JP3194546B2 - 積層トランス - Google Patents

積層トランス

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弘 末永
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真一 米澤
晃 井本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、積層トランスに関し、
特に、電子機器、電子装置に使用される、多層回路技術
を用いた積層トランスに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器、電子装置に使用される
電子部品は小型化、高性能化、低価格化の要求が強くな
っている。特に、電子機器のスイッチング電源等の回路
部に使用されるトランスは、使用される部品の中では比
較的大型の部品であり、電源部の小型化、薄型化を達成
するために、このトランスの小型化、表面実装化が求め
られている。
【0003】電子機器に用いられる従来のトランスは、
一般にボビンに銅巻線を巻回し、E型のフェライトコア
をボビンに挿入したものが用いられてきた。このような
従来のトランスでは、表面実装可能とするために、底面
に端子電極を形成した基板にコイル本体を接合してお
り、小型化、高密度化するのは極めて困難である。そこ
で、実開平1−100471号公報及び実開昭61−1
17269号公報等には、多層プリント配線板のそれぞ
れにパターンコイルを形成することが示されている。こ
れらの多層プリント配線板を用いた積層トランスでは、
トランスの薄型化が実現できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来装置では、多層プ
リント配線板を用いて積層トランスを形成しているが、
多層プリント配線板は、一般に、エポキシ樹脂、フェノ
ール樹脂等の有機材料から構成されている。このような
有機材料は、熱的信頼性が不充分であり、特に温度上昇
を招くトランスとして使用するには望ましくない。
【0005】また、従来の積層トランスでは、パターン
コイルを形成する導体ペーストとして、Ag−Pd等の
貴金属導体ペーストや、Ni等の卑金属導体ペーストを
用いている。これらの導体ペーストでは、Ag−Pdの
場合、シート抵抗値は25mΩ/□程度であり、また、
Ni等では55mΩ/□程度であり、この部分で発生す
るジュール熱が大きくなってしまう。このため、トラン
スとして電力損失が大きくなり、電力変換効率の低下を
招き、さらには周辺の回路素子に悪影響を及ぼす。そこ
で、Ag系、Cu系の導体ペーストを用いることも考え
られるが、通常これらのシート抵抗値は10〜3mΩ/
□程度であり、充分に電力損失を抑えることができな
い。
【0006】本発明の目的は、低背化を実現するととも
に、熱的信頼性が高く、かつ低損失を図ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る積層トラン
スは、主面に導電性ペーストによるパターンコイルが形
成された絶縁性シートを複数積層してなる絶縁性基板を
有している。前記絶縁性シートはセラミック材料及びガ
ラスフリットを含む。前記導電性ペーストは前記絶縁性
シートのガラスフリット焼結開始温度よりも低い屈伏点
を有するガラスフリットを含んでいる。前記絶縁性シー
トと前記導電性ペーストは一体焼成されて前記絶縁性基
板が形成されている。そして、前記導電性ペーストはA
g、Cu、Auの少なくとも1種以上の導電性金属材料を主
成分とし、前記パターンコイルのシート抵抗値が3.0m
Ω/□以下となるように、ガラスフリットが5〜10重
量%添加されている。
【0008】
【作用】本発明に係る積層トランスでは、絶縁性基板を
構成するシートはセラミック材料で形成されており、こ
のため、放熱性に優れ、熱的信頼性が向上する。また、
導体ペーストは、絶縁性シートとの間の熱変形を考慮し
てガラスフリットを添加するのが望ましいが、これを1
0重量%以下に制限することにより、Ag、Cu、Auの少な
くとも1種以上の導電性金属材料を主成分とした導電性
