JP4509186B2

JP4509186B2 - 積層部品及びこれを用いたモジュール

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Publication number: JP4509186B2
Application number: JP2007530526A
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Inventors: 多田　　智之; 徹梅野; 康晴三吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
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Description

本発明は、コイルパターンと磁性体層を積層して磁気回路を構成した積層部品に関し、特に磁気回路の磁路に非磁性又は低透磁率の磁気ギャップ層を設けた積層インダクタ、及び電極を設けた磁性体基板に半導体素子や他のリアクタンス素子等を実装したモジュール（複合部品）に関する。

携帯型の各種の電子機器（携帯電話、携帯情報端末PDA、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型音楽／ビデオプレイヤー、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等）は、電源として通常電池を使用し、電源電圧を動作電圧に変換するDC-DCコンバータを備えている。DC-DCコンバータは一般に、プリント基板上にディスクリート回路として配置されたスイッチング素子、制御回路を含む半導体集積回路（能動素子）、インダクタ（受動素子）等により構成されている。

電子機器の小型化の要求からDC-DCコンバータのスイッチング周波数は益々高くなり、現在では１ MHzを超えている。またCPU等の半導体装置では高速化及び高機能化とともに動作電圧の低下及び高電流化が進んでいるので、DC-DCコンバータに対して低電圧化及び高電流化が要求されている。

DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられる受動素子は、小型化、低背化及び能動素子との複合化が求められている。受動素子の一つであるインダクタは、従来から磁心に導線を巻いた巻線タイプが多く用いられてきたが、小型化には限界があった。また高周波化に伴い、低いインダクタンス値が必要とされるため、モノリシックで閉磁路構造の積層部品が用いられるようになった。

積層部品の一例として、積層インダクタは、コイルパターンを印刷した磁性体（フェライト）シートを一体的に積層した後、焼成することにより作製される。積層インダクタは信頼性に優れた構造を有し、漏れ磁束が少ないという利点があるが、一体的な構造であるため、コイルパターンに励磁電流を流したときに発生する直流磁界により磁性体が部分的に磁気飽和してインダクタンスが急激に低下するという問題がある。このような積層インダクタは直流重畳特性に劣ると言われる。

この問題を解決するために、図47に示すように、特開昭56-155516号及び特開2004-311944号は、磁気ギャップ層を磁性体層間に設けて開磁路構造とした積層インダクタ50を開示している。この積層インダクタ50は、複数の磁性体（フェライト）層41とコイルパターン層43とを積層して形成され、磁路には非磁性体からなる磁気ギャップ層44が挿入されている。図中、磁束の流れを模式化して矢符で示す。低励磁電流時には、磁気ギャップ層44により分離されたそれぞれの領域で、コイルパターン43を周回する磁束φa、及び複数のコイルパターン43を周回する磁束φbが形成される。ほとんどの磁束は磁気ギャップ層44を通過せず、磁気ギャップ層44を境としてそれぞれの領域で磁束の経路が形成され、あたかも一つの素子で２つのインダクタが直列接続されたようになる。一方、高励磁電流時にはコイルパターン43間の磁性体部分が磁気飽和し、ほとんどの磁束は磁束φcのように磁気ギャップ層44を通過して複数のコイルパターンを周回するようになり、反磁界により低励磁電流時と比べてインダクタンス値が低下するが、容易に磁気飽和し難くなる。従ってこのような従来の積層インダクタでは、磁気ギャップ層により直流重畳特性は改善されるものの、わずかな励磁電流の増加によりインダクタンス値は大きく変動する。また磁気ギャップ層44を設けない場合と比較すれば直流重畳特性は改善されるものの、大励磁電流での使用に対応できるようにさらなる改善が求められている。

特開2004-311944号は、図48に示すように、コイルパターン43の中央部分に磁気ギャップ層44を埋め込み、コイルパターン43の周囲に非磁性体47を埋め込んだ積層インダクタ50を開示している。ほとんどの磁束が磁気ギャップ層44を通過するため、この積層インダクタ50は低励磁電流から高励磁電流まで安定したインダクタンス値を与えるが、大励磁電流における性能が不十分であり、また構造が複雑で製造が困難である。

従って本発明の目的は、低励磁電流から高励磁電流まで安定したインダクタンス値が得られ、優れた直流重畳特性を有し、容易に製造可能な積層部品、及びそれを用いたモジュールを提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、内部にコイルパターンを有する積層部品において、前記コイルの形成域の最上層又は最下層を除く全ての中間層、又は全ての層を各磁性体層の上にコイルパターン及び磁気ギャップ層を形成した後で積層し、前記磁気ギャップ層は、前記コイルパターンの内側領域及び外側領域の少なくとも一方の領域に形成され、前記コイルパターンの縁部と接していることにより、大きな励磁電流でも磁性体部での磁気飽和が起こりにくくなり、かつ渦電流損失を低減できることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の積層部品は、磁性体層及びコイルパターンを交互に積層し、前記コイルパターンを積層方向に接続してコイルを構成してなり、前記コイルパターンに接する領域であって前記コイルの形成域の最上層又は最下層を除く全ての中間層は各磁性体層の上にコイルパターン及び磁気ギャップ層を形成した後で積層してなり、前記磁気ギャップ層は、前記コイルパターンの内側領域及び外側領域の少なくとも一方の領域に形成され、前記コイルパターンの縁部と接していることを特徴とする。本発明の別の積層部品は、磁性体層及びコイルパターンを交互に積層し、前記コイルパターンを積層方向に接続してコイルを構成してなり、前記コイルの形成域の全ての層は各磁性体層の上にコイルパターン及び磁気ギャップ層を形成した後で積層してなり、前記磁気ギャップ層は、前記コイルパターンの内側領域及び外側領域の少なくとも一方の領域に形成され、前記コイルパターンの縁部と接していることを特徴とする。

前記磁気ギャップ層は積層方向に隣り合う少なくとも２つのコイルパターンに形成されているのが好ましい。一方のコイルパターンが発生する磁束は、それに接する磁気ギャップ層を通過するが、他方のコイルパターンに接する磁気ギャップ層は通過しにくいため、そのコイルパターンを周回する。隣り合う２つのコイルパターン間の磁性体部では、それぞれのコイルパターンで生じた磁束が打ち消しあうため、大きな励磁電流でも磁気飽和が起こりにくい。

