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    • 专利摘要:
    Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen, der mehrere Spannungsausgänge ausgibt, klein und dünn ist, wenig Unterbringungsfläche belegt und mehrere Ausgangssysteme hat. Ein Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält zwei Induktoren (1, 2), welche jeweils eine Magnetspule enthalten. Die Spulen bestehen aus auf einer ersten Hauptoberfläche eines magnetisch isolierenden Substrats (11) gebildeten Spulenleitern (12a, 13a), auf einer zweiten Hauptoberfläche des Substrats gebildeten Spulenleitern (12b, 13b), welche die planare Gestalt einer geraden Linie haben, und Verbindungsleitern (14) in Durchgangslöchern, welche Verbindungsleiter die Spulenleiter auf der ersten Hauptoberfläche und die Spulenleiter auf der zweiten Hauptoberfläche elektrisch verbinden. Die zwei Induktoren (1, 2) sind durch eine magnetisch isolierende Schicht (17) magnetisch voneinander isoliert. Ein Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen wird durch Bereitstellung mehrerer Induktoren erzielt.
    公开号:DE102004011958A1
    申请号:DE102004011958
    申请日:2004-03-11
    公开日:2004-09-23
    发明作者:Masaharu Edo；Haruhiko Nishio
    申请人:Fuji Electric Holdings Ltd；
    IPC主号:H01F37-00
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betriffteinen Mikro-Stromrichter, wie etwa einen Gleichspannungswandler,für mehrereAusgänge.Der Mikro-Stromrichter umfaßteine auf einem Halbleitersubstrat gebildete integrierte Halbleiterschaltung(im folgenden als IC abgekürzt)sowie passive Bauelemente einschließlich Spulen, Kondensatorenund Widerständen.
    [0002] In den letzten Jahren haben elektronischeInformationsverarbeitungsgeräte,insbesondere verschiedenartigste tragbare elektronische Informationsverarbeitungsgeräte, einebemerkenswert weite Verbreitung gefunden. Viele der elektronischenInformationsverarbeitungsgerätehaben eine Batterie als Leistungsquelle und sind mit einem Stromrichter,wie etwa einem Gleichspannungswandler ausgestattet. Der Stromrichterhat gewöhnlichden Aufbau eines hybriden Moduls, welches diskrete Teile aus aktiven Bauelementenund passiven Bauelementen enthält, dieauf einer Leiterplatte aus Keramik oder Kunststoff angeordnet sind.Die aktiven Bauelemente umfassen Schalteinrichtungen, Gleichrichterund Steuer-ICs; die passiven Bauelemente umfassen Spulen, Übertrager,Kondensatoren und Widerstände.
    [0003] 32 zeigteine Schaltung eines Gleichspannungswandlers. Der von der gestricheltenLinie 50 eingerahmte Bereich stellt eine Gleichspannungswandler-Schaltungdar.
    [0004] Der Gleichspannungswandler bestehtaus einem Eingangskondensator Ci, einem Ausgangskondensator Co,einem Stellwiderstand RT, einem Kondensator CT, einem Induktor Lund einem Stromversorgungs-IC. Eine Gleichspannung Vi wird eingegeben;MOSFETs des Stromversorgungs-IC schalten ein und aus, und eine spezifizierteAusgangsgleichspannung Vo wird ausgegeben. Der Induktor L und derAusgangskondensator Co sind Teile einer Filterschaltung zum Ausgebeneiner Gleichspannung.
    [0005] Wenn der Gleichstromwiderstand desInduktors L in der Schaltung zunimmt, nimmt der Spannungsabfallin diesem Teil zu, was einen Rückgang derAusgangsspannung Vo zur Folge hat, was bedeutet, daß der Wirkungsgraddes Stromrichtvorgangs des Gleichspannungswandlers abnimmt. Die Miniaturisierungtragbarer und vielfältigeranderer elektronischer Informationsverarbeitungsgeräte bedarfin hohem Maßeder Miniaturisierung eines in das Gerät eingebauten Stromrichters.Die Miniaturisierung hybrider Stromversorgungsmodule machte mit Hilfeder MCM-Technik (Mehrchipmodul-Technik) und der Keramikteile-SchichtungstechnikFortschritte. Jedoch schränktdas Montieren bzw. Packen auf einem Substrat angeordneter diskreterTeile die Verringerung einer Unterbringungsfläche des Stromversorgungsmodulsein. Insbesondere Magnetinduktionselemente wie Induktoren und Übertrager,welche viel größeren Raumbedarfals ICs haben, verursachen bei der Miniaturisierung elektronischerGeräte diestärkstenEinschränkungen.
    [0006] Die Miniaturisierung der Magnetinduktionselementekönntein zwei Richtungen versucht werden: in einer Richtung, in welcherdie Gesamtgröße der Stromversorgungdurch planares Montieren von bis zu einer äußersten Grenze miniaturisiertenChipteilen verringert wird, und in einer anderen Richtung, in welcherDünnfilm-Teileauf einem Siliziumsubstrat gebildet werden. Jüngst wurden einige Beispieleoffenbart, in welchen bedingt durch den Bedarf nach Miniaturisierungvon Magnetinduktionselementen dünnemagnetische Mikro-Bauelemente, zum Beispiel Spulen und Übertrager,unter Anwendung von Halbleitertechnologie auf einem Halbleitersubstrat befestigtwerden ( JP 2001-196542A ).
    [0007] Das Bauelement der JP 2001-196542 A ist einplanares Magnetinduktionselement, konkret ein Dünnfilm-Induktor, welches bzw.welcher eine zwischen einem magnetischen Dünnfilm und einem Ferritsubstratschichtenweise angeordnete, mittels Dünnfilm-Technologie auf einerOberflächeeines Halbleiterbauelemente wie Schaltelemente und Steuerschaltungenenthaltenden Halbleitersubstrats gebildete Dünnfilm-Spule umfaßt. EinDünnfilm-Magnetinduktionselementund eine Verringerung der Unterbringungsfläche wurden durch das Bauelement der JP 2001-196542 A erreicht.Probleme bleiben jedoch insoweit bestehen, als es noch viele diskrete Chipteilegibt und die Unterbringungsflächeimmer noch groß ist.
    [0008] Zur Lösung der Probleme wurde einin der JP 2002-233140A offenbarter Mikro-Stromrichter vorgeschlagen. Ein indiesen Mikro-Stromrichter eingebautes planares Magnetinduktionselementwird durch Fülleneines Spalts eines spiralförmigenSpulenleiters mit magnetische Feinpartikel enthaltendem Harz unddurch schichtenweises Anordnen des Spulenleiters mit Ferritsubstratengebildet.
    [0009] Der oben beschriebene Mikro-Stromrichter istzwar klein und dünn,hat aber nur ein magnetisches Induktorelement und einen IC und führt zu einemSystem mit einem Ausgang mit einem Eingang und einem Ausgang. Deshalbist eine Vielzahl von Mikro-Stromrichtern erforderlich, um eineVielzahl von Ausgängenzu erhalten.
    [0010] Viele der tragbaren und anderen elektronischenGeräte,welche einen Mikro-Stromrichter erfordern, benötigen eine Vielzahl von Ausgängen, das heißt, benötigen eineVielzahl verschiedener Ausgangsspannungen. Deshalb ist eine Vielzahlvon Mikro-Stromrichtern erforderlich und ist die Unterbringungsfläche für die Stromrichtergroß,was erhöhteMontagekosten zur Folge hat.
    [0011] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,die obigen Probleme zu lösenund einen Mikro-Stromrichtermit mehreren Ausgängenzu schaffen, welcher Stromrichter eine Vielzahl von Ausgangsspannungenliefert, klein und dünnist, wenig Unterbringungsflächebelegt und eine Vielzahl von Ausgangssystemen aufweist.
    [0012] Die Lösung der Aufgabe ergibt sichaus den Patentansprüchen1 und 2. Die Unteransprüchebeziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.Dabei sind auch andere Kombinationen von Merkmalen als die beanspruchtenmöglich.
    [0013] Um vorstehende Aufgabe zu lösen, besitzt einMikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindungdie folgenden Merkmale.
    [0014] Nachfolgend werden Ausführungsformen derErfindung anhand der Zeichnung nähererläutert.
    [0015] 1 isteine Draufsicht eines wesentlichen Teils des ersten Beispiels einerAusführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0016] 2(a) isteine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines in 1 gezeigten Induktors längs derLinie X-X in 1.
