(57)【要約】【課題】飽和電流を増大できる薄膜磁気誘導素子を有し、負荷電流容量を増大できる超小型電力変換装置を提供する。【解決手段】２枚の薄いフェライト基板１ａ、１ｂに第１導体２、第２導体３、接続導体４を形成してソレノイド状のコイル導体を形成し、フェライト基板の厚さを２倍にし、コイル導体の巻き数を２の平方根分の１とすることで、インダクタンスを変化させずに、飽和電流を２の平方根倍にすることができる。その結果、負荷電流容量も２の平方根倍にすることができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層された磁性絶縁基板と、該磁性絶縁基板のうち最上段の磁性絶縁基板の上面に形成された複数の第１導体と、最下段の磁性絶縁基板の下面に形成された複数の第２導体と、前記第１導体の一端が前記第２導体の一端と対向して配置され、該一端同士が前記磁性絶縁基板に開けた貫通孔を介して接続する第３導体と、前記第２導体の他端が隣接する別の第１導体の他端と対向して配置され、該他端同士が前記磁性絶縁基板に開けた貫通孔を介して接続する第４導体とを有し、
これを順次繰り返してソレノイド状のコイル導体を形成し、該コイル導体を貫通した前記複数の磁性絶縁基板が磁心を形成し、最上段と最下段に挟まれた磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子が互いに接続して形成される薄膜磁気誘導素子と、該薄膜磁気誘導素子の上面で接続する半導体基板と、前記薄膜磁気誘導素子の下面で接続するセラミックコンデンサアレーと、を具備する超小型電力変換装置であって、
前記最上段の磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子と前記半導体基板の外周部に形成された接続端子を接続し、前記最下段の磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子と前記セラミックコンデンサアレーの外周部に形成された接続端子を接続することを特徴とする超小型電力変換装置。
【請求項２】
前記接続端子が、前記磁性絶縁基板の表面側と裏面側に形成した金属膜と該磁性絶縁基板を貫通する貫通孔を充填して形成される金属膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の超小型電力変換装置。
【請求項３】
前記第３導体および前記第４導体が、前記磁性絶縁基板に形成された貫通孔を充填する金属膜と、該金属膜上に形成された第３バンプからなることを特徴とする請求項１に記載の超小型電力変換装置。
【請求項４】
前記半導体チップと前記最上部の磁性絶縁基板の前記接続端子同士を第１バンプで接続し、前記磁性絶縁基板の接続端子同士の接続を第２バンプで接続し、前記最下部の磁性絶縁基板とセラミックコンデンサーアレーの接続端子同士を前記第３バンプで接続し、各バンプの材質がそれぞれ融点が異なることを特徴とする請求項１に記載の超小型電力変換装置。
【請求項５】
前記第１バンブがＡｕバンプ、前記第２バンプが半田バンプ、前記第３バンプが第２バンプと融点の異なる半田バンプであることを特徴とする請求項４に記載の超小型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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（以下ＩＣと記す）とコイルやコンデンサ、抵抗などの受動部品で構成されるＤＣ−ＤＣコンバ−タなどの超小型電力変換装置とそれに用いられる薄膜磁気誘導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子情報機器、特に携帯型の各種電子情報機器の普及が著しい。それらの電子情報機器は、電池を電源とするものが多く、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置を内蔵している。通常その電力変換装置は、スイッチング素子、整流素子、制御用ＩＣなどの能動素子とコイル、トランス、コンデンサ、抵抗などの受動素子の各個別部品をセラミック基板やプラスチック等のプリント基板などの上にハイブリッド型の電源モジュールとして、構成されている。
図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力コンデンサＣｉ、出力コンデンサＣｏ、調整用の抵抗ＲＴ  、コンデンサＣＴ  、薄膜磁気誘導素子Ｌ０  、および制御回路とドライバとＭＯＳＦＥＴなどが集積された制御用ＩＣで構成される。直流の入力電圧Ｖｉを入力し、制御用ＩＣのＭＯＳＦＥＴをスイッチングさせて、直流の所定の出力電圧Ｖｏを出力する。薄膜磁気誘導素子Ｌと出力コンデンサＣｏは直流電圧を出力するためのフィルタ回路である。
【０００３】
尚、図５において、制御用ＩＣ（半導体チップ）、薄膜磁気誘導素子およびその上に載った半導体チップの部分、セラミックコンデンサアレーの範囲を点線で示した。
