JP4935543B2 - 電源一体型パッケージ基板 - Google Patents

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Description

本発明は、ICを搭載するパッケージ基板に関し、特に、該ICに電力を供給する電源を内蔵する電源一体型パッケージ基板に関するものである。
LSIは、高速化と低電力消費化を同時に達成するために、駆動電圧を下げる設計がなされ、近年1V近くまで低下している。このようなLSIへ電力を供給するためには、電源電圧を下げて、電力を供給する必要がる。電源電圧を下げるために、変換効率が高いスイッチング素子を用いたDC−DCコンバータが用いられるが、スイッチング素子の出力中の脈流を平滑フィルタによって抑制する必要がある。この平滑フィルタは、主にインダクタとキャパシタにより構成され、一般的にディスクリートな素子として表面実装されるが、かかるインダクタとキャパシタを実装すると、実装面積が広がり、実装高さが高くなる。
特許文献1には、基板にノイズ除去機能を持たせた半導体装置が開示されている。特許文献2及び特許文献3には、インダクタンス素子の構成が開示されている。
特開平10−233469号公報 特開平7−201610号公報 特開平7−263241号公報
MPUなどの大規模集積回路素子は、近年の高性能化と低消費電力化に伴い、駆動電圧が1V程度まで低下し、対応して電流値が大幅に上がる傾向にある。一方で、電源と負荷である大規模集積回路間の配線に寄生する成分に因る電圧変動が、大規模集積回路素子内部の素子駆動の閾値電圧と同等となり、大規模集積回路が誤動作を起こす可能性が有る。
このような電源電圧変動への対策として、電源と負荷の距離を出来る限り短くする事が求められており、その為に、電源自体の体積を可能な限り小さくして、大規模集積回路素子のパッケージと一体化する事により、電源と負荷の距離を可能な限り縮めることが、非常に有効な手段と認められる。しかし、これによって、種々の問題が発生することが判明した。また、その為には、電源内部の素子も可能な限り小型低背化する必要があり、特にインダクタは、低電圧かつ大電流への対応が必須であることから大型化する傾向にあり、電源と負荷の距離を縮めるに当たっての、大きな現題となっている。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低電圧・大電流を電圧変動を抑制しながらIC側へ供給することができると共に電源の低背化を図ることのできる電源一体型パッケージ基板を提供することにある。
上記目的を達成するためには、電源をパッケージ基板に一体に設けると共に、電源自体を1/10〜1/50に小型化する必要がある
請求項は、ICを搭載し、該ICに電力を供給する電源を内蔵する電源一体型パッケージ基板であって、
前記電源が、スイッチング素子、コントロールIC、及び、該スイッチング素子の出力を平滑化するインダクタ並びにキャパシタからなるフィルタを有し、
前記インダクタが、表面に磁性層を施した導体線から成り、該インダクタを複数本並列に配列し、樹脂で固定してなる小型低背インダクタアレーを備えることより、電源の小型化を実現したことを主たる特徴とする。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、導体線の表面に磁性層を施すことで、磁気飽和し難くなり、インダクタに十分なインダクタンス分を持たせることができる。このインダクタを複数本並行に配列し、樹脂で固定してなるインダクタアレーとすることで、少ないスペースに多くのインダクタを設けることができ、電源を分割することが可能となる。電源を分割することで、給電線の導体断面積を増やし、1本当たりの電流量を少なくすることで、大電流をIC側へ供給することが可能となる。更に、電源をパッケージ基板に内蔵することで、電源とICとの間の距離が短くなり、給電線での発熱・電圧降下を小さくし、大電流をIC側へ供給することが容易になる。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、必要とされる電流量を給電線の許容電流値で割った数分のスイッチング素子及びフィルタから成る。