CN102474187A - 线圈一体型开关电源模块 - Google Patents

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Abstract

构成一种提高散热效果、将整体的温度保持得较低的线圈一体型开关电源模块。在层(S6)上，在磁芯所贯通的孔(H2)的周围形成有热扩散用导体图案(E60)。热扩散用导体图案(E60)连续地扩展到形成于其他层的线圈导体图案的形成区域以及线圈导体图案的形成区域的外侧。此外，热扩散用导体图案(E60)，在局部设有狭缝(SL1)，在磁芯所贯通的孔(H2)的周围不构成闭环路。

Description

线圈一体型开关电源模块
技术领域
本发明涉及具备具有初级-次级间的电力传输/电压变换功能的变压器的线圈一体型开关电源模块。
背景技术
在专利文献1、专利文献2、以及专利文献3中公开了在多个基板上形成初级绕组以及次级绕组的布线图案，在层叠了该多个基板的多层基板上设置贯通孔，并从该贯通孔两侧插入铁氧体磁芯的构造的薄片变压器、和使用该薄片变压器的绝缘型开关电源。
图1、图2示出了专利文献3的图3、图4。图1是绝缘型DC-DC转换器的等价电路图，图2是说明图1的电路的安装状态的构成立体图。在布线层20的中央部安装变压器T的磁芯，并且将FET或晶体管等开关元件Q1设置于变压器T的初级侧，将二极管D3、D4以及扼流线圈L1的磁芯部件设置于变压器T的次级侧。在布线层20的正下方隔着屏蔽层30，并在该屏蔽层的下层设置有线圈内部布线层12。
线圈内部布线层12是设置布线层20的层间连接孔和线圈层10或电容器层40之间的布线图案的层，若加上布线层20，则存在二层的布线区域。
线圈层10设置于线圈内部布线层12的下层，在此变压器T的初级绕组n1和次级绕组n2被层叠设置，并且位于受到安装于布线层20的磁芯T的磁影响的位置。此外，扼流线圈L1用的绕组n3也设置于线圈层10，并位于与扼流线圈L1的磁芯部件的配置位置相对应的位置。电容器层40设置于线圈内部布线层12的下层，在此设置有输出电容器C2。
专利文献3与专利文献1、2不同，构成变压器的线圈图案设置于层叠基板内部，在表层只安装了电子部件和铁氧体磁芯等。这种构造在线圈图案层的外侧需要布线层、屏蔽层，因此会在正面、背面设置合计至少4层无法使用于线圈的层，为了将线圈的导通电阻设计得足够低需要增加基板的层叠数，而若基板的层叠数增加则存在基板的制造成本大幅增加的问题。此外，伴随层叠数的增加，基板的厚度也增加，产生产品厚度增加的问题。另一方面，对于来自变压器或扼流线圈的磁通泄漏，只要注意在磁通泄漏明显的部位不配置噪声耐受量较低的电路，则能够比较容易地应对。因此，专利文献1、2所示的在基板表面也形成线圈图案的构造更普遍地得到了普及。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2000-260639号公报
专利文献2：JP特开2004-349293号公报
专利文献3：JP专利第3196187号公报
发明要解决的技术问题
具备在多层形成了渦状的线圈导体图案的层叠基板、和贯通该层叠基板而构成闭合磁路的磁芯的、现有的线圈一体型开关电源模块中存在如下问题。
在所述线圈一体型开关电源模块中，使用在多层形成了渦状的线圈导体图案的层叠基板、和贯通该层叠基板而构成闭合磁路的磁芯来形成变压器、或电感器，但在所述变压器、或电感器处理大功率的情况下，在渦状的线圈导体图案中流过大电流，线圈导体图案明显发热。所述线圈导体图案所发出的热向磁芯以及层叠基板的周围方向传热，从而从磁芯、层叠基板、线圈一体型开关电源模块的输入输出端子等向外部散热。
