福岡大学カーボンニュートラルセミナー説明資料

直流給電と半導体

2022年10月6日
福岡大学 半導体実装研究所 所長
兼（公財）福岡県産業・科学技術振興財団 三次元半導体研究センター センター長
末次正
公益財団法人 福岡県産業・科学技術振興財団
三次元半導体研究センター1

半導体実装研究所の紹介

2

半導体実装研究所の紹介
位置

九大伊都キャンパス

ふくおかIST
ﾛﾎﾞｯﾄ･ｼｽﾃﾑ開発センター

福岡大学キャンパス

三次元半導体研究センター（糸島リサーチパーク内）
福岡大学半導体実装研究所
３3

三次元半導体研究センター：
シリコンシーベルト福岡構想の一環として2011年3月に開所
福岡地域：
福岡システムＬＳＩ
総合開発センター

北九州地域：
北九州学術研究都市
産学連携センター

人材育成・設計
先端半導体に関する設計、開発、実装、実証試験、サービス提供試験を行える一連のインフラが整備され、飯塚地域：
九州工業大学マイクロ化
総合技術センター

実 装

実証・製品化支援

三次元半導体研究センター

社会システム実証センター

福岡県の半導体開発総合支援体制

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三次元半導体研究センター(半導体実装研究所)
愛称：C-SIPOS
 部品内蔵基板を中心として3次元実装の設計、試作、評価、試験が量産

レベルで実施できる世界で唯一の研究センターとして、2011年3月に完成（3300m2 2階建、1階がファブ）。
研究センター内に福岡大学半導体実装研究所を設置。
コンソーシアムを形成し、研究活動を実施中。
設計フォーマット、信頼性試験方法などの世界標準を発信できる拠点。
先端の部品内蔵基板試作ライン完備、8インチの評価用TEGウェハ製造ライン保有（企業様の設備の有償利用）
落下衝撃試験・振動熱サイクル試験
・HAST試験など信頼性評価装置保有
・高速伝送特性評価装置保有
新規実装プロセスを開発できる「実装拠点」

5

建物内の配置
レイアウト＆特徴
・Si基板工程とプリント配線基板の融合
・量産基板サイズ製造での試作評価が可能なライン設定★センター標準ワークサイズ：510X407㎜
2F 電気特性評価

8 inch Si IP line Clean room
WaferPlating（Cu,Sn,Au,）
Wafer
lithography
FC,WB,DRIE.Deposition
FIB-SEM
Spatta,FESEM

設備

Printed Circuit Board(Wet line)BG,DG,CMP

reliability
test

chip mounting

chemicalanalysis

plating line
(Surface treatment)

Drilling

コンセプト
・前後工程の垣根を越えた組合せた工法の発信➾業界の常識と固定概念を捨て、未開のプロセスの発掘

pressing

etching andremoving

600×500
lithography

センター狙いどころー1？

要求はさらに加速小型化・薄型化
大容量・高速処理
Low Power
高信頼性
高速大容量転送高性能デバイスとヘテロジニアスな統合設計が重要……高性能化デバイスを支える周辺実装技術（電気特性向上、微細化、小型化等）への新しい付加価値開発に注力

センターの狙いどころ－２
ヘテロジニアスな統合設計が盛んになる近年
LSI分野とパッケージ分野の技術の境目がなくなる…新たな付加価値に
SMD PKG(QFP etc)
付
加価値の分
離

独自の技術開発

Area Array PKG(CSP etc)
実装・材料

KGD
（ウエハーレベル）
実装・材料
プリント基板

実装・材料

プリント基板電子機器（セット・ソフト）

新
たな付
付加
加価
価値
値のの共創有出

プリント基板研究開発も単独企業でのOutPutが厳しい！

企業開発の壁を越えた開発環境が必要！

プラットフォーム“C SIPOS”

企業様R&Dのサポート
from planning and design to evaluation

Fukuoka univ.

3-D CENTER

Fukuoka univ.

・研究開発企画
・設計検討
・シミュレーション

・使用部材最適化
・プロセス設計・プロセスレシピ・評価・解析
・標準化
・学会報告など＋＋

C-SIPOSプラットフォームの方向性

市場ニーズ
高性能化なデバイスに合わせた周辺技術との統合的開発環境が求められる周辺技術における電気特性向上、微細化、小型化等の開発支援（再配線,Package,新材料など…）
部品内蔵基板Fanout 微細再配線（RDL） Si IP Glass IP～2019
PlatForm開発

2020～PlatForm開発の方向性◆RF機能パッケージ製造評価環境★設計・製造・測定➾高速伝送＋機能評価環境※アンテナ、フィルター、受動部品等 RF◆高機能Moduleへの要素開発➾新材料（誘電体、基材、構造）➾2.XＤモジュールに向けた微細配線＆ビア◆PowerPKGの高効率化

