(57)【要約】      （修正有）【課題】高価で複雑な配線プロセスを用いず、汎用的なプロセスで実現できるトランス内蔵半導体装置を提供する。【解決手段】実装基板１０上に搭載された高圧チップを含む高圧回路と、高圧回路に隣接して配置され、実装基板上に搭載された低圧チップを含む低圧回路と、高圧回路と前記低圧回路との信号伝達を行い、高圧回路には高圧側コイル、低圧回路には低圧側コイル８２を備えたトランスと、を同一の半導体パッケージ１５０内に備えたトランス内蔵半導体装置２００であって、高圧側コイル及び前記低圧側コイルは、高圧回路と前記低圧回路の境界線に沿って実装基板上に複数配置された端子３０と、端子間を実装基板より上方で接続するワイヤ５０と、端子間を前記実装基板内で接続する基板内配線２０と、を用いて渦巻き状の配線が形成されたコイル巻線を有する。【選択図】図２
2010153514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板上に搭載された高圧チップを含む高圧回路と、
該高圧回路に隣接して配置され、前記実装基板上に搭載された低圧チップを含む低圧回路と、
前記高圧回路と前記低圧回路との信号伝達を行い、前記高圧回路には高圧側コイル、前記低圧回路には低圧側コイルを備えたトランスと、を同一の半導体パッケージ内に備えたトランス内蔵半導体装置であって、
前記高圧側コイル及び前記低圧側コイルは、前記高圧回路と前記低圧回路の境界線に沿って前記実装基板上に複数配置された端子と、該端子間を前記実装基板より上方で接続するワイヤと、前記端子間を前記実装基板内で接続する基板内配線と、を用いて渦巻き状の配線が形成されたコイル巻線を有することを特徴とするトランス内蔵半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランス内蔵半導体装置に関し、特に、高圧回路と、低圧回路と、両者の振動伝達を行うトランスとを同一の半導体パッケージ内に備えたトランス内蔵半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板に微細加工技術を用いて空芯型絶縁トランスを形成したマイクロトランスチップが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる空芯型絶縁トランスによれば、半導体プロセス技術を用いて、半導体基板内に１次巻線と２次巻線が互いに対向配置されるように形成することにより、１次巻線と２次巻線の巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次巻線と２次巻線の間隔を小さくすることができ、１次巻線と２次巻線の係合係数を高めることができる。
【特許文献１】特開２００７−２５２１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、半導体基板に平面的に広がるように渦巻き状の空芯型絶縁トランスの巻線パターンを形成しているため、空芯型絶縁トランスのチップ面積は大きくならざるを得ないという問題があった。
【０００４】
また、空芯型絶縁トランスを半導体基板に形成するプロセスは、ＬＳＩ等に用いる微細加工技術を用いるため、プロセスが複雑で、かつプロセスコストが高いという問題もあった。
【０００５】
そこで、本発明は、高価で複雑な半導体の配線プロセスを用いたマイクロトランスチップを用いることなく、汎用的なプロセスで実現できるトランス内蔵半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の発明に係るトランス内蔵半導体装置は、実装基板上に搭載された高圧チップを含む高圧回路と、
該高圧回路に隣接して配置され、前記実装基板上に搭載された低圧チップを含む低圧回路と、
前記高圧回路と前記低圧回路との信号伝達を行い、前記高圧回路には高圧側コイル、前記低圧回路には低圧側コイルを備えたトランスと、を同一の半導体パッケージ内に備えたトランス内蔵半導体装置であって、
前記高圧側コイル及び前記低圧側コイルは、前記高圧回路と前記低圧回路の境界線に沿って前記実装基板上に複数配置された端子と、該端子間を前記実装基板より上方で接続するワイヤと、前記端子間を前記実装基板内で接続する基板内配線と、を用いて渦巻き状の配線が形成されたコイル巻線を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、省スペース及び低コストでトランス内蔵半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明を適用した実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００の概略全体構成の一例を示した上面透視図である。図１において、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００は、実装基板１０と、高圧回路１２０と、低圧回路１４０と、トランス１００とを備える。高圧回路１２０と低圧回路１４０は、１枚の実装基板１０上に隣接して配置され、高圧回路１２０と低圧回路１４０が隣接する境界線９０付近には、トランス１００が配置されている。