然而，所述线圈一体型开关电源模块以削减部件个数、小型化为目的之一而构成，所述层叠基板的尺寸也极力小型化。因此，伴随整体的小型化，在所述线圈导体图案中容易产生热集中。若由于线圈导体图案的热集中而超过构成层叠基板的材料的耐热温度，则导致层叠基板的变色或变形，可靠性大幅受损。此外，对安装在线圈导体图案的附近的部件也将产生不良影响。在没有安装用于对所述线圈一体型开关电源模块或者收纳该模块的框体进行冷却的风扇的情况下、或环境温度较高的情况下，散热问题变得严重。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高散热效果来缓和热集中，提高了层叠基板、以及周边部件的可靠性的线圈一体型开关电源模块。
解决课题的手段
本发明为了解决所述课题如下这样来构成。
线圈一体型开关电源模块具备：层叠基板，其在多个层上形成有渦状的线圈导体图案，在所述线圈导体图案的内侧以及外侧形成孔，并在外表面形成电路元件安装用电极(连接盘)；磁芯，其贯通所述层叠基板的形成于所述线圈导体图案的内侧以及外侧的孔而构成闭合磁路；和电路元件，其安装在所述电路元件安装用电极上，
在所述层叠基板的内层，形成有热扩散用导体图案，该热扩散用导体图案连续地扩展到所述线圈导体图案的形成区域以及所述线圈导体图案的形成区域的外侧，并且在所述磁芯所贯通的孔的周围不构成闭环路(不环绕)。
此外，所述线圈导体图案中的至少一个线圈导体图案是匝数为1且连续地扩展到所述线圈导体图案的形成区域的外侧的扩展线圈导体图案。
此外，在所述层叠基板的至少一个外表面上设置有用于向外部的散热部件(散热器或筐体)散热(传热)的热耦合部件，在所述热扩散用导体图案或所述扩展线圈导体图案和所述热耦合部件之间设置有导体通孔。
发明的效果
根据本发明，发挥如下的效果。
在层叠基板的内层形成的热扩散用导体图案或扩展线圈导体图案的热电阻较低。因此，从渦状的线圈导体图案放出的热被形成于层叠基板的内层的热扩散用导体图案或扩展线圈导体图案高效地扩散到四方。因此，消除了仅有层叠基板的线圈导体图案的形成区域集中地变得高温的情况，线圈一体型开关电源模块整体的温度被保持得较低。
此外，所述热扩散用导体图案或扩展线圈导体图案的热通过所述通孔以及所述热耦合部件被高效地散热到外部。
附图说明
图1(A)、图1(B)是表示专利文献3的第2实施方式所示出的将复合变压器形成于印刷基板时的布线例的图。
图2(A)是表示图1(A)、图1(B)所示的复合变压器中的信号传输变压器部的磁路的图，图2(B)是表示其电力传输变压器部的磁路的图。
图3是第1实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块的分解剖面图。
图4是在图3所示的层叠基板的层S1上形成的导体图案的俯视图。
图5是在图3所示的层叠基板的层S2上形成的导体图案的俯视图。
图6是在图3所示的层叠基板的层S3上形成的导体图案的俯视图。
图7是在图3所示的层叠基板的层S4上形成的导体图案的俯视图。
图8是在图3所示的层叠基板的层S5上形成的导体图案的俯视图。
图9是在图3所示的层叠基板的层S6上形成的导体图案的俯视图。
图10是在图3所示的层叠基板的层S7上形成的导体图案的俯视图。
图11是在图3所示的层叠基板的层S8上形成的导体图案的俯视图。
图12是在图3所示的层叠基板的层S9上形成的导体图案的俯视图。
图13是在图3所示的层叠基板的层S10上形成的导体图案的俯视图。
图14是在第2实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块所具备的层叠基板的层S6上形成的导体图案的俯视图。
图15是设置了第3实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块100的电子设备的剖面图。
具体实施方式
《第1实施方式》
参照图3～图13来说明第1实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块。
图3是线圈一体型开关电源模块的分解剖面图。线圈一体型开关电源模块所具备的层叠基板，在本例中具有5个双面基板B1、B2、B3、B4、B5，在相邻的双面基板之间填充有半固化片(prepreg)。这样，因为层叠基板具备5个双面基板，所以层叠基板具有10层(层S1～S10)。
