JP5661824B2 - 電源ｉｃパッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、薄型インダクタとして使用される平面磁気素子（磁気受動素子）を用いた電源ＩＣパッケージに係り、特に平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を高めインダクタンスを向上させた平面磁気素子を用いた電源ＩＣパッケージに関する。
近年、各種電子機器の小型化が盛んに進められ、これに伴って各種デバイスが薄膜プロセスを用いて作成される傾向にある。この流れの中でインダクタ（リアクター）、トランス、磁気ヘッドなどの磁気素子も従来のバルク磁性材料に巻線を施した構造に代えて、スパイラル形状やつづら折れ（ミアンダ型）パターンを有する平面コイルを磁性体で被覆した外鉄型の構造を有する平面磁気素子（平面インダクタ）が提案され、デバイスの小型薄型化が試行されている（例えば、非特許文献１参照）。
一方、小型電子機器用のＤＣ−ＤＣコンバータの例に見られるように、機器の小型軽量化を実現するためにＭＨｚ以上の高い動作周波数で動作させようという技術的要求が高まっている。この中で高周波インダクタは一つのキーコンポーネントとなっており、以下のような特性が要求されている。
（１）小型薄型であること。
（２）周波数特性が良好であること。
（３）適当な電力容量を有すること。
一般的に小型インダクタ素子としては、バルクフェライトにコイルを巻回したものや塗布型のフェライト材料と塗布型の導体材料とを一体に焼成したものが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
前者は、バルクフェライトコアを小型・薄型化するに伴って研磨加工等による加工歪を原因とした表面劣化層が総体積に占める割合が大きくなり、透磁率を始めとした特性が劣化し、低損失で高インダクタンスのインダクタ素子が実現できなくなる。
また、後者はコイルをスパイラル型やトロイダル型を形成する様にパターニングして塗布し、これらのコイルによって軟磁性体が励磁される様にフェライトを塗布し、最後にこれらを焼結して作製されている。例えばトロイダル型のインダクタではフェライトと導体とを交互にパターン化して塗布する工程を経て製造されている。
特開２００２−２９９１２０号公報 特開平５−２７５２４７号公報 特開２００２−３５３０３０号公報
ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．ＭＡＧ−２０，Ｎｏ．５，ｐｐ．１８０４−１８０６
しかしながら、上記従来のインダクタのうち前者は薄型化するに伴って表面劣化層が総体積に占める割合が大きくなり、透磁率を始めとした特性が劣化するため低背の高インダクタンス素子が実現できなくなる。また後者は概して透磁率が低いために、高いインダクタンス値が得られにくい欠点があり、この欠点を補うために多量の磁性材料を用いるとインダクタなどの磁気素子の低背化には限界があった。このため、部品の高密度実装化による機器の小型化が困難になるという問題点を生じていた。
本発明は、上記のように低背の高インダクタンス素子を得にくいという従来の状況に鑑み、平面コイルにおいて高いインダクタンス値が効果的に得られる微粒子を用いることにより、低背化したインダクタなどの平面磁気素子を用いた電源ＩＣパッケージを実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明者らは特に平面コイルとの組合せにおいて高いインダクタンス値が得られるような磁性粒子の形状及び配置構造を鋭意研究し、実験によりそれらのファクターが磁気素子特性に及ぼす影響を確認した。その結果、長軸と短軸との長さの比（形状比）が所定範囲にある磁性微粒子を含有した磁性ペーストを平面コイル間に充填して薄膜インダクタを構成したときに、コイルに発生する磁界に対する透磁率を効果的に向上でき、インダクタンス値が向上した低背インダクタが初めて実現するという知見が得られた。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明に係る電源ＩＣパッケージは、第１磁性層と第２磁性層との間に平面コイルを配設した平面磁気素子を用いた電源ＩＣパッケージにおいて、長軸の長さをＬ、長軸に直交する短軸の長さをＳとしたときの形状比Ｓ／Ｌが０．７〜１である磁性粒子が上記平面コイルのコイル配線同士の隙間に充填されていると共に、上記平面コイルのコイル配線同士の隙間をＷμｍとしたときに、前記磁性粒子の平均粒径が（Ｗ／２）μｍ以下であり、上記平面コイルのコイル配線同士の隙間への前記磁性粒子の充填率が３０ｖｏｌ％以上６２ｖｏｌ％以下であり、上記磁性粒子の平均粒径が０．４６〜６０．３μｍである平面磁気素子を用いており、上記磁性粒子は、アモルファス合金、結晶軟磁性合金、フェライトの少なくとも１種から成り、上記第１磁性層と前記第２磁性層は、磁性粉末と樹脂との混合物から成ることを特徴とする。
上記平面磁気素子において、コイル配線同士の隙間に充填されている磁性粒子の形状比Ｓ／Ｌは、下記のように測定される。すなわち、平面磁気素子（インダクタ）の上下の磁性層（磁性シート）膜面と平行でかつ平面コイルを含む断面で切断したコイル間の領域で縦３００μｍ×横３００μｍの観察領域を任意に３箇所設定し、各観察領域に現れた各磁性粒子の断面において、最も長い対角線の長さを長軸長さとして測定する一方、この長軸と直交し、かつ長軸の中点と交差する短軸が磁性粒子によって切り取られる長さを磁性粒子の短軸長さとして測定する。そして、各観察領域で測定された短軸長さの平均値、長軸長さの平均値およびその形状比の平均値をそれぞれＳ，Ｌ，Ｓ／Ｌとする。
