JP5464110B2 - 電圧変換モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、情報通信機器及び移動体通信機器で好適に利用することのできる電圧変換モジュールに関する。
近年の電子機器の高性能化・小型化の流れの中、回路部品の高密度、高機能化が一層求められている。かかる観点より、回路部品を搭載したモジュールにおいても、高密度、高機能化への対応が要求されている。このような要求に応えるべく、現在では配線板を多層化することが盛んに行われている。
このような多層配線板においては、複数の配線パターンを互いに略平行となるようにして配置し、前記配線パターン間に絶縁部材を配し、半導体部品などの電子部品は前記絶縁部材中に前記配線パターンの少なくとも1つに電気的に接続するようにして埋設するとともに、前記絶縁部材間を厚さ方向に貫通した層間接続体(ビア)を形成し、前記複数の配線パターンを互いに電気的に接続するようにしている(例えば、特許文献1参照)。
一方、電圧変換用ICは、この電圧変換用ICを十分に駆動させるべく、入力側に第1のコンデンサを電圧変換用ICに対して並列に配置し、出力側に平滑用インダクタを電圧変換用ICに対して直列に接続配置し、平滑用インダクタのもう一方の端子をモジュールの出力端子に接続するとともに、第2のコンデンサを並列接続配置して使用する。第1のコンデンサは、2μF程度の容量を有し、主として電圧変換用ICへの入力電圧安定化のために使用する。第2のコンデンサは、4μF程度の容量を有し、平滑用インダクタとともに、主として電圧変換用ICからの出力電圧安定化のために使用する。
第1のコンデンサは、例えば1mm×0.5mmの大きさを有し、第2のコンデンサは、例えば1.6mm×0.8mmの大きさを有する。また、平滑用インダクタは、例えば2mm×1.25mmの大きさを有する。
したがって、上述のような電圧変換用ICを電子部品として多層配線板中に内蔵させるに際しては、電圧変換用ICとともに上述したコンデンサ及びインダクタをも内蔵させる必要があるが、上述のように、第1のコンデンサ、第2のコンデンサ及びインダクタは、サイズが比較的大きく、厚みもあるため、電圧変換用IC及びコンデンサ等の総てを多層配線板内に内蔵させるには困難であった。
そこで、特許文献2においては、多層配線板中には電圧変換用ICのみを内蔵させ、第1のコンデンサ、第2のコンデンサ及びインダクタについては、多層配線板上に形成したコンデンサ内蔵層中に配置するような構成を採ることによって、半導体部品などの電子部品を内蔵させた場合と同様のモジュールを作製することが開示されている。
しかしながら、特許文献2に記載されているような構成のモジュールでは、電圧変換用ICと雑音除去の作用効果を兼ね備えた第1のコンデンサとの配線距離が長くなり、電圧変換用IC及び第1のコンデンサ間のインダクタンス値及び抵抗値成分が増大してしまい、第1のコンデンサによる電圧変換用ICの雑音除去性能が十分に発揮されないという問題があった。
特開2003−197849号 特開2003−115664号
本発明は、電圧変換用ICの雑音除去性能を劣化させることなく、電圧変換用ICを多層配線板中に内蔵させた、新規な構成の電圧変換モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
複数層の配線パターン、これら複数層の配線パターン間それぞれに位置する絶縁部材、及び前記複数層の配線パターン間を電気的に接続する層間接続体を有する多層配線板と、
前記複数層の配線パターンの内層の一つに実装された電圧変換を行うための電圧変換用ICと、
前記複数層の配線パターンの同じ内層において、前記電圧変換用ICと電気的に並列に接続するようにして実装された第1のコンデンサと、
前記多層配線板の主面上において実装され、前記複数層の配線パターン及び前記層間接続体を介して、前記電圧変換用ICと電気的に並列に接続されてなる第2のコンデンサと、
前記多層配線板の主面上において前記第2のコンデンサと隣接するようにして実装され、前記複数層の配線パターン及び前記層間接続体を介して、前記電圧変換用ICと電気的に直列に接続されてなるインダクタと、
を具えることを特徴とする、電圧変換モジュールに関する。