【００１０】
高圧回路１２０は、高電圧で動作する回路であり、高圧チップ１１０が搭載される。高圧チップ１１０は、例えば、半導体基板上に、パワーＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）トランジスタや、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等のトランジスタを備えていてよい。これらの高圧チップ１１０上の素子は、１００〔Ｖ〕より大きい、例えば、２００〜３００〔Ｖ〕程度の電圧を出力する素子が適用されてもよい。
【００１１】
低圧回路１４０は、低電圧で動作する回路であり、低圧チップ１３０が搭載される。低圧チップ１３０は、例えば、半導体基板上に、通常のＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が形成されている回路を有していてよい。低圧チップ１３０は、例えば、４〜１０〔Ｖ〕程度の電圧を出力する論理回路等が搭載されていてもよい。
【００１２】
高圧回路１２０と低圧回路１４０は、境界線９０において隣接し、ともに１枚の実装基板１０上に設けられる。
【００１３】
トランス１００は、高圧回路１２０と低圧回路１４０との信号伝達を行う手段である。トランス１００は、コイル８０を含み、高圧回路１２０内には高圧側コイル８１、低圧回路１４０内には低圧側コイル８２を含む。トランス１００は、高圧側コイル８１と低圧側コイルとの相互電磁誘導作用により、昇圧及び降圧を行い、高圧回路１２０と低圧回路１４０との間の信号伝達を可能とする。つまり、トランス１００は、高圧回路１２０側から低圧回路１４０への信号伝達時には、所定の高電圧から所定の低電圧への電圧変換を行って信号伝達を可能とし、低圧回路１４０側から高圧回路１２０側への信号伝達時には、所定の低電圧から所定の高電圧への電圧変換を行って信号伝達を可能にする。よって、トランス１００は、高圧回路１２０と低圧回路１４０の境界線９０付近に配置されている。
【００１４】
実装基板１０は、高圧チップ１１０及び低圧チップ１３０を搭載し、これらを協働して動作させ、１つの半導体装置として構成するための支持基板である。よって、実装基板１０は、高電圧回路１２０側も低電圧回路１４０側もほぼ同様の構成を有する。実装基板１０上には、高圧回路１２０と低圧回路１４０の各々に共通に、端子３０と、パッド３５と、ボンディングワイヤ５０と、封止樹脂７０とが、設けられる。
【００１５】
端子３０は、高圧チップ１１０又は低圧チップ１３０と実装基板１０上の配線とを接続するための接点であり、パッケージ端子と呼んでもよい。よって、端子３０は、実装基板１０上の配線（図示せず）と接続されて配置される。例えば、端子３０は、実装基板１０上の基板端子（図示せず）と、はんだ等により接続されて設けられてもよい。
【００１６】
また、端子３０は、高圧回路１２０においては、高圧チップ１１０の周囲を囲むように設けられ、低圧回路１３０においては、低圧チップ１３０の周囲を囲むように設けられる。このような配置により、高圧チップ１１０と端子３０との接続及び低圧チップ１３０と端子３０との接続が容易になる。
【００１７】
高圧回路１２と低圧回路１４０の境界線９０付近の端子３０は、境界線９０に沿って、複数の端子３０が列をなして配置される。この点は、詳細には後述するが、このような列をなした配置により、トランス１００のコイル巻線を構成することが可能となる。
【００１８】
パッド３５は、高圧チップ１１０又は低圧チップ１３０を搭載するための部材である。高圧チップ１１０及び低圧チップ１３０は、各々端子１１１、１３１を備えてよく、例えば、これらの端子１１１、１３１が上向きになるように、端子１１１、１３１の存在しない面が、パッド３５上に接着されて搭載されてもよい。
【００１９】
ボンディングワイヤ５０は、高圧チップ１１０の端子１１１と実装基板１０上の端子３０及び低圧チップ１３０の端子１３１と実装基板１０上の端子３０とを接続するためのワイヤである。図１に示すように、高圧チップ１１０の端子１１１及び低圧チップ１３０の端子１３１は、ボンディングワイヤ５０により、放射状に周囲に配置された実装基板１０上の端子３０と接続される。
【００２０】
ボンディングワイヤ５０は、トランス１００のコイル巻線の一部を構成する。本実施例に係るトランス内蔵半導体装置２００においては、通常の半導体実装に用いるボンディングワイヤ５０をコイル巻線の一部に利用することにより、半導体実装と類似した簡素なプロセスでトランス１００のコイル巻線を形成する。なお、この点については、後述する。
【００２１】
