CN106373709A - 模块基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备能够实现薄型化、小型化的电感器的模块基板。本发明的一实施方式的模块基板(1)具备：基板主体(10)，具有供电子零件(40)搭载的安装面(11)；磁芯(20)，配置在基板主体(10)的内部；以及导体线圈(30)，设置在基板主体(10)上，且卷绕在磁芯(20)的周围。模块基板(1)因具有在基板主体(10)中内置着电感器的方式，所以能够谋求整体的小型化、薄型化。

Description

模块基板
技术领域
本发明涉及一种模块基板，更详细来说，涉及一种具有磁芯及卷绕在磁芯周围的线圈的模块基板。
背景技术
对电子设备的要求随着信息通信产业的扩大而多样化，例如为了实现追加了各种功能的器件，主板的高密度安装化或小型、薄型化、功能模块的模块化等不断进展。
例如，在专利文献1中，记载了具有电路基板以及电感器的电源模块。电路基板具有搭载着开关晶体管、电源控制IC(integrated circuit，集成电路)、电容器等电子零件的对向面。另一方面，电感器具有磁芯以及金属制线圈，该磁芯是由具有扁平形状的软磁性金属粉末及包含绝缘性树脂的粘合剂而形成，该金属制线圈具有高导热率；且该电感器与电路基板的对向面对向而配置。
[背景技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2014-168041号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
近年来，由于所要安装的零件大，因此强烈要求电源模块小型化。然而，专利文献1所记载的电源模块由于是由电路基板与电感器的积层体构成，所以难以实现小型化、薄型化。
鉴于如以上情况，本发明的目的在于提供一种具备能够实现薄型化、小型化的电感器的模块基板。
[解决问题的技术手段]
为了达成所述目的，本发明的一实施方式的模块基板具备基板主体、磁芯及导体线圈。
所述基板主体具有供电子零件搭载的安装面。
所述磁芯配置在所述基板主体的内部。
所述导体线圈设置在所述基板主体上，且卷绕在所述磁芯的周围。
在所述模块基板中，磁芯及导体线圈构成一体地设置在基板主体的电感器。因此，所述模块基板因具有在基板主体中内置着电感器的方式，所以能够谋求整体的小型化、薄型化。
也可以为，所述基板主体包含由具有第1弹性模量的第1合成树脂材料构成的树脂层。在该情况下，所述磁芯配置在所述树脂层的内部。
由此，能够将磁芯容易地埋设在基板主体的内部。
也可以为，所述磁芯具有弹性层，该弹性层配置在该磁芯的内部或外表面，且由具有低于所述第1弹性模量的第2弹性模量的第2合成树脂材料构成。
由此，即便在由磁致伸缩相对较大的材料构成磁芯的情况下，也能够在不使磁芯的软磁特性下降的情况下使磁芯内置在基板主体中。
也可以为，所述磁芯是由隔着所述弹性层在所述基板主体的厚度方向或与该厚度方向正交的方向上积层而成的磁性板的积层体构成。
或者，也可以为，所述弹性层以覆盖所述磁芯的外表面的方式配置在所述树脂层的内部。
所述磁芯的形状并不特别限定，例如，具有环形形状。
在该情况下，所述导体线圈具有层间连接部以及配线组。所述层间连接部在所述磁芯的内周侧及外周侧分别各设置多个，且在所述基板主体的厚度方向贯通所述基板主体。所述配线组分别设置在所述基板主体的一面及另一面，且将所述多个层间连接部之间沿着所述磁芯的圆周方向而交替地连接。
由此，能够利用基板主体的配线层，构成电感器的线圈部。
也可以为，基板主体由具有模腔的金属制基材而构成。在该情况下，磁芯配置在所述模腔中。
由此，能够抑制噪音向电感器周围传播。
[发明效果]
