JP5310857B2 - コイル一体型スイッチング電源モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、1次−2次間の電力伝送・電圧変換機能を有するトランスを備えたコイル一体型スイッチング電源モジュールに関するものである。
複数の基板上に1次巻線及び2次巻線の配線パターンを形成し、それらを積層した多層基板に貫通孔を設け、その両側からフェライトコアで挟みこんだ構造のシートトランスと、それを用いた絶縁型スイッチング電源が特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に開示されている。
図1,図2は、特許文献3の図3,図4を示したものである。図1は絶縁型DC−DCコンバータの等価回路図であり、図2は図1の回路の実装状態を説明する構成斜視図である。配線層20の中央部にはトランスTのコアが実装されると共に、FETやトランジスタ等のスイッチング素子Q1がトランスTの一次側に設けられ、ダイオードD3,D4並びにチョークコイルL1のコア部材がトランスTの二次側に設けられている。配線層20の直下にはシールド層30が介在すると共に、その下層にコイル内部配線層12が設けられている。
コイル内部配線層12は、配線層20の層間接続孔とコイル層10やキャパシタ層40との配線パターンが設けられるもので、配線層20と合算すると二層の配線領域が存在する。
コイル層10はコイル内部配線層12の下層に設けられたもので、ここではトランスTの一次巻線n1と二次巻線n2が積層して設けられると共に、配線層20に実装されたコアTの磁気的影響が及ぶ位置にある。また、チョークコイルL1用の巻線n3もコイル層10に設けられており、チョークコイルL1のコア部材の配置位置に対応した位置にある。キャパシタ層40は、コイル内部配線層12の下層に設けられたもので、ここでは出力コンデンサC2が設けられている。
特許文献3は特許文献1、2と異なり、トランスを構成するコイルパターンは積層基板内部に設けられており、表層には電子部品やフェライトコア等しか実装されていない。こうした構造は、コイルパターン層の外側に配線層、シールド層を必要とするので、表、裏合計で少なくとも4層、コイルに使用できない層ができることになり、コイルの導通抵抗を十分低く設計するには基板の積層数を多くする必要があるが、基板の積層数が増えると基板の製造コストが大幅に増加する問題がある。また、積層数の増加に伴って、基板の厚さも増加し、製品厚さが増加する問題が生じる。一方、トランスやチョークコイルからの漏洩磁束に対しては、漏洩磁束の顕著な部位にノイズ耐量の低い回路を配置しないよう注意すれば、比較的容易に対策できる。そのため、特許文献1、2に示すような、基板表面にもコイルパターンを形成する構造が、より一般的に普及している。
複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成された積層基板と、その積層基板を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアとを備えた、従来のコイル一体型スイッチング電源モジュールにおいては、次の問題があった。
前記コイル一体型スイッチング電源モジュールでは、複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成された積層基板と、その積層基板を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアを用いてトランス、もしくはインダクタを形成するが、前記トランス、もしくはインダクタが大電力を取り扱う場合には、渦状のコイル導体パターンに大電流が流れ、コイル導体パターンが顕著に発熱する。前記コイル導体パターンで発生した熱は、磁性体コア及び積層基板の周囲方向に伝熱して、磁性体コア、積層基板、コイル一体型スイッチング電源モジュールの入出力端子等から外部へ放熱されることになる。
ところが、前記コイル一体型スイッチング電源モジュールは部品点数を削減し、小型化することを一つの目的として構成されるものであり、前記積層基板のサイズも極力小型化される。そのため、全体の小型化に伴い、前記コイル導体パターンで熱集中が発生しやすくなる。コイル導体パターンの熱集中によって積層基板を構成する材料の耐熱温度を超過すると、積層基板の変色や変形を招き、信頼性が大幅に損なわれる。また、コイル導体パターンの近傍に実装された部品にも悪影響を及ぼす事になる。前記コイル一体型スイッチング電源モジュールまたはそれを納める筐体を冷却するためのファンを取り付けられない場合や環境温度が高温である場合には、放熱問題が深刻なものとなる。