磁気ギャップ層が設けられた前記コイルパターンの数は、前記コイルのターン数の60％以上であるのが好ましい。前記コイルは、0.75ターン以上のコイルパターンを2ターン以上になるように接続してなるのが好ましい。少なくとも一部のコイルパターンの巻き数は1ターンを超えるのが好ましい。コイルパターンはAg、Cu等の低融点金属やその合金で形成するのが好ましい。各コイルパターンのターン数が0.75ターン未満であると、コイルパターン担持層の積層数が増えすぎる。特に0.5ターン未満であると積層方向に隣り合うコイルパターンの間隔が大きくなりすぎる。なおコイルの引き出し部等を構成する一部のコイルパターンは、0.75ターン未満でもかまわない。

少なくとも一部のコイルパターンを1ターン超とすると、コイルパターン担持層の数を減らすことができる。巻き数が1ターンを超えると、必然的にコイルパターンを形成する面積が増加し、磁路断面積が減少するが、同一磁性体基板層上で隣り合うコイルパターンの間にも磁気ギャップ層を形成することにより、1ターン以下のコイルパターンで構成した場合と同程度以上のインダクタンス値が得られる。ただし、磁路断面積の減少により磁気飽和しやすくなり、同一磁性体基板層上で対向するパターン間での浮遊容量の増加により共振周波数が低下し、コイルの品質係数Qも低下する。このため、例えば積層部品の外形寸法が3216サイズであれば、各層におけるコイルパターンは3ターン以下とするのが好ましい。

前記磁気ギャップ層は、非磁性材又は比透磁率1〜5の低透磁率材からなるのが好ましい。前記コイルパターンの厚さt1に対する前記磁気ギャップ層の厚さt2の比t2/t1は1以下であるのが好ましく、0.2〜１であるのがより好ましい。

少なくとも一部のコイルパターンがこのような構成を有することにより、積層部品の直流重畳特性が改善される。全てのコイルパターンに接して磁気ギャップ層を形成すれば、低励磁電流から高励磁電流まで安定したインダクタンス値が得られ、またインダクタンス値が低下し難い優れた直流重畳特性を発揮できる。

前記磁気ギャップ層及び前記コイルパターンを前記磁性体基板層上に重ならないように形成しても良く、重なるように形成しても良い。いずれの場合も、磁気ギャップ層はコイルパターンと接し、コイルパターンの近傍に生じる磁束は、同じ磁性体基板層に設けられた磁気ギャップ層を通過し、各コイルパターンの周囲の磁性体（磁性体基板層及び磁性体充填層）を流れて、周回するループを形成する。

磁気ギャップ層は少なくとも１つの磁性体領域を有するのが好ましい。磁気ギャップ層に設ける磁性体領域は、積層方向に隣接するコイルパターン間の磁性体層より低励磁電流で磁気飽和するように設定した面積及び磁気特性を有する。このような構成により、低励磁電流時には高いインダクタンス値が得られ、高励磁電流時にはインダクタンス値は低下するものの、前記磁性体領域と磁気ギャップ層が一体的な磁気ギャップとして機能するため、安定したインダクタンス値が得られる。

積層部品は、磁性体層、コイルパターン及び磁気ギャップ層の焼結収縮差や熱膨張差による応力や、実装される回路基板のたわみによる応力等を受ける。磁性体層の磁気特性は応力歪により劣化するため、応力による透磁率変化が小さい（耐応力特性に優れた）Li系フェライトを用いるのが好ましい。これにより、応力によるインダクタンス値の変動が小さい積層部品が得られる。

本発明のモジュールの一例は、上記積層部品を、内部にコンデンサを備えた誘電体基板にスイッチング素子を含む半導体部品とともに実装したことを特徴とする。本発明のモジュールの他の例は、上記積層部品を、樹脂基板にスイッチング素子を含む半導体部品とともに実装したことを特徴とする。本発明のモジュールのさらに他の例は、上記積層部品にスイッチング素子を含む半導体部品を実装したことを特徴とする。

上記モノリシック構造を有する本発明の積層部品は、優れた直流重畳特性を有し、これを用いたDC-DCコンバータは高い変換効率を有し、大電流に対しても使用できる。このため、本発明の積層部品を有するDC-DCコンバータは、電池を用いる携帯型の各種の電子機器（携帯電話、携帯情報端末PDA、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型音楽／ビデオプレイヤー、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等）に有用である。

本発明の第一の積層部品の一例の外観を示す斜視図である。本発明の第一の積層部品の一例を示す断面図である。本発明の第一の積層部品の一例の磁束の流れを示す模式図である。本発明の第一の積層部品の一例を示す分解斜視図である。本発明の第一の積層部品の一例に用いる磁性体層を示す平面図である。本発明の第一の積層部品の一例に用いる磁性体層を示す断面図である。本発明の第一の積層部品の一例に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第一の積層部品の一例に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第一の積層部品の他の例を示す断面図である。本発明の第一の積層部品の他の例における磁束の流れを示す模式図である。本発明の第二の積層部品における磁束の流れを示す模式図である。本発明の第二の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第二の積層部品に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第三の積層部品における磁束の流れを示す模式図である。本発明の第三の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第三の積層部品に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第四の積層部品を示す断面図である。本発明の第四の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第四の積層部品に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第四の積層部品における磁束の流れを示す模式図である。従来の積層部品、及び本発明の第一及び第四の積層部品の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第四の積層部品の他の例を示す断面図である。本発明の第四の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第四の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第五の積層部品を示す断面図である。本発明の第五の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第五の積層部品に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第五の積層部品における磁束の流れを示す模式図である。本発明の第六の積層部品を示す断面図である。本発明の第六の積層部品に用いる他の磁性体層を示す平面図である。本発明の第六の積層部品に用いる他の磁性体層を示す断面図である。本発明の第七の積層部品を示す分解斜視図である。本発明の第七の積層部品を示す断面図である。本発明の第八の積層部品を示す断面図である。本発明の第八の積層部品の他の例を示す断面図である。本発明の第八の積層部品の他の例を示す断面図である。本発明の第九の積層部品の外観を示す斜視図である。本発明の第九の積層部品の等価回路を示す図である。本発明の第九の積層部品を示す分解斜視図である。本発明の第九の積層部品の他の例を示す分解斜視図である。本発明のモジュールの外観を示す斜視図である。本発明のモジュールを示す断面図である。本発明のモジュールの回路を示すブロック図である。本発明のモジュールの他の例の回路を示すブロック図である。本発明の第一の積層部品の製造方法を説明する平面図である。本発明の第一の積層部品の直流重畳特性を示すグラフである。 DC-DC変換効率の測定回路を示す図である。本発明の第一の積層部品の他の例の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第二の積層部品の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第三の積層部品の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第四の積層部品の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第三の積層部品の他の例の直流重畳特性を示すグラフである。本発明の第三の積層部品の他の例の直流重畳特性を示すグラフである。従来の積層インダクタの一例を示す断面図である。従来の積層インダクタの他の一例を示す断面図である。

