JP2013192312A - Ｄｃ−ｄｃコンバータモジュールおよび多層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】マイグレーションを防止するコイル内蔵型フェライト多層基板、およびそれを用いたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを提供する。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、コイルパターン間のセラミックグリーンシートの厚みよりも、当該コイルパターンと電位が異なる近接配線パターンとの厚みを厚くすることにより、相対的にコイルパターン間にクラックが生じやすくなっている。したがって、クラックが生じた場合であっても電位が異なる電極間に生じることはなく、マイグレーションを防止することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、コイル内蔵型フェライト多層基板、およびそれを用いたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに関するものである。

従来、磁性体材料からなるセラミックグリーンシートに導体パターンを印刷し、積層してなるインダクタ素子が知られている（例えば特許文献１を参照）。

このような積層型インダクタ素子では、磁性体材料等の熱収縮率が異なる材料が混在する構造であるため、焼成時に応力が発生し、クラックが生じる可能性がある。

特開平５−６８２３号公報

積層型インダクタ素子をＤＣ−ＤＣコンバータとして用いる場合、積層体の内部で電位が異なる導体が存在することになる。電位が異なる導体間にクラックが生じた場合、マイグレーションが起こり、電気的にショートするおそれがある。

そこで、この発明は、マイグレーションを防止する多層基板、およびそれを用いたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを提供することを目的とする。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、基板積層方向の第一面に部品搭載電極が設けられ、前記基板積層方向の第二面に入力電極、出力電極、およびグランド電極が設けられた多層基板と、前記部品搭載電極を介して前記入力電極に接続される入力端子、前記部品搭載電極を介して前記出力電極に接続される出力端子、および前記部品搭載電極を介して前記グランド電極に接続されるグランド端子を備え、入力される電圧をスイッチングして出力するスイッチングＩＣと、前記多層基板内に、複数のコイルパターンが層間接続され、螺旋状に形成されてなるインダクタと、を備えている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、前記複数のコイルパターンの層間距離に対して、前記コイルパターンのうち、最外層のコイルパターンから、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンまでの層間距離が長くなっていることを特徴とする。

このように、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、コイルパターン間のセラミックグリーンシートの厚みよりも、当該コイルパターンと電位が異なる近接配線パターンとの間のセラミックグリーンシートの厚みを厚くすることにより、焼成時においてセラミックグリーンシートと電極の熱膨張係数の違いに起因する応力が、よりセラミックグリーンシートの厚みが小さい方に働くため、相対的にコイルパターン間にクラックが生じやすくなっている。したがって、クラックが生じた場合であっても電位が異なる導体間に生じることはなく、マイグレーションを防止することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、前記複数のコイルパターン上に空隙部が設けられた態様とすることも可能である。空隙部を設けることで、焼成時に生じる応力を緩和させることができる。また、空隙部による応力緩和によって、磁性体基板の磁歪の発生が抑制されるため、磁気特性の変化が低減される。そのため、インダクタ素子のインダクタンス値の変動を抑制することができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が安定化する。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、前記最外層のコイルパターンと、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンとの間に、空隙部が設けられた態様とすることも可能である。

この場合、電位が異なる導体間にクラックが発生したとしても、空隙部によって物理的に空間が隔てられるため、マイグレーションが起きることはない。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、前記最外層のコイルパターンと、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンとの間に、他のどことも電気的に接続されていないダミー電極が設けられた態様とすることでも同様の効果を得ることができる。

なお、上記発明では、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて示したが、基板積層方向の第一面にスイッチングＩＣの入力端子、出力端子、およびグランド端子が搭載される部品搭載電極が設けられ、前記基板積層方向の第二面に入力電極、出力電極、およびグランド電極が設けられ、前記多層基板内に複数のコイルパターンが層間接続され、螺旋状に形成されてなるインダクタを備えた多層基板であっても、前記複数のコイルパターンの層間距離に対して、前記コイルパターンのうち、最外層のコイルパターンから、前記インダクタ以外を構成する近接配線パターンとの間の層間距離が長くなるよう構成された態様とすることで同様の効果を得ることができる。

この発明によれば、クラックが生じ難く、マイグレーションを防止することができる。

図１（Ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの平面図であり、図１（Ｂ）は搭載部品を省略した場合のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの平面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）は、第１の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構造を模式的に表した図である。 第２の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構造を模式的に表した図である。 第３の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構造を模式的に表した図である。 第４の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構造を模式的に表した図である。

図１（Ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの平面図であり、図１（Ｂ）は搭載部品を省略した場合のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの平面図であり、図１（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構造を模式的に表した図である。

多層基板は、複数のセラミックグリーンシートを積層した積層体からなる。多層基板は、最外層のうち上面側から下面側に向かって順に、非磁性体フェライト層１１、磁性体フェライト層１２、非磁性体フェライト層１３、磁性体フェライト層１４、および非磁性体フェライト層１５が配置されている。

