JP2005217078A

JP2005217078A - コイル内蔵ガラスセラミック基板

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Publication number: JP2005217078A
Application number: JP2004020584A
Authority: JP
Inventors: Kota Ikeda; 光太池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP4475965B2

Abstract

【課題】各コイル用導体に発生する磁束の漏れを低減することで、高い重畳特性を得ることができるコイル内蔵ガラスセラミック基板を提供することにある。
【解決手段】複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体１の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体３が埋設され、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層２と、フェライト層２の上下面にコイル用導体３に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層４とが設けられており、コイル用導体３は、フェライト層２よりも透磁率が低い低透磁率層７によって覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスセラミックス焼結体から成る絶縁基体の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部にコイル用導体が埋設されたインダクタンス値を上げるためのフェライト層が設けられたコイル内蔵ガラスセラミック基板に関する。

従来、携帯電話機を始めとする移動体通信機器等の電子機器には、多数の電子装置が組み込まれている。かかる携帯電話機等の通信機器は、近年小型化が急激に進んでおり、これに搭載される各種電子装置も小型化、薄型化が要求されている。例えば、ガラスセラミック基板の内部にコイルを内蔵した構成のＬＣフィルタ（インダクタンスおよびキャパシタンスから成るフィルタ）が知られている。このＬＣフィルタの場合、従来チップ部品のコイルを用いていたのをガラスセラミック基板の内部にコイルを内蔵することで小型化、薄型化ができるという利点を有する。

しかしながら、コイル内蔵ガラスセラミック基板では、サイズの制約上１００ｎＨを超えるコイルの内蔵は困難であった。そこで、近年ではガラスセラミック基板の内部にフェライト層を内蔵させることにより１００ｎＨを超えるコイルを内蔵することができ、これによりチップコイルの表面実装工程の簡略化およびコイル内蔵ガラスセラミック基板の小型化が図られている。

例えば、携帯電話機に使用されるフェライト層を内蔵したコイル内蔵ガラスセラミック基板は、一般に、図３に断面図で示すように、複数のガラスセラミック絶縁層から成る絶縁基体１１の内部に、コイル用導体１３と、コイル用導体１３の上下面を覆うとともにガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層１２と、フェライト層１２の上下面にコイル用導体１３に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層１４によって形成されている。

このようなコイル内蔵ガラスセラミック基板においては、今後さらに小型化、薄型化、高機能化を行なっていくためには、内部にフェライト層１２を設けたコイル内蔵ガラスセラミック基板の上面や下面に半導体チップやチップ部品を表面実装する必要がある。そして、コイル用導体１３の上下の接地導体層１４によって、コイル用導体１３に発生する電気力線がコイル内蔵ガラスセラミック基板の上面や下面に搭載される半導体チップやチップ部品に電気的な影響を与えることがなく、その結果、コイル内蔵ガラスセラミック基板に形成された回路の誤動作を防ぐことができる。

また、フェライト層を内蔵したコイル内蔵ガラスセラミック基板では、コイル用導体に発生する電気力線がコイル用導体の上下の接地導体層間に閉じ込められて磁束が安定することから、磁束の乱れによって生じるフェライト層の磁気飽和が起きにくくなるため、大きな電流を流した際の重畳特性の低下を防ぐことができる。
特開平４−１９９８０４号公報特開平６−３１０３３３号公報

しかしながら、コイル用導体は電流を流すことで、コイル用導体間から発生する磁束の漏れにより磁気飽和が起きやすくなり、重畳特性といった電気特性が劣化する。

このような現象に対して特開平４−１９９８０４号公報や特開平６−３１０３３３号公報等の低透磁率領域により漏れ磁束を低減して電気特性を改善させる方法は取られているが、スクリーン印刷などの印刷にて形成する場合、印刷ずれなどにより所望の位置に低透磁率の領域を印刷することができず、満足した電気特性が得られないことがある。

