JPH0677411A - モノリシック電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小形、軽量化が進む装置に採用されているモ
ノリシック電源装置の製造工程を短縮して、製造コスト
の低減を図ると同時に、信頼性の高いモノリシック電源
装置を実現する。 【構成】 モノリシック電源装置を、微細化の容易なス
イッチングトランジスタ２１等の制御系素子が形成され
たチップ９と、微細化の不要な薄膜トランス２５等が形
成されたチップ１０とを、セルフアジャスト可能なバン
プ電極５２を介して貼り合わせることにより構成する。
従って、不必要な微細プロセスによる薄膜トランスの製
造工程を改善でき、また、小サイズのチップとこれらの
チップの良好な接続を確保できるため、製造コストの低
減を図りながら信頼性の高いモノリシック電源装置を実
現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板、絶縁体基
板等に形成されるモノリシック電源装置の構成に関する
ものであり、特に、２チップからなるモノリシック電源
装置の構成および接続方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、装置の小形、軽量化が進み、電源
装置に関しても小形軽量化が図られている。この小形化
された電源装置として、ダイオード、平滑コンデンサ、
コイル、トランス、スイッチングトランジスタ、電源制
御回路などの素子を同一基板上に配置したモノリシック
電源装置がある。図５に従来のモノリシック電源装置を
示してある。このモノリシック電源装置２０は、ｎ型シ
リコンの半導体基板１を用いて形成されているものであ
り、半導体基板１の表面近傍にスイッチング用のトラン
ジスタ２１、ダイオード２２、２３、さらに、コンデン
サ２４を構成するための拡散層が形成されている。そし
て、これらの拡散層の表面には酸化膜２を介してゲート
電極４等の多結晶シリコン製の電極３、５が、公知のＣ
ＶＤおよびフォトエッチング等の技術により形成されて
いる。電極３は、薄膜トランス２５の１次側コイル６の
一方の電極の取り出し部であり、また、電極５は、コン
デンサ２４の一方の電極である。酸化膜２の上には、層
間絶縁膜を介して第１層目金属配線３１が配置され、こ
の第１層目金属配線３１により、スイッチングトランジ
スタ２１、ダイオード２２等を構成する拡散層が接続さ
れ、種々の回路が構成されている。もちろん、回路を構
成する素子としては、図５に示すスイッチングトランジ
スタ２１等に限られず、抵抗、ＣＭＯＳ、バイポーラト
ランジスタなども構成可能であり、これらの素子により
基板１の主面に平面的に広がった回路が形成される。１
層目金属配線３１の上には、さらに、層間絶縁膜を介し
て２層目金属配線３２が形成され、薄膜トランス２５の
２次側コイル７が形成されている。また、この２層目金
属配線層３２の上に層間絶縁膜を介して３層目金属配線
３３が形成され、これにより、２次側コイル７の一方の
電極の取り出し部８が形成されている。従って、図５に
示すモノリシック電源装置２０は、半導体基板１の上
に、制御回路等を構成するトランジスタ２１等の素子
と、電力回路を構成する薄膜トランス２５等の素子が１
つとなって形成され、１チップ化された小形軽量のモノ
リシック電源装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなモノリシッ
ク電源装置は、トランスやその他の素子をハイブリッド
化した従来の電源装置と比較し、大幅な小形軽量化を図
ることができる。しかしながら、電源装置としては小形
化されるが、１チップに形成される素子数、あるいは素
子の占める面積が大きくなる。このため、チップサイズ
は必然的に大きくなり、大口径基板を用いる必要がある
ため、歩留りが低下し、良品率の向上を図ることが困難
となる。また、大口径基板を用いるための設備を導入す
る必要があり、大口径基板をハンドリングする必要があ
ることから工数も増加する。

【０００４】また、薄膜トランス等の電力系素子も半導
体基板上に形成するため、微細プロセスで形成する必要
のないダイオード、平滑コンデンサ、コイル、トランス
等の電力系素子をスイッチングトランジスタ等と同様に
微細プロセスで形成する必要がある。従って、製造プロ
セスが複雑となり、モノリシック電源装置の製造工程は
非常に多い。このように、従来のモノリシック電源装置
は小形化が可能であるが、製造効率が低く、製造コスト
が高いものであった。