多層基板の基板積層方向の第一面（最上面）には、部品搭載電極２１（図１においては部品搭載電極２１Ａ、部品搭載電極２１Ｂ、部品搭載電極２１Ｃ、および部品搭載電極２１Ｄを示す。）が形成されている。多層基板の基板積層方向の第二面（最下面）には、実装用の各種電極（図１においては入力電極２５、出力電極２６、ブリッジ電極２７、およびグランド電極２８を示す。）が形成されている。

また、多層基板の内層に配置された一部のセラミックグリーンシート上には、各種配線が形成されている。同図においては、配線パターン７１、配線パターン７２、配線パターン７４、および導体パターン３１が形成されている。また、多層基板の端面には、最上面から最下面まで端面スルーホール７５および端面スルーホール７６が形成されている。

各導体パターン３１は、不図示のビアホールを介して層間接続されている。したがって、導体パターン３１は、磁性体フェライト層１２、非磁性体フェライト層１３、および磁性体フェライト層１４を挟んで螺旋状に配線されることになる。これによりコイル導体が形成され、多層基板はインダクタとして機能する。多層基板は、ＩＣやコンデンサ等の電子部品を搭載することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールとして機能する。

なお、中間層である非磁性体フェライト層１３は、磁気的には磁性体フェライト層１２および磁性体フェライト層１４間に空隙が存在する場合と等価であるように機能し、インダクタとしての直流重畳特性を向上させるものであるが、本発明において必須の要素ではない。

また、最外層の非磁性体フェライト層１１および非磁性体フェライト層１５は、磁性体フェライト層１２および磁性体フェライト層１４の上面側および下面側をそれぞれ被覆する機能を有する。また、相対的に熱収縮率の高い磁性体フェライト層１２および磁性体フェライト層１４を、相対的に熱収縮率の低い非磁性体フェライト層１１および非磁性体フェライト層１５で挟みこむことで、焼成により素子全体を圧縮して強度を向上させるために設けられている。ただし、非磁性体フェライト層１１および非磁性体フェライト層１５も、本発明において必須の要素ではない。

多層基板の最上面には、ＩＣ５１やコンデンサ（図１においては出力側のコンデンサ５２を示す。）等の電子部品が搭載される。ＩＣ５１は、入力される電圧をスイッチングして出力するスイッチングＩＣである。

ＩＣ５１の入力端子５５は、部品搭載電極２１Ａを介して入力電極２５に接続されている。実際には、部品搭載電極２１Ａに接続されたビアホールや、配線パターン７１、端面スルーホール７５等の各種配線を介して入力電極２５に接続される。

ＩＣ５１のグランド端子５６は、部品搭載電極２１Ｂやグランド用端面スルーホール（図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すＧＮＤ）を介して不図示のグランド電極に接続されている。

また、ＩＣ５１の出力端子５７は、部品搭載電極２１Ｃを介して出力電極２６に接続される。

図１においては降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示すため、出力端子５７には、インダクタとして機能する導体パターン３１が接続される。そして、導体パターン３１の出力側は、コンデンサ５２に接続され、コンデンサ５２および導体パターン３１の出力側は、部品搭載電極２１Ｄ、配線パターン７４、および端面スルーホール７６を介して出力電極２６に接続される。

多層基板は、セラミックグリーンシートや各種配線等、熱膨張係数の異なる材料が混在しているため、焼成時に応力が発生する。そこで、多層基板は、各導体パターン３１の間に空隙部３２を設け、応力を緩和するようにしている。また、空隙部による応力緩和によって、磁性体基板の磁歪の発生が抑制されるため、磁気特性の変化が低減される。そのため、インダクタ素子のインダクタンス値の変動を抑制することができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が安定化する。この空隙部３２は、セラミックグリーンシートを積層する前に、導体パターン３１の上にカーボンペーストを塗布し、このカーボンペーストが焼成時に消失することにより形成される。

そして、多層基板は、導体パターン３１間のセラミックグリーンシートの厚みよりも、当該導体パターン３１と電位が異なる近接配線パターンとの間のセラミックグリーンシートの厚みが厚くなっており、各導体パターン３１間の距離に対して、最外層の導体パターン３１から異なる電位を有する近接配線パターンまでの層間距離が長くなっている。例えば、図１では、各導体パターン３１間の距離ｂに対し、最上面側の導体パターン３１から配線パターン７１までの距離ａが長い。また、各導体パターン３１間の距離ｂに対し、最下面側の導体パターン３１から配線パターン７２までの距離ａが長い。

一般的に、セラミック材料よりも金属材料の方が熱膨張係数が大きいため、焼成時には導体パターンの方がより収縮する傾向がある。この場合、各導体パターン３１間の間隔が相対的に狭く、焼成時においてセラミックグリーンシートと電極の熱膨張係数の違いに起因する応力が、よりセラミックグリーンシートの厚みが小さい方に働くため、仮に焼成時に発生する応力によりクラックが生じるとしても、相対的に導体パターン３１間に生じ易くなっており、配線パターン７１や配線パターン７２との間には生じ難くなっている。そして、導体パターン３１間は同電位となっているため、仮にクラックによって上下の導体パターン３１同士が電気的に接触したとしても、マイグレーションが起こることはない。