    [0017] 2(b) isteine Schnittansicht eines wesentlichen Teils von in 1 gezeigten Induktoren längs derLinie Y-Y in 1.
    [0018] 3 isteine Schnittansicht eines wesentlichen Teils des ersten Beispielseiner Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0019] 4 veranschaulichteinen Schritt der Herstellung des ersten Beispiels einei Ausführungsform einesMikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0020] 5 veranschaulichteinen auf den Schritt in 4 folgendenSchnitt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0021] 6 veranschaulichteinen auf den Schritt in 5 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0022] 7 veranschaulichteinen auf den Schritt in 6 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0023] 8 veranschaulichteinen auf den Schritt in 7 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0024] 9 veranschaulichteinen auf den Schritt in 8 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0025] 10 veranschaulichteinen auf den Schritt in 9 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0026] 11 veranschaulichteinen auf den Schritt in 10 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0027] 12 veranschaulichteinen auf den Schritt in 11 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0028] 13 veranschaulichteinen auf den Schritt in 12 folgendenSchritt der Herstellung des ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0029] 14(a) veranschaulichteinen Schritt zur Bildung eines Ferritsubstrats im zweiten Beispieleiner Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0030] 14(b) veranschaulichteinen auf den Schritt in 14(a) folgendenSchritt zur Bildung des Ferritsubstrats im zweiten Beispiel einerAusführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0031] 14(c) veranschaulichteinen auf den Schritt in 14(b) folgendenSchritt zur Bildung des Ferritsubstrats im zweiten Beispiel einerAusführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0032] 15 zeigtvier auf einem magnetisch isolierenden Substrat integrierte Induktoren.
    [0033] 16(a) isteine Draufsicht eines wesentlichen Teils eines ersten Induktorsim dritten Beispiel einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0034] 16(b) isteine Draufsicht eines wesentlichen Teils eines zweiten Induktorsim dritten Beispiel einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0035] 17(a) isteine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus des ersten Induktorsund des zweiten Induktors in 16(a) und 16(b) längs der Linien X-X in 16(a) und 16(b).
    [0036] 17(b) isteine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus des ersten Induktorsund des zweiten Induktors in 16(a) und 16(b) längs der Linien Y-Y in 16(a) und 16(b).
    [0037] 18 isteine Schnittansicht eines wesentlichen Teils des vierten Beispielseiner Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0038] 19 veranschaulichteinen Schritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0039] 20 veranschaulichteinen auf den Schritt in 19 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0040] 21 veranschaulichteinen auf den Schritt in 20 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0041] 22 veranschaulichteinen auf den Schritt in 21 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0042] 23 veranschaulichteinen auf den Schritt in 22 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0043] 24 veranschaulichteinen auf den Schritt in 23 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0044] 25 veranschaulichteinen auf den Schritt in 24 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0045] 26 veranschaulichteinen auf den Schritt in 25 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0046] 27 veranschaulichteinen auf den Schritt in 26 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0047] 28 veranschaulichteinen auf den Schritt in 27 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0048] 29 veranschaulichteinen auf den Schritt in 28 folgendenSchritt der Herstellung des Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen in 18.
    [0049] 30 zeigteine Spule in Toroidform.
    [0050] 31 zeigteine Spule in Spiralform.
    [0051] 32 zeigteine Schaltung eines Gleichspannungswandlers.
    [0052] 1 und 2 zeigen einen wesentlichen Aufbaueines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß einem ersten Beispiel einerAusführungsformder vorliegenden Erfindung. 1 isteine Draufsicht eines Induktors, welcher ein Dünnfilm-Magnetinduktionselementist. 2(a) ist eine Schnittansichtlängs derLinie X-X in 1. 2(b) ist eine Schnittansichtlängs derLinie Y-Y in 1. In diesem Beispielgibt es zwei Induktoren. Diese Figuren enthalten nicht nur Spulenmusterder Induktoren, sondern auch Anschlußpunkte 15a und 15b,welche Packungs-Anschlußpunkteder Induktoren zur Herstellung der elektrischen Verbindung sind.
    [0053] In 1 sinddie Spulenleiter 12a und 13a auf der ersten Hauptoberfläche dermagnetisch isolierenden Substrate 11 gebildet und sinddie Spulenleiter 12b und 13b auf der zweiten Hauptoberfläche derSubstrate gebildet. Die auf der zweiten Hauptoberfläche gebildetenSpulenleiter 12b und 13b sind in der Draufsichtvon geradliniger Gestalt. Die Spulenleiter 12b und 13b sinddurch in Durchgangslöchern gebildeteVerbindungsleiter 14 mit den Spulenleitern 12a und 13a aufder ersten Hauptoberflächeelektrisch verbunden. Jeder der Spulenleiter 12a und 13a aufder ersten Hauptoberfläche,welcher durch einen Verbindungsleiter 14 mit einem angrenzendenSpulenleiter von den Spulenleitern 12b und 13b aufder zweiten Hauptoberflächeverbunden ist, ist bezogen auf die Spulenleiter 12b und 13b leichtschrägangeordnet. Die Figur ist übertriebengezeichnet. Der Spulenleiter 12a, der Spulenleiter 12b undder Verbindungsleiter 14 bilden eine Magnetspule, und derSpulenleiter 13a, der Spulenleiter 13b und derVerbindungsleiter 14 bilden eine andere Magnetspule.
    [0054] Eine magnetisch isolierende Schicht 17 ist auseinem nichtmagnetischen Material zwischen den magnetisch isolierendenSubstraten 11 gebildet. Die magnetisch isolierende Schicht 17 isolierteinen Induktor 1, welcher ein aus dem magnetisch isolierendenSubstrat 11, den Spulenleitern 12a und 12b und demVerbindungsleiter 14 bestehendes Dünnfilm-Magnetinduktionselementist, magnetisch von einem Induktor 2, welcher ein anderes,aus dem magnetisch isolierenden Substrat 11, den Spulenleitern 13a und 13b unddem Verbindungsleiter 14 bestehendes Dünnfilm-Magnetinduktionselementist.
    [0055] „Magnetisch isoliert" bedeutet hier, daß keine Gegeninduktionsspannungerzeugt wird, wenn im Induktor 1 oder im Induktor 2 während desBetriebs als Stromversorgung elektrischer Strom fließt. Diesbedeutet, daß dieGegeninduktivitätniedrig genug ist, um den Betrieb der Stromversorgung nicht zu beeinträchtigen.
    [0056] 3 isteine Schnittansicht eines wesentlichen Teils des ersten Beispielseines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen. Ein Halbleitersubstrat 22 zumAnbringen einer integrierten Stromversorgungsschaltung (eines Stromversorgungs-IC)erstreckt sich übereine Oberfläche,hier die obere Oberfläche,der magnetisch isolierenden Substrate 11. Induktoren undStromversorgungs-IC, welche zwei Arten von Hauptelementen einesStromrichters sind, sind im ganzen integriert und miniaturisiert.Der Stromversorgungs-IC ist so ausgelegt, daß er zwei Ausgangssysteme hat.Da auch zwei Induktoren gebildet sind, bietet der Stromrichter zweiAusgänge. AufElektroden des auf dem Halbleitersubstrat 22 gebildetenStromversorgungs-IC sind Höcker 21 gebildet.Das Halbleitersubstrat 22 und die auf dem magnetisch isolierendenSubstrat 11 gebildeten Anschlußpunkte 15a sind durchdie Höcker 21 ultraschall-gebondet.Eine Unterfüllung 23 kannnach Bedarf zur Abdichtung vorgesehen sein.
    [0057] Ein Kondensator ist in 3 weggelassen. Obwohl diskreteKondensatoren vorgesehen sein können,kann zur weiteren Miniaturisierung ein Kondensatorelement aus einemSchichtkeramikkondensator-Arraymit dem auf der anderen Seite des magnetisch isolierenden Substrats 11 gebildetenAnschlußpunkt 15b verbundensein.
    [0058] Die Anschlußpunkte 15a und 15b sinddurch einen Verbindungsleiter 16 elektrisch verbunden.Die Spulenleiter 12a, 12b, 13a und 13b sindmit einem Schutzfilm 18 aus einem isolierenden Harzmaterial überzogen,welcher in der Draufsicht in 1 nicht dargestelltist.
