JP4429051B2

JP4429051B2 - コイル内蔵ガラスセラミック基板

Info

Publication number: JP4429051B2
Application number: JP2004076096A
Authority: JP
Inventors: 光太池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005268391A

Description

本発明は、ガラスセラミックス焼結体から成る絶縁基体の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部にコイル用導体が埋設されたインダクタンス値を上げるためのフェライト層が設けられたコイル内蔵ガラスセラミック基板に関する。

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（インダクタンスおよびキャパシタンスから成るフィルタ）が知られている。このＬＣフィルタの場合、従来チップ部品のコイルを用いていたのをガラスセラミック基板内部にコイルを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。

しかしながら、コイル内蔵ガラスセラミック基板では、サイズの制約上１００ｎＨを超えるコイルの内蔵は困難であった。そこで、近年ではガラスセラミック基板内部にフェライト層を内蔵させることにより１００ｎＨを超えるコイルを内蔵することができ、これによりチップコイルの表面実装工程の簡略化およびコイル内蔵ガラスセラミック基板の小型化が図られている。

例えば、携帯電話機に使用されるフェライト層を内蔵したコイル内蔵ガラスセラミック基板は、一般に、図３に断面図で示すように、複数のガラスセラミック絶縁層から成る絶縁基体１１の内部に、コイル用導体１３と、コイル用導体１３の上下面を覆うとともにガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層１２と、フェライト層１２の上下面にコイル用導体１３に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層１４によって形成されている。

このようなコイル内蔵ガラスセラミック基板においては、今後さらに小型化、薄型化、高機能化を行なっていくためには、内部にフェライト層１２を設けたコイル内蔵ガラスセラミック基板の上面や下面に半導体チップやチップ部品を表面実装する必要がある。そして、コイル用導体１３の上下の接地導体層１４によって、コイル用導体１３に発生する電気力線がコイル内蔵ガラスセラミック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なく、その結果、コイル内蔵ガラスセラミック基板に形成された回路の誤動作を防ぐことができる。

また、フェライト層を内蔵したコイル内蔵ガラスセラミック基板では、コイル用導体に発生する電気力線がコイル用導体１３の上下の接地導体層１４間に閉じ込められて磁束が安定することから、磁束の乱れによって生じるフェライト層１２の磁気飽和が起きにくくなるため、大きな電流を流した際の重畳特性の低下を防ぐことができる。
特開平４−１９９８０４号公報特開平６−３１０３３３号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、コイル用導体１３は電流を流すことで、コイル用導体１３間から発生する磁束の漏れにより磁気飽和が起きやすくなり、重畳特性などの電気特性が劣化する。

このような現象に対して、特許文献１，２等には、低透磁率領域により漏れ磁束を低減して飽和磁束密度を高くし、より高い電流を流せるように改善させる方法が開示されているが、スクリーン印刷などの印刷法で形成する場合、印刷ずれなどにより所望の位置に低透磁率領域を印刷することができず、満足した電気特性が得られないことがある。

本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、コイル用導体間から発生する磁束の漏れを低減することで、高い重畳特性を得ることができるコイル内蔵ガラスセラミック基板を提供することにある。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板は、複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、前記ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、該フェライト層の上下面に前記複数層のコイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、前記複数層のコイル用導体は同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるとともに厚み方向の間隔が０．１ｍｍ以下とされて電気的に並列に接続されて成り、前記コイル用導体間のフェライト層の透磁率は前記コイル用導体と前記接地導体層との間のフェライト層の透磁率よりも小さいことを特徴とする。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板によれば、複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、フェライト層の上下面に複数層のコイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、複数層のコイル用導体は同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるとともに厚み方向の間隔が０．１ｍｍ以下とされて電気的に並列に接続されて成り、前記コイル用導体間のフェライト層の透磁率は前記コイル用導体と前記接地導体層との間のフェライト層の透磁率よりも小さいことから、コイル用導体に流れる電流を減少させることができるとともに、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるコイル用導体間で磁束を打ち消し合うため、複数層のコイル用導体間に発生する漏れ磁束を低減することができることから、電流を負荷した際の磁気飽和が起きにくくなり高い重畳特性を得ることができる。

また、コイル用導体は、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なり、電気的に並列に接続されていることから、直流抵抗を大きく低減させることができるので、電流を負荷した際の直流抵抗による損失を大幅に低減することができる。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板を図面に基づいて以下に詳細に説明する。図１は本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は複数のガラスセラミック絶縁層から成る絶縁基体、２はフェライト層、３ａ，３ｂはコイル用導体、４はコイル用導体３ａ，３ｂの上下に設けられた接地導体層、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はコイル内蔵ガラスセラミック基板を外部電気回路（図示せず）に電気的に接続するための電極パッドである。

複数のガラスセラミック絶縁層を積層して成る絶縁基体１は、まず、ガラス粉末およびフィラー粉末（セラミック粉末）、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、このスラリーを用いて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ガラスセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を製作し、この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で８００〜１１００℃の温度で焼成することによって作製される。

上記のガラス粉末としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なっていて、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

また、フィラー粉末としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物や、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等を用いることができる。

このフェライト層２は、内部にコイル用導体３ａ，３ｂが埋設された状態で絶縁基体１の内部に形成されており、９９質量％以上のフェライトおよび１質量％以下のガラスから成り、フェライトとしては、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４，ＭｎＦｅ_２Ｏ_４，ＦｅＦｅ_２Ｏ_４，ＣｏＦｅ_２Ｏ_４，ＮｉＦｅ_２Ｏ_４，ＢａＦｅ_１２Ｏ_４，ＳｒＦｅ_１２Ｏ_４，ＣｕＦｅ_２Ｏ_４のうちの少なくとも１種のフェライトを用いることが、より高い透磁率を得られる点で好ましい。

