(57)【要約】【課題】電圧出力が多出力であり、小型で薄型で実装面積が小さい、複数の出力系統を有する多出力超小型電力変換装置を提供すること。【解決手段】磁性絶縁基板１１の第１主面にコイル導体１２ａ、１３ａが形成され、第２主面にコイル導体１２ｂ、１３ｂが形成され、第２主面に形成されるコイル導体１２ｂ、１３ｂの平面形状は直線状であり、貫通孔に形成された接続導体１４を介して第１主面のコイル導体１２ａ、１３ａに電気的に接続され、ソレノイド状コイルを有する２つのインダクタ１、２となる。これらのインダクタ１、２は互いに磁気分離層１７で磁気的に分離される。複数のインダクタを有することで多出力超小型電力変換装置とすることができる。【選択図】        図１
2004343976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路の形成された半導体基板と、薄膜磁気誘導素子とコンデンサを有する多出力超小型電力変換装置であって、
磁性絶縁基板上に複数個形成された薄膜磁気誘導素子と、該薄膜磁気誘導素子を互いに磁気的に分離する磁気分離層とを有することを特徴とする多出力超小型電力変換装置。
【請求項２】
半導体集積回路の形成された半導体基板と、薄膜磁気誘導素子と、コンデンサとを有する多出力超小型電力変換装置であって、
磁性絶縁基板と、該磁性絶縁基板に形成されたコイル導体と、該磁性絶縁基板の周縁部に形成された複数個の接続端子からなる薄膜磁気誘導素子が複数個積層され、各薄膜磁気誘導素子が互いに隙間をもって、前記接続端子でそれぞれ固着されることを特徴とする多出力超小型電力変換装置。
【請求項３】
前記磁性絶縁基板がフェライト基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項４】
前記薄膜磁気誘導素子が互いに非磁性材料で磁気的に独立分離されていることを特徴とする請求項１に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項５】
前記非磁性材料が樹脂材料であることを特徴とする請求項４に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項６】
前記非磁性材料がセラミック材料であることを特徴とする請求項４に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項７】
前記の複数個の接続端子が、各磁性絶縁基板の同一平面位置に形成され、前記の各コイル導体の両端とそれぞれ接続する前記接続端子の平面位置が、各薄膜磁気誘導素子でそれぞれ異なり、互いに向かい合う磁性絶縁基板の少なくとも一方の磁性絶縁基板に形成された接続端子の表面高さが同一面に形成されたコイル導体の表面高さより高いことを特徴とする請求項２に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項８】
前記磁性絶縁基板の第１主面および第２主面に形成され、該磁性絶縁基板に形成した貫通孔を介して電気的に接続した接続端子を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項９】
前記接続端子と前記半導体基板が電気的に接続されることを特徴とする請求項８に記載の多出力超小型電力変換装置。
【請求項１０】
前記接続端子と前記コンデンサが電気的に接続されることを特徴とする請求項８または９に記載の多出力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上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形成されるＤＣ−ＤＣコンバータなどで、多出力を有する超小型電力変換装置に関する。
【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などのプリント基板などの上に配置したハイブリッド型のモジュールとして構成されている。
図３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図である。図中の外枠の点線部分５０がＤＣ−ＤＣコンバータの回路である。
【０００３】
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、インダクタＬおよび電源用ＩＣで構成される。直流電圧Ｖｉを入力し、電源用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。インダクタ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。
この回路において、インダクタＬ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、出力電圧Ｖｏが低くなる。つまりＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率は小さくなる。  前述した携帯用を含めた各種電子情報機器の小型化の要望に伴い、内蔵される電力変換装置の小型化の要求も強い。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）技術や、積層セラミック部品など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。特にインダクタやトランスなどの磁気誘導部品は、集積回路と比較すると体積が非常に大きいために電子機器の小型化を図る上で最大の制約となっている。
【０００４】
これら磁気誘導部品の小型化に対する今後の方向としては、チップ部品として限りなく小さくし、面実装により電源全体を小さくする方向と、シリコン基板上に薄膜で形成する方向の二つが考えられる。近年、磁気誘導部品の小型化の要求に応えて、半導体技術の適用により、半導体基板上に薄型のマイクロ磁気素子（コイル、トランス）を搭載した例も報告されている。発明者もそのような平面型の薄膜磁気誘導部品を考案した（特許文献１参照）。