本発明の積層部品及びモジュールを以下詳細に説明する。

[1] 第一の積層部品
図1は本発明の第一の積層部品の一例としての積層インダクタ10の外観及びその内部構造を示し、図2は図1の積層インダクタ10の断面を示し、図3は図1の積層インダクタ10における磁界分布を示し、図4は図1の積層インダクタ10を構成する各層を示す。

(1) 積層部品の構造
積層型インダクタ10は11層（S1〜S11）で構成され、コイルパターン3が形成された磁性体基板層２からなる7つのコイルパターン担持層1a〜1dを有するコイル形成域1と、コイル形成域1の上下にそれぞれ設けられたコイルパターンを有さない2つの磁性体基板層２からなる磁性体域５とを有する。コイル形成域1では、0.5〜1ターンのコイルパターン3（3a〜3d）は、スルーホール6を介して接続され、6.5ターンのコイルを形成している。コイルの両端は積層部品の対向側面に引き出され、Ag等の導体ペーストを焼き付けた外部電極200a、200bと接続している。図2に示すように、コイルパターン3の内側でそれと接する領域に磁気ギャップ層4が形成されている。積層型インダクタ10はLTCC（Low-Temperature Co-fired Ceramics）法により形成するのが好ましい。

各コイルパターン担持層1a〜1dは、例えば、ソフトフェライトのペーストを用いてドクターブレード法、カレンダロール法等により磁性体基板層２用のグリーンシートを成形し、その上にAg，Cu又はそれらを含む合金の導電ペーストを所定のコイルパターン3a〜3dに印刷又は塗布し、さらに磁気ギャップ層4となる非磁性体ペーストを所定の領域に印刷又は塗布した後、磁気ギャップ層4を覆うとともに、コイルパターンの上面と実質的に同じ高さとなるように、コイルパターンを除く領域に磁性体ペーストを印刷又は塗布して磁性体充填層2a〜2dを形成することにより、形成する。磁性体充填層2a〜2dは磁性体基板層２上のコイルパターン3a〜3dの形状に応じて異なる形状を有する。磁性体域５を構成する各磁性体基板層2は上記と同じグリーンシートからなる。複数（７つ）のコイルパターン担持層1a〜1dを積層して、コイルパターン3a〜3dをスルーホール6で接続してコイルとした後、その両側にそれぞれ１つ以上（２つ）の磁性体基板層2を図４に示すように積層し、1100℃以下の温度で焼結するのが好ましい。外部電極200a、200bを構成する導電材料は特に限定されず、Ag、Pt，Pd，Au，Cu，Ni等の金属又はそれらの合金を用いることができる。

図4に示す各コイルパターン担持層1a〜1dはコイルパターン3a〜3d及び磁性体充填層2a〜2dの形状が異なる以外同じ構造を有するので、例えばコイルパターン担持層1bを図5(a)及び図5(b)により詳細に説明する。この説明は他のコイルパターン担持層にもそのまま適用できる。コイルパターン担持層1bは、例えばLi-Mn-Znフェライト粉末、ポリビニルブチラールを主成分とする有機バインダ、及びエタノール、トルエン、キシレン等の溶媒をボールミル中で混練し、得られたスラリーを粘度を調製した後、ポリエステルフィルム等のキャリアフィルム上にドクターブレード法等で塗布及び乾燥し、得られたグリーンシート（乾燥厚さ：15〜60μm）に接続用のスルーホールを開け、導電ペーストによりコイルパターン3bを10〜30μmの厚さに印刷するとともに、スルーホール6に導電ペーストを充填し、コイルパターン3bの内側の全面を覆うようにジルコニアペースト等の非磁性体ペースト4を印刷又は塗布することにより磁気ギャップ層4を形成することにより得られる。磁気ギャップ層4の厚さは3μm以上でコイルパターン3bの厚さ以下であるのが好ましい。

磁気ギャップ層4は、磁気ギャップ層用ペーストでコイルパターン3bの内側を含む領域全体を覆い、コイルパターン3bの縁部と接するように形成する。または開口部を有する磁気ギャップ層4を印刷した後、開口部にコイルパターン3bを印刷しても良い。この場合、コイルパターン3bは磁気ギャップ層4の縁部を覆う。いずれの場合も、焼結後の各コイルパターン3の縁部と磁気ギャップ層4の縁部とは実質的に接触した状態となる。このような磁気ギャップ層4が積層方向に重なって配置されるため、各コイルパターン3により生じる磁束が、他のコイルパターンと鎖交するのを減じることができる。

磁気ギャップ層4は非磁性材又は比透磁率が1〜5の低透磁率材により薄く形成するのが好ましい。低透磁率材からなる磁気ギャップ層4は、非磁性材からなる場合より厚くならざるを得ないが、印刷精度によるインダクタンス値のばらつきを抑えることができる。

低透磁率材の比透磁率が５より大きい場合、磁気ギャップ層4としての機能が低い。比透磁率1〜5の低透磁率材は、非磁性酸化物（例えばジルコニア等）の粉末に磁性体粉末を混合することにより得られる。また積層部品の使用温度範囲より十分に低温（例えば−40℃以下）のキュリー温度を有するZnフェライトを用いても良い。Znフェライトは焼結収縮が磁性体基板層2に近い。