ペーストのシート抵抗値は3.0mΩ/□以下となる。
このため、基板の反りや収縮ばらつきを抑えつつ、ジュ
ール熱の発生、電力損失を抑えることができる。
【0009】
【実施例】図1は本発明の一実施例としての積層トラン
スの外観斜視図であり、図2は図1の拡大断面図であ
る。これらの図において、積層トランス1は、絶縁性の
多層基板2と、磁性体部材3とから構成されている。
【0010】多層基板2は、4枚のガラスフリット製グ
リーンシート2a,2b,2c,2dを積層して一体焼
成して得られるものであり、中央部に貫通孔4を有して
いる。第1シート2aの表面には、表面端子電極5a,
5bが形成されている。また、第2シート2bの表面に
は、1次パターンコイル6aが3ターン(3周分)形成
されており、最外周部分はビアホール導体7aを介して
表面端子電極5aに接続されている。さらに、第3シー
ト2cの表面には、1次パターンコイル6bが3ターン
形成されている。この1次パターンコイル6bの最内周
部分はビアホール導体7bを介して上層の1次パターン
コイル6aの最内周部分に接続されており、最外周部分
はビアホール導体7cを介して表面端子電極5bに接続
されている。また、第4シート2dの表面には、2次パ
ターンコイル8が3ターン形成されており、裏面には表
面端子電極5c,5dが形成されている。2次パターン
コイル8の最外周部分はビアホール導体7dを介して表
面端子電極5cに接続されており、最内周部分はビアホ
ール導体7eを介して表面端子電極5dに接続されてい
る。
【0011】各グリーンシート2a〜2dを構成するガ
ラスフリットは、例えばMgO−Al2 O3−SiO2等
を主成分とし、セラミック材料が含まれている。セラミ
ック材料としては、例えばアルミナ、ムライト、コージ
ェライト等の無機フィラーが用いられる。このセラミッ
ク材料は、単独で添加されても良いし、2種以上混合し
て添加されても良い。なお、セラミック材料はガラスフ
リットに対し、通常10〜45重量%程度添加される。
ガラスフリット製グリーンシートは、上述のガラスフリ
ットと、セラミック材料と、有機バインダー(例えばア
クリル系樹脂)と、有機溶剤(例えばトルエン)と、可
塑剤(例えばジブチルフタレート)とを混練して得られ
たペーストを、例えばドクターブレード法によりシート
化することにより得られる。
【0012】また、パターンコイル6a,6b,8は、
グリーンシート2b〜2d上に、導体ペーストを用いて
スクリーン印刷法により形成される。パターンコイルを
形成する導体ペーストは、導電性金属材料と、ガラスフ
リットと、有機ビヒクルとにより構成されている。導電
性金属材料は、例えばAg,Au,Cu等が用いられ
る。また、ガラスフリットは、グリーンシート2a〜2
dを構成するガラスフリットと異なる例えばB2O3−S
iO2−CaO−Al2O3等を主成分としたものが用い
られる。すなわち、B2O3−SiO2−CaO−Al2O
3等のホウ珪酸アルカリ土類金属塩のガラスフリットを
用いることにより、焼結工程において粘性流動しやす
く、また屈伏点が700℃〜850℃になるように設定
されている。また、有機ビヒクルとしては、例えば、エ
チルセルロースと2,2,4−トリメチル−1,3ペン
タンジオールモノイソブチレートとを混合して得られ
る。
【0013】ここで、コイル及びトランスの低損失化を
達成するためには、パターンコイルの導体抵抗値を小さ
くする必要があり、導体ペーストに使用される導電性金
属材料は比抵抗値の小さいAgを用いることが望まし
い。また、導体ペーストには、主成分とする導電性金属
材料の他に、グリーンシートとの焼結収縮挙動を整合す
る目的からガラスフリットを適正量添加する必要があ
る。このガラスフリットの添加により、焼成後の基板の
反りを抑制し、さらに基板収縮のばらつきを安定化させ
ることができる。しかし、ガラスフリットの添加は、パ
ターンコイルの導体抵抗値低減には逆効果となる。
【0014】そこで、導体ペーストに添加するガラスフ
リットは、導電性金属材料の10重量%以下とする。1
0重量%以上では、Ag本来の良好な導電性が損なわ