本発明者は、従来問題であった第1のコンデンサの機能に着目した。その結果、第1のコンデンサは、外部電源からの雑音除去と電圧変換用ICからの雑音除去とを兼ね備えており、従来問題となっている電圧変換用ICの雑音を効果的に除去するには、第1のコンデンサは大容量のコンデンサではなくともよいということを見出した。すなわち、外部電源からの雑音は低周波(数十Hz〜数kHz)であるために大容量のコンデンサを必要とする一方、電圧変換用ICの雑音は高周波(数十kHz〜数十MHz)なのでそれほど大きな容量は必要ない。また、容量が小さいほどコンデンサの共振周波数が高いので、より高周波でコンデンサのインピーダンスが小さくなり、雑音除去の効果が上がるということである。
なお、例えば、外部電源からの雑音除去のための大容量のコンデンサは、元電源等に付加することも可能である。
本発明の電圧変換モジュールによれば、例えば、入力電圧安定化のためのコンデンサを電源等に付加するようにすることによって、第1のコンデンサに対して雑音除去用の機能を持たせることができる。したがって、このような第1のコンデンサを電圧変換用ICと同じ配線パターン上に、電圧変換用ICと隣接するとともに電気的に接続して配置することにより、上述したような電圧変換用ICと雑音除去用のコンデンサが離隔したことによる、その間の配線のインダクタンス値及び抵抗値成分が増大するのを防止することができ、結果として、電圧変換用ICの雑音除去を十分に行うことができる。
なお、本発明においても、主として電圧変換用ICからの出力電圧安定化のために使用する第2のコンデンサ及びインダクタは、特許文献2に記載のように、多層配線板の主面上に配置する。しかしながら、本発明では、入力側のコンデンサに電圧変換用ICの雑音除去の機能を主に持たせ、これを電圧変換用ICが実装されている配線パターンと同じ配線パターン上で、電圧変換用ICと隣接かつ電気的に接続させている点において、特許文献2と相違する。したがって、本発明では、特許文献2では奏することが不可能な、上述した作用効果、すなわち電圧変換用ICの雑音除去を十分に行うことができる機能を具えた電圧変換モジュールを提供することができるものである。
なお、本発明の一例においては、複数層の配線パターンの内、多層配線板の主面と相対向する裏面側に位置する配線パターンを、端子層として機能させることができる。これによって、本発明の電圧変換モジュールを外部回路や外部機器と簡易に接続することができ、これら外部回路や外部機器に対して電圧変換機能を付加せしめることができる。
また、本発明の一例においては、第2のコンデンサ及びインダクタが実装された多層配線板の主面上において実装され、複数層の配線パターン及び層間接続体を介して、電圧変換用ICと電気的に接続されてなる、前記電圧変換用ICへの入力電圧安定化用の第3のコンデンサを具えることができる。この場合、上述したように、入力安定化用コンデンサを電源等に頼ることなく、本発明の電圧変換モジュール単独で電圧変換素子としての機能を十分に奏することができる。
さらに、本発明の一例においては、第2のコンデンサ及びインダクタ、さらには第3のコンデンサを、多層配線板の主面上において封止樹脂によって封止することができる。これによって、これらコンデンサ等にダメージを与えるような外的要因から保護することができる。また、電圧変換モジュールを凹凸のないチップ状とすることができるので、ハンドリングを簡易化することができる。
また、本発明の一例においては、封止樹脂の表面上において、導電層を形成することができる。これによって、インダクタ等から発生される電磁ノイズを遮蔽することができるようになり、電磁ノイズの外界への悪影響を排除することができる。
以上、本発明によれば、電圧変換用ICの雑音除去性能を劣化させることなく、電圧変換用ICを多層配線板中に内蔵させた、新規な構成の電圧変換モジュールを提供することができる。
第1の実施形態の電圧変換モジュールを示す断面構成図である。 図1に示す電圧変換モジュールの、電圧変換用ICと第1のコンデンサとの接続状態を示す図である。 第2の実施形態の電圧変換モジュールを示す断面構成図である。 第3の実施形態の電圧変換モジュールを示す上平面図である。 第4の実施形態の電圧変換モジュールを示す断面構成図である。 第5の実施形態の電圧変換モジュールを示す断面構成図である。