磁気ギャップ層4に用いる非磁性材及び低透磁率材としては、ZrO₂、B₂O₃-SiO₂系ガラス、Al₂O₃-SiO₂系ガラス等のガラス類、Znフェライト、Li₂O・Al₂O₃・4SiO₂、Li₂O・Al₂O₃・2SiO₂、ZrSiO₄、3Al₂O₃・2SiO₂、CaZrO₃、SiO₂、TiO₂、WO₃、Ta₂O₅，Nb₂O₅等が挙げられる。磁気ギャップ層4用ペーストは、例えばジルコニア(ZrO₂)の粉末、エチルセルロース等の有機バインダ及び溶剤を、三本ロール、ホモジナイザー、サンドミル等で混練することにより調製する。積層部品の焼結温度では緻密化しないジルコニアを使用すると、熱膨張係数の差により磁性体基板層2がコイルパターン3から受ける圧縮応力を緩和することができ、磁性体基板層2にクラックが入るのを防止できる。磁気ギャップ層4が外面に露出している場合等に緻密化する必要があるときには、Zn、Cu、Bi等の酸化物（例えばBi₂O₃）を低温焼結促進物質として添加するのが好ましい。

図6(a)及び図6(b)は、コイルパターン3bの上面と実質的に同じ高さとなるように、コイルパターン3bを除く領域に磁性体ペーストを印刷又は塗布してなる磁性体充填層2aを有するコイルパターン担持層1bを示す。磁性体ペーストはグリーンシートと主成分組成が同じフェライト粉末を含有するのが好ましい。ただしフェライト粉末の結晶粒径、副成分の種類、添加量等は異なってもよい。磁性体ペーストは磁性体粉末、エチルセルロース等のバインダ及び溶剤を配合して作製する。磁性体充填層2aを設けることにより、例えばコイルパターンが15μm以上の厚さを有する場合でも、積層圧着時の積層ずれや、圧着後の層間剥離（デラミネーション）の発生を低減できる。

磁性体基板層２及び磁性体充填層2aに用いる磁性体材料は、例えば組成式：x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃（ただし、x、y及びzは0.05≦ｘ≦0.55、0.05≦ｙ≦0.40、0.40≦ｚ≦0.55、及びx＋y＋z＝1を満足する。）で表される主成分に2〜30質量％のBi₂O₃を添加したLi系フェライトであるのが好ましい。このLi系フェライトは800〜1000℃で焼成可能であり、低損失及び高比抵抗で、角型比が小さく、応力特性に優れる。ZnOの一部をCuOで置換すると低温焼結化が進み、Fe₂O₃の一部をMn₂O₃で置換すると比抵抗が向上する。

上記Li系フェライト以外に、Ni系フェライト、Mg系フェライト等のソフトフェライトを用いることもできる。磁性体基板層２及び磁性体充填層2aは、コイルパターン、磁気ギャップ層、外部電極等から応力を受けるため、応力による磁気特性の変化が小さいLi系フェライト、Mg系フェライトを用いるのが好ましく、Li系フェライトがより好ましい。コアロスを低減させるためにはNi系フェライトが好ましい。

(2) 動作原理
本発明の積層部品では、各コイルパターン3に接するように設けた磁気ギャップ層4が分散している。従来から全ての磁束が複数のコイルパターンを含むループを画くのが理想的であり、各コイルパターンの回りの小ループを画く磁束は単にインダクタンス値を低下させる漏れ磁束であると考えられてきた。しかしながら本発明では、図3に示すように、コイルパターン3a、3bが発生する磁束φa，φa’（各コイルパターン3a、3bの回りの磁性体2及び各磁気ギャップ層4a、4bを回る）、磁束φb（コイルパターン3a、3bの両方を回る）、及び磁束φc（コイルパターン3a、3b及び他のコイルパターンも回る）のうち、磁束φb及びφcは各コイルパターン3a、3bに接する磁気ギャップ層4a，4bにより低減し、ほとんど磁束φa，φa’だけが残る。

コイルパターン3aの回りの磁束φaとコイルパターン3bの回りの磁束φa’は、コイルパターン3a、3b間の磁性体部を磁路として共有する。コイルパターン3a、3b間の磁性体部では、磁束φa，φa’の方向が逆であるので直流磁界が打ち消され、大きなインダクタンスは得られないものの、高励磁電流では局部的な磁気飽和が生じにくい。また他のコイルパターンと交差する磁束が僅かであるので、得られるインダクタンス値は各コイルパターン3で得られるインダクタンス値の合算となり、低励磁電流から高励磁電流まで安定している。

図7はコイル形成域1を８層で構成した積層部品を示し、図8はこの積層部品における磁束の流れを模式的に示す。コイルパターン3のそれぞれに接して形成された磁気ギャップ層4により、層数の多少にかかわらず、コイルパターン3により生じる磁束φaは、各コイルパターン3を周回する。

本発明の積層部品では、大きなループを画く磁束が減り、外部への漏洩磁束が減少したので、コイル形成域1の上下に位置する磁性体域を薄くすることができる。また、一つの積層部品に複数のコイルを設けたインダクタアレイでは、コイル間の磁気結合を低減できる。

[2] 第二の積層部品
図9は第二の積層部品の断面を示し、図10(a)及び図10(b)はこの積層部品に用いるコイルパターン担持層を示す。この積層部品は、第一の積層部品とほぼ同じ構成であるので、相違部分を説明し、重複部分の説明は省略する。

コイルパターン担持層1bは、磁性体基板層2上に形成したコイルパターン3と、コイルパターン3に接してその外側領域の全体を覆う磁気ギャップ層4と、コイルパターン3の内側領域及び磁気ギャップ層4の上に形成された磁性体充填層2aとを有する。図10(a)は、明瞭化のために、磁気ギャップ層4を覆う磁性体充填層2aが形成される前の状態を示し、図10(b)は磁性体充填層2aを形成した後の状態を示す。以降の説明でも同じである。第二の積層部品は、各コイルパターン3を周回する磁束が磁気ギャップ層4を通過し、他のコイルパターンと鎖交する磁束が低減しているので、優れた直流重畳特性を発揮する。