本発明の目的は、放熱効果を高めて熱集中を緩和し、積層基板、及び周辺部品の信頼性を高めたコイル一体型スイッチング電源モジュールを提供するものである。
本発明は前記課題を解決するために次のように構成する。
複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成され、前記コイル導体パターンの内側及び外側に孔が形成され、外表面に回路素子実装用電極(ランド)が形成された積層基板と、前記積層基板の前記コイル導体パターンの内側及び外側に形成された孔を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアと、前記回路素子実装用電極に実装された回路素子と、を備えたコイル一体型スイッチング電源モジュールにおいて、
前記積層基板の内層に、前記コイル導体パターンの形成領域及び前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がり、且つ前記磁性体コアが貫通する孔の周囲で閉ループを構成しない(周回しない)熱拡散用導体パターンが形成されている。
複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成され、前記コイル導体パターンの内側及び外側に孔が形成され、外表面に回路素子実装用電極(ランド)が形成された積層基板と、前記積層基板の前記コイル導体パターンの内側及び外側に形成された孔を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアと、前記回路素子実装用電極に実装された回路素子と、を備えたコイル一体型スイッチング電源モジュールにおいて、
前記積層基板の内層に、前記コイル導体パターンの形成領域及び前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がり、且つ前記磁性体コアが貫通する孔の周囲で閉ループを構成しない(周回しない)熱拡散用導体パターンが形成されている。
また、前記コイル導体パターンのうち、少なくとも一つのコイル導体パターンは、ターン数が1で、前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がる拡張コイル導体パターンである。
また、前記積層基板の少なくとも一方の外表面に、外部の放熱部材(ヒートシンクや筐体)へ放熱(伝熱)するための熱結合部材が設けられ、前記熱拡散用導体パターン又は前記拡張コイル導体パターンと前記熱結合部材との間に導体スルーホールが設けられている。
本発明によれば次のような効果を奏する。
積層基板の内層に形成された熱拡散用導体パターン又は拡張コイル導体パターンは熱抵抗が低い。そのため、渦状のコイル導体パターンから発せられる熱は、積層基板の内層に形成された熱拡散用導体パターン又は拡張コイル導体パターンで四方へ効率的に拡散される。したがって、積層基板のコイル導体パターンの形成領域のみが集中的に高温になることが解消され、コイル一体型スイッチング電源モジュール全体の温度が低く保たれる。
積層基板の内層に形成された熱拡散用導体パターン又は拡張コイル導体パターンは熱抵抗が低い。そのため、渦状のコイル導体パターンから発せられる熱は、積層基板の内層に形成された熱拡散用導体パターン又は拡張コイル導体パターンで四方へ効率的に拡散される。したがって、積層基板のコイル導体パターンの形成領域のみが集中的に高温になることが解消され、コイル一体型スイッチング電源モジュール全体の温度が低く保たれる。
また、前記熱拡散用導体パターン又は拡張コイル導体パターンの熱は前記スルーホール及び前記熱結合部材を介して外部へ効率良く放熱される。
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて、図3〜図13を参照して説明する。
図3はコイル一体型スイッチング電源モジュールの分解断面図である。コイル一体型スイッチング電源モジュールに備えられている積層基板は、この例では5つの両面基板B1,B2,B3,B4,B5を有し、隣接する両面基板の間にはプリプレグが充填されている。このように積層基板は5つの両面基板を備えているため、積層基板は10層(層S1〜S10)を有することになる。
