JP4475965B2 - Glass ceramic substrate with built-in coil - Google Patents
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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。 According to the present invention, a ferrite layer for increasing an inductance value is provided in which an insulating base made of a sintered glass ceramic body is formed by simultaneous firing with a glass ceramic insulating layer and a coil conductor is embedded therein. The present invention relates to a glass ceramic substrate with a built-in coil.
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の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。 2. Description of the Related Art Conventionally, many electronic devices are incorporated in electronic devices such as mobile communication devices such as mobile phones. Such communication devices such as mobile phones have been rapidly reduced in size in recent years, and various electronic devices mounted thereon are required to be reduced in size and thickness. For example, an LC filter (a filter composed of an inductance and a capacitance) having a configuration in which a coil is built in a glass ceramic substrate is known. In the case of this LC filter, there is an advantage that it can be reduced in size and thickness by incorporating the coil of the chip component in the glass ceramic substrate.
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の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。 However, in the glass ceramic substrate with a built-in coil, it is difficult to incorporate a coil exceeding 100 nH due to size restrictions. Therefore, in recent years, it is possible to incorporate a coil exceeding 100 nH by incorporating a ferrite layer in the glass ceramic substrate, thereby simplifying the surface mounting process of the chip coil and reducing the size of the glass ceramic substrate with a built-in coil. It has been.
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。 For example, a coil-embedded glass ceramic substrate with a built-in ferrite layer used in a mobile phone is generally provided with a coil conductor inside an insulating substrate 11 composed of a plurality of glass ceramic insulating layers, as shown in a sectional view in FIG. 13, a ferrite layer 12 covering the upper and lower surfaces of the coil conductor 13 and having the same size as the glass ceramic insulating layer, and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer 12 so as to face the coil conductor 13. 14.
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。 In such a glass-ceramic substrate with a built-in coil, in order to further reduce the size, thickness, and functionality in the future, a semiconductor chip is formed on the upper and lower surfaces of the glass-ceramic substrate with a built-in coil provided with a ferrite layer 12 therein. And chip parts need to be surface mounted. Then, due to the ground conductor layers 14 above and below the coil conductor 13, the electric lines of force generated in the coil conductor 13 have an electrical influence on the semiconductor chips and chip components mounted on the upper and lower surfaces of the coil-embedded glass ceramic substrate. As a result, malfunction of the circuit formed on the glass ceramic substrate with a built-in coil can be prevented.
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の上下の接地導体層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。
しかしながら、コイル用導体は電流を流すことで、コイル用導体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、重畳特性といった電気特性が劣化する。 However, when a current flows through the coil conductor, magnetic saturation is likely to occur due to leakage of magnetic flux generated between the coil conductors, and electrical characteristics such as superposition characteristics deteriorate.
このような現象に対して特開平4−199804号公報や特開平6−310333号公報等の低透磁率領域により漏れ磁束を低減して電気特性を改善させる方法は取られているが、スクリーン印刷などの印刷にて形成する場合、印刷ずれなどにより所望の位置に低透磁率の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。 For such a phenomenon, a method of reducing leakage magnetic flux and improving electric characteristics by using a low magnetic permeability region such as JP-A-4-199804 and JP-A-6-310333 has been adopted. In the case of forming by printing or the like, a low magnetic permeability region cannot be printed at a desired position due to printing misalignment or the like, and satisfactory electrical characteristics may not be obtained.
本発明は以上のような従来の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、各コイル用導体に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。 The present invention has been completed in view of the problems in the conventional technology as described above, and its purpose is to obtain high superposition characteristics by reducing leakage of magnetic flux generated in each coil conductor. An object of the present invention is to provide a glass ceramic substrate with a built-in coil.
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、前記コイル用導体は前記フェライト層よりも透磁率が低い低透磁率層に埋設されることによって覆われており、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ものである。 The glass-ceramic substrate with a built-in coil according to the present invention is formed in the insulating substrate formed by laminating a plurality of glass ceramic insulating layers, and is fired simultaneously with the glass ceramic insulating layer, and a plurality of layers of coil conductors are formed therein. A buried ferrite layer having the same size as the glass ceramic insulating layer, and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer so as to face the coil conductor, The conductor is covered by being embedded in a low permeability layer having a lower permeability than the ferrite layer, and the permeability of the ferrite layer between the coil conductors is determined between the coil conductor and the ground conductor layer. It is characterized by being smaller than the magnetic permeability of the ferrite layer in between.