これは、スイッチング素子や制御回路などの半導体部品を作り込んだ半導体基板の表面上に、薄膜コイルを磁性薄膜とフェライト基板とで挟んだ形の平面型磁気誘導部品（薄膜インダクタ）を薄膜技術により形成したものである。これにより、磁気誘導素子の薄型化とその実装面積の削減が可能となった。しかしなお、個別チップ部品が多いことや、実装面積が大きいという問題があった。
【０００５】
これを解決するために、発明者はすでに開示されている超小型電力変換装置を考案した（特許文献２参照）。この超小型電力変換装置に用いられている平面型磁気誘導素子は、渦巻き状（かとり線香状）のコイル導体の隙間に磁性を帯びた微粒子を帯びた微粒子を混入した樹脂を充填し、上面、下面をフェライト基板で挟み込んで形成される。
また、さらに高効率の超小型電力変換装置として、ソレノイド形状をしたコイルを用いて形成したインダクタと電源ＩＣを組み合わせた装置も考案し、特願２００３−００８７１４で示した。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１９６５４２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３３１４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発明者が提案した前記超小型電力変換装置は，サイズが小さく、薄いという特徴があるものの、磁気誘導素子およびＩＣそれぞれ１素子で、入力１系統、出力１系統の単一出力を中心にした提案であり、複数の出力を得るためには複数の超小型電力変換装置が必要となる。
超小型の電力変換装置を必要とする携帯機器などの電子機器では、多出力系統を必要とする、つまり多出力の電圧を必要とする機器が多く、複数の超小型電力変換装置が必要となり、超小型電力変換装置が占める実装面積を増加させ、実装コストを増大させる。
【０００８】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、電圧出力が多出力であり、小型で薄型で実装面積が小さい、複数の出力系統を有する多出力超小型電力変換装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、
（１）半導体集積回路の形成された半導体基板と、薄膜磁気誘導素子とコンデンサを有する多出力超小型電力変換装置であって、磁性絶縁基板上に複数個形成された薄膜磁気誘導素子と、該薄膜磁気誘導素子を互いに磁気的に分離する磁気分離層とを有する構成とする。
（２）半導体集積回路の形成された半導体基板と、薄膜磁気誘導素子と、コンデンサとを有する多出力超小型電力変換装置であって、磁性絶縁基板と、該磁性絶縁基板に形成されたコイル導体と、該磁性絶縁基板の周縁部に形成された複数個の接続端子からなる薄膜磁気誘導素子が複数個積層され、各薄膜磁気誘導素子が互いに隙間をもって、前記接続端子でそれぞれを固着する構成とする。
（３）  （１）、（２）について、磁性絶縁基板がフェライト基板であるとよい。
（４）  （１）について、薄膜磁気誘導素子が互いに非磁性材料で磁気的に独立分離されているとよい。
（５）  （４）について、非磁性材料が樹脂材料であるとよい。
（６）  （５）について、非磁性材料がセラミック材料であるとよい。
（７）  （２）について、複数個の接続端子が、各磁性絶縁基板の同一平面位置に形成され、前記の各コイル導体の両端とそれぞれ接続する前記接続端子の平面位置が、各薄膜磁気誘導素子でそれぞれ異なり、互いに向かい合う磁性絶縁基板の少なくとも一方の磁性絶縁基板に形成された接続端子の表面高さが同一面に形成されたコイル導体の表面高さより高いとよい。
（８）  （１）〜（７）について、磁性絶縁基板の第１主面および第２主面に形成され、該磁性絶縁基板に形成した貫通孔を介して電気的に接続した接続端子を有する構成とする。
（９）  （８）について、前記接続端子と前記半導体基板が電気的に接続されているとよい。
（１０）  （８）、（９）について、前記接続端子と前記コンデンサが電気的に接続される構成とするとよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１、図２は、この発明の第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部構成図であり、図１は薄膜磁気誘導素子となるインダクタの上部から透視した要部平面図であり、図２（ａ）は図１のＸ−Ｘ線で切断したときの要部断面図、図２（ｂ）は図１のＹ−Ｙ線で切断したときの要部断面図である。この例ではインダクタ数は２個である。これらの図にはインダクタのコイルパターンのみでなく、電気的に接続するためのインダクタの実装端子となる接続端子１５ａ、１５ｂも同時に図示してある。
【００１１】
図１において、磁性絶縁基板１１の第１主面にコイル導体１２ａ、１３ａが形成され、第２主面にコイル導体１２ｂ、１３ｂが形成される。第２主面に形成されるコイル導体１２ｂ、１３ｂの平面形状は直線状であり、貫通孔に形成された接続導体１４を介して第１主面のコイル導体１２ａ、１３ａに電気的に接続される。第１主面のコイル導体１２ａ、１３ａは、第２主面の隣接したコイル導体１２ｂ、１３ｂと接続導体１４を介して接続されるため、第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂに対して相対的にわずかに斜めに形成される（図は誇張して描かれている）。コイル導体１２ａ、１２ｂと接続導体１４およびコイル導体１３ａ、１３ｂと接続導体１４はそれぞれソレノイド状のコイルとなる。
【００１２】
磁性絶縁基板１１には非磁性材料で形成された磁気分離層１７が形成されており、磁性絶縁基板１１、コイル導体１２ａ、１２ｂおよび接続導体１４で構成されるインダクタ１（薄膜磁気誘導素子）と、磁性絶縁基板１１、コイル導体１３ａ、１３ｂおよび接続導体１４で構成されるインダクタ２（薄膜磁気誘導素子）は、磁気分離層１７によって磁気的に分離される。磁気的に分離されるとは、電源としての動作時に、それぞれのインダクタ１、２に電流を印加した場合、相互に誘導起電力が発生しない（相互インダクタンスが小さく、電源の動作に影響しない）ことを意味する。
【００１３】