この回路において、薄膜磁気誘導素子の直流抵抗が大きくなると、この部分での電圧降下が大きくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率は小さくなる。
ハイブリッド型電源モジュールの小型化は、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）や積層セラミック部品等の技術により進歩してきている。しかしながら、個別の部品を同一基板上に並べて実装するため、電源モジュールの実装面積の縮小化が制限されている。
【０００４】
近年、半導体技術の適用により、半導体集積回路装置を形成したシリコン基板に平面型の薄膜磁気誘導素子を形成し、小型化を図った例がある（例えば、特許文献１参照）。
これにより磁気誘導部品の薄型化とその実装面積の削減が可能となったが、その他の個別チップ部品数が多く、まだ実装面積が大きい。そのため、磁性絶縁薄板の片面に渦巻き状のコイル導体を形成して、大きな電流を流しても磁気飽和しにくい薄膜磁気誘導素子としたもの（特許文献２参照）や、磁性絶縁薄膜の両面に形成したコイル導体を接続導体により接続してソレノイド膜構造として高いインダクタンス値を得やすい薄膜磁気誘導素子としたもの（例えば、特願２００２−２２４５７８号の図３、図２５）により、超小型電力変換装置の小型化と高効率化をはかった例がある。
【０００５】
図６〜図８は、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成であり、図６（ａ）は薄膜磁気誘導素子の要部平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図であり、図７（ａ）は半導体チップの要部平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図であり、図８は図６と図７を組み合わせたＤＣ−ＤＣコンバータの要部断面図である。図７（ａ）は半導体チップを表面側から透視した裏面側の図である。尚、図６および図８に示した第１導体２と第２導体３の本数は複数を意味したもので、実本数を示すものではない。また、図８では、入力コンデンサＣｉ、出力コンデンサＣｏ、調整用の抵抗ＲＴ  、コンデンサＣＴ  を構成するセラミックコンデンサアレー２１は点線で描かれている。
【０００６】
薄膜磁気誘導素子と、この素子上に位置する半導体チップ１１とは半導体チップ１１上に形成されたバンプ１３で互いに接続している。半導体チップ１１内には制御用ＩＣが形成されている。薄膜磁気誘導素子は、磁性絶縁基板であるフェライト基板１上面と下面に、コイル導体となる第１導体２と下部の第２導体３が形成され、これらの導体２、３は、フェライト基板１に形成されたスルーホール（貫通孔９）内を充填した金属膜（接続導体４）で接続され、コイル導体上は絶縁膜７で被覆され、半導体チップ１１と薄膜磁気誘導素子の間の隙間と側面にアンダーフィル８を充填し、互いを固着する。
【０００７】
図６の薄膜磁気誘導素子は、特願２００２−２２４５７８号の図２５と同じである。薄膜磁気誘導素子は、フェライト基板１にコイルを巻き付けたソレノイドであり、このコイルは、フェライト基板１の表面と裏面にストレートの第１、第２導体２、３を形成し、この第１、第２導体２、３をフェライト基板１に開けた貫通孔９を充填して形成した接続導体４で互いの第１、第２導体２、３を接続して形成される。
また、図７の半導体チップ７は、特願２００２−２２４５７８号の図２４と同じである。ここでは薄膜磁気誘導素子と接続するバンプが示されている。
【０００８】
図９は、トランスの飽和電流を説明するための図である。コア（磁心）の平面形状を示し、ｌ０  はギャップ長、ｌ１  は磁路長、Ｓは断面積である。
一般的にトランスのインダクタンスＬは近似的に、
【０００９】
【数１】
Ｌ＝（μ０  ／ｌ０  ）×ｎ２  ×Ｓ  （Ｈ）・・・・・・・・・（１）
【００１０】
【数２】
Ｉｓａｔ＝（ｌ０  ／μ０  ）×Ｂｓａｔ／ｎ  （Ａ）・・・・（２）
但し、μ０  は真空透磁率、ｎは捲き数、Ｓはコア断面積、Ｉ０  はギャップ長、Ｂｓａｔはコアの飽和磁束密度、Ｉｓａｔは飽和電流である。
ＤＣ−ＤＣコンバータと接続する負荷、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）、が多機能になり、スイッチング周波数（クロック周波数など）が高くなると、ＩＣを形成するためのデザインルールを微細化し、高速動作させる必要がある。デザインルールを微細化し、高速動作させると、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷電流容量が増大する。また、デザインルールを微細化すると、ＩＣの動作電圧を低電圧化する必要があり、一層、負荷電流容量を増大させる必要がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１９６５４２号公報  図１