在所述层S1～S10中的最外层即第1层S1以及第10层S10上形成有电路元件安装用电极(连接盘)，在该电极上安装有电路元件CE。此外，在第1层-第2层间、以及第9层-第10层间能够形成内通孔，因此第2层、第9层的图案分别能够容易地与第1层、第10层连接。因此，在第2层S2以及第9层S9遍布了很多用于取得所述电路元件的电连接的布线图案。
因此，在第1层、第2层、第9层、以及第10层上，实际上无法在较大的范围内形成热扩散用导体图案。
在第1层、第2层、第9层、以及第10层以外的内部的层上不需要遍布很多的布线图案，因此在所述内部的层上能够不限制其他布线图案的形成地、形成所述热扩散用导体图案。
在第1实施方式中，将热扩散用导体图案形成于最内部的层即层S6。在其他层S1～S5、S7～S10上形成渦状的线圈导体图案。
在所述层叠基板上，在线圈导体图案的内侧以及外侧形成孔，并设置有贯通这些孔而构成闭合磁路的磁芯。在图3中表示了中央的磁芯柱106b以及磁芯107。
图4～图13是形成于图3所示的层S1～S10上的导体图案的俯视图。其中，是对于任意一个层都从层叠基板的一方观察而得到的图。此外，示出了主要的导体图案(特别是线圈导体图案)，而对于其他导体图案省略了图示。在图4～图13的任意一个图中，孔H1、H2、H3都是所述磁芯的芯柱部所贯通的孔。
如图4所示，在层S1上，在孔H2的周围形成有渦状的4匝的线圈导体图案L11。在该线圈导体图案L11的外周端形成有导体通孔PTH11，在内周端形成有导体通孔PTH12。
如图5所示，在层S2上，在孔H2的周围形成有渦状的3匝的线圈导体图案L12。在该线圈导体图案L12的内周端形成有导体通孔PTH12，在外周端形成有导体通孔PTH13。
这样，所述线圈导体图案L11、L12经由导体通孔PTH12而串联连接，构成了合计7匝的线圈。
如图6所示，在层S3上，在孔H2的周围形成有4匝的渦状的线圈导体图案L21。在该线圈导体图案L21的外周端形成有导体通孔PTH21，在内周端形成有导体通孔PTH22。
如图7所示，在层S4上，在孔H2的周围形成有渦状的4匝的线圈导体图案L22。在该线圈导体图案L22的内周端形成有导体通孔PTH22，在外周端形成有导体通孔PTH23。
这样，所述线圈导体图案L21、L22经由导体通孔PTH22而串联连接，构成了合计8匝的线圈。
如图8所示，在层S5上，在孔H2的周围形成有渦状的7匝的线圈导体图案L30。在该线圈导体图案L30的外周端形成有导体通孔PTH13，在内周端形成有导体通孔PTH32。
如图9所示，在层S6上，在孔H2的周围形成有热扩散用导体图案E60。该热扩散用导体图案E60连续地扩展到所述线圈导体图案的形成区域以及所述线圈导体图案的形成区域的外侧。在本例中，热扩散用导体图案E60扩展到基板的周围。此外，热扩散用导体图案E60在局部设置有狭缝SL1，在磁芯所贯通的孔H2的周围不构成闭环路(不环绕)。
在层S6上，除了形成有所述热扩散用导体图案E60之外，还形成有导体图案E61。此外，在导体图案E61的第1端部形成有导体通孔PTH32，在第2端部形成有导体通孔PTH11。在层S5上形成的线圈导体图案L30经由导体通孔PTH32与层S6的返回线E61串联连接，构成了7匝的线圈。
如图10所示，在层S7上，在孔H2的周围形成有渦状的4匝的线圈导体图案L41。在该线圈导体图案L41的外周端形成有导体通孔PTH21，在内周端形成有导体通孔PTH42。
如图11所示，在层S8上，在孔H2的周围形成有渦状的4匝的线圈导体图案L42。在该线圈导体图案L42的内周端形成有导体通孔PTH42，在外周端形成有导体通孔PTH23。
这样，所述线圈导体图案L41、L42经由导体通孔PTH42而串联连接，构成了合计8匝的1个线圈。
如图12所示，在层S9上，在孔H2的周围形成有渦状的3匝的线圈导体图案L51。在该线圈导体图案L51的外周端形成有导体通孔PTH11，在内周端形成有导体通孔PTH52。