[3] 第三の積層部品
図11は第三の積層部品の断面を示し、図12(a)及び図12(b)はこの積層部品に用いるコイルパターン担持層を示す。このコイルパターン担持層は、コイルパターン3bの内側及び外側の領域全体を覆う磁気ギャップ層4を有し、コイルパターン3を除く領域は磁性体ペーストの印刷により磁性体充填層2aが形成されている［図12(b)］。第三の積層部品は、第一及び第二の積層部品と比べて磁気ギャップが長いため、インダクタンス値が低いものの、他のコイルパターンと鎖交する磁束がさらに減っているため、優れた直流重畳特性を発揮する。

[4] 第四の積層部品
図13は第四の積層部品の断面を示し、図14(a)及び図14(b)はこの積層部品に用いる１つの磁性体層を示し、図15はこの積層部品における磁界分布を示す。この積層部品に用いるコイルパターン担持層1bには、磁気ギャップ層4の開口部14に磁性体充填層2aが設けられている。開口部14は、コイルパターン間の磁性体部より低励磁電流で磁気飽和するように、開口面積及び充填する磁性体の磁気特性を適宜選定するのが好ましい。

図16は、従来の積層部品(A)、第一の積層部品(B)及び第四の積層部品(C)の直流重畳特性を示す。従来の積層部品は、中央に一箇所だけ磁気ギャップ層を設けた図47に示す積層インダクタである。第四の積層部品は、開口部14を通過する磁束φcにより、低励磁電流時には第一の積層部品より大きなインダクタンス値を示す。このような直流重畳特性により、低励磁電流時に問題となる電流リップルを抑制することができる。開口部14内の磁性体充填層が磁気飽和した後、開口部14は磁気ギャップとして機能するので、磁束φcが減少し、第一の積層部品と同じ磁界分布となる。このため、高励磁電流まで磁気飽和が起こりにくく、従来の積層インダクタより優れた直流重畳特性を発揮する。

第四の積層部品では、全ての磁気ギャップ層に開口部14を設けているが、図17に示すように、一部の磁気ギャップ層にのみ開口部14を設けても良い。また図18及び図19に示すように、1つの磁気ギャップ層に複数の開口部14を設けても良く、その形状、位置、面積及び個数は限定されない。開口部14の形状を変えることにより、所望の磁気特性を有する積層部品が得られる。

[5] 第五の積層部品
図20は第五の積層部品の断面を示し、図21(a)及び図21(b)はこの積層部品に用いるコイルパターン担持層を示し、図22はこの積層部品における磁界分布を示す。このコイルパターン担持層には、１層あたりのコイルパターンの巻き数が1ターンを超えており、同一層で隣り合うパターン間にも磁気ギャップ層4が設けられている。コイルパターン3の周囲には、小ループを画く磁束φa'、φa"と、コイルパターン3全体をループする磁束φaが形成される。同一層内のコイル間で磁気的な結合が得られるため、1ターンで構成するより大きなインダクタンス値が得られる。

この積層部品においても、他の層のコイルパターンと交差する磁束は減じられるため、大きなインダクタンス値を得ながら、優れた直流重畳特性が得られる。またコイル形成域１の積層数を削減できるので、積層部品を低背化できる。

[6] 第六の積層部品
図23は第五の積層部品の断面を示し、図24(a)及び図24(b)はこの積層部品に用いるコイルパターン担持層を示す。この積層部品でも、磁気ギャップ層4の一部に形成した開口部14は磁性体充填層を有する。この積層部品も、大きなインダクタンス値を有しながら、優れた直流重畳特性を発揮する。

[7] 第七の積層部品
図25は第七の積層部品を構成する各層を示し、図26はその断面図である。各コイルパターン3の巻数は0.75ターンであり、積層部品全体では4.5ターンのコイルが形成されている。このため、コイル形成域１中のコイルパターン担持層は6層（S3〜S8）と第一の積層部品より少ない。

この積層部品は、コイル形成域１の最上層（S8）及び最下層（S3）に磁気ギャップ層4を有さないが、全ての中間層（S4〜S7）に磁気ギャップ層4を有し（コイルのターン数の2/3に当たる）、優れた直流重畳特性を発揮する。

[8] 第八の積層部品
図27〜図29は第八の積層部品を示す。第八の積層部品は、コイルパターンと積層方向に重なる磁気ギャップ層を有する。図27に示す積層部品では磁気ギャップ層4はコイルパターン3の一部と重なっており、図28に示す積層部品では磁気ギャップ層4はコイルパターン3全体と重なっており、図29に示す積層部品では磁気ギャップ層4は磁性体基板層2の全面を覆っている。第八の積層部品でも磁気ギャップ層4に開口部14を設けても良い。この場合、磁気ギャップ層4の分だけ積層部品が厚くなるが、優れた直流重畳特性が得られる。

[9] 第九の積層部品
図30は複数のインダクタを有する積層部品（インダクタアレイ）の外観を示し、図31はその等価回路を示し、図32及び図33はその内部構造を示す。この積層部品は、積層されたコイルパターン3からなるコイルに中間タップを設けて、コイルを巻回方向が異なる２つのコイルに分割したものであり、マルチフェイズDC-DCコンバータに用いる。

この積層部品は外部端子200a〜200cを備え、外部端子200aが中間タップである。外部端子200aと200bとの間にインダクタL1が形成され、外部端子200aと200cの間にインダクタL2が形成される。図32に示す積層部品は、それぞれ2.5ターンのコイルで形成されたインダクタL1、L2を積層して構成している。第九の積層部品も、前述の実施態様と同様に形成された磁気ギャップ層4を備えているため、インダクタL1、L2は直流重畳特性に優れ、さらにコイル間の磁気結合を低減できる。

図33に示すインダクタアレイは、それぞれ2.5ターンのコイルで形成されたインダクタL1、L2を、平面方向に並べたものである。この場合も優れた直流重畳特性を発揮する。なお中間タップを設けずに、それぞれのコイルの端部を異なる外部端子と接続しても良く、その用途はマルチフェイズDC-DCコンバータに限定されない。

