JP2005268391A - Glass ceramic board with built-in coil - Google Patents
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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。 According to the present invention, a ferrite layer for increasing an inductance value is provided in which an insulating base made of a glass ceramic sintered body is formed by simultaneous firing with a glass ceramic insulating layer and a coil conductor is embedded therein. The present invention relates to a glass ceramic substrate with a built-in coil.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, many electronic devices are incorporated in electronic devices such as mobile communication devices such as mobile phones. Such communication devices such as mobile phones have been rapidly reduced in size in recent years, and various electronic devices mounted thereon are required to be reduced in size and thickness. For example, an LC filter (a filter composed of an inductance and a capacitance) having a configuration in which a coil is built in a glass ceramic substrate is known. In the case of this LC filter, it has the advantage that it can be reduced in size and thickness by incorporating the coil of the conventional chip component inside the glass ceramic substrate.
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。 However, in the glass ceramic substrate with a built-in coil, it is difficult to incorporate a coil exceeding 100 nH due to size restrictions. Therefore, in recent years, it is possible to incorporate a coil exceeding 100 nH by incorporating a ferrite layer in the glass ceramic substrate, thereby simplifying the surface mounting process of the chip coil and miniaturizing the glass ceramic substrate with a built-in coil. ing.
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。 For example, a coil-embedded glass ceramic substrate with a built-in ferrite layer used in a mobile phone is generally provided with a coil conductor inside an insulating substrate 11 composed of a plurality of glass ceramic insulating layers, as shown in a sectional view in FIG. 13, a ferrite layer 12 covering the upper and lower surfaces of the coil conductor 13 and having the same size as the glass ceramic insulating layer, and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer 12 so as to face the coil conductor 13. 14.
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。 In such a glass-ceramic substrate with a built-in coil, in order to further reduce the size, thickness, and functionality in the future, a semiconductor chip is formed on the upper and lower surfaces of the glass-ceramic substrate with a built-in coil provided with a ferrite layer 12 therein. And chip parts need to be surface mounted. Then, due to the ground conductor layers 14 above and below the coil conductor 13, the electric lines of force generated in the coil conductor 13 have an electrical influence on the semiconductor chips and chip components mounted on the upper and lower surfaces of the coil-embedded glass ceramic substrate. As a result, malfunction of the circuit formed on the glass ceramic substrate with a built-in coil can be prevented.
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13の上下の接地導体層14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12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。
しかしながら、上記従来の構成においては、コイル用導体13は電流を流すことで、コイル用導体13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、重畳特性などの電気特性が劣化する。 However, in the above-described conventional configuration, when the coil conductor 13 passes a current, magnetic saturation is likely to occur due to leakage of magnetic flux generated between the coil conductors 13, and electrical characteristics such as superposition characteristics deteriorate.
このような現象に対して、特許文献1,2等には、低透磁率領域により漏れ磁束を低減して飽和磁束密度を高くし、より高い電流を流せるように改善させる方法が開示されているが、スクリーン印刷などの印刷法で形成する場合、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。
For such a phenomenon,
本発明は、上記従来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、コイル用導体間から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。 The present invention has been completed in view of the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to incorporate a coil capable of obtaining high superposition characteristics by reducing leakage of magnetic flux generated between coil conductors. It is to provide a glass ceramic substrate.
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複数層の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、前記複数層のコイル用導体は、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるとともに厚み方向の間隔が0.1mm以下とされて電気的に並列に接続されて成ることを特徴とする。 The glass-ceramic substrate with a built-in coil according to the present invention is formed in the insulating substrate formed by laminating a plurality of glass ceramic insulating layers, and is fired simultaneously with the glass ceramic insulating layer, and a plurality of layers of coil conductors are formed therein. A buried ferrite layer having the same size as the glass ceramic insulating layer and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer so as to face the coil conductors of the plurality of layers are provided. The coil conductors of the plurality of layers are characterized in that a pair of conductor patterns having the same shape overlap each other in a plan view and are electrically connected in parallel with an interval of 0.1 mm or less in the thickness direction.