如图13所示，在层S10上，在孔H2的周围形成有渦状的4匝的线圈导体图案L52。在该线圈导体图案L52的内周端形成有导体通孔PTH52，在外周端形成有导体通孔PTH13。
这样，所述线圈导体图案L51、L52经由导体通孔PTH52而串联连接，构成了合计7匝的1个线圈。
通过所述线圈导体图案L11、L12的串联连接而构成的7匝的线圈、通过所述线圈导体图案L30和返回线E61的串联连接而构成的7匝的线圈、通过线圈导体图案L51、L52的串联连接而构成的7匝的线圈，经由导体通孔PTH11、PTH13而并联连接，构成了7匝的初级线圈。
通过所述线圈导体图案L21、L22的串联连接而形成的8匝的线圈、通过所述线圈导体图案L41、L42的串联连接而形成的8匝的线圈经由导体通孔PTH21、PTH23而并联连接，构成了8匝的次级线圈。
所述7匝的初级线圈和所述8匝的线圈层叠为三明治(sandwich)构造，并被同一磁芯磁耦合，由此构成了耦合度优良的印刷线圈变压器。
通过在层叠基板的内层形成热扩散用导体图案E60，从渦状的线圈导体图案L11、L12、L21、L22、L30、L41、L42、L51、L52放出的热，被热扩散用导体图案E60高效地扩散到四方，并且经由层叠构造而被传导到基板的最外层，并被发散到开关电源模块的外部。因此，消除了仅有层叠基板的线圈导体图案的形成区域集中地变得高温的情况，线圈一体型开关电源模块整体的温度被保持得较低。
此外，由于所述狭缝SL1的存在，热扩散用导体图案E60在磁芯所贯通的孔的周围不构成闭环路(不环绕)。因此，在热扩散用导体图案E60中不流过渦电流，没有渦电流所导致的能量损耗，且没有功率变换效率的降低以及发热量的增大。
此外，因为将热扩散用导体图案E60形成在最外侧的基板B1、B5以外的层上，所以不需要设置用于热扩散的特别的层，层叠基板的层叠数也不会增加。
在图3所示的基板B1、B2、B4、B5的每一个基板的两面上形成有线圈导体图案。与此相对，在基板B3的一个面即层S5上形成渦状的线圈导体图案，在背面的层S6上，除了从层S5的线圈内侧向外侧的返回线部E61之外，几乎在整个面上形成了热扩散用导体图案。
在层S5上形成的渦状线圈图案与在基板B1、B5上形成的线圈图案并联连接，分担线圈电流。通过采用这种构造，形成了热扩散用图案E60的层S6的背面即层S5被有效利用，线圈的电阻被减小，并且通过增加三明治构造的层叠数，印刷线圈变压器的耦合度提高。
《第2实施方式》
参照图14，对第2实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块进行说明。图14是在第2实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块所具备的层叠基板的层S6上形成的导体图案的俯视图。该层S6相当于在第1实施方式中图9所示的层S6，但导体图案不同。关于其他层的导体图案，与第1实施方式所示的导体图案相同。
如图14所示，在层S6上，在孔H2的周围形成有扩展线圈导体图案E62。该扩展线圈导体图案E62，连续地扩展到在其他多个层上形成的线圈导体图案的形成区域以及所述线圈导体图案的形成区域的外侧。在本例中，扩展线圈导体图案E62扩展到基板的周围。扩展线圈导体图案E62是围绕孔H2的周围的1匝的线圈。在该扩展线圈导体图案E62的一个端部形成有导体通孔PTH34，在另一个端部形成有导体通孔PTH35。与这些导体通孔PTH34、PTH35连接的电路将扩展线圈导体图案E62作为1匝的线圈来使用。
如上所示，通过在层叠基板的内层形成扩展线圈导体图案E62，从在其他层上形成的多个线圈导体图案放出的热被扩展线圈导体图案E62高效地扩散到四方。因此，消除了仅有层叠基板的线圈导体图案的形成区域集中地变得高温的情况，线圈一体型开关电源模块整体的温度被保持得较低。关于其他作用效果也与第1实施方式的情况相同。
《第3实施方式》
