JP5409242B2

JP5409242B2 - インダクタ及びインダクタの製造方法

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Publication number: JP5409242B2
Application number: JP2009233496A
Authority: JP
Inventors: 道夫堀内; 幸男清水; 和成関川; 壮小林
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: US20110080247A1; JP2011082346A; US8134444B2

Description

本発明はコイル構造体よりなるインダクタ及びその製造方法に関する。

半導体パッケージ内の電子回路にはインダクタを必要とするものが多い。半導体パッケージのパッケージ基板に小型のインダクタを組み込むには、以下のような方法がある。

１）パッケージ基板にザグリ加工を施し、インダクタとしてのコイル部品をザグリ穴に入れ込んでパッケージ基板中に埋め込む。

２）パッケージ基板内に平面配線で渦巻き型平面パターンを形成する。

３）パッケージ基板内のヴィア導体と平面配線を用いて立体的な矩形状コイル構造を形成する。

上述の１）の方法は、単品で形成された表面実装用のチップコイルをパッケージ基板内に埋め込むものである。したがって、チップコイルを埋め込むためのスペースをパッケージ基板内に確保しなければならず、パッケージ基板のサイズが大きくなってしまい、半導体パッケージの小型化を制限してしまう。

上述の２）の方法では、パッケージ基板内の配線を用いて平面コイルを形成することで、パッケージ基板の製造工程においてインダクタをパッケージ基板内に形成する。パッケージ基板にチップコイルを埋め込む構成よりはパッケージ基板のサイズを小さくすることができるが、平面状の渦巻き型コイルであるため、インダクタンスを大きくすることが難しい。

上述の３）の方法では、パッケージ基板内で垂直に延在するヴィア導体及び平面配線を用いて立体的にコイルを形成することで、パッケージ基板の製造工程においてインダクタをパッケージ基板内に形成する。パッケージ内に平面状のコイルを形成した構成よりはインダクタンスを大きくすることができるが、コイルを形成するための工程数が多くなり、パッケージ基板の製造コストが上昇してしまう。

そこで、上述の３）の方法のように基板製造技術を用いて立体的なコイルが形成された小さなチップ型のコイル構造体を形成し、これをインダクタとしてパッケージ基板に埋め込むことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、小さな絶縁基板中に複数の貫通導体を形成し、絶縁基板の表面及び裏面に形成した配線パターンで貫通導体を繋いで立体的なコイルを形成し、単品のコイル構造体として小型のインダクタを形成する。

特開平２００７−５３３１１号公報

特許文献１に開示されたコイル構造体では、絶縁基板中にヴィア導体等の貫通導体を形成する必要があるため、絶縁基板中に形成できる貫通導体の密度に制限されてコイル構造体をそれ以上小さくすることが難しい。また、コイルの巻数を変更してインダクタンスを調整するためには、絶縁基板中に形成する貫通導体の数を変更しなければならず、異なるインダクタンスを有するインダクタを形成するためには絶縁基板から作り直さなければならない。

したがって、貫通導体の密度を非常に大きくしてコイル構造体を小型化でき、インダクタンスを容易に変更することのできる技術の開発が望まれている。

本発明の一実施態様によれば、各々が絶縁材で包囲されて互いに絶縁され、表面と裏面との間を貫通して延在する多数の微細な柱状導電体を含むコア基板と、前記コア基板の前記表面に形成された第１の絶縁層及び前記裏面に形成された第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層を貫通して形成され、前記柱状導電体の一端に電気的に接続された、少なくとも２つの第１の接続導電体と、前記第２の絶縁層を貫通して形成され、前記柱状導電体の他端に電気的に接続された、少なくとも２つの第２の接続導電体と、前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の接続導電体同士を電気的に接続する第１の配線と、前記第２の絶縁層の上に形成され、前記第２の接続導電体同士を電気的に接続する第２の配線と、を有し、前記柱状導電体はニッケルから形成され、前記第１及び第２の接続導電体の各々は、複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備え、前記第１の配線と、前記第１の接続導電体と、前記柱状導電体と、前記第２の接続導電体と、前記第２の配線とが接続されて立体的にコイルが形成され、前記コイルの内部において、前記コア基板には、前記第１及び第２の接続導電体に接続されない電気的に孤立した柱状導電体が配置されていることを特徴とするインダクタが提供される。