第1の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて、図3〜図13を参照して説明する。
図3はコイル一体型スイッチング電源モジュールの分解断面図である。コイル一体型スイッチング電源モジュールに備えられている積層基板は、この例では5つの両面基板B1,B2,B3,B4,B5を有し、隣接する両面基板の間にはプリプレグが充填されている。このように積層基板は5つの両面基板を備えているため、積層基板は10層(層S1〜S10)を有することになる。
前記層S1〜S10のうち、最外層である第1層S1及び第10層S10には回路素子実装用電極(ランド)が形成されていて、その電極に回路素子CEが実装されている。また、第1層−第2層間、及び第9層−第10層間にはインナービアホールが形成できるため、第2層、第9層のパターンはそれぞれ、第1層、第10層と容易に接続する事ができる。そのため、第2層S2及び第9層S9には前記回路素子の電気的接続をとるための配線パターンが数多く張り巡らされている。
そのため、第1層、第2層、第9層、及び第10層には大きな範囲に亘って熱拡散用導体パターンを形成することは実質上できない。
第1層、第2層、第9層、及び第10層以外の内部の層には数多くの配線パターンを張り巡らせる必要がないので、前記内部の層には他の配線パターンの形成に制約を与えることなく、前記熱拡散用導体パターンを形成することができる。
第1の実施形態では、熱拡散用導体パターンを最も内部の層である層S6に形成されている。その他の層S1〜S5,S7〜S10には渦状のコイル導体パターンが形成されている。
前記積層基板には、コイル導体パターンの内側及び外側に孔が形成され、これらの孔を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアが設けられている。図3においては中央の磁脚106b及び磁性体コア107が表れている。
図4〜図13は、図3に示した層S1〜S10に形成されている導体パターンの平面図である。但し、何れの層についても積層基板の一方から見た図である。また、主要な導体パターン(特にコイル導体パターン)について示していて、その他の導体パターンについては図示を省略している。図4〜図13のいずれにおいても、孔H1,H2,H3は前記磁性体コアの脚部が貫通する孔である。
図4に示すように、層S1には孔H2の周囲に渦状の4ターンのコイル導体パターンL11が形成されている。このコイル導体パターンL11の外周端に導体スルーホールPTH11、内周端に導体スルーホールPTH12が形成されている。
図5に示すように、層S2には孔H2の周囲に渦状の3ターンのコイル導体パターンL12が形成されている。このコイル導体パターンL12の内周端に導体スルーホールPTH12、外周端に導体スルーホールPTH13が形成されている。
このように前記コイル導体パターンL11,L12は導体スルーホールPTH12を介して直列接続され、合計7ターンのコイルが構成されている。
図6に示すように、層S3には孔H2の周囲に4ターンの渦状のコイル導体パターンL21が形成されている。このコイル導体パターンL21の外周端に導体スルーホールPTH21、内周端に導体スルーホールPTH22が形成されている。
図7に示すように、層S4には孔H2の周囲に渦状の4ターンのコイル導体パターンL22が形成されている。このコイル導体パターンL22の内周端に導体スルーホールPTH22、外周端に導体スルーホールPTH23が形成されている。
このように前記コイル導体パターンL21,L22は導体スルーホールPTH22を介して直列接続され、合計8ターンのコイルが構成されている。
図8に示すように、層S5には孔H2の周囲に渦状の7ターンのコイル導体パターンL30が形成されている。このコイル導体パターンL30の外周端に導体スルーホールPTH13、内周端に導体スルーホールPTH32が形成されている。
図9に示すように、層S6には孔H2の周囲に熱拡散用導体パターンE60が形成されている。この熱拡散用導体パターンE60は、前記コイル導体パターンの形成領域及び前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がっている。この例では、熱拡散用導体パターンE60は基板の周囲にまで拡張されている。また、熱拡散用導体パターンE60は、一部にスリットSL1を設けていて、磁性体コアが貫通する孔H2の周囲で閉ループを構成しない(周回しない)。
