有することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
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