Research and development of DC power supply integrated in LSI package with embedded planar power inductor

• Project/Area Number: 24560328
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Power engineering/Power conversion/Electric machinery
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: SATO Toshiro 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (50283239)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): SAKURAI Takayasu 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90282590)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2014: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2013: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2012: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: パワーエレクトロニクス / LSIパッケージ / パッケージレベルDCパワーグリッド / DC-DCコンバータ / パワーインダクタ / 金属磁性微粒子 / 複合材料磁心

Outline of Final Research Achievements

In this study, in order to realize the DC power supply to CMOS logic LSI, power inductors embedded in an organic interposer using two types of magnetic cores (Zn-Fe ferrite thick film and carbonyl-iron/epoxy composite thick film) have been developed, and the CMOS switch buck DC-DC converter has been developed and evaluated. The developed 180 nm-CMOS switch buck DC-DC converter with embedded Zn-Fe ferrite core inductor has typical specifications as follows; switching frequency; 50 MHz, main circuit conversion efficiency; 74% at 2 V input/0.855V-1A output condition. The interposer-embedded power inductor and interposer-integrated CMOS switch DC-DC converter technologies will enable to realize the package-level DC power grid contributing to save electric energy in various electronic systems.

Research Products

• [Journal Article] CMOS Switch Buck DC-DC Converter Fabricated in Organic Interposer with Embedded Zn-Fe Ferrite Core Inductor (2015)
  • Author(s): Kazuhiro Hagita, Yuichiro Yazaki, Yuta Kondo, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Tomohiro Fujii, Kazutaka Kobayashi, Shinji Nakazawa, Hiroshi Shimizu, Tetsuro Watanabe, Yuto Seino, Nobuhiro Matsushita, Yuki Yanagihara, Takao Someya, Hiroshi Fuketa, Makoto Takamiya, Takayasu Sakurai
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 39 Issue: 2 Pages: 71-79
  • DOI: 10.3379/msjmag.1501R002
  • NAID: 130004951235
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Efficiency Increase in On-Chip Buck Converter by Introduction of High Permeability Material to Inductor on Interposer (2014)
  • Author(s): H. Fuketa, Y. Shinozuka, K. Ishida, M. Takamiya, T. Fujii, H. Shimizu, K. Kobayashi, T. Sato, T. Sakurai
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy Volume: 61 Issue: S1 Pages: S340-S342
  • DOI: 10.2497/jjspm.61.S340
  • NAID: 130004482708
  • ISSN: 0532-8799, 1880-9014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Embedded Planar Power Inductor in an Organic Interposer for Package-Level DC Power Grid (2014)
  • Author(s): Yuichiro Yazaki, Kazuma Ishidate, Kazuhiro Hagita, Yuta Kondo, Saki Hattori, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Tetsuro Watanabe, Yuto Seino, Nobuhiro Matsushita
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 50 Issue: 11 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tmag.2014.2327965
  • NAID: 120007101504
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Carbonyl-Iron/Epoxy Composite Magnetic Core for Planar Power Inductor Used in Package-Level Power Grid (2013)
  • Author(s): Yuichiro Sugawa, Kazuma Ishidate, Makoto Sonehara, Toshiro Sato
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 49(7) Issue: 7 Pages: 4172-4175
  • DOI: 10.1109/tmag.2013.2250925
  • NAID: 120007113727
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Study of Zn-Ferrite Core Planar Power Inductor Embedded in Organic Interposer for Power Supply integrated in LSI Package (2013)
  • Author(s): 小林洸貴、佐藤史宏、萩田和洋、武田理恵、曽根原誠、佐藤敏郎、松下伸広、小林和貴、清水浩、藤井朋治、石田光一、桜井貴康