    [0059] Die 4 bis 13 zeigen ein Verfahren zur Herstellungdes ersten Beispiels einer Ausführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen und sind Schnittansichten,welche wesentliche Schritte in der Reihenfolge der Herstellungsprozesseveranschaulichen. Die Figuren veranschaulichen ein Herstellungsverfahrenfür Induktoren,und die Schnitte entsprechen in etwa dem Schnitt längs Y-Yin 1.
    [0060] Ein verwendetes magnetisch isolierendes Substratwar ein Ferritsubstrat 11 aus Ni-Zn mit einer Dicke von525 μm.Die Dicke des magnetisch isolierenden Substrats wird aufgrund dererforderlichen Induktivität,des erforderlichen Spulenstroms und der Eigenschaften des magnetischenSubstrats bestimmt und ist nicht auf den Wert in diesem Beispiels beschränkt. Wenndas magnetisch isolierende Substrat jedoch extrem dünn ist,kann eher magnetische Sättigungauftreten; wenn das Substrat zu dick ist, wird der Stromrichterselbst dick. Folglich muß dieDicke entsprechend dem Einsatzzweck des Stromrichters bestimmt werden.Obwohl im Beispiel ein magnetisch isolierendes Substrat aus Ferritverwendet wurde, kann auch jedes andere geeignete isolierende undmagnetische Substrat verwendet werden. Zur Erleichterung der Formgebungdes Substrats wurde hier ein Ferritsubstrat verwendet.
    [0061] Zuerst wird ein Ferritsubstrat 11 zurBildung einer magnetisch isolierenden Schicht im Ferritsubstratwie in 4 gezeigt geschnitten.Das Schneiden kann mittels eines der folgenden Verfahren erfolgen: Laserstrahl-Bearbeitung,Sandstrahlbearbeitung, Funkenerodierbearbeitung, Ultraschallbearbeitung, Dicing.In diesem Beispiel wurde Dicing angewendet, um das magnetisch isolierendeSubstrat in zwei Hälftenzu schneiden. Das magnetisch isolierende Substrat wurde zuvor miteinem Klebeband 10 fixiert, um zu verhindern, daß die geschnittenenTeile des magnetisch isolierenden Substrats sich auseinanderbewegen.Das zum Dicen verwendete Blatt war 60 μm dick, und der Schnittspalt 41 war70 μm weit.
    [0062] Das Klebeband 10 kann einunter WärmeeinwirkungablösbaresBand sein, dessen Haftvermögendurch Wärmeabnimmt, oder ein unter Ultraviolettlicht-Einwirkung ablösbares Band,dessen Haftvermögendurch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht abnimmt. Es kann jedesbeliebige Klebeband verwendet werden, solange es während desDicens haftet und in einem späterenSchritt leicht abzulösenist. In diesem Beispiel wurde ein unter Ultraviolettlicht-EinwirkungablösbaresKlebeband verwendet.
    [0063] Der Schnittspalt wurde mit flüssigem Harz gefüllt, dasdurch Erwärmungausgehärtetwurde, um eine magnetisch isolierende Schicht 17 aus nichtmagnetischemMaterial zu bilden, welche die zwei magnetisch isolierenden Substrateverbindet, wie in 5 gezeigt.Das Füllendes Schnittspalts mit Harz erfolgte durch mehrmaliges Wiederholender Schritte, in welchen flüssigesHarz mittels Siebdruck am Schnittspalt aufgebracht wurde und dasflüssigeHarz ausgehärtetwurde. Die sich ergebende Oberfläche wurdepoliert, um eine Stufe zwischen der Oberfläche des Ferritsubstrats undder Oberflächedes Harzes zu beseitigen.
    [0064] Dann wurden, wie in 6 gezeigt, Durchgangslöcher 42 und 43 gebildet,um die Spulenleiter 12a, 13a und die Anschlußpunkte 15a inder ersten Hauptoberflächemit den entsprechenden Teilen der Spulenleiter 12b, 13b undden Anschlußpunkten 15b inder zweiten Hauptoberflächezu verbinden. Die Spulenleiter werden durch das Durchgangsloch 42 verbunden,und die Anschlußpunktewerden durch das Durchgangsloch 43 verbunden. Die Herstellung derDurchgangslöcher 42 und 43 kannmittels eines der folgenden Verfahren erfolgen: Laserstrahl-Bearbeitung,Sandstrahlbearbeitung, Funkenerodierbearbeitung, Ultraschallbearbeitungund Bohren. Die Auswahl des Verfahrens hat unter Berücksichtigung derBearbeitungskosten und der Bearbeitungsabmessungen zu erfolgen.In diesem Beispiel wurde das Sandstrahlverfahren verwendet, da dieminimale Breite der Bearbeitungsabmessung ein kleiner Wert von 130 μm war undeine großeZahl von Stellen zu bearbeiten war.
    [0065] Eine Impfschicht 44 für einenMetallüberzug, bestehendaus einer dünnenleitfähigenSchicht aus Kupfer auf einer dünnenHaftschicht aus Titan, wurde, als Vorbehandlung zum Bilden der Verbindungsleiter 14 und 16 inden Durchgangslöchern 42 und 43, derSpulenleiter 12a, 12b, 13a und 13b aufder ersten und zweiten Hauptoberfläche und der Anschlußpunkte 15a und 15b,durch Sputtern auf der gesamten Oberfläche des magnetisch isolierendenSubstrats aufgebracht, wie in 7 gezeigt.Die Impfschicht 44 füreinen Metallüberzugkann alternativ durch stromlose Beschichtung (Plattieren) gebildetwerden. Anstelle des Sputter-Verfahrens kann ein Vakuumniederschlagsverfahrenoder ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) angewendet werden.Das Verfahren soll eine ausrei chende Haftung am Ferritsubstrat 11 ergeben.Der leitfähigeWerkstoff kann jeder beliebige geeignete Werkstoff sein, der elektrischeLeitfähigkeitaufweist. Obwohl als Haftschicht Titan verwendet wurde, können auchandere Werkstoffe einschließlichCr, W, Nb und Ta verwendet werden. Das Kupfer dient als Impfschichtfür dennächstenGalvanisierschritt. Anstelle des Kupfers kann auch Nickel oder Goldverwendet werden. In diesem Beispiel wurde zur Erleichterung derBearbeitung in den weiteren Schritten Kupfer auf Titan gewählt.
    [0066] Dann wird mittels Photolack 45 einMuster zur Bildung der Spulenleiter 12a, 12b, 13a, 13b und derAnschlußpunkte 15a, 15b aufder ersten und zweiten Hauptoberfläche gebildet, wie in 8 gezeigt. Das Muster wurdemit filmartigem Negativ-Photolack 45 gebildet.
    [0067] Der offenliegende Teil des Abdecklack-Musterswird galvanisch mit Kupfer überzogen,um ein die Spulenleiter 12a, 12b, 13a, 13b darstellendesKupfermuster zu bilden, wie in 9 gezeigt.Gleichzeitig werden die Durchgangslöcher 42 und 43 mitKupfer überzogen,um das die Verbindungsleiter 14 und 16 darstellendeKupfermuster zu bilden. Die Spulenleiter 12a, 13a aufder ersten Hauptoberflächeund die Spulenleiter 12b, 13b auf der zweitenHauptoberflächewerden durch die Verbindungsleiter verbunden, um ein Spulenmusterin Gestalt einer Magnetspule zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt verbleibtdie Impfschicht 44 füreinen Metallüberzugauf der gesamten Oberflächedes Ferritsubstrats 11.
    [0068] Nach dem Galvanisieren werden derPhotolack 45 und die überflüssige leitfähige Schicht,welche eine Impfschicht 44 aus Kupfer auf Titan ist, entfernt,wie in 10 gezeigt. Aufdiese Weise wird ein Spulenleiter in Gestalt einer Magnetspule,welcher aus den Spulenleitern 12a, 12b, 13a, 13b undden Anschlußpunkten 15a, 15b besteht,erzielt.
    [0069] Die Spulenleiter 12a, 12b, 13a, 13b werden miteinem Schutzfilm 18 aus einem isolierenden Film überzogen,wie in 11 gezeigt. Indiesem Beispiel wurde ein filmartiges Isoliermaterial verwendet.Der Schutzfilm ist nicht unverzichtbar. Aber im Hinblick auf dieLangzeit-Zuverlässigkeitsollte der Film besser gebildet werden. Der Schutzfilm ist nichtdarauf beschränkt,aus filmartigem Material gebildet zu werden; es kann auch ein flüssiges Isoliermaterialverwendet werden, um mittels Siebdruck ein Muster zu bilden, dasanschließenddurch Erwärmungausgehärtetwird.
