JP2006156451A

JP2006156451A - コイル内蔵基板

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Publication number: JP2006156451A
Application number: JP2004340348A
Authority: JP
Inventors: Kota Ikeda; 光太池田; Koichi Nakahara; 光一中原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: JP4557690B2

Abstract

【課題】コイル内蔵基板の内蔵コイルの重畳特性を向上させると共に、上面や下面に搭載された半導体チップやチップ部品に対するコイル用導体から発生する磁力線の影響を大幅に抑制することができるコイル内蔵セラミック基板を提供すること。
【解決手段】本発明のコイル内蔵基板は、内部にコイル用導体３が埋設されているフェライト層２を、各々が複数の非磁性フェライト層の積層体により形成されている一対の絶縁基体１で挟持するとともに、絶縁基体１の少なくとも一方とフェライト層２との間に、コイル用導体３と対向する接地導体層４を介在させて成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、非磁性フェライト焼結体から成る絶縁基体の内部に、コイル用導体が埋設されたフェライト層が設けられたコイル内蔵基板に関するものである。

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フィルタが知られている。このＬＣフィルタの場合、従来はチップ部品のコイルを用いて外付けしていたものを、セラミック基板等の絶縁基板の内部に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。なかでも、１００ｎＨを超えるインダクタンスの大きなコイルは、チップ部品として比較的大型であり、これを絶縁基板に内蔵することは小型化、薄型化への効果が大きいという利点を有する。

しかしながら、コイルを内蔵したセラミック等の絶縁基板では、磁性を持たない基板内にコイルを形成するため、１００ｎＨ程度の比較的大きなインダクタンスを得ることができるコイルを内蔵させるにはコイルの巻き数を多くすることが必要となり、小型化、薄型化を効果的に達成することができないという不具合があった。

そこで、近年では絶縁基板に強磁性を有するフェライトを用いて、コイルをこのフェライト内部に埋設させることにより、コイルの巻き数を多くすることなく１００ｎＨを超えるインダクタンスを実現し効果的に小型化、薄型化ができるとともに、チップ部品を表面に実装する工程を省略し実装工程の簡略化を図ることが行なわれている。

しかしながら、絶縁基板にフェライトを用いた基板では、コイルと共に配線を形成した場合、磁性を持たせたくない配線に高いインダクタンスが生じ、この配線にノイズが起きることで回路が誤動作することがあった。そこで磁性を有さない非磁性フェライトの内部にフェライト層を内蔵させ、フェライト層にコイルを形成し、非磁性フェライトに配線を形成することで配線のインダクタンスを低減させ、回路が誤動作するのを防止するようにしていた。

例えば、携帯電話機に使用されるコイル内蔵基板は、図３に示すように、複数の非磁性フェライト層が積層されて成る絶縁基体１１と、絶縁基体１１に挟まれて積層されるとともに内部にコイル用導体１３が埋設されたフェライト層１２によって構成されている。

そして、このような非磁性フェライト基板内部にフェライト層およびコイル用導体を設けたコイル内蔵基板においても、今後さらに小型化、薄型化、高機能化を行なっていく必要があり、コイル内蔵基板の上面や下面に、さらに半導体チップやチップ部品を表面実装する必要性がでてきた。
特開平２−１０１７１４号公報特開平６−２０８３９号公報特開平６−２１２６４号公報特開平６−３３３７４３号公報

しかしながら、従来の非磁性フェライト基板内部にフェライト層およびコイル用導体を設けたコイル内蔵基板においては、コイル用導体に発生する磁力線がコイル内蔵基板の外側に向かって放射され、磁力線が不安定なことから、磁力線の乱れによって生じるフェライト層の磁気飽和が起き易く、大きな電流を流した際にインダクタンスが低下するという、所謂重畳特性の低下を招いていた。さらに、コイル内蔵基板の外側に向かって放射された磁力線は、例えば、コイル内蔵基板の上面や下面に実装した半導体チップやチップ部品や配線に対して電気的に影響を及ぼし、回路の誤動作の原因となっていた。

そこで、コイル用導体に発生する磁力線がコイル内蔵基板の上面や下面に実装した半導体チップやチップ部品や配線に対して電気的に影響を及ばさないようにするためには、コイル用導体と半導体チップやチップ部品や配線との間の距離を十分に取る必要があり、その結果、コイル内蔵基板全体が厚くなり、薄型化に適さないものとなっていた。

本発明は上記問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、コイル用導体に発生する磁力線を抑制することで、重畳特性が向上するとともに、コイル内蔵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対する電気的な影響を改善した小型のコイル内蔵基板を提供することにある。

