JP2018152448A

JP2018152448A - チョークコイル実装基板

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Publication number: JP2018152448A
Application number: JP2017047100A
Authority: JP
Inventors: 神園　隆司; Takashi Kamizono; 隆司神園
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-09-27
Also published as: CN108573801B; CN108573801A

Abstract

【課題】回路基板上にチョークコイルを含む複数の部品を高密度に実装可能にするとともに、浮遊容量に起因する高周波特性の劣化を抑制することができるチョークコイル実装基板を提供する。【解決手段】コイル状の導体部が埋め込まれた本体部１１、及び、本体部１１の長手方向の両端部を覆うようにそれぞれ設けられ、導体部の両端に電気的に接続された外部電極１２，１３を有するチョークコイル１０と、チョークコイル１０が実装される回路基板３０と、を含むチョークコイル実装基板１であって、長手方向が回路基板３０の基板面に対して垂直となる状態で、外部電極１２が回路基板３０に電気的に接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、チョークコイル実装基板に関し、特に、バイアスＴ用のチョークコイルが実装されたチョークコイル実装基板に関する。

近年、光通信の高速化及び大容量化が加速しており、１００Ｇｂｉｔ／ｓの光通信システムの導入が活発に進められている。さらには、次世代の４００Ｇｂｐｓ光通信システムの実用化に向けた研究開発も盛んに行われている。これらの光通信システムに採用される光送受信機や計測機器用の高周波回路にはバイアスＴ用途として、積層コイルなどのチョークコイルが多数用いられている（例えば、特許文献１参照）。チョークコイルは、直流を通過させ、周波数の高い交流（高周波）に対して高インピーダンスを示す特性を有している。

図８に示すように、チョークコイル４０は、高周波用チョークコイル（以下、「ＲＦＣ」という）５０などの他の部品と共に、回路基板６０に実装される。チョークコイル４０は、その長手方向が回路基板６０の基板面に対して平行となる状態で、一対の外部電極４２，４３が回路基板６０のランド電極６２ａ，６２ｂに電気的に接続される。符号６３は、はんだなどの接合剤である。なお以降では、図８に示した従来のチョークコイルの姿勢を「横置き姿勢」という。

特許第５７６８７８２号公報

しかしながら、近年、光通信システムに採用される高周波回路には小型化の要求が高まっており、従来の横置き姿勢のチョークコイルを使用した回路では、その要求に十分に応えられないという問題が生じてきている。

また、図９に示すように、従来の横置き姿勢のチョークコイルでは、回路基板のグランド面との間において浮遊容量が発生し、この浮遊容量に起因する共振がチョークコイルを含む回路全体の周波数特性を劣化させてしまうという問題もあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、回路基板上にチョークコイルを含む複数の部品を高密度に実装可能にするとともに、浮遊容量に起因する高周波特性の劣化を抑制することができるチョークコイル実装基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るチョークコイル実装基板は、コイル状の導体部が埋め込まれた本体部、及び、前記本体部の長手方向の両端部を覆うようにそれぞれ設けられ、前記導体部の両端に電気的に接続された第１及び第２の外部電極を有するチョークコイルと、前記チョークコイルが実装される回路基板と、を含むチョークコイル実装基板であって、前記長手方向が前記回路基板の基板面に対して垂直となる状態で、前記第１の外部電極が前記回路基板に電気的に接続されている構成である。

この構成により、本発明に係るチョークコイル実装基板は、回路基板上にチョークコイルを含む複数の部品を高密度に実装することができるとともに、チョークコイルと回路基板のグランド間の浮遊容量を減少させて、この浮遊容量に起因する高周波特性の劣化を抑制することができる。

また、本発明に係るチョークコイル実装基板においては、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の一面側に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体と、前記絶縁性基板の一面側で、前記コイル本体の最外端と最内端にパターン形成されたワイヤボンディング用の端子部と、前記絶縁性基板の一面側で、前記コイル本体の異なる周の導体間を等価的に抵抗成分で接続するようにパターン形成され、前記導体間の線間容量、浮遊容量に起因する共振を抑圧する抵抗体と、を有する高周波用チョークコイルが前記回路基板に実装されており、前記チョークコイルの前記第２の外部電極が、前記高周波用チョークコイルの最外端の前記端子部にワイヤボンディングにより電気的に接続されている構成であってもよい。

