JP2014175631A - Magnetic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁性体から成るコアと、コイルパターンが形成された基板とを備えた、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスに関する。 The present invention relates to a magnetic device such as a choke coil or a transformer, which includes a core made of a magnetic material and a substrate on which a coil pattern is formed.
たとえば、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する、直流−直流変換装置(DC−DCコンバータ)のようなスイッチング電源装置がある。このスイッチング電源装置には、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスが使用されている。 For example, there is a switching power supply device such as a DC-DC converter (DC-DC converter) that converts a high-voltage direct current into a alternating current after switching to a low-voltage direct current. The switching power supply device uses a magnetic device such as a choke coil or a transformer.
たとえば、特許文献1〜6には、コイルの巻線が基板に形成されたコイルパターンから成る、磁気デバイスが開示されている。
For example,
特許文献1〜5では、磁性体から成るコアが、基板を貫通している。基板は、絶縁体から成り、複数の層を有している。各層には、コアの周囲に巻回されるように、コイルパターンが形成されている。異なる層のコイルパターン同士は、スルーホールなどで接続されている。コイルパターンやスルーホールは、銅などの導体から成る。 In patent documents 1-5, the core which consists of a magnetic body has penetrated the board | substrate. The substrate is made of an insulator and has a plurality of layers. A coil pattern is formed on each layer so as to be wound around the core. Coil patterns of different layers are connected by through holes or the like. The coil pattern and the through hole are made of a conductor such as copper.
特許文献6では、基板が、一対の絶縁層と、該絶縁層に挟持された磁性体層とから構成されている。磁性体層には、導体から成るコイルパターンが形成されている。コイルパターンは、基板の板面方向や厚み方向に複数回巻回されている。
In
コイルパターンに電流が流れると、コイルパターンから発熱し、基板の温度が上昇する。基板の放熱対策として、特許文献1では、コイルパターンを基板の各層のほぼ全域に広げている。また、特許文献3では、基板の各層のコイルパターンの一部の幅を広げて、放熱パターン部を設けている。また、特許文献6では、コイルパターンの内側に、磁性体層と下方の絶縁層とを貫通する伝熱用貫通導体を設け、基板の下面に伝熱用貫通導体と接続された放熱用導体層を設けている。
When a current flows through the coil pattern, heat is generated from the coil pattern, and the temperature of the substrate rises. As a heat dissipation measure for the substrate, in
たとえば、大電流が流れるDC−DCコンバータで使用される磁気デバイスでは、コイルパターンに大電流が流れて、発熱量が多くなる。この発熱により、基板の温度が高くなると、磁気デバイスの特性の変動や性能の劣化を生じるおそれがある。また、同一基板上に他のICチップなどの電子部品が実装されている場合、電子部品の誤動作や破壊を生じるおそれがある。 For example, in a magnetic device used in a DC-DC converter through which a large current flows, a large current flows through the coil pattern and the amount of heat generated increases. If the temperature of the substrate increases due to this heat generation, the characteristics of the magnetic device may vary or the performance may deteriorate. In addition, when an electronic component such as another IC chip is mounted on the same substrate, there is a risk of malfunction or destruction of the electronic component.
コイルパターンの全長に渡って幅を広げて、直流抵抗を低くすると、コイルパターンからの発熱量を低減することができる。しかし、それに伴って、磁気デバイスが大型化するため、小型化の要求に反することになる。 If the width is increased over the entire length of the coil pattern to reduce the DC resistance, the amount of heat generated from the coil pattern can be reduced. However, this increases the size of the magnetic device, which is against the demand for miniaturization.
本発明の課題は、大型化することなく、コイルパターンが設けられた基板を放熱させ易くすることができる磁気デバイスを提供することである。 The subject of this invention is providing the magnetic device which can make it easy to thermally radiate the board | substrate with which the coil pattern was provided, without enlarging.
本発明による磁気デバイスは、磁性体から成るコアと、絶縁体から成り、コアが貫通する基板と、コアの周囲に巻回されるコイルパターンを含む、基板に設けられた導体とを備えている。基板の裏面側に放熱器が設けられ、基板の表面層に設けられた導体の面積より、基板の裏面層に設けられた導体の面積の方が広くなっている。 A magnetic device according to the present invention includes a core made of a magnetic material, a substrate made of an insulator, through which the core penetrates, and a conductor provided on the substrate including a coil pattern wound around the core. . A radiator is provided on the back side of the substrate, and the area of the conductor provided on the back layer of the substrate is larger than the area of the conductor provided on the surface layer of the substrate.
これにより、コイルパターンが設けられた基板の熱が、裏面層に設けられた面積が大きな導体から放熱器に伝わり易くなるので、基板を放熱させ易くすることができる。またこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターンの全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイスが大型化するのを回避することができる。 Thereby, since the heat of the board | substrate with which the coil pattern was provided becomes easy to be transmitted to a heat radiator from the conductor with a large area provided in the back surface layer, it can make it easy to radiate a board | substrate. As a result, the width of the coil pattern does not have to be increased over the entire length of the coil pattern so that the amount of generated heat is reduced, and the magnetic device can be prevented from being enlarged.
また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板の表面層および裏面層に設けられた導体は、コイルパターンと、コイルパターンに対して一体または別体で形成された放熱パターンとを含んでいてもよい。 According to the present invention, in the above magnetic device, the conductor provided on the front surface layer and the back surface layer of the substrate may include a coil pattern and a heat radiation pattern formed integrally or separately from the coil pattern. Good.
また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板と放熱器とを、基板の表面層における導体が存在しない領域でねじにより固定してもよい。 Moreover, in this invention, you may fix a board | substrate and a heat sink with a screw in the area | region where the conductor in the surface layer of a board | substrate does not exist in the said magnetic device.
