CN101266868A - 超小型电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超小型电力变换装置，其不受形成于薄型磁感应元件的外周部的电极的位置所制约，能够在薄型磁感应元件上的规定位置面安装包括小于薄型磁感应元件的半导体元件的部件。通过在构成薄型磁感应元件(100)的线圈导体(16a)上隔着绝缘层(17)形成配线(14)，并对包括安装于配线(14)上的半导体元件(21)的部件进行固定，能够不限制部件的尺寸，实现部件成本的降低，从而能够使超小型电力变换装置的成本降低。

Description

超小型电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种由半导体集成电路(以下称为IC)等半导体元件和线圈、电容器以及电阻等无源部件构成的DC-DC变换器等的超小型电力变换装置。

背景技术

近年来，电子信息仪器，尤其是携带型的各种电子信息仪器的普及相当显著。这些电子信息仪器多将电池作为电源，内置有DC-DC变换器等电力变换装置。通常该电力变换装置通过将开关元件、整流元件、控制用IC等有源元件和磁部件、电容器、电阻等无源元件的各个别部件安装在陶瓷基板或者塑料等的印刷基板等上，构成为混合型电源模块。

伴随着包括上述携带用的各种电子信息仪器的小型、薄型、轻量化的要求，内置的电力变换装置的小型、薄型、轻量化的要求也越发强烈。混合型电源模块的小型化由于MCM(多芯片模块)技术和叠层陶瓷部件等的技术而不断进步。但是，因为将个别的部件并列地安装在同一基板上，所以电源模块的安装面积的缩小化受到限制。特别是电感器或变压器等磁部件，由于与集成电路相比体积非常大，所以在实现电子仪器的小型、薄型化方面受到最大的限制。

作为针对这些磁部件的小型、薄型化的今后的方向，考虑下述两个方向，即，尽量将芯片部件缩小、减薄并实施面安装的方向；以及在硅基板上以薄膜形成的方向。近年来，也报导有，通过半导体技术的应用，在半导体基板上搭载薄型的微型磁元件(线圈、变压器)的例子。

特别是作为平面型磁部件，公开有：在安装有开关元件或控制电路等半导体部件的半导体基板的表面上，通过薄膜技术形成以磁性基板和铁氧体基板夹持薄膜线圈的形状的平面型磁部件(薄型电感器)(例如，专利文献1等)。

由此，磁元件的薄型化及其安装面积的削减成为可能。但是，由于通过真空处理进行制造，所以成本较高。另外，在电流大的地方进行使用时等，需要针对磁性膜和绝缘膜的极大的叠层工序，存在成本非常高的问题。

作为平面型磁元件，公开有如下形成方法，即，在螺旋状(旋涡状)的线圈导体的间隙中，填充混入带有磁性的微粒子的树脂，并利用铁氧体基板夹持其上面、下面。(例如，专利文献2等)。

在该方法中，由于线圈导体的电感大致与螺旋的次数(匝数)成比例，所以为了获得大的电感，就必须增加匝数。如果不增加安装面积而增加匝数，则必须减小线圈导体的截面积。即，为了获得大的电感，就必须减小线圈导体的截面积，增加导体线长。但是如果减小线圈的截面积，增加导体线长，则存在由于线圈导体的直流电阻增大而导致电力损失增大的问题。

为了消除这点，公开有由磁性绝缘基板和螺线管状线圈导体构成的薄型磁元件，该螺线管状线圈导体是将形成于该磁性绝缘基板的第一主面上的第一导体、形成于上述磁性绝缘基板的第二主面上的第二导体、和形成于贯通上述磁性绝缘基板的贯通孔中的连接导体分别连接而成的(例如，专利文献3等)。

该专利文献3所记载的结构是，在磁性绝缘基板上形成贯通孔，并形成线圈导体时，同时形成用于与半导体元件或安装基板等连接的安装端子，只是在用于形成线圈的磁性绝缘基板上安装IC，不需要新的安装基板，实现超小型、薄型的电力变换装置。

专利文献3记载的超小型电力变换装置的特征在于，具有薄型磁感应元件，该薄型磁感应元件，在磁性绝缘基板上形成贯通孔，在第一主面、第二主面上具有通过该贯通孔电连接的线圈导体，还包括：同样地在第一主面上用于与半导体元件电连接的电极(接合端子)，在第二主面上用于与实际上使用时的印刷板等电连接的电极(安装端子)。通过利用该结构，能够使构成设备的部件停留在最小限度，获得实现薄型化的超小型电力变换装置。下面，对该超小型电力变换装置进行说明。