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、コイル用導体はフェライト層よりも透磁率が低い低透磁率層に埋設されることによって覆われており、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、各コイル用導体で発生した磁束が各コイル用導体間の間隙部から外部へ漏洩しにくくなる。すなわち、漏れ磁束が低減して磁束がコイル全体の端から端までコイル内を貫通しやすくなり、電流を負荷した際の磁気飽和が起きにくくなり、高い重畳特性が得られる。 According to the glass-ceramic substrate with a built-in coil of the present invention, a plurality of coil conductors are formed inside an insulating substrate formed by laminating a plurality of glass ceramic insulating layers and simultaneously fired with the glass ceramic insulating layer. Embedded in a ferrite layer having the same size as the glass ceramic insulating layer, and a ground conductor layer formed on the upper and lower surfaces of the ferrite layer so as to face the coil conductor, respectively. Covered by being embedded in a low permeability layer having a lower permeability than the ferrite layer, the permeability of the ferrite layer between the coil conductors is the ferrite layer between the coil conductor and the ground conductor layer Therefore, the magnetic flux generated in each coil conductor is less likely to leak to the outside from the gap between the coil conductors. That is, the leakage magnetic flux is reduced, and the magnetic flux easily penetrates through the coil from end to end of the entire coil, so that magnetic saturation is difficult to occur when a current is applied, and high superposition characteristics are obtained.
また、低透磁率層はコイル用導体上の略全面にスクリーン印刷等の印刷にて形成されるため複雑な加工が不要である。さらに印刷ずれなどによる特性変動はなくなり、安定した電気特性が得られる。 Further, since the low magnetic permeability layer is formed on substantially the entire surface of the coil conductor by printing such as screen printing, complicated processing is unnecessary. Furthermore, characteristic fluctuations due to printing misalignment are eliminated, and stable electrical characteristics can be obtained.
本発明のコイル内蔵ガラスセラミック基板(以下、基板ともいう)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、3はコイル用導体、4はコイル用導体3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は基板を外部電気回路に電気的に接続するための電極パッド、7は低透磁率層である。
The coil-embedded glass ceramic substrate (hereinafter also referred to as a substrate) of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a substrate of the present invention, wherein 1 is an insulating substrate composed of a plurality of glass ceramic insulating layers, 2 is a ferrite layer, 3 is a coil conductor, and 4 is a
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。
The
上記のガラス粉末としては、例えばSiO2−B2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3−MO系(但し、MはCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は同じまたは異なっていて、Ca,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は上記と同じである),SiO2−B2O3−M3 2O系(但し、M3はLi,NaまたはKを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O系(但し、M3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。 Examples of the glass powder include SiO 2 —B 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 system, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —MO system (M Represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO 2 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (where M 1 and M 2 are the same or different, and Ca, Sr, Mg , Ba or Zn), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (where M 1 and M 2 are the same as above), SiO 2 —B 2 O 3 —M 3 2 O system (where M 3 represents Li, Na or K), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —M 3 2 O system (where M 3 is the same as above) Pb glass, Bi glass, etc. can be used.
また、フィラー粉末としては、例えばAl2O3,SiO2,ZrO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物や、TiO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物,Al2O3およびSiO2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。 Examples of the filler powder include Al 2 O 3 , SiO 2 , a composite oxide of ZrO 2 and an alkaline earth metal oxide, a composite oxide of TiO 2 and an alkaline earth metal oxide, and Al 2 O. A composite oxide (for example, spinel, mullite, cordierite) containing at least one selected from 3 and SiO 2 can be used.
