JP4883392B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Description
直流の入力電圧Vinを入力し、半導体集積回路(IC)内の電界効果型トランジスタ(以下スイッチング素子)をスイッチングさせる。スイッチング素子をオンしている時間をTon、オフしている時間をToffとすると、出力電圧Voutは、Vout=Ton / (Ton + Toff) × Vinで表され、出力電圧Voutは入力電圧Vinより降圧される。入力電圧Vinが変動した場合は、TonとToffの比率を調整すれば、安定に維持した出力電圧Voutを出力することが出来る。
入力コンデンサ(Cin)は、入力電圧の過渡時の安定化や電圧スパイク防止のために用いられる。出力側には、直流電圧を出力するためのフィルタ回路(平滑回路)を備え、このフィルタ回路は、電流エネルギーの蓄積と放出を行う出力インダクタ(Lout)と、電圧エネルギーの蓄積と放出を行う出力コンデンサ(Cout)の組み合わせにより構成される。
例えば、特許文献1には、図8の外観図に示すように、プリント基板と、チップインダクタと、制御回路等が形成された半導体集積回路ICにより構成され、半導体集積回路ICが実装されたプリント基板に接続端子を配設して、この接続端子に、チップインダクタを前記半導体集積回路と上下に重ねて配置したDC−DCコンバータが開示されている。
インダクタ内蔵部品10は、コイル導体15と絶縁層を積層してなり、相対向する上主面及び下主面と、その主面間を連結する側面を備え、その上主面には、方向指示マークが形成され、長手方向の相対向する側面に端子電極5a、5bを備える。
前記絶縁層は磁性を備えるものであり、ソフトフェライトや、磁性体材料を樹脂に分散してなる磁性樹脂材料等から構成される。絶縁層としてソフトフェライトを用いる場合では、比抵抗率が1×103Ω・cm以上のNiCu系、NiZn系、NiCuZn系のスピネルフェライトや、高周波特性に優れる六方晶フェライトを選択するのが好ましい。ソフトフェライトをドクターブレード法、カレンダロール法などの周知のシート化方法によりグリーンシート化し、Ag,Cuやそれらを含む合金を備えた導体ペーストで導体パターンを、前記グリーンシート上に印刷、あるいは塗布などの方法で形成し、これを複数積層して積層体とし、使用する導体ペーストに応じて1100℃以下の温度で焼結する、所謂周知のLTCC(Low−Temperature Co−fired Ceramics)工法を適用することが出来る。
なお、本発明で規定するコイル形成磁性体部は、図2で示すコイル導体が形成された領域Cである。また、上磁性体層部は、領域Cの上部に位置する領域Aであり、下磁性体層部は領域Cの上部に位置する領域Bである。
本実施例に係るインダクタ内蔵部品10は、コイル導体と絶縁層を積層してなり、相対向する上主面及び下主面と、その主面間を連結する側面を備え、その上主面には、DC−DCコンバータ制御回路を含む半導体集積回路部品を実装するための実装導体パターン50a〜50h、接地用導体パターン70a,70bと、第2接続導体パターン60a,60b,60c,60e,60f,60g、コンデンサ搭載用の導体パターン65a〜65dが形成され、下主面には外部回路との接続のための端子導体パターン90(Vcon,Ven,Vdd,Vin,Vout,GND)を備える。本実施例では、LGA(Land Grid Array)タイプの端子構造としている。
そのような磁性体材料としては、例えば、Fe2O3を40.0〜49.8モル%,NiOを20.0〜39.5モル%,CuOを10.0〜20.0モル%,ZnOを2.0〜20.0モル%,CoOを0.3〜6.5モル%含み、これらの酸化物100重量%に対して、Bi2O3を4.0重量%未満含有し、これらのうちNiO,CuO,ZnOの含有比がいずれもモル比で1.0≦NiO/CuO≦3.95,0.5≦CuO/ZnO≦10.0,1.0≦NiO/ZnO≦19.8であるフェライト磁性材料がある。このフェライト磁性材料は、950℃以下で焼結可能であり、そのキュリー温度Tcは120℃以上であって、初透磁率(周波数100kHz)が少なくとも10以上である。また、1MHz〜200MHzの周波数範囲における複素透磁率の実数項が10以上,虚数項が5未満である。