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、各コイル用導体に発生する磁束の漏れを低減することで、高い重畳特性を得ることができるコイル内蔵ガラスセラミック基板を提供することにある。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板は、複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、前記ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、該フェライト層の上下面に前記コイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、前記コイル用導体は、前記フェライト層よりも透磁率が低い低透磁率層によって覆われていることを特徴とするものである。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板によれば、複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、フェライト層の上下面にコイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、コイル用導体は、フェライト層よりも透磁率が低い低透磁率層によって覆われていることから、各コイル用導体で発生した磁束が各コイル用導体間の間隙部から外部へ漏洩しにくくなる。すなわち、漏れ磁束が低減して磁束がコイル全体の端から端までコイル内を貫通しやすくなり、電流を負荷した際の磁気飽和が起きにくくなり高い重畳特性が得られる。

また、低透磁率層はコイル用導体上の略全面にスクリーン印刷等の印刷にて形成されるため複雑な加工が不要である。さらに印刷ずれなどによる特性変動はなくなり、安定した電気特性が得られる。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板（以下、基板ともいう）を図面に基づいて以下に詳細に説明する。図１は本発明の基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は複数のガラスセラミック絶縁層から成る絶縁基体、２はフェライト層、３はコイル用導体、４はコイル用導体３の上下に設けられた接地導体層、５は半導体チップやチップ部品を搭載する搭載用電極、６は基板を外部電気回路に電気的に接続するための電極パッド、７は低透磁率層である。

複数のガラスセラミック絶縁層を積層して成る絶縁基体１は、まず、ガラス粉末およびフィラー粉末（セラミック粉末）、さらに有機バインダ，可塑剤，有機溶剤等を混合してスラリーを得て、このスラリーを用いてドクターブレード法，圧延法，カレンダーロール法等によってガラスセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を製作し、このグリーンシートを複数積層した後、大気中または加湿窒素雰囲気中で８００〜１１００℃の温度で焼成することによって作製される。

上記のガラス粉末としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なっていて、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

また、フィラー粉末としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物や、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物，Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等を用いることができる。

このフェライト層２は、内部にコイル用導体３が埋設された状態で絶縁基体１の内部に形成されており、９９重量％以上のフェライトおよび１重量％以下のガラスから成るものである。フェライト層２のフェライトとしては、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４，ＭｎＦｅ_２Ｏ_４，ＦｅＦｅ_２Ｏ_４，ＣｏＦｅ_２Ｏ_４，ＮｉＦｅ_２Ｏ_４，ＢａＦｅ_１２Ｏ_４，ＳｒＦｅ_１２Ｏ_４およびＣｕＦｅ_２Ｏ_４のうちの少なくとも１種のフェライトを用いることが、より高い透磁率を得られる点で好ましい。

また、コイル用導体３間のフェライト層２と、コイル用導体３と接地導体層４との間のフェライト層２とで、それらの透磁率を異なるようにしてもよい。例えば、コイル用導体３間のフェライト層２の透磁率が、コイル用導体３と接地導体層４との間のフェライト層２の透磁率よりも小さくなるようにしてもよい。この場合、コイル用導体３間で磁束の方向が異なり打ち消しあうため、フェライト層２の透磁率を低くすることで、磁束の打消しあう力を弱め、重畳特性を向上できるという利点がある。

フェライト層２の形成は、まずフェライト粉末に適当な有機バインダ，可塑剤，有機溶剤等を混合してスラリーを得て、このスラリーを用いてドクターブレード法，圧延法，カレンダーロール法等によってフェライトグリーンシートを製作する。次に、フェライトグリーンシートをコイル用導体３を覆うものとしてガラスセラミックグリーンシートと同じ大きさの同形状にカットし、ガラスセラミックグリーンシート積層体の内部に、フェライトグリーンシート間にコイル用導体３となるパターンを形成して、コイル用導体３の上下面を覆うようにして積層する。

フェライト層２となるフェライトグリーンシートを形成するのに用いるフェライト粉末は、仮焼済みのフェライト粉末で、粒径が均一で球形状に近いものがよい。これは、均一な焼結状態を得ることができるからであり、例えばフェライト粉末のなかに部分的に小さい粒径のものが存在した場合、その部分のみ結晶粒の成長が低下し、焼結後に得られるフェライト層２の透磁率が安定しにくい傾向がある。

フェライト層２は、１重量％以下のガラスを含んで成るものである。ただし、この１重量％以下のガラスは焼成時にガラスセラミック絶縁層から拡散して混入するものであり、焼成前のフェライトグリーンシートには含まれない。