上記形状比Ｓ／Ｌが０．７未満と過小になると、コイル間に充填された磁性粒子はコイル導体配線方向と平行な方向に粒子の長手方向が配向しやすくなり、その結果コイル通電時に発生する磁界方向の反磁界が大きくなり実効透磁率が小さくなるのでインダクタンス値が低下し易くなる。したがって磁性粒子の形状比Ｓ／Ｌは、０．７以上で等方形状である形状比１以下の範囲とされる。この形状比の範囲内において平面磁気素子のインダクタンスを高くすることが可能になる。
なお、上記磁性粒子の形状比Ｓ／Ｌの範囲（０．７〜１）は平均値であるが、好ましくはコイル間に充填された各磁性粒子の形状比が絶対値で０．７〜１の範囲であることが好適である。
上記磁性粒子および磁性層を構成する磁性材料としては、特に限定されるものではなく飽和磁化が高く保持力が低く透磁率が高く、高周波での損失が少ない磁性材料であればよく、具体的には、センダスト、パーマロイまたはけい素鋼等の結晶軟磁性合金の他に、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｃｏ系アモルファス合金、Ｆｅ系アモルファス合金等の高透磁率金属が好適に使用できる。
前記平面コイルは、スパイラル形状ないしはつづれ折り状に形成したミアンダ型コイルのように、隣接する導体コイルが並走する形状の平面コイルであれば同様のインダクタンス増大効果を示す。上記平面コイルの厚さ（高さ）は１０〜２００μｍ程度に調整される。
また上記平面磁気素子において、前記平面コイルのコイル配線同士の隙間をＷμｍとしたときに、前記磁性粒子の平均粒径Ｄが（Ｗ／２）μｍ以下であることが好ましい。
上記磁性粒子の平均粒径Ｄは、形状比を測定する際に使用した短軸長さの平均値Ｓと、長軸長さの平均値Ｌとの平均値である。この平均粒径Ｄは、０．５μｍ未満では磁性粒子が過度に微細であり取扱いが難しい。具体的には、表面酸化層や表面劣化層を生じて磁気特性劣化や、熱振動による磁気特性劣化を発生し易い。また、ペーストとしたときに粒子が均一に混合されにくい等の難点がある。
一方、磁性粒子の平均粒径Ｄが（Ｗ／２）より大きいと、コイル間に磁性粒子が十分充填されにくくなり、インダクタンスが低下する恐れがある。磁性粒子の平均粒径Ｄは（Ｗ／３）μｍ以下であることが、より好ましい。
さらに上記平面磁気素子において、前記平面コイルのコイル配線同士の隙間への前記磁性粒子の充填率が３０ｖｏｌ％以上であることが好ましい。このコイル配線同士の隙間への磁性粒子の充填率が３０ｖｏｌ％未満と過少になると、平面磁気素子のインダクタンスが低下するため好ましくない。したがって、上記磁性粒子の充填率は３０ｖｏｌ％以上が好ましいが、さらに５０％以上が好ましい。
また上記平面磁気素子において、前記磁性粒子は、アモルファス合金、平均結晶粒径が２０μｍ以下の微細結晶合金、フェライトの少なくとも１種の磁性材料から成ることが好ましい。上記磁性材料から成る磁性粒子をコイル間隙に充填することにより、透磁率が高まり平面磁気素子のインダクタンス値を高めることができる。
さらに上記平面磁気素子において、前記第１磁性層（下面側磁性層）と前記第２磁性層（上面側磁性層）は、磁性粉末と樹脂との混合物から成ることが好ましい。上記磁性層を構成する磁性材料としては、特に限定されるものではなく飽和磁化が高く保持力が低く透磁率が高く、高周波での損失が少ない磁性材料であればよく、具体的には、センダスト、パーマロイまたはけい素鋼等の結晶軟磁性合金の他に、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｃｏ系アモルファス合金、Ｆｅ系アモルファス合金等の高透磁率金属が好適に使用できる。上記各磁性層の厚さは、５０〜４００μｍ程度に設定するとよい。
また上記平面磁気素子において、前記平面磁気素子の全厚さが０．５ｍｍ以下であることが好ましい。本発明では平面磁気素子とＩＣチップとを同一パッケージ内に収容し、より小型の回路部品を実現することを目的としておリ、半導体チップと同じ高さ以下でないとワンパッケージ化するメリットがなくなる。このため、平面磁気素子の厚さは高くても半導体素子ペレットの一般的な高さ０．６２５ｍｍ以下、望ましくは０．３ｍｍ以下が求められる。特に平面磁気素子の厚さを０．４ｍｍ程度以下にすることにより、後述の図７や図８に示すような積層タイプのワンパッケージ化が可能になる。
さらに上記平面磁気素子において、前記平面コイルは、金属粉末と樹脂との混合物から成ることが好ましい。金属粉末としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ，Ｓｎ，その他の導電粉末が用いられ、特に導電性および経済性の観点からＣｕ、Ａｇが好ましい。平面コイルは、上記金属粉末と樹脂と溶媒との混合物を所定パターンに塗布した後に自然乾燥したり、溶媒気化温度ないしはそれ以上の温度に加熱したり、還元等の反応含む加熱操作を実施したりしてコイルとして固化せしめて形成される。
平面コイル配線の幅、高さ（厚さ）、間隔（隙間）は、コイルの特性に影響を及ぼす要因であり、配線密度を高めて配線の幅及び厚さを可及的に大きく設定し、かつ配線の間隔は相互の絶縁性を保持する範囲で可及的に小さくすることが望ましい。具体的には、コイル配線の高さ（厚さ）は、２０μｍ以上、好ましくは４０μｍ以上が好ましい。薄いとコイル抵抗が大きくなり高い性能係数（Ｑ値：Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）が得られない。要求される性能に応じて可及的に厚くすることが好ましい。また前記のように、コイル配線の間隔は狭いほど良い。配線間隔が広いとデバイスサイズが増加し、またコイル長が長くなるためにコイル直流抵抗が大きくなり、性能係数（Ｑ値）が低下する。したがって、配線間隔は２００μｍ以下が好適である。