図３は、前記第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。前記の磁性絶縁基板１１の片面側（上面）に電源用ＩＣ（電源用の集積回路）を形成した半導体基板２２を配置することで、電力変換装置の２つの主要素であるインダクタと電源用ＩＣを一体化して超小型化する。電源ＩＣの出力系統は２系統となるよう設計されており、インダクタが２個あることで、電力変換の出力系統は２系統となる。スタッドバンプ２１を電源ＩＣの電極を半導体基板上に形成し、このスタッドバンプ２１を介して半導体基板２２と磁性絶縁基板１１上に形成されたの接続端子１５ａとを超音波接合する。必要に応じて、アンダーフィル２３などで封止する。
【００１４】
また、図中ではコンデンサは省略している。コンデンサは外付けでも良いが、積層セラミッコンデンサアレイなどのコンデンサ素子を磁性絶縁基板１１のもう片方の面に形成された接続端子１５ｂと接続することで、さらに超小型化できる。
尚、接続端子１５ａと接続端子１５ｂは接続導体１６で電気的に接続される。また、図１の平面図には図示を省略したが、それぞれのコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは絶縁樹脂材料である保護膜１８で保護されている。
図４から図１３は、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の製造方法であり、工程順に示した要部工程断面図である。ここでは、インダクタの製造方法を示し、工程断面図は、図１のＹ−Ｙ線を切断したときの断面図と同じである。
【００１５】
まず、絶縁磁性基板として、厚さ５２５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト基板１１を用いた。なお、磁性絶縁基板の厚さは必要なインダクタンス、コイル電流値、磁性基板の特性から決定されるものであり、今回の実施例での厚さに限ったものではない。但し、磁性絶縁基板が極端に薄い場合は磁気飽和が起こりやすくなり、また、厚い場合には、電力変換装置自体の厚さが厚くなるため、電力変換装置の目的に合わせ選定する必要がある。尚、磁性絶縁基板としてフェライトを用いたが、絶縁性の磁性基板であれば構わない。今回は、容易に基板状に成型し得る材料としてフェライト基板を用いた。
【００１６】
まず、図４に示すように、フェライト基板に磁気分離層を形成するためにフェライト基板１１を切断する。切断は、レーザ加工、サンドブラスト加工、放電加工、超音波加工、機械加工（ダイシング）などいずれの方法も適用できるが、今回はダイシングで磁性絶縁基板を半分に切断する。切断された磁性絶縁基板が分離しないように予めテープ１０に磁性絶縁基板を固着する。ダイシングの刃の幅は６０μｍで、加工後の切り代４１の幅は約７０μｍである。
尚、テープ１０としては、加熱すると粘着性が低下する熱剥離テープや、紫外線を照射することによって粘着性が低下する紫外線照射（剥離）テープなどが用いられる。テープとしてはダイシング時に粘着性を保ち、後工程で容易に剥離できるものであれば何でもよい。ここでは紫外線照射テープを用いた。
【００１７】
つぎに、図５に示すように、形成した切り代に液状樹脂を充填し、熱硬化させ、非磁性材料で磁気分離層１７を形成し、この磁気分離層１７で２つの磁性絶縁基板を接合する。今回はスクリーン印刷法で所定の位置（切り代部）に液状樹脂を形成して、熱硬化させる工程を数回繰り返して、切り代に樹脂を充填し、フェライト基板表面と樹脂表面の段差を無くすため、表面を研磨した。
次に、図６に示すように第１主面と第２主面に形成されるコイル導体１２ａ、１３ａ、１２ｂ、１３ｂおよび接続端子１５ａ、１５ｂを接続するための貫通孔４２、４３を形成する。コイル導体を接続する貫通孔が４２、接続端子を接続する貫通孔が４３である。貫通孔４２、４３の加工方法は、レーザ加工、サンドブラスト加工、放電加工、超音波加工および機械加工などいずれの方法も適用でき、加工コスト、加工寸法などで決定する必要がある。今回の実施例では、最小加工寸法幅が１３０μｍと微小なこと、加工個所が多いことからサンドブラスト法を用いた。
【００１８】
つぎに、図７に示すように、貫通孔４２、４３に形成される接続導体１４、１６および第１主面、第２主面のコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、接続端子１５ａ、１５ｂを形成する前に、磁性絶縁基板全面にＴｉ／Ｃｕをスパッタ法で成膜し、めっきシード層４４を形成する。このとき、貫通孔４２、４３もめっきシード層４４が形成される。また無電解めっきなどでめっきシード層４４を形成しても構わない。前記のスパッタ法にかぎらず真空蒸着法、ＣＶＤ（ケミカルベイパーデポジション）法、などを用いても良い。但し、フェライト基板１１との密着性を十分得られる方法が望ましい。尚、導電性材料については導電性を持つ材料であればなんでも良い。密着性を得るための密着層として今回はＴｉを用いたが、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａなども用いることができる。また、Ｃｕが後工程の電解めっき工程でめっきが生成されるシード層となるが、これもＮｉ、Ａｕなどを用いることができる。今回は、後工程での加工の容易さも考慮し、Ｔｉ／Ｃｕの膜構成とした。
【００１９】
つぎに、図８に示すように、第１主面、第２主面に形成されるべきコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、接続端子１５ａ、１５ｂのためにパターンをフォトレジスト４５を用いて形成する。本実施例ではネガ型のフィルムタイプのフォトレジスト４５を用いて、これらのパターンを形成した。
つぎに、図９に示すように、レジストパターンの開口部へＣｕを電解めっきしコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを構成するＣｕパターンを形成する。このとき、貫通孔４２、４３へもＣｕがめっきされ、接続導体１４、１６を構成するＣｕパターンも同時に形成されれ、第１主面のコイル導体１２ａ、１３ａと第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂが接続され、ソレノイド状のコイルパターンが形成される。この段階では、メッキシード層４４がフェライト基板１１全面に形成されている。