本発明のコイル内蔵基板は、内部にコイル用導体が埋設されているフェライト層を、各々が複数の非磁性フェライト層の積層体により形成されている一対の絶縁基体で挟持するとともに、該絶縁基体の少なくとも一方と前記フェライト層との間に、前記コイル用導体と対向する接地導体層を介在させて成ることを特徴とするものである。

また、本発明のコイル内蔵基板は、前記コイル用導体は、平面視して、その全面が前記接地導体層と重なるように配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明のコイル内蔵基板は、前記フェライト層は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＮｉＯ及びＺｎＯを含有して成り、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量をａ質量％、ＣｕＯの含有量をｂ質量％、ＮｉＯの含有量をｃ質量％、ＺｎＯの含有量をｄ質量％としたとき、前記ａ，ｂ，ｃ，ｄが“６３≦ａ≦７３、５≦ｂ≦１０、５≦ｃ≦１２、１０≦ｄ≦２３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≦１００”を満足することを特徴とするものである。

本発明のコイル内蔵基板によれば、内部にコイル用導体が埋設されているフェライト層を、各々が複数の非磁性フェライト層の積層体により形成されている一対の絶縁基体で挟持するとともに、絶縁基体の少なくとも一方とフェライト層との間に、コイル用導体と対向する接地導体層を介在させて成ることから、コイル用導体に発生する磁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力線が安定し、磁力線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、重畳特性の低下を有効に防止することができる。

また、コイル用導体に発生する磁力線がコイル内蔵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少なく、その結果、コイル内蔵基板に形成された回路の誤動作を防ぎ、コイル内蔵基板を小型、薄型にすることができる。

さらに本発明のコイル内蔵基板によれば、コイル用導体を、平面視して、その全面が接地導体層と重なるように配置することにより、コイル用導体の上下面を接地導体層が完全に覆う形となるため、コイル用導体に発生する磁力線がより安定し、磁気飽和がより起きにくくなるため、重畳特性の低下を一層効果的に防ぐことができ、また、コイル用導体に発生する磁力線がコイル内蔵基板の上面や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少なく、その結果、コイル内蔵基板に形成された回路の誤動作をより有効に防止することができる。

またさらに、本発明のコイル内蔵基板によれば、上記構成において、フェライト層をＦｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＮｉＯ及びＺｎＯを含有して形成し、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量をａ質量％、ＣｕＯの含有量をｂ質量％、ＮｉＯの含有量をｃ質量％、ＺｎＯの含有量をｄ質量％としたとき、ａ，ｂ，ｃ，ｄが“６３≦ａ≦７３、５≦ｂ≦１０、５≦ｃ≦１２、１０≦ｄ≦２３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≦１００”を同時に満足するものとした場合には、低温で焼結可能なＣｕＺｎフェライトを高周波帯域特性に優れたＮｉＺｎフェライトに組み合わせたＮｉＣｕＺｎフェライトを用いて、非磁性フェライト層と同じ大きさで、内部にコイルが埋設されたフェライト層を形成することができる。その結果、フェライト層にガラス粉末やＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３等の焼結助剤を添加しなくても、絶縁基板と同時焼成が可能なため、収縮挙動の違いによるデラミネーション、クラックなどを防ぐことができ、かつ、高周波帯で高い透磁率を得ることができ、高いインダクタンスをもつコイル内蔵基板を得ることが可能となる。

また、フェライト層が低温焼成可能となることから、配線導体に高周波に対応可能なＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の低抵抗金属を用いることでき、高機能なコイル内蔵基板を得ることができる。
以上の構成により、本発明によれば、コイル用導体に発生する磁力線を抑制することができ、重畳特性が向上するとともに、コイル内蔵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対する電気的な影響を改善した小型のコイル内蔵基板を提供することができる。

本発明のコイル内蔵基板（以下、基板ともいう）を添付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は複数の非磁性フェライト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用導体層、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である。

複数の非磁性フェライト層から成る絶縁基体１は、まず、非磁性フェライト組成の主成分および第１酸化物成分、または、非磁性フェライト組成の主成分ならびに第１酸化物成分および第２酸化物成分、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、これから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非磁性フェライトグリーンシートを製作し、この非磁性フェライト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にて、８００〜１１００℃の温度で焼成して作製される。

非磁性フェライト組成の主成分としては、Ｆｅ_２Ｏ_３とＣｕＯおよびＺｎＯの少なくとも１種との粉体を用いることができ、例えば、これらを湿式混合し、次いで仮焼し、顆粒としてこれを粉砕した後、原料粉末とすることができる。この場合、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は４６〜５０質量％、ＣｕＯの含有量は２〜２０質量％、ＺｎＯの含有量は３３〜５２質量％に設定しておくことが好ましい。