また上記平面磁気素子において、前記磁性粒子は樹脂バインダーを２質量％以下混合した磁性混合物であることが好ましい。磁性層を形成する磁性粒子に２質量％を超える樹脂バインダーが含有されていると磁性層の磁気特性が劣化しインダクタンスが低下する。したがって、バインダー含有量は２質量％以下に規定されるが、最終的に磁性層を形成した段階では樹脂バインダーをほぼ完全に揮散せしめて、実質的に磁性粒子のみが凝集して固化した磁性層を形成することが好ましい。
さらに上記平面磁気素子において、前記コイル配線同士の隙間に磁性粒子が充填されて磁性層が形成された後に、磁性層に樹脂バインダーが浸透した状態で乾燥されており、乾燥後の磁性層における樹脂バインダーの含有量が０〜２０質量％であることが好ましい。バインダーは非磁性物質であるために、磁性層形成後においては高インダクタンスを実現する観点から加熱処理してバインダー成分を飛ばして、磁性層に残留するバインダー量を可及的に低減することが望ましい。
上記のような平面磁気素子は、例えば次のような工程を経て製造される。すなわち，所定の形状比（Ｓ／Ｌ）および平均粒径Ｄを有する磁性粉末にビヒクルを混合してペーストを調製し、このペーストを用いて基板上に所定寸法の磁性シートを印刷し第１磁性層を調製する。
上記磁性パターン（第１磁性層）形成後に、ニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体、アクリル樹脂、ケトン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルブチラール、石油樹脂、ポリエステル、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、マレイン酸樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、シリコンポリマー（メチルシロキ酸、メチルフェニルシロキ酸）ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ビニルピロリドン、ポリエーテル、エポキシ樹脂、アリール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ダンマー、コパイバルサム等の有機物、ＳｉＯ２等の無機物等による絶縁層を形成しても良い。有機物に関しては絶縁性があれば、これに限定されるものではない。
その上に、例えばＡｇペーストやＣｕペースト等の導電金属ペーストを使用してスパイラル状またはミアンダ状にパターン化して平面コイルを印刷する。平面コイルはミアンダコイルのように隣接する導体コイル配線が並走する平面コイルであれば同様の効果を示す。なお、上記平面コイルは上記金属ペーストを印刷方法以外に、めっき法、導体金属薄の打抜き法、導体金属エッチング法、スパッタ法、蒸着法などの気相成長法など、低い体積抵抗率の平面コイルを実現できるものであれば特に限定されるものではない。
そして上記平面コイル形成後に、この平面コイルを被覆するように所定のパターン及び厚さで再度磁性シートを第２磁性層として印刷することにより、上記平面コイルが第１及び第２の磁性層によって被覆された平面磁気素子としての低背型インダクタが形成される。このとき、第２磁性層の磁性パターンには、コイル端子部に相当する部位に開口を設ける。
上記平面コイルの上下面に磁性層を形成する方法としては、磁性体の薄板を絶縁性接着剤で接着する方法、磁性粉末を樹脂中に分散した磁性体ペーストを塗布乾燥する方法，上記磁性体のめっきを施す方法などがあり、これらを組み合わせても良い。
本発明に係る電源ＩＣパッケージは、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装して形成される。特に上記電源ＩＣパッケージは、同一基板上に平面磁気素子とＩＣチップとを一体に実装したＩＣ一体型であることが、デバイスの小型化に有効である。また、複数の半導体チップと能動素子とを一体化しワンパッケージ化することも可能である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源機能を組み込んだパッケージとしても良いし、外付けでキャパシタ等を配置することにより、同様の電源機能を持たせることができる。
上記構成に係る平面磁気素子によれば、長軸長さ（Ｌ）と長軸に直交する短軸の長さ（Ｓ）の比である形状比Ｓ／Ｌが０．７〜１である磁性微粒子が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されているために、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した低背のインダクタとしての磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能であり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。