【００２０】
つぎに、図１０に示すように、電解めっき後、フォトレジスト４５と不要な導電層（Ｔｉ／Ｃｕのシード層４４）を除去することで、所望のコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと接続端子１５ａ、１５ｂでソレノイド状コイル導体が出来上がる。
つぎに、図１１に示すように、コイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ上には絶縁膜で保護膜１８を形成する。本実施例ではフィルム型の絶縁材料を用いた。この保護膜は必ずしも形成する必要はなが、長期信頼性を考慮すると形成しておくのが望ましい。尚、保護膜の形成方法はフィルム型の材料に限定されるものではなく、液状の絶縁材料をスクリーン印刷でパターン形成し、熱硬化させても良い。
【００２１】
尚、コイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂおよび接続端子１５ａ、１５ｂ表面には必要に応じて、Ｎｉ、Ａｕめっきなどを施し、表面処理層を形成する。本実施例では図９に示した工程で、Ｃｕを電解めっき後連続して図示しないＮｉおよびＡｕを電解めっきで形成した。尚、図１０の工程終了後に無電解めっきでこれらを形成してよい。もしくは図１１の後に同様に無電解めっきを実施しても良い。これらの金属保護導体は後工程でのＩＣの接続工程で安定した接続状態を得るためのものである。
つぎに、図１２に示すように、電源ＩＣを形成した半導体基板２２をフェライト基板１１に形成した接続端子１５ａに接続する。本実施例では半導体基板の図示しない電極にスタッドバンプ２１を形成し、このスタッドバンプ２１を接続端子１５ａに超音波接合で固着する。
【００２２】
つぎに、図１３に示すように、アンダーフィル材２３で半導体基板２２とインダクタ１、２を固着する。半導体基板２２とインダクタ１、２の固着方法として本実施例ではスタッドバンプ２１と超音波接合を用いたが、これに限定されるものではなく、はんだ接合、導電接着材などを用いても構わない。ただし、接続部の接続抵抗ができるだけ小さくなる方法が望ましい。
また、半導体基板２２とインダクタ１、２の固定にはアンダーフィル材を用いたが、これは必要に応じて材料を選定すれば良く、エポキシ樹脂などの封止材などでも良い。これらはそれぞれの素子（ＩＣとインダクタ）を固定させ、かつ水分などの影響によってもたらされる不具合に対して、長期信頼性を得るために用いられるものであり、電力変換装置の初期特性そのものには影響しないが、長期信頼性を考慮すると形成するのが望ましい。
【００２３】
前述した工程により、コンデンサ以外の部品（電源ＩＣとインダクタ）を実装した電力変換装置の超小型化をはかることができる。また、電力変換の出力は２系統であり、１出力の超小型電力変換装置を２個配置するよりも、実装面積の減少が図れる。
具体的には、１出力系統の超小型電力変換装置のサイズは幅３．５ｍｍ、長さ３．５ｍｍであり、２出力系統にするためには、少なくとも３．５ｍｍ×７．２ｍｍの実装面積が必要であった。２出力系統の超小型電力変換装置（多出力超小型電力変換装置）とすれば、電源ＩＣの電極数が減少するため（出力２系統のうち、共用できる電極の分、電極数が減るため）、サイズを幅３．５ｍｍ、長さ５．８ｍｍとできて、実装面積の低減を図ることができる。また、厚さは１出力系統の超小型電力変換装置と同じ１ｍｍ程度にできる。このように実装面積を低減できることと、２個の超小型電力変換装置を１個の多出力電力変換装置にできるため、組み立て工数の低減が図れることで、実装コストを半分程度とすることができる。
【００２４】
さらに、積層セラミックコンデンサなどをＩＣ実装面とは逆側のインダクタの接続端子に接合させることにより、一層の小型化を図ることができる。
〔実施例２〕
図１４は、この発明の第２実施例の多出力超小型電力変換装置の製造方法を示し、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図である。ここではフェライト基板の製作方法を示す。
第１実施例では磁気分離層１７の材料として樹脂を用いていたが、本実施例では、セラミックス材料を用いる。前記のように樹脂を用いる場合は、焼結したフェライト基板１１に後工程でフェライト基板１１に切り代４１を形成し、その切り代４１を樹脂で埋める方法を取ったが、本実施例では、フェライトとセラミックスとを同時に焼結して形成する。
【００２５】
まず、同図（ａ）に示すように、フェライトの焼結前のグリーンシート５１を形成する。
つぎに、同図（ｂ）に示すように、グリーンシート５１にパンチング法で切り代５２および貫通孔５３、５４を形成する。
つぎに、同図（ｃ）に示すように、アルミナセラミックスの焼結前のセラミックスペースト５５を印刷法で切り欠き５２内に形成する。この状態で、フェライトとセラミックスを同時に１２００℃で焼結する。このとき、フェライトとセラミックスの焼結温度、焼結による収縮率、熱膨張係数を調整して合わせることで、焼結後に発生するクラックを防止でき、貫通孔の位置精度についても調整することができる。
【００２６】
尚、今回の実施例では、セラミックス材料として、アルミナを用いたが、フェライトとの熱膨張率、収縮率、熱膨張係数を調整できれば何でも良く、チタン酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、ＰＺＴ（チタンサンジルコン酸鉛）なども適用可能である。
フェライト基板形成後のコイル作成工程は、図７から図１３の工程と同様である。本方法を適用した場合、第１実施例と比較すると、耐熱性に優れ、プレッシャークッカーテスト、ＴＨＢ（高温、多湿、電圧印加試験）などの長期信頼性試験に優れ、かつ、材料の熱膨張率を調整するため、ヒートサイクル試験、ヒートショック試験などの信頼性についても優位性がある。もちろん実施例１での効果は同様に得られる。
【００２７】
本実施例では２個のインダクタ１、２を集積したが、出力系統に応じて、さらに集積するインダクタの個数を増やす場合もある。一例として、図１５に示すような、インダクタを４個集積するなどがある。これらは本装置を用いる携帯機器に必要な出力系統と実装コスト、本装置のコストなどを比較して設計すれば良いことは勿論である。