フェライト層２は、コイル用導体３の上下面を覆うようにして、絶縁基体１の内層にコイル用導体３とともに形成されている。このフェライト層１２は、主成分の組成を、Ｆｅ_２Ｏ_３６３〜７３質量％、ＣｕＯ５〜１０質量％、ＮｉＯ５〜１２質量％、ＺｎＯ１０〜２３質量％とした場合には、低温での焼成が可能となり、かつ、高周波帯域で十分に高い透磁率を得ることができるので好ましい。

Ｆｅ_２Ｏ_３は、フェライトの基幹成分であり、そのフェライトの主成分をＸ−Ｆｅ_２Ｏ_４（ＸはＣｕ，Ｎｉ，Ｚｎ等）として示される逆スピネル構造の固溶体とすれば、フェライト層２のうちＦｅ_２Ｏ_３が６３〜７３質量％を構成していなくてはならない。Ｆｅ_２Ｏ_３が６３質量％未満の場合、十分な透磁率を得ることが困難になる。他方、Ｆｅ_２Ｏ_３が７３質量％を超える場合、焼結密度の低下により機械的強度が低下してしまう。

ＣｕＯはフェライト層２の主成分のうち５〜１０質量％を構成していなくてはならない。これは、ＣｕＯは焼結温度の低温化に大きく寄与しており、ＣｕＯが低温で液層を形成することにより焼結を促進させる効果を用いて、磁気特性を損なわずに非磁性フェライトの焼成温度である８００〜１０００℃で焼成するためである。５質量％未満であると、本発明の目的とする低温度域で焼成を行う場合に焼結密度が不十分になり機械強度が不足する。また、１０質量％より多い場合、磁気特性の低いＣｕＦｅ_２Ｏ_４の割合が多くなるため磁気特性を損なうこととなる。

ＮｉＯはフェライトの高周波域における透磁率を確保するために含有させる。ＮｉＦｅ_２Ｏ_４は高周波域まで共振による透磁率の減衰を起さず、高周波域での透磁率を比較的高い値に維持することができるが、初期透磁率は低い特徴をもつため、５質量％未満であると、１０ＭＨｚ以上の高周波域での透磁率が低下する。また、１２質量％より多い場合、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４の割合が多くなることに起因して初期透磁率が低下する。従って、フェライトの主成分中の含有量は５〜１２質量％に設定することが重要である。

ＺｎＯはフェライトの透磁率向上のために重要な要素であり、フェライト主成分のうち１０質量％未満であると、磁気特性不十分の問題を生じ、逆に２３質量％より多くても磁気特性が悪くなる。

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、これから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、このフェライトグリーンシートを所定のコイル用導体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平面視で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、間にコイル用導体３となる導体パターンを配置して、そのコイル用導体３の上面および下面を覆うようにして積層する。

このとき、コイル用導体３のインダクタンスを効果的に高くするためには、コイル用導体３の上下面をフェライト層２で完全に覆う必要がある。よって、そのようなコイル用導体３およびフェライト層２を形成するためには、所定のガラスセラミックグリーンシートの表面に、下面のフェライト層２となるフェライトグリーンシート、コイル用導体３となる導体ペーストのパターン、上面のフェライト層２となるフェライトグリーンシートの順番に各層を配置して積層するとよい。

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あり、平均粒径が０．１μｍ〜０．９μｍの範囲で均一であり、球形状に近い粒が望ましい。これは、平均粒径が０．１μｍより小さいと、フェライトグリーンシートの製作においてフェライト粉末の均一な分散が困難であり、平均粒径が０．９μｍより大きいとフェライトの焼結温度が高くなるからである。また、粒径が均一で球状に近いことにより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で部分的に小さい粒径が存在した場合は、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。

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、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。

本実施形態のコイル内蔵基板において、接地用導体層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と対向するようにそれぞれ形成されている。

この接地用導体層４は、フェライト層２の上下面にその全面が上面視でコイル用導体３と重なるように形成することがより望ましい。これは、コイル導体３に発生する磁力線が接地用導体層４で遮断されることにより、外部に漏れにくくなるため、より安定させることができ、これにより重畳特性を十分に改善し、更にコイル内蔵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対する電気的な影響を改善するからである。

メタライズ配線層から成る接地用導体層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、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。

実施例１では、フェライト層の上下面にコイル用導体と対向するように接地導体層を形成した図１の構成のコイル内蔵基板を作製し、重畳特性と透磁率を測定した。

絶縁基体は、１層が５０μｍ厚みの非磁性フェライト層が２層積層されて成る。絶縁基体の内部には、非磁性フェライト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のコイル用導体が埋設され、絶縁基体に挟まれて積層された透磁率５００（Ｈ／ｍ）のフェライト層が内蔵されている。

また、フェライト層の上下面には、コイル用導体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内層接地導体層が設けられている。