れ、パターンコイルの導体抵抗値が高くなり、シート抵
抗値3.0mΩ/□が達成できなくなり、コイルのQ値
の低下を招く。また、コイルの相互誘導現象を利用する
トランスでは、電流が流れることによりジュール熱の発
生が大きく、電力損失を増加させることになり、変換効
率の低下、基板温度上昇を引き起こし、周辺回路素子へ
熱的悪影響を与える。ただし、基板の反り及び基板収縮
のばらつき等を考慮すると、実用上ガラスフリットは5
重量%以上の添加量が必要となり、さらにこのガラスフ
リットは導電性金属材料粉末の焼結挙動を考慮した屈伏
点のものを使用しなければならず、その屈伏点はグリー
ンシート2a〜2dのガラスフリットの焼結開始温度よ
りも低いものでなければならない。例えば、Ag粉末の
場合、ガラスフリットの屈伏点は700℃〜850℃の
ものが用いられる。屈伏点が700℃以下では、ガラス
流動が速くなり、導電性金属粉末同志が引き寄せられて
焼結が促進され、その結果、導電性金属材料が過焼結状
態となり、基板の反り、収縮ばらつきを発生させる。逆
に屈伏点が850℃以上では、ガラスフリットの軟化流
動性が悪くなり、導電性金属材料が均一な焼結挙動をと
らないため、基板の反り、基板収縮ばらつきを発生させ
る。
【0015】上述の導電性金属材料粉末及びガラスフリ
ットの平均粒径は10μm以下のものが好ましく、平均
粒径が10μmを越えると、例えばパターンコイルをス
クリーン印刷する際にスクリーンが目詰まりする恐れが
ある。また、ガラスフリットについては、平均粒径が1
0μmを越えると、導電性金属材料粉末との分散状態が
悪くなり、均一な焼結挙動を示さなくなり、基板の反
り、基板収縮ばらつきを発生させる。
【0016】ビアホール導体7a〜7eに用いられる導
体ペーストは、絶縁基板となるグリーンシートの焼成時
の熱膨張係数に近接させるため、パターンコイルを形成
する導体ペーストに添加されるガラスフリットと異なる
低熱膨張性のガラスフリットが添加されている。このビ
アホール用導体ペーストは、グリーンシートにパンチン
グ加工して形成された直径0.1〜0.3mmのスルー
ホールに、例えば印刷手法を用いて充填される。
【0017】このようにして得られた多層基板2に、例
えばドリルを用いてフェライトコア挿入用の貫通孔4を
形成し、800℃〜1050℃のピーク温度で一体化焼
成し、E型フェライトコアを挿入装着することにより、
小型で低背化された積層トランスが得られる。また、表
面端子電極5a〜5dは、シート表面にAg系、Cu系
の導体ペーストを用いて、スクリーン印刷法で所定のパ
ターンを印刷し、焼き付けることによって形成される。
なお、この端子電極を用いてプリント回路基板に表面実
装されることになるが、はんだによる食われを防止する
ために、端子電極の表面にNiメッキ、はんだメッキ,
Snメッキを施しても良い。
【0018】実験例 ここで、コイルの低損失化及びトランスとしての高電力
変換効率化を確認するために、以下のような試験を行っ
た。前記実施例で述べたグリーンシート(グリーンシー
トに添加したガラスフリットの焼結開始温度約780
℃)を用い、パターンコイルを形成する導体ペースト
は、Ag粉末と、ガラスフリットと、エチルセルロース
と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオー
ルモノイソブチレートとを、3本ロールミルを用いて混
練して得た。ガラスフリットは、B2O3−SiO2−C
aO−Al2O3等を主成分とし、屈伏点が720℃のも
のを用いた。なお、ガラスフリットの添加量について
は、表1に示す通りに設定した。
【0019】
【表1】
【0020】得られた導体ペーストを上述のグリーンシ
ートに所定のパターンコイルで印刷し、電気的に独立し
た2つのパターンコイルが形成されるよう、このグリー
ンシートを4枚積層して、フェライトコア挿入用貫通孔
をドリルを用いて形成し、ピーク温度900℃で30分
間焼成し、E型フェライトコアを挿入装着して積層型ト
ランスを得た。得られた積層型トランスのパターンコイ
ルの導体抵抗値を調べ、シート抵抗値を求めた。さら
に、得られた積層型トランスをDC−DCコンバータに