さらに、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板と放熱器との間に、伝熱性を有する絶縁シートを挟み込んでもよい。 Furthermore, in the present invention, in the magnetic device, an insulating sheet having heat conductivity may be sandwiched between the substrate and the radiator.
本発明によれば、大型化することなく、コイルパターンが設けられた基板を放熱させ易くすることができる磁気デバイスを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the magnetic device which can make it easy to thermally radiate the board | substrate with which the coil pattern was provided, without enlarging.
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、スイッチング電源装置100の構成図である。スイッチング電源装置100は、電気自動車(またはハイブリッドカー)用のDC−DCコンバータであり、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する。以下で詳述する。
FIG. 1 is a configuration diagram of the switching
スイッチング電源装置100の入力端子T1、T2には、高電圧バッテリ50が接続されている。高電圧バッテリ50の電圧は、たとえばDC220V〜DC400Vである。入力端子T1、T2へ入力される高電圧バッテリ50の直流電圧Viは、フィルタ回路51でノイズが除去された後、スイッチング回路52へ与えられる。
A
スイッチング回路52は、たとえばFET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)を有する公知の回路からなる。スイッチング回路52では、PWM駆動部58からのPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号に基づいて、FETをオンオフさせて、直流電圧に対してスイッチング動作を行う。これにより、直流電圧が高周波のパルス電圧に変換される。
The
そのパルス電圧は、トランス53を介して、整流回路54へ与えられる。整流回路54は、一対のダイオードD1、D2によりパルス電圧を整流する。整流回路54で整流された電圧は、平滑回路55へ入力される。平滑回路55は、チョークコイルLおよびコンデンサCのフィルタ作用により整流電圧を平滑し、低電圧の直流電圧として出力端子T3、T4へ出力する。この直流電圧により、出力端子T3、T4に接続された低圧バッテリ60が、たとえばDC12Vに充電される。低圧バッテリ60の直流電圧は、図示しない各種の車載電装品へ供給される。
The pulse voltage is given to the
また、平滑回路55の出力電圧Voは、出力電圧検出回路59により検出された後、PWM駆動部58へ出力される。PWM駆動部58は、出力電圧Voに基づいてPWM信号のデューティ比を演算し、該デューティ比に応じたPWM信号を生成して、スイッチング回路52のFETのゲートへ出力する。これにより、出力電圧を一定に保つためのフィードバック制御が行なわれる。
The output voltage Vo of the
制御部57は、PWM駆動部58の動作を制御する。フィルタ回路51の出力側には、電源56が接続されている。電源56は、高電圧バッテリ50の電圧を降圧し、制御部57に電源電圧(たとえばDC12V)を供給する。
The
上記のスイッチング電源装置100において、平滑回路55のチョークコイルLとして、後述する磁気デバイス1、1’が用いられる。チョークコイルLには、たとえばDC150Aの大電流が流れる。チョークコイルLの両端には、電力入出力用の端子6i、6oが設けられている。
In the switching
次に、第1実施形態による磁気デバイス1の構造を、図2〜図4を参照しながら説明する。
Next, the structure of the
図2は、磁気デバイス1の分解斜視図である。図3は、磁気デバイス1の基板3の各層の平面図である。図4は、磁気デバイス1の断面図であって、(a)に図3のX−X断面、(b)に図3のY−Y断面を示している。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
図2に示すように、コア2a、2bは、E字形の上コア2aとI字形の下コア2bの、2個1対で構成されている。コア2a、2bは、フェライトまたはアモルファス金属などの磁性体から成る。
As shown in FIG. 2, the
上コア2aは、下方へ突出するように、3つの凸部2m、2L、2rを有している。中央の凸部2mに対して、左右の凸部2L、2rの方が、突出量が多くなっている。
The
図4(a)に示すように、上コア2aの左右の凸部2L、2rの下端を、下コア2bの上面に密着させて、該コア2a、2bは組み合わされる。この状態では、直流重畳特性を高めるため、上コア2aの凸部2mと下コア2bの上面には所定の大きさの隙間が設けられている。これにより、磁気デバイス1に大電流を流したときでも、所定のインダクタンスを実現することができる(後述の磁気デバイス1’も同様)。コア2a、2b同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。
As shown in FIG. 4A, the lower ends of the left and right
下コア2bは、ヒートシンク10の上側に設けられた凹部10k(図2)に嵌め込まれる。ヒートシンク10の下側には、フィン10fが設けられている。ヒートシンク10は、金属製であり、本発明の「放熱器」の一例である。
The
基板3は、絶縁体から成る薄板状の基材の各層に、厚みの厚い銅箔(導体)でパターンが形成された厚銅箔基板から構成されている。本実施形態では、基板3に他の電子部品や回路が設けられていないが、実際に磁気デバイス1を図1のスイッチング電源装置100で使用する場合、同一基板上に磁気デバイス1とスイッチング電源装置100の他の電子部品や回路が設けられる(後述の磁気デバイス1’も同様)。
The board |