    [0070] Die Oberflächen der Spulenleiter 12a, 12b, 13a, 13b undder Anschlußpunkte 15a, 15b können mitNickel oder Gold überzogenwerden, um bei Bedarf eine Oberflächenbehandlungsschicht zu bilden. Indiesem Beispiel wurden im in 9 gezeigtenProzeß imAnschluß andas galvanische Überziehenmit Kupfer noch Nickel und Gold (in der Figur nicht dargestellt)galvanisch aufgebracht. Die Oberflächenbehandlungsschicht kannnach dem Schritt in 10 durchstromlose Beschichtung gebildet werden. Oder die stromlose Beschichtungkann nach dem Schritt in 11 erfolgen.Die Oberflächenbehandlungsschichtaus einem schützendenmetallischen Leiter kann dabei helfen, in einem späteren Schrittdes Anschließensdes IC einen stabilen Zustand aufrechtzuerhalten.
    [0071] Dann wird ein Halbleitersubstrat 22 zumAnbringen eines Stromversorgungs-IC mit den auf dem Ferritsubstrat 11 gebildetenAnschlußpunkten 15a verbunden,wie in 12 gezeigt. Indiesem Beispiel werden auf einer in der Figur nicht dargestelltenElektrode im Halbleitersubstrat Höcker 21 gebildet und werdendie Höckerdurch Ultraschall-Bonding mit den Anschlußpunkten 15a verbunden.
    [0072] Das Halbleitersubstrat 22 wirdmit einer Unterfüllung 23 anden Induktoren 1 und 2 befestigt, wie in 13 gezeigt. Das Halbleitersubstrat 22 wirdin diesem Beispiel mittels der Höcker 21 undUltraschall-Bondingan den Induktoren 1 und 2 befestigt. Ein Verfahrenzur Befestigung ist jedoch nicht auf diese Maßnahme beschränkt. Eskann auch Lötenoder ein Verfahren mittels eines leitfähigen Klebstoffs zur Anwendungkommen. Gleichwohl ist der Widerstand der Verbindungsteile vorteilhafterweiseso klein wie möglich.
    [0073] Das Halbleitersubstrat 22 wurdein diesem Beispiel mit dem Unterfüllungsmaterial an den Induktoren 1 und 2 befestigt.Das Befestigen kann jedoch unter Verwendung jedes beliebigen geeignetenMaterials, zum Beispiel einer Dichtungsmasse aus Epoxidharz, erfolgen.Das Befestigungsmaterial dient zur Befestigung jedes einzelnen derBauelemente, welche der IC und die Induktoren sind, und wird vorzugsweisevorgesehen, um Langzeit-Zuverlässigkeitzu erreichen, beeinträchtigtaber die anfänglicheLeistung des Stromrichters nicht.
    [0074] Durch Anwenden der oben beschriebenen Prozesseläßt sichein Stromrichter, in welchem Teile einschließlich eines Stromversorgungs-ICund Induktoren, außereinem Kondensator, untergebracht sind, miniaturisieren. Der Stromrichtermit zwei Ausgangssystemen belegt weniger Unterbringungsfläche als zweiMikro-Stromrichter mit jeweils einem Ausgangssystem.
    [0075] Konkret hat ein Mikro-Stromrichtermit einem Ausgangssystem eine Größe von 3,5mm Breite und 3,5 mm Länge.Um mit diesem Stromrichtertyp zwei Ausgänge zu erzielen, ist eine Unterbringungsfläche vonmindestens 3,5 mm × 7,2mm erforderlich. Ein zwei Ausgangssysteme aufweisender Mikro-Stromrichter mitmehreren Ausgängengestattet es, die Anzahl der Elektroden eines Stromversorgungs-ICzu verringern, da einige Elektroden von den zwei Ausgangssystemengemeinsam genutzt werden können. Aufdiese Weise wird die Unterbringungsfläche auf 3,5 mm Breite und 5,8mm Längeverringert. Die Dicke beträgtetwa 1 mm, was gleich der Dicke einer Mikro-Stromversorgung miteinem Ausgangssystem ist. Aufgrund der Verringerung der Unterbringungsfläche undder Verringerung der Montageschritte, welche aus dem Wechsel vonzwei Mikro-Stromrichtern zu einem Mikro-Stromrichter mit mehrerenAusgängenresultiert, könnendie Montagekosten um die Hälfteverringert werden.
    [0076] Eine weitere Miniaturisierung läßt sichdurch Bonden eines Schichtkeramikkondensators an die Anschlußpunktedes Induktors auf der zu der Seite, auf welcher der IC montiertist, entgegengesetzten Seite erreichen.
    [0077] 14 zeigtein Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Stromrichters mit mehrerenAusgängen gemäß dem zweitenBeispiel einer Ausführungsform dervorliegenden Erfindung. 14(a) bis 14(c) sind Schnittansichtenwesentlicher Teile in der Reihenfolge der Herstellungsschritte.Die Figuren veranschaulichen einen Prozeß zur Herstellung von Ferritsubstrat.
    [0078] Im zweiten Beispiel einer Ausführungsform wird,anstelle eines Harzes im ersten Beispiel einer Ausführungsform,ein Keramikwerkstoff als magnetisch isolierende Schicht 17 eingesetzt.Wie oben für dieVerwendung von Harz beschrieben, wurde nach dem Schritt der Sinterungdes Ferritsubstrats ein Schnittspalt 41 im Ferritsubstrat 11 gebildetund wurde der Spalt mit Harz gefüllt.Im zweiten Beispiel einer Ausführungsformhingegen werden das Ferrit und eine Keramik gleichzeitig gesintert.
    [0079] Vor dem Sintern des Ferrits wirdein Rohplättchen 51 gefertigt,wie in 14(a) gezeigt.
    [0080] Ein Schnittspalt 52 undDurchgangslöcher 53, 54 werdenim Rohplättchen 51 durchStanzen gebildet, wie in 14(b) gezeigt.
    [0081] Vor dem Sintern wird der Spalt 52 mittelseines Druckverfahrens mit Keramikpaste 55 aus Aluminiumoxidgefüllt,wie in 14(e) gezeigt.In dieser Anordnung werden das Ferrit und die Keramik zusammen bei1.200°Cgesintert. In diesem Prozeß werdendie Sintertemperatur, der Wärmeschrumpfungsgradund der Wärmeausdehnungskoeffizient desFerrits und der Keramik so angepaßt, daß Risse, die nach dem Sinternauftreten würden,vermieden werden und die Positionsgenauigkeit der Durchgangslöcher justiertwird.
    [0082] In diesem Beispiel wurde Aluminiumoxidals Keramikwerkstoff verwendet. Es kann jedoch jeder Werkstoff verwendetwerden, welcher das Anpassen seines Wärmeausdehnungskoeffizientenund seines Wärmeschrumpfungsverhältnissesan die entsprechenden Werte von Ferrit gestattet, einschließlich Bariumtitanat,Magnesiumoxid, Zinkoxid und PZT (Bleizirconattitanat).
    [0083] Die Schritte zur Bildung von Spulennach der Bildung des Ferritsubstrats entsprechen in etwa den inden 7 bis 13 gezeigten Schritten. ImVergleich mit Beispiel 1 zeichnet sich das Verfahren dieses Beispiels 2 durchhöhereWärmebeständigkeitaus und liefert es bessere Ergebnisse in Langzeit-ZuverlässigkeitstestseinschließlichDruckkochertests und THB-Tests (Temperature Humidity Bias) sowiein ZuverlässigkeitstestseinschließlichWärmezyklustests undWärmeschocktests,da der Wärmeausdehnungskoeffizientder Werkstoffe angepaßtwird. Die in Beispiel 1 erzielten Effekte können in diesem Beispiel 2 natürlich aucherreicht werden.
    [0084] Entsprechend den Ausgangssystemenkann die Anzahl integrierter Induktoren über die zwei Induktoren, welchein Beispiel 2 eingebaut wurden, hinaus erhöht werden. Ein solches Beispiel,in welchem vier Induktoren integriert sind, ist in 15 gezeigt. Eine erhöhte Anzahl von Induktoren istuntei Berücksichtigungder von dem tragbaren Gerät,in welches der Stromrichter eingebaut werden soll, benötigten Ausgangssystemeeinerseits und der Montagekosten und der Kosten des Stromrichtersandererseits zu entwerfen.