また、コイルパターンについてはソレノイド形状のパターンを適用したが、渦巻き型やトロイダル型のインダクタについても磁気的な分離層を形成することで、前記と同様に多出力超小型電力変換装置を製作することができる。
〔実施例３〕
図１６は、この発明の第３実施例の多出力超小型電力変換装置の要部構成図で、同図（ａ）は第１インダクタの要部平面図、同図（ｂ）は第２インダクタの要部平面図である。これらの図は薄膜磁気誘導素子となるインダクタの上部から透視した要部平面図である。
【００２８】
第１磁性絶縁基板（以下、第１基板６１ａと称す）に第１コイル導体６２ａ、６２ｂと第１接続端子６５ａ、６５ｂを形成してなる第１インダクタ６０ａの平面図と、第２磁性絶縁基板（以下、第２基板６１ｂと称す）に第２コイル導体６３ａ、６３ｂと第２接続端子６６ａ、６６ｂを形成してなる第２インダクタ６０ｂの平面図を別々に記してある。尚、６２ａ、６３ａ、６５ａ、６６ａは第１主面、６２ｂ、６３ｂ、６５ｂ、６６ｂは第２主面に形成したコイル導体と接続端子である。
第１コイル導体６２ｂと接続する第１接続端子６５ｂと、第２コイル導体６３ｂと接続する第２接続端子６６ｂの平面位置をずらすことで、それぞれのインダクタを独立して動作させることができて、２つの出力を得ることができる。また、第１コイル導体６２ａと接続する第１接続端子６５ａと第２コイル導体６３ａと接続する第２接続端子６６ａの平面位置はずらしてもよいし、同一として共通端子としてもよい。図１６はずらした場合の例を示してある。第１基板６１ａと第２基板６１ｂとを隙間を開け、同位置にある第１、第２接続端子６５ｂ、６６ａで固着して積層する。第２接続端子６６ａの表面高さを第２コイル導体６３ａの表面高さより高くする。出力系統数を増やす場合にはインダクタの数を増やして積層する。
【００２９】
第１インダクタ６０ａのコイルは第１主面に形成される第１コイル導体６２ａと第２主面に形成される第１コイル導体６２ｂとこれらのコイル導体を接続する第１接続導体６４ａから構成される。
また、第２インダクタ６１ａのコイルは第１主面に形成される第２コイル導体６３ａと第２主面に形成される第２コイル導体６３ｂとこれらのコイル導体を接続する第２接続導体６４ｂから構成される。
図１７は、図１６の第１インダクタと第２インダクタを積層した要部断面図であり、同図（ａ）は図１６（ａ）、（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断したときの要部断面図、同図（ｂ）は図１６（ａ）、（ｂ）のＹ−Ｙ線で切断したときの要部断面図である。
【００３０】
これらの図にはインダクタのコイルパターンのみでなく、電気的に接続するための第１接続端子６５ａ、６５ｂおよび第２接続端子６６ａ、６６ｂも同時に図示してある。
第１基板６１ａに形成され第１コイル導体６２ａ、６２ｂは、図１６に示すように、第２主面に形成される第１コイル導体６２ｂの平面形状は直線状であり、接続導体６４ａを介して第１主面の第１コイル導体６２ａに電気的に接続される。第１主面の第１コイル導体６２ａは第２主面の隣接した第１コイル導体６２ｂと接続するため、第２主面の第１コイル導体６２ｂと相対的にわずかに斜めに形成される。全体としての第１コイル導体６２ａ、６２ｂと接続導体６４ａで構成されるコイル形状はソレノイド形状となる。
【００３１】
第２基板６１ｂの第２コイル導体６３ａ、６３ｂも第１基板６１ａに形成された第１コイル導体６２ａ、６２ｂと同様であり、第１主面および第２主面の第２コイル導体の６３ａ、６３ｂが接続導体６４ｂを介して電気的に接続される。
これらの第１、第２インダクタ６０ａ、６０ｂは磁性基板を磁気コアとした構成であるが、それぞれ、磁気的に分離するために、第１基板６１ａと第２基板６１ｂが接触しないように隙間を開けた構成としている。この隙間により、２つのインダクタ６０ａ、６０ｂは磁気的に分離される。磁気的に分離されるとは、電源としての動作時に、それぞれのインダクタ６０ａ、６０ｂに電流を印加した場合、相互に誘導起電力が発生しない（相互インダクタンスが小さく、電源の動作に影響しない）ことを意味する。
【００３２】
これらのインダクタ６０ａ、６０ｂを第１基板６１ａの第１接続端子６５ｂと第２基板６１ｂの第２接続端子６６ａとを接合し、２層構造のインダクタとする。第１、第２接続端子６５ｂ、６６ａの接合方法は、はんだ接合、超音波接合、導電ペースト、熱圧着、異方性導電材料などの方法が適用できる。接合面となる第１、第２接続端子の表面の材質は、それぞれ接合方法に適した材質とする。例えば、はんだ接合の場合はＣｕ、Ｓｎ、はんだなどとし、超音波接合や熱圧着の場合はＡｕなどとする。
第１基板６１ａおよび第２基板６１ｂの空隙にはなにも充填しなくても電磁気的特性に影響はないが、機械的な強度、長期信頼性などを考慮すると樹脂などを充填して接着した方が望ましい。
〔実施例４〕
図１８は、この発明の第４実施例の多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。これは図１６のインダクタ６０ａ、６０ｂを用い製作した多出力超小型電力変換装置である。
【００３３】
前記の第１基板６１ａの表面側（第１主面側）に電源ＩＣなどの半導体基板７２（電源用の集積回路）を配置することで、インダクタと電源ＩＣの電力変換装置の２つの主要素を超小型で形成する。電源ＩＣの出力系統は２系統となるよう設計されており、第１インダクタ６０ａ、第２インダクタ６０ｂの２個があることで、電力変換の出力系統を２系統とすることができる。電源ＩＣが形成された半導体基板７２とインダクタ６０ａ、６０ｂとは、図１８ではスタッドバンプ７１を半導体基板７２に形成し、第１基板６１ａに形成された第１接続端子６５ａと超音波接合する。必要に応じて、アンダーフィル７３などで封止する。
【００３４】
図１６の第１インダクタ６０ａの第１接続端子６５ａのＡ部とＢ部、第２インダクタ６１ｂの第２接続端子６６ａのＣ部とＤ部と接続する第１インダクタ６０ａの第１接続端子６５ａのＥ部とＦ部が、半導体基板７１に形成された電源ＩＣからこれらの第１、第２インダクタ６０ａ、６０ｂに電流を流すスタッドバンプ７１と接続する。勿論、半導体基板７１に形成されたその他のスタッドバンプ７１は、第１インダクタ６０ａのその他の第１接続端子６５ａとそれぞれ接続する。