本発明の他の実施態様によれば、互いに絶縁された複数のニッケルから形成された微細な柱状導電体が厚み方向に延在するコア基板を準備し、前記コア基板の第１の面に第１の絶縁層を形成し、且つ前記コア基板の前記第１の面の反対側の第２の面に第２の絶縁層を形成し、前記第１の絶縁層を貫通して前記柱状導電体の一端に電気的に接続し複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備えた少なくとも２つの第１の接続導電体を形成し、且つ前記第２の絶縁層を貫通して前記柱状導電体の他端に電気的に接続し複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備えた少なくとも２つの第２の接続導電体を形成し、前記第１の絶縁層上に第１の配線を形成して前記第１の接続導電体同士を接続し、且つ前記第２の絶縁層上に第２の配線を形成して前記第２の接続導電体同士を接続し、前記第１の配線と、前記第１の接続導電体と、前記柱状導電体と、前記第２の接続導電体と、前記第２の配線とが接続された立体的なコイルを、前記コイルの内部において、前記コア基板に前記第１及び第２の接続導電体に接続されない電気的に孤立した柱状導電体が配置されるように形成することを特徴とするインダクタの製造方法が提供される。

上述の発明によれば、コア基板中で配列された柱状導電体の密度を非常に大きくすることができるので、コイル構造体を小型化できる。また、ヴィアに接続された柱状導電体のみがコイルの一部として機能するため、コイルの形状を容易に変更することができ、インダクタンスを容易に変更することができる。

本発明の一実施形態によるインダクタの断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１に示すインダクタの一部を模式的に示す斜視図である。インダクタ中に形成されたコイルの形状を示す図である。図１に示すコア基板と同じ構成の基板の平面図である。アルミナのグリーンシートを用いてコア基板を製造し、そのコア基板を用いてインダクタを形成する製造工程のフローチャートである。アルミニウム板を陽極酸化して多数の微細な孔を有するコア基板を形成する工程を示すフローチャートである。樹脂で被覆した金属線を束ねて一体に成形してコア基板を製造する工程を示す図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の一実施形態によるインダクタの概略構成について説明する。図１は本発明の一実施形態によるインダクタの平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

本発明の一実施形態によるインダクタは、多数の柱状導電体２を含むコア基板４と、コア基板４の表面及び裏面に形成された絶縁層６，８と、絶縁層６，８上にそれぞれ形成された配線１０−１，１０−２，１０−３，１２−１，１２−２，１２−３とを含む。配線１０−１，１０−２，１０−３を総称して配線１０と称し、配線１２−１，１２−２，１２−３を総称して配線１２と称することもある。

コア基板４は絶縁材料中に、金属等の導電材料により形成された多数の柱状導電体２が形成された基板である。コア基板４の絶縁材料は後述のように無機材料でもよく、あるいは樹脂等の有機材料でもよい。コア基板４の厚みは、その製造方法により変わるが、例えば、１００μｍ〜５００μｍ程度の厚みとすることができる。

柱状導電体２は、例えば直径が２０μｍ以下の微細な金属線又は金属部材であり、その一本一本は絶縁材料により包囲されて絶縁されている。すなわち、コア基板４において、多数の柱状導電体２は各々が互いに絶縁されて電気的に孤立している。コア基板４における柱状導電体２の密度はなるべく大きいほうがよく、コア基板４の表面における柱状導電体２の配列は、各柱状導電体２が絶縁材料により絶縁されながら六方最密充填構造となっていることが好ましい。また、コア基板４における柱状導電体２の密度を大きくするために、柱状導電体２の直径を２０μｍ以下とすることが好ましい。直径が２０μｍ以下というように微細な径の柱状導電体２は、通常の基板の厚み方向に延在するヴィアで形成することはできないが、後述する方法により容易に形成することができる。

絶縁層６，８は絶縁材料により形成される。絶縁層６，８の絶縁材料としては、例えば、ビルドアップ基板を形成する際に用いられるエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材料を用いることができる。絶縁層６，８の厚みは、例えば、２０μｍ〜５０μｍである。

絶縁層６，８の中には、ヴィア６ａ、８ａが形成される。ヴィア６ａ，８ａはそれぞれ絶縁層６，８を貫通して延在する接続導電体である。コア基板４の表面に形成された絶縁層６に形成されたヴィア６ａは、その一端がコア基板４の表面に露出している柱状導電体２に接続される。ヴィア６ａは一本の柱状導電体２の断面よりはるかに大きな断面を有しており、一つのヴィア６ａの一端は複数の柱状導電体２に接続される。ヴィア６ａの他端は、絶縁層６上に形成された配線１０に接続される。また、コア基板４の裏面に形成された絶縁層８に形成されたヴィア８ａは、その一端がコア基板４の裏面に露出している柱状導電体２に接続される。ヴィア８ａは一本の柱状導電体２の断面よりはるかに大きな断面を有しており、一つのヴィア８ａの一端は複数の柱状導電体２に接続される。ヴィア８ａの他端は、絶縁層８上に形成された配線１２に接続される。