参照图15来说明第3实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块。图15是设置了第3实施方式所涉及的线圈一体型开关电源模块100的电子设备的剖面图。在图15中，层叠基板LB是第1实施方式所示的线圈一体型开关电源模块的层叠基板。由该层叠基板LB和磁芯106、107构成了线圈一体型开关电源模块100。
在层叠基板LB的内部，如第1实施方式所示，设置有热扩散用导体图案E60。在层叠基板LB的上表面形成有热耦合部件HC的安装用电极，在该安装用电极上安装有热耦合部件HC。
在所述安装用电极和所述热扩散用导体图案E60之间形成有导体通孔PTH。该导体通孔PTH起到将所述安装用电极和所述热扩散用导体图案E60热耦合的传热部件的作用。
在热耦合部件HC和散热器HS之间隔着传热绝缘片IS。
通过这种构造，要通过热扩散用导体图案E60来扩散的热(其大部分)通过导体通孔PTH→热耦合部件HC→传热绝缘片IS→散热器HS的路径被传热，从而高效地向外部散热。
热扩散用导体图案E60的热通过所述流程被散热，因此不需要设置于基板的整个面上，只要至少设置于线圈导体图案的形成区域即可。
另外，在图15所示的例子中，构成为将热扩散用导体图案E60的热传导到外部，但如第2实施方式所示，也可以构成为，对于扩展线圈导体图案(图14所示的扩展线圈导体图案E62)也同样地将其热传导到外部。
此外，在图15所示的例子中，设置了散热器HS作为向外部散热用的部件，但也可以将电子设备的框体兼用作散热用部件。
符号说明
B1、B2、B3、B4、B5...基板
CE...电路元件
E60...热扩散用导体图案
E61...导体图案
E62...扩展线圈导体图案
H1、H2、H3...孔
HC...热耦合部件
HS...散热器
IS...传热绝缘片
L11、L12、L21、L22、L30、L41、L42、L51、L52...线圈导体图案
LB...层叠基板
PTH...导体通孔
PTH11、PTH12、PTH13...导体通孔
PTH21、PTH22、PTH23...导体通孔
PTH32...导体通孔
PTH34、PTH35...导体通孔
PTH42...导体通孔
PTH52...导体通孔
S1～S10...层
S1、S10...最外层
SL1...狭缝
100...线圈一体型开关电源模块
106、107...磁芯
106aa、106ab、106b、106ca、106cb...磁芯柱部分

Claims (4)

1.一种线圈一体型开关电源模块，其具备：
层叠基板，其在多个层上形成有渦状的线圈导体图案，在所述线圈导体图案的内侧以及外侧形成孔，并在外表面形成电路元件安装用电极；
磁芯，其贯通所述层叠基板的形成于所述线圈导体图案的内侧以及外侧的孔而构成闭合磁路；和
电路元件，其安装于所述电路元件安装用电极，
在所述层叠基板的内层，形成有热扩散用导体图案，该热扩散用导体图案连续地扩展到所述线圈导体图案的形成区域以及所述线圈导体图案的形成区域的外侧，并且在所述磁芯所贯通的孔的周围不构成闭环路。
2.一种线圈一体型开关电源模块，其具备：
层叠基板，其在多个层上形成有渦状的线圈导体图案，在所述线圈导体图案的内侧以及外侧形成孔，并在外层形成电路元件安装用电极；
磁芯，其贯通所述层叠基板的形成于所述线圈导体图案的内侧以及外侧的孔而构成闭合磁路；和
电路元件，其安装于所述电路元件安装用电极，
所述线圈导体图案中的至少一个线圈导体图案是匝数为1且连续地扩展到所述线圈导体图案的形成区域的外侧的扩展线圈导体图案。
3.根据权利要求1所述的线圈一体型开关电源模块，其中，
在所述层叠基板的至少一个外表面上设置有用于向外部的散热部件散热的热耦合部件，在所述热扩散用导体图案和所述热耦合部件之间设置有导体通孔。
4.根据权利要求2所述的线圈一体型开关电源模块，其中，
在所述层叠基板的至少一个外表面上设置有用于向外部的散热部件散热的热耦合部件，在所述扩展线圈导体图案和所述热耦合部件之间设置有导体通孔。
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