如以上所述，根据本发明，能够实现具备电感器的模块基板的薄型化、小型化。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的模块基板的构成的概略侧剖视图。
图2是所述模块基板的主要部分的俯视图。
图3A～C是表示所述模块基板中的磁芯的构成的一例的概略整体立体图。
图4是使用具有铁氧体制磁芯的电感器，测定埋设到树脂层前后的电感的变化所得的一实验结果。
图5是使用具有镍铁合金制磁芯的电感器，测定埋设到树脂层前后的电感的变化所得的一实验结果。
图6是使用具有Fe-Si系非晶合金制磁芯的电感器，测定埋设到树脂层前后的电感的变化所得的一实验结果。
图7是比较例的模块基板的概略侧剖视图。
图8A、B是将比较例的模块基板与图1的模块基板的大小进行比较而表示的概略俯视图。
图9是表示本发明的第2实施方式的模块基板的构成的概略侧剖视图。
图10A～D是说明图9的模块基板的制造方法的主要部分的概略步骤剖视图。
图11A～D是说明图9的模块基板的制造方法的主要部分的概略步骤剖视图。
图12是说明图9的模块基板的一制造步骤的主要部分的概略俯视图。
图13是说明图9的模块基板的一制造步骤的主要部分的概略俯视图。
图14是说明图9的模块基板的一制造步骤的主要部分的概略俯视图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行说明。
＜第1实施方式＞
图1是表示本发明的一实施方式的模块基板的构成的概略侧剖视图。
此外，在图中X轴、Y轴及Z轴表示相互正交的3轴方向，X轴及Y轴对应于模块基板的面内方向，Z轴对应于模块基板的厚度方向(在以下各图中也一样)。
[模块基板的概要]
一般来说，作为阻碍电源模块小型化的一大因素，有线圈零件。线圈零件的尺寸比电容器或电阻等无源零件大，即便使用在基板内内置零件的零件内置基板等的三维安装技术，小型化效果也容易被限制。因此，研究了利用基板内的配线制作线圈的方法，但是如果仅利用只由基板材料制作而成的线圈，则难以获得满足的特性，另一方面，为了获得满足的特性而不可避免基板的大型化。
因此，在本实施方式的模块基板1中，通过将作为贯通线圈的铁芯的磁芯埋入至基板内部，而使作为电感器所要求的线圈的电特性提高，并且能够实现模块整体的小型化、薄型化。
以下，对本实施方式的模块基板1的详细情况进行说明。
本实施方式的模块基板1作为电源模块而构成。模块基板1具有基板主体10、磁芯20以及导体线圈30。磁芯20及导体线圈30设置在基板主体10的内部，导体线圈30作为卷绕在磁芯20周围的线圈而发挥功能。
(基板主体)
基板主体10具有供电子零件40搭载的安装面11及该安装面11的相反侧的端子面12。作为电子零件40，除了IC零件等有源元件以外，还包括电容器或电阻等无源元件。这些电子零件40搭载在基板主体10的安装面11上。另一方面，在端子面12，设置着焊接凸块或镀敷凸块等多个外部连接端子51，且经由这些外部连接端子51搭载在其他配线基板或电子设备的控制基板(母板)等。
基板主体10是由多层配线基板构成。在本实施方式中，基板主体10包含由合成树脂材料构成的树脂层101。基板主体10还包含：配线层102，形成在树脂层101的上表面、下表面及内部；通孔(层间连接部)，将配线层102之间连接；以及阻焊剂等绝缘层104、105，积层在树脂层101的正面及背面。
构成树脂层101的合成树脂材料并无特别限定，典型来说，使用环氧树脂、酚树脂、BT(Bismaleimide Triazine，双马来酰亚胺三嗪)树脂等通用的热硬化性树脂材料。在这些合成树脂材料中，为了赋予所期望的机械性强度，例如也可以含有玻璃纤维或氧化物粒子等填料(填充剂)。
配线层102分别构成与搭载在安装面11的电子零件40连接的上部配线层、以及与设置在端子面12的外部连接端子51连接的下部配线层。绝缘层104、105以使上部配线层及下部配线层局部地露出的方式，分别图案化形成在树脂层101的上表面及下表面。