    [0085] Das Spulenmuster kann auch von derMagnetspule in diesem Beispiel in eine Spiralform oder eine Toroidformabgeändertwerden. Fürdiese Formen kann eine magnetisch isolierende Schicht gebildet werden,und unter Verwendung dieser Formen kann ähnlich wie im Fall der Magnetspulenformein Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen hergestellt werden.
    [0086] 16 zeigtwesentliche Teile eines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen einesdritten Beispiels einer Ausführungsformgemäß der vorliegendenErfindung. 16(a) isteine Draufsicht eines ersten Induktors und 16(b) ist eine Draufsicht eines zweitenInduktors. Jede dieser Figuren ist eine Draufsicht eines ein Dünnfilm-Magnetinduktionselementdarstellenden Induktors.
    [0087] 16(a) isteine Draufsicht eines ersten Induktors 60a, welcher ersteSpulenleiter 62a, 62b und ein erstes magnetischisolierendes Substrat 61a (im folgenden als erstes Substrat 61a bezeichnet)umfaßt. 16(b) ist eine Draufsichteines zweiten Induktors 60b, welcher auf einem zweitenmagnetisch isolierenden Substrat 61b (im folgenden alszweites Substrat 61b bezeichnet) gebildete zweite Spulenleiter 63a, 63b undzweite Anschlußpunkte 66a, 66b umfaßt. DieSpulenleiter 62a, 63a sind auf den ersten Hauptoberflächen gebildet,und die Spulenleiter 62b, 63b sind auf den zweitenHauptoberflächengebildet. Die Anschlußpunkte 65a, 66a sindauf den ersten Hauptoberflächengebildet, und die Anschlußpunkte 65b, 66b sindauf den zweiten Hauptoberflächengebildet.
    [0088] Der mit dem ersten Spulenleiter 62b verbundeneerste Anschlußpunkt 65b istauf einer planaren Position angeordnet, welche sich von der Position desmit dem zweiten Leiter 63b verbundenen zweiten Anschlußpunkts 66b unterscheidet,so daß diezwei Induktoren unabhängigvoneinander betrieben werden können,um zwei Ausgängezu erhalten. Der mit dem ersten Spulenleiter 62b verbundeneerste Anschlußpunktkann auf einer anderen planaren Position als oder auf der gleichenplanaren Position wie eine Position des mit dem zweiten Spulenleiter 63b verbundenenzweiten Anschlußpunkts 66a angeordnetsein. Bei Anordnung der zwei Anschlußpunkte auf der gleichen planarenPosition ergibt sich ein gemeinsamer Anschlußpunkt auf dieser Position. 16 veranschaulicht einenFall unterschiedlicher Anordnung. Das erste Substrat 61a unddas zweite Substrat 61b sind durch Bonden des ersten Anschlußpunkts 65b anden auf der gleichen planaren Position wie der erste Anschlußpunkt 65b angeordnetenzweiten Anschlußpunkt 66a geschichtet,wobei zwischen den zwei Substraten ein Spalt vorgesehen ist. DieHöhe derzweiten Anschlußpunkte 66a isthöher ausgeführt alsdie Höheder zweiten Spulenleiter 63a. Die Anzahl der Ausgangssystemeläßt sich durch Übereinanderschichteneiner höherenAnzahl von Induktoren erhöhen.
    [0089] Eine Spule für den ersten Induktor 60a bestehtaus den auf der ersten Hauptoberfläche gebildeten ersten Spulenleitern 62a,den auf der zweiten Hauptoberflächegebildeten ersten Spulenleitern 62b und den ersten Verbindungsleitern 64a.
    [0090] Eine Spule für den zweiten Induktor 60b bestehtaus den auf der ersten Hauptoberfläche gebildeten zweiten Spulenleitern 63a,den auf der zweiten Hauptoberflächegebildeten zweiten Spulenleitern 63b und den zweiten Verbindungsleitern 64b.
    [0091] 17 isteine Schnittansicht einer Schichtung des ersten Induktors und deszweiten Induktors, welche in 16 gezeigtsind. 17(a) ist eine Schnittansichtlängs derLinie X-X in 16(a) und 16(b), und 17(b) ist eine Schnittansicht längs derLinie Y-Y in 16(a) und 16(b).
    [0092] 17(a) und 17(b) zeigen auch die erstenAnschlußpunkte 65a, 65b unddie zweiten Anschlußpunkte 66a, 66b zurelektrischen Verbindung sowie die Spulenmuster der Induktoren.
    [0093] Von den auf dem ersten Substrat 61a gebildetenersten Spulenleitern 62a und 62b sind die auf derzweiten Hauptoberflächegebildeten ersten Spulenleiter 62b von geradliniger Gestalt,wie in 16 gezeigt, unddurch die Verbindungsleiter 64a mit den auf der erstenHauptoberflächegebildeten ersten Spulenleitern 62a elektrisch verbunden.Die ersten Spulenleiter 62a auf der ersten Hauptoberfläche, welchemit den jeweiligen angrenzenden ersten Spulenleitern 62b aufder zweiten Hauptoberflächeverbunden sind, sind bezogen auf die ersten Spulenleiter 62b aufder zweiten Hauptoberflächeleicht schräg angeordnet.Eine aus den ersten Spulenleitern 62a, 62b undden Verbindungsleitern 64a bestehende Spule hat im ganzendie Gestalt einer Magnetspule.
    [0094] Die zweiten Leiter 63a und 63b aufdem zweiten Substrat 61b entsprechen in etwa den ersten Spulenleitern 62a und 62b aufdem ersten Substrat 61a. Die zweiten Spulenleiter 63a aufder ersten Hauptoberflächesind durch die Verbindungsleiter 64b mit den zweiten Spulenleitern 63b aufder zweiten Hauptoberflächeelektrisch verbunden.
    [0095] Sowohl der erste Induktor 60a alsauch der zweite Induktor 60b besitzt einen aus dem magnetischenSubstrat bestehenden Magnetkern. Die Induktoren sind so angeordnet,daß sichzwischen ihnen ein Spalt befindet, so daß das erste Substrat 61a und daszweite Substrat 61b einander nicht berühren. Der Spalt isoliert diezwei Induktoren 60a und 60b magnetisch voneinander. „Magnetischisoliert" bedeutet hier,daß keineGegeninduktionsspannung erzeugt wird, wenn im Induktor 60a oderim Induktor 60b währenddes Betriebs als Stromversorgung elektrischer Strom fließt. Diesbedeutet, daß dieGegeninduktivitätniedrig genug ist, um den Betrieb der Stromversorgung nicht zu beeinträchtigen.
    [0096] Der Induktor 60a und derInduktor 60b bilden durch Verbinden der ersten Anschlußpunkte 65b auf demersten Substrat 61a mit den zweiten Anschlußpunkten 66a aufdem zweiten Substrat 61b einen geschichteten Aufbau. DasVerbinden der ersten Anschlußpunkte 65b mitden zweiten Anschlußpunkten 66a kannmittels eines der folgenden Verfahren erfolgen: Löten, Ultraschall-Bonding,leitfähigePaste, Thermokompressions-Bonding und anisotropes leitfähiges Material.Der Werkstoff fürdie Anschlußoberflächen derersten und der zweiten Anschlußpunkte wirdentsprechend dem verwendeten Verfahren ausgewählt. Zum Beispiel sind diezum Lötengeeigneten OberflächenwerkstoffeKupfer, Zinn und Lot; der für Ultraschall-Bondingund Thermokompressions-Bonding geeignete Werkstoff ist Gold.
    [0097] Elektromagnetische Eigenschaftenwerden nicht beeinträchtigt,wenn der Raum zwischen dem ersten Substrat 61a und demzweiten Substrat 61b leer, das heißt frei von Füllmaterialbleibt. Jedoch ist es im Hinblick auf die mechanische Festigkeitund die Langzeit-Zuverlässigkeitvorzuziehen, den Raum mit einem Harz zu füllen und die zwei Substratezu verbinden.
    [0098] 18 isteine Schnittansicht wesentlicher Teile des vierten Beispiels einerAusführungsformeines Mikro-Stromrichters mit mehreren Ausgängen gemäß der vorliegenden Erfindung. 18 zeigt einen unter Verwendungder in 16 gezeigtenInduktoren 60a und 60b hergestellten Mikro-Stromrichtermit mehreren Ausgängen.