【０００５】そこで、本発明においては、上記の問題点
に鑑みて、廉価で効率良く製造可能なモノリシック電源
装置を供給するために、複数の基板を用いて、微細化の
不要なものは微細プロセスを用いずに形成し、これらの
基板を精度良く接続可能なモノリシック電源装置を実現
することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明においては、微細化する基板と、微細化し
ない基板とからモノリシック電源装置を構成するように
している。すなわち、本発明に係る微細化可能な制御系
素子と、微細化不要な電力系素子とを有するモノリシッ
ク電源装置においては、制御系素子が主面上に形成され
た第１の基板と、電力系素子が主面上に形成された第２
の基板とを有し、制御系素子からなる制御回路と電力系
素子からなる電力回路とが第１の基板と第２の基板とに
形成された接続手段により接続されていることを特徴と
している。

【０００７】この接続手段としては、第１および第２の
基板内に、電極等の複数組の接続端の各々が対峙するよ
うに分散された分散型接続手段を採用することが望まし
く、この分散型接続手段の１つとして、接続端が第１お
よび第２の基板の対角線に沿って配置された十字型接続
手段を採用することが有効である。

【０００８】また、接続手段は、少なくとも１組の第１
および第２の基板のいずれか一方に形成されたバンプ電
極と、他方に形成されたこのバンプ電極の先端径より若
干径の大きな凹みを具備する接続電極とを備えているこ
とが望ましい。また、主面から突出した接続用電極と、
第１および第２の基板に挟まれた圧着導電性ポリマーと
を備えた接続手段も有効である。

【０００９】

【作用】上記のように、スイッチングトランジスタ等の
微細化可能な制御系素子を微細化して作り込む第１の基
板と、微細化の不要な薄膜トランス等の電力系素子を微
細化プロセスを踏まずに作り込む第２の基板と分けてモ
ノリシック電源装置を形成することにより、薄膜トラン
ス等を制御系素子と同様の微細化のための製造プロセス
で製造する必要がなくなる。従って、薄膜トランス等を
製造するプロセスの簡易化を図ることができ、全体とし
て製造工程を、その基板に形成される素子に対応して効
率化できるため、製造コストの削減を図ることができ
る。

【００１０】また、従来のモノリシック電源装置におい
ては、１つの基板上に電力系および制御系の素子を構成
していたため、大きな基板が必要であったが、本発明の
モノリシック電源装置においては、第１の基板および第
２の基板のサイズを削減できるため、大口径の基板は不
要となる。この面からも設備の増加、工程の増加を抑制
でき、製造コストの削減を図ることができる。また、微
細化しずらい薄膜トランスを含めて制御系の回路をデザ
インする必要がないので、回路のデザインの最適化も図
られる。さらに、基板のサイズを低減できるため大口径
の基板を用いる必要がなくなり、歩留りを高く設定で
き、良品率の向上も図られる。

【００１１】これらの基板を接続する手段として分散型
接続手段を採用することにより、基板同士を貼り合わせ
る力を平面的に分散でき、接続手段に係る力が平均化さ
れるため信頼性の高い接続を得ることができる。また、
接続用の電極を１点に集中させた場合に問題となるであ
ろう集中応力の発生が抑制可能であり、基板自体に発生
する応力を抑制できる。このような分散型接続手段とし
ては、幾何学的にバランスが良く、配置し易い十字型接
続手段を用いることができる。

【００１２】また、接続手段としてバンプ電極と、この
バンプ電極の先端径より若干径の大きな凹みを具備する
接続電極との組合せを用いると、第１および第２の基板
を貼り合わせる際に、バンプ電極の先端が接続電極の凹
みに誘導される。このため、接続手段が自主的に適当な
位置となるセルフアジャストが可能となり、精度の良い
接続を簡単に得ることができる。

【００１３】さらに、圧着導電性ポリマーを第１および
第２の基板に挟みこみ、突出した接続用電極を用いて圧
縮することによっても、簡単に信頼性の高い接続を得る
ことができる。

【００１４】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１５】図１に、本発明の実施例に係るモノリシッ
ク電源装置の構成を示してある。本モノリシック電源装
置は、微細化が行なわれるスイッチングトランジスタ２
１、ダイオード２２等の素子が形成されたチップ９と、
微細化を行なう必要のない薄膜トランス２５、平滑コン
デンサ２６等の素子が形成されたチップ１０の２つのチ
ップが、それぞれ素子の形成された主面９ａおよび１０
ａを対峙するように貼り合わされて構成されている。