(磁芯)
磁芯20配置在基板主体10的内部，在本实施方式中埋入至树脂层101的内部。图2是模块基板1的主要部分的俯视图。
在本实施方式中，磁芯20是由具有与基板主体10的厚度方向平行的轴心的环形芯构成。磁芯20的大小并无特别限定，例如，外径设为4mm，内径设为2mm，厚度设为0.2mm～0.5mm。
构成磁芯20的材料只要为具有软磁特性的强磁性材料则并无特别限定，典型来说，使用铁氧体等氧化物材料、镍铁合金、铁硅铝合金等合金材料、或者铁系、钴系 或镍系的非晶合金材料等高磁导率材料。
磁芯20也可以由金属磁性体的箔或板、磁性粉末的烧结体等构成。例如，磁芯20也可以为金属磁性体的积层体或卷绕体、冲裁加压成形体等。磁芯20典型来说由非导电体构成。为了确保磁芯20的绝缘性，例如也可以由将磁性粉末分散在绝缘性树脂材料中而成的复合材料构成磁芯20，或者由绝缘性树脂材料覆盖磁芯20的周围。
图3A～C是表示磁芯20的构成的一例的概略整体立体图。
例如，图3A所示的磁芯20A是由铁氧体磁性粉的烧结体构成。该芯主体的形状并不限定于圆环状，也可以如图所示为矩形环状。
另一方面，图3B所示的磁芯20B是由将长条的磁性薄带呈同心状卷绕而成的卷绕体构成，图3C所示的磁芯20C是由将多片环状的磁性薄板200隔着粘接层201在厚度方向积层而成的积层体构成。
磁芯20构成供因对导体线圈30通电而产生的磁场通过的通路(以下称为磁路)，一般来说，获得磁路的体积越大则越高的电感器特性(电感)。图3A所示的磁芯20A因其本身作为块(bulk)而构成，所以确保了与其加工形状对应的体积。另一方面，图3B、C所示的磁芯20B、20C因磁性体本身的实施方式为箔或者薄板，所以能够通过将这种磁性板在基板主体10的面内方向积层(卷绕)(图3B)，或者在基板主体10的厚度方向积层(图3C)，以确保所期望的体积。
(磁芯的磁致伸缩)
此外，一般来说，众所周知的是软磁性材料伴有形状或长度因施加磁场而发生变化的被称为磁致伸缩的现象。虽然磁致伸缩的大小根据材料而不同，但是关于磁致伸缩相对较大的磁性材料，受到作用于磁性体的应力的影响而抑制因磁致伸缩引起的形状变化，结果存在无法获得本来的高磁导率特性的担忧。尤其，在树脂层101由因热引起的体积变化相对较大的合成树脂材料构成的情况下，有磁芯本来具有的磁特性在埋设到树脂层101之后大幅度变差的情况。
例如，图4表示对具有包含铁氧体的磁芯的电感器进行测定所得的埋设到树脂层前后的电感的变化的一例。在图中，纵轴为电感(Ls[μH])，横轴为外部磁场的交替频率(Hz)，线圈的卷数设为8卷及9卷。如图4所示，可知电感(Ls)在埋设到树脂层之后比埋设前大幅度变差。推测该情况的原因是铁氧体的磁致伸缩相对较大。
另一方面，对磁芯由镍铁合金(Fe-Ni系合金)及Fe-Si系非晶合金构成的电感器进行相同的实验。将这些测定结果分别表示在图5及图6中。如图5及图6所示，确认到在磁芯为镍铁合金或者所述非晶合金的情况下，与磁芯为铁氧体的情况相比，埋设到树脂 层前后的电感变化小。推测该情况的原因是镍铁合金及所述非晶合金的磁致伸缩比铁氧体小。
因此，可以说优选为埋设至树脂层101的磁芯20由磁致伸缩相对较小的磁性材料(例如，磁致伸缩的大小(磁致伸缩常数)为±25E-6以下)构成。由此，抑制遍及埋设到树脂层101前后的磁芯20的磁特性的变化，所以即便在埋设到树脂层101之后，也能够确保如设计那样的电感器特性。
另一方面，通过使埋设至树脂层101的磁芯20具备能够缓和来自树脂层101的应力的缓冲层，也能够抑制磁芯的磁特性变差。由此，即便在磁芯20由磁致伸缩相对较大的磁性材料构成的情况下，也能够抑制埋设到树脂层101前后的电感器特性的变化。