コイル形状としてスパイラル型を採用した場合における、本発明の一実施例に係る平面磁気素子の平面図。 図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図。 図２におけるＩＩＩ部の部分拡大断面図。 コイル形状としてミアンダ型を採用した場合における、本発明の一実施例に係る平面磁気素子の平面図。 図３に示す磁性粒子の寸法測定方法を示す断面図。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとを平面上に配置してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとを積層配置してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとをバンプ方式にて積層してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図。
以下に本発明の実施形態について添付図面および以下の実施例を参照して詳細に説明する。
［実施例１］
５．５ｗｔ％Ａｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ−Ｆｅの合金組成を有するセンダストの溶湯材料を水ガスアトマイズ法により処理して微細磁性粒子を調製した。すなわち、溶湯材料をるつぼから噴出させると同時に不活性ガス（Ａｒ）を吹き付けて分散させ、さらに分散粒子を水中に導入して急冷することにより実施例１用の磁性粒子を調製した。
上記のようにして得られた磁性粒子は平均粒径（体積で５０％）は２８μｍであり、この磁性粒子を、目開きが６３μｍメッシュの篩にかけることにより、６３μｍアンダーの磁性粒子のみを選択した。その結果、表１に示すような形状比Ｓ／Ｌおよび平均粒径Ｄを有する磁性粒子を調製した。さらに、１．４質量％のビヒクル（バインダー）を上記磁性粒子に混合してペーストを調製した。
次に、図１〜図３に示すように基体２として厚さ３００μｍのＳｉ基板の上面に、１００μｍ厚さのパターン化された１０ｍｍ×１０ｍｍの磁性シートを印刷し、第１磁性層３を形成した。
その第１磁性層３の上面に、図１に示すようにＡｇペーストをスパイラル状にパターン化して印刷し、平面コイル４を形成した。本実施例１においては、平面コイル４のコイル配線幅Ｂは３００μｍであり、コイル配線同士の隙間Ｗは１２５μｍであり、コイルの巻き数が８ターンであり、厚さｔが４０μｍである平面コイル４を作製した。
なお、図４に示すように、つづら折り状に形成したミアンダコイルのように隣接する導体コイルが並走する平面コイル４ａであれば同様の効果を示す。
上記平面コイル４を形成した後に、平面コイル部４における磁性層厚さが１００μｍとなるように再度磁性シートをパターン形成し、図２に示すような第２磁性層５を形成した。このとき、第２磁性層５には、平面コイル部４の端子６に相当する部位には開口を設けた。こうして図１〜図３に示すような平面磁気素子１を作成した。
この実施例１に係る平面磁気素子（インダクタ）１の上下の磁性層（磁性シート）３，５膜面と平行でかつ平面コイル４を含む断面で切断したコイル間の領域で縦３００μｍ×横３００μｍの観察領域を任意に３箇所設定し、各観察領域に現れた各磁性粒子７の断面において、図５に示すように最も長い対角線の長さを長軸長さＬとして測定する一方、この長軸と直交し、かつ長軸の中点と交差する短軸が磁性粒子７によって切り取られる長さを磁性粒子７の短軸長さＳとして測定し、その平均値からコイル間に充填された磁性粒子７の形状比および平均粒径を測定したところ表１に示す通りの値となった。
得られた平面磁気素子としてのインダクタの特性を表１に示す。
スパイラルコイルでは、偏平の磁性粒子をコイル配線同士の隙間に充填するとコイル配線方向に偏平磁性粒子の長軸方向が向き易くなり、コイル電流による励磁磁界方向が磁性粒子の短軸方向と一致するため、粒子形状による反磁界に起因する異方性が大きくなり透磁率低下およびインダクタンスの低下を招く。しかしながら、実施例１のように等方的な磁性粒子を使用した場合には、反磁界が等方的になり透磁率の低下を効果的に抑制できる。このために大きなインダクタンス値を有する磁気素子を得ることができた。また、磁性層および平面コイルを薄く形成できるので、高透磁率の材料を用いた磁気素子（インダクタ）は低背化できる。
特に実施例１においては、基体として使用するＳｉ基板をケミカルメカニカルエッチングにより６０μｍまで薄く研磨した結果、平面磁気素子１としてのインダクタの総厚Ｔは０．３ｍｍとなり、制御ＩＣや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップ８の厚さ以下となる。したがって、図６〜図８に示す様にスイッチングＩＣ等の半導体チップ８と平面磁気素子１とを一体化しパッケージングすることにより、インダクタ内蔵の低背ＩＣパッケージ１０，１０ａ、１０ｂが実現する。
図６に示すＩＣパッケージ１０は、パッケージ基板上の平面方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとを配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有し、図７に示すＩＣパッケージ１０ａは、パッケージ基板上の厚さ方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとを積層配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有し、図８に示すＩＣパッケージ１０ｂは、パッケージ基板上の厚さ方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとをバンプ接合方式により積層配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有している。