給電線の許容電流値以下に電流値を抑えながら、必要とされる大電流をIC(負荷)へ供給することができるといった観点から、スイッチング素子及びフィルタの個数は、それぞれ2〜1000個が望ましい。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、キャパシタが、パッケージ基板に形成させたスルーホールの側壁に設けられた誘電体を挟持する電極層から成る。このため、キャパシタを別体に設ける必要がないので、電源を更に小型化してIC近傍への配置することで、給電線での発熱・電圧降下を小さくして、大電流をIC側へ供給することが可能となる。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、インダクタアレーが、パッケージ基板を介在させたICの直下、即ち、IC近傍への配置する。これにより、給電線を短くすることで、給電線での発熱・電圧降下が小さくなり、大電流をIC側へ供給することが可能となる。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、導体線表面の磁性層が湿式電気めっきにより施されているため、インダクタを磁気飽和し難くでき、インダクタアレーを構成する各インダクタに十分なインダクタンス分を持たせることができる。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、導体線表面の磁性層がFe、Co、Niの内の2以上を主成分とする磁性体であるため、インダクタを磁気飽和し難くでき、通電時にもインダクタアレーを構成する各インダクタに十分なインダクタンス分を持たせることができる。
請求項の電源一体型パッケージ基板では、インダクタをモールドさせる樹脂が、磁性材料を含むため、インダクタ相互でのクロストークが抑制され、ノイズの重畳を防ぐことができる。
なお、パッケージ基板を構成する材料は、パイレックス(パイレックスは登録商標である)ガラス、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、ムライト等の無機材料、または、エポキシ、フェノール、ポリイミド、液晶ポリマー等の有機材料のいずれでも良いが、高絶縁性能を保持する材料が望ましい。一方、Siは加工精度を上げやすいことから、基板材料に好適であるが、高絶縁性を付与する為の絶縁層の付加が望ましい。有機モノマー(エポキシ、フェノール頭)及び、ガラス、ガラスクロス等の無機フィラーを内含するカーボン材料も好適である。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に掛かる電源一体型パッケージ基板について図1〜図7を参照して説明する。図1は、第1実施形態に係る電源一体型パッケージ基板の断面図であり、図2は、図1の電源一体型パッケージ基板のA矢視、即ち、底面図である。
電源一体型パッケージ基板90は、パッケージ基板30に電源モジュール50を内蔵して成る。パッケージ基板30には、バンプ32を介してIC(負荷)40が搭載されている。該IC(負荷)40の上側には、放熱用のヒートシンク44が載置されている。パッケージ基板30の底面外周側には、図示しないマザーボードへの接続用のピン36を備えるピンソケット34が配置されている。
パッケージ基板30のIC(負荷)40直下には、IC(負荷)40への給電を行う電源モジュール50が取り付けられている。電源モジュール50は、給電線の分配してICチップへの給電できるようにする給電分配層60と、平滑フィルタのインダクタをアレー状に配置してなるインダクタアレーからなるインダクタ層70と、スイッチング素子を収容してなるスイッチング素子層80との3層構造になっている。
図7(A)は、IC(負荷)40への給電を行う電源モジュール(DC−DCコンバータ)50の動作原理を示す回路図であり、図7(B)は電源モジュール50の入力側の電圧Vin・電流Iinの波形図、図7(C)はスイッチSのオン・オフの波形図、図7(D)は、電源モジュール50の出力側の電圧Vout・電流Ioutの波形図である。