部品内蔵技術DEMの展開➾放熱設計、検証、スイッチング特性検証

高速伝送線路C-SIPOS開発のターゲット

Server,GraphicCard(Logic+Memory)
PC,GAME(Logic+Memory)

KeyWord・広帯域・大容量多バス
・部品内蔵
・2．XD構造・微細RDL

BGA
2.5D

GPUカードMCM（Chip平置）

WLP

MultiChipFan-Out

INTEL EMIB
ヘテロジニアス＆チップレット

KeyWord・FO構造大判化
・薄型、小型化
・多バスメモリ
・部品内蔵

Mobile ,Watch(Logic+Memory)
Fan-Out PoP

Sencor ,RF&Antenna,
PowerModule

SOP
Advance
PQFN
ノンリードタイプ

両面放熱 Schweizerp² Pack

モジュール化POL

AiP(5G対応）

KeyWord・アンテナイン・低ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ・高放熱・高耐圧・小型化

パワーアンプモジュール

＝現在取り組んでいる開発テーマ＝プラットフォー
ムの開発

１．部品内蔵基板開発（含むパワーモジュールの用途）
２．次世代インターポーザ開発
３．超微細配線・ビア開発
４．高周波特性評価開発
５．部品内蔵基板の国際標準化活動

1. RF機能パッケージ製造評価環境
プラットフォームの高次元化 開発★設計・製造・測定➾高速伝送＋機能評価環境※アンテナ、フィルター、受動部品等 RF

2. 高機能Moduleへの要素開発➾新材料（誘電体、基材、構造）➾2.XＤ、３Dモジュールに向けた微細配線＆ビア

3. Power PKGの高効率化
部品内蔵技術DEMの展開➾放熱設計、検証、スイッチング特性検証

Beyond 5G向け設備
100GHZまでの高周波特性評価が可能

部品内蔵基板(DEM)のスタック例：1
Fiber reinforced epoxy core base

Demonstration of 3D Stacked DEMs
DEM

Module mounted board

Specification

Stacked DEM・1-2-1DEM size 25mm×25mm×t0.4mm
・Piezo sensor chip 15mm×15mm×t0.2mm
・Mounted board 50.95mm×30mm×t1.0mm

Solder ball φ1.0mm

Cross section of three stacked DEM

Chip resistor

Module mounted board

3D stacked DEMs can be expected to be
applied to Multi-functional integration★富士通インターコネクト
テクノロジーズ様と、IST、福大の共同製作

部品内蔵基板(DEM)のスタック例：2
AIエッジインテリジェントモジュール積層化イメージ

図：ＡＩエッジ用インテリジェントモジュールイメージ例

図：ＡＩエッジ用インテリジェントモジュール センサーモジュール試作品

表面部品

内蔵部品

はんだﾊﾞﾝﾌﾟ

FPGA

Module#1:AIエッジモジュール
Module#2:センサｰモジュｰルa

電源

Module#3:センサｰモジュｰルb

Mainboard
図．AIエッジ用インテリジェントモジュールの積層化イメージ※本開発は、経済産業省委託事業「省エネルギー等国際標準開発」（2029-年度2021年度平成28年度）事業による支援開発です。

★富士通QNET様と、IST、福大の共同製作

19IEC国際標準化活動

国内外の関連業界団体との協業••

2008年から部品内蔵基板の規格化スタート
2008/06 に世界初となるJPCA部品内蔵基板規格EB01発行•EB01 のIEC活動– IEC 62878-1-1 : Generic specification – Test method (IS)– IEC 62878-2-1 : General description of technology(TS)– IEC 62878-2-3 : Design guide(TS)– IEC 62878-2-4 : Test element group (TEG)(TS)
3つのTSは2015.03に発行済
2011/11 JPCA部品内蔵基板規格EB02発行– 設計データフォーマットFUJIKO
EB02のIEC活動– 2015/03/28 IECへPAS提案– IEC 62878-2-5 : Design format（IS）– 2015/10 NP提案
部品内蔵パッケージ関係（活動中）– JPCA UB01の記載して今年発行予定– 2015/05/14 2020/12/05 TC-91 WG6からNP提案（三次元電子モジュールの電気的接続方法）＊2015年国際規格化（IS）第3段及び＊2017年の国際規格化（IS）第4段予定

••

•

第１段

2015.5.26 国際規格発行

第2段

2019.9.16 国際規格発行

直流給電と半導体

17直流給電とは従来の送電方法は交流送電であった。しかし、発電方法に太陽光発電のような直流発電が増え負荷機器にIT機器のような直流負荷が増加してきた。
AC
AC