このように、本発明の第１の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、コイルパターン間のセラミックグリーンシートの厚みよりも、当該コイルパターンと電位が異なる近接配線パターンとの厚みを厚くすることにより、相対的にコイルパターン間にクラックが生じやすくなっている。したがって、クラックが生じた場合であっても電位が異なる導体間に生じることはなく、マイグレーションを防止することができる。

次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて説明する。図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに対し、最上面側の導体パターン３１の上に空隙部７７を設けた点が特徴である。空隙部７７も、導体パターン３１の上にカーボンペーストを塗布し、このカーボンペーストが焼成時に消失することにより形成される。この場合、仮に最上面の導体パターン３１と配線パターン７１との間にクラックが生じたとしても、空隙部７７による物理的な空間が介在するため、マイグレーションが起こることはない。

なお、図２においては、最上面側の導体パターン３１の上に空隙部７７を設けた例を示しているが、配線パターン７２の上に空隙を設け、最下面の導体パターン３１と配線パターン７２との間に物理的な空間を介在させるようにしてもよい。

次に、図３を参照して本発明の第３の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて説明する。図３に示す第３の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、図２に示した第２の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに対し、空隙部７７の位置が異なる。

図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、空隙部７７が最上面の導体パターン３１と配線パターン７１との間のセラミックグリーンシート上に設けられている。この場合も、仮に最上面の導体パターン３１と配線パターン７１との間にクラックが生じたとしても、よる物理的な空間が介在するため、マイグレーションが起こることはない。また、クラックの進行が空隙部７７で停止するため、例えば配線パターン７１側からクラックが生じたとしても、空隙部７７で停止し、導体パターン３１にまで達することはない。

なお、図３においても、最下面の導体パターン３１と配線パターン７２との間のセラミックグリーンシート上に空隙を設けるようにしてもよい。

次に、図４を参照して本発明の第４の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて説明する。図４に示す第４の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、図３に示した第３の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに対し、空隙部７７に代えてダミー電極７８を設けた点で異なる。

図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、最上面の導体パターン３１と配線パターン７１との間のセラミックグリーンシート上にダミー電極７８が設けられている。この場合、仮に最上面の導体パターン３１と配線パターン７１との間にクラックが生じたとしても、クラックの進行がダミー電極７８で停止するため、マイグレーションが起こることはない。例えば配線パターン７１側からクラックが生じたとしても、ダミー電極７８で停止し、導体パターン３１にまで達することはない。

なお、図４においても、最下面の導体パターン３１と配線パターン７２との間のセラミックグリーンシート上にダミー配線を設けるようにしてもよい。

１１，１３，１５…非磁性体フェライト層
１２，１４…磁性体フェライト層
２１…部品搭載電極
２５…入力電極
２６…出力電極
３１…導体パターン
３２…空隙部
５１…ＩＣ
５２…コンデンサ
５５…入力端子
５６…グランド端子
５７…出力端子
７１，７２，７４…配線パターン
７５，７６…端面ビアホール

Claims (5)

1. 基板積層方向の第一面に部品搭載電極が設けられ、前記基板積層方向の第二面に入力電極、出力電極、およびグランド電極が設けられた多層基板と、
   前記部品搭載電極を介して前記入力電極に接続される入力端子、前記部品搭載電極を介して前記出力電極に接続される出力端子、および前記部品搭載電極を介して前記グランド電極に接続されるグランド端子を備え、入力される電圧をスイッチングして出力するスイッチングＩＣと、
   前記多層基板内に、複数のコイルパターンが層間接続され、螺旋状に形成されてなるインダクタと、
   を備えたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
   前記複数のコイルパターンの層間距離に対して、前記コイルパターンのうち、最外層のコイルパターンから、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンまでの層間距離が長くなっていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
2. 前記複数のコイルパターン上に空隙部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
3. 前記最外層のコイルパターンと、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンとの間に、空隙部が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
4. 前記最外層のコイルパターンと、前記インダクタとは異なる電位を有する近接配線パターンとの間に、他のどことも電気的に接続されていないダミー電極が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
5. 基板積層方向の第一面にスイッチングＩＣの入力電極、出力電極、およびグランド電極が搭載される部品搭載電極が設けられ、
   前記基板積層方向の第二面に入力電極、出力電極、およびグランド電極が設けられ、
   複数のコイルパターンが層間接続され、螺旋状に形成されてなるインダクタを内部に備えた多層基板であって、
   前記複数のコイルパターンの層間距離に対して、前記コイルパターンのうち、最外層のコイルパターンから、前記インダクタ以外を構成する近接配線パターンまでの層間距離が長くなるよう構成されたことを特徴とする多層基板。

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