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JP3214107B2 - 電池搭載集積回路装置 - Google Patents

電池搭載集積回路装置

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JP3214107B2
JP3214107B2 JP29750192A JP29750192A JP3214107B2 JP 3214107 B2 JP3214107 B2 JP 3214107B2 JP 29750192 A JP29750192 A JP 29750192A JP 29750192 A JP29750192 A JP 29750192A JP 3214107 B2 JP3214107 B2 JP 3214107B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路の常時ないし停
電時の給電用に固体電解質を利用する電池を半導体チッ
プ上に搭載してなる集積回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子装置の小形化と軽量化が進み可搬性
が高まるに伴い、その使い勝手を一層向上するため電池
給電とする要求が強くなっている。この給電用の電池に
は一次電池と二次電池の双方が用いられるが、もちろん
いずれの場合も小形軽量でかつ可使時間が極力長いこと
が要求される。電池には液状電解質ないしはそれを滲み
込ませた電解層を用いることが多いが、容器内に密封す
る必要があるので電池の体格と重量が大きくなって可搬
式電子装置に不向きである。このため、最近では固体電
解質を用いる電池の将来性が注目されている。
【０００３】かかる電池に適する固体電解質には、例え
ばガリアやアルミナ系のナトリウムイオン伝導性のもの
（特開昭57-27982号公報などを参照），リチウム化合物
系のリチウムイオン伝導性のもの（特開昭59-31569号公
報，特開昭59-31570号公報，特開昭59-60866号公報など
を参照），銅ハロゲン化物系などの銅イオン伝導性や銀
化合物系などの銀イオン伝導性のもの（特開昭63-34864
号公報などを参照）のほか、種々な材料，とくに金属イ
オン伝導性のものが知られており、これら固体電解質の
数μｍ程度の薄膜を負極金属膜や接続用金属膜とともに
積層することにより、現在はまだあまり大電流容量は望
めないが、薄膜積層構造の10μｍ以下の極薄形の電池を
構成できる。なお、固体電解質の導電率は温度の関数で
あるから動作温度を上げることにより電池の電流容量を
向上できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述のような固体電解
質電池は小電力給電用に適するが、それが組み込まれる
電子装置，とくに可搬式のものではもちろん常に小形化
が要求されるので電池の取り付けスペースを最小にする
必要がある。また、電子装置の機能を高度化するために
表示装置や印字装置を組み込んだり外部負荷に対する駆
動能力を賦与することが多いので、電子装置内の回路に
複数個の電圧を給電する必要がある場合が多い。この複
数電圧の供給には周知のスイッチング電源等の DC-DCコ
ンバータを組み込む必要があるが、その電圧変換作用に
は必ず電力損失が伴うので、その分一次電池の寿命ない
しは二次電池の放電可能時間が短くなり、かつコンバー
タの組み込みにも貴重なスペースを割かねばならない問
題がある。
【０００５】また、固体電解質電池を小電力給電用に適
する点を利用してバックアップ用，つまり電子装置の正
規の電源の停電時用やその移動時用の電源として用い、
電子装置に例えばそのＲＡＭ内の記憶内容を保持させあ
るいはそのセンサ機能を常に維持させることもでき、こ
の場合は電圧変換用コンバータに伴う問題はないが、バ
ックアップ用には二次電池を用いるので、その充放電用
や給電切換用の回路を含めて必要なペースを極力縮小す
ることが要求される。このような問題ないしは要求に鑑
みて、本発明は電池とその関連回路に要するスペースを
圧縮しながら、コンバータをとくに用いることなく複数
電圧を給電することを第１の目的とし、バックアップ用
に電池を合理的に利用することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、動作電