得られたマザー多層基板を電気めっきして、外表面に形成された実装用導体パターン、端子導体パターン、第2接続導体パターン等に、Ni−P、Auめっきを施した。めっき後、実装用導体パターンに半導体集積回路部品IC、コンデンサCin(10μF),Cout(4.7μF)を実装してはんだで接続した。はんだ付けの後、部品搭載面側をエポキシ樹脂で封止し、予め多層基板に形成された分割溝にそって個片に分割し、4.5mm×3.2mm×1.4mmmのDC−DCコンバータとした。
なお、本発明で規定するコイル形成磁性体層部は、本実施例においては、絶縁層S4に形成されたコイル導体と、絶縁層S13に形成されたコイル導体との間の絶縁層部(S4〜S12)である。また、上磁性体層部とは磁性体層S1〜S3であり、下磁性体層部は磁性体層S13,S14となる。
積層コイルの一端は、ビアホールLg1〜Lg3を介して上主面に延出して端子導体パターン50hと接続する。他端は、ビアホールV13o,V14oを介して下主面に延出して端子導体パターンVoutと接続するとともに、ビアホールV1o〜V12o、第2接続導体パターン60eを介して実装用導体パターン50e、及び、コンデンサ搭載用の導体パターン65aと接続される。
本実施例では、インダクタ内蔵部品10の4辺全ての側に、複数の第1接続導体パターンを形成している。このため積層コイルは、その外周側(コイル外側領域)に形成された第1接続導体パターンで囲まれた状態となる。また各側面側には、端子導体パターンGNDと接続する第1接続導体パターンも備える。このように構成することで、第1接続導体パターンによる磁気シールド効果により、インダクタ内蔵部品10の側面側からの磁束の漏れを防いでいる。
通常、積層コイルによって発生した磁場により、コイル内側領域を流れる磁束φの一部は絶縁層を突き貫けて、漏れ磁束φ‘として外部に流れる傾向がある。しかしながら、本願発明の如く構成することにより、磁性体層を貫通して外部に出る漏洩磁束は低減する。このようにして漏れ磁束の発生が抑制され、磁束φは、コイル内側領域からコイル外側領域へと流れるため漏れ磁束は格段に減少する。
上磁性体層部の厚みと、下磁性体層部の厚みとの関係は、透磁率などの磁気特性にもよるが、磁性体層の初透磁率が50以下であれば、上磁性体層部の厚みを下磁性体層部の厚みの1.2倍〜2.0倍とするのが好ましい。漏洩磁束低減のためには、上磁性体層部の厚みを厚く形成するのが好ましい。しかしながら、必要以上に厚くしても単にインダクタ内蔵部品の厚みが増すばかりで、低背化の点で好ましくなく、実用的には2.0倍程度が上限となる。
本実施例においては、コイル内側領域の平面面積は、4.2mm2であり、コイル外側領域の平面面積は4.3mm2とした。また、コイル形成絶縁層部の厚みは0.3mmであり、その上下に位置する上絶縁層部と下絶縁層部の厚みは、それぞれ0.3mmと0.2mmである。
入力電圧Viを3.6Vとし、出力電圧Voを3.2Vとなるように駆動したとき、出力電流Ioが150mAにおいて95%を超える変換効率が得られ、実施例のDC−DCコンバータは比較例の効率と同程度であった。
10 インダクタ内蔵部品
50a,50b,50c,50d,50e,50f,50g,50h 実装用導体パターン
60a,60b,60c,60e,60f,60g 第2接続導体パターン
90 端子導体パターン
Claims (1)
- 複数の磁性体層を積層してなり、相対向する上主面及び下主面と、上下主面間を連結する側面を備えた多層絶縁基板に、コイル形成磁性体層部を挟んで、上下に第1磁性体層部と第2磁性体層部を設け、
第1磁性体層部の主面であって前記上主面に半導体集積回路部品を実装し、
前記コイル形成磁性体層部には、異なる磁性体層に配置されたコイル導体が積層され、ビアホールを介して接続し上下方向に周回する積層コイルを形成し、
前記上主面には、半導体集積回路部品を接続する複数の実装導体が形成され、
前記積層コイルの一端はビアホールを介して前記実装導体の内の第1実装導体と接続し、他端は前記実装導体の内の第2実装導体と接続し、
前記積層コイルによって生じる磁束の方向に位置する第1磁性体層部の厚みを、他方の第2磁性体層部の厚みよりも厚くし、前記第2磁性体層部の主面であって前記下主面には接地用導体が広く形成されており、
前記接地用導体は更に他のビアホールを介して前記実装導体の内の第3実装導体と接続し、もって上下主面からの漏洩磁束を低減したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
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