基板3の表面(図2および図4で上面)には、図3(a)に示すような表面層L1が設けられている。基板3の裏面(図2および図4で下面)には、図3(c)に示すような裏面層L3が設けられている。図4に示すように、表面層L1と裏面層L3の間には、図3(b)に示すような中間層L2が設けられている。つまり、基板3は、回路を形成可能な3つの層L1、L2、L3を有している。
A surface layer L1 as shown in FIG. 3A is provided on the surface of the substrate 3 (upper surface in FIGS. 2 and 4). A back surface layer L3 as shown in FIG. 3C is provided on the back surface of the substrate 3 (the bottom surface in FIGS. 2 and 4). As shown in FIG. 4, an intermediate layer L2 as shown in FIG. 3B is provided between the front surface layer L1 and the back surface layer L3. That is, the
基板3には、複数の貫通孔3m、3L、3r、3aが設けられている。そのうち、大径の貫通孔3m、3L、3rには、図2〜図4に示すように、コア2aの各凸部2m、2L、2rがそれぞれ挿入される。つまり、コア2aの凸部2m、2L、2rは、基板3を貫通する。
The
複数の小径の貫通孔3aには、図2に示すように、各ねじ11が挿入される。基板3の裏面(裏面層L3)をヒートシンク10の上面(フィン10fと反対の面)と対向させる。そして、各ねじ11を基板3の表面(表面層L1)側から各貫通孔3aに貫通させて、ヒートシンク10の各ねじ孔10aに螺合する。これにより、図4に示すように、基板3の裏面側にヒートシンク10が近接状態で固定される。
As shown in FIG. 2, each
基板3とヒートシンク10の間には、伝熱性を有する絶縁シート12が挟み込まれる。絶縁シート12は可撓性を有しているため、基板3やヒートシンク10と隙間なく密着する。
An insulating
図3に示すように、基板3には、スルーホール8a、8d、9a〜9d、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4a〜4f、5a〜5e、およびピン7a〜7fといった導体が設けられている。
As shown in FIG. 3, the
スルーホール8a、8d、9a〜9dは、異なる層L1、L2、L3にあるパターン4a〜4f、5c〜5e同士を接続する。詳しくは、複数のスルーホール8aは、上層L1のパターン4a、4bと他の層L2、L3を接続する。各スルーホール8dは、上層L1と他の層L2、L3を接続したり、上層L1のパターン4a、4bと下層L3のパターン5eを接続したり、中間層L2のパターン4c、4dと下層L3のパターン5c、5dを接続したりする。スルーホール9a、9dは上層L1のパターン4a、4bと中間層L2のパターン4c、4dを接続する。スルーホール9b、9cは中間層L2のパターン4c、4dと下層L3のパターン4eを接続する。
Through
一対の大径のスルーホール8aのうち、一方のスルーホール8aには、電力入力用の端子6iが埋設されている。他方のスルーホール8aには、電力出力用の端子6oが埋設されている。端子6i、6oは、銅ピンから成る。表面層L1と裏面層L3の端子6i、6oの周囲には、銅箔から成るパッド8bが設けられている。端子6i、6oやパッド8bの表面には、銅めっきが施されている。端子6i、6oの下端は、絶縁シート12と接触している(図示省略)。
Of the pair of large-diameter through
複数の大径のスルーホール8dには、放熱ピン7a〜7fがそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン7a〜7fは、銅ピンから成る。表面層L1と裏面層L3の放熱ピン7a〜7fの周囲には、銅箔から成るパッド8cが設けられている。放熱ピン7a〜7fやパッド8cの表面には、銅めっきが施されている。放熱ピン7a〜7fの下端は、絶縁シート12と接触している(図4(a)参照)。
Heat radiation pins 7a to 7f are embedded in the plurality of large-diameter through
基板3の各層L1、L2、L3には、コイルパターン4a〜4eと放熱パターン5a〜5eが設けられている。各パターン4a〜4e、5a〜5eは、銅箔から成る。表面層L1の各パターン4a〜4e、5a〜5eの表面には、絶縁加工が施されている。コイルパターン4a〜4eの幅や、厚みや、断面積は、所定の大電流(たとえばDC150A)を流しても、コイルパターン4a〜4eからの発熱量をある程度に抑えて、しかもコイルパターン4a〜4eの表面から放熱できるように設定されている。
図3(a)に示すように、表面層L1において、コイルパターン4aは、凸部2Lの周囲4方向に1回巻回されている。コイルパターン4bは、凸部2rの周囲4方向に1回巻回されている。
As shown in FIG. 3A, in the surface layer L1, the
図3(b)に示すように、中間層L2において、コイルパターン4cは、凸部2Lの周囲4方向に1回巻回されている。コイルパターン4dは、凸部2rの周囲4方向に1回巻回されている。
As shown in FIG. 3B, in the intermediate layer L2, the
図3(c)に示すように、裏面層L3において、コイルパターン4eは、凸部2Lの周囲4方向に1回巻回されてから、凸部2mの周囲3方向に1回巻回され、さらに凸部2rの周囲4方向に1回巻回されている。
As shown in FIG. 3C, in the back layer L3, the
コイルパターン4aの一端とコイルパターン4cの一端とは、スルーホール9aにより接続されている。コイルパターン4cの他端とコイルパターン4eの一端とは、スルーホール9cにより接続されている。コイルパターン4eの他端とコイルパターン4dの一端とは、スルーホール9bにより接続されている。コイルパターン4dの他端とコイルパターン4bの一端とは、スルーホール9dにより接続されている。
One end of the