このような平面磁気素子としてのインダクタを含む低背パッケージによれば、例えばワンパッケージ化された小型のＤＣ−ＤＣコンバータＩＣや電源ＩＣパッケージを容易に実現できる。
なお、平面磁気素子を担持する基体２としてはＳｉ基板に限らず、ＳｉＯ２基板、酸化膜あるいは窒化膜を形成したＳｉ基板、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などを用いても良い。
［実施例２］
原子比率で（Ｃｏ０．９０−Ｆｅ０．０５−Ｍｎ０．０２−Ｎｂ０．０３）７１−Ｓｉ１５−Ｂ１４の合金組成を有する溶湯材料を、水ガスアトマイズ法に準拠してるつぼから噴出させ、同時に不活性ガスを溶湯材料に吹き付け分散せしめ、分散した粒子を更に水中に投入することにより急冷し、アモルファス磁性粒子を作製した。
この様にして得られた磁性粒子は平均粒径（体積で５０％）が１４μｍであり、この磁性粒子を、目開きが３２μｍメッシュの篩をかけることにより、粒径が３２μｍアンダーの磁性粒子のみを選択した。その後、０．９質量％のビヒクル（バインダー）を磁性粒子に混合しペーストを作製し、Ｓｉ基板上に１００μｍ厚さのパターン化された１０ｍｍ×１０ｍｍの磁性シートを第１磁性層３として印刷した。
磁性パターン（第１磁性層３）形成後に、ポリイミドを塗布・イミド化させることにより、厚さ４μｍの絶縁層を形成した。なお、その他の絶縁材料として、クロロプレインゴム系、二トリルゴム系、ポリサルファイド系、ブタジエンゴム系、ＳＢＲ系、シリコーンゴム系等のエラストマー系、酢酸ビニル系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、塩化ビニル系、ポリスチレン系等の熱可塑性を中心とした樹脂系等の有機物、ＳｉＯ２等の無機物等による絶縁層を使用することも可能である。
その上に、Ｃｕペーストをスパイラル状にパターン化して図１に示すような平面コイル４を印刷した。本実施例２においては、コイル配線幅Ｂが３００μｍであり、コイル配線同士の隙間Ｗが１００μｍであり、コイル巻き数が９ターンであり、厚さ５μｍの下地コイルパターンを作製した。さらに、この下地コイルパターンの表面に無電解めっき法により３０μｍ厚さのＣｕめっき層を積層し、総厚３５μｍであるＣｕ平面コイル４を形成した。なお、上記めっき処理は、電解めっき法により実施しても良い。
コイルパターン形成後に、ニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体、アクリル樹脂、ケトン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルブチラール、石油樹脂、ポリエステル、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、マレイン酸樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、シリコンポリマー（メチルシロキ酸、メチルフェニルシロキ酸）ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ビニルピロリドン、ポリエーテル、エポキシ樹脂、アリール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ダンマー、コパイバルサム等の有機物、ＳｉＯ２等の無機物等による絶縁層を使用することも可能である。上記平面コイル形成後に再度磁性シートを、平面コイル部における磁性層５の厚さが１００μｍとなる様にパターン形成し第２磁性層５を形成した。このとき、第２磁性層５には、平面コイル４の端子６に相当する部位に開口を設けた。このようにして実施例２に係る平面磁気素子としてのインダクタを調製した。
得られたインダクタの特性を表１に示す。
実施例２のように等方的な磁性粒子を平面コイルの配線同士の隙間に充填した場合には、反磁界が等方的になり透磁率の低下を効果的に抑制できる。このために大きなインダクタンス値を有する磁気素子が得られた。
［実施例３〜１１］
実施例１で使用したセンダスト、実施例２で使用したＣｏ系アモルファス合金、組成がＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４（モル比）であるフェライト合金を粉砕、篩い分けすることにより、それぞれ表１に示す形状比および平均粒径を有する磁性粒子を調製した。得られた各磁性粒子に表１に示す含有量となるように所定量のバインダーを混合してそれぞれ磁性材料ペーストを調製した。
次に実施例１で使用したＳｉ基板上に、上記磁性材料ペーストを使用して所定厚さの第１磁性層３を形成した後に表１に示すコイル間間隙ＷとなるようにＡｇペーストで平面コイルを形成し、さらに再度上記磁性材料ペーストを使用して所定厚さの第２磁性層を形成することにより、各実施例３〜１１に係る平面磁気素子としてのインダクタを調製した。
なお、実施例３、５では磁性粒子の粒径が粗大なものを使用している一方、実施例４では粒径が極微細な磁性粒子を使用した。実施例６では磁性層における磁性体の占有率を低下させた例である。また、実施例７ではＣｏ系アモルファス合金製磁性粒子を使用し、実施例８ではフェライト合金製磁性粒子を使用した。実施例９では２層のＡｇ印刷層から成る厚さ８０μｍの平面コイルを使用した。実施例１０では第１および第２の磁性層の厚さをそれぞれ２００μｍとして厚く形成した。実施例１１では両磁性層の厚さをそれぞれ２００μｍとして厚く形成すると共に、２層のＡｇ印刷層から成る厚さ８０μｍの平面コイルを使用した。
得られた各インダクタの特性を表１に示す。