この構成により、本発明に係るチョークコイル実装基板は、ワイヤボンディングにより、チョークコイルと高周波用チョークコイルとを容易に電気的に接続することができる。

また、本発明に係るチョークコイル実装基板においては、前記チョークコイルが直方体形状であってもよい。

この構成により、本発明に係るチョークコイル実装基板は、市販で入手可能なチョークコイルを用いて構成することができる。

また、本発明に係るチョークコイル実装基板においては、前記チョークコイルの前記第２の外部電極の上面の高さと、前記高周波用チョークコイルの最外端の前記端子部の高さが等しい構成であってもよい。

この構成により、本発明に係るチョークコイル実装基板は、チョークコイルの第２の外部電極と、高周波用チョークコイルの最外端の端子部のボンディング面の高さが一致するため、ワイヤボンディングが更に容易になる。

本発明は、回路基板上にチョークコイルを含む複数の部品を高密度に実装可能にするとともに、浮遊容量に起因する高周波特性の劣化を抑制することができるチョークコイル実装基板を提供するものである。

本発明の一実施形態に係るチョークコイル実装基板に実装されるチョークコイルの構成を示す斜視図である。（ａ）はチョークコイルの軸心方向が長手方向に平行である構成を概念的に示す正面図であり、（ｂ）はチョークコイルの軸心方向が長手方向に垂直である構成を概念的に示す正面図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係るチョークコイル実装基板の構成を示す正面図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態に係るチョークコイル実装基板の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態に係るチョークコイル実装基板に実装されたチョークコイルの等価回路図である。縦置き姿勢のチョークコイルとＲＦＣを含む本発明の一実施形態に係るチョークコイル実装基板の特性と、横置き姿勢のチョークコイルとＲＦＣを含む従来のチョークコイル実装基板の特性を示すグラフである。（ａ）はＲＦＣの構造を示す平面図であり、（ｂ）はＲＦＣの構造を示す正面図である。ＲＦＣの等価回路図である。従来のチョークコイル実装基板の構成を示す正面図である。従来のチョークコイル実装基板に実装されたチョークコイルの等価回路図である。

以下、本発明に係るチョークコイル実装基板の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。

図１に示すように、本実施形態に係るチョークコイル実装基板に実装されるチョークコイル１０は、例えば周知の積層コイルであり、バイアスＴ回路用のコイルとして使用することができる。チョークコイル１０の長手方向の長さは１ｍｍ以下であり、長手方向と短手方向の長さの比、及び、長手方向と高さ方向の長さの比は、いずれも２：１程度である。

チョークコイル１０は、直方体形状の本体部１１と、本体部１１の長手方向の両端部を覆うようにそれぞれ設けられた第１及び第２の外部電極１２，１３を有する。本体部１１は、フェライトなどの磁性材料の内部に、銀（Ａｇ）などの金属を含むコイル状の導体部が埋め込まれた構造になっている。

図２に概念的に示すように、外部電極１２，１３は、それぞれコイル状の導体部１４の両端に電気的に接続されている。導体部１４の軸心方向は、図２（ａ）のように本体部１１の長手方向に平行であってもよく、図２（ｂ）のように長手方向に垂直であってもよい。

外部電極１２，１３は、銀などの金属を含む導体から成る。外部電極１２，１３の表面には、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）などのめっきが施されている。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のチョークコイル実装基板１は、チョークコイル１０と、高周波用チョークコイル（以下、「ＲＦＣ」という）２０と、チョークコイル１０及びＲＦＣ２０が実装される回路基板３０と、を含む。

ＲＦＣ２０は、チョークコイル１０の自己共振周波数よりも高い自己共振周波数を有する、例えばスパイラル型のコイルや円錐型の巻線コイルであり、バイアスＴ回路用のコイルとして使用することができる。ＲＦＣ２０とチョークコイル１０とが直列に接続されることにより、より広帯域なバイアスＴ回路用のコイルを構成することが可能である。

回路基板３０は、例えば、ＩＣパッケージ基板やプリント基板である。回路基板３０には、複数のチョークコイル１０とＲＦＣ２０の組や、他の部品３１が多数実装されている。

チョークコイル１０は、その長手方向が回路基板３０の基板面に対して垂直となる状態で、外部電極１２が回路基板３０のランド電極３２に電気的に接続される。なお以降では、図３に示したチョークコイル１０の姿勢を「縦置き姿勢」という。