圧が異なる複数個の回路を含む集積回路を作り込んだ半
導体チップの上に固体電解質膜を備え複数の電圧を発生
する電池を搭載し、電池をその受電回路と接続する電源
スイッチを集積回路内に組み込んでそれを随時に動作さ
せて電池から各受電回路に給電し得るようにすることに
より達成される。なお、複数電圧は１個の電池からも当
然取り出せるが、動作電圧の異なる回路ごとに電池を分
離して複数の電池をチップに搭載する方が使い勝手をよ
くする上で有利である。
【０００７】
【０００８】上記のように電池をチップ上に搭載するに
は、バンプ電極等を介してチップに実装することでもよ
いが、固体電解質を利用する電池は薄膜積層構造なので
半導体製造技術を利用してチップ表面を覆う絶縁膜の上
に作り付けるのが有利である。また、電池に受電回路に
適する電圧をもたせるには単位電池を直列に接続する必
要があるが、このためには固体電解質電池は薄膜積層構
造なので単位電池の固体電解質膜を含む薄膜を多層に積
層した積層電池構造とするのがよく、積層すべき層数が
あまりにも多くなる場合に限り複数個に分割してそれら
を直列接続するのがよい。
【０００９】
【作用】本発明は、固体電解質電池が薄膜積層構造で薄
形である点を利用して給電対象である集積回路装置のチ
ップ上に電池を搭載し、付属の電源スイッチも集積回路
内に組み込んでしまうことによりそれらのためにスペー
スを割く必要をなくし、かつ電池がその寿命ないし放電
許容時間内で定電圧性が充分良好な点を利用して電源ス
イッチを必要に応じ随時動作させるだけで電圧コンバー
タをとくに介する必要なく受電回路に安定した電圧を給
電できるようにしたものである。
【００１０】従って、本発明では集積回路が動作電圧が
異なる複数の回路を含む場合でも、受電回路ごとに電池
を設け，あるいは電池が単位電池の直列接続である点を
利用して単一の電池から異なる電圧を取り出すことによ
り複数の回路の給電に必要な複数の電圧を電池自体に発
生させる。
【００１１】
【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は集積回路が動作電圧が異なる複数の回路を含
む場合の本発明の実施例を断面図，その拡大断面図およ
び回路図により示し、図２は電池をバックアップに用い
る場合の参考例を回路図により示すものである。なお、
これらの例では電池は二次電池であるものとするが、も
ちろん本発明は一次電池を用いる場合にも適用できる。
【００１２】図１(a) に示す半導体チップ10には動作電
圧が互いに異なる回路51と52を含む集積回路が作り込ま
れており、図１(c) に示すようにこの内の回路51の方は
入力端子Siから信号を受けて例えば５Ｖの低電圧で動作
するＭＯＳ回路で、回路52の方はそれから制御信号CSを
受けて例えば10Ｖ以上の電圧で動作して出力端子Soを介
し負荷を駆動するＭＯＳトランジスタからなる出力回路
である。これらの受電回路51と52のそれぞれに適する電
圧を給電するため、この実施例では図１(a) に示すよう
に数mm角の小形の電池20と30を個別に設け、それらを半
導体チップ10の表面を覆う酸化シリコン等の絶縁膜14の
上側に作り付ける。
【００１３】本発明ではこれらの電池20と30に固体電解
質電池を用い、いずれも積層電池とするのがふつうであ
るが、図１(a) では煩雑を避けるため単層電池として示
す。例えば、上述の５Ｖ用の電池20には銅イオン伝導性
の, 10Ｖ以上用の電池30にはリチウムイオン伝導性の固
体電解質をそれぞれ用いる。電池20の方は絶縁膜14の上
に図の下側から金・クロームの 0.1μｍの接続金属膜2
1, 銅の 0.2〜0.5 μｍの負極金属膜22, 銅等のハロゲ
ン化合物の２〜数μｍの固体電解質膜23, および金の
0.1μｍの接続金属膜25を順次に成膜しかつ所定パター
ンに形成してなり、ふつうは 0.5〜0.65Ｖの単層電池電
圧が得られる。
【００１４】同様に、電池30の方では金・クロームの
0.1μｍの接続金属膜31, リチウムの0.1〜0.3 μｍの負
極金属膜32, リチウムハロゲン化物等からなる２〜数μ
ｍの固体電解質膜33, および金の 0.1μｍの接続金属膜
35を順次に成膜しかつ所定のパターンに形成することに
より、単層電圧で 2.6〜3.0 Ｖの電池とする。なお、電
池20と30のいずれもその構成薄膜を真空蒸着法やスパッ