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 37 Issue: 4 Pages: 314-319
  • DOI: 10.3379/msjmag.1305R012
  • NAID: 130003369175
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of a Zn ferrite thick film planar power inductor for DC-DC converter LSI package (2013)
  • Author(s): Shinya Okazaki, Asako Takeuchi, Akihiro Takeshima, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Nobuhiro Matsushita
  • Journal Title: ELECTRONICS AND COMMUNICATIONS IN JAPAN Volume: 96(4) Pages: 53-60
  • NAID: 210000172143
• [Journal Article] 90% High Efficiency and 100-W/cm3 High Power Density Integrated DC-DC Converter for Cellular Phones (2013)
  • Author(s): Satoshi Sugahara, Kouhei Yamada, Masaharu Edo, Toshiro Sato, and Kiyohito Yamasawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Power Electronics Volume: 28(4) Issue: 4 Pages: 1994-2004
  • DOI: 10.1109/tpel.2012.2197762
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 鉄系メタルコンポジット材料磁心平面スパイラル積層型インダクタの特性解析 (2015)
  • Author(s): 近藤 雄太，矢崎 裕一朗，佐藤 敏郎，曽根原 誠
  • Organizer: 平成27年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東京都市大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-26
• [Presentation] Embedded Zn-Fe Ferrite Core Inductor in an Organic Interposer and Its Application to a CMOS Switch Buck DC-DC Converter (2014)
  • Author(s): 萩田和洋，矢崎裕一朗，近藤雄太，曽根原誠，佐藤敏郎，藤井朋治，小林和貴，中澤信司，清水浩，渡辺哲朗，清野裕斗，松下伸広，柳原裕貴，染谷晃基，更田裕司，高宮真，桜井貴康
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 浜名湖ロイヤルホテル（浜松市）
  • Year and Date: 2014-12-25
• [Presentation] LSIパッケージレベルDCパワーグリッドにおけるDC-DCコンバータ用薄型インダクタの開発 (2014)
  • Author(s): 矢崎裕一朗，近藤雄太，渡辺哲朗，清野裕斗，曽根原誠，佐藤敏郎，松下伸広
  • Organizer: 電子情報通信学会 電子部品･材料研究会
  • Place of Presentation: 信州大学工学部（長野市）
  • Year and Date: 2014-10-25
• [Presentation] 有機インターポーザー内蔵フェライトインダクタを用いたCMOSスイッチ降圧DC-DCコンバータ (2014)
  • Author(s): 萩田和洋，矢崎裕一朗，近藤雄太，曽根原誠，佐藤敏郎，藤井朋治，小林和貴，中澤信司，清水浩，渡辺哲朗，清野裕斗，松下伸広，柳原裕貴，染谷晃基，更田裕司, 桜井貴康
  • Organizer: 第38回 日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス（横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-03
• [Presentation] Zn-Feフェライトめっき膜と鉄系微粒子複合材料を用いたLSI電源用ハイブリッド磁心インダクタの開発 (2014)
  • Author(s): 近藤雄太，矢崎裕一朗，渡辺哲朗，清野裕斗，曽根原誠，佐藤敏郎，松下伸広
  • Organizer: 応用物理学会北陸・信越支部 第2回有機･無機エレクトロニクスシンポジウム
  • Place of Presentation: 信州大学工学部（長野市）
  • Year and Date: 2014-07-11
• [Presentation] グリーンLSI電源用ハイブリッド磁心プレーナパワーインダクタの開発 (2014)
  • Author(s): 矢崎裕一朗，近藤雄太，石立一馬，萩田和洋，渡辺哲朗，清野裕斗，曽根原誠，佐藤敏郎，松下伸広
  • Organizer: 2014アカデミックプラザ、エレクトロニクス実装学会
  • Place of Presentation: 東京ビッグサイト（東京都）
  • Year and Date: 2014-06-06
• [Presentation] Embedded planar power inductor in organic interposer for package-level DC power gird (2014)
  • Author(s): Yuichiro Yazaki, Kazuma Ishidate, Kazuhiro Hagita, Yuta Kondo, Saki Hattori, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Nobuhiro Matsushita, Tetsuro Watanabe, Yuto Seino
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG) 2014
  • Place of Presentation: ドレスデン国際会議場（ドイツ）
  • Year and Date: 2014-05-07
• [Presentation] Magnetic Properties of Spin-sprayed Ferrite Film Deposited on Glass/Epoxy Build-up Layer in Organic Interposer Substrate (2013)
  • Author(s): Kazuhiro Hagita, Hiroki Kobayashi, Fumihiro Sato, Yuichiro Yazaki, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Tetsuro Watanabe, Nobuhiro Matsushita, Tomoharu Fujii, Hiroshi Shimizu, Kazutaka Kobayashi
  • Organizer: The 11th International Conference on Ferrites (ICF11)
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県）
• [Presentation] LSIパッケージ内蔵用ハイブリッド磁心装荷インダクタの試作 (2013)
  • Author(s): 石立一馬、萩田和洋、矢崎裕一朗、曽根原誠、佐藤敏郎、渡辺哲朗、松下伸広
  • Organizer: 第37回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌市）
• [Presentation] LSI有機インターポーザ内蔵型フェライト磁心装荷プレーナパワーインダクタの特性改善に向けた検討 (2013)
  • Author(s): 萩田和洋、矢崎裕一朗、渡辺哲朗、佐藤敏郎、曽根原誠、松下伸広、藤井朋治、清水浩、小林和貴
  • Organizer: 第37回日本磁気学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌市）