表面層L1のスルーホール9b、9cの周辺と、裏面層L3のスルーホール9a、9dの周辺には、スルーホール9a〜9dを形成し易くするため、小パターン4fがそれぞれ設けられている。それぞれのスルーホール9a〜9dと小パターン4fは接続されている。小パターン4fは、銅箔から成る。表面層L1の小パターン4fの表面には、絶縁加工が施されている。各スルーホール9a〜9dの表面には、銅めっきが施されている。各スルーホール9a〜9dの内側は、銅などで埋められていてもよい。
コイルパターン4aの他端は、パッド8bを介して端子6iと接続されている。コイルパターン4bの他端は、パッド8bを介して端子6oと接続されている。
The other end of the
上記により、基板3のコイルパターン4a〜4eは、表面層L1で、起点である端子6iから、凸部2Lの周囲に1回目が巻かれた後、スルーホール9aを経由して、中間層L2に接続される。次に、中間層L2で、凸部2Lの周囲に2回目が巻かれた後、スルーホール9cを経由して、裏面層L3に接続される。
As described above, the
次に、コイルパターンは、裏面層L3で、凸部2Lの周囲に3回目が巻かれ、凸部2mの周囲を経由して、凸部2rの周囲に4回目が巻かれた後、スルーホール9bを経由して、中間層L2に接続される。次に、コイルパターンは、中間層L2で、凸部2rの周囲に5回目が巻かれた後、スルーホール9dを経由して、表面層L1に接続される。そして、コイルパターンは、表面層L1で、凸部2rの周囲に6回目が巻かれた後、終点である端子6oに接続される。
Next, the coil pattern is the back surface layer L3, the third time is wound around the
磁気デバイス1に流れる電流も、上記のように、端子6i、コイルパターン4a、スルーホール9a、コイルパターン4c、スルーホール9c、コイルパターン4e、スルーホール9b、コイルパターン4d、スルーホール9d、コイルパターン4b、および端子6oの順番で流れる。
As described above, the current flowing through the
放熱パターン5a〜5eは、各層L1〜L3のコイルパターン4a〜4eや小パターン4fの周辺にある空き領域に、該パターン4a〜4e、4fと別体で形成されている。
The
放熱パターン5a〜5eに対して、パッド8b、端子6i、6o、貫通孔3a、およびねじ11は絶縁されている。図3に示すように、中間層L2や裏面層L3の貫通孔3aと放熱パターン5b〜5eの最短絶縁間隔S2より、表面層L1の貫通孔3aと放熱パターン5aの最短絶縁間隔S1の方が大きくなっている。
The
これは、ねじ11の軸部11bより径の大きな頭部11aが基板3の表面側に配置されるので、頭部11aと放熱パターン5aとを絶縁するためである。つまり、基板3の各層L1〜L3における導体が存在しない領域R1、R2で、ねじ11により基板3とヒートシンク10が固定されている。
This is because the
図3(a)に示すように、表面層L1では、コイルパターン4aに対して、放熱ピン7aとこの周囲のパッド8cが接続されている。また、コイルパターン4bに対して、放熱ピン7bとこの周囲のパッド8cが接続されている。放熱パターン5aに対して、放熱ピン7c〜7fとこの周囲のパッド8cは絶縁されている。また、放熱パターン5aに対して、コイルパターン4a、4bや小パターン4fは絶縁されている。
As shown to Fig.3 (a), in the surface layer L1, the
図3(b)に示すように、中間層L2では、コイルパターン4cに対して、放熱ピン7c、7eが接続されている。また、コイルパターン4dに対して、放熱ピン7d、7fが接続されている。放熱パターン5bに対して、放熱ピン7aは絶縁されている。また、放熱パターン5bに対して、コイルパターン4c、4dは絶縁されている。
As shown in FIG. 3B, in the intermediate layer L2, heat radiation pins 7c and 7e are connected to the
図3(c)に示すように、裏面層L3では、放熱パターン5c〜5eに対して、放熱ピン7a〜7fとこの周囲のパッド8cが接続されている。また、放熱パターン5c〜5eに対して、コイルパターン4eや小パターン4fは絶縁されている。
As shown in FIG.3 (c), in the back surface layer L3, the thermal radiation pins 7a-7f and the
つまり、放熱ピン7a、7bにより、表面層L1のコイルパターン4a、4bと、裏面層L3の左右の放熱パターン5eがそれぞれ接続されている。また、放熱ピン7c〜7fにより、中間層L2のコイルパターン4c、4dと、裏面層L3の左右の放熱パターン5c、5dがそれぞれ接続されている。
That is, the
図3に示すように、表面層L1と裏面層L3では、導体であるスルーホール8a、8d、9a〜9d、パッド8b、8c、端子6i、6o、小パターン4f、およびピン7a〜7fの表面積は同一である。また、裏面層L3のコイルパターン4eの表面積より、表面層L1のコイルパターン4a、4bの合計表面積の方が広くなっている。
As shown in FIG. 3, in the surface layer L1 and the back surface layer L3, the surface areas of the through
一方、表面層L1の放熱パターン5aの表面積より、裏面層L3の放熱パターン5c〜5eの合計表面積の方が広くなっている。これは、ねじ11の周囲の領域R1、R2に注目すれば明らかである。表面層L1と裏面層L3の放熱パターン5a、5c〜5eの表面積の差は、コイルパターン4a、4b、4eの表面積の差より大きくなっている。
On the other hand, the total surface area of the
このため、表面層L1に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a〜9d、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4a、4b、4f、5a、およびピン7a〜7fの合計表面積)より、裏面層L3に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a〜9d、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4e、4f、5c〜5e、およびピン7a〜7fの合計表面積)の方が広くなっている。