【特許文献２】
特開２００２−２３３１４０号公報  図１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、負荷電流を増大させると、従来の超小型電力変換装置に搭載されている薄膜磁気誘導素子では、下記のような問題点がある。
（１）ソレノイド状にコイルを巻いているフェライト基板の厚さが薄いため、磁束が低い密度で飽和してしまい、直流重畳特性が極めて悪く、小さな電流で薄膜磁気誘導素子は磁気飽和してしまう。つまり飽和電流が小さく、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷電流容量が小さい。
（２）一方、この飽和電流を大きくするために、フェライト基板の厚さを厚くすることが考えられる。
【００１３】
式（２）により、巻き数ｎを減らして飽和電流Ｉｓａｔを増大させ、式（１）により、一定のインダクタンスＬを保ために、断面積Ｓを増やす方法がある。
しかし、断面積を増大させるために、フェライト基板の磁心となる面積（幅）を広げる、コイル長が長くなり、コイル抵抗が増大し、通電電流を大きくできない。また、薄膜磁気誘導素子の占有面積が大きくなり、小型化に逆行する。一方、フェライト基板の厚さを厚くすると、コイルの一部を構成する金属膜を充填するスルーホール（貫通孔）の貫通距離が長くなる。
このスルーホールを形成する方法として、レーザー加工、サンドブラスト加工などがあるが、レーザー加工では、フェライト基板をレーザー光で溶融して貫通孔を形成するため、溶融した近傍のフェライト基板が変質して、磁気特性が悪化する。また、レーザー加工は量産の処理能力が低い。そのため、フェライト基板の変質がなく、バッチで量産処理できるサンドブラスト加工が有望である。
【００１４】
しかし、サンドブラスト加工で貫通孔を開ける場合は、図１０のように、フェライト基板の両面から微小な砂を吹き掛け、孔を堀り、中央でこの孔を繋いで、貫通孔とする。フェライト基板の厚さが１ｍｍ程度と厚くなると、片側で５００μｍ程度の深さの孔を掘る必要がある。このサンドブラスト加工では、深さ方向ばかりではなく孔の中の壁面にも砂が吹きつけられるため、片側５００μｍ程度の深さでは、孔の開口部の直径は、Ｄ１＝３００μｍ程度（必要な直径は１００μｍから１５０μｍ程度）となる。また、孔の接続部（中央部）ではＤ２＝１００μｍである。
【００１５】
孔の開口部の直径が３００μｍ程度と大きくなると、コイルを構成するストレートの導体の間隔は大きくなり（図１１のピッチが大きくなり）、コイルの巻き数が所定の巻き数より大幅に減少してしまう。
コイルの巻き数が大幅に減少すると、巻き数の２乗でインダクタンスが減少し、所定のインダクタンスを得ることが困難となる。
また、孔の深さが深いため貫通孔を形成するための加工時間は長くなる。つまり、従来の薄膜磁気誘導素子の構造では、飽和電流を増大させることが困難となり、超小型電力変換装置の負荷電流容量を増大させることが困難となる。
【００１６】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、飽和電流を増大できる薄膜磁気誘導素子を有し、負荷電流容量を増大できる超小型電力変換装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前期の目的を達成するために、複数の積層された磁性絶縁基板と、該磁性絶縁基板のうち最上段の磁性絶縁基板の上面に形成された複数の第１導体と、最下段の磁性絶縁基板の下面に形成された複数の第２導体と、前記第１導体の一端が前記第２導体の一端と対向して配置され、該一端同士が前記磁性絶縁基板に開けた貫通孔を介して接続する第３導体と、前記第２導体の他端が隣接する別の第１導体の他端と対向して配置され、該他端同士が前記磁性絶縁基板に開けた貫通孔を介して接続する第４導体とを有し、これを順次繰り返してソレノイド状のコイル導体を形成し、該コイル導体を貫通した前記複数の磁性絶縁基板が磁心を形成し、最上段と最下段に挟まれた磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子が互いに接続して形成される薄膜磁気誘導素子と、該薄膜磁気誘導素子の上面で接続する半導体基板と、前記薄膜磁気誘導素子の下面で接続するセラミックコンデンサアレーと、を具備する超小型電力変換装置であって、
前記最上段の磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子と前記半導体基板の外周部に形成された接続端子を接続し、前記最下段の磁性絶縁基板の外周部に形成された接続端子と前記セラミックコンデンサアレーの外周部に形成された接続端子を接続する構成とする。
【００１８】
また、前記接続端子が、前記磁性絶縁基板の表面側と裏面側に形成した金属膜と該磁性絶縁基板を貫通する貫通孔を充填して形成される金属膜で形成されとよい。