チョークコイル１０を縦置き姿勢にすることにより、従来よりも回路基板３０上でのチョークコイルの実装面積が減少するため、回路基板３０上に多数の部品を高密度に実装することが可能になる。

外部電極１２は、はんだ又は接着剤などの接合剤３３により回路基板３０のランド電極３２に固定される。はんだとしては、例えば、金錫はんだ、錫銀銅はんだ、インジウムはんだ等を用いることができる。接着剤としては、導電性接着剤を用いることができる。

なお、本実施形態のチョークコイル実装基板１を更に他のプリント基板等に実装する際には、リフロー工程において２５０℃程度までチョークコイル実装基板１が加熱されることになる。この場合には、接合剤３３として融点が３００℃程度の金錫はんだを使用すれば、リフロー工程を経てもチョークコイル１０の設置位置や姿勢が変化することがないため好ましい。

ところで、図８に示した従来の横置き姿勢のチョークコイルでは、一対のランド電極６２ａ，６２ｂ上のはんだ量のバランスが悪い場合には、リフロー工程で外部電極４２，４３の一方がランド電極６２ａ，６２ｂから浮き上がってしまい、外部電極とランド電極の電気的な接続が確保されなくなるなどの問題があった。これに対して、本実施形態における縦置き姿勢のチョークコイル１０は、一対の外部電極のうち外部電極１２のみがランド電極３２に固定されるため、ランド電極３２から外部電極１２が浮き上がることがなく、外部電極とランド電極の電気的な接続が確保される。また、従来よりも、外部電極とランド電極の電気的な接続に関する工数を減らすことができる。

図３（ａ）に示すように、回路基板３０の基板面から離れた位置にある外部電極１３は、回路基板３０に実装されたＲＦＣ２０などの他の部品の電極にワイヤボンディングにより電気的に接続される。ワイヤボンディング用の金属ワイヤ３４としては、例えば、金ワイヤ、銀ワイヤ、銅ワイヤなどを用いることができる。

ところで、図８に示した従来の横置き姿勢のチョークコイル４０は、回路基板６０の基板面からの高さが比較的低い外部電極４２，４３のボンディング面に接着剤やはんだが付着してしまうことがあり、その付着した箇所にボンディングできなくなるという問題があった。これに対して、本実施形態における縦置き姿勢のチョークコイル１０であれば、ランド電極３２から十分に離れた外部電極１３の上面にまで接合剤３３が乗ることがないため、ボンディングに悪影響が及ぼされることがない。

図４はチョークコイル１０の等価回路図である。本実施形態における縦置き姿勢のチョークコイル１０は、図８に示した従来のチョークコイル４０と比較して、一対の外部電極１２，１３のうち外部電極１３が回路基板３０のグランド面から十分に離れることにより、チョークコイル１０と回路基板３０のグランド間の浮遊容量を減少させることができる。

図５は、ＲＦＣ２０と従来の横置き姿勢のチョークコイルが直列に接続されて成る広帯域チョークコイルの特性（破線）と、ＲＦＣ２０と本実施形態の縦置き姿勢のチョークコイル１０が直列に接続されて成る広帯域チョークコイルの特性（実線）のシミュレーション結果を示すものである。これらのシミュレーション結果は、５０Ωの伝送線路（例えばマイクロストリップ線路）の主線路導体とグランド導体の間に各広帯域チョークコイルを並列接続したときの伝送線路の入出力間の損失（Ｓ_２１）をそれぞれ示している。

チョークコイル１０が横置き姿勢の場合の１．３ＧＨｚ付近に見られる周波数特性の劣化は、チョークコイル１０が縦置き姿勢の場合には消失し、周波数特性が向上していることが分かる。これは、チョークコイル１０を縦置き姿勢にすることにより、チョークコイル１０とグランド間の浮遊容量による共振を抑圧することができたためである。このようにして、チョークコイル１０とＲＦＣ２０とで広帯域な特性が得られる。

以下、ＲＦＣ２０の構成の一例を説明する。ＲＦＣ２０は、数１０ＭＨｚから６０ＧＨｚ程度まで安定した高周波阻止特性を実現するためのものであり、図６（ａ）の平面図に示しているように、所定厚さで外形がほぼ正方形の絶縁性基板２１と、絶縁性基板２１の一面としての上面２１ａ側の中央に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体２５と、コイル本体２５の異なる周の導体間を等価的に抵抗成分で接続するようにパターン形成された抵抗体２６，２７とを有している。