以下、本発明の具体的特徴について、発明を実施するための形態に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の電圧変換モジュールの一例を示す断面構成図であり、図2は、図1に示す電圧変換モジュールの、電圧変換用ICと第1のコンデンサとの接続状態を示す図である。
図1に示す電圧変換モジュール10は、下側から順に第1の配線パターン111、第2の配線パターン112、第3の配線パターン113、第4の配線パターン114、第5の配線パターン115、第6の配線パターン116、及び第7の配線パターン117を有している。
また、第1の配線パターン111から第7の配線パターン117における隣接する配線パターン間には、第1の絶縁部材121から第6の絶縁部材126がそれぞれ介在している。
具体的には、第1の配線パターン111及び第2の配線パターン112間には第1の絶縁部材121が存在し、第2の配線パターン112及び第3の配線パターン113間には第2の絶縁部材122が存在し、第3の配線パターン113及び第4の配線パターン114間には第3の絶縁部材123が存在している。さらに、第4の配線パターン114及び第5の配線パターン115間には第4の絶縁部材124が存在し、第5の配線パターン115及び第6の配線パターン116間には第5の絶縁部材125が存在し、第6の配線パターン116及び第7の配線パターン117間には第6の絶縁部材126が存在している。
さらに、第1の配線パターン111から第7の配線パターン117における隣接する配線パターン間は、第1の層間接続体131から第6の層間接続体136によって互いに電気的に接続されている。
第1の配線パターン111から第7の配線パターン117、第1の絶縁部材121から第6の絶縁部材126、及び第1の層間接続体131から第6の層間接続体136は、多層配線板を構成する。
なお、第1配線パターン111上には、この配線パターン111の一部が露出するようにしてレジスト層191が形成されており、第7の配線パターン117上には、この配線パターン117の一部が露出するようにしてレジスト層192が形成されている。
図1においては、第1の絶縁部材121から第6の絶縁部材126を識別可能に記載しているが、実際には互いに融着しているので、これら絶縁部材の識別は困難である。本実施形態では、本発明の特徴を明確にすべく、便宜上、これら絶縁部材を識別可能に記載している。
また、図1に示す電圧変換モジュール10、すなわちこれを構成する多層配線板は、本実施形態では7層としているが、必要に応じて任意の数とすることができる。
図1に示す電圧変換モジュール10においては、第2の配線パターン112が部品実装配線層として機能し、この配線パターン112上に電圧変換用IC15がはんだボール15Aを介して電気的及び機械的に接続、実装されている。また、同じ部品搭載配線層、すなわち第2の配線パターン112上には、電圧変換用IC15と隣接し、電気的に接続するようにして第1のコンデンサ16が接続、実装されている。
なお、図2に示すように、第2の配線パターン112の、電圧変換用IC15が実装された部分は、グランドパターン112A及び入力端子パターン112Bに分岐されており、第1のコンデンサ16は、これらグランドパターン112A及び入力端子パターン112Bに跨って実装され、電圧変換用IC15と電気的に接続されている。電圧変換用IC15においてグランドパターン112Aを設置するのは、電圧変換用IC15に入力する電圧の電圧値を決定するための基準を設定するという観点からである。
電圧変換用IC15と第1のコンデンサ16との距離dは、例えば50μm〜300μmとすることができる。
また、本実施形態では、電圧変換用IC15等を実装する配線パターンを第2の配線パターンとしたが、その他の配線パターンを部品実装配線層として使用することもできる。
さらに、第7の配線パターン117も部品実装配線層として機能し、この第7の配線パターン117上、すなわち上記多層配線板の主面上には、第2のコンデンサ17及びインダクタ18が互いに隣接するようにして実装されている。第2のコンデンサ17及びインダクタ18は、それらの底面及び側面においてはんだ材17A及び18Aによって第7の配線パターン117に接続されている。