作为所述缓冲层，典型来说弹性层符合，该弹性层是由具有低于构成树脂层101的合成树脂材料(第1合成树脂材料)的弹性模量(第1弹性模量)的弹性模量(第2弹性模量)的合成树脂材料(第2合成树脂材料)构成。作为该弹性层，例如，可列举硅酮树脂或胺基甲酸酯树脂等具有弹性的树脂材料或粘附材料。另外，所述第1及第2弹性模量可根据填料的含量来调整，在该情况下，作为树脂层101及所述弹性层的构成材料，能够分别使用相同的树脂材料。
具体来说，例如，在图3C所示的磁芯20C中，能够将粘接层201作为所述弹性层而构成。由此，由于在磁性板200间获得应力缓和功能，所以来自树脂层101的应力得到缓和，因此能够在不阻碍磁性板200的磁致伸缩现象的情况下将磁芯20C埋设至树脂层101。
在图3B所示的磁芯20B中也相同，可以在所要卷绕的磁性薄带之间介置作为所述弹性层而发挥功能的树脂层(缓冲层)。
或者，如上所述，并不限定于所述弹性层设置在磁芯20B、20C的内部的例子，也可以在磁芯的外表面设置所述弹性层。例如，在图3A所示的磁芯20A中，其外表面(上表面、下表面、外周面及内周面)也可以被作为所述弹性层而发挥功能的树脂层等覆盖。
(导体线圈)
导体线圈30设置在基板主体10上，且卷绕在磁芯20的周围。如图2所示，在本实施方式中，导体线圈30包含一次线圈部31以及二次线圈部32，且与磁芯20一起构成变压器、共模扼流圏等。在变压器的情况下，在一次线圈部31中流通一次电流，在二次线圈部32中流通二次线圈部。另一方面，在共模扼流圏的情况下，在一次线圈31中流通正常模式电流，在二次线圈部32中流通共模电流。
一次线圈部31包含：通孔V11、V12，在磁芯20的内周侧及外周侧分别各设置着 多个；上部配线组W11，构成基板主体10的上部配线层的一部分；以及下部配线组W12，构成基板主体10的下部配线层的一部分。通孔V11、V12是由在基板主体10的厚度方向贯通基板主体10的层间连接部构成，且经由上部配线组W11及下部配线组W12将通孔V11与V12沿着磁芯20的圆周方向而交替地连接。这样一来，一次线圈部31作为在磁芯20的一部分区域连续地且呈三维卷绕的导体线圈而构成。
同样地，二次线圈部32包含：通孔V21、V22，在磁芯20的内周侧及外周侧分别各设置着多个；上部配线组W21，构成基板主体10的上部配线层的一部分；以及下部配线组W22，构成基板主体10的下部配线层的一部分。通孔V21、V22是由在基板主体10的厚度方向贯通基板主体10的层间连接部构成，且经由上部配线组W21及下部配线组W22将通孔V21与V22沿着磁芯20的圆周方向而交替地连接。这样一来，二次线圈部32作为在磁芯20的一部分区域连续地且呈三维卷绕的导体线圈而构成。
[模块基板的作用]
在以如上方式构成的本实施方式的模块基板1中，磁芯20及导体线圈30构成一体地设置在基板主体10的电感器。因此，模块基板1因具有在基板主体10中内置着电感器的方式，而能够谋求整体的小型化、薄型化。
例如，图7是比较例的模块基板2的概略侧剖视图，图8A、B是将比较例的模块基板2与本实施方式的模块基板1的大小进行比较而表示的概略俯视图。
比较例的模块基板2具有基板主体210以及分别安装在基板主体210的安装面的多个电子零件40与电感器60。电感器60是由芯片型的电感器元件而构成，典型来说，安装面积比IC零件41或电容器42等其他电子零件40大。因此，根据本实施方式，如图8A、B所示，能够使基板主体10的面积小于比较例，所以能够实现模块基板1的小型化。而且，根据本实施方式，由于将磁芯20及导体线圈30内置在基板主体10中，所以能够减小安装面上的零件的安装高度，由此能够实现模块基板1的薄型化。
另外，根据本实施方式，由于将磁芯20及导体线圈30内置在基板主体10中，所以例如也能够在磁芯20或导体线圈30的埋入区域的正上方搭载IC零件等其他电子零件。由此，也能够实现模块基板10的小型化，并且实现零件的进一步高密度安装化。