［実施例１２］
実施例１と同様に水アトマイズ法にしたがって、センダスト溶湯を分散冷却処理して磁性粒子を作製した。この様にして得られた磁性粒子は平均粒径（体積で５０％）が２８μｍであった。さらに目開きが６３μｍの篩をかけることにより、６３μｍアンダーの微粒子のみを選択した。その後有機バインダーの含有量が１．４質量％となるように磁性粒子に対して添加し混合して磁性材料ペーストを作製した。次に、この磁性材料ペーストを用い、実施例１で使用したＳｉ基板上に１００μｍ厚さのパターン化された１０ｍｍ×１０ｍｍの磁性シートを印刷し、１００℃で３０分間乾燥し、１５０℃で６０分間焼成することにより第１磁性層３を形成した。
なお、上記有機バインダーとしては、ニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体、アクリル樹脂、ケトン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルブチラール、石油樹脂、ポリエステル、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、マレイン酸樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、シリコンポリマー（メチルシロキ酸、メチルフェニルシロキ酸）ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ビニルピロリドン、ポリエーテル、エポキシ樹脂、アリール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ダンマー、コパイバルサム等の有機物を用いることができる。有機物については絶縁性があれば、これに限定されるものではない。
次に、上記第１磁性層３の上面に、Ａｇペーストをスパイラル状にパターン化して印刷した。本実施例１２においては、コイルの配線幅Ｂが３００μｍであり、コイル配線同士の隙間Ｗが１２５μｍであり、コイルの巻き数が８ターンであり、コイル配線の厚さが４０μｍである平面コイル４を作製した。
次に上記平面コイル４を覆うように、再度磁性材料ペーストを印刷し、平面コイル４部における磁性層の厚さが１００μｍとなるように磁性シートパターンを形成し、第２磁性層５を形成した。このとき、磁性パターンには、コイル４の端子６に相当する部位に開口を設けた。これによりインダクタの厚さＨが２４０μｍであり、Ｓｉ基板２込みの厚さＴが３００μｍである平面磁気素子を作成した。
その後、エチルセルロースをＢＣＡ（ブチルカルビトールアセテート）に溶解した溶液中に、上記のようにしてインダクタを印刷したＳｉ基板（基材）ごとディップした。１０分間放置後、基材ごと取り出し、乾燥させることにより、脆性を低減した実施例１２に係る平面磁気素子を調製した。
このインダクタをディップする溶液は、樹脂成分としてのニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体、アクリル樹脂、ケトン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルブチラール、石油樹脂、ポリエステル、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、マレイン酸樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、シリコンポリマー（メチルシロキ酸、メチルフェニルシロキ酸）ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ビニルピロリドン、ポリエーテル、エポキシ樹脂、アリール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ダンマー、コパイバルサム等の有機物と、これらを溶解するか、あるいは均一に分散する溶媒とから成る溶液であれば何ら限定されるものではない。
得られたインダクタの特性およびハンドリング時のひび割れ、はがれ状態を表１に示す。
また、ディッピングすることによって、十分に近接した磁性微粒子の間に有機バインダーを充填することができ、微粒子同士の脆い結合でなく、強固な接着剤が空隙に存在する接合構造になるため、十分な剛性と取扱い性とを実現する柔軟性をインダクタに付与することができ、磁性層のひび割れや剥がれなどが発生せず、かつ低背化が可能となった。
本実施例１２のように高透磁率の磁性材料粒子を用いたインダクタは低背化が可能である。特に本実施例１２においては、インダクタは総厚０．３ｍｍとなり、スイッチングＩＣ等の半導体チップと同等の厚さとなるので、これらの半導体チップと一体化しパッケージングすることにより、図６〜図８に示すようなインダクタ内蔵のＩＣパッケージを実現できる。例えば、上記インダクタによりワンパッケージ化された低背のＤＣ−ＤＣコンバータＩＣパッケージを実現できる。
［実施例１３］
基体としてのＳｉ基板の代わりに厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを使用し、表１に示す形状比および平均粒径を有する磁性粒子を使用し、さらに最後に実施例１２と同様のディップ処理を実施した点以外は実施例１と同様に処理することにより実施例１３に係る平面磁気素子としてのインダクタを調製した。
［実施例１４］