また、図中ではコンデンサは省略している。コンデンサは外付けでも良いが、積層セラミッコンデンサアレイなどのコンデンサ素子を第２インダクタの裏面に配置することで、さらに超小型の電力変換装置が形成される。これらのコンデンサは第２基板６１ｂ上の裏面に形成された第２接続端子６６ｂを介して電気的に接続される。なお、図１６の平面図では図示しないが、それぞれのコイル導体６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂは絶縁樹脂材料である保護膜６８（図２６）で保護されている。
【００３５】
図１９〜図２９は、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造方法であり、それぞれ工程順に示した製造工程断面図である。各製造工程断面図は図１６のＹ−Ｙ線を切断したときの断面図に相当する。
第１インダクタ６０ａと第２インダクタ６０ｂの製作方法はほぼ同一であり、それぞれ別々に製作した後で接合する。図１９〜図２９では、第２インダクタ６０ｂの製作方法を例に説明する。
まず、第２基板６１ａとして、厚さ５２５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト基板を用いた。なお、基板の厚さは必要なインダクタンス、コイル電流値、磁性基板の特性から決定されるものであり、今回の実施例での厚さに限ったものではない。ただし、基板が極端に薄い場合は磁気飽和が起こりやすくなり、また、厚い場合には、電力変換装置自体の厚さが厚くなるため、電力変換装置の目的に合わせ選定する必要がある。なお、絶縁基板としてフェライトを用いたが、絶縁性の磁性基板であればどの材料でも良い。今回は、容易に基板状に成型し得る材料としてフェライト基板を用いた。
【００３６】
まず、図１９のように第２基板６１ｂの第１主面と第２主面の第２コイル導体６３ａ、６３ｂおよび第２接続端子６６ａ、６６ｂを接続導体６４ｂ、６７ｂで接続するための貫通孔９２、９３を形成する。これらの貫通孔９２、９３の加工方法は、レーザ加工、サンドブラスト加工、放電加工、超音波加工、機械加工などいずれの方法も適用でき、加工コスト、加工寸法などで決定する必要がある。今回の実施例では、貫通孔９２、９３の最小加工寸法幅（孔の直径）が１３０μｍと微小なこと、加工個所が多いことからサンドブラスト法を用いた。尚、基板６１ｂの大きさは、インダクタ１個分を製作する箇所の大きさで示したが、実際は点線で示すように多数のインダクタが製作できる大きさであり、最後の工程で切断して１個づつのインダクタにする。
【００３７】
つぎに、貫通孔部の接続導体６４ｂ、６７ｂおよび第１主面、第２主面の第２コイル導体６３ａ、６３ｂ、接続端子６６ａ、６６ｂを形成する。
まず、基板全面に導電性を付与するために、Ｔｉ／Ｃｕをスパッタ法で成膜し、めっきシード層９４を形成する（図２０）。このとき、貫通孔へも導電性は付与されるが、必要であれば、無電解めっきなどを施しても良い。また、スパッタ法に限らず真空蒸着法、ＣＶＤ（ケミカルベイパーデポジション）法、などを用いても良い。無電解めっきのみで形成する方法でも良い。ただし、基板との密着性を十分得られる方法が望ましい。なお、導電性材料については導電性を持つ材料であればなんでも良い。密着性を得るための密着層として今回はＴｉを用いたが、Ｃｒ、Ｗ、ＮｂおよびＴａなども用いることができる。また、Ｃｕが後工程の電界めっき工程でめっきが生成されるシード層となるが、これもＮｉ、Ａｕなどを用いることができる。今回は、後工程での加工の容易さも考慮し、Ｔｉ／Ｃｕの膜構成とした。
【００３８】
つぎに、第１主面、第２主面に形成されるべき第２コイル導体６３ａ、６３ｂおよび第１接続端子６６ａ、６６ｂを形成するためのレジスト９５を被覆し、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成する（図２１）。本実施例ではネガ型のフィルムタイプのレジストを用いて、これらのパターンの形成した。なお、レジスト９５の厚さは４０μｍである。
つぎに、レジストパターンの開口部へ電解めっきでＣｕを形成させる（図２２）。このとき、貫通孔９１、９３へもＣｕがめっきされ、接続導体６４ｂ、６７ｂも同時に形成され、第１主面と第２主面の第２コイル導体６３ａ、６３ｂが接続され、ソレノイド状のコイルが形成される。また、第２接続端子６６ａ、６６ｂのパターンも同時に形成される。Ｃｕめっきの厚さは３５μｍである。
【００３９】
つぎに、第１基板６１ａと第２基板６１ｂを接続する際、第１、第２コイル導体６２ｂ、６３ａが接触しないように、第２接続端子６６ａのみの厚さを厚くするために、図２３に示すように再度レジスト９６を被覆し、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成し、図２４のように、電解めっきで６６ａ部分を最初に形成した金属膜６６ｃの上へ再度金属膜６６ｄを形成してかさ上げする。かさあげが必要ない第２主面（裏面）はパターンのないレジスト９６で保護する。なお、この図２３、図２４の工程は第１インダクタ６０ａでは不要である（勿論、かさ上げしても構わない）。かさ上げの厚さ（金属膜６６ｄの厚さ）は５μｍである。このかさ上げで第２接続導体６６ａの表面高さがコイル導体６３ａの表面高さより高くなり、第１インダクタ６０ａと第２インダクタ６０ｂが磁気的に分離される。
【００４０】
電解めっき後、不要なレジスト、導電層を除去することで、所望の第２コイル導体６３ａ、６３ｂと第２接続端子６６ａ、６６ｂが形成される（図２５）。
つぎに、第２コイル導体６３ａ、６３ｂ上には絶縁膜６８を形成する（図２６）。本実施例ではフィルム型の絶縁材料を用いた。絶縁膜は保護膜としての機能を果たし、不要であれば形成する必要はない。但し、長期信頼性を考慮すると形成しておくのが望ましい。なお、絶縁膜形成方法はフィルム型の材料に限定されるものではなく、液状の絶縁材料をスクリーン印刷でパターン形成し、熱硬化させても良い。
【００４１】