Therefore, the area of the conductor provided in the surface layer L1 (the total of the through
表面層L1と中間層L2では、導体であるスルーホール8a、8d、9a〜9d、端子6i、6o、およびピン7a〜7fの表面積は同一である。また、表面層L1と中間層L2のパターン4a、4b、4c、4d、4fの表面積には、ほとんど差がない。また、表面層L1にあるパッド8b、8cは、中間層L2にはない。
In the surface layer L1 and the intermediate layer L2, the surface areas of the through-
一方、表面層L1の放熱パターン5aの表面積より、中間層L2の放熱パターン5bの表面積の方が広くなっている。これは、ねじ11の周囲の領域R1、R2に注目すれば明らかである。表面層L1と中間層L2の放熱パターン5a、5bの表面積の差は、パッド8b、8cの表面積より大きくなっている。
On the other hand, the surface area of the
このため、表面層L1に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a〜9d、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4a、4b、4f、5a、およびピン7a〜7fの合計表面積)より、中間層L2に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a〜9d、端子6i、6o、パターン4c、4d、5b、およびピン7a〜7fの合計表面積)の方が広くなっている。
Therefore, the area of the conductor provided in the surface layer L1 (the total of the through
コイルパターン4a〜4eには大電流が流れるため、コイルパターン4a〜4eが発熱源となって、基板3の温度が上昇する。
Since a large current flows through the
表面層L1では、基板3の熱は、放熱パターン5aなどの導体に拡散され、該導体の表面で放熱される。また、基板3の熱は、放熱ピン7a、7fやスルーホール8d、8a、9a〜9dなどの基板3を貫通する導体を伝って、絶縁シート12を介してヒートシンク10で放熱される。
In the surface layer L1, the heat of the
特に、表面層L1のコイルパターン4a、4bの発熱は、放熱ピン7a、7b、端子6i、6o、スルーホール8d、8a、9a、9d、および裏面層L3の放熱パターン5eを伝って、絶縁シート12を介してヒートシンク10で放熱される。スルーホール9a〜9dは、サーマルビアとしても機能する。
In particular, the heat generation of the
中間層L2では、基板3の熱は、放熱パターン5bなどの導体に拡散される。また、基板3の熱は、放熱ピン7c〜7fやスルーホール8d、9a〜9dなどの基板3を貫通する導体を伝って、絶縁シート12を介してヒートシンク10で放熱される。
In the intermediate layer L2, the heat of the
特に、中間層L2のコイルパターン4c、4dの発熱は、放熱ピン7c、7d、7e、7f、スルーホール8d、9a〜9d、裏面層L3の放熱パターン5c、5dを伝って、絶縁シート12を介してヒートシンク10で放熱される。
In particular, the heat generation of the
裏面層L3では、基板3の熱は、放熱パターン5c〜5eや放熱ピン7a〜7fなどの導体に拡散される。これらの導体に拡散された熱は、絶縁シート12を伝って、ヒートシンク10で放熱される。特に、コイルパターン4eの発熱は、コイルパターン4eの表面から絶縁シート12を伝って、ヒートシンク10で放熱される。
In the back layer L3, the heat of the
上記第1実施形態によると、コイルパターン4a〜4eが設けられた基板3の熱が、裏面層L3に設けられた面積の大きな導体から、ヒートシンク10に伝わり易くなるので、基板3を放熱させ易くすることができる。これにより、コイルパターン4a〜4eの発熱が許容される。またこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターン4a〜4eの全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイス1が大型化するのを回避することができる。
According to the first embodiment, the heat of the
また、基板3の各層L1〜L3にコイルパターン4a〜4eと放熱パターン5a〜5eを設けているので、基板3の熱を基板3の表面側や裏面側から放熱させることができる。
Moreover, since the
特に、裏面層L3では、コイルパターン4eと放熱パターン5c〜5eの表面から、熱をヒートシンク10に効率良く伝えて、放熱させることができる。また、表面層L1では、コイルパターン4a、4bと放熱パターン5aの表面から、熱を放熱させることができる。
In particular, in the back surface layer L3, heat can be efficiently transmitted from the surface of the
また、基板3とヒートシンク10とを基板3の導体が存在しない領域R1、R2でねじ11により固定することで、ねじ11に絶縁加工を施さなくても、ねじ11と基板3の導体とを確実に絶縁させることができる。
Further, by fixing the
また、ねじ11の頭部11aを基板3の表面層L1側に配置して、頭部11aの周囲に導体の存在しない領域R1を設けることで、表面層L1の導体の面積より、裏面層L3の導体の面積の方を容易に広くすることができる。
Further, by arranging the
さらに、基板3とヒートシンク10との間に、伝熱性を有する絶縁シート12を挟み込むことで、基板3の裏面層L3に絶縁加工を施さなくても、基板3とヒートシンク10とを絶縁しつつ、基板3の熱をヒートシンク10に伝えることができる。
Furthermore, by sandwiching the insulating
上記第1実施形態では、基板3の各層L1〜L3にコイルパターン4a〜4eと別体で放熱パターン5a〜5eを設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。下記の第2実施形態のように、コイルパターンと一体の放熱パターンを設けてもよい。