また、前記第３導体および前記第４導体が、前記磁性絶縁基板に形成された貫通孔を充填する金属膜と、該金属膜上に形成された第３バンプで構成されてもよい。
また、前記半導体チップと前記最上部の磁性絶縁基板の前記接続端子同士を第１バンプで接続し、前記磁性絶縁基板の接続端子同士の接続を第２バンプで接続し、前記最下部の磁性絶縁基板とセラミックコンデンサーアレーの接続端子同士を前記第３バンプで接続し、各バンプの材質がそれぞれ融点が異なるとよい。
【００１９】
また、前記第１バンブがＡｕバンプ、前記第２バンプが半田バンプ、前記第３バンプが第２バンプと融点の異なる半田バンプであるとよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は、この発明の第１実施例の超小型電力変換装置の構成であり、図１（ａ）は薄膜磁気誘導素子の要部平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図であり、図２（ａ）は半導体チップの要部平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図であり、図３は図１と図２を組み合わせた超小型変換装置の要部断面図である。図２（ａ）は半導体チップを表面側から透視した裏面側の図である。尚、図１および図３に示した第１導体２と第２導体３の本数は複数を意味したもので、実本数を示すものではない。また、図６〜図８と同一部位には同一符号を記した。
【００２１】
図１において、フェライト基板２枚を用意する。１枚のフェライト基板１ａの片側の表面にコイル導体の一部となるストレートの第１導体２を複数本形成する。他の１枚のフェライト基板１ｂの片側の裏面にコイル導体の一部となるストレートの第２導体３を形成する。第１導体２の一端と第２導体３の一端が対向して配置され、第１導体２の他端と、前記第２導体３の隣りの第２導体３の他端とが対向して配置され、隣の第２導体３の一端と、前記第１導体２の隣の第１導体２の一端とが対向して配置され、第１導体２および第２導体３の対向する端部が位置するフェライト基板１ａ、１ｂに貫通孔９を開け、この貫通孔９を金属膜で充填して形成される接続導体４および上段の接続導体４に形成した第２バンプ６により、これらの端部を接続することで、第１導体２、第２導体３、接続導体４で構成される（正確には第２バンプ６も入る）ソレノイド構造のコイル導体が形成され、このコイル導体はフェライト基板１ａ、１ｂを磁心として取り巻いている。
【００２２】
フェライト基板１ａ、１ｂの外周部には、複数個の接続端子５が形成される。この接続端子５は、フェライト基板１ａの表面とフェライト基板１ｂの裏面に形成された金属パット同士を、フェライト基板１ａ、１ｂに形成された貫通孔９を金属膜で充填することで形成される。
このように、２枚のフェライト基板１ａ、１ｂを用いることで、１枚のフェライト基板を薄くできる。そのため、サンドブラスト加工でフェライト基板１ａ、１ｂに貫通孔９を開けるとき、貫通孔９の開口部の直径は、厚いフェライト基板に貫通孔を開ける場合に比べ小さくできる。その結果、所定の間隔でストレートの第１導体２および第２導体３を形成できる。
【００２３】
例えば、フェライト基板１ａ、１ｂの厚さが５００μｍとすると、貫通孔９を両側から穴を掘って形成すると、片側２５０μｍの穴を形成すればよく、貫通孔９の開口部の直径は、１５０μｍ程度と従来と同じ大きさで形成できる。
これは、フェライト基板の厚さを従来のフェライト基板の厚さ（５００μｍ）の２倍とした場合の開口部の直径（３００μｍ）の半分の大きさにすることができることを意味する。
開口部の直径が小さくできることで、コイル導体のピッチ（第１導体のピッチ、第２導体のピッチ）を所定の間隔（例えば、２００μｍ）に狭めることができる。
【００２４】
本実施例では、フェライト基板を２枚使用するため、磁路断面積Ｓが従来の２倍となり、インダクタンスを変化させない場合には、（１）式によりコイル導体の巻き数ｎは２の平方根の逆数となる、つまり、フェライト基板１枚のインダクタンス（従来のインダクタンス）と同一のインダクタンスを確保しながら、飽和電流を２の平方根、つまり１．４１倍増加させることができる。その結果、超小型電力変換装置の負荷電流容量を１．４１倍増大させることができる。
また、磁束を横切る方向にギャップを形成する（フェライト基板に貫通溝を形成する）とさら飽和電流を増大させることができる。
【００２５】
前記のフェライト基板１ａ、１ｂの厚さは１００μｍから５００μｍが実用的な範囲である。
また、図２の半導体チップの外周部の図示しない金属パッド上に第１バンプ１２を形成し、この第１バンプ１２がフェライト基板１ａの接続端子５と接続する。また、上段のフェライト基板１ａの接続端子５と下段のフェライト基板１ｂの接続端子５は、上段の接続端子５に形成した第２バンプ６で接続する。下段のフェライト基板１ｂの接続端子５に形成した第３バンプ２２と、図３の点線で示すセラミックコンデンサアレー２１の接続端子５と接続して超小型電力変換装置が完成する。