    [0099] Zwei Arten von Hauptelementen, Induktoren undStromversorgungs-IC eines Stromrichters, werden durch Anordnen einesHalbleitersubstrats 72 einschließlich Stromversorgungs-IC über derersten Hauptoberflächedes ersten Substrats 61a miniaturisiert. Da der Stromversorgungs-ICso ausgelegt ist, daß erzwei Ausgangssysteme hat, ist der Stromrichter durch Bereitstellungzweier Induktoren, des ersten Induktors 60a und des zweitenInduktors 60b, mit zwei Ausgangssystemen ausgestattet.Im in 18 gezeigten Aufbausind auf dem Halbleitersubstrat 72 gebildete Höcker 71 andie auf dem ersten Substrat 61a gebildeten ersten Anschlußpunkte 65a ultraschall-gebondet,um das Halbleitersubstrat 72 einschließlich des Stromversorgungs-ICmit den Induktoren 60a und 60b zu verbinden. EineUnterfüllung 73 kannnach Bedarf zur Abdichtung verwendet werden.
    [0100] Elektrischer Strom fließt vom Stromversorgungs-ICauf dem Halbleitersubstrat 72 zum ersten Induktor 60a undzweiten Induktor 60b durch die Höcker 71, welche mitvier ersten Anschlußpunkten 65a desersten Induktors 60a Kontakt haben, wie in 16 gezeigt: dem ersten Anschlußpunkt 65a beiA des ersten Induktors 60a, dem ersten Anschlußpunkt 65a bei B desersten Induktors 60a, dem ersten Anschlußpunkt 65a beiE des ersten Induktors 60a, welcher Anschlußpunkt beiE mit dem zweiten Anschlußpunkt 66a beiC des zweiten Induktors 60b verbunden ist, und dem erstenAnschlußpunkt 65a beiF des ersten Induktors 60a, welcher Anschlußpunkt beiF mit dem zweiten Anschlußpunkt 66a beiD des zweiten Induktors 60b verbunden ist. Die auf demHalbleitersubstrat 72 gebildeten Höcker 71 haben mitweiteren ersten Anschlußpunkten 65a desersten Induktors 60a Kontakt.
    [0101] Ein Kondensator ist (bzw. Kondensatoren sind)in 18 weggelassen. Obwohlein diskreter Kondensator vorgesehen sein kann, kann zur weiterenMiniaturisierung eines Stromrichters ein Kondensatorelement auseinem Schichtkeramik-Array unter der rückseitigen Oberfläche deszweiten Induktors angeordnet sein. Ein solcher Kondensator ist (bzw. solcheKondensatoren sind) durch die auf der rückseitigen Oberfläche deszweiten Substrats 61b gebildeten zweiten Anschlußpunkte 66b elektrischangeschlossen. Jeder der Spulenleiter 62a, 62b, 63a, 63b ist,obwohl in 16 und 18 nicht gezeigt, zum Schutzmit einem Schutzfilm 68 (siehe 26) aus einem isolierenden Harzmaterial überzogen.
    [0102] Die 19 bis 29 sind Schnittansichten,welche ein Verfahren zur Herstellung des Mikro-Stromrichters mitmehreren Ausgängenin 18 in der Reihenfolgeder Herstellungsschritte zeigen. Jede dieser Figuren entsprichteinem Schnitt längsder Linie Y-Y in 16.
    [0103] Die Herstellungsverfahren für den erstenInduktor 60a und den zweiten Induktor 60b sindfast die gleichen. Die zwei Induktoren werden getrennt hergestelltund zusammengefügt.Die 19 bis 29 zeigen ein Herstellungsverfahrenfür denzweiten Induktor 60b.
    [0104] Zuerst wurde für ein zweites Substrat 61b ein Ferritsubstrataus Ni-Zn mit einer Dicke von 525 μm gefertigt. Die Dicke des magnetischisolierenden Substrats wird aufgrund der erforderlichen Induktivität, des erforderlichenSpulenstroms und der Eigenschaften des magnetischen Substrats bestimmtund ist nicht auf den Wert in diesem Beispiel beschränkt. Wenndas magnetisch isolierende Substrat jedoch extrem dünn ist,kann eher magnetische Sättigung auftreten;wenn das Substrat zu dick ist, wird der Stromrichter selbst dick.Folglich muß dieDicke entsprechend dem Einsatzzweck des Stromrichters bestimmt werden.Obwohl in diesem Beispiel ein magnetisch isolierendes Substrat ausFerrit verwendet wurde, kann auch jedes andere geeignete isolierendeund magnetische Substrat verwendet werden. Zur Erleichterung derFormgebung des Substrats wurde hier ein Ferritsubstrat verwendet.
    [0105] Zuerst werden, wie in 19 gezeigt, die Durchgangslöcher 92 gebildet,um die zweiten Spulenleiter 63a auf der ersten Hauptoberfläche unddie zweiten Spulenleiter 63b auf der zweiten Hauptoberfläche deszweiten Substrats 61b durch die Verbindungsleiter 64b zuverbinden. Gleichzeitig werden die Durchgangslöcher 93 gebildet,um die zweiten Anschlußpunkte 66a aufder ersten Hauptoberfläche unddie zweiten Anschlußpunkte 66b aufder zweiten Hauptoberflächedes zweiten Substrats 61b durch die Verbindungsleiter 67b zuverbinden. Die Herstellung der Durchgangslöcher 92 und 93 kannmittels eines der folgenden Verfahren erfolgen: Laserstrahl-Bearbeitung,Sandstrahlbearbeitung, Funkenerodierbearbeitung, Ultraschallbearbeitungund Bohren. Die Auswahl des Verfahrens hat unter Berücksichtigungder Bearbeitungskosten und der Bearbeitungsabmessungen zu erfolgen.In diesem Beispiel wurde das Sandstrahlverfahren verwendet, da dieminimale Abmessung, welche ein Lochdurchmesser ist, ein kleinerWert von 130 μmwar und eine großeZahl von Löchernzu bearbeiten war. Obwohl die Größe des Substrats 61b,wie durch die durchgezogenen Linien in 19 gezeigt, eine Größe zum Anbringen nur einesInduktors ist, ist die tatsächliche Größe des Substratsgrößer, sodaß esmöglichist, eine Vielzahl von Induktoren herzustellen, wie durch die gestricheltenLinien in der Figur gezeigt. Im letzten Schritt wird das Substratgeschnitten, um einzelne Induktoren zu erhalten.
    [0106] Dann werden die Verbindungsleiter 64b und 67b inden Durchgangslöchern,die zweiten Spulenleiter 63a und Anschlußpunkte 66a aufder ersten Hauptoberflächeund die zweiten Spulenleiter 63b und Anschlußpunkte 66b aufder zweiten Hauptoberflächegebildet.
    [0107] Wie in 20 gezeigt,wird durch Sputtern eine Impfschicht für einen Metallüberzug 94 auseinem Kupfer-auf-Titan-Schichtfilm gebildet, um die gesamte Oberfläche desSubstrats mit elektrischer Leitfähigkeitzu versehen. Obwohl auch die Durchgangslöcher mit elektrischer Leitfähigkeitversehen werden, kann nach Bedarf weiter stromlose Beschichtungdurchgeführtwerden. Anstelle des Sputter-Verfahrenskann ein Vakuumniederschlagsverfahren oder ein CVD-Verfahren (ChemicalVapor Deposition) angewendet werden. Die Impfschicht für einenMetallüberzug 94 kannalternativ nur durch stromlose Beschichtung gebildet werden. DasVerfahren soll eine ausreichende Haftung am Substrat ergeben. DerleitfähigeWerkstoff kann jeder beliebige geeignete Werkstoff sein, der elektrischeLeitfähigkeitaufweist. Obwohl als Haftschicht Titan verwendet wurde, können auchandere Werkstoffe einschließlichCr, W, Nb und Ta verwendet werden. Das Kupfer dient als Impfschichtfür dennächstenGalvanisierschritt. Anstelle des Kupfers kann auch Nickel oder Goldverwendet werden. In diesem Beispiel wurde zur Erleichterung derBearbeitung in den weiteren Schritten Kupfer auf Titan gewählt.
    [0108] Dann wird Photolack 95 aufgebrachtund wird mittels Photolithographie ein Abdecklack-Muster gebildet,um die zweiten Spulenleiter 63a und die zweiten Anschlußpunkte 66a aufder ersten Hauptoberflächeund die zweiten Spulenleiter 63b und die zweiten Anschlußpunkte 66b aufder zweiten Hauptoberflächezu bilden, wie in 21 gezeigt. DasMuster wurde mit filmartigem Negativ-Photolack gebildet. Der Photolack 95 war40 μm dick.