火力発電
交流送電網
DC
AC

風力発電

IT機器

AC
DC

IT機器

コンピュータ機器
インテリジェントビル

太陽光発電

AC
AC

AC
DC

AC

データセンター

AC
DC

IT機器

AC
DC

IT機器

サーバー機器18直流給電とは発電も負荷も直流機器ならば、途中の交流をなくして直流ー交流、交流ー直流の変換ロスを削減しようというのが直流給電の発想である。

交流送電網
グリッド

IT機器

AC
DC

DC
DC

火力発電

IT機器インテリジェントビル

IT機器

DC
DC

データセンター

太陽光発電

AC
DC

風力発電

DC
DC

IT機器

IT機器の電力消費量は今後も爆発的に増加する。AIやビッグデータ、メタバースなどいずれも莫大な電力を必要とする新技術が急速に拡大する。

直流バス
19

国立研究開発法人科学技術振興機構 低炭素社会戦略センター資料平成 31 年 3 月

情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.1） －IT機器の消費電力の現状と将来予測－

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IT機器消費電力の爆発的増大• 直流電力で動くIT関連の普及が今後増大する。
• Enerdata社の統計とJSTの統計から求めると世界のIT機器が占める電力消費は2016年時点で世界の電力消費の5%である。
• 世界のIT関連消費電力はJST試算によると2016年に比べて2030年は36倍、2050年は4300倍に増加する。（現在の世界の総消費電力より大きい！）• IT機器の消費電力の高効率化、グリーンエネルギーからの電力供給に適した機器構成へと変革しなければいけない。

21

NEDO採択事業
ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム ／「先端実装技術を用いた多重直並列構成アダプティブ電源の研究開発」（2021年度）
事業体
学校法人福岡大学
公益財団法人福岡県産業・科学技術振興財団
学校法人長崎総合科学大学
イサハヤ電子株式会社
22

研究開発全体の俯瞰図（多重直並列アダプティブ電源）

図5 再生可能エネルギーを含んだ直並列電源構成直流給電システム

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再生可能エネルギーを含んだDC給電システム
による将来のビル内給電網
ビル内外給電網(DC1500V Bus、従来は380V)
PVFC

大容量化

Server Room 1
1500Vdc

DC-DC
Converter

DC-DC
Converter

DC-DC
Converter

AC-DC
Converter

1500 Vdc

Sever Room 2

1500Vdc
DC-DC
Converter

DC-DC
Converter

PVFC

1500 Vdc
DC-DC
Converter

48 Vdc/24 Vdc/12 Vdc/5 Vdc

ICTEquipment
48 Vdc/24 Vdc/12 Vdc/5 Vdc

ICTEquipment

Power Room

AC-DC
Converter

Batteries

Commercial power (AC)Power Receiving / Distribution Boards,
RectifierEngineGenerator

24研究開発全体の俯瞰図（多重直並列アダプティブ電源）
出力:DC48V(6kW)

入力:DC1500V
入力側は4直列構成

入力:DC500V

標準コンバータ

標準コンバータ

出力:DC48V(1.5kW)

出力側は4並列構成

標準コンバータ

標準コンバータ

フルブリッジDC-DCコンバータ（標準コンバータと呼ぶ）
標準コンバータ（４直列コンバータと呼ぶ）
入力 DC1500V

出力DC48V (24kW)

GND

標準コンバ
標準ータ
コンバ
標準 標準コンバ
標準コンバ
標準ータータコンバ
コンバ
ータ 標準コンバ
標準ータ ータコンバ
ータータ

標準コンバータ

GND（直並列コンバータと呼ぶ）

Fig. 1-2-4. 標準コンバータの多重直並列構成による大出力化

25部品内蔵基板パワーモジュール（先端実装技術）
パワー半導体、ドライブ回路、２次側回路をそれぞれパワーモジュール化

標準コンバータ回路図

P(DC+)
U(Output)
P(DC+)

放熱板（絶縁）N(DC-)Q1
U1(Output)

G1

Q3

G3
U2(Output)
Q2

G2

G4Q4

N(DC-)
部品内蔵基板パワーモジュール（パワーモジュールと呼ぶ）

パワー半導体周辺の回路

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部品内蔵基板パワーモジュール
部品内蔵基板の特徴
小型化、放熱性向上、信頼性向上、寄生容量低減
P
Cu block

MOSFETUN

MOSFET

ヒートスプレッダー

2021年度NEDO事業成果
市販パワーモジュール
40.6X15.7X4.8mm寄生イ
ンダクタンス
36nH
2021年度作製ハーフブリッジ
パワーモジュール断面構造

2021年度作製部品内
蔵パワーモジュール
26.5X16.5X1.1mm
寄生インダクタンス
1.6nHを達成

まとめカーボンニュートラルを実現するために、爆発的に増大するIT関連電力消費における高効率化、グリーンエネ
ルギ化を進める直流給電機器を開発している。

NEDO事業２０２１年度採択され、多重直並列構成アダプティブ電源を開発した。２０２２年度再度採択され現在電源の大出力化、高集積化を進めている。

ご清聴ありがとうございました。
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