なお、第２コイル導体６３ａ、６３ｂおよび第２接続端子６６ａ、６６ｂの表面には必要に応じて、Ｎｉ、Ａｕめっきなどを施し、表面処理層を形成する。本実施例では図２２に示した工程で、Ｃｕを電解めっき後連続してＮｉおよびＡｕを電解めっきで形成した。図２４の第２接続端子６６ａのかさ上げ工程では、Ａｕの電解めっきを用いた。工程としては図２５の終了後に無電解めっきでこれらを形成してよい。もしくは図２６後に同様に無電解めっきを実施しても良い。これらの金属保護導体は後工程でのＩＣの接続工程で安定した接続状態を得るためのものである。
【００４２】
上記の第２インダクタ６０ｂのものと同様の工程で第１インダクタ６０ａを形成したあと、図２７で示したように、それぞれの第１インダクタ６０ａ、第２インダクタ６０ｂを接続端子６５ｂと接続端子６６ａで固着する。このとき、接続端子６６ａがかさ上げされているため、第１基板６１ａと第２基板６１ｂには隙間ができて磁気的に分離される。また第１コイル導体６２ｂと第２コイル導体６３ａは接触しない。
固着方法には熱圧着接合を用いた。固着方法としては、熱圧着の他に、はんだ接合、導電ペースト接合、超音波接合、異方性導電材料などの方法が適用でき、後工程の温度などを考慮して選定すれば良い。必要があれば、両者の基板間に樹脂材料を封入する。封入方法は、先に樹脂を塗布しておく方法と後から封入する方法があるが、基板同士で接合する場合は、さきに塗布しておくほうが良い。
【００４３】
つぎに、図２８に示したように、電源ＩＣ２２を形成した半導体基板７２を第１基板６１ａに形成した第１接続端子６５ａに接続する。本実施例では電源ＩＣを形成した半導体基板７２にスタッドバンプ７１を形成し、このスタットバンプ７１と第１接続端子６５ａを超音波接続で固着する。その後、図２９に示すようにアンダーフィル７３で半導体基板７２を第１インダクタ６０ａに固定した後、切断線８１で切断して完成する。固着方法として本実施例ではスタッドバンプと超音波接合を用いたが、これに限定されるものではなく、はんだ接合、導電接着材などを用いても問題はない。ただし、接続部の接続抵抗ができるだけ小さくなる手法が望ましい。尚、切断線８２で切断して接続端子６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂおよび接続導体６７ａ、６７ｂが側面に露出しないようにしても構わない。
【００４４】
また、半導体基板７２と第１インダクタ６０ａの固定にはアンダーフィル７３を用いたが、これは必要に応じて材料を選定すれば良く、エポキシ樹脂などの封止材などでも良い。これらはそれぞれの素子を固定させ、かつ水分などの影響によってもたらされる不具合に対して、長期信頼性を得るために用いられるものであり、電力変換装置の初期特性そのものには影響しないが、長期信頼性を考慮すると形成するのが望ましい。
前述した工程により、コンデンサ以外の部品（電源ＩＣとインダクタ）を実装した電力変換装置の超小型化をはかることができる。また、電力変換の出力は２系統であり、従来の１出力の電力変換装置を２個配置するよりも、実装面積の減少が図れる。
【００４５】
具体的には、１出力の従来品では１装置のサイズは幅３．５ｍｍ×長さ３．５ｍｍであるため、２出力にするためには、少なくともサイズは幅３．５ｍｍ×長さ７．０ｍｍの領域が必要である。また、インダクタの総厚が０．６ｍｍ程度であり、電源ＩＣが形成される半導体基板７２が０．３ｍｍ程度であり、合計０．９ｍｍ程度である。実装面積は、実装の能力を考慮すると長さ方向には７．２ｍｍ程度の領域は必要である（厚さは０．９ｍｍ程度）。
一方、本構造では、実装面積は同一の幅３．５ｍｍ×長さ３．５ｍｍで、厚さはインダクタのみの分が厚くなり１．５ｍｍ程度である。つまり実装面積としては半分以下とすることができ、電力変換装置の体積としても、約８割に低減できる。同時に、実装コストについても半分となることは明白である。
【００４６】
さらに積層セラミックコンデンサなどをインダクタのＩＣ実装面とは逆側に接合させることにより、超小型の電力変換装置が形成される。
前記の例では、第１基板および第２基板に製作する第１、第２インダクタ６０ａ、６０ｂの大きさ、厚さを変化させずに製作した例について述べた。
実使用時には、厚さ方向に制限がある場合が多いため、厚さの増加を最小限に減らす必要がある。この例では、全体厚さを薄くするために、基板には厚さ０．３ｍｍ程度のフェライト基板を用いた。
また、別の具体例として、第１、第２インダクタ６０ａ、６０ｂのサイズはそれぞれ幅４ｍｍ×長さ４ｍｍとし、サイズの増加分だけコイルターン数を増加させ、前記の例での１１ターンから１４ターンとしたものを製作する。この場合は、前記の例では、ひとつのインダクタのインダクタンス値は２．０μＨであるが、コイル厚さ（インダクタ厚さ）が薄くなる分、サイズ、ターン数を増加させることにより、インダクタンスを同等の２．０μＨにすることができる。なお、コイル形成後のインダクタ厚さはそれぞれ０．４ｍｍ程度である。このインダクタを用いて、超小型電力変換装置を形成し、サイズ４ｍｍ×４ｍｍであり、半導体基板７２も含めた厚さは１．１ｍｍ程度と薄型にできる。従来例と比べて、実装面積で約５７％、体積で約８０％となる。インダクタのサイズと厚さは、許容できる範囲で小さく設計することで、最適化をはかることができる。
【００４７】
前記のインダクダのコイル導体の形状はソレノイド形状であるが、図３０のようにトロイダル形状としても構わない。トロイダル形状のコイルはコイルが発生する磁束は磁性基板内を通る閉磁路構造であり、第４実施例と同様にインダクタを積層することで多出力超小型電力変換装置が得られる。
また、図３１のように渦巻き形状とした場合は、磁束が外側へ漏れてしまう、開磁路構造であるため、インダクタ同士の磁気的分離を考慮する必要がある。例えば、インダクタ同士の距離を大きく離して積層することで、第４実施例と同様に多出力超小型電力変換装置を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、磁性絶縁基板に磁気分離層を形成して複数のインダクタを集積する、もしくはインダクタが形成された複数の磁性基板を各インダクタ間に隙間ができるよう積層することで、多出力の超小型電力変換装置を形成することができる。これにより、出力に応じて複数必要であった超小型電力変換装置を一つに集積することで、実装面積の減少が図れ、実装コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の多出力超小型電力変換装置のインダクタの要部平面図