図7(B)に示すように、電源モジュール50の入力側には、一定の電圧Vin・電流Iinが供給される。スイッチSを図7(C)に示すように周期Tの内のton時間オンすることで、図7(C)に示すように出力電圧Voutを降圧し、出力電流Ioutを平均電流Iavgにする。出力電圧Voutには電圧リプル分Vrippleが含まれる。同様に、出力電流にも電流変動Δiが含まれる。この出力ノイズ(電圧リプル分Vripple、電流変動Δi)をIC(負荷)40側の要求する許容値内にするために、平滑フィルタを構成するインダクタL及びキャパシタCの値が設定される。
図3は、電源モジュール50とIC(負荷)40との接続を説明するための模式図である。パッケージ基板30は厚さ50〜100μmのシリコン基板(インターポーザー)10から成る。シリコン基板10には、スルーホール孔を構成する貫通孔10aが設けられ、全体に絶縁層12が被覆されている。貫通孔10aの内壁、貫通孔の底部、シリコン基板10上面には下部電極層14が設けられている。該下部電極層14の上面には誘電体層16が形成され、該誘電体層16の上面には、上部電極層18が形成されている。この誘電体層16を下部電極層14及び上部電極層18で挟持することで、図7(A)を参照して上述したキャパシタCが構成される。第1実施形態では、シリコン基板を用いるが、この代わりに樹脂基板を用いることもできる。
シリコン基板10の最外層、及び、貫通孔10aの上部電極層18の内周側には、絶縁樹脂層20が設けられている。貫通孔10aの中心部には、スルーホール導体22が形成されている。スルーホール導体22の上側には、ニッケル層24aの表層にアルミニューム層24bを被覆してなるパッド24が設けられ、バンプ32を介してIC(負荷)40に接続されている。上述した下部電極層14はスルーホール導体22に接続されている。他方、上部電極層18は絶縁樹脂層20によりスルーホール導体22から分離され、アースEに接続されている。
電源モジュール50を構成する給電分配層60には、スルーホール導体22と接続する給電線52が設けられている。該給電線52と接続するように、インダクタ層70のインダクタ74が接続されている。該インダクタ74は、図7(A)を参照して上述したインダクタLを構成する。
図4を参照して、インダクタ層70を構成するインダクタアレーの構成を説明する。図4(A)はインダクタアレーの斜視図であり、図4(B)はインダクタの距離を示す説明図であり、図4(C)はインダクタの構造を示す断面図である。
図4(C)に示すようにインダクタアレー70は、直径69μmの銅線74Cの外周に厚さ10μmの絶縁層74Aを設け、該絶縁層74Aの外周に厚さ10μmの磁性層74Bを設けてなる。該磁性層74Bは、比透磁率600以上、飽和磁化1.6T以上(好ましくは2T以上)の主としてFe、Co、Niの内の少なくとも2以上を主成分とする磁性体(磁性鍍金)からなり、導線74Cに電解めっき又は無電解めっき(湿式電気めっき)により施されてなる。ここでは、導線として、銅線を用いたが、この代わりに、アルミニュウム線、銀線を用いることも可能である。
図4(A)に示すように、インダクタアレー70は、銅線74Cの表面に磁性層74Bを施した長さ10mmのインダクタ74を30本並行に配列し、樹脂で固定してなる。樹脂には、磁性材料が混入されている。インダクタアレー70は、幅W1が20mm、奥行きD1が10mm、厚みH1が0.4mmに構成されている。図4(B)に示すように、インダクタ74の直径d1に対して、インダクタ相互の距離d2は、1倍超で、3倍以下であることが望ましい。図11に改変例に係るインダクタアレーを示している。図4(A)を参照したインダクタアレーでは、インダクタを1段で配置したが、これを図11に示す改変例のように2段、又は、3段以上に配設してもよい。この場合、実装面積を低減することができる。