In the first embodiment, the example in which the
図5は、第2実施形態による磁気デバイス1’の基板3’の各層の平面図である。図6は、磁気デバイス1’の断面図であって、図5のZ−Z断面を示している。
FIG. 5 is a plan view of each layer of the
図6に示すように、磁性体から成るコア2a’、2b’は、断面がE字形の上コア2a’と、I字形の下コア2b’の、2個1対で構成されている。上コア2a’の下方へ突出する凸部2m’、2L’、2r’のうち、左右の凸部2L’、2r’の下端を、下コア2b’の上面に密着させて、該コア2a’、2b’は組み合わされる。上コア2a’の突起2m’と下コア2b’の上面には所定の大きさの隙間が設けられている。コア2a’、2b’同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。下コア2b’は、ヒートシンク10の上側に設けられた凹部10kに嵌め込まれる。
As shown in FIG. 6, the
基板3’は、表面層L1’、中間層L2’、および裏面層L3’を有する厚銅箔基板から構成されている。図5に示すように、基板3’の貫通孔3m’には、コア2a’、2b’の中央の凸部2m’が貫通している。左右の切欠き3kには、コア2a’、2b’の左右の凸部2L’、2r’が入り込んでいる。
The substrate 3 'is composed of a thick copper foil substrate having a surface layer L1', an intermediate layer L2 ', and a back surface layer L3'. As shown in FIG. 5, the
基板3’の裏面をヒートシンク10の上面と対向させ、図6に示すように、ねじ11を基板3’の表面側から貫通孔3aに貫通させて、ヒートシンク10のねじ孔10aに螺合する。これにより、基板3’の裏面側にヒートシンク10が近接状態で固定される。基板3’とヒートシンク10の間には、絶縁シート12が挟み込まれる。
The back surface of the
図5に示すように、基板3’には、スルーホール8a、8d、9a’、9b’、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4a’、4b’、4c’、4f’、5t0〜5t6、5s0〜5s9、およびピン7g0〜7g3といった導体が設けられている。スルーホール8aには、端子6i、6oがそれぞれ埋設されている。表面層L1’と裏面層L3’の端子6i、6oの周囲には、パッド8bが設けられている。
As shown in FIG. 5, the
スルーホール8dには、放熱ピン7g0〜7g3がそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン7g0〜7g3は、銅ピンから成り、表面に銅めっきが施されている。表面層L1’と裏面層L3’の放熱ピン7g0〜7g3の周囲には、パッド8cが設けられている。放熱ピン7g0〜7g3の下端は、絶縁シート12と接触している。
The through
各層L1’〜L3 ’には、コイルパターン4a’〜4c’と放熱パターン5t0〜5t6、5s0〜5s9が設けられている。各パターン4a’〜4c’、5t0〜5t6、5s0〜5s9は、銅箔から成る。表面層L1’の各パターン4a’〜4c’、5t0〜5t6、5s0〜5s9の表面には、絶縁加工が施されている。コイルパターン4a’〜4c’の幅や、厚みや、断面積は、所定の大電流(たとえばDC150A)を流しても、コイルパターン4a’〜4c’からの発熱量をある程度に抑えて、しかもコイルパターン4a’〜4c’の表面から放熱できるように設定されている。
In each of the layers L1 ′ to L3 ′,
各層L1’〜L3 ’において、コイルパターン4a’
〜4c’は、中央の凸部2m’の周囲に2回巻回されている。コイルパターン4a’の一端とコイルパターン4b’の一端とは、スルーホール9a’により接続されている。コイルパターン4b’の他端とコイルパターン4c’の一端とは、スルーホール9b’により接続されている。コイルパターン4a’の他端は、表面層L1’でパッド8bを介して端子6oと接続されている。コイルパターン4c’の他端は、裏面層L3’でパッド8bを介して端子6iと接続されている。
In each layer L1 ′ to L3 ′, the
˜4c ′ is wound twice around the
表面層L1’のスルーホール9b’の周辺と、裏面層L3’のスルーホール9a’の周辺には、銅箔から成る小パターン4f’が設けられている。それぞれのスルーホール9a’、9b’と小パターン4f’は接続されている。表面層L1’の小パターン4f’の表面には、絶縁加工が施されている。各スルーホール9a’、9b’の表面には、銅めっきが施されている。
上記により、基板3’のコイルパターン4a’〜4c ’は、裏面層L3’で、起点である端子6iから、凸部2m’の周囲に1回目と2回目が巻かれた後、スルーホール9b’を経由して、中間層L2’に接続される。次に、コイルパターンは、中間層L2’で、凸部2m’の周囲に3回目と4回目が巻かれた後、スルーホール9a’を経由して、表面層L1’
に接続される。そして、コイルパターンは、表面層L1’で、凸部2m’の周囲に5回目と6回目が巻かれた後、終点である端子6oに接続される。磁気デバイス1’に流れる電流も、上記の順路で流れる。
As described above, the
Connected to. The coil pattern is the surface layer L1 ′, and after the fifth and sixth turns are wound around the
放熱パターン5t0〜5t6、5s0〜5s9は、各層L1’〜L3
’のコイルパターン4a’〜4c ’や小パターン4f’の周辺にある空き領域に形成されている。そのうち、放熱パターン5t0〜5t6は、コイルパターン4a’〜4c
’を延長することにより、コイルパターン4a’〜4c ’と一体で形成されている。放熱パターン5s0〜5s9は、コイルパターン4a’〜4c
’、小パターン4f’、および放熱パターン5t0〜5t6と別体で形成されている。
The heat radiation patterns 5t 0 to 5t 6 , 5s 0 to 5s 9 are the layers L1 ′ to L3.