【００１６】チップ９には、本モノリシック電源装置の
制御回路等を形成する制御系素子であるスイッチングト
ランジスタ２１、ダイオード２２等が微細プロセスを用
いて形成されている。すなわち、スイッチングトランジ
スタ２１においては、ｐ型半導体基板４１の表面に、ｐ
⁺ 型のウェル層４２が形成され、その中にｎ⁺ 型のソー
ス層４３とｐ⁺ 型のコンタクト層４４が形成されてい
る。そして、ウェル層４２から少し離れてｎ型のオフセ
ット層４４、さらにオフセット層４４内にｎ⁺ 型のドレ
イン層４５が形成されている。ソース層４３からオフセ
ット層４４にかけてゲート電極４６が設置され、ソース
層４３、コンタクト層４４、さらにドレイン層４６には
１層目金属配線３１を用いて配線が施されている。ま
た、ダイオード２２はｐ⁺ 型のアノード層４７とそれか
ら多少離れて形成されたｎ型のオフセット層４８、さら
にオフセット層４８内に形成されたｎ⁺ 型のカソード層
４９から構成されており、スイッチングトランジスタ２
１と同様に１層目金属配線３１を用いて配線が施されて
いる。さらに、チップ９の表面には、これらの配線等と
接続された接続電極５１が形成されている。本例のチッ
プ９上には、従来のモノリシック電源装置と異なり、薄
膜トランスは形成されておらず、従来から微細プロセス
により製造されるスイッチングトランジスタ２１等の論
理素子のみが形成されている。従って、従来の半導体集
積回路を製造すると同様の微細プロセスの製造工程が適
用可能であり、製造工程の最適化を図ることができる。
また、金属配線層も従来のモノリシック電源装置が３層
程度必要であったのと比較し、本例のモノリシック電源
装置においては、１層で良い。従って、チップ９の製造
工程は従来のモノリシック電源装置の工程と比較し、大
幅に短縮できる。

【００１７】チップ１０には、電力回路等を形成する電
力系素子である薄膜トランス２５および平滑コンデンサ
２６等が形成されている。すなわち、１層目金属配線３
１を用いて一次側コイル６が形成され、２層目金属配線
３２を用いて２次側コイル７が形成されている。さら
に、３層目金属配線３３を用いてそれぞれのコイル６、
７に接続される電極と、平滑コンデンサ２６の一方の電
極２６ａが形成されている。電極２６ａと絶縁層を挟ん
で、平滑コンデンサ２６の他方の電極２６ｂが４層目金
属配線３４を用いて構成され、さらに、これらの電力系
素子と接続されたバンプ電極５２が４層目金属配線３４
の表面側に形成されている。薄膜トランス２５のコイル
６、７用の配線幅は通常数十μｍ以上であり、これらの
コイル６、７を形成するために、微細プロセスを適用す
る必要はない。また、平滑コンデンサ２６の電極に必要
な配線幅も同程度であり、これらを製造する際には微細
プロセスを用いない方が製造効率が上昇する。従って、
スイッチングトランジスタ等を含まないチップ１０の製
造には微細プロセスを用いる必要がなく、従来のモノリ
シック電源装置と比較し、製造が容易となり、製造工程
の簡略化、製造コストの低減が可能となる。なお、本例
においては、バンプ電極５２とトランス２５の一方の極
とを接続するために、半導体基板４１に形成された拡散
層５０を用いているが、チップ１０を半導体基板４１で
はなく単なる絶縁体基板により製造することもできる。

【００１８】図２に、本例のモノリシック電源装置を構
成するチップ１０の表面に形成されたバンプ電極５２の
配置を示してある。本例のチップ９および１０の表面の
バンプ電極５２および接続電極５１は、チップ１０また
は９の対角線５５ａ、ｂに沿って十字型に並べられてい
る。本例の電源装置のように２枚のチップを貼り合わせ
る場合は、チップ１０と９との隙間を一定に保ってそれ
ぞれのバンプ電極５２と接続電極５１とを均等な圧力で
接続することが望ましい。従って、本例の装置において
はバンプ電極５２を平面的に分散して配置することによ
り、バンプ電極５２と接続電極５１自身で一定の隙間を
確保し、結果としてそれぞれのバンプ電極５２と接続電
極５１とが均等な圧力で接続可能としている。これによ
り、チップ１０および９に貼り合わされた際にチップ
９、１０に発生する不均等な歪み、たわみも抑制でき、
電源装置としての構造上の信頼性の向上も図ることがで
きる。また、本例の電源装置のようなチップ１０および
９の対角線に沿って十字型に配置された電極５２、５１
は、上下左右のバランスをとることができ、製造時の電
極配置のばらつきを抑制することも容易である。このた
め、本例の電源装置においては、それぞれのチップ９、
１０の対角線を合わせることにより電極の位置合わせが
比較的容易であり、さらに、電極配置の精度が高いこと
から貼り合わせ時の精度が向上され、電源装置の信頼性
を高めることができる。