表１に示す形状比および平均粒径を有するセンダスト磁性粒子を使用し、基体としてのＳｉ基板の代わりに厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを使用した点以外は実施例１と同様に処理することによりインダクタを調製した。その後、エチルセルロースをＢＣＡ（ブチルカルビトールアセテート）に溶解した溶液を上記のようにして形成したインダクタに対し、外部端子部分をマスク等で被覆した状態で吹き付け塗布した後、乾燥させることにより、脆性を低下させた実施例１４に係る平面磁気素子を調製した。
このインダクタに噴霧する溶液は、樹脂成分としてのニトロセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体、アクリル樹脂、ケトン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルブチラール、石油樹脂、ポリエステル、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、マレイン酸樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、シリコンポリマー（メチルシロキ酸、メチルフェニルシロキ酸）ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ビニルピロリドン、ポリエーテル、エポキシ樹脂、アリール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド、ロジン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ダンマー、コパイバルサム等の有機物と、これらを溶解する、あるいは均一に分散する溶媒とから成る溶液であれば、特に限定されるものではない。また、吹き付け以外に印刷することで磁性表面から浸透させる方法によって磁性微粒子の間に有機バインダーを充填してもよい。
得られた平面磁気素子としてのインダクタの特性およびハンドリング時のひび割れ、はがれ状態を表１に示す。
［実施例１５］
原子比で（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０５Ｍｎ０．０２Ｎｂ０．０３）７１−Ｓｉ１５−Ｂ１４成る合金組成を有する溶湯材料を、るつぼから噴出し同時に不活性ガスを吹き付け、更に水中に投入する水ガスアトマイズ法で急冷することにより、表１に示す形状比および平均粒径を有するアモルファス磁性粒子を作製した。
このようにして得られた磁性粒子は平均粒径（体積で５０％）が１４μｍであった。この磁性粒子を、目開きが３２μｍの篩にかけることにより、３２μｍアンダーの微細な磁性粒子のみを選択した。その後、セルロース系有機バインダーの含有量が０．９質量％となるように磁性粒子と混合しペーストを作製した。次に、このペーストを使用して厚さ６０μｍのＳｉ基板２上に１００μｍ厚さのパターン化された１０ｍｍ×１０ｍｍの磁性シートを第１磁性層３として印刷した。
次に、実施例２で形成しためっきコイルに代えて厚さ３０μｍの銅箔を型で打ち抜いて形成され実施例２の打ち抜きコイルとで同一の寸法および形状を有するＣｕ箔平面コイルを、上記第１磁性層３表面に貼り付けた以降は実施例２と同様にコイル４表面に第２磁性層を形成することにより実施例１５に係る平面磁気素子を調製した。
［比較例１］
実施例１で使用したセンダストを粉砕することにより、長軸と長軸（Ｌｃ）に直交する短軸の長さ（Ｓｃ）の比Ｓｃ／Ｌｃが０．４である偏平な磁性粒子を作製した。この磁性粒子を目開きが６３μｍである篩にかけることにより、６３μｍアンダーの微細な磁性粒子のみを選択した。それ以外は実施例１と同様に処理することにより、作製したものを比較例１に係る平面磁気素子を調製した。
［比較例２］
原子比で（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０５Ｍｎ０．０２Ｎｂ０．０３）７１−Ｓｉ１５−Ｂ１４成る組成を有するアモルファス磁性粒子を、目開きが３２μｍである篩にかけることにより、３２μｍ以下の微細な磁性粒子のみを選択した。それ以外は実施例２と同様に処理して比較例２に係る平面磁気素子を調製した。
［実施例１６］
表１に示すように長軸長さ（Ｌ）および短軸長さ（Ｓ）が共に極めて微細なセンダスト磁性粒子を使用した点以外は実施例１と同様に処理して実施例１６に係る平面磁気素子を調製した。
［実施例１７］
表１に示すように長軸長さ（Ｌ）および短軸長さ（Ｓ）が共に大きい粗大なセンダスト磁性粒子を使用した点以外は実施例１と同様に処理して実施例１７に係る平面磁気素子を調製した。
［参考例１８］
表１に示すように磁性粒子中に含有される有機バインダーの含有量を高めて磁性層における磁性体の占有率を低下させた点以外は実施例１と同様に処理して参考例１８に係る平面磁気素子を調製した。
［実施例１９］
表１に示すような形状比および平均粒径を有する磁性粒子を使用した点および最後にディップ処理を実施しない点以外は実施例１３と同様に処理して実施例１９に係る平面磁気素子を調製した。
上記のように調製された各実施例および比較例に係る平面磁気素子としてのインダクタのインダクタンス特性，直流抵抗、性能係数（Ｑ値）およびハンドリング性（ひび割れ、はがれ状態）を測定した結果を表１に示す。
ここで表１においてインダクタ厚さＨとは、図３に示すように平面磁気素子１の第１磁性層３下端から第２磁性層上端までの距離をいう。