図４は、上述のインダクタの一部を模式的に示す斜視図である。図４において、コア基板４の中が透視して示されている。コア基板４の中には多数の柱状導電体２が配置されており、柱状導電体２の周囲は絶縁材料で埋められている。したがって、柱状導電体２の各々は絶縁材料で絶縁されており、電気的に孤立した状態である。

コア基板４の表面には絶縁層６が形成されており、絶縁層６の上に配線１０が形成されている。配線１０の端部に相当する位置において、絶縁層６を貫通するヴィア６ａが形成されている。ヴィア６ａの一端は配線１０に接続され、他端は複数の柱状導電体２に接続されている。図４には現れないが、コア基板４の裏面には絶縁層８が形成されており、絶縁層８の上に配線１２が形成されている。配線１２の端部に相当する位置において、絶縁層８を貫通するヴィア８ａが形成されている。ヴィア８ａの一端は配線１２に接続され、他端は複数の柱状導電体２に接続されている。

上述の構成のインダクタにおいて、配線１０と、ヴィア６ａと、複数の柱状導電体２と、ヴィア８ａと、配線１２とで矩形状のコイルが立体的に形成される。図５はコイルの立体的なイメージを示す簡略図である。絶縁層６上で水平に延在する配線１０−１の一端は、絶縁層６中で垂直に延在するヴィア６ａに接続される。ヴィア６ａはコア基板４中で垂直に延在する複数の柱状導電体２に接続される。複数の柱状導電体２は、絶縁層８中で垂直に延在するヴィア８ａに接続される。そして、ヴィア８ａは絶縁層８上で水平に延在する配線１２−１の一端に接続される。配線１２−１の他端は、絶縁層８中で垂直に延在するヴィア８ａに接続される。ヴィア８ａはコア基板４中で垂直に延在する複数の柱状導電体２に接続される。複数の柱状導電体２は、絶縁層６中で垂直に延在するヴィア６ａに接続される。そして、ヴィア６ａは絶縁層６上で水平に延在する配線１０−２の一端に接続される。以上の構成で立体的なコイルの一巻が形成されている。

図１〜図３に示すインダクタでは、以上のように表側の配線１０−１から裏側の配線１２−３までが接続されて三巻のコイルが形成されているが、配線１０，１２及びヴィア６ａ，８ａを増やすことで、コイルの巻数を図５に示すように任意の数に増やすことができる。

ここで、コイルを形成するための配線方法について説明する。コイルの垂直方向に延在する部分は、コア基板４の中の多数の柱状導電体２のうちの一部に相当する。すなわち、ヴィア６ａ，８ａに接続される複数の柱状導電体２のみがコイルの垂直方向に延在する部分となり、ヴィア６ａ，８ａに接続されない柱状導電体２はコイルの形成には寄与せず、単にコア基板４の中で電気的に孤立した状態になっている。すなわち、ヴィア６ａ，８ａを形成した部分の柱状導電体２のみがコイルの垂直方向に延在する部分として自動的に選択される。したがって、コイルの垂直方向に延在する部分を予めコア基板４中に形成しておく必要はなく、任意の位置の柱状導電体２をコイルの垂直方向に延在する部分として用いることができる。これにより、コイルの設計の自由度を大きくすることができる。

図６はコア基板４と同じ構成の基板の平面図であり、コイルを形成するための配線例が示されている。図６において、基板の表面側の配線が太い実線で示され、裏面側の配線が太い点線で示されている。また、絶縁層に形成されるヴィアが円形で示されている。図６において基板全体に示された多数の円形は、ヴィアを形成することのできる領域を示すものであり、これらの円形の中から任意位置の円形を選択して、その位置において絶縁層にヴィアを形成すれば、任意の形状のコイルを立体的に形成することができる。