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複数層の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、複数層のコイル用導体は、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるとともに厚み方向の間隔が0.1mm以下とされて電気的に並列に接続されて成ることから、コイル用導体に流れる電流を減少させることができるとともに、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるコイル用導体間で磁束を打消し合うため、複数層のコイル用導体間に発生する漏れ磁束を低減することができることから、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を得ることができる。 According to the glass-ceramic substrate with a built-in coil of the present invention, a plurality of layers of coil conductors are formed inside an insulating substrate formed by laminating a plurality of glass ceramic insulating layers and simultaneously fired with the glass ceramic insulating layer. Embedded in a ferrite layer having the same size as the glass-ceramic insulating layer, and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer so as to face a plurality of coil conductors, respectively. The coil conductors of the layers are formed by overlapping a pair of conductor patterns having the same shape in plan view and being electrically connected in parallel with a distance in the thickness direction of 0.1 mm or less. And a pair of conductor patterns of the same shape cancels out magnetic flux between coil conductors that overlap in a plan view. Since it is possible to reduce the leakage magnetic flux generated between the conductors, it is possible to obtain a high bias characteristics becomes magnetic saturation hardly occurs when loaded with currents.
また、コイル用導体は、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なり、電気的に並列に接続されていることから、直流抵抗を大きく低減させることができるので、電流を負荷した際の直流抵抗による損失を大幅に低減することができる。 In addition, since the coil conductor has a pair of conductor patterns of the same shape overlapped in plan view and is electrically connected in parallel, the direct current resistance can be greatly reduced, so that the direct current when a current is loaded can be reduced. Loss due to resistance can be greatly reduced.
本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板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、3a,3bはコイル用導体、4はコイル用導体3a,3b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はコイル内蔵ガラスセラミック基板を外部電気回路(図示せず)に電気的に接続するための電極パッドである。
The glass-embedded glass ceramic substrate of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a glass-ceramic substrate with a built-in coil according to the present invention, wherein 1 is an insulating base composed of a plurality of glass ceramic insulating layers, 2 is a ferrite layer, 3a and 3b are coil conductors, 4 is a ground conductor layer provided above and below the
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。
The
上記のガラス粉末としては、例えばSiO2−B2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3−MO系(但し、MはCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は同じまたは異なっていて、Ca,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は上記と同じである),SiO2−B2O3−M3 2O系(但し、M3はLi,NaまたはKを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O系(但し、M3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。 Examples of the glass powder include SiO 2 —B 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —MO system (M Represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO 2 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (where M 1 and M 2 are the same or different, and Ca, Sr, Mg , Ba or Zn), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (where M 1 and M 2 are the same as above), SiO 2 —B 2 O 3 —M 3 2 O system (where M 3 represents Li, Na or K), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —M 3 2 O system (where M 3 is the same as above) Pb glass, Bi glass, etc. can be used.
また、フィラー粉末としては、例えばAl2O3,SiO2,ZrO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物や、TiO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物,Al2O3,SiO2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。 Examples of the filler powder include Al 2 O 3 , SiO 2 , a composite oxide of ZrO 2 and an alkaline earth metal oxide, a composite oxide of TiO 2 and an alkaline earth metal oxide, and Al 2 O. 3 , a composite oxide containing at least one selected from SiO 2 (for example, spinel, mullite, cordierite) and the like can be used.