封止樹脂７０は、ワイヤボンディング及びトランス１００のコイル巻線の形成が終わった後、全体を絶縁するとともに、外部からの保護を行うために封止を行うための樹脂である。実装基板１０の全体を覆うように、上から封止樹脂７０で封止がなされる。なお、図１においては示されてないが、封止樹脂７０の外部には、半導体パッケージが設けられる。この点については、後述する。
【００２２】
図２は、図１のＡＡ’断面を示した断面図である。図１のＡＡ’断面は、トランス１００の低圧側コイル８２が形成された部分である。
【００２３】
図２において、低圧側コイル８２は、実装基板１０と、基板内配線２０と、基板端子２１と、はんだ４０と、端子３０と、ボンディングワイヤ５０とを含む。また、低圧側コイル８２の関連構成要素として、アンダーフィル材６０と、封止樹脂７０と、半導体パッケージ１５０とを含む。
【００２４】
実装基板１０上には、基板端子２１が形成されている。基板端子２１は、実装基板１０上の配線パターンのうち、端子を構成している部分である。
【００２５】
基板内配線２０は、基板端子２１及び基板端子２１上に設けられた端子３０間を実装基板１０内で接続する配線である。基板内配線２０は、図２に示すように、内側に配置された２つの基板端子２１同士及び外側に配置された２つの基板端子２１同士を接続する２点接続の簡素な配線である。よって、基板内配線２０は、複雑なプロセスを行うことなく、容易に実装基板１０内に形成することができる。
【００２６】
端子３０は、ボンンディングワイヤ５０が接続されるための接点であり、実装基板１０よりも上方の配線を行うための接点としての役割を果たす。端子３０は、基板端子２１上の直上に設けられ、はんだ４０により基板端子２１と接続される。
【００２７】
ボンディングワイヤ５０は、低圧側コイル８２においては、２つの端子３０同士を接続し、コイル巻線の一部を構成する。ボンディングワイヤ５０も、内側に配置された２つの端子３０同士及び外側に配置された２つの端子３０同士を接続する簡素な配線として構成される。
【００２８】
ここで、端子３０、はんだ４０、基板端子２１、基板配線２０及びボンディングワイヤ５０で構成される配線に着目すると、端子３０Ｃを中心の出発点とする、渦巻き状の配線が形成されていることが分かる。そして、外側の端部は、端子３０Ｅが左側の端部に配置され、渦巻き状の１本の配線の端部となっている。このように、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００においては、端子３０、基板内配線２０及びボンディングワイヤ５０を用いて低圧側コイル８２のコイル巻線を構成する。これにより、複雑なプロセスを用いることなく、簡素なプロセス及び構成でコイル巻線を形成することができる。
【００２９】
なお、図２においては、低圧側コイル８２を例に挙げて説明したが、高圧側コイル８１においても、同様の構成のコイル巻線を有している。
【００３０】
そして、図２に示す構成のコイル巻線を、高圧回路１２０と低圧回路１４０の境界線９０に沿って、高圧回路１２０と低圧回路１４０の各々に構成することにより、高圧側コイル８１と低圧側コイル８２を対向させて構成することができ、トランス１００を構成することができる。
【００３１】
なお、高圧側コイル８１と低圧側コイル８２の絶縁を十分に確保するため、絶縁性のアンダーフィル材６０を、図２に示すように、端子３０及びはんだ４０の接続部に充填する。そして、全体を上から封止樹脂７０で覆い、更に半導体パッケージ１５０で覆うようにし、高圧側コイル８１及び低圧側コイル８２を外部から保護する。
【００３２】
図３は、図１のＢＢ’断面の構成を示した図である。図３において、実装基板１０上の左側に低圧チップ１３０が搭載され、低圧回路１４０が構成されている。実装基板１０上の右側には、高圧チップ１１０が搭載され、高圧回路１２０が構成されている。低圧回路１４０及び高圧回路１２０は、各々、実装基板１０上に形成された基板端子２１上に端子３０又はパッド３５が形成され、基板端子２１とはんだ４０により接合されている。パッド３５上には、低圧回路１４０側は低圧チップ１３０が載置され、高圧回路１２０側は高圧チップ１１０が載置されている。低圧チップ１３０と低圧チップ１３０の周囲の低圧回路１４０内の端子３０とは、ボンディングワイヤ５０により接続され、高圧チップ１１０と高圧チップ１１０の周囲の高圧回路１２０内の端子３０とは、ボンディングワイヤ５０で接続されている。そのうち、低圧回路１４０の高圧回路１２０側及び高圧回路１２０の低圧回路１４０側の端子３０、つまり境界線９０付近の端子３０は、トランス１００の一部を構成している。
【００３３】
低圧回路１４０と高圧回路１２０の境界線９０付近には、トランス１００が構成されている。図１を参照すると分かるように、図３のＢＢ‘断面においては、トランス１００のコイル巻線の内側の起点となる端子３０を含む断面が示されている。トランス１００は、実装基板１０内に形成された基板内配線２０と、実装基板１０上に端子３０及びボンディングワイヤ５０とを有し、これらが低圧コイル８２及び高圧コイル８１を構成する。なお、端子３０と基板内配線２０は、はんだ４０により、基板端子２１を介して接続され、配線を構成している。