次に、上述のコア基板４の製造方法について説明する。上述のように、コア基板４は、絶縁材料中に金属等の導電材料により形成された柱状導電体２が配置されて形成された基板である。柱状導電体２の直径は非常に小さく、例えば２０μｍ以下である。このような柱状導電体２が絶縁材料の中に多数配列された基板を製造する必要がある。コア基板４の表面をみたときに、柱状導電体２が最密六方充填構造となっていることが好ましい。最密六方充填構造とすることにより、一定の面積の中に配列する柱状導電体２の数を最大にすることができる。

上述のような構成のコア基板４を製造するために、コア基板４の基材としてアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）のグリーンシートを用いることができる。図７はアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）のグリーンシートを用いてコア基板４を製造してから、そのコア基板４を用いてインダクタを形成する製造工程のフローチャートである。まず、例えば、厚さ７０μｍ〜１００μｍ程度のアルミナのグリーンシートを準備する（ステップＳ１）。そして、アルミナのグリーンシートの全体に、パンチャ等で微小な貫通孔を形成する（ステップＳ２）。このとき、貫通孔の配列を最密六方充填構造とすることが好ましい。その後、貫通孔に銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の導電性ペーストを充填する（ステップＳ３）。そして、グリーンシートをコア基板４の大きさに切断してコア基板４が完成する（ステップＳ４）。続いて、コア基板４の表面及び裏面に、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等を塗布して絶縁層６，８を形成する（ステップＳ５）。次に、フォトリソグラフィを用いて絶縁層６，８の予め定められた位置にヴィアホールを形成する（ステップＳ６）。そして、めっき法等を用いてヴィアホールに銅（Ｃｕ）等の金属を充填してヴィア６ａ，８ａを形成する（ステップＳ７）。最後に、絶縁層６，８の上に銅（Ｃｕ）等の配線１０，１２を形成して所定のヴィア６ａ，８ａを接続し（ステップＳ８）、インダクタが完成する。

上述の方法では、貫通孔の直径及び密度は、パンチャによる加工で制限される。しかし、アルミニウム板を陽極酸化して微細な孔を形成する方法を用いれば、パンチャにより加工した貫通孔よりもはるかに小さな径の貫通孔を大きな密度で有するコア基板を製造することができる。図８はアルミニウム板を陽極酸化してコア基板に微細な孔を形成する工程を示すフローチャートである。

まず、一方の面が絶縁被膜されたアルミニウム（Ａｌ）基板を準備する（ステップＳ１１）。次に、アルミニウム基板の表面を洗浄した後、電解液中に浸漬し、アルミニウム基板を陽極酸化する（ステップＳ１２）。電解液として、硫酸水溶液を用いることが好ましい。この際、アルミニウム基板を陽極とし、これに対向して配置される白金（Ｐｔ）電極を陰極として通電する（パルス電圧を印加する）ことによりアルミニウム基板の陽極酸化を行なう。これにより、アルミニウム基板の表面に多孔質の酸化アルミニウム膜が形成される。このようにして形成した酸化アルミニウム膜には、径が３０ｎｍ〜１μｍ程度の多数の孔が形成される。この多数の孔は最密六方充填構造の配列となっている。続いて、陽極酸化とは逆電位の電圧を各電極に印加（アルミニウム基板を陰極とし、白金電極を陽極として通電）することで、多孔質の酸化アルミニウム膜をアルミニウム基板から分離する（ステップＳ１３）。以上の工程がコア基板の基材となる、多数の微小な貫通孔を有する誘電体基板を製造する工程である。

続いて、誘電体基板の貫通孔に金属材料を充填して柱状導電体を形成する（ステップＳ１４）。充填する金属材料としては、導電性の良好な材料であればよいが、めっき法を用いて容易に充填できるという観点から、銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）を用いることが好ましい。すなわち、めっき法により銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）を貫通孔に充填することが好ましい。あるいは、他の方法として、貫通孔に銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の導電性ペーストを充填することとしてもよい。さらに必要に応じて、貫通孔に金属を充填した誘電体基板の両面を、機械研磨、化学機械研磨（ＣＭＰ）等により研磨して平坦化し、各柱状導電体の両端を誘電体基板の両面に露出させる。以上の工程により、コア基板が完成する。コア基板が完成した後は、図７に示すステップＳ５〜Ｓ８の処理を行ない、コア基板を用いてインダクタを形成する。