図5は、インダクタ74を構成する銅線74Cの直径を69μm、150μm、250μmと変え、また、磁性層74Bの厚さを20μmに変えた際のインダクタンス変化を、インダクタンスアナライザを用いて測定した結果を示すグラフであり、縦軸にリニアにインダクタンス[μH]を、横軸に対数表示で電流[A]を取ってある。電源周波数を300MHzとし、インダクタ74の長さを10mmに設定してある。図中で、069_10_10と有るのは、第1実施形態の直径69μmの銅線74Cの外周に厚さ10μmの絶縁層74Aを設け、該絶縁層74Aの外周に厚さ10μmの磁性層74Bを設けててなるインダクタを意味している。この測定結果からも、069_10_10で長さ10mmのインダクタであれば、3A程度までなら磁気飽和を起こさず、インダクタンスの低下が十分小さいことが分かる。なお、図4(B)に示すように、3本のインダクタ(069_10_10)を間隔d2(400μm)置いてそれぞれをインダクタンスを測定した結果、図中右側、中央、左側でインダクタンス特性が同等であることが分かった。この結果からもインダクタ74をインダクタアレーにすることが可能であることが分かった。
図6は、図1中の電源モジュール50を構成するスイッチング素子層80に設けられる電源の構成を示す回路図である。
1個の電流制御ICチップ82により、3組のスイッチング回路84a、84b、84cが制御される。スイッチング回路84aは、スイッチング素子S1、S2を備え、図4を参照して上述したインダクタ74と、図3を参照して上述した誘電体層16を下部電極層14及び上部電極層18で挟持して成るキャパシタCとに接続されている。同様に、スイッチング回路84bは、スイッチング素子S3、S4を備え、インダクタ74とキャパシタCとに接続され、スイッチング回路84cは、スイッチング素子S5、S6を備え、インダクタ74とキャパシタCとに接続されている。電流制御ICチップ82は、3組のスイッチング回路84a、84b、84cを時分割式に制御し、3Vの入力電圧を1.1Vの電圧に変換し、9Aの電流を出力し得る。第1実施形態では、10組の電流制御ICチップ82及びスイッチング回路84a、84b、84cによって、1.1Vの電圧で90Aの電流(約100W)をCPU(ICチップ)40側へ供給できるように構成されている。
第1実施形態の電源一体型パッケージ基板90では、銅線74Cの表面に磁性層74Bを施すことで、磁気飽和し難くなり、インダクタ74に十分なインダクタンス分を持たせることができる。このインダクタ74を複数本並行に配列し、樹脂72で固定してなるインダクタアレー70とすることで、少ないスペースに多くのインダクタを設けることができ、電源を分割することが可能となる。即ち、実装面積を小さくすると共に実装高さを低くすることができる。そして、電源を分割することで、給電線52の本数を増やし、1本当たりの電流量を少なくすることで、大電流をIC(負荷)40側へ供給することが可能となる。更に、電源モジュール50をパッケージ基板30に内蔵することで、電源とIC(負荷)40との間の距離が短くなり(即ち、シリコン基板10の厚み分の50μmになる)、給電線52での発熱・電圧降下を小さくし、大電流をIC(負荷)40側へ供給することが容易になる。
また、第1実施形態の電源一体型パッケージ基板90では、給電線52及びスルーホール導体22の許容電流が3Aに設計されている。そして、ICチップが90Aの電流量を必要としている。この必要とされる電流量を給電線52の許容電流値(3A)で割った数分、即ち、30組のスイッチング素子(S1−S2、S3−S4、S5−S6)及びフィルタ(インダクタ74及びキャパシタC)が設けられている。このため、給電線の許容電流値以下に電流値を抑えながら、必要とされる大電流をIC(負荷)40へ供給することができる。
更に、第1実施形態の電源一体型パッケージ基板90では、キャパシタCが、パッケージ基板30に形成させたスルーホール孔10aの側壁に設けられた誘電体層16を挟持する上部電極層18、下部電極層14から成る。このため、キャパシタを別体に設ける必要がないので、電源モジュール50を小型化してIC(負荷)40近傍への配置することで、給電線52での発熱・電圧降下を小さくして、大電流をIC(負荷)40側へ供給することが可能となる。
第1実施形態の電源一体型パッケージ基板90では、インダクタアレー70が、パッケージ基板30を介在させたIC(負荷)40の直下、即ち、IC(負荷)40近傍への配置する。これにより、給電線52を短くすることで、給電線52での発熱・電圧降下が小さくなり、大電流をIC(負荷)40側へ供給することが可能となる。