絶縁性基板２１は、絶縁体で、誘電正接（損失）が小さく比誘電率が小さい（３に近い）材料、例えば石英ガラスやテフロン（登録商標）等で、１辺が０．８ｍｍ程度、厚さ０．２ｍｍ程度に形成され、その下面２１ｂ側の四隅には、図６（ｂ）の正面図に示すように、基板設置用の脚部２２が絶縁性基板２１の厚さと同じ程度の高さで突設されている。

このように、絶縁性基板２１の下面２１ｂ側に基板設置用の脚部２２を突設しているので、絶縁性基板２１の下面２１ｂ側と設置面の間に空気の層が形成され、コイル本体２５と設置面との間の浮遊容量を減少させることができ、浮遊容量による使用帯域内での共振をさらに効果的に防ぐことができる。

ここでは脚部２２が絶縁性基板２１と同一材料で形成されているものとするが、誘電正接（損失）が小さく比誘電率が小さい別の材料で脚部２２を形成してもよい。なお、脚部２２の位置は、コイル本体２５の磁束が集中する基板中央部を避けた位置に設けることが好ましく、理想的には浮遊容量を増加させないようにコイル本体２５と重ならない位置に設けることができれば最良である。

コイル本体２５の導体は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を材料とし、所定幅（例えば２５μｍ）、所定の隙間（例えば１５μｍ）で絶縁性基板２１の上面２１ａの中心部から外縁まで外形に沿った四角形の渦巻き状に所定周（例えば８周）形成されている。また、コイル本体２５の導体の最外端と最内端には、ワイヤボンディングによる接続を容易にするために幅と長さが広く形成された端子部２５ａ，２５ｂが設けられている。

図３に示したように、ＲＦＣ２０の最外端の端子部２５ａには、チョークコイル１０の外部電極１３をワイヤボンディングにより電気的に接続することが可能である。特に、チョークコイル１０の外部電極１３の上面の高さと、ＲＦＣ２０の最外端の端子部２５ａの高さが等しい構成、すなわちボンディング面の高さが等しい構成であれば、ワイヤボンディングが容易になるため好ましい。

そして、図６（ａ）に示すように、絶縁性基板２１の上面２１ａには、コイル本体２５の中心から絶縁性基板２１の１辺とその対辺に直交するように延びた線に沿ってパターン形成された抵抗体２６，２７が設けられている。抵抗体２６，２７は、例えば窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）等を材料とし、所定幅（例えば１５μｍ）、所定厚さ（例えば０．０１μｍ）で、コイル本体２５の異なる周の導体間を接続する長さにパターン形成されている。ここでは、抵抗体２６，２７は、コイル本体２５の外側の４本の隣り合う導体間を所定抵抗（数１００Ω）で接続している。この比較的低い抵抗でコイル本体２５の導体間を接続したことにより、導体のインダクタンスと線間容量や浮遊容量に起因する共振を抑圧することができ、ＲＦＣとして広帯域な特性が得られる。

図７は、このＲＦＣ２０の回路を等価的に示したものであり、コイル本体２５に複数のタップを設け、その間を抵抗体２６，２７の抵抗分Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で接続したものと言え、１周当りの導体長が短い部分より長い部分に集中的に抵抗分が接続されている。これは、１周当りの導体長が短い部分では線間容量や浮遊容量も少なくなりそれによる共振周波数が使用帯域を越えていてその影響を無視できるが、１周当りの導体長が長い部分では線間容量や浮遊容量も多くなりそれによる共振周波数が使用帯域内に入って無視できない影響が現れることを阻止するためである。

また、上記構造のＲＦＣ２０においては、絶縁性基板２１は、石英ガラス材で外形（横×縦）が０．８×０．７５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍである。コイル本体２５は、導体材料金（Ａｕ）、導体幅２５μｍ、導体間隙間１５μｍ、巻き数８周である。抵抗体２６，２７は、窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）を材料とし、幅１５μｍ、厚さ０．０１μｍで、コイル本体２５の導体４本分の幅２５μｍ×４とその４本の導体の間の隙間１５μｍ×３の合計１４５μｍの長さを持ち、コイル本体２５の外側４周分の各導体間を約２００Ωの抵抗で接続している。なお、抵抗体２６，２７単独では単位長さ当りの抵抗値は全長にわたって均一とするが、コイル本体２５の導体と重なった部分の抵抗値は導体により０Ωに近い低抵抗となり、導体と導体の間だけが２００Ωの抵抗値を持つことになる。