The
By extending ', the
“,
図5(a)に示すように、表面層L1’では、放熱パターン5s0〜5s2同士は絶縁され、さらに放熱パターン5t0〜5t2やコイルパターン4a’とも絶縁されている。放熱ピン7g0、7g1とこの周囲のパッド8cは、放熱パターン5t0、5t1内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン5t0〜5t2とコイルパターン4a’に接続されている。
As shown in FIG. 5A, in the surface layer L1 ′, the heat radiation patterns 5s 0 to 5s 2 are insulated from each other, and are further insulated from the heat radiation patterns 5t 0 to 5t 2 and the
また、表面層L1’では、端子6oとこの周囲のパッド8bは、放熱パターン5t2内に設けられていて、放熱パターン5t0〜5t2やコイルパターン4a’に接続され、放熱パターン5s0〜5s2と絶縁されている。端子6iとこの周囲のパッド8bは、コイルパターン4a’と放熱パターン5t0〜5t2に対して絶縁されている。放熱ピン7g2、7g3とこの周囲のパッド8cは、放熱パターン5s1、5s2内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン5s1、5s2と接続され、放熱パターン5s0、5t0〜5t2やコイルパターン4a’と絶縁されている。
Further, 'in, the surrounding
図5(b)に示すように、中間層L2’では、放熱パターン5s3、5s4同士は絶縁され、さらに放熱パターン5t3、5t4やコイルパターン4b’とも絶縁されている。
As shown in FIG. 5B, in the intermediate layer L2 ′, the heat radiation patterns 5s 3 , 5s 4 are insulated from each other, and further, the heat radiation patterns 5t 3 , 5t 4 and the
また、中間層L2’では、放熱ピン7g2、7g3とこの周囲のスルーホール8dは、放熱パターン5t3、5t4内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン5t3、5t4とコイルパターン4b’に接続されている。放熱ピン7g0、7g1とこの周囲のスルーホール8dは、放熱パターン5s3、5s4内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン5s3、5s4と接続され、放熱パターン5t3、5t4やコイルパターン4b’と絶縁されている。
In the intermediate layer L2 ′, the heat radiation pins 7g 2 and 7g 3 and the surrounding through
図5(c)に示すように、裏面層L3’では、放熱パターン5s5〜5s9同士は絶縁され、さらに放熱パターン5t5、5t6やコイルパターン4c’とも絶縁されている。放熱ピン7g0〜7g3とこの周囲のパッド8cは、放熱パターン5s5〜5s8内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン5s5〜5s8と接続され、放熱パターン5s9、5t5、5t6やコイルパターン4c’と絶縁されている。
As shown in FIG. 5C, in the back surface layer L3 ′, the heat radiation patterns 5s 5 to 5s 9 are insulated from each other, and are also insulated from the heat radiation patterns 5t 5 , 5t 6 and the
また、裏面層L3’では、端子6oとこの周囲のパッド8bは、放熱パターン5s9内に設けられていて、放熱パターン5s9に接続され、放熱パターン5s5〜5s8、5t5、5t6、やコイルパターン4c’と絶縁されている。端子6iとこの周囲のパッド8bは、放熱パターン5t5内に設けられていて、放熱パターン5t5、5t6、やコイルパターン4c’に接続され、放熱パターン5s5〜5s9と絶縁されている。
Further, the back surface layer L3 ',
つまり、放熱ピン7g0、7g1と端子6oにより、表面層L1’のコイルパターン4a’、放熱パターン5t0〜5t2、中間層L2’の放熱パターン5s3〜5s4、および裏面層L3’の放熱パターン5s5、5t6、5t9が接続されている。
That is, by the heat dissipation pins 7 g 0, 7 g 1 and terminal 6o, '
また、放熱ピン7g2、7g3により、表面層L1’の放熱パターン5s1、5s2、中間層L2’のコイルパターン4b’
、放熱パターン5t3、5t4、および裏面層L3’の放熱パターン5s7、5s8が接続されている。
Further, the heat radiation pins 7g 2 and 7g 3 allow the heat radiation patterns 5s 1 and 5s 2 of the surface layer L1 ′ and the
The heat radiation patterns 5t 3 and 5t 4 and the heat radiation patterns 5s 7 and 5s 8 of the back surface layer L3 ′ are connected.
図5に示すように、各層L1’〜L3’で、パターン4a’〜4c’、4f’、5t0〜5t6、5s0〜5s9に対して、貫通孔3aとねじ11が絶縁されている。中間層L2’や裏面層L3’のパターン4b’、
4c’、4f’、5t3〜5t6、5s3〜5s9と貫通孔3aの最短絶縁間隔S2より、表面層L1’のパターン4a’、4f’、5t0〜5t2、5s0〜5s2と貫通孔3aの最短絶縁間隔S1の方が大きくなっている(図6も参照)。基板3’とヒートシンク10は、基板3’の導体が存在しない領域R1、R2で、ねじ11により固定されている。
As shown in FIG. 5, the through-
4c ′, 4f ′, 5t 3 to 5t 6 , 5s 3 to 5s 9 and the
表面層L1’と裏面層L3’では、導体であるスルーホール8a、8d、9a’、9b’、パッド8b、8c、端子6i、6o、小パターン4f’、およびピン7g0〜7g3の表面積は同一である。一方、表面層L1’のパターン4a’、5t0〜5t2、5s0〜5s2の合計表面積より、裏面層L3’のパターン4c’、5t5、5t6、5s5〜5s9の合計表面積の方が広くなっている。これは、ねじ11の周囲の領域R1、R2に注目すれば明らかである。
In the surface layer L1 ′ and the back surface layer L3 ′, the through
よって、表面層L1’に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a’、9b’、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4a’、4f’、5t0〜5t2、5s0〜5s2、およびピン7g0〜7g3の合計表面積)より、裏面層L3’に設けられた導体の面積(スルーホール8a、8d、9a’、9b’、パッド8b、8c、端子6i、6o、パターン4c’、4f’、5t5、5t6、5s5〜5s9、およびピン7g0〜7g3の合計表面積)の方が広くなっている。
Therefore, the area of the conductor provided in the surface layer L1 ′ (through
これにより、コイルパターン4a’〜4c
’に大電流を流したときの発熱は、基板3’の裏面層L3’に設けられた面積の大きな導体から、ヒートシンク10に伝わり易くなるので、基板3’を放熱させ易くすることができる。また、基板3’の各層L1’〜L3
’にコイルパターン4a’〜4c ’と放熱パターン5t0〜5t6、5s0〜5s9を設けているので、基板3’の熱を分散させて、基板3’の表面側や裏面側から放熱させることができる。さらにこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターン4a’〜4c
’の全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイス1’が大型化するのを回避することができる。
Thereby,
Since heat generated when a large current flows through 'is easily transmitted to the
Since
It is not necessary to increase the width over the entire length of ', and the magnetic device 1' can be prevented from becoming large.
