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2013 Fiscal Year Research-status Report

大電流プレーナパワーインダクタ内蔵LSIパッケージ集積化電源の研究開発

Research Project

Project/Area Number 24560328
Research InstitutionShinshu University

Principal Investigator

佐藤 敏郎  信州大学, 工学部, 教授 (50283239)

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
Research Abstract

本研究は、LSIの次世代パワーデリバリーとしてパッケージ集積化電源の基盤技術の確立を目的に行っているものである。平成25年度の研究実績は以下の通りである。
1.プレーナパワーインダクタのインターポーザ内蔵プロセスの検討;Zn-Feフェライト厚膜磁心プレーナパワーインダクタについては、厚膜コイルの平坦化プロセスが複雑で、インターポーザ内蔵プロセスにおける信頼性やコストの点で課題があった。今回、インターポーザプロセスにおけるビルドアップ層積層工程を厚膜銅スパイラルコイルの平坦化に採用することでインダクタ作製プロセスを大幅に簡略化することができた。
2.ハイブリッド磁心プレーナパワーインダクタの試作;非還元系カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂からなる複合材料磁心とZn-Feフェライト厚膜磁心を組み合わせたハイブリッド磁心プレーナパワーインダクタを試作した。ハイブリッド磁心構成による疑似閉磁路構造により、Zn-Feフェライト磁心のみでインダクタを構成した場合に比べて10~100MHz帯で最大36%のQ値の向上が図られ、10%インダクタンス低下の直流重畳電流を2Aから3.5Aに増加することができた。
3.プレーナパワーインダクタ内蔵LSIパッケージ集積化電源の基礎検討;東京大学、新光電気工業との共同により、プレーナパワーインダクタ内蔵LSIパッケージ集積化電源の基礎検討を開始した。Zn-Feフェライト磁心プレーナパワーインダクタを内蔵したガラス/エポキシインターポーザ上に180nm-CMOSプロセスで作製したCMOSスイッチをフリップチップ実装して構成されるLSIパッケージ集積化電源の特性シミュレーションを行い、1.8V入力、1V-1A出力で80%の効率が得られるとの予測結果を得た。空心スパイラルインダクタを用いた場合の効率は70%程度であり、磁心装荷による明確な特性向上が示された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

金属磁性微粒子分散複合材料磁心の開発については、磁性ペーストの印刷むらの向上が課題であったが、従来のスクリーンマスクに替えて、メタルマスク印刷と研磨法の採用により信頼性の高い磁心作製プロセスを確立した。
CMOSスイッチDC-DCコンバータのパッケージ集積化を目指して、CMOSスイッチチップの試作を完了するとともに、Zn-Feフェライト磁心プレーナパワーインダクタ内蔵インターポーザへの集積化を前提したコンバータ特性シミュレーションを実施している。

Strategy for Future Research Activity

(今後の推進方策);最終年度である平成26年度は、LSIインターポーザパッケージに集積したCMOSスイッチDC-DCコンバータの試作とコンバータ特性の評価を行い、磁心材料を用いない空心インダクタを適用したDC-DCコンバータと比較することによって、複数の電源を集積するシステムインパッケージ用パッケージレベルDCパワーグリッドを構成するに必要な技術として、本技術の優位性を実証する予定である。

  • Research Products

    (13 results)

All 2013 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (7 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Carbonyl-Iron/Epoxy Composite Magnetic Core for Planar Power Inductor Used in Package-Level Power Grid2013

    • Author(s)
      Yuichiro Sugawa, Kazuma Ishidate, Makoto Sonehara, Toshiro Sato
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 49(7) Pages: 4172-4175

    • DOI

      10.1109/TMAG.2013.2250925

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] LSIパッケージ集積化電源用Znフェライト磁心プレーナパワーインダクタの有機インターポーザへの内蔵に関する検討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(4) Pages: 314-319

    • DOI

      10.3379/msjmag.1305R012

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of a Zn ferrite thick film planar power inductor for DC-DC converter LSI package2013

    • 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

    • DOI

      0.1002/ecj.10425

  • [Journal Article] 90% High Efficiency and 100-W/cm3 High Power Density Integrated DC-DC Converter for Cellular Phones2013

    • Author(s)
      Satoshi Sugahara, Kouhei Yamada, Masaharu Edo, Toshiro Sato, and Kiyohito Yamasawa
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Power Electronics

      Volume: 28(4) Pages: 1994-2004

    • DOI

      10.1109/TPEL.2012.2197762

    • Peer Reviewed
  • [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)
    • Year and Date
      20131219-20131220
  • [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)
    • Year and Date
      20131219-20131220
  • [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)
    • Year and Date
      20131219-20131220
  • [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)
    • Year and Date
      20130912-20130913
  • [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)
    • Year and Date
      20130903-20130906
  • [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)
    • Year and Date
      20130903-20130906
  • [Presentation] Magnetic Properties of Spin-sprayed Ferrite Film Deposited on Glass/Epoxy Build-up Layer in Organic Interposer Substrate2013

    • 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)
    • Year and Date
      20130415-20130419
  • [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)] 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
      特願2013-180326
    • Filing Date
      2013-08-30

URL: 

Published: 2015-05-28  

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