さらに他の方法でコア基板を製造することもできる。図９は樹脂で被覆した金属線を束ねて一体に成形してコア基板を製造する工程を示す図である。

まず、銅線等の金属線２２の外周に半硬化性樹脂等の被覆樹脂２４を被覆した被覆ワイヤ２０を多数準備し、これを束ねて被覆樹脂２４を硬化させて一体化する。そして、被覆ワイヤ一体品２６を所定の厚みに切断して、被覆樹脂２４中に多数の金属線２２がその厚み方向に延在したコア基板４を形成する。コア基板４が完成した後は、図７に示すステップＳ５〜Ｓ８の処理を行ない、コア基板を用いてインダクタを形成する。

２柱状導電体
４コア基板
６，８絶縁層
６ａ，８ａヴィア
１０，１０−１，１０−２，１０−３，１２，１２−１，１２−２，１２−３配線
２０被覆ワイヤ
２２金属線
２４樹脂被覆
２６被覆ワイヤ一体品

Claims

各々が絶縁材で包囲されて互いに絶縁され、表面と裏面との間を貫通して延在する多数の微細な柱状導電体を含むコア基板と、
前記コア基板の前記表面に形成された第１の絶縁層及び前記裏面に形成された第２の絶縁層と、
前記第１の絶縁層を貫通して形成され、前記柱状導電体の一端に電気的に接続された、少なくとも２つの第１の接続導電体と、
前記第２の絶縁層を貫通して形成され、前記柱状導電体の他端に電気的に接続された、少なくとも２つの第２の接続導電体と、
前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の接続導電体同士を電気的に接続する第１の配線と、
前記第２の絶縁層の上に形成され、前記第２の接続導電体同士を電気的に接続する第２の配線と、
を有し、
前記柱状導電体はニッケルから形成され、
前記第１及び第２の接続導電体の各々は、複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備え、
前記第１の配線と、前記第１の接続導電体と、前記柱状導電体と、前記第２の接続導電体と、前記第２の配線とが接続されて立体的にコイルが形成され、
前記コイルの内部において、前記コア基板には、前記第１及び第２の接続導電体に接続されない電気的に孤立した柱状導電体が配置されていることを特徴とするインダクタ。
請求項１記載のインダクタであって、
前記柱状導電体の各々の直径は２０μｍ以下であり、前記柱状導電体は六方最密充填構造となるように前記コア基板中に配列されていることを特徴とするインダクタ。
請求項１又は２記載のインダクタであって、
前記コア基板は、無機絶縁材料中に前記柱状導電体が近接して配置された構造であることを特徴とするインダクタ。
請求項３記載のインダクタであって、
前記無機絶縁材料はアルミニウムの陽極酸化物であり、該陽極酸化物に形成された多数の微細な孔に導電材料が充填されて前記柱状導電体が形成されたことを特徴とするインダクタ。
請求項１又は２記載のインダクタであって、
前記コア基板は、樹脂材料中に前記柱状導電体として金属線が近接して配置された構造であることを特徴とするインダクタ。
互いに絶縁された複数のニッケルから形成された微細な柱状導電体が厚み方向に延在するコア基板を準備し、
前記コア基板の第１の面に第１の絶縁層を形成し、且つ前記コア基板の前記第１の面の反対側の第２の面に第２の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層を貫通して前記柱状導電体の一端に電気的に接続し複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備えた少なくとも２つの第１の接続導電体を形成し、且つ前記第２の絶縁層を貫通して前記柱状導電体の他端に電気的に接続し複数の前記柱状導電体を含む大きさの断面を備えた少なくとも２つの第２の接続導電体を形成し、
前記第１の絶縁層上に第１の配線を形成して前記第１の接続導電体同士を接続し、且つ前記第２の絶縁層上に第２の配線を形成して前記第２の接続導電体同士を接続し、
前記第１の配線と、前記第１の接続導電体と、前記柱状導電体と、前記第２の接続導電体と、前記第２の配線とが接続された立体的なコイルを、前記コイルの内部において、前記コア基板に前記第１及び第２の接続導電体に接続されない電気的に孤立した柱状導電体が配置されるように形成する
ことを特徴とするインダクタの製造方法。
請求項６記載のインダクタの製造方法であって、
絶縁基板にパンチャにより複数の貫通孔を形成し、該貫通孔に導電材料を充填して前記コア基板を形成することを特徴とするインダクタの製造方法。
請求項６記載のインダクタの製造方法であって、
アルミニウム基板を陽極酸化して多孔質の酸化アルミニウム膜を形成し、該酸化アルミニウム膜の貫通孔に導電材料を充填して前記コア基板を形成することを特徴とするインダクタの製造方法。