本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、基板3、3’の全ての層L1〜L3、L1’〜L3
’にコイルパターン4a〜4e、4a’〜4c ’を形成した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。複数の層を有する基板の少なくとも1層にコイルパターンを形成してもよい。また、コイルパターンは、コアの少なくとも1つの凸部に巻回されていればよい。
In the present invention, various embodiments other than those described above can be adopted. For example, in the above embodiment, all the layers L1 to L3 and L1 ′ to L3 of the
Although an example in which the
また、以上の実施形態では、基板3、3’の裏面層L3、L3’に絶縁加工を施さず、基板3、3’とヒートシンク10との間に絶縁シート12を挟み込んだ例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、裏面層L3、L3’に絶縁加工を施して、絶縁シート12を省略してもよい。この場合、基板3、3’とヒートシンク10との間に伝熱体を挟み込むと良い。
In the above embodiment, the back surface layers L3 and L3 ′ of the
また、以上の実施形態では、放熱器として、ヒートシンク10を用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、これ以外の、空冷式や水冷式の放熱器、または冷媒を用いた放熱器などを用いてもよい。
Moreover, although the example which used the
また、以上の実施形態では、厚銅箔基板を用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、一般的な樹脂製のプリント基板や金属製の基板などのような、他の基板を用いてもよい。金属製の基板の場合は、基材とコイルパターンとの間に絶縁体を設ければよい。 Moreover, although the example using a thick copper foil board | substrate was shown in the above embodiment, this invention is not limited only to this, A general resin-made printed boards, metal boards, etc. Other substrates may be used. In the case of a metal substrate, an insulator may be provided between the base material and the coil pattern.
また、以上の実施形態では、ある層から他の層へ熱を伝えるために、放熱ピンを使用した例を示したが、本発明はこれのみに限定されるものではない。放熱ピンの替わりにスルーホールを使用して、ある層から他の層へ熱を伝えてもよい。逆に、スルーホールの替わりに放熱ピンを使用してもよい。 Moreover, although the example which used the thermal radiation pin was shown in order to transmit heat | fever from one layer to another layer in the above embodiment, this invention is not limited only to this. Through holes may be used instead of heat dissipation pins to transfer heat from one layer to another. Conversely, a heat dissipation pin may be used instead of the through hole.
また、以上の実施形態では、E字形の上コア2a、2a’にI字形の下コア2b、2b’を組み合わせた例を示したが、本発明は、E字形コアのみを備えた磁気デバイスにも適用することができる。
In the above embodiment, an example in which the I-shaped
さらに、以上の実施形態では、車両用のスイッチング電源装置100における、平滑回路55のチョークコイルLとして使用される磁気デバイス1に本発明を適用した例を挙げたが、トランス53(図1)として使用される磁気デバイスに対しても、本発明を適用することは可能である。また、車両以外の、たとえば電子機器用のスイッチング電源装置で使用される磁気デバイスにも本発明を適用することは可能である。
Furthermore, although the example which applied this invention to the
1、1’ 磁気デバイス
2a、2a’ 上コア
2b、2b’ 下コア
3、3’ 基板
4a〜4e、4a’〜4c’ コイルパターン
4f、4f’ 小パターン
5a〜5e、5t0〜5t6、5s0〜5s9 放熱パターン
6i、6o 端子
7a〜7f、7g0〜7g3 放熱ピン
8a、8d スルーホール
8b、8c パッド
9a、9b、9c、9d、9a’、9b’ スルーホール
10 ヒートシンク
11 ねじ
12 絶縁シート
L1、L1’ 表面層
L2、L2’ 中間層
L3、L3’ 裏面層
R1、R2 導体が存在しない領域
1,1 '
Claims (4)
絶縁体から成り、前記コアが貫通する基板と、
前記コアの周囲に巻回されるコイルパターンを含む、前記基板に設けられた導体と、を備えた磁気デバイスにおいて、
前記基板の裏面側に放熱器を設け、
前記基板の表面層に設けられた前記導体の面積より、前記基板の裏面層に設けられた前記導体の面積の方が広い、ことを特徴とする磁気デバイス。 A core made of magnetic material,
A substrate made of an insulator through which the core penetrates;
A magnetic device comprising a coil pattern wound around the core and provided on the substrate;
Provide a radiator on the back side of the substrate,
A magnetic device, wherein an area of the conductor provided on a back surface layer of the substrate is larger than an area of the conductor provided on a surface layer of the substrate.
前記基板の前記表面層および前記裏面層に設けられた前記導体は、
前記コイルパターンと、
前記コイルパターンに対して一体または別体で形成された放熱パターンと、を含む、ことを特徴とする磁気デバイス。 The magnetic device according to claim 1.
The conductor provided on the front surface layer and the back surface layer of the substrate,
The coil pattern;
And a heat radiation pattern formed integrally or separately with respect to the coil pattern.
前記基板と前記放熱器とを、前記基板の前記表面層における前記導体が存在しない領域でねじにより固定した、ことを特徴とする磁気デバイス。 The magnetic device according to claim 1 or 2,
The magnetic device, wherein the substrate and the radiator are fixed with screws in a region of the surface layer of the substrate where the conductor does not exist.
前記基板と前記放熱器との間に、伝熱性を有する絶縁シートを挟み込んだ、ことを特徴とする磁気デバイス。 The magnetic device according to any one of claims 1 to 3,
A magnetic device, wherein an insulating sheet having heat conductivity is sandwiched between the substrate and the radiator.
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