【図２】図１のインダクタの要部断面図で、（ａ）は図１のＸ−Ｘ線で切断したときの断面図、（ｂ）は図１のＹ−Ｙ線で切断したときの断面図
【図３】第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【図４】第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図５】図４に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図６】図５に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図７】図６に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図８】図７に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図９】図８に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図１０】図９に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図１１】図１０に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図１２】図１１に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図１３】図１２に続く、第１実施例の多出力超小型電力変換装置の要部工程断面図
【図１４】この発明の第２実施例の多出力超小型電力変換装置のフェライト基板の製造方法を示し、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部工程断面図
【図１５】インダクタを４個、磁性絶縁基板に集積した平面図
【図１６】この発明の第３実施例の多出力超小型電力変換装置の要部構成図で、（ａ）は第１インダクタの要部平面図、（ｂ）は第２インダクタの要部平面図
【図１７】図１６の第１インダクタと第２インダクタを積層した要部断面図であり、（ａ）は図１６（ａ）、（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断したときの要部断面図、（ｂ）は図１６（ａ）、（ｂ）のＹ−Ｙ線で切断したときの要部断面図
【図１８】この発明の第４実施例の多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【図１９】図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２０】図１９に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２１】図２０に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２２】図２１に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２３】図２２に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２４】図２３に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２５】図２４に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２６】図２５に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２７】図２６に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２８】図２７に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図２９】図２８に続く、図１８の多出力超小型電力変換装置の製造工程断面図
【図３０】トロイダル状のコイルの図
【図３１】渦巻き状のコイルの図
【図３２】ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図
【符号の説明】
１、２  インダクタ
１０    テープ
１１    磁性絶縁基板／フェライト基板
１２ａ、１３ａ  コイル導体（第１主面）
１２ｂ、１３ｂ  コイル導体（第２主面）
１４、１６  接続導体
１５ａ  接続端子（第１主面）
１５ｂ  接続端子（第２主面）
１７    磁気分離層
１８    保護膜（絶縁膜）
２１    スタッドバンプ
２２    半導体基板
２３    アンダーフィル
４２、４３、５３、５４  貫通孔
４４    めっきシート層
４５    フォトレジスト
５１    フェライトグリーンシート
５５    セラミックスペースト
６０ａ  第１インダクタ
６０ｂ  第２インダクタ
６１ａ  第１基板
６１ｂ  第２基板
６２ａ  第１コイル導体（第１基板の第１主面）
６２ｂ  第１コイル導体（第１基板の第２主面）
６３ａ  第２コイル導体（第２基板の第１主面）
６３ｂ  第２コイル導体（第２基板の第２主面）
６４ａ、６４ｂ  接続導体（第１基板）
６５ａ  第１接続端子（第１基板の第１主面）
６５ｂ  第１接続端子（第１基板の第２主面）
６６ａ  第２接続端子（第２基板の第１主面）
６６ｂ  第２接続端子（第２基板の第２主面）
６７ａ、６７ｂ  接続導体（第２基板）
７１    スタッドバンプ
７２    半導体基板
７３    アンダーフィル
９２、９３  貫通孔
９４    めっきシート層
９５、９６  レジスト
６６ｃ、６６ｄ  金属膜
８１、８２  切断線
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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