【００１９】図３に、本例の電源装置のバンプ電極５２
および接続電極５１の構造を示してある。バンプ電極５
２は、チップ１０の表面に形成された直径略２０μｍ、
高さ略１０μｍの半球状の電極である。一方、接続電極
５１は、チップ９の表面に形成された平面状の電極であ
り、その中心に幅略５μｍで方形の凹み５３を備え、そ
の周囲は窒化膜５４により覆われている。このため、チ
ップ１０および９が貼り合わせる際の位置合わせ時にお
いて、凹み５３の近傍に位置したバンプ電極５２の先端
５２ａは、凹み５３より幅が狭いため自主的に凹み５３
に導かれ、凹み５３に固定される。このように、本例の
バンプ電極５２および接続電極５１の組合せはセルフア
ジャスト可能な接続端であり、貼り合わせの際に多少位
置がずれていても自主的に位置合わせが行なわれ、信頼
性の高い接続を得ることができる。

【００２０】図４に、他の接続手段をバンプ電極と接続
電極に代わる他の接続手段を示してある。図４に示す接
続手段は、ぞれぞれのチップ９および１０の表面に突出
した接続用電極５６ａ、ｂと、チップ９および１０に挟
み込まれた圧着導電性ポリマ５７とにより構成されてい
る。この圧着導電性ポリマ５７は圧力をかけるとポリマ
内部の導電性物質が連接され、導通が確保されるもので
ある。従って、例えば高さ３μｍ程度で、幅が〜１０μ
ｍ程度の接続用電極５６ａ、ｂを用いてこの間の圧着導
電性ポリマ５７を圧縮すると接続用電極５６ａ、ｂの間
の導通が確保される。一方、接続用電極５６ａ、ｂから
外れた圧着導電性ポリマには圧縮されないため導通は発
生しない。このような組合せの接続端においては、チッ
プ９および１０の貼り合わせ精度が数μｍ程度でも、相
互の接続用電極５６ａ、ｂの重なった部分があれば、圧
着導電性ポリマ５７が圧縮されるので導通が確保でき
る。

【００２１】このように、圧着導電性ポリマ５７を用い
ることにより、貼り合わせ精度が多少低い場合であって
も、信頼性の高い接続を得ることができる。

【００２２】このように、本例のモノリシック電源装置
は、微細化が容易で、微細化することが装置の面積、電
源消費等のメリットをもたらす制御系の素子を第１の基
板であるチップ９に形成している。一方、微細化を行な
うには製造工程、製造コスト的にディメリットが大き
く、性能的なメリットの薄い電力系の素子を第２の基板
であるチップ１０に分けて形成している。従って、チッ
プ９は微細プロセスを用いて効率良く、小形化を図るこ
とが可能となり、一方、チップ１０は微細プロセスを用
いることなく、製造工程の短縮、製造コストの低減を図
ることができる。

【００２３】すなわち、本例のモノリシック電源装置
は、微細化の要否に着目してチップを分離することによ
り、効率的な製造工程を選択可能とし、製造コストの低
減を実現している。

【００２４】さらに、本例のモノリシック電源装置にお
いては、チップ９およびチップ１０の各々に搭載される
素子の数が削減されるため、チップ９および１０個々と
しては従来のモノリシック電源装置に必要とされた大口
径のチップを用いる必要はない。従って、大口径のチッ
プを製造するための設備投資等も不要であり、一層製造
コストの低減を図ることができる。さらに、モノリシッ
ク電源装置を構成するチップサイズが小さくて済むこと
から、チップの歩留りも改善でき、小形、低価格であり
ながら信頼性の高い電源装置を実現することができる。

【００２５】また、十字型等の平面的に分散された電極
配置を用いることにより、２枚のチップを貼り合わせる
際の位置精度の向上と、チップの歪み、たわみなどの不
均一な応力の発生の防止を図ることができる。さらに、
セルフアジャスト可能なバンプ電極と接続電極の組合
せ、あるいは圧着導電性ポリマと突出した接続用電極を
採用することにより、貼り合わせ時に発生する数μｍ程
度の誤差を吸収することが可能であり、廉価で信頼性の
高いモノリシック電源装置を供給することが可能とな
る。