图15是现有的超小型电力变换装置的结构图，该图(a)是搭载有IC芯片的薄型磁感应元件的主要部分截面图，该图(b)是从薄型磁感应元件的第一主面(表面)透视的主要部分平面图。该图(a)是以该图(b)的Y-Y线切断的主要部分截面图。另外，在该图(b)中以虚线表示IC芯片80。

现有的薄型磁感应元件300在铁氧体基板86的中央部形成有螺线管状的线圈，在周边部形成有电极82、88。螺线管状线圈利用形成于铁氧体基板86的第一主面、第二主面和贯通孔85的线圈导体84(也包括连接导体)制成。电极82形成在第一主面上，电极88形成在第二主面上，并通过形成于贯通孔83的连接导体83a相互连接。

形成于第一主面的电极82与IC芯片80通过钉头凸点(stud bump)81固定，在IC芯片80与铁氧体基板86之间填充有底层填料(underfill)树脂89。另外，形成于第二主面的线圈导体84被保护膜87覆盖。

另外，虽然不是超小型电力变换装置，但是公开有如下的叠层基板：在内部形成有由线圈导体和磁性材料构成的线圈，在上面形成有用于搭载电路部件的外部电极，并在内部设置有用于进行该外部电极与上述线圈的配线的配线图案，由此提高搭载的电路部件的配置自由度(例如，专利文献4等)。

如图15所示，在上述专利文献3的结构中，在薄型磁感应元件的外周部具有与作为半导体元件的IC芯片80的接合电极(电极82)。这是由于薄型磁感应元件的线圈形状为螺线管状，必须将线圈配置在磁感应元件的中央部，所以必然地，与IC芯片80等半导体元件的接合电极必须配置在薄型磁感应元件的外周部。

薄型磁感应元件的特性中的电感值由于大大地依赖于磁感应元件的尺寸，所以为了获得必要的特性，对磁感应元件的尺寸方面的限制非常大。

另一方面，关于半导体元件的尺寸，由特性而尺寸受限制的情况是当然的，但是根据功能也存在能够大幅度降低尺寸的情况。

因此，半导体元件与薄型磁感应元件的尺寸本来不相关，但是在本结构的情况下，由于将半导体元件面安装在薄型磁感应元件上，并且由于电极82配置在外周，所以存在半导体元件的尺寸受薄型磁感应元件的尺寸限制的问题。

因此，即使可以使半导体元件小型化，在薄型磁感应元件不能够小型化的情况下，半导体元件也必须加大尺寸，这是妨碍成本降低的主要原因。

另外，由于电极82配置在外周，所以难以安装多个半导体元件，对于一个薄型磁感应元件，还存在能够安装的半导体元件为一个的限制，从而妨碍多功能化。

另外，专利文献4的叠层基板，虽然与形成于内部的线圈(电感器)连接的部件的配置具有自由度，但是结构复杂，在成本与超小型化方面存在问题。

专利文献1：日本专利特开2001-196542号公报

专利文献2：日本专利特开2002-233140号公报(图1)

专利文献3：日本专利特开2004-274004号公报，对应美国专利US6,930,584号公报以及对应中国申请公开CN1525631号公报

专利文献4：日本专利特开2005-183890号公报

发明内容

本发明的目的在于，解决上述课题，提供一种超小型电力变换装置，其不受形成于薄型磁感应元件的外周部的电极的位置所制约，能够在薄型磁感应元件上的规定位置面安装包括小于薄型磁感应元件的半导体元件的部件。

为了达成上述目的，在包括形成有半导体集成电路的半导体元件、薄型磁感应元件和电容器的超小型电力变换装置中，其中所述薄型磁感应元件包括磁性绝缘基板、形成于该磁性绝缘基板的中央部的线圈、和在该磁性绝缘基板的第一主面和第二主面的外周部通过贯通孔电连接的电极。使其构成为在所述第一主面的线圈形成区域上具有隔着绝缘层、一端与所述电极连接而形成的配线。

另外，所述线圈为螺线管状线圈，其是将形成于所述磁性绝缘基板的第一主面上的第一导体、形成于所述磁性绝缘基板的第二主面上的第二导体、和形成于贯通所述磁性绝缘基板的贯通孔中的连接导体分别连接而成。

另外，也可以采用在所述配线的另一端上连接包括半导体元件的部件的结构。

另外，所述磁性绝缘基板可以为铁氧体基板。

根据本发明，通过在构成薄型磁感应元件的线圈导体上隔着绝缘层形成配线，并将包括规定大小的半导体元件的部件面安装(固定)在该配线上，能够不限制部件的尺寸，实现部件成本的降低，从而能够使超小型电力变换装置的成本降低。