また磁性粒子の形状比Ｓ／Ｌは下記のように測定される。すなわち、インダクタ磁性層３，５の膜面と平行でかつ平面コイル４を含む断面組織においてコイル間の領域３００μｍ×３００μｍを任意に３箇所観察し、各磁性粒子の断面において、最も長い対角線を長軸長さとし、長軸と直交し、かつ長軸の中点と交わる線分における粒子の長さを短軸長さとし、該観察領域において得られた短軸長さの平均値、長軸長さの平均値およびその比の平均値をそれぞれＳ，Ｌ，Ｓ／Ｌとする。また、観察領域内の各磁性粒子の短軸と長軸との算術平均を平均粒径とする。
なお、各平面磁気素子の評価項目の測定方法は下記の通りである。すなわち、各平面磁気素子のインダクタンスは、インピーダンスアナライザを使用し、その励磁電圧を０．５Ｖとし、測定周波数を１０ＭＨｚとした条件で測定した。さらに、直流抵抗はテスタを使用して測定した。同様に、平面コイルの性質係数Ｑ（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）は、インピーダンスアナライザを使用し、その励磁電圧を０．５Ｖとし、測定周波数を１０ＭＨｚとした条件で測定した。また、ハンドリング特性は、各インダクタ作成の全工程終了時に、磁性層の箇所において破損等を生じ不良品になったものの割合が５％未満である場合を◎と評価し、８％未満である場合を○と評価し、７％未満△と評価し、１０％以上×と評価した。評価測定結果を下記表１に示す。
Figure 0005661824
上記表１に示す結果から明らかなように、長軸長さ（Ｌ）と長軸に直交する短軸の長さ（Ｓ）の比である形状比Ｓ／Ｌが０．７〜１である磁性微粒子が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されている各実施例に係る平面磁気素子によれば、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した低背のインダクタとしての平面磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能になり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。
特にスパイラルコイルを配置した平面磁気素子では、形状比が所定範囲の微細な磁性粒子を極少量の有機バインダーでペースト化してコイル配線間に充填した場合、微細な磁性粒子同士を有機物のような絶縁体で覆うことがなく、磁性粒子同士を最も近接した状態にすることが可能であり、透磁率の低下を抑制できる。このため、特に大きなインダクタンス値を得ることができる。
また、実施例１２〜１３のようにディッピング処理を実施することによって、十分に近接した磁性微粒子の間に有機バインダーを充填することが可能になり、微粒子同士の脆い結合でなく、強固な接着剤が空隙に存在することになるため、十分な剛性と取扱い上問題のない柔軟性とをインダクタに付与することができ、また磁性層のひび割れや剥がれなどが発生せず、かつ低背化が可能となる。
一方、コイル配線間に充填する磁性粒子の形状比（Ｓ／Ｌ）が規定範囲外であると、いずれの磁性材料を使用してもインダクタンスが低くなることが再確認された。
上記本発明に係る平面磁気素子によれば、長軸長さ（Ｌ）と長軸に直交する短軸の長さ（Ｓ）の比である形状比Ｓ／Ｌが０．７〜１である磁性微粒子が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されているために、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した低背のインダクタとしての磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能であり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。
１，１ａ…平面磁気素子（インダクタ）、２…基体、３…第１磁性層(磁性層、磁性シート)、４，４ａ…平面コイル、５…第２磁性層(磁性層、磁性シート)、６…端子、７…磁性粒子、８…半導体チップ、９…リードフレーム、１０，１０ａ，１０ｂ…低背ＩＣパッケージ、Ｗ…コイル配線同士の隙間、Ｂ…コイル配線幅、Ｄ…磁性粒子の平均粒径、ｔ…コイル配線の高さ（厚さ）、Ｈ…平面磁気素子（インダクタ）の全厚さ、Ｔ…平面磁気素子（インダクタ）の基板込みの全厚さ。

Claims (4)

  1. 第１磁性層と第２磁性層との間に平面コイルを配設した平面磁気素子を用いた電源ＩＣパッケージにおいて、長軸の長さをＬ、長軸に直交する短軸の長さをＳとしたときの形状比Ｓ／Ｌが０．７〜１である磁性粒子が上記平面コイルのコイル配線同士の隙間に充填されていると共に、上記平面コイルのコイル配線同士の隙間をＷμｍとしたときに、前記磁性粒子の平均粒径が（Ｗ／２）μｍ以下であり、上記平面コイルのコイル配線同士の隙間への前記磁性粒子の充填率が３０ｖｏｌ％以上６２ｖｏｌ％以下であり、上記磁性粒子の平均粒径が０．４６〜６０．３μｍである平面磁気素子を用いており、上記磁性粒子は、アモルファス合金、結晶軟磁性合金、フェライトの少なくとも１種から成り、上記第１磁性層と前記第２磁性層は、磁性粉末と樹脂との混合物から成ることを特徴とする電源ＩＣパッケージ。
  2. 平面磁気素子の厚さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電源ＩＣパッケージ。
  3. 前記平面コイルは、金属粉末と樹脂との混合物から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源ＩＣパッケージ。
  4. ＩＣ一体型であることを特徴とする請求項１に記載の電源ＩＣパッケージ。
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