[10] DC-DCコンバータモジュール
図34は本発明の積層部品を用いたDC-DCコンバータモジュールの外観を示し、図35はその断面を示し、図36はその等価回路を示す。このDC-DCコンバータモジュールは、インダクタを内蔵した積層部品10に、スイッチング素子及び制御回路を含む半導体集積回路部品ICとコンデンサCin，Coutを実装した降圧型DC-DCコンバータである。積層部品10の裏面には複数の外部端子90が設けられており、側面に形成された接続電極により半導体集積回路部品ICや、インダクタと接続されている。接続電極は積層部品内のスルーホールで形成しても良い。外部端子90に付した符号は接続する半導体集積回路部品ICの端子に対応し、外部端子Vconは出力電圧可変制御用端子と、外部端子Veｎは出力のON/OFF制御用端子と、外部端子Vddはスイッチング素子をON/OFF制御するための端子と、外部端子Vinは入力端子と、外部端子Voutは出力端子と接続する。外部端子GNDはグランド端子GNDと接続する。

積層部品10は、コイルパターン3と接するように磁気ギャップ層4が形成されているため、優れた直流重畳特性を発揮する。また外部への漏洩磁束が僅かであるため、半導体集積回路ICとインダクタを近接して配置しても、半導体集積回路ICにノイズを生じさせることがなく、優れた変換効率を有するDC-DCコンバータとなる。

DC-DCコンバータモジュールは、プリント回路基板に積層部品10、半導体集積回路IC等を実装しても、コンデンサCin，Cout等を内蔵したコンデンサ基板に積層部品10、半導体集積回路IC等を実装しても得られる。

DC-DCコンバータモジュールの他の例として、図37に示す等価回路を有する降圧型マルチフェイズ型のDC-DCコンバータモジュールがある。入力コンデンサCin、出力コンデンサCout、出力インダクタL1、L2、及び制御回路CCを含む半導体集積回路ICにより構成される。出力インダクタL1、L2に前述のインダクタアレイを用いることができ、このDC-DCコンバータモジュールも高励磁電流に対応し、優れた変換効率を発揮する。

以上積層部品をシート積層法により製造する例を示したが、図38(a)〜(p)は印刷法により積層部品を製造する方法を示す。本発明の積層部品の印刷による製造法は、(a) 磁性体ペーストをポリエステルフィルム等のキャリアフィルム上に印刷・乾燥して第一の磁性体層2を形成し、(b) コイルパターン3dを導電ペーストで印刷し、(c) 所定の領域に非磁性体ペーストを印刷して磁気ギャップ層4を形成し、(d) コイルパターンの端部を除く部分に磁性体ペーストを印刷して第二の磁性体層2を形成し、(e)開口部120から現れるコイルパターン3dと重ねて導電ペーストを印刷してコイルパターン3aを形成し、(f) 非磁性体ペーストを印刷して磁気ギャップ層4を形成し、(g) 磁性体ペースト2を印刷し、以後上記と同じ工程［(h)〜(p)］を順次繰り返すことからなる。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１
(1) 試料A（実施例）の作製（図1〜図6に示す第一の積層部品）
49.0 mol％のFe₂O₃、13.0 mol％のCuO、21.0 mol％のZnO、及びNiOを残部とするNi-Cu-Zn系フェライト（キュリー温度Tc：240℃、及び周波数100 kHzにおける初透磁率：300）の仮焼粉末100重量部に対して、10重量部のポリビニルブチラールを主成分とする有機バインダ、可塑剤及び溶剤を加え、ボールミルで混練して、磁性体スラリーを得た。この磁性体スラリーをグリーンシートに成形した。

一部のグリーンシートにスルーホール6を形成し、スルーホール6を形成したグリーンシート及びスルーホールを形成していないグリーンシートの表面に、磁気ギャップ層4となる非磁性ジルコニアのペーストを所定のパターンに印刷し、コイルパターン3となる導電性Agペーストを印刷した。

ジルコニアペースト印刷層及びAgペースト印刷層による段差をなくすために、これらを印刷していない領域にグリーンシートと同じNi-Cu-Znフェライトのペーストを印刷し、磁性体充填層2a〜2dを形成した。

図４に示すように、磁性体基板層2にジルコニアペースト及びAgペーストの印刷したコイルパターン担持層1a〜1dを積層して所定のターン数のコイルを有するコイル形成域1を形成した。コイル形成域1の上下に、所定の全体サイズになるように、ジルコニアペースト及びAgペーストが印刷されていない無地の磁性体基板層2を２枚ずつ積層した。得られた積層体を圧着した後、所望の形状に加工し、930℃で４時間大気中で焼成し、直方体状（縦2.5 mm，横2.0 mm，厚さ1.0 mm）の積層焼結体を得た。この積層焼結体の側面に、外部電極用のAgペーストを塗布した後、さらに630℃で15分の焼成を行って、全ての層に厚さ3μmの磁気ギャップ層4を形成した6.5ターンのコイルからなる積層部品10（試料A）を作製した。焼結後の各フェライト層の厚さは40μm、各コイルパターンの厚さは20μm、パターン幅は300μmであり、コイルパターンの内側の領域は1.5 mm×1.0 mmであった。

(2) 試料B（実施例）の作製
上下層（S3、S9）に磁気ギャップ層を形成せず、中間層（S4〜S8）にのみ磁気ギャップ層4（厚み5μm）を形成した以外は試料Aと同様にして、試料Bを作製した。
(3) 試料C（比較例）の作製
試料Aの積層部品10の総ギャップ長（15μm）と同じ厚さで、単層の磁気ギャップ層をS5層に形成した積層部品（試料C）を作製した。

(4) 評価
試料A〜Cに0〜1000 mAの直流電流を流し、インダクタンス（f＝300 kHz、Im＝200μA）をLCRメータ（HP製4285A）で測定し、直流重畳特性を評価した。結果を図39に示す。電流無負荷時のインダクタンス値は比較例（試料C）が最も大きいが、直流重畳時のインダクタンス値の低下は、実施例（試料A及びB）が小さかった。これから、本発明の積層部品の直流重畳特性は大幅に向上したことが分かる。