    [0109] Dann wird in den offenliegenden Teilendes Abdecklack-Musters durch Galvanisieren Kupfer niedergeschlagenwie in 22 gezeigt. Zudiesem Zeitpunkt werden die Durchgangslöcher 92 und 93 mitKupferüberzuggefülltund werden auch die Verbindungsleiter 64b und 67b gebildet.Auf diese Weise werden die zweiten Spulenleiter 63a aufder ersten Hauptoberflächemit den zweiten Spulenleitern 63b auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden,um eine Magnetspule zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird auch einMuster der zweiten Anschlußpunkte 66a und 66b gebildet.Die Kupferüberzugsschichthat eine Dicke von 35 μm.
    [0110] Dann werden nur die zweiten Anschlußpunkte 66a dickergemacht, um eine Berührungzwischen den ersten Spulenleitern 62b und den zweiten Spulenleitern 63a zuvermeiden, wenn das erste Substrat 61a und das zweite Substrat 61b zusammengesetzt werden.Es wird Photolack 96 aufgebracht, und mittels Photolithographiewird ein Abdecklack-Muster gebildet wie in 23 gezeigt. Wie in 24 gezeigt, wird durch Galvanisierenauf dem zuvor gebildeten metallischen Film 66e zusätzlich einmetallischer Film 66d gebildet, um den zweiten Anschlußpunkt 66a zuerhöhen.Die zweite Hauptebene (rückseitigeOberfläche),in welcher die Erhöhungunnötig ist,wird mit einem glatten Abdecklack-Film 96 ohne Muster überzogen.Der Erhöhungsschrittin den 23 und 24 ist für den ersten Induktor 60a unnötig, abernicht unzulässig.Der Betrag der Erhöhung, dasheißt,die Dicke des metallischen Films 66d, belief sich auf 5 μm. Aufgrundder Erhöhungwird die Höheder Oberflächeder zweiten Anschlußpunkte 66a höher gemachtals die Höheder Oberflächeder Spulenleiter 63a, wodurch die magnetische Isolierungzwischen dem ersten Induktor 60a und dem zweiten Induktor 60b erreichtwird.
    [0111] Nach dem Galvanisieren werden überflüssig gewordenerAbdecklack und leitfähigeSchichten entfernt, um die zweiten Spulenleiter 63a, 63b unddie zweiten Anschlußpunkte 66a, 66b zuerhalten, wie in 25 gezeigt.Die zweiten Spulenleiter 63a und 63b werden miteinem isolierenden Film 68 überzogen, wie in 26 gezeigt. In diesem Beispielwurde ein filmartiges Isoliermaterial verwendet. Der isolierendeFilm wirkt wie ein Schutzfilm; er muß nicht unbedingt gebildetwerden. Aber im Hinblick auf die Langzeit-Zuverlässigkeit ist seine Bildungwünschenswert.Der isolierende Film ist nicht darauf beschränkt, aus filmartigem Materialgebildet zu werden; es kann auch ein flüssiges Isoliermaterial verwendetwerden, um mittels Siebdruck ein Muster zu bilden, das anschließend durchErwärmungausgehärtetwird.
    [0112] Die zweiten Spulenleiter 63a, 63b unddie zweiten Anschlußpunkte 66a, 66b können mitNickel und Gold überzogenwerden, um nach Bedarf eine Oberflächenbehandlungsschicht zu bilden.Im in 22 gezeigten Prozeß wurdenin diesem Beispiel im Anschluß andas galvanische Überziehenmit Kupfer noch Nickel und Gold galvanisch aufgebracht. Das Erhöhen derzweiten Anschlußpunkte 66a erfolgtedurch galvanisches Überziehenmit Gold. Die Oberflächenbehandlungsschichtkann durch stromlose Beschichtung nach dem Schritt in 25 gebildet werden. Oderdie stromlose Beschichtung kann nach dem Schritt in 26 erfolgen. Die Oberflächenbehandlungsschichtaus einem schützendenmetallischen Leiter kann dabei helfen, in einem späteren Schrittdes Anschließensdes IC einen stabilen Zustand aufrechtzuerhalten.
    [0113] Der erste Induktor 60a wirddurch einen Prozeß gebildet,welcher in etwa dem oben beschriebenen Prozeß zur Bildung des zweiten Induktors 60b entspricht.Der erste Induktor 60a wird mit den ersten Anschlußpunkten 65b desersteren und den zweiten Anschlußpunkten 66a des letzterenam zweiten Induktor 60b befestigt. Da die zweiten Anschlußpunkte 66a erhöht sind,wird zwischen dem ersten Substrat 61a und dem zweiten Substrat 61b einSpalt erzeugt, um die magnetische Isolierung der zwei Substratezu erreichen. Auch wird eine Berührungzwischen den ersten Spulenleitern 62b und den zweiten Spulenleitern 63a vermieden.
    [0114] Das Verbinden der zwei Substrateerfolgte durch Thermokompressions-Bonding. Das Verbinden kann auchdurch Löten,Verbinden mit leitfähiger Paste,Ultraschall-Bonding oder ein Verfahren mit einem anisotropen leitfähigen Materialerfolgen. Die Wahl des Verfahrens erfolgt unter Berücksichtigung derTemperaturen und anderer Bedingungen in den weiteren Schritten.Der Raum zwischen den zwei Substraten kann nach Bedarf mit einemHarzmaterial gefülltwerden. Das Harz kann vorher aufgebracht oder nachher eingespritztwerden. Im Fall, daß die zweiSubstrate miteinander verbunden werden, ist vorheriges Aufbringenvorzuziehen.
    [0115] Ein Halbleitersubstrat 72 zumAnbringen eines Stromversorgungs-IC wird mit den auf dem erstenSubstrat 61a gebildeten ersten Anschlußpunkten 65a verbunden,wie in 28 gezeigt. Indiesem Beispiel werden auf dem Halbleitersubstrat 72 zumAnbringen eines Stromversorgungs-IC Höcker 71 gebildet undwerden die Höcker 71 durchUltraschall-Bonding mit den ersten Anschlußpunkten 65a verbunden.Das Halbleitersubstrat 72 wird mit einer Unterfüllung 73 amersten Induktor 60a befestigt, wie in 29 gezeigt. Durch Schneiden längs derSchnittlinie 81 wird ein ein Halbleitersubstrat und mehrereInduktoren umfassender Mikro-Stromrichter fertiggestellt. In diesemBeispiel wurden Höckerund Ultraschall-Bonding zum Befestigen des Halbleitersubstrats undder Induktoren verwendet. Ein Verfahren zur Befestigung ist jedochnicht auf diese Maßnahmebeschränkt.Problemlos kann auch Lötenoder ein Verfahren mit einem leitfähigen Klebstoff zur Anwendung kommen.Gleichwohl sollte der Widerstand der Verbindungsteile vorteilhafterweiseso klein wie möglich sein.Das Schneiden kann längsder Schnittlinie 82 erfolgen, um zu vermeiden, daß die Anschlußpunkte 65a, 65b, 66a, 66b und dieVerbindungsleiter 67a, 67b seitlich freigelegtwerden.
    [0116] Das Halbleitersubstrat 72 wurdein diesem Beispiel mit der Unterfüllung 73 am erstenInduktor 60a befestigt. Das Befestigen kann jedoch unterVerwendung jedes beliebigen geeigneten Materials, zum Beispiel einerDichtungsmasse aus Epoxidharz, erfolgen. Das Befestigungsmaterialdient zur Befestigung jedes einzelnen der Bauelemente und dientvorzugsweise dazu, Langzeit-Zuverlässigkeit gegen nachteiligeEinwirkungen wie Feuchtigkeit zu erreichen, beeinträchtigt aberdie anfänglicheLeistung des Stromrichters nicht.
    [0117] Durch Anwenden der oben beschriebenen Prozesseläßt sichein Stromrichter miniaturisieren, in welchem Teile einschließlich einesStromversorgungs-IC und Induktoren, außer einem Kondensator, untergebrachtsind. Der Stromrichter mit zwei Ausgangssystemen belegt wenigerUnterbringungsflächeals zwei Mikro-Stromrichter mit jeweils einem Ausgangssystem.