• [Presentation] LSIパッケージ集積化電源用ハイブリッド磁心パワーインダクタの特性解析 (2013)
  • Author(s): 矢崎裕一朗、萩田和洋、曽根原誠、佐藤敏郎、松下伸広、小林和貴、清水浩、藤井朋治
  • Organizer: 電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（横浜市）
• [Presentation] ビルドアップ層平坦化プロセスを導入したZn-Feフェライト磁心パワーインダクタのLSI有機インターポーザ内蔵に関する検討 (2013)
  • Author(s): 萩田和洋、矢崎裕一朗、渡辺哲朗、佐藤敏郎、曽根原誠、松下伸広、藤井朋治、清水浩、小林和貴
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 金沢大学（金沢市）
• [Presentation] パッケージレベルパワーグリッドの実現に向けたハイブリッド磁心プレーナパワーインダクタの試作と評価 (2013)
  • Author(s): 石立一馬、矢崎裕一朗、萩田和洋、曽根原誠、佐藤敏郎、渡辺哲朗、松下伸広
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 金沢大学（金沢市）
• [Presentation] LSIの次世代パワーデリバリーの研究動向 (2013)
  • Author(s): 佐藤敏郎
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 金沢大学（金沢市）
• [Presentation] Magnetic core power inductor embedded in plastic interposer toward power supply integrated in LSI Package (2012)
  • Author(s): Toshiro Sato, Makoto Sonehara, Hiroki Kobayashi, Fumihiro Sato, Kazuhiro Hagita, Rie Takeda, Nobuhiro Matsushita, Tomohiro Fujii, and others
  • Organizer: International Workshop on Power Supply on Chip 2012 (PowerSoC'12), IEEE Power Electronics Society
  • Place of Presentation: Palace Hotel, San Francisco, CA, USA
  • Invited
• [Presentation] LSIパッケージ集積化電源用プレーナパワーインダクタのインターポーザ内蔵に関する検討 (2012)
  • Author(s): 小林洸貴，佐藤史宏，萩田和洋，武田理恵，曽根原誠，佐藤敏郎，松下伸広，小林和貴，清水浩，藤井朋治，石田光一，桜井貴康
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 信州大学工学部
• [Presentation] A study of Zn-ferrite film planar power inductor embedded in LSI interposer for integrated power supply
  • Author(s): Hiroki Kobayashi, Fumihiro Sato, Kazuhiro Hagita, Rie Takeda, Makoto Sonehara, Toshiro Sato, Nobuhiro Matsushita, Kazutaka Kobayashi, and others
  • Organizer: International Conference of the Asian Union of Magnetic Societies (ICAUMS) 2012
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall, Nara, Japan
• [Presentation] Development of Micro Magnetic Devices for High-Frequency Power Conversion and RF Applications
  • Author(s): Toshiro Sato, Makoto Sonehara, Kenji Ikeda, Hidetoshi Nakayama, Kazutaka Takizawa
  • Organizer: International Conference of the Asian Union of Magnetic Societies (ICAUMS) 2012
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall, Nara, Japan
  • Invited
• [Presentation] インターポーザ上インダクタの高透磁率材導入による オンチップBuckコンバータ回路の高効率化の検討
  • Author(s): 篠塚康大，更田裕司，石田光一，高宮真，佐藤敏郎，桜井貴康
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] 溶液プロセスによるパワーインダクタ用軟磁性Zn-Co置換フェライト膜の作製
  • Author(s): 渡辺哲朗，勝又健一，丑田公規，岡田清，松下伸広，萩田和洋，曽根原誠，佐藤敏郎
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] LSIパッケージレベルパワーグリッド用CMOSスイッチDC-DCコンバータに向けたプレーナパワーインダクタの検討
  • Author(s): 佐藤史宏，萩田和洋，小林洸貴，渡辺哲朗，杉本直樹，曽根原誠，佐藤敏郎，松下伸広，小林和貴，清水浩，中澤信司，藤井朋治，桜井貴康
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] Carbonyl-iron/epoxy composite magnetic core for planar power inductor used in POL DC-DC converter for package-level power grid
  • Author(s): Yuichiro Sugawa, Kazuma Ishidate, Makoto Sonehara, Toshiro Sato
  • Organizer: 12th Joint MMM/Intermag Conference, IEEE Magnetics Society, American Institute of Physics
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Chicago, Chicago, IL, USA
• [Book] 電気学会技術報告「高周波マイクロ磁気応用技術の最新動向」 (2014)
  • Author(s): 佐藤敏郎（編者、分担執筆）、他
  • Publisher: 電気学会
• [Remarks] 信州大学先端磁気デバイス研究室ホームページ
  • URL: http://amdl.shinshu-u.ac.jp/
• [Remarks] 信州大学先端磁気デバイス研究室ホームページ
  • URL: http://amdl.shinshu-u.ac.jp/
• [Remarks] 信州大学先端磁気デバイス研究室ホームページ
  • URL: http://amdl.shinshu-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] インダクタ (2014)
  • Inventor(s): 佐藤敏郎、曽根原誠
  • Industrial Property Rights Holder: 信州大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2014-116465
  • Filing Date: 2014-06-05
• [Patent(Industrial Property Rights)] ハイブリッド磁心装荷パワーインダクタ (2013)
  • Inventor(s): 佐藤敏郎、曽根原誠
  • Industrial Property Rights Holder: 信州大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-180326
  • Filing Date: 2013-08-30