重畳特性の測定は、インピーダンスアナライザー（ＨＰ−４１９４Ａ：ヒューレットパッカード社製）を用い、電流電圧法にて測定した。

また、透磁率の測定は、図２に示すような、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍのリング形状の評価用の試験片を作製し測定した。透磁率の測定は、インピーダンスアナライザー（ＨＰ−４２９１Ａ：ヒューレットパッカード社製）を用い、高周波電流電圧法にて測定した。

実施例２では、実施例１のコイル内蔵基板において、接地導体層がコイル用導体を完全に覆うように構成したコイル内蔵基板を作製し、実施例１と同様の評価を行なった。

実施例３では、実施例２のコイル内蔵基板において、フェライト層の組成をＦｅ_２Ｏ_３の含有量を６５質量％、ＣｕＯの含有量を６質量％、ＮｉＯの含有量を６質量％、ＺｎＯの含有量を２３質量％としたコイル内蔵基板を作製し、実施例１，２と同様の評価を行なった。

比較例

上述した実施例１〜３と比較するために、従来構成として実施例１、３において接地導体層を設けない従来のコイル内蔵基板を比較例１、比較例２として作成し、実施例１〜３と同様の評価を行なった。

以上の実施例１〜３および比較例１，２について、重畳特性、透磁率を評価した結果を表１に示す。

表１の重畳特性の評価欄において、◎は５００ｍＡでのインダクタンス値が規格２μＨを満たすもの、○は３００ｍＡでのインダクタンス値が規格２μＨを満たすもの、△は１００ｍＡでのインダクタンス値が規格２μＨを満たすもの×は規格を全然満たさないものをあらわしている。一般的に携帯電話に使用されるコイルは３００ｍＡ以上で２μＨ以上あれば、十分に機能する。

表１より、フェライト層の上下面にコイル用導体と対向するように接地導体層が形成した実施例１が、比較例１の重畳特性と比べ、優れていることが確認された。

また、接地導体層がコイル用導体を完全に覆った実施例２は、重畳特性が実施例１よりも高く、磁力線が外部により漏れにくくなるため、磁力線を安定させることができ、重畳特性が優れることが確認された。

また、請求項３に記載の組成を有するフェライト層を用いた実施例３は、実施例２の透磁率と比べ、特性が優れていることが確認された。

一方、実施例３と同じフェライト層を用いた比較例２においては、接地導体層が設けられていないことから、重畳特性において劣っている。

種々の調合組成比に設定された原料を各々２５０ｇ秤量し、１Ｌの純水とともにジルコニア粉砕用ボールを使用した２Ｌのボールミルにて２４時間調合後、原料粉を分別乾燥し、ジルコニアるつぼにて７３０℃の仮焼を行った。仮焼後、Ｘ線回折により所要の化合物が得られていることを確認し、ボールミルにて粉砕、乾燥後メッシュふるいにて分別して、仮焼粉の粒子径が０．５〜０．７μｍとなるように整粒した。これに１０重量％のＰＶＡ溶液を添加して、ライカイ機にて造粒し、造粒粉を金型にてプレス成型した後、大気中にて９００℃、２時間の焼成を行い、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ２ｍｍのトロイド形の焼結試験片を作成した。試験片の密度は液中秤量法により測定し、透磁率の測定はインピーダンスアナライザー（ＨＰ−４２９１Ａ：ヒューレットパッカード社製）を用いて１．０ＭＨｚ、１０ＭＨｚにおける値を求めた。

なお、焼成試験片の作製に使用した原料の調合組成比は表２に示すとおりであり、各焼成試験片の焼結密度および透磁率の測定結果についてもあわせて同表に示す。

この表２によれば、主成分の組成が本発明にて定める範囲内にあるものは、いずれも焼結密度および透磁率が優れていることが確認される。

本発明のコイル内蔵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。実施例の透磁率測定に用いた評価用の試験片を示す断面図である。従来のコイル内蔵セラミック基板の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

Claims

内部にコイル用導体が埋設されているフェライト層を、各々が複数の非磁性フェライト層の積層体により形成されている一対の絶縁基体で挟持するとともに、該絶縁基体の少なくとも一方と前記フェライト層との間に、前記コイル用導体と対向する接地導体層を介在させて成るコイル内蔵基板。
前記コイル用導体は、平面視して、その全面が前記接地導体層と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル内蔵基板。
前記フェライト層は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＮｉＯ及びＺｎＯを含有して成り、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量をａ質量％、ＣｕＯの含有量をｂ質量％、ＮｉＯの含有量をｃ質量％、ＺｎＯの含有量をｄ質量％としたとき、前記ａ，ｂ，ｃ，ｄが下記式を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル内蔵基板。
６３≦ａ≦７３
５≦ｂ≦１０
５≦ｃ≦１２
１０≦ｄ≦２３
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≦１００