電圧変換用IC15及び第1のコンデンサ16は、第2の配線パターン112及び第1の層間接続体131〜第6の層間接続体136を介して、残りの配線パターン、すなわち、第1の配線パターン111、及び第3の配線パターン113〜第7の配線パターン117に電気的に接続されている。また、第2のコンデンサ17及びインダクタ18は、第7の配線パターン117及び第1の層間接続体131〜第6の層間接続体136を介して、残りの配線パターン、すなわち、第1の配線パターン111〜第6の配線パターン116、及びと電気的に接続されている。したがって、電圧変換用IC15は、第2のコンデンサ17及びインダクタ18とも電気的に接続されることになり、図1に示す電圧変換モジュール10は、電圧変換素子として機能するようになる。
図1に示す電圧変換モジュール10においては、例えば、外部電源雑音除去のためのコンデンサを図示しない電源等に付加することができるので、第1のコンデンサ16で電圧変換用IC15の雑音除去用の機能を十分に発揮させることができる。本実施形態では、上述のように、第1のコンデンサ16を電圧変換用IC15と同じ第2の配線パターン112上に実装し、互いに電気的に接続するとともに、両者の距離dを例えば50μm〜300μmとしている。したがって、電圧変換用ICと雑音除去用のコンデンサが離隔した場合のように、その間の配線のインダクタンス値及び抵抗値成分が増大するのを防止することができる。結果として、電圧変換用IC15の雑音除去を十分に行うことができる。
また、電圧変換用IC15と電気的に接続され、上記多層配線板の主面上、すなわち第7の配線パターン117上に実装された第2のコンデンサ16は、インダクタ17とともに、主として電圧変換用IC15からの出力電圧安定化のために使用するコンデンサとして機能させることができる。
したがって、図1に示す電圧変換モジュール10は、電圧変換素子として十分に機能させることができる。
第1のコンデンサ16の容量は、電圧変換用IC15の雑音除去の観点から、例えば0.1μF以下とすることができ、好ましくは10nF以上とすることができる。なお、このような比較的小さい容量のコンデンサは、そのサイズも例えば0.6mm×0.3mm程度と十分に小さいので、上述した多層配線板のサイズを増大させることなく、電圧変換用IC15とともに多層配線板中に簡易に内蔵させることができる。
一方、第2のコンデンサ17の容量は、4μF以上が好ましく、コストや大きさから10μF以下が好ましい。したがって、このような比較的大きな容量のコンデンサは、そのサイズも例えば2mm×1.25mm程度と十分に大きくなる。したがって、図1に示すように、上述した多層配線板に内蔵させることなく、その主面上に実装させることが好ましい。
もし、第2のコンデンサ17を多層配線板中に実装させようとすると、第2のコンデンサ17は多層配線板中において大きな体積を占めることになるので、多層配線板自体が大型化し、このような多層配線板を利用して電圧変換モジュールを作製する意義、すなわち多層配線板を利用した小型の電圧変換モジュールを作製するという、本発明の前提となる意義が失われることになる。
また、第1のコンデンサ16に電圧変換用IC15の出力電圧を安定化させる機能を持たせ、第2のコンデンサ17に雑音除去の機能を持たせることもできる。しかしながら、この場合、電圧変換用ICと雑音除去用のコンデンサが離隔しているので、その間の配線のインダクタンス値及び抵抗値成分が増大し、電圧変換用IC15の雑音除去を十分に行うことができない。また、第1のコンデンサ16が大型化してしまうので、上述したように、内蔵すべき多層配線板が大型化してしまい、多層配線板を利用した小型の電圧変換モジュールを作製するという、本発明の前提となる意義が失われることになる。
なお、多層配線板の最下層、すなわち上記主面と相対向する裏面上に位置する配線パターン、すなわち第1の配線パターン111は端子層として機能させることができる。これによって、図1に示す電圧変換モジュール10を外部回路や外部機器と簡易に接続することができ、これら外部回路や外部機器に対して電圧変換機能を付加せしめることができる。
(第2の実施形態)
図3は、本実施形態の電圧変換モジュールの一例を示す断面構成図である。なお、図1に示す電圧変換モジュール10と類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
図3に示す電圧変換モジュール20は、電圧変換用IC15及び第1のコンデンサ16が、第7の配線パターン117上に上下が反転した状態で電気的に接続され、実装されている。