    [0118] Konkret hat ein herkömmlicherMikro-Stromrichter mit einem Ausgangssystem eine Größe von 3,5mm Breite und 3,5 mm Länge.Um mit diesem Stromrichtertyp zwei Ausgänge zu erhalten, ist eine Fläche vonmindestens 3,5 mm Breite und 7,0 mm Länge erforderlich. Die Gesamtdickeder Induktoren beträgtetwa 0,6 mm, und die Dicke des Halbleitersubstrats 72 zum Anbringeneines Stromversorgungs-IC beträgtetwa 0,3 mm, was sich zu einer Dicke über alles von etwa 0,9 mm summiert.Für dietatsächlicheUnterbringungs- bzw. Packungsflächeist in Anbetracht der tatsächlichmöglichenMontageausführungeine Längevon mindestens 7,2 mm erforderlich.
    [0119] Im Aufbau gemäß der Erfindung ist eine Unterbringungsfläche 3,5mm breit und 3,5 mm lang. Die Dicke beträgt etwa 1,5 mm, da die Dickeeines Induktors hinzukommt. Mithin wird die Unterbringungsfläche um dieHälfteverringert. Das Gesamtvolumen eines Stromrichters wird auf etwa80% des herkömmlichenWerts verringert, und die Packungs- bzw. Montagekosten sinken aufdie Hälfte.
    [0120] Eine weitere Miniaturisierung einesMikro-Stromrichters läßt sichdurch Bonden eines Schichtkeramikkondensators an die Anschlußpunkte desInduktors auf der zu der Seite, auf welcher der IC montiert ist,entgegengesetzten Seite erreichen.
    [0121] Die Planare Größe und die Dicke des auf demersten bzw. zweiten Substrat gebildeten ersten Induktors 60a undzweiten Induktors 60b wurden beim Aufbau des Beispiels 4 nichtverändert.
    [0122] Da in einem tatsächlichen Montageaufbau beiAnwendung eines Mikro-Stromrichters die Größe in Dickenrichtung oft eingeschränkt ist,muß dieDicke minimiert werden. In diesem Beispiel wurde deshalb ein 0,3mm dickes Ferritsubstrat verwendet, um die Gesamtdicke zu verringern.
    [0123] Die Größe sowohl des ersten Induktors 60a alsauch des zweiten Induktors 60b beträgt 4 mm in der Breite und 4mm in der Länge.Die Windungszahl wird entsprechend der Größenzunahme von 11 Windungenbeim Beispiel 4 auf 14 Windungen in diesem Beispiel erhöht. DerInduktivitätswertvon 2,0 μHdes Beispiels 4 wird beim Beispiel 5 beibehalten, indem Größe und Windungszahlentsprechend der Verringerung der Dicke des Induktors erhöht werden.Die Dicke jedes Induktors beträgtnach Bildung der Spule etwa 0,4 mm. Ein unter Verwendung diesesInduktors hergestellter Mikro-Stromrichter hat eine planare Größe von 4mm x 4 mm und eine geringe Dicke von 1,1 mm einschließlich einesHalbleitersubstrats 72. Die Unterbringungsfläche beträgt 57% undder Raumbedarf beträgt80% des jeweils herkömmlichen Werts.Optimierung erfolgt durch Dimensionieren der Planaren Größe und derDicke innerhalb zulässiger Grenzen.
    [0124] Obwohl die bisher beschriebenen Spulenleiterdie Gestalt einer Magnetspule haben, kann auch eine Toroidform wiein 30 gezeigt verwendet werden.Eine Toroidspule hat einen geschlossenen magnetischen Kreis, beiwelchem ein von der Spule erzeugter magnetischer Fluß innerhalbeines magnetischen Substrats verläuft. Ein Mikro-Stromrichtermit mehreren Ausgängenkann durch Übereinanderschichtenvon Induktoren mit Toroidspulen wie in Beispiel 4 hergestellt werden.
    [0125] Eine Spiralform wie in 31 gezeigt hat einen offenenmagnetischen Kreis, bei welchem der magnetische Fluß gestreutwird. Deshalb muß eine magnetischeIsolierung zwischen den Induktoren in Betracht gezogen werden. Wenndie Induktoren mit einem geringen Abstand übereinandergeschichtet werden,läßt sichein Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen wie in Beispiel 4 erzielen.
    [0126] Wie vorstehend beschrieben ist eineVielzahl von Induktoren in ein magnetisch isolierendes Substratmit einer magnetisch isolierenden Schicht zwischen den Induktorenintegriert oder ist eine Vielzahl von magnetischen Substraten, welchejeweils einen auf dem Substrat gebildeten Induktor enthalten, mit einemSpalt zwischen den Substraten übereinandergeschichtet.Sowohl der eine als auch der andere Aufbau bildet einen Mikro-Stromrichtermit mehreren Ausgängen.Eine entsprechend den Ausgangssystemen erforderliche Vielzahl vonMikro-Stromrichtern nach Stand der Technik läßt sich im erfundenen Mikro-Stromrichterzu einer Einheit vereinigen. Ein solcher Stromrichter gemäß der Erfindungverringert Unterbringungsflächeund Konstruktionskosten.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen, enthaltend: einHalbleitersubstrat mit einer oder mehreren integrierten Halbleiterschaltungen; eineVielzahl von Dünnfilm-Magnetinduktionselementen,die jeweils auf einem magnetisch isolierenden Substrat gebildetsind; eine magnetisch isolierende Schicht, welche die Dünnfilm-Magnetinduktionselementemagnetisch voneinander isoliert; und einen oder mehrere Kondensatoren.
    [2] Mikro-Stromrichter mit mehreren Ausgängen, enthaltend: einHalbleitersubstrat mit einer oder mehreren integrierten Halbleiterschaltungen; eineVielzahl von Dünnfilm-Magnetinduktionselementen,die jeweils ein magnetisch isolierendes Substrat, einen auf demmagnetisch isolierenden Substrat gebildeten Spulenleiter und eineVielzahl von in einem Randbereich des magnetisch isolierenden Substratsgebildeten Anschlußpunktenenthalten; und einen oder mehrere Kondensatoren; dadurchgekennzeichnet, dass die Vielzahl von Dünnfilm-Magnetinduktionselementenmit einem Spalt zwischen den aneinandergrenzenden Dünnfilm-Magnetinduktionselementen,die an den Anschlußpunktenbefestigt sind, geschichtet ist.
    [3] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 1 oder Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch isolierende Substratein Ferritsubstrat ist.
    [4] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die magnetisch isolierende Schicht aus einem nichtmagnetischenMaterial besteht.
    [5] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass das nichtmagnetische Material ein Harzmaterial ist.
    [6] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass das nichtmagnetische Material ein Keramikwerkstoff ist.
    [7] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Anschlußpunktein einem der magnetisch isolierenden Substrate auf den gleichenplanaren Positionen gebildet sind wie die Positionen der Anschlußpunktein anderen magnetisch isolierenden Substraten; eine planarePosition eines der Anschlußpunkts,welche mit den Enden eines Spulenleiters verbunden ist, sich voneiner planaren Position eines entsprechenden Anschlußpunkts,welcher mit einem Ende eines Spulenleiters in einem angrenzendenDünnfilm-Magnetinduktionselementverbunden ist, unterscheidet; und die Höhe der in mindestens einemder zwei angrenzenden magnetisch isolierenden Substrate gebildetenAnschlußpunktehöher istals die Höhedes auf dem mindestens einen magnetisch isolierenden Substrat gebildetenSpulenleiters.
    [8] Mikro-Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis7, enthaltend ein Anschlußpunkte-Paar, wobei ein Anschlußpunkt desAnschlußpunkte-Paarsauf einer ersten Hauptoberflächedes magnetisch isolierenden Substrats gebildet ist, der andere Anschlußpunkt desAnschlußpunkte-Paarsauf einer zweiten Hauptoberflächedes magnetisch isolierenden Substrats gebildet ist und die Anschlußpunktedes Anschlußpunkte-Paarsdurch ein im magnetisch isolierenden Substrat gebildetes Durchgangslochelektrisch verbunden sind.
    [9] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass einige der Anschlußpunkte elektrischmit dem Halbleitersubstrat verbunden sind.
    [10] Mikro-Stromrichter nach Anspruch 8 oder Anspruch9, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Anschlußpunkteelektrisch mit dem Kondensator verbunden sind.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    JP2004343976A|2004-12-02|
    US20040179383A1|2004-09-16|
    CN1531093B|2011-11-16|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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