層S6には、前記熱拡散用導体パターンE60の他に導体パターンE61が形成されている。また、導体パターンE61の第1の端部に導体スルーホールPTH32、第2の端部に導体スルーホールPTH11がそれぞれ形成されている。層S5に形成されたコイル導体パターンL30は導体スルーホールPTH32を介して層S6の戻り線E61に直列接続され、7ターンのコイルが構成されている。
図10に示すように、層S7には孔H2の周囲に渦状の4ターンのコイル導体パターンL41が形成されている。このコイル導体パターンL41の外周端に導体スルーホールPTH21、内周端に導体スルーホールPTH42が形成されている。
図11に示すように、層S8には孔H2の周囲に渦状の4ターンのコイル導体パターンL42が形成されている。このコイル導体パターンL42の内周端に導体スルーホールPTH42、外周端に導体スルーホールPTH23が形成されている。
このように前記コイル導体パターンL41,L42は導体スルーホールPTH42を介して直列接続され、合計8ターンの1つのコイルが構成されている。
図12に示すように、層S9には孔H2の周囲に渦状の3ターンのコイル導体パターンL51が形成されている。このコイル導体パターンL51の外周端に導体スルーホールPTH11、内周端に導体スルーホールPTH52が形成されている。
図13に示すように、層S10には孔H2の周囲に渦状の4ターンのコイル導体パターンL52が形成されている。このコイル導体パターンL52の内周端に導体スルーホールPTH52、外周端に導体スルーホールPTH13が形成されている。
このように前記コイル導体パターンL51,L52は導体スルーホールPTH52を介して直列接続され、合計7ターンの1つのコイルが構成されている。
前記コイル導体パターンL11,L12の直列接続で構成された7ターンのコイル、前記コイル導体パターンL30と戻り線E61の直列接続で構成された7ターンのコイル、コイル導体パターンL51,L52の直列接続で構成された7ターンのコイルは、導体スルーホールPTH11,PTH13を介して並列接続され、7ターンの1次コイルが構成されている。
前記コイル導体パターンL21,L22の直列接続で形成された8ターンのコイル、前記コイル導体パターンL41,L42の直列接続で形成された8ターンのコイルは導体スルーホールPTH21、PTH23を介して並列接続され、8ターンの2次コイルが構成されている。
前記7ターンの1次コイルと前記8ターンのコイルがサンドイッチ構造になるように積層され、同一の磁性体コアで磁気結合される事で、結合度の良いプリントコイルトランスが構成される。
積層基板の内層に熱拡散用導体パターンE60を形成したことにより、渦状のコイル導体パターンL11,L12,L21,L22,L30,L41,L42,L51,L52から発せられる熱は、熱拡散用導体パターンE60で四方へ効率的に拡散され、更に積層構造を介して基板の最外層に伝導され、スイッチング電源モジュールの外部に放散される。したがって、積層基板のコイル導体パターンの形成領域のみが集中的に高温になることが解消され、コイル一体型スイッチング電源モジュール全体の温度が低く保たれる。
また、前記スリットSL1の存在により、熱拡散用導体パターンE60は、磁性体コアが貫通する孔の周囲で閉ループを構成しない(周回しない)。そのため、渦電流が熱拡散用導体パターンE60に流れず、渦電流によるエネルギー損失が無く、電力変換効率の低下及び発熱量の増大が無い。
また、熱拡散用導体パターンE60を最も外側の基板B1,B5以外の層に形成したので、熱拡散のための特別な層を設ける必要がなく、積層基板の積層数が増すこともない。
図3に示した基板B1,B2,B4,B5にはそれぞれの両面にコイル導体パターンを形成している。これに対して、基板B3の一方の面である層S5に渦状のコイル導体パターンを形成し、裏面の層S6には層S5のコイル内側から外側への戻り線部E61を除き、ほぼ全面に熱拡散用導体パターンが形成されている。
層S5に形成された渦状コイルパターンは、基板B1,B5に形成されたコイルパターンと並列接続され、コイル電流を分担する。このような構造にする事で熱拡散用パターンE60が形成された層S6の裏面である層S5が有効利用され、コイルの抵抗が軽減されるとともに、サンドイッチ構造の積層数が増すことでプリントコイルトランスの結合度が向上する。
《第2の実施形態》