附图说明

图1为本发明第一实施例的超小型电力变换装置的结构图，(a)是从薄型磁感应元件的第一主面透视的主要部分平面图，(b)是沿(a)的Y-Y线切断时的主要部分截面图。

图2为本发明第一实施例的超小型电力变换装置的结构图，(a)是面安装有半导体元件的薄型磁感应元件的主要部分平面图，(b)是沿(a)的Y-Y线切断的主要部分截面图。

图3为图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图4为接续图3的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图5为接续图4的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图6为接续图5的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图7为接续图6的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图8为接续图7的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图9为接续图8的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图10为接续图9的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图11为接续图10的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图12为接续图11的，图1的薄型磁感应元件100的主要部分制造工序的截面图。

图13为本发明第二实施例的超小型电力变换装置的结构图，是从第一主面透视薄型磁感应元件200的主要部分平面图。

图14为在图13的薄型磁感应元件200的配线上固定并面安装有半导体元件和电容器的主要部分平面图。

图15为现有的超小型电力变换装置的结构图，(a)是搭载有IC芯片的薄型磁感应元件的主要部分截面图，(b)是从薄型磁感应元件的第一主面透视的主要部分平面图。

符号说明

11铁氧体基板

12a贯通孔(电极部)

12b连接导体(电极部)

13a贯通孔(线圈导体部)

13b连接导体(线圈导体部)

14配线

14a配线部

14b衬垫(pad)电极

14c连接电极部

14d使配线部、衬垫电极和连接电极部的宽度相等时的配线

15a电极(第一主面)

15b电极(第二主面)

16a线圈导体(第一主面)

16b线圈导体(第二主面)

17绝缘层

18保护膜

21半导体元件

22钉头凸点

23底层填料树脂

31电镀种子层

32、36抗蚀剂图案

33开口部

34导电层

35导电膜

100、200薄型磁感应元件

具体实施方式

通过以下的实施例对实施的方式进行说明

(实施例1)

图1和图2是本发明第一实施例的超小型电力变换装置的结构图，图1(a)是从薄型磁感应元件的第一主面透视的主要部分平面图，图1(b)是沿图1(a)的Y-Y线切断时的主要部分截面图，图2(a)是面安装有半导体元件的薄型磁感应元件的主要部分平面图，图2(b)是沿图2(a)的Y-Y线切断的主要部分截面图。图2的半导体元件21是集成有电源控制部等的电源IC等。

该薄型磁感应元件100的结构为，在形成有贯通孔12a、13a的磁性绝缘基板11上分别形成有第一主面和第二主面的线圈导体16a、16b和电极15a、电极15b，分别利用形成于贯通孔13a的连接导体13b连接线圈导体16a和16b，利用形成于贯通孔12a的连接导体12b连接电极15a和15b，并且在第一主面的线圈导体16a上形成有绝缘层17，在第一主面的电极15a上的绝缘层17上设置有开口部33，在绝缘层17上形成有通过该开口部33与电极15a电连接的配线14。配线14包括配线部14a和衬垫电极部14b以及连接电极部14c，连接电极部14c与电极15a连接，衬垫电极部14b发挥与形成于半导体元件21的未图示的电极(衬垫电极)连接的安装电极的作用。因而，衬垫电极部14b的配置必须配合形成于半导体元件21的电极(衬垫电极)的配置而形成。另外，配线14即使如虚线14d所示，使配线部14a、衬垫电极部14b和连接电极部14c的各自宽度完全相同也没关系。这种情况也必须使相当于衬垫电极部14b的部位的配置与形成于半导体元件21的电极的配置相配合。

另外，第二主面的18是针对线圈导体16b的保护膜。

通过采用这种结构，能够不受薄型磁感应元件100的尺寸和电极15a的位置所左右，任意地设定半导体元件21的尺寸(芯片尺寸)和半导体元件21的电极位置。因此，半导体元件21的尺寸的小型化能够不受薄型磁感应元件100的大小(铁氧体基板11的大小)所左右。通过将半导体元件21的尺寸缩小，能够实现超小型电力变换装置的低成本化。

图3～图12是按照用于说明图1的薄型磁感应元件100的制造工序的制造工序顺序表示的主要部分制造工序截面图。另外，图3～图12是与图1(b)的截面图相当的主要部分截面图。图3～图12仅对一个薄型磁感应元件片进行放大表示，但是实际上，在大的铁氧体基板11上形成有多个这种薄型磁感应元件片，最终沿着未图示的划线将大的铁氧体基板11切断，成为一个薄型磁感应元件100，下面对其进行详细说明。