このフェライト層2は、内部にコイル用導体3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重量%以上のフェライトおよび1重量%以下のガラスから成るものである。フェライト層2のフェライトとしては、ZnFe2O4,MnFe2O4,FeFe2O4,CoFe2O4,NiFe2O4,BaFe12O4,SrFe12O4およびCuFe2O4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。
The
また、コイル用導体3間のフェライト層2と、コイル用導体3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3間のフェライト層2の透磁率が、コイル用導体3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3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、重畳特性を向上できるという利点がある。
Further, the magnetic permeability of the
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3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積層体の内部に、フェライトグリーンシート間にコイル用導体3となるパターンを形成して、コイル用導体3の上下面を覆うようにして積層する。
The
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のに用い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のなか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。
The ferrite powder used to form the ferrite green sheet to be the
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ある。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ものであり、焼成前のフェライトグリーンシートには含まれない。
The
メタライズ配線層から成るコイル用導体3は、フェライト層2に上下面を覆われてフェライト層2に埋設されており、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て形成される。
The
メタライズ層から成る搭載用電極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。
The mounting electrode 5 made of a metallized layer is made of a conductive paste prepared by kneading a metal powder such as Cu, Ag, Au, and Ag alloy with an appropriate organic binder and a solvent by a screen printing method or a gravure printing method. By applying on the surface of the ceramic green sheet, it is formed on the upper and lower surfaces of the
なお、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。 The mounting electrode 5 has a nickel layer and a gold layer sequentially deposited on the surface thereof by a plating method in order to strengthen the bonding with a semiconductor chip or chip component by solder or the like and a wiring conductor of an external electric circuit. Good.
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。
An
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。
The
本発明の基板において、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。
In the substrate of the present invention, the
低透磁率層7は、例えば電気的絶縁性の低透磁率材であるZn系フェライト及びCu−Zn系フェライトより選択した粉末を樹脂のバインダと混練してペーストを作り、得られた低透磁率材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にコイル用導体3上の略全面に塗布し、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。
The low-permeability layer 7 is made of, for example, a powder selected from Zn-based ferrite and Cu-Zn-based ferrite, which are electrically insulative low-permeability materials, and kneaded with a resin binder to form a paste. The material paste is formed on a ferrite green sheet by applying a material paste on the entire surface of the
なお、低透磁率層7はコイル用導体3の略全面に塗布されるため、印刷ずれなどによる特性変動はなくなり、安定した電気特性が得られる。
In addition, since the low magnetic permeability layer 7 is applied to substantially the entire surface of the
低透磁率層7の透磁率は、1〜100程度であり、フェライト層2の透磁率200〜1000よりも低いものとなっている。
The magnetic permeability of the low magnetic permeability layer 7 is about 1 to 100, which is lower than the
また、低透磁率層7は、ペーストの状態で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にコイル用導体3上に略全面に塗布されるため、積層時におけるデラミネーションがおきにくくなる。
Further, since the low magnetic permeability layer 7 is applied on the entire surface of the
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、実線の直線はインダクタンス規格値2μHを、破線の特性曲線は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。
An example of the superposition characteristics of the built-in coil in the coil-embedded glass ceramic substrate of the present invention is shown in a diagram in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents current (unit: mA), the vertical axis represents inductance (unit: μH), the solid line represents the inductance
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3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でNiFe2O4とZnFe2O4とから成る厚み400μmのフェライト層(Ni−Zn系フェライト層)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3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3は、フェライト層2の透磁率500よりも低い透磁率1のCu−Zn系フェライトから成る低透磁率層7に埋設されることによって覆われている。
In this case, the coil-embedded glass ceramic substrate of the present invention has the following configuration. The insulating
図2に示す結果から分かるように、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3の導体パターン間で発生する磁束の漏れが低透磁率層7によりできにくく、磁気飽和が起きにくくなるため、コイル用導体3全体を周回する磁束がほとんどとなり、磁気飽和が起こりにくくなった結果、高い重畳特性が得られる。
As can be seen from the results shown in FIG. 2, the inductance value at 300 mA, which is the maximum current generally used in a power supply circuit of a mobile phone, can sufficiently satisfy the standard value of 2 μH or more. According to the glass-ceramic substrate with a built-in coil, leakage of magnetic flux generated between the conductor patterns of the
1:絶縁基体
2:フェライト層
3:コイル用導体
4:接地導体層
5:搭載用電極
6:電極パッド
7:低透磁率層
1: Insulating substrate 2: Ferrite layer 3: Coil conductor 4: Ground conductor layer 5: Mounting electrode 6: Electrode pad 7: Low magnetic permeability layer
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