第2の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて図14を参照して説明する。図14は第2の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールに備えられる積層基板の層S6に形成されている導体パターンの平面図である。この層S6は第1の実施形態で図9に示した層S6に相当するが、導体パターンは異なる。その他の層の導体パターンについては第1の実施形態で示したものと同様である。
第2の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて図14を参照して説明する。図14は第2の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールに備えられる積層基板の層S6に形成されている導体パターンの平面図である。この層S6は第1の実施形態で図9に示した層S6に相当するが、導体パターンは異なる。その他の層の導体パターンについては第1の実施形態で示したものと同様である。
図14に示すように、層S6には孔H2の周囲に拡張コイル導体パターンE62が形成されている。この拡張コイル導体パターンE62は、他の複数の層に形成されているコイル導体パターンの形成領域及び前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がっている。この例では、拡張コイル導体パターンE62は基板の周囲にまで拡張されている。拡張コイル導体パターンE62は、孔H2の周囲を周回する1ターンのコイルである。この拡張コイル導体パターンE62の一方の端部に導体スルーホールPTH34、他方の端部に導体スルーホールPTH35がそれぞれ形成されている。これらの導体スルーホールPTH34,PTH35に繋がる回路が拡張コイル導体パターンE62を1ターンのコイルとして利用する。
以上に示したように、積層基板の内層に拡張コイル導体パターンE62を形成したことにより、他の層に形成されている複数のコイル導体パターンから発せられる熱は、拡張コイル導体パターンE62で四方へ効率的に拡散される。したがって、積層基板のコイル導体パターンの形成領域のみが集中的に高温になることが解消され、コイル一体型スイッチング電源モジュール全体の温度が低く保たれる。その他の作用効果についても第1の実施形態の場合と同様である。
《第3の実施形態》
第3の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて図15を参照して説明する。図15は第3の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュール100が設けられた電子機器の断面図である。図15において積層基板LBは第1の実施形態に示したコイル一体型スイッチング電源モジュールの積層基板である。この積層基板LBと磁性体コア106,107とによってコイル一体型スイッチング電源モジュール100が構成されている。
第3の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュールについて図15を参照して説明する。図15は第3の実施形態に係るコイル一体型スイッチング電源モジュール100が設けられた電子機器の断面図である。図15において積層基板LBは第1の実施形態に示したコイル一体型スイッチング電源モジュールの積層基板である。この積層基板LBと磁性体コア106,107とによってコイル一体型スイッチング電源モジュール100が構成されている。
積層基板LBの内部には、第1の実施形態で示したとおり、熱拡散用導体パターンE60が設けられている。積層基板LBの上面には熱結合部材HCの実装用電極が形成されていて、その実装用電極に熱結合部材HCが実装されている。
前記実装用電極と前記熱拡散用導体パターンE60との間には導体スルーホールPTHが形成されている。この導体スルーホールPTHは前記実装用電極と前記熱拡散用導体パターンE60とを熱的に結合する伝熱部材として作用する。
熱結合部材HCとヒートシンクHSとの間には伝熱絶縁シートISを介在させている。
熱結合部材HCとヒートシンクHSとの間には伝熱絶縁シートISを介在させている。
このような構造により、熱拡散用導体パターンE60によって拡散されようとする熱は(その大部分は)導体スルーホールPTH→熱結合部材HC→伝熱絶縁シートIS→ヒートシンクHSの経路で伝熱されて、外部へ効率よく放熱される。
熱拡散用導体パターンE60の熱は前記の流れによって放熱されるので、基板の全面に亘って設ける必要がなく、少なくともコイル導体パターンの形成領域に設ければよい。