第1実施形態では、銅線74C表面の磁性層74Bが湿式電気めっきにより施されているため、インダクタ74を磁気飽和し難くできる。また、銅線74C表面の磁性層74BがFe、Co、Niのいずれかを主成分とする磁性体であるため、インダクタ74を磁気飽和し難くできる。これにより、インダクタアレー70を構成する各インダクタ74に十分なインダクタンス分を持たせることができる。
また更に、第1実施形態の電源一体型パッケージ基板90では、インダクタ74をモールドさせる樹脂72が、磁性材料を含むため、インダクタ相互でのクロストークが抑制され、ノイズの重畳を防ぐことができる。
上述した第1実施形態では、本発明の電源一体型パッケージ基板をMPUなどの負荷を搭載するパッケージ基板へ適用する例について記した。また、第1実施形態の例では、電源の実装面積及び実装体積は、従来技術と比較して、それぞれ、約1/6と約1/34となった。
[第2実施形態]
第2実施形態では、直径250μmの銅線に10μmの絶縁被覆を施した線材を12mmに切り揃え、両端1mmの絶縁層を剥離した後に、NiFeCoの電析による磁性膜を10μmの厚さで堆積させた。このNiFeCoを主成分とする磁性膜は、比透磁率約600、飽和磁化は2T程度であった。
磁性膜を被覆した導線を400μmピッチで並列に50本配置した後、磁性材料と樹脂の混合物をすきま無く充填して固定し、インダクタアレーを形成する。インダクタアレーの厚みは450μmであった。なお、各導線の絶縁層を剥離した両端1mmは、該インダクタアレーの外側に出してはんだ鍍金を施した。
第2実施形態では、絶縁層の厚みを変えてインダクタンスをインピーダンスアナライザを用いて測定した。また、このときに、直流電流を重畳させて、直流重畳特性も評価した。この結果を図8中のグラフに示す。絶縁層の厚みとインダクタンスとの間には、正の相関関係が認められる。直流重畳特性は、例えば、インダクタンスが10%低下する電流値で見た場合、絶縁層の厚みに関わらず同程度の電流値(3A)であった。
第2実施形態のインダクタアレーは、パッケージ基板用の電源の他、50A以上の大電流を要する適用箇所、例えば、モータの駆動にも適用可能である。
[第3実施形態]
第3実施形態の電源一体型パッケージ基板は、第2実施形態と同様のインダクタアレー70を作製し、図9に示すようにパッケージ基板30のコア120内部に電源半導体と重ねる形で実装した基板コア内蔵型電源である。第3実施形態は、第1実装形態と比較して、より電源と負荷の距離が短くなっているという長所がある。
[第4実施形態]
第4実施形態では、第2実施形態と同様に直径250μmの銅線に10μmの絶縁被覆を施した線材を、第2実施形態の1/10の長さである1.2mmに切り揃え、第2実施形態と同様にNiFeCoの電析による磁性膜を10μmの厚さで堆積させた。NiFeCoを主成分とする磁性膜は、第2実施形態と同じく比透磁率約600、飽和磁化は2T程度であった。
磁性膜を被覆した導線を100μmピッチで並列に10本配置した後、磁性材料と樹脂の混合物をすきま無く充填して固定し、インダクタアレーを形成する。インダクタアレーの厚みは約400μmであった。
第4実施形態では、絶縁層の厚みを変えてインダクタンスをインダクタンスアナライザを用いて測定した。また、このときに、直流電流を重畳させて、直流重畳特性も評価した。この結果を図10中のグラフに示す。絶縁層の厚みとインダクタンスとの間には、正の相関関係が認められる。直流重畳特性は、例えば、インダクタンスが10%低下する電流値で見た場合、絶縁層の厚みに関わらず同程度の電流値(0.8A)であった。
第4実施形態のインダクタアレーは、1A以下の電流値を要する適用箇所、例えば、携帯機器の集積回路、小型精密モータの駆動、インターフェイス等に適用可能である。