本実施形態においては、電圧変換用IC15が出力電圧安定化用の第2のコンデンサ17及びインダクタ18と近接して配置されているので、これら間に介在する配線のインダクタンス値及び抵抗値成分が、図1に示す第1の実施形態に係わる電圧変換モジュール10と比較して低減されている。したがって、第2のコンデンサ17及びインダクタ18の、電圧変換用IC15に対する出力電圧安定化の作用効果をより効果的に奏することができるようになる。
なお、その他の構成について図1に示す電圧変換モジュール10と同様であるので、説明を省略するが、図1に示す電圧変換モジュール10と同様の構成を有することに基づいて、同様の作用効果を奏する。すなわち、電圧変換用IC15と雑音除去用の第1のコンデンサ16が同一配線パターン上において近接して配置され、互いに電気的に接続されるようにして実装されているので、配線長さの増大に伴うインダクタンス値及び抵抗値成分の増大を防止することができる。結果として、電圧変換用IC15の雑音除去を十分に行うことができる。
(第3の実施形態)
図4は、本実施形態の電圧変換モジュールの一例を示す上平面図である。なお、図1に示す電圧変換モジュール10と類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
図4に示す電圧変換モジュール30は、外部電源からの雑音除去を主とする第3のコンデンサ39が、多層配線板の主面上、すなわち第7の配線パターン117上に設けられている。この場合、第1の実施形態のように、外部電源からの雑音除去用コンデンサをモジュール外の電源に頼ることなく、電圧変換モジュール30に組み込むことができ、電圧変換モジュール30単独で電圧変換素子としての機能を十分に奏することができる。なお、第3のコンデンサ39は、第1のコンデンサ16と並列に接続されている。
但し、第3のコンデンサ39の容量は、2μF〜10μFであり、例えば1.6mm×0.8mmの大きさを有する。したがって、第1の実施形態で述べたように、多層配線板内に内蔵させようとすると、内蔵すべき多層配線板が大型化してしまい、多層配線板を利用した小型の電圧変換モジュールを作製するという、本発明の前提となる意義が失われることになる。したがって、本実施形態で示すように、多層配線板の主面上に実装することが好ましい。
なお、その他の構成について図1に示す電圧変換モジュール10と同様であるので、説明を省略するが、図1に示す電圧変換モジュール10と同様の構成を有することに基づいて、同様の作用効果を奏する。すなわち、電圧変換用IC15と雑音除去用の第1のコンデンサ16が同一配線パターン上において近接して配置され、互いに電気的に接続されるようにして実装されているので、配線長さの増大に伴うインダクタンス値及び抵抗値成分の増大を防止することができる。結果として、電圧変換用IC15の雑音除去を十分に行うことができる。
(第4の実施形態)
図5は、本実施形態の電圧変換モジュールの一例を示す断面構成図である。なお、図1に示す電圧変換モジュール10と類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
図5に示す電圧変換モジュール40は、第2のコンデンサ17及びインダクタ18、さらには第3のコンデンサ39(図示せず)を、上述した多層配線板の主面上、すなわち第7の配線パターン117上において封止樹脂41によって封止している。したがって、これらコンデンサ等にダメージを与えるような外的要因から保護することができる。また、電圧変換モジュール40を凹凸のないチップ状とすることができるので、ハンドリングを簡易化することができる。
なお、封止樹脂としては、エポキシ樹脂などの汎用の樹脂を用いることができる。
その他の構成について図1に示す電圧変換モジュール10と同様であるので、説明を省略するが、図1に示す電圧変換モジュール10と同様の構成を有することに基づいて、同様の作用効果を奏する。すなわち、電圧変換用IC15と雑音除去用の第1のコンデンサ16が同一配線基板上において近接して配置され、互いに電気的に接続されるようにして実装されているので、配線長さの増大に伴うインダクタンス値及び抵抗値成分の増大を防止することができる。結果として、電圧変換用IC15の雑音除去を十分に行うことができる。
(第5の実施形態)