【００２６】なお、本例のモノリシック電源装置におい
ては、チップ１０にバンプ電極５２を形成してあるが、
チップ９にバンプ電極５２を形成しても勿論良く、さら
に、チップ９あるいはチップ１０の一方にのみバンプ電
極５２を形成せずとも接続電極との組合せにおいてセル
フアジャスト可能な電極の組合せが形成されていれば良
い。また、圧着導電性ポリマを圧縮する突出した接続用
電極もチップ９および１０の両方に形成されている必要
はなく、何れか一方に形成されていれば圧着導電性ポリ
マを圧縮可能であり、良好な接続を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係るモ
ノリシック電源装置は、第１の基板と第２の基板を貼り
合わせた構成であり、第１の基板に微細化を行なう制御
系素子を、第２の基板に微細化が不要な電力系素子を形
成することにより、大幅に製造工程を短縮でき、製造コ
ストの低減を実現可能なモノリシック電源装置である。

【００２８】同時に、１つの基板上に形成される素子数
の削減を図ることができるので、小さな基板を使用する
ことができ、この面でも製造コストの削減を図ることが
可能となる。また、小さな基板でモノリシック電源装置
を構成できるので、歩留りの向上を図り、良品率を高め
ることが可能となる。

【００２９】また、十字型等の分散型接続手段を用いて
２つの基板を接続することにより、接続精度の向上を図
ることができる。さらに、セルフアジャスト可能なバン
プ電極、あるいは突出した接続用電極と圧着導電性ポリ
マを用いることにより、第１および第２の基板の貼り合
わせ時の多少の誤差を吸収して良好な接続を確保するこ
とができる。このように、本発明により、モノリシック
電源装置の特徴である小形軽量であることは勿論、高い
信頼性を確保しながら製造コストの削減の可能なモノリ
シック電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るモノリシック電源装置の
構成を示す断面図である。

【図２】図１に示す実施例に用いられたバンプ電極の配
置を示す説明図である。

【図３】図１に示す実施例に用いられたバンプ電極の構
成を示す説明図である。

【図４】バンプ電極の代わりに採用可能な圧着導電性ポ
リマを用いた接続手段の構成を示す説明図である。

【図５】従来のモノリシック電源装置の構成を示す断面
図である。

【符号の説明】

１・・半導体基板 ２・・ゲート酸化膜 ３・・多結晶シリコン製の薄膜トランスの１次側電極 ４・・多結晶シリコン製のゲート電極 ５・・多結晶シリコン製のコンデンサの電極 ６・・薄膜トランスの１次側コイル ７・・薄膜トランスの２次側コイル ８・・薄膜トランスの２次側の電極 ９、１０・・チップ ２０・・モノリシック電源装置 ２１・・スイッチングトランジスタ ２２、２３・・ダイオード ２４・・コンデンサ ２５・・薄膜トランス ２６・・平滑コンデンサ ３１・・１層目金属配線 ３２・・２層目金属配線 ３３・・３層目金属配線 ３４・・４層目金属配線 ４１・・半導体基板 ４２・・ｐ型ウェル ４３・・ｎ⁺ 型ソース層 ４４・・ｐ⁺ 型コンタクト層 ４５・・ｎ型オフセット層 ４６・・ｎ⁺ 型ドレイン層 ４７・・ｐ⁺ 型アノード層 ４８・・ｎ型オフセット層 ４９・・ｎ⁺ 型カソード層 ５０・・ｎ型拡散層 ５１・・接続電極 ５２・・バンプ電極 ５２ａ・・バンプ電極の先端 ５３・・凹み ５４・・窒化膜 ５５ａ、ｂ・・対角線 ５６ａ、ｂ・・接続用電極 ５７・・圧着導電性ポリマ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細化可能な制御系素子と、微細化不要
   な電力系素子とを有するモノリシック電源装置におい
   て、前記制御系素子が主面上に形成された第１の基板
   と、前記電力系素子が主面上に形成された第２の基板と
   を有し、前記制御系素子からなる制御回路と前記電力系
   素子からなる電力回路とが前記第１の基板と第２の基板
   とに形成された接続手段により接続されていることを特
   徴とするモノリシック電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記接続手段は、複
   数組の接続端を備え、前記第１および第２の基板内に、
   前記接続端の各々が対峙するように分散された分散型接
   続手段であることを特徴とするモノリシック電源装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記分散型接続手段
   は、前記接続端が前記第１および第２の基板の対角線に
   沿って配置された十字型接続手段であることを特徴とす
   るモノリシック電源装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記接続手段は、少なくとも１組の前記第１および第２
   の基板のいずれか一方に形成されたバンプ電極と、他方
   に形成された前記バンプ電極の先端径より若干径の大き
   な凹みを具備する接続電極とを備えていることを特徴と
   するモノリシック電源装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記接続手段は、前記主面から突出した接続用電極と、
   前記第１および第２の基板に挟まれた圧着導電性ポリマ
   ーとを備えていることを特徴とするモノリシック電源装
   置。