実施例２
(1) 試料No.4（実施例）の作製（図7及び8に示す第一の積層部品）
Ni-Cu-Zn系フェライトの仮焼粉末の代わりに、3.8質量％のLi₂CO₃，7.8質量％のMn₃O₄，17.6質量％のZnO，69.8質量％のFe₂O₃、及び1.0質量％のBi₂O₃を含有するLi-Mn-Znフェライト（キュリー温度Tc：250℃、及び周波数100 kHzにおける初透磁率：300）の仮焼粉末を用いた以外、実施例１と同様にして、16層のコイルパターン担持層の全てに厚さ7μmの磁気ギャップ層を形成した縦3.2 mm，横1.6 mm及び厚さ1.0 mmの積層部品（積層インダクタ、試料No.4）を作製した。各コイルパターン担持層には段差解消のため、ジルコニアペースト及びAgペーストが印刷されていない領域に、Ni-Znフェライトのペーストを印刷した。焼結後の磁性体基板層の厚さは40μm、コイルパターンの厚さは20μm、パターン幅は300μmであり、コイルパターンの内側領域は2.2 mm×0.6 mmであった。

(2) 試料No.1〜3（比較例）の作製
比較例として、磁気ギャップ層を設けない以外は試料No.4と同様にして作製した積層部品（試料No.1）、中間層に１層だけ磁気ギャップ層を設けた以外は試料No.4と同様にして作製した積層部品（試料No.2）、磁気ギャップ層を設けない磁性体層を介して不連続に３層の磁気ギャップ層を設けた以外は試料No.4と同様にして作製した積層部品（試料No.3）を得た。

試料No.1〜4の積層部品（積層インダクタ）の直流重畳特性及びDC-DC変換効率を測定した。DC-DC変換効率は、図40に示す測定回路（電流不連続モードで動作する昇圧型DC-DCコンバータ：スイッチング周波数fs＝1.1 MHz、入力電圧Vin＝3.6 V、出力電圧Vout＝13.3 V、出力電流Io＝20 mA）に組み込み、測定した。結果を積層部品の構成とともに表１に示す。また各積層部品の直流重畳特性を図41に示す。

表１(続き）

全てのコイルパターン担持層に磁気ギャップ層を設けた本発明の積層部品（試料No.4）は、磁気ギャップ層を全く設けない従来の積層部品（試料No.1）、及び特定のコイルパターン担持層のみに磁気ギャップ層を設けた従来の積層部品（試料No.2及び試料No.3）に比べて、直流重畳時のインダクタンス値の低下が小さかった。具体的には、本発明の試料No.4の積層部品では、インダクタンス値が電流無負荷時（3.9μH）の80％に低下する電流値は900 mAと試料No.1〜3の比較例に対して大幅に向上した。

本実施例（試料No.4）の積層インダクタは、比較例（試料No.1〜3）のものと比べて３％程度高いDC-DC変換効率を発揮した。本実施例の積層インダクタは、隣り合うコイルパターン間の磁性体部分で磁気飽和が起こりにくい（磁気損失が小さい）ため、DC-DC変換効率が向上したと考えられる。

実施例３
試料No.5の作製（図13及び14に示す第四の積層部品）
磁気ギャップ層におけるコイルの中心軸を含む領域に、縦0.3 mm及び横0.3 mmの矩形の開口部14を形成し、開口部14内にLi-Mn-Znフェライト充填層を形成した以外試料No.4と同様にして、積層インダクタ（試料No.5）を作製した。試料No.5の積層インダクタの直流重畳特性及びDC-DC変換効率を測定した。結果を表２及び図42に示す。

表2(続き）

本実施例の積層インダクタ（試料No.5）では、第二の積層部品（試料No.4）と比べて、低直流電流のとき大きなインダクタンス値が得られた。また高直流電流では、ほぼ同程度のインダクタンス値となった。DC-DC変換効率は１％程度向上した。

実施例４
(1)試料No.9の作製（図20及び21に示す積層インダクタ）
コイルパターン担持層の数を8層とし、各層のコイルパターンを2ターンとし、全ての層に厚さ5μmの磁気ギャップ層を形成した以外は試料No.4と同様にして、積層部品（試料No.9）を作製した。焼結後の各フェライト層の厚さは40μm、各コイルパターンの厚さは20μm、パターン幅は150μm、パターン間隔は50μmであり、コイルパターンの内側領域は1.9 mm×0.3 mmであった。

(2)試料No.6〜8（比較例）の作製
磁気ギャップ層を設けない以外は試料No.9と同様にして作製した積層インダクタ（No.6）、中間層に１層だけ磁気ギャップ層を設けた以外は試料No.9と同様にして作製した積層インダクタ（No.7）、磁気ギャップ層を設けない磁性体層を介して不連続に３層の磁気ギャップ層を設けた以外は試料No.9と同様にして作製した積層インダクタ（No.8）を得た。

試料No.6〜9の積層インダクタの直流重畳特性とDC-DC変換効率を測定した。結果を表３及び図43に示す。

表3(続き）

本実施例の積層部品（試料No. 9）は、１層あたりのコイルパターンを1ターンとした実施例２の積層部品（試料No. 4）と比べてインダクタンス値が増加している。コイルパターンを形成した全ての磁性体層に磁気ギャップ層を設けた本発明の積層部品（試料No. 9）は、磁気ギャップ層を全く設けない従来の積層インダクタ（試料No. 6）、及び特定の磁性体層のみに磁気ギャップ層を設けた従来の積層インダクタ（試料No. 7及び試料No. 8）に比べて、直流重畳時のインダクタンス値の低下が小さくなった。具体的には、本発明による試料No. 9の積層部品は、電流無負荷時のＬ値が8.8μHであり、インダクタンス値が電流無負荷時の80％に低下する電流値は280 mAと大幅に向上した。また本実施例の試料No. 9の積層部品は試料No. 6〜8の比較例と比べて9％程度高いDC-DC変換効率を発揮した。

実施例５
図23及び図24に示す第六の積層部品の作製
磁気ギャップ層4に、コイルの中心軸を含む領域に縦0.3 mm及び横0.3 mmの矩形の開口部14を形成し、開口部14にLi-Mn-Znフェライト層を充填した以外は試料No.9と同様にして積層部品（試料No.10）を作製した。焼結後の各フェライト層の厚さは40μm、各コイルパターンの厚さは20μmで、2ターンの巻数であった。試料No.10の積層部品の直流重畳特性及びDC-DC変換効率を測定した。結果を表４及び図44に示す。