搭載し、電力変換効率を調べた。
【0021】シート抵抗値 4端子法(ホイートストンブリッジを用いた抵抗値測定
方法)により導体抵抗値を測定し、シート抵抗値を求め
た。 電力変換効率 DC−DCコンバータに搭載し、下記式により電力変換
効率を求めた。
【0022】電力変換効率=(出力電力)×100/
(入力電力) % 本実験結果により、表1に示すように、ガラスフリット
添加量を5〜10重量%とすることで、シート抵抗値
3.0mΩ/□以下となる。また、図3のように、ガラ
ス添加量5〜10重量%のとき、電力変換効率70%以
上が得られた。電力変換効率が70%以下では、例えば
電子機器、電子装置等の電源回路部に使用した場合、そ
れらの低消費電力化に貢献することが困難となる。ガラ
スフリット添加量が5重量%以下の場合、基板の反り、
基板収縮ばらつきが実用上許容範囲外となったため、今
回の試験結果からは省略した。
【0023】なお、本実施例の積層トランスを多層回路
基板に組み込むこともできる。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、導電性
ペーストは、Ag、Cu、Auの少なくとも1種以上の導電性
金属材料を主成分とし、パターンコイルのシート抵抗値
が3.0/□以下となるように絶縁性シートのガラスフ
リットと異なるガラスフリットが10重量%以下添加さ
れているので、基板の反りや収縮ばらつきを抑えつつ、
熱的信頼性が高く、低損失のコイルを実現でき、トラン
スの電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による積層トランスの外観斜
視図。
【図2】図1の拡大断面図。
【図3】本実施例に基づく実験例によるガラス添加量と
電力変換効率との関係を示す図。
【符号の説明】
1 積層トランス 2 多層基板 2a〜2d グリーンシート 6a,6b,8 パターンコイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 康行 鹿児島県国分市山下町1−1 京セラ株 式会社 鹿児島国分工場内 (72)発明者 米澤 真一 鹿児島県国分市山下町1−1 京セラ株 式会社 鹿児島国分工場内 (72)発明者 井本 晃 鹿児島県国分市山下町1−1 京セラ株 式会社 鹿児島国分工場内 (72)発明者 横手 伸行 埼玉県飯能市南町10番13号 新電元工業 株式会社工場内 (72)発明者 比留間 義明 埼玉県飯能市南町10番13号 新電元工業 株式会社工場内 (56)参考文献 特開 平4−355902(JP,A) 特開 昭57−53916(JP,A) 特開 平4−84494(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 17/00,41/04 H05K 3/46

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主面に導電性ペーストによるパターンコイ
    ルが形成された絶縁性シートを複数積層してなる絶縁性
    基板を有し、前記絶縁性シートはセラミック材料及びガ
    ラスフリットを含み、前記導電性ペーストは前記絶縁性
    シートのガラスフリット焼結開始温度よりも低い屈伏点
    を有するガラスフリットを含んでおり、かつ前記絶縁性
    シートと前記導電性ペーストが一体焼成して前記絶縁性
    基板が形成されている積層トランスにおいて、 前記導電性ペーストはAg、Cu、Auの少なくとも1種以上
    の導電性金属材料を主成分とし、前記パターンコイルの
    シート抵抗値が3.0mΩ/□以下となるように、ガラス
    フリットが5〜10重量%添加されている、積層トラン
    ス。
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JP2019021876A (ja) 2017-07-21 2019-02-07 日本特殊陶業株式会社 配線基板、プレーナトランス、及び配線基板の製造方法
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