なお、図15に示した例では、熱拡散用導体パターンE60の熱を外部へ導くようにしたが、第2の実施形態で示したように、拡張コイル導体パターン(図14に示した拡張コイル導体パターンE62)に対しても同様に、その熱を外部へ導くように構成してもよい。
また、図15に示した例では、外部への放熱用部材としてヒートシンクHSを設けたが、電子機器の筐体を放熱用部材に兼用してもよい。
B1,B2,B3,B4,B5…基板
CE…回路素子
E60…熱拡散用導体パターン
E61…導体パターン
E62…拡張コイル導体パターン
H1,H2,H3…孔
HC…熱結合部材
HS…ヒートシンク
IS…伝熱絶縁シート
L11,L12,L21,L22,L30,L41,L42,L51,L52…コイル導体パターン
LB…積層基板
PTH…導体スルーホール
PTH11,PTH12,PTH13…導体スルーホール
PTH21,PTH22,PTH23…導体スルーホール
PTH32…導体スルーホール
PTH34,PTH35…導体スルーホール
PTH42…導体スルーホール
PTH52…導体スルーホール
S1〜S10…層
S1,S10…最外層
SL1…スリット
100…コイル一体型スイッチング電源モジュール
106,107…磁性体コア
106aa,106ab,106b,106ca,106cb…磁脚部分
CE…回路素子
E60…熱拡散用導体パターン
E61…導体パターン
E62…拡張コイル導体パターン
H1,H2,H3…孔
HC…熱結合部材
HS…ヒートシンク
IS…伝熱絶縁シート
L11,L12,L21,L22,L30,L41,L42,L51,L52…コイル導体パターン
LB…積層基板
PTH…導体スルーホール
PTH11,PTH12,PTH13…導体スルーホール
PTH21,PTH22,PTH23…導体スルーホール
PTH32…導体スルーホール
PTH34,PTH35…導体スルーホール
PTH42…導体スルーホール
PTH52…導体スルーホール
S1〜S10…層
S1,S10…最外層
SL1…スリット
100…コイル一体型スイッチング電源モジュール
106,107…磁性体コア
106aa,106ab,106b,106ca,106cb…磁脚部分
Claims (4)
- 複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成され、前記コイル導体パターンの内側及び外側に孔が形成され、外表面に回路素子実装用電極が形成された積層基板と、前記積層基板の前記コイル導体パターンの内側及び外側に形成された孔を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアと、前記回路素子実装用電極に実装された回路素子と、を備えたコイル一体型スイッチング電源モジュールにおいて、
前記積層基板の内層に、前記コイル導体パターンの形成領域及び前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がり、且つ前記磁性体コアが貫通する孔の周囲で閉ループを構成しない熱拡散用導体パターンが形成された、コイル一体型スイッチング電源モジュール。 - 複数の層に渦状のコイル導体パターンが形成され、前記コイル導体パターンの内側及び外側に孔が形成され、外層に回路素子実装用電極が形成された積層基板と、前記積層基板の前記コイル導体パターンの内側及び外側に形成された孔を貫通して閉磁路を構成する磁性体コアと、前記回路素子実装用電極に実装された回路素子と、を備えたコイル一体型スイッチング電源モジュールにおいて、
前記コイル導体パターンのうち、少なくとも一つのコイル導体パターンは、ターン数が1で、前記コイル導体パターンの形成領域より外側に連続的に広がる拡張コイル導体パターンである、コイル一体型スイッチング電源モジュール。 - 前記積層基板の少なくとも一方の外表面に、外部の放熱部材へ放熱するための熱結合部材が設けられ、前記熱拡散用導体パターンと前記熱結合部材との間に導体スルーホールが設けられた、請求項1に記載のコイル一体型スイッチング電源モジュール。
- 前記積層基板の少なくとも一方の外表面に、外部の放熱部材へ放熱するための熱結合部材が設けられ、前記拡張コイル導体パターンと前記熱結合部材との間に導体スルーホールが設けられた、請求項2に記載のコイル一体型スイッチング電源モジュール。
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