【００３４】
トランス１００のボンンディングワイヤ５０及び基板内配線２０は、端子３０を中心として、垂直線上に所定間隔を空けて配置され、垂直方向にコイル径を有する巻線状のコイル配線の断面を示している。そして、端子３０と実装基板１０の間には、アンダーフィル材６０が充填され、低圧回路１４０と高圧回路１２０との絶縁が十分に確保されている。また、アンダーフィル材６０の上には封止樹脂７０が形成されて低圧側コイル８２及び高圧側コイル８１を含めて低圧回路１４０及び高圧回路１２０の全体が封止され、更に封止樹脂７０を半導体パッケージ１５０がカバーし、低圧チップ１３０、高圧チップ１１０及びトランス１００を外部から保護することができる。
【００３５】
このように、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００によれば、半導体基板上に複雑な加工プロセスを行うことなく、通常の半導体チップ１１０、１３０の実装基板１０への実装に用いられる端子３０、ボンディングワイヤ５０を利用し、かつ実装基板１０内に巻線状の基板配線２０を形成することにより、簡素な構成及びプロセスでトランス１００を構成することができる。また、低圧側コイル８１及び高圧側コイル８２を実装基板１０の水平方向ではなく、実装基板１０に垂直方向にコイル径が広がる形状でトランス１００を構成するため、省スペースでトランス１００を半導体装置に内蔵させることができる。
【実施例２】
【００３６】
図４は、本発明を適用した実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａの断面構成を示した図である。図４においては、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａの、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００の図３のＢＢ’断面に対応した構成を示している。
【００３７】
実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａにおいては、アンダーフィル材６０が設けられず、高圧回路１２０と低圧回路１４０の境界線９０上に、沿面距離確保用溝９１が形成されている点で、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００と異なっている。また、沿面距離確保用溝９１が、実装基板１０ａ及び封止樹脂７０ａの内部に形成されているため、実装基板１０ａ及び封止樹脂７０ａの形状も、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置１００とは異なっている。
【００３８】
このように、同一半導体パッケージ内の高圧回路１２０と低圧回路１４０の絶縁は、アンダーフィル材６０ではなく、沿面距離確保用溝９１により実現するようにしてもよい。沿面距離確保用溝９１は、図３に示すように、実装基板１０及び封止樹脂７０ａの内部も含めて形成され、高圧回路１２０と低圧回路１４０との十分な絶縁距離が確保されるように構成されてよい。実施例１に係るトランス内蔵半導体装置１００においては、半導体パッケージ１５０内の実装基板１０上に底面配置された端子３０を利用していたため、端子３０間の沿面距離が短く、絶縁耐量確保のため、アンダーフィル材６０を充填していた。しかしながら、アンダーフィル材６０は、工程追加や充填性の品質確保の課題が発生する場合もあり、そのような場合には、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａを適用するようにしてもよい。
【００３９】
一方、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａにおいても、トランス１００ａの構成は、高圧側コイル８１と低圧側コイル８２が、高圧回路１２０と低圧回路１４０の境界線９０に沿って対向して配置され、端子３０、ボンディングワイヤ５０、基板内配線２０、基板端子２１及びはんだ４０で渦巻き状の配線が構成され、高圧側コイル８１及び低圧側コイル８２のコイル巻線が形成されている点は、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００と同様である。これにより、実施例１と同様に、簡素なプロセスで省スペースのトランス内蔵半導体装置２００ａを構成することができる。なお、他の構成要素については、実施例１の構成要素と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａによれば、実施例１と同様に同一の半導体パッケージ１５０内に高圧回路１２０、低圧回路１４０及びトランス１００を収容し、１パッケージ化するとともに、高圧回路１２０と低圧回路１４０の境界線９０上の基板端子２１及び端子３０間に沿面距離確保用溝９１を形成することにより、アンダーフィル材６０を用いずに高圧回路１２０と低圧回路１４０との絶縁を確保することができる。これにより、アンダーフィル材６０を充填するための工程を削減してコストダウンを図ることができるとともに、アンダーフィル材６０の充填性における品質確保を不要とすることができる。