タ法で積層電池構造に必要な層数だけ連続的に成膜する
ことができ、この積層構造体を所定パターンに形成する
にはその形成範囲以外にフォトレジスト膜を被覆した後
に積層構造体を連続成膜し、次にフォトレジスト膜を溶
解していわゆるリフトオフ法により不要部分を取り除く
のが有利である。ただし、図からわかるように最下層と
最上層の接続金属膜は別途のパターンニングを要する。
チップ10上にこれら電池20と30を作り込んだ後に窒化シ
リコン等の保護膜16で全面を覆い、かつその周縁部に窓
を開口して集積回路用の接続パッド17を形成する。
【００１５】上述のように電池は積層電池とするのが有
利であるが、積層数があまり多いと積層体の成膜が困難
になるので、複数の単位電池に分けてそれらを直列接続
するのがよい。図１(b) にこの場合の構造を電池を集積
回路と接続する要領を含めて電池20について部分拡大断
面図で示す。ただし、各単位電池を図示の便宜上前と同
様に単層電池の形で示す。電池20が搭載されるチップ10
側では集積回路が作り込まれた半導体領域11の表面が絶
縁膜12で覆われ、その上に配設されたアルミの配線膜13
が例えば酸化シリコン等の１μｍの膜厚の絶縁膜14で被
覆されており、この絶縁膜14の要所に明けられた電池20
との接続用窓の個所にアルミ等の金属の接続膜15が設け
られている。
【００１６】図の左側の単位電池ではその下側の接続金
属膜21を延長して接続膜15を介して集積回路の配線膜13
と接続する。各単位電池の最上層側の固体電解質膜23を
薄い絶縁膜24で覆った上で要所に窓を開口し、この窓内
で固体電解質膜23と導電接触する上側の接続金属膜25を
介して隣の単位電池の下側の接続金属膜21と接続するこ
とにより各単位電池を互いに直列に接続する。また、図
の右側の単位電池ではこの上側の接続金属膜25を上述の
接続膜15を介して配線膜13と接続する。これにより電池
20の内部接続とチップ10内の集積回路との接続が完了
し、さらに前述の保護膜16で全面を覆って図の状態とす
る。
【００１７】図１(a) のように半導体チップ10の上に作
り込まれる図１(a) の電池20と30は上側が正極側, 下側
が負極側であり、図の例ではその正極側が電源スイッチ
40をそれぞれ介して受電回路51や52に接続され、負極側
が図１(c) に示すように集積回路の接地端子Ｅに接続さ
れる。図示の例では電源スイッチ40はｐチャネル形のＭ
ＯＳトランジスタであり、給電制御端子T2やT3を介して
そのゲートを接地してオン動作させることにより、電池
20と30からそれぞれ受電回路51と52に随時給電できるよ
うになっている。この例では二次電池である電池20や30
は固体電解質の種類によっても異なるが少なくとも数十
時間の連続放電が可能であり、かつその発生電圧は電子
回路負荷の場合は放電率がほぼ一定なのでこの放電許容
時間内でコンバータと比べても遜色のない±１％以内の
精度で一定に保たれる。
【００１８】図２の参考例では上述のような電池20を正
規の電源の停電時のバックアップに用いる。図示の例で
のバックアップ対象はチップ10内のＲＡＭ53であり、図
にはチップ10のそれに関連する部分のみを示す。この参
考例では正規の電源電圧Ｖが正常な間に電池20を充電す
るので、この電圧Ｖを電池20に与えるとともに過充電防
止用のツェナーダイオード41とその直列抵抗42をチップ
10内の集積回路に組み込む。電池20の電圧を電源スイッ
チ40を介して充電回路であるＲＡＭ53に与えるのは前と
同じであるが、電源電圧Ｖを低い抵抗43を介してそれに
与え、かつ接地端子Ｅとの間にキャパシタ44を設ける。
また、電源スイッチ40用のＭＯＳトランジスタのゲート
を制御するためにＲＡＭ53の受電電圧を常時監視する低
電圧検出回路45を設ける。
【００１９】この参考例では、正規の電源電圧Ｖが正常
である限りＲＡＭ53はそのアドレスバス53ａとデータバ
ス53ｂを介し通常の動作を行ない、電池20は充電状態に
常に保たれているが、停電等のなんらかの原因でＲＡＭ
53が受ける電圧が所定値から例えば10〜20％低下すると
低電圧検出回路45がこれを検出して電源スイッチ40をオ
ンさせるので、ＲＡＭ53は電池20から給電されて記憶内
容を保持する。なお、キャパシタ44はこの給電切り換え
中や電源電圧Ｖの瞬停時の記憶内容の保護用である。こ
の参考例では電池20は小電流容量の小形のものでよく、