メタライズ配線層から成るコイル用導体３は、フェライト層２に上下面を覆われてフェライト層２に埋設されており、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の金属粉末に、適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりフェライトグリーンシートの表面に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートと同時焼成されて形成される。

メタライズ層から成る搭載用電極５は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の金属粉末に、適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシートの表面に塗布しておくことによって、絶縁基体１の上面や下面に形成される。

なお、搭載用電極５は、半田等による半導体チップやチップ部品，外部電気回路の配線導体との接合を強固なものにするために、その表面にニッケル層および金層をメッキ法により順次被着するとよい。

外部電気回路に電気的に接続されるメタライズ配線層から成る電極パッド６は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の金属粉末に適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシートの表面に塗布しておくことによって、絶縁基体１の上面、下面の少なくとも一方に形成されている。

なお、メタライズ配線層から成る電極パッド６は、半田等による半導体チップやチップ部品，外部電気回路の配線導体との接合を強固なものにするために、その表面にニッケル層および金層をメッキ法により順次被着するとよい。

本発明の基板において、接地導体層４は、フェライト層２の上下面に少なくともコイル用導体３に対向するようにそれぞれ形成されている。メタライズ層から成る接地導体層４は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の金属粉末に適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシートまたはフェライトグリーンシートの表面に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートと同時焼成されて形成される。

低透磁率層７は、例えば電気的絶縁性の低透磁率材であるＺｎ系フェライト及びＣｕ−Ｚｎ系フェライトより選択した粉末を樹脂のバインダと混練してペーストを作り、得られた低透磁率材ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりフェライトグリーンシートにコイル用導体３上の略全面に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートと同時焼成されて形成される。

なお、低透磁率層７はコイル用導体３の略全面に塗布されるため、印刷ずれなどによる特性変動はなくなり、安定した電気特性が得られる。

低透磁率層７の透磁率は、１〜１００程度であり、フェライト層２の透磁率２００〜１０００よりも低いものとなっている。

また、低透磁率層７は、ペーストの状態でスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりフェライトグリーンシートにコイル用導体３上に略全面に塗布されるため、積層時におけるデラミネーションがおきにくくなる。

このような本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性の例を、図２に線図で示す。図２において、横軸は電流（単位：ｍＡ）を、縦軸はインダクタンス（単位：μＨ）を表し、実線の直線はインダクタンス規格値２μＨを、破線の特性曲線は従来のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を、実線の特性曲線は本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を示している。

この場合、本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板は、以下のような構成である。絶縁基体１は、１層が５０μｍ厚みの誘電体から成るガラスセラミック絶縁層が２層積層されて成る。絶縁基体１の内部には、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに、内部にＡｇから成る厚み３０μｍのコイル用導体３が埋設された、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさの透磁率５００でＮｉＦｅ_２Ｏ_４とＺｎＦｅ_２Ｏ_４とから成る厚み４００μｍのフェライト層（Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト層）２が図１のような構成で内蔵されている。また、フェライト層２の上下面には、コイル用導体３に対向するようにそれぞれ形成されたＡｇから成る厚み１０μｍの接地導体層４が設けられている。そして、コイル用導体３は、フェライト層２の透磁率５００よりも低い透磁率１のＣｕ−Ｚｎ系フェライトから成る低透磁率層７によって覆われている。

図２に示す結果から分かるように、一般に携帯電話機の電源用回路で使用される最大電流である３００ｍＡでのインダクタンス値が、規格値である２μＨ以上を十分に満たすことが可能であり、本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板によれば、コイル用導体３の導体パターン間で発生する磁束の漏れが低透磁率層７によりできにくく、磁気飽和が起きにくくなるため、コイル用導体３全体を周回する磁束がほとんどとなり、磁気飽和が起こりにくくなった結果、高い重畳特性が得られる。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を示すグラフである。従来のコイル内蔵ガラスセラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：絶縁基体
２：フェライト層
３：コイル用導体
４：接地導体層
５：搭載用電極
６：電極パッド
７：低透磁率層

Claims

複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、前記ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、該フェライト層の上下面に前記コイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、前記コイル用導体は、前記フェライト層よりも透磁率が低い低透磁率層によって覆われていることを特徴とするコイル内蔵ガラスセラミック基板。