図6は、本実施形態の電圧変換モジュールの一例を示す断面構成図である。なお、図1に示す電圧変換モジュール10及び図4に示す電圧変換モジュール40と類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
図6に示す電圧変換モジュール50は、図5に示すような第4の実施形態に係わる電圧変換モジュール40に示すように、第2のコンデンサ17及びインダクタ18、さらには第3のコンデンサ39(図示せず)を封止樹脂41によって封止した後、封止樹脂41の表面上において、導電層51を形成している。これによって、インダクタ18等から発生される電磁ノイズを遮蔽することができるようになり、電磁ノイズの外界への悪影響を排除することができる。
導電層51としては、金、銀、銅、アルミニウム、及びこれらの合金等の電気的良導体、又は導電性カーボンや導電性樹脂などのシート抵抗値1MΩ以下の導電性材料から構成することができる。
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
10、20、30、40、50 電圧変換モジュール
111〜117 配線パターン
121〜126 絶縁部材
131〜136 層間接続体
15 電圧変換用IC
16 第1のコンデンサ
17 第2のコンデンサ
18 インダクタ
39 第3のコンデンサ
41 封止樹脂
51 導電層

Claims (8)

  1. 複数層の配線パターン、これら複数層の配線パターン間それぞれに位置する絶縁部材、及び前記複数層の配線パターン間を電気的に接続する層間接続体を有する多層配線板と、
    前記複数層の配線パターンの内層の一つに実装された電圧変換を行うための電圧変換用ICと、
    入力側において、前記複数層の配線パターンの同じ内層において、前記電圧変換用ICと電気的に並列に接続するようにして実装された第1のコンデンサと、
    出力側において、前記多層配線板の主面上において実装され、前記複数層の配線パターン及び前記層間接続体を介して、前記電圧変換用ICと電気的に並列に接続されてなる第2のコンデンサと、
    出力側において、前記多層配線板の主面上において前記第2のコンデンサと隣接するようにして実装され、前記複数層の配線パターン及び前記層間接続体を介して、前記電圧変換用ICと電気的に直列に接続されてなるインダクタと、
    を具えることを特徴とする、電圧変換モジュール。
  2. 前記複数層の配線パターンの内、前記多層配線板の前記主面と相対向する裏面側に位置する配線パターンは、端子層として機能することを特徴とする、請求項1に記載の電圧変換モジュール。
  3. 前記第1のコンデンサの容量は0.1μF以下であり、前記第1のコンデンサは前記電圧変換用ICの雑音除去用のコンデンサとして機能することを特徴とする、請求項1又は2に記載の電圧変換モジュール。
  4. 前記第2のコンデンサの容量は4μF以上であり、前記第2のコンデンサは前記電圧変換用ICの出力電圧安定化用のコンデンサとして機能することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の電圧変換モジュール。
  5. 第2のコンデンサ及びインダクタが実装された多層配線板の主面上において実装され、前記多層配線板の主面上において前記第2のコンデンサ及びインダクタと隣接するようにして実装され、前記複数層の配線パターン及び前記層間接続体を介して、前記電圧変換用ICと電気的に接続されてなる、前記電圧変換用ICへの入力電圧安定化用の第3のコンデンサを具えることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載の電圧変換モジュール。
  6. 前記第2のコンデンサ及び前記インダクタは、前記多層配線板の前記主面上において封止樹脂によって封止されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載の電圧変換モジュール。
  7. 前記第2のコンデンサ、前記インダクタ及び前記第3のコンデンサは、前記多層配線板の前記主面上において封止樹脂によって封止されていることを特徴とする、請求項5に記載の電圧変換モジュール。
  8. 前記封止樹脂の表面上において、導電層が形成されていることを特徴とする、請求項6又は7に記載の電圧変換モジュール。
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