表4(続き）

本実施例の積層部品（試料No.10）では、実施例４の積層部品（試料No.9）と比べて、低直流電流で大きなインダクタンス値が得られた。また高直流電流では、ほぼ同程度のインダクタンス値であった。DC-DC変換効率は２％程度向上した。

実施例６
試料No.11及び12の作製（図20及び21に示す第五の積層部品）
コイルパターン担持層の数を10層とし、全ての層に厚さ５μmの磁気ギャップ層を形成した以外は試料No.4と同様にして、縦3.2 mm，横1.6 mm，厚さ1.0 mmの積層部品（試料No.11）を作製した。またコイルパターン担持層の数を12層とした以外は試料No.11と同様にして積層部品（試料No.12）を作製した。試料No.11及び試料No.12はともに、焼結後の磁性体基板層の厚さは40μm、コイルパターンの厚さは20μmで、2ターンの巻数であった。積層部品の直流重畳特性及びDC-DC変換効率を測定した。結果を表５及び図45に示す

表5(続き）

コイルパターン担持層の数が増加するにつれて、電流無負荷時のインダクタンス値、DC-DC変換効率が増加した。またインダクタンス値が電流無負荷時の80％に低下する電流値はいずれも大きな値を示した。

実施例７
試料No.13〜15の作製（図20及び21に示す第五の積層部品）
コイルパターン担持層の数を12層とし、全ての層に厚さ10μmの磁気ギャップ層を形成した以外は試料No.4と同様にして、縦3.2 mm，横1.6 mm及び厚さ1.0 mmの積層インダクタ（試料No.13）を作製した。また、全ての層に厚さ15μmの磁気ギャップ層を形成した以外は試料No.13と同様にして積層インダクタ（試料No.14）を作製した。さらに全ての層に厚さ20μmの磁気ギャップ層を形成した以外は試料No.13と同様にして積層インダクタ（試料No.15）を作製した。試料No.13〜15の積層インダクタはいずれも、焼結後の磁性体基板層の厚さは40μm、コイルパターンの厚さは20μmで、2ターンの巻数であった。試料No.13〜15の積層部品の直流重畳特性及びDC-DC変換効率を測定した。結果を表６及び図46に示す

表6(続き）

磁気ギャップ層が厚くなるにつれて電流無負荷時のインダクタンス値は減少したが、電流無負荷時の80％に低下する電流値は大幅に向上した。磁気ギャップ層の厚さがコイルパターンと同じ20μmである積層部品（試料No.15）は、他の積層部品と比べて変換効率が低かった。これは磁気ギャップ層の磁気抵抗が大きくなり、コイルパターン側に漏洩する磁束が増加し、渦電流損失の増加により変換効率が減少したためと考えられる。

以上本発明の積層部品を説明したが、コイルパターン担持層の数、1層当たりのコイルパターンのターン数、コイルパターン及び磁気ギャップ層の厚さ及び材質等は実施例に限定されない。これらのパラメータを適宜調整して、使用する電子機器に応じた所望の磁気特性を有する積層部品を提供することができる。

Claims

磁性体層及びコイルパターンを交互に積層し、前記コイルパターンを積層方向に接続してコイルを構成した積層部品において、前記コイルパターンに接する領域であって前記コイルの形成域の最上層又は最下層を除く全ての中間層は各磁性体層の上にコイルパターン及び磁気ギャップ層を形成した後で積層してなり、前記磁気ギャップ層は、前記コイルパターンの内側領域及び外側領域の少なくとも一方の領域に形成され、前記コイルパターンの縁部と接していることを特徴とする積層部品。
磁性体層及びコイルパターンを交互に積層し、前記コイルパターンを積層方向に接続してコイルを構成した積層部品において、前記コイルパターンに接する領域であって前記コイルの形成域の全ての層は各磁性体層の上にコイルパターン及び磁気ギャップ層を形成した後で積層してなり、前記磁気ギャップ層は、前記コイルパターンの内側領域及び外側領域の少なくとも一方の領域に形成され、前記コイルパターンの縁部と接していることを特徴とする積層部品。
請求項１又は２に記載の積層部品において、前記磁気ギャップ層が非磁性材又は比透磁率が１〜５の低透磁率材からなることを特徴とする積層部品。
請求項３に記載の積層部品において、前記磁気ギャップ層がジルコニアからなることを特徴とする積層部品。
請求項１〜４のいずれかに記載の積層部品において、前記コイルは、0.75ターン以上のコイルパターンを２ターン以上に接続してなることを特徴とする積層部品。
請求項１〜５のいずれかに記載の積層部品において、前記磁気ギャップ層の厚さは前記コイルパターンの厚さ以下であることを特徴とする積層部品。
請求項６に記載の積層部品において、前記コイルパターンの厚さt1に対する前記磁気ギャップ層の厚さt2の比t2/t1が0.2〜１であることを特徴とする積層部品。
請求項１〜７のいずれかに記載の積層部品において、前記磁気ギャップ層と前記コイルパターンとが前記磁性体層の同一面上に形成されていることを特徴とする積層部品。
請求項１〜７のいずれかに記載の積層部品において、磁気ギャップ層とコイルパターンとが前記磁性体層の表面に重畳して形成されていることを特徴とする積層部品。
請求項１〜９のいずれかに記載の積層部品において、前記磁気ギャップ層は少なくとも１つの磁性体領域を有することを特徴とする積層部品。
請求項１〜10のいずれかに記載の積層部品において、少なくとも一部のコイルパターンの巻き数が1ターンを超えていることを特徴とする積層部品。
請求項１〜11のいずれかに記載の積層部品を、内部にコンデンサを備えた誘電体基板に、スイッチング素子を含む半導体部品とともに実装したことを特徴とするモジュール。
請求項１〜11のいずれかに記載の積層部品を、樹脂基板にスイッチング素子を含む半導体部品とともに実装したことを特徴とするモジュール。
請求項１〜11のいずれかに記載の積層部品に、スイッチング素子を含む半導体部品を実装したことを特徴とするモジュール。