以上説明したように、本実施形態に係るチョークコイル実装基板１は、縦置き姿勢のチョークコイル１０が回路基板３０上に実装されることにより、回路基板３０上にチョークコイル１０を含む複数の部品を高密度に実装することができる。

また、本実施形態に係るチョークコイル実装基板１は、縦置き姿勢のチョークコイル１０が回路基板３０上に実装されることにより、チョークコイル１０と回路基板３０のグランド間の浮遊容量を減少させて、この浮遊容量に起因する高周波特性の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態に係るチョークコイル実装基板１は、ワイヤボンディングにより、チョークコイル１０とＲＦＣ２０とを容易に電気的に接続することができる。

また、本実施形態に係るチョークコイル実装基板１は、チョークコイル１０の外部電極１３と、ＲＦＣ２０の最外端の端子部２５ａのボンディング面の高さを一致させる構成とすれば、ワイヤボンディングが更に容易になる。

なお、チョークコイル１０の本体部１１、あるいは外部電極１２，１３を含めたチョークコイル１０全体の形状は、直方体形状に限定されるものではない。チョークコイル１０の本体部１１又はチョークコイル１０全体の形状は、「縦置き姿勢」を実現することが可能な形状であれば、例えば、円柱や四角柱などの柱体形状、円錐や角錐などの錐体形状、円錐台や角錐台などの錐台形状などでもよく、多面体形状や不定形形状であってもよい。

上記の不定形形状の場合には、チョークコイル１０は、回路基板３０の基板面に固定される平面を有していればよい。この場合、チョークコイル１０の長手方向は、基板面に固定される平面に対しての法線ベクトルの方向となる。

あるいは、回路基板３０の基板面に固定されるチョークコイル１０の面は３つ以上の曲面を組み合わせたものでもよい。この場合、各々の曲面の点を支点として「縦置き姿勢」を実現することができる。また、この場合、チョークコイル１０の長手方向はそれぞれの曲面の支点が形成する平面の法線ベクトルの方向となる。

１チョークコイル実装基板
１０チョークコイル
１１本体部
１２，１３外部電極
１４導体部
２０ＲＦＣ
２１絶縁性基板
２１ａ上面
２１ｂ下面
２５コイル本体
２５ａ，２５ｂ端子部
２６，２７抵抗体
３０回路基板

Claims

コイル状の導体部（１４）が埋め込まれた本体部（１１）、及び、前記本体部の長手方向の両端部を覆うようにそれぞれ設けられ、前記導体部の両端に電気的に接続された第１及び第２の外部電極（１２，１３）を有するチョークコイル（１０）と、
前記チョークコイルが実装される回路基板（３０）と、を含むチョークコイル実装基板（１）であって、
前記長手方向が前記回路基板の基板面に対して垂直となる状態で、前記第１の外部電極が前記回路基板に電気的に接続されていることを特徴とするチョークコイル実装基板。
絶縁性基板（２１）と、
前記絶縁性基板の一面（２１ａ）側に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体（２５）と、
前記絶縁性基板の一面側で、前記コイル本体の最外端と最内端にパターン形成されたワイヤボンディング用の端子部（２５ａ，２５ｂ）と、
前記絶縁性基板の一面側で、前記コイル本体の異なる周の導体間を等価的に抵抗成分で接続するようにパターン形成され、前記導体間の線間容量、浮遊容量に起因する共振を抑圧する抵抗体（２６，２７）と、を有する高周波用チョークコイル（２０）が前記回路基板に実装されており、
前記チョークコイルの前記第２の外部電極が、前記高周波用チョークコイルの最外端の前記端子部にワイヤボンディングにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル実装基板。
前記チョークコイルが直方体形状であることを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル実装基板。
前記チョークコイルが直方体形状であることを特徴とする請求項２に記載のチョークコイル実装基板。
前記チョークコイルの前記第２の外部電極の上面の高さと、前記高周波用チョークコイルの最外端の前記端子部の高さが等しいことを特徴とする請求項２又は請求項４に記載のチョークコイル実装基板。