使用厚度为525μm的Ni-Zn系铁氧体基板11作为磁性绝缘基板。另外，铁氧体基板11的厚度根据必要的电感、线圈电流值、作为铁氧体基板11的磁性绝缘基板的特性而决定，不限定于本次的实施例中的厚度。磁性绝缘基板只要是绝缘性的磁性基板，则可以是任何材料。本次作为容易成型为基板状的材料，使用铁氧体基板11。

首先，在铁氧体基板11上形成贯通孔12a、13a(图3)。贯通孔12a用于连接第一主面的电极15a和第二主面的电极15b，贯通孔13a用于连接第一主面的线圈导体16a和第二主面的线圈导体16b。加工方法能够应用激光加工、喷沙加工、放电加工、超声波加工、机械加工等任何一种方法，必须由加工成本、加工尺寸等决定。在本次的实施例中，由于贯通孔12a、13a的最小加工尺寸宽度微小至0.13mm，并且加工部位多，所以采用喷沙法。

然后，在贯通孔12a、13a和铁氧体基板11的第一主面、第二主面上分别同时形成连接导体12b、13b和线圈导体16a、16b以及电极15a、15b。下面对其进行详细说明。

首先，为了对铁氧体基板11的整个面赋予导电性，利用溅射法进行Cr/Cu成膜，形成电镀种子层31(图4)。此时，对贯通孔12a、13a的侧壁也赋予导电性，但是如果需要，也可以实施无电解电镀等。另外，不限于溅射法，也可以利用真空蒸镀法、CVD(chemical vapordeposition：化学气相沉积)法等。也可以是只利用无电解电镀来形成的方法。但是，希望是能够充分获得与铁氧体基板11的密合性的方法。另外，对于导电性材料，只要是具有导电性的材料即可。作为用于获得密合性的密合层本次虽然使用Cr，但是也能够使用Ti、W、Nb、Ta等。另外，Cu在后面工序的电解电镀工序中为生成电镀的电镀种子层31，但是，除了Cu以外，也能够使用Ni、Au等。本次考虑到后面工序的加工容易度，而利用Cr/Cu的膜结构。

接着，使用光致抗蚀剂形成应该在第一主面、第二主面上形成的线圈导体16a、16b、电极15a、15b的图案。在本实施例中，使用底片型的薄膜类型的光致抗蚀剂来形成这些抗蚀剂图案32(图5)。

然后，通过电解电镀向抗蚀剂图案32的开口部形成作为导电层34的Cu(图6)。此时，对贯通孔12a、13a也进行Cu电镀，同时形成连接导体12b、13b。通过连接导体13b连接第一主面和第二主面的线圈导体16a、16b，形成螺线管状线圈。并且也同时形成电极15a、15b，并利用连接导体12b将彼此连接。电解电镀之后，除去抗蚀剂图案32，然后除去不要的电镀种子层31，由此形成所期望的线圈导体16a、16b和电极15a、15b(图7)。

接着，在形成线圈导体16a的第一主面上以使电极15a部分露出的方式形成绝缘层17，在形成线圈导体16b的第二主面上，在除去电极15b的其他部位形成保护膜18(图8)。在本实施例中两者均使用薄膜型的感光性绝缘材料。绝缘层17发挥层间绝缘膜的作用，其对线圈导体16a和配置于其上部的配线14(配线图案)进行电绝缘。保护膜18发挥保护第二主面的线圈导体16b的作用。另外，这两者(绝缘层17和保护膜18)也具有填充贯通孔12a、13a的内部的功能。由于线圈导体16a、16b是复杂的凹凸结构，所以为了充分埋入导体之间、并且贯通孔12a、13a的内部也无孔埋入，对两者使用真空碾压法。

另外，由于两者的形成为感光性，所以如通常的光致抗蚀剂那样实施曝光、显影，在绝缘层17上也同时形成开口部33。由于使用的感光性绝缘材料为热硬化型，所以在加工后以180℃进行热硬化。另外，绝缘层17、保护膜18的形成方法并不限定于薄膜型的材料，也可以通过丝网印刷使液体状的绝缘材料形成图案，并进行热硬化。