このフェライト層2は、内部にコイル用導体3a,3b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質量%以上のフェライトおよび1質量%以下のガラスから成り、フェライトとしては、ZnFe2O4,MnFe2O4,FeFe2O4,CoFe2O4,NiFe2O4,BaFe12O4,SrFe12O4,CuFe2O4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。
The
また、コイル用導体3a,3b間のフェライト層2と、コイル用導体3a,3b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3a,3b間のフェライト層2の透磁率が、コイル用導体3a,3b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3a,3b間で磁束の方向が異なり打消しあうため、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ることができるので、重畳特性を向上できるという利点がある。
Further, the magnetic permeability of the
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3a,3b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の積層体の内部に、フェライトグリーンシートの間にコイル用導体3a,3bとなる導体パターンを形成して、コイル用導体3a,3bの上下を覆うようにして積層する。
The
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。
The ferrite powder forming the ferrite green sheet to be the
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もよい。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ことがあり、焼成前のフェライトグリーンシートには含まれない場合がある。
The
メタライズ配線層から成るコイル用導体3a,3b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ることでフェライト層2に埋設され、形成される。
The coil conductors 3a and 3b made of a metallized wiring layer are obtained by screen printing or gravure printing using a conductor paste prepared by kneading a metal powder such as Cu, Ag, Au, or Ag alloy with an appropriate organic binder and solvent. It is embedded on the
コイル用導体3a,3bは一対を成す同形状の導体パターンであり、ビアホールもしくはキャスタレーション導体などで縦方向に並列に電気的に導通されている。 The coil conductors 3a and 3b are a pair of conductor patterns having the same shape, and are electrically connected in parallel in the vertical direction by via holes or castellation conductors.
コイル用導体3aとコイル用導体3bとは、厚み方向に間隔が確保されており、その間隔が0.1mm以下で形成されている。0.1mmを超えて形成すると、厚み方向のコイル用導体3a,3bの間で打消しあう磁束が少なくなるため、漏れ磁束が発生しやすくなり、電流を負荷した際の重畳特性が劣化してしまう。 The coil conductor 3a and the coil conductor 3b have a gap in the thickness direction, and the gap is formed to be 0.1 mm or less. If the thickness exceeds 0.1 mm, the magnetic flux canceling between the coil conductors 3a and 3b in the thickness direction is reduced, so that leakage magnetic flux is likely to be generated, and the superposition characteristics when current is applied deteriorated. End up.
また、コイル用導体3a,3bは、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なり、電気的に並列に接続されていることから、直流抵抗を大きく低減することができるので、電流を負荷した際の直流抵抗による損失を大幅に低減することができる。 Also, the coil conductors 3a and 3b have a pair of conductor patterns of the same shape overlapped in a plan view and are electrically connected in parallel, so that the direct current resistance can be greatly reduced, so that a current is loaded. Loss due to direct current resistance can be greatly reduced.
本発明においてコイル用導体3a,3bは1対の導体パターンで形成されているが、所望のインダクタンスの値によっては同様の構造で2対以上形成してもよい。 In the present invention, the coil conductors 3a and 3b are formed of a pair of conductor patterns, but two or more pairs of the same structure may be formed depending on a desired inductance value.
メタライズ層から成る電子部品の搭載用電極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。この搭載用電極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。
An
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。
An
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(図示せず)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。
The
本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板において、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。
In the glass-embedded glass ceramic substrate of the present invention, the
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(グラフ)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、実線の直線は一般に携帯電話機の電源用回路で使用されるインダクタンス規格値2μHを、破線の特性曲線は図3に示す構成の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。
An example of the superposition characteristics of the built-in coil in the coil-embedded glass ceramic substrate of the present invention is shown by a diagram (graph) in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents current (unit: mA), the vertical axis represents inductance (unit: μH), the solid line represents the inductance
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3a,3b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(H/m)でNiFe2O4とZnFe2O4とから成るNi−Zn系フェライトから成る厚み400μmのフェライト層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3a,3b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3aとコイル用導体3bとの厚み方向の間隔は0.05mmである。
In this case, the coil-embedded glass ceramic substrate of the present invention has the following configuration. The insulating
図2より、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3aとコイル用導体3bとの間で発生する磁束の漏れがフェライト層2により生じにくく、磁気飽和が起きにくくなる結果、高い重畳特性が得られる。
As shown in FIG. 2, the inductance value at 300 mA, which is the maximum current generally used in a power supply circuit of a mobile phone, can sufficiently satisfy the standard value of 2 μH or more. Accordingly, leakage of magnetic flux generated between the coil conductor 3a and the coil conductor 3b is hardly caused by the
1・・・絶縁基体
2・・・フェライト層
3a,3b・・・コイル用導体
4・・・接地導体層
5・・・搭載用電極
6・・・電極パッド
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