进而，根据本实施方式，由于将磁芯20埋设在绝缘性的树脂层101的内部，所以即便在磁芯20具有导电性的情况下，也能够阻止磁芯20与其他配线部的电短路。另一方面，即便在磁芯20由例如铁氧体烧结体等脆性相对较高的材料构成的情况下，也可以通过将其埋设在树脂层101的内部而提高机械强度，因此能够实现耐掉落、冲击、振动等的电源模块等。
进而，由于导体线圈30是利用基板主体10的配线层102的一部分而构成，所以无需另外的线圈部件便能够在基板主体10的内部形成导体线圈30。
＜第2实施方式＞
图9是表示本发明的第2实施方式的模块基板的构成的概略侧剖视图，图10～图13是说明该模块基板的制造方法的主要部分的概略步骤剖视图。
以下，主要对与第1实施方式不同的构成进行说明，关于与所述实施方式相同的构成标注相同的符号并省略或简化其说明。
本实施方式的模块基板3具有基板主体310、磁芯20及导体线圈30。
基板主体310的一面(例如上表面)作为供电子零件安装的安装面而形成，另一面(例如下表面)作为连接外部连接端子的端子面而形成。
磁芯20及导体线圈30设置在基板主体310的内部，导体线圈30作为卷绕在磁芯20周围的线圈而发挥功能。
在本实施方式中，基板主体310具有金属制基材311。基材311是由铜等导电性、散热性高的金属材料构成，且在面内的适当位置具有单个或多个模腔C。磁芯20及导体线圈30配置在基材311的模腔C内。
基材311的厚度并无特别限定，例如，设为与磁芯20的厚度大致同等的厚度。另外，模腔C是由在基材311的厚度方向贯通基材311的无底的开口部构成，但也可以为有底的开口部(凹部)。
基板主体310还具有覆盖基材311的上表面、下表面及模腔C的周面的树脂层312、以及形成在这些树脂层312的表面及内部的配线层313。
对基板主体310的详细情况与模块基板3的制造方法一起进行说明。
首先，如图10A所示，在形成着模腔C的基材311的下表面以能够剥离的方式粘接暂时固定片材S。模腔C例如能够通过对基材311进行图案蚀刻、冲裁加工、钻孔加工等而形成。暂时固定片材S能够应用金属片材、树脂片材、纸片材等适当材料的片材。
接着，如图10B所示，以收容在基材311的模腔C内的方式，将磁芯20配置在暂时固定片材S上。图12是收容了磁芯20的基材311的概略俯视图。磁芯20与第1实施方式同样地构成，例如，使用图3A～C所示的磁芯20A～20C。
接下来，如图10C所示，通过在模腔C的内部及磁芯20的中空部分别填充合成树脂材料，并使合成树脂材料硬化，而形成内部树脂层312a。所述合成树脂材料并无特别限定，典型来说，使用环氧树脂等热硬化性树脂材料。然后，如图10D所示，将暂时固定片材S从基材310剥离。
接着，如图11A所示，在基材311的两面及周面形成特定厚度的外部树脂层312b。构成外部树脂层312b的合成树脂材料典型来说使用与构成内部树脂层312a的合成树脂材料相同的树脂材料。由内部树脂层312a及外部树脂层312b构成树脂层312。
然后，如图11B所示，在相当于磁芯20的内周部及外周部的树脂层312的区域分别形成多个通孔V(V11、V12、V21、V22)。通孔V的形成方法并无特别限定，例如，能够应用钻孔加工、冲裁加工、激光加工等。图13是表示通孔V的形成位置的基材311的概略俯视图。
接下来，如图11C所示，在树脂层312的上表面及下表面、以及通孔V的内周面，形成构成配线层313的导体层。作为构成导体层的材料，典型来说，使用铜、铝等金属材料。然后，通过将已经形成的导体层图案化成特定的形状，而形成包含分别将通孔V11、V12之间及通孔V21、V22之间连接的配线组W11、W12、W12、W22(参照图9)的配线层313。另外，作为该配线层313的一部分，形成卷绕在磁芯20周围的导体线圈30。图14是表示配线组W11、W21的形成例的基材311的概略俯视图。