接着，在绝缘层17上利用溅射法形成1μm的作为导电膜35的Al膜(图9)。本次虽然使用溅射法，但是也可以是蒸镀法、CVD法等任何方法，但必须选择能够充分获得与第一主面的电极15a的密合性的方法。为了获得密合性，根据需要可采取在导电膜35的下部也成膜为密合层等。在本实施例中，在作为导电膜35的Al膜之下形成0.2μm的Cr膜，使密合性提高。另外，配线电阻对特性具有影响时，必须采取加厚成膜时的膜厚、或者利用电镀等方法进一步加厚作为导电膜35的Al膜的厚度的方法。对导电膜35(配线材料)也可以利用Al以外的材料，但是要选择能够对应后面工序中的与半导体元件21的连接工序的材料，并且，要考虑配线14的加工进行选择。在本实施例中，由于采用超声波接合，所以选择了Al。

接着，形成用于加工导电膜35的抗蚀剂图案36(图10)，利用湿法蚀刻将导电膜35加工成所希望的形状(图11)，然后剥离抗蚀剂，形成薄型磁感应元件100的配线14(图12)。

利用上述工序，制作薄型磁感应元件100。其后，如图2所示，通过使用钉头凸点22的超声波接合法与半导体元件21进行连接，利用底层填料树脂23对半导体元件21与薄型磁感应元件100之间进行密封，并连接未图示的电容器等，完成超小型电力变换装置。作为连接方法，在本实施例中利用钉头凸点22和超声波接合。但是并不限定于此，利用软钎焊、导电接合材料等也没问题。另外，对于半导体元件21与薄型磁感应元件100的固定，使用了底层填料树脂23，但是这根据需要选择材料即可，也可以利用环氧树脂等密封件。

在本实施例中，薄型磁感应元件100的外形采用3.5mm×3.5mm的形式，在使用与之相同大小的图15所示的现有的薄型磁感应元件300的情况下，由于与半导体元件80连接的电极82配置在外周部，所以半导体元件80的尺寸只能缩小到3.0mm×3.0mm的程度，为了缩小至该程度以上，必须缩小薄型磁感应元件300的大小，从而使特性恶化。

在第一实施例中，能够不缩小薄型磁感应元件100，而只缩小面安装的半导体元件21，具体而言，能够缩小到作为所期望的半导体元件21的尺寸的2.0mm×2.0mm，半导体元件21的成本降低的效果是4/9(面积比)，能够获得大幅度降低成本的效果。

图13和图14是本发明第二实施例的超小型电力变换装置的结构图，图13是从第一主面透视薄型磁感应元件200的主要部分平面图，图14是在图13的薄型磁感应元件200的配线上固定并面安装有半导体元件和电容器的主要部分平面图。

在第二实施例中，例举出以下示例，即，作为部件，在形成于薄型磁感应元件200上的绝缘层17上的配线14上，固定并面安装有1个半导体元件21和3个电容器41。该部件的个数当然根据赋予超小型电力变换装置的功能而进行增减。

在现有的外周电极结构中，由于安装的半导体元件尺寸有限制，难以安装多个具有所期望特性的元件。

但是，根据本发明，由于能够以必要的形状、位置，在薄型磁感应元件200上形成必要的配线14，所以也不受部件尺寸的限制，能够使安装的部件数量增加。由此，即使在要求功能复杂，需要多个部件的情况下，也能够制作没有问题的结构。

这样，通过将包括半导体元件21的多个部件面安装在薄型磁感应元件200上，能够不加大超小型电力变换装置的外形而实现功能的提高。

其中，在第一、第二实施例中，作为线圈，举出螺线管形状线圈作为一个例子，但是，在本发明中，线圈形状没有关系，也能够使用旋涡形状(螺旋形状)等别的形状的线圈。

Claims (4)

1.一种超小型电力变换装置，其包括形成有半导体集成电路的半导体基板、薄型磁感应元件和电容器，所述薄型磁感应元件包括磁性绝缘基板、形成于该磁性绝缘基板的中央部的线圈、和在该磁性绝缘基板的第一主面和第二主面的外周部通过贯通孔电连接的电极，所述超小型电力变换装置的特征在于：

在所述第一主面的线圈形成区域上具有隔着绝缘层，一端与所述电极连接而形成的配线。

2.如权利要求1所述的超小型电力变换装置，其特征在于：

所述线圈为螺线管状线圈，其是将形成于所述磁性绝缘基板的第一主面上的第一导体、形成于所述磁性绝缘基板的第二主面上的第二导体、和形成于贯通所述磁性绝缘基板的贯通孔中的连接导体分别连接而成。

3.如权利要求1或2所述的超小型电力变换装置，其特征在于：

在所述配线的另一端上连接有包括半导体元件的部件。

4.如权利要求1～3中任一项所述的超小型电力变换装置，其特征在于：

所述磁性绝缘基板为铁氧体基板。

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