【実施例３】
【００４１】
図５は、本発明を適用した実施例３に係るトランス内蔵半導体装置２００ｂの断面構成を示した図である。図５においても、実施例１のＢＢ’断面を示した図３に対応する断面が示されている。
【００４２】
図５において、実施例３に係るトランス内蔵半導体装置２００ｂは、アンダーフィル材６０が用いられず、沿面距離確保用溝９１ａにより高圧回路１２０と低圧回路１４０との絶縁が図られている点は、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａと同様である。実施例３に係るトランス内蔵半導体装置２００ｂは、半導体パッケージ１５０ａが、高圧回路用半導体パッケージ１５１と、低圧回路用半導体パッケージ１５２で別々にパッケージングされている点で、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａと異なる。そして、高圧側コイル８１は高圧回路用半導体パッケージ１５１に収容され、低圧側コイル８２は低圧回路用半導体パッケージ１５２に収容されており、トランス１００ｂが構成されている。
【００４３】
このように、高圧回路用半導体パッケージ１５１と低圧回路用半導体パッケージ１５２を別々に構成し、トランス１００ｂの高圧側コイル８１と低圧側コイル８２を別々の半導体パッケージ１５１、１５２内に構成してもよい。この場合、端子３０よりも上方は、高圧回路用半導体パッケージ１５１と低圧回路用半導体パッケージ１５２との間で沿面絶縁距離が確保されているので、実装基板１０を含めた端子３０のよりも下方について、沿面確保用溝９１ａを形成するようにしてよい。このような構成であっても、高圧回路１２０と低圧回路１４０との絶縁を十分確保できる。また、実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａと同様に、アンダーフィル材６０を用いないため、工程削減によるコストダウンを図るとともに、アンダーフィル材６０の充填性における品質確保を不要とすることができる。
【００４４】
なお、他の構成要素については、トランス１００ｂの構成を含めて、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００及び実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａと同様であるので、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。トランス１００ｂが、簡素なプロセスで、省スペースで縦型にコイル径を有して構成される点も、実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００及び実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａと同様である。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１に係るトランス内蔵半導体装置２００の全体構成の上面透視図である。
【図２】図１のＡＡ’断面の構成を示した図である。
【図３】図１のＢＢ’断面の構成を示した図である。
【図４】実施例２に係るトランス内蔵半導体装置２００ａの断面構成を示した図である。
【図５】実施例３に係るトランス内蔵半導体装置２００ｂの断面構成を示した図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０、１０ａ    実装基板
２０    基板内配線
２１    基板端子
３０    端子
３５    パッド
４０    はんだ
５０    ボンディングワイヤ
６０    アンダーフィル材
７０    封止樹脂
８０、８１、８２    コイル
９０    境界線
９１、９１ａ    沿面距離確保用溝
１００、１００ａ、１００ｂ    トランス
１１０    高圧チップ
１２０    高圧回路
１３０    低圧チップ
１４０    低圧回路
１５０、１５１、１５２    半導体パッケージ
２００、２００ａ、２００ｂ    トランス内蔵半導体装置
【図１】
2010153514.tif 000003
【図２】
2010153514.tif 000004
【図３】
2010153514.tif 000005
【図４】
2010153514.tif 000006
【図５】
2010153514.tif 000007