接着，如图11D所示，通过在树脂层312的上表面及下表面形成将配线层113的一部分除外而进行覆盖的绝缘层(阻焊剂等)314、315，而制作本实施方式的模块基板3。然后，通过在模块基板3的表面(安装面)安装IC零件或电容器、电阻等无源零件，而构成特定的电源模块。
在以如上方式制造的本实施方式的模块基板3中，也能够实现与所述第1实施方式相同的作用效果，也就是说，能够实现小型化、薄型化。尤其是根据本实施方式，由于基板主体310是由金属制基材311构成，所以基板主体310的强度提高，并且能够通过将基材311接地连接而将基材311作为配线的一部分使用，并且能够使基材311作为抑制电磁噪音向磁芯20周围传播的屏蔽层而发挥功能。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但当然本发明并不限定于所述实施方式，能够加以各种变更。
例如，在以上的实施方式中，使用环形形状的磁芯作为磁芯20，但也可代替此而使用轴状的磁芯。在该情况下，能够以噪音去除过滤器等的形式构成电感器。
另外，在以上的实施方式中，说明了对电源模块的应用例，但当然并不限定于此。另外，除了磁芯20及导体线圈30以外，还可以将IC零件、电容器或电阻等其他电子零件内置在基板主体中。
进而，在以上的实施方式中，对磁芯20由树脂层101、312密封的构成例进行了说明，但也可以在磁芯20与树脂层101、312之间，介置弹性模量比这些树脂层101、312 低的树脂层。由此，即便在由磁致伸缩常数相对较大的磁性材料构成磁芯20的情况下，也能够在不损坏磁芯20的磁特性的情况下将其埋设至基板主体10、310的内部。
[符号的说明]
1、3 模块基板
10、310 基板主体
20、20A、20B、20C 磁芯
30 导体线圈
101、312 树脂层
102、313 配线层
40 电子零件
311 基材
C 模腔
V11、V12、V21、V22 通孔(层间连接部)。

Claims (7)

1.一种模块基板，具备：
基板主体，具有供电子零件搭载的安装面；
磁芯，配置在所述基板主体的内部；以及
导体线圈，设置在所述基板主体上，且卷绕在所述磁芯的周围。
2.根据权利要求1所述的模块基板，其中
所述基板主体包含由具有第1弹性模量的第1合成树脂材料构成的树脂层，
所述磁芯配置在所述树脂层的内部。
3.根据权利要求2所述的模块基板，其中
所述磁芯具有弹性层，该弹性层配置在所述磁芯的内部或外表面，且由具有低于所述第1弹性模量的第2弹性模量的第2合成树脂材料构成。
4.根据权利要求3所述的模块基板，其中
所述磁芯是由隔着所述弹性层在所述基板主体的厚度方向或与该厚度方向正交的方向上积层而成的磁性板的积层体构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块基板，其中
所述磁芯具有环形形状，
所述导体线圈具有：
层间连接部，在所述磁芯的内周侧及外周侧分别各设置多个，且在所述基板主体的厚度方向贯通所述基板主体；以及
配线组，分别设置在所述基板主体的一面及另一面，且将所述多个层间连接部之间沿着所述磁芯的圆周方向而交替地连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的模块基板，其中
所述基板主体是由具有模腔的金属制基材而构成，且
所述磁芯配置在所述模腔中。
7.根据权利要求5所述的模块基板，其中
所述基板主体是由具有模腔的金属制基材而构成，且
所述磁芯配置在所述模腔中。
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