また、コイル用導体３ａ，３ｂ間のフェライト層２と、コイル用導体３ａ，３ｂと接地導体層４との間のフェライト層２とで、それらの透磁率を異なるようにしてもよい。例えば、コイル用導体３ａ，３ｂ間のフェライト層２の透磁率が、コイル用導体３ａ，３ｂと接地導体層４との間のフェライト層２の透磁率よりも小さくなるようにしてもよい。この場合、コイル用導体３ａ，３ｂ間で磁束の方向が異なり打ち消しあうため、フェライト層２の透磁率を低くすることで、磁束の打ち消しあう力を弱めることができるので、重畳特性を向上できるという利点がある。

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、このスラリーを用いて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、フェライトグリーンシートを、コイル用導体３ａ，３ｂを覆うものとしてガラスセラミックグリーンシートと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の積層体の内部に、フェライトグリーンシートの間にコイル用導体３ａ，３ｂとなる導体パターンを形成して、コイル用導体３ａ，３ｂの上下を覆うようにして積層する。

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フェライト粉末は、仮焼済みのフェライト粉末で、粒径が均一で球形状に近いものがよい。これは、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に部分的に小さい粒径のものが存在した場合、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。

フェライト層２は、１重量％以下のガラスを含んで成るものでもよい。ただし、この１重量％以下のガラスは焼成時にガラスセラミック絶縁層から拡散して混入することがあり、焼成前のフェライトグリーンシートには含まれない場合がある。

メタライズ配線層から成るコイル用導体３ａ，３ｂ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フェライトグリーンシートの表面に塗布し、ガラス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ることでフェライト層２に埋設され、形成される。

コイル用導体３ａ，３ｂは一対を成す同形状の導体パターンであり、ビアホールもしくはキャスタレーション導体などで縦方向に並列に電気的に導通されている。

コイル用導体３ａとコイル用導体３ｂとは、厚み方向に間隔が確保されており、その間隔が０．１ｍｍ以下で形成されている。０．１ｍｍを超えて形成すると、厚み方向のコイル用導体３ａ，３ｂの間で打ち消しあう磁束が少なくなるため、漏れ磁束が発生しやすくなり、電流を負荷した際の重畳特性が劣化してしまう。

また、コイル用導体３ａ，３ｂは、同形状の一対の導体パターンが平面視で重なり、電気的に並列に接続されていることから、直流抵抗を大きく低減することができるので、電流を負荷した際の直流抵抗による損失を大幅に低減することができる。

本発明においてコイル用導体３ａ，３ｂは１対の導体パターンで形成されているが、所望のインダクタンスの値によっては同様の構造で２対以上形成してもよい。

メタライズ層から成る電子部品の搭載用電極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ガラス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。この搭載用電極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ガラス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（図示せず）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。

本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板において、接地導体層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に対向するようにそれぞれ形成されている。メタライズ層から成る接地導体層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ガラス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、ガラス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。

このような本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性の例を、図２に線図（グラフ）で示す。図２において、横軸は電流（単位：ｍＡ）を、縦軸はインダクタンス（単位：μＨ）を表し、実線の直線は一般に携帯電話機の電源用回路で使用されるインダクタンス規格値２μＨを、破線の特性曲線は図３に示す構成の従来のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を、実線の特性曲線は本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を示している。

この場合、本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板は、以下のような構成である。絶縁基体１は、１層が５０μｍ厚みの誘電体から成るガラスセラミック絶縁層が２層積層されて成る。絶縁基体１の内部には、ガラスセラミック絶縁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３ａ，３ｂが埋設された、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさの透磁率５００（Ｈ／ｍ）でＮｉＦｅ_２Ｏ_４とＺｎＦｅ_２Ｏ_４とから成るＮｉ−Ｚｎ系フェライトから成る厚み４００μｍのフェライト層２が図１のような構成で内蔵されている。また、フェライト層２の上下面には、コイル用導体３ａ，３ｂ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の接地導体層４が設けられている。そして、コイル用導体３ａとコイル用導体３ｂとの厚み方向の間隔は０．０５ｍｍである。

図２より、一般に携帯電話機の電源用回路で使用される最大電流である３００ｍＡでのインダクタンス値が、規格値である２μＨ以上を十分に満たすことが可能であり、本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板によれば、コイル用導体３ａとコイル用導体３ｂとの間で発生する磁束の漏れがフェライト層２により生じにくく、磁気飽和が起きにくくなる結果、高い重畳特性が得られる。

本発明のコイル内蔵ガラス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。本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板における内蔵コイルの重畳特性を示すグラフである。従来のコイル内蔵ガラス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
３ａ，３ｂ・・・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

複数のガラスセラミック絶縁層が積層されて成る絶縁基体の内部に、前記ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部に複数層のコイル用導体が埋設された、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層と、該フェライト層の上下面に前記複数層のコイル用導体に対向するようにそれぞれ形成された接地導体層とが設けられており、前記複数層のコイル用導体は同形状の一対の導体パターンが平面視で重なるとともに厚み方向の間隔が０．１ｍｍ以下とされて電気的に並列に接続されて成り、前記コイル用導体間のフェライト層の透磁率は前記コイル用導体と前記接地導体層との間のフェライト層の透磁率よりも小さいことを特徴とするコイル内蔵ガラスセラミック基板。