【００２６】
第１バンプ１、第２バンプ６、第３バンプ２２の材料としては、融点がそれぞれ異なるものを選定する。例えば、融点が高い順に、第２バンプ、第１バンプ、第３バンプとすると、第２バンプ６で上段と下段のフェライト基板１ａ、１ｂ同士を接続し、つぎに、第１バンプ１２で半導体チップ１１と上段のフェライト基板１ａを接続し、つぎに、第３バンプ２２で下段のフェライト基板１ｂとセラミックコンデンサアレー２１を接続したとき、前工程で接続したバンプが後工程で接続するために熱処理で溶融することがなく、確実に各バンプでの接続ができる。
【００２７】
例えば、第１バンプはＡｕ、第２バンプは融点の高い半田、第３バンプは融点の低い半田を選定するとよい。第１バンプがＡｕと場合、接続端子５の表面をＡｕ−Ｎｉとして、Ａｕ−Ａｕ接合とするとよい。
また、第２バンプ、第３バンプを形成しないで、直接、接続端子５同士を固着しても構わない。
尚、図中の８は接着材のアンダーフィルであり、７はポリイミドなどの絶縁膜で形成した保護膜である。
図４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。この図は、図１に相当する薄膜磁気誘導素子の部分の断面図である。
【００２８】
図１との違いは、上段、下段の間に中段のフェライト基板１ｃを挿入し、フェライト基板を３枚として、巻き数ｎを３の平方根の逆数倍することで、フェライト基板１枚のときのインダクタンス（従来のインダクタンス）と同一のインダクタンスとして、飽和電流を３の平方根つまり１．７３倍増加させることができる。
勿論、フェライト基板の枚数をさらに増やすと飽和電流をさらに増加させることができる。
また、このときのフェライト基板同士の接続は第２バンプで行えばよい。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、薄いフェライト基板を複数枚積層することで、コイル導体を形成するための貫通孔の開口部の直径を小さく抑え、所定のコイル導体のピッチを確保し、インダクタンスを変化させずに、飽和電流を増大させることができる。その結果、超小型変換装置の負荷電流容量を増大させることができる。
また、半導体チップ、フェライト基板、セラミックコンデンサアレーを接続するバンプの融点をそれぞれ違えることで確実にそれぞれを固着できる。
【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の構成であり、（ａ）は薄膜磁気誘導素子の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図
【図２】この発明の第１実施例の超小型電力変換装置の構成であり、（ａ）は半導体チップの要部平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図
【図３】この発明の第１実施例の超小型電力変換装置の構成であり、図１と図２を組み合わせた超小型変換装置の要部断面図
【図４】この発明の第２実施例の超小型電力変換装置の薄膜磁気誘導素子の要部断面図
【図５】ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図
【図６】ＤＣ−ＤＣコンバータの構成であり、（ａ）は薄膜磁気誘導素子の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図
【図７】ＤＣ−ＤＣコンバータの構成であり、（ａ）は半導体チップの要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図
【図８】ＤＣ−ＤＣコンバータの構成であり、図１と図２を組み合わせたＤＣ−ＤＣコンバータの要部断面図
【図９】トランスの飽和電流を説明するための図
【図１０】サンドブラスト加工でフェライト基板に貫通孔を開ける方法を示した図
【図１１】コイル導体のピッチを説明する図
【符号の説明】
１    フェライト基板
１ａ  上段のフェライト基板
１ｂ  下段のフェライト基板
１ｃ  中段のフェライト基板
２    第１導体
３    第２導体
４    接続導体
５    接続端子
６    第２バンプ
７    絶縁膜
８    アンダーフィル
９    貫通孔
１１    半導体チップ
１２    第１バンプ
１３    バンプ
２１    セラミックコンデンサアレー
２２    第３バンプ
【図１】
2004186312.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004186312.tif 000009
【図８】
2004186312.tif 000010
【図９】
2004186312.tif 000011
【図１０】
2004186312.tif 000012
【図１１】
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