充放電形なので通常の一次電池より保護機能が完全であ
る。また、この参考例はＲＡＭに限らず監視用のセンサ
回路等を常に動作させる場合にも有用である。
【００２０】本発明は上述の実施例に限らず種々の態様
で実施することができる。例えば、図１の実施例では動
作電圧の異なる受電回路ごとに電池を設けるようにした
が、図１(b) のように単位電池の直列接続で電池を構成
すれば、単一の電池から複数電圧を容易に取り出すこと
ができる。この場合、受電回路ごとに必要な電流値が異
なっても単位電池を作り込む面積をそれに応じて設定す
ればよい。
【００２１】
【発明の効果】以上のとおり本発明の電池搭載集積回路
装置では、動作電圧が異なる複数個の回路を含む集積回
路を作り込んだ半導体チップの上に複数の電圧を発生す
る固体電解質電池を搭載し、かつそれを受電回路と接続
する電源スイッチを集積回路に組み込み、電源スイッチ
を動作させて電池から受電回路に給電し得るようにし、
あるいは集積回路を作り込んだ半導体チップ上に固体電
解質電池を搭載し、かつそれを受電回路と接続する電源
スイッチを集積回路内に組み込み、正規の電源による動
作中に電池を充電しておいて停電時に自動的に電源スイ
ッチを動作させて電池から受電回路に給電することによ
り、次の効果を上げることができる。
【００２２】(a) 固体電解質電池は薄膜積層構造なので
積層電池とする場合でもごく薄形に形成でき、これを集
積回路装置の半導体チップ上に搭載することにより可搬
形の電池給電の電子装置等に組み込む際に電池のために
スペースを割く必要をなくすことができる。さらに、電
池を受電回路と接続する電源スイッチも集積回路内に組
み込むのでそれ用のスペースも不要である。
【００２３】(b) 動作電圧が異なる受電回路ごとに電池
を搭載しあるいは単一の電池に複数電圧を発生させ得る
ので、電池電圧を複数の電圧に変換するコンバータを用
いる必要がなくなり、その分スペースを省略するととも
に電圧変換に伴う電力損失をなくして電池の寿命ないし
は放電許容時間を延ばすことができる。固体電解質を用
いる電池はその寿命ないし放電許容時間内で放電率の変
動がとくに大きくないかぎりコンバータ付きと比べて遜
色のない良好な定電圧性を有する。
【００２４】(c) 固体電解質膜の導電率が温度とともに
向上するので、半導体チップの上に固体電解質電池を搭
載することにより、その動作温度を若干とも高めてその
電流容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路が動作電圧が異なる複数の回路を含む
場合の本発明の実施例を示し、同図(a) は電池搭載集積
回路装置の断面図、同図(b) は単位電池を直列接続した
電池の要部拡大断面図、同図(c) は同図(a) に対応する
回路図である。
【図２】電池をバックアップに用いる本発明の参考例を
示す回路図である。
【符号の説明】
10 集積回路装置の半導体チップ 20 固体電解質電池 23 固体電解質膜 30 固体電解質電池 33 固体電解質膜 40 電源スイッチないしはＭＯＳトランジスタ 51 電池20から給電される受電回路 52 電池30から給電される受電回路 53 電池によるバックアップ対象としてのＲＡＭ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 H01M 10/36

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】動作電圧が異なる複数個の回路を含む集積
    回路が作り込まれた半導体のチップと、チップ上に搭載
    された固体電解質膜を用いる薄膜積層構造の電池と、集
    積回路に組み込まれ電池をその受電回路と接続する電源
    スイッチとを備えてなり、動作電圧が異なる回路への給
    電用に複数の電圧を電池に発生させ、電源スイッチを随
    時に動作させて電池からその受電回路に給電し得るよう
    にしたことを特徴とする電池搭載集積回路装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、電池が動
    作電圧の異なる回路ごとに設けられることを特徴とする
    電池搭載集積回路装置。
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