本発明の第1実施形態に係る電源一体型パッケージ基板の断面図である。 第1実施形態の電源一体型パッケージ基板の底面図である。 電源モジュールとICチップとの接続を説明するための模式図である。 図4(A)はインダクタアレーの斜視図であり、図4(B)はインダクタの距離を示す説明図であり、図4(C)はインダクタの構造を示す断面図である。 インダクタを構成する銅線の直径を150μm、250μmと変え、また、磁性層の厚さを20μmに変えた際のインダクタンス変化を測定した結果を示すグラフである。 電源モジュールを構成するスイッチング素子層に設けられるスイッチング素子の構成を示す回路図である。 図7(A)はICチップへの給電を行う電源モジュールの動作原理を示す回路図であり、図7(B)は電源モジュールの入力側の電圧・電流の波形図、図7(C)はスイッチSのオン・オフの波形図、図7(D)は、電源モジュールの出力側の電圧・電流の波形図である。 第2実施形態に係るインダクタの磁性層の厚みを変えた際のインダクタンス変化を測定した結果を示すグラフである。 本発明の第3実施形態に係る電源一体型パッケージ基板の断面図である。 第4実施形態に係るインダクタの磁性層の厚みを変えた際のインダクタンス変化を測定した結果を示すグラフである。 改変例に係るインダクタアレーの斜視図である。
符号の説明
10 シリコン基板
14 下部電極層
16 誘電体層
18 上部電極層
30 電源一体型パッケージ基板
40 ICチップ(負荷)
50 電源モジュール
52 給電線
60 再配線層
70 インダクタ層(インダクタアレー)
72 樹脂
74 インダクタ
74C 銅線
74A 絶縁層
80 スイッチング素子層
90 電源一体型パッケージ基板
120 コア基板
S1、S2 スイッチング素子
C キャパシタ

Claims (7)

  1. ICを搭載し、該ICに電力を供給する電源を一体で備え、
    前記電源が、スイッチング素子、コントロールIC、及び、該スイッチング素子の出力を平滑化するインダクタ並びにキャパシタからなるフィルタを有し、
    前記インダクタが、表面に磁性層を施した導体線から成り、該インダクタを複数本並行に配列し、樹脂で固定してなるインダクタアレーを備える電源一体型パッケージ基板であって、
    前記電源が、複数個の前記スイッチング素子及びフィルタから成り、
    前記複数個が、必要とされる電流量を給電線の許容電流値で割った数分であることを特徴とする電源一体型パッケージ基板。
  2. ICを搭載し、該ICに電力を供給する電源を一体で備え、
    前記電源が、スイッチング素子、コントロールIC、及び、該スイッチング素子の出力を平滑化するインダクタ並びにキャパシタからなるフィルタを有し、
    前記インダクタが、表面に磁性層を施した導体線から成り、該インダクタを複数本並行に配列し、樹脂で固定してなるインダクタアレーを備える電源一体型パッケージ基板であって、
    前記キャパシタが、前記パッケージ基板に形成させたスルーホールの側壁に設けられた誘電体を挟持する電極層から成ることを特徴とす電源一体型パッケージ基板。
  3. 前記インダクタアレーが、パッケージ基板を介在させた負荷ICの直下に配置されることを特徴とする請求項の電源一体型パッケージ基板。
  4. 前記磁性層は湿式電気めっきにより施されてなることを特徴とする請求項1又は請求項2の電源一体型パッケージ基板。
  5. 前記磁性層は、Fe、Co、Niの内の少なくとも2以上を主成分とする磁性体であることを特徴とする請求項1又は請求項2の電源一体型パッケージ基板。
  6. 前記樹脂は、磁性材料を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2の電源一体型パッケージ基板。
  7. ICを搭載し、該ICに電力を供給する電源を一体で備え、
    前記電源が、スイッチング素子、コントロールIC、及び、該スイッチング素子の出力を平滑化するインダクタ並びにキャパシタからなるフィルタを有し、
    前記インダクタが、表面に磁性層を施した導体線から成り、該インダクタを複数本並行に配列し、樹脂で固定してなるインダクタアレーを備える電源一体型パッケージ基板であって、
    前記電源は、コア基板内に収容されていることを特徴とす電源一体型パッケージ基板。
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