JP5902503B2 - プリントコイル - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板を積層してなる多層配線板により同心渦巻状の１次巻線及び２次巻線を形成し、それらの巻線間を磁気結合を利用して絶縁するプリントコイルに関する。

従来より、プリント基板上に渦巻状の１次巻線と２次巻線を配置したプリントコイルを形成し、絶縁型の電力変換器や、絶縁型の信号伝達装置として使用されている。このようなプリントコイルは、１次巻線と２次巻線の磁気結合を利用して絶縁することができる。

特開平０４−１５２６０９号公報

この種のプリントコイルにおいて、例えば特許文献１ではコイルから発生する不要な漏洩電磁界対策のため、プリントコイルの上下面をシールド面によって挟むことを提案している。
しかしながら、このような構成ではプリントコイルから発生する漏洩電磁界を低減することはできるものの、１次巻線と２次巻線の間に発生する寄生容量によって、例えば電圧変動による高周波ノイズがプリントコイルを伝達し、プリントコイルに接続する機器（例えばＩＧＢＴのゲート駆動回路）が誤動作する問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、１次巻線と２次巻線の間を高周波ノイズが伝播することを抑制することができるプリントコイルを提供することにある。

本発明によれば、１次巻線と２次巻線の間には面構造のシールド部が位置しており、そのシールド部が一定電位に固定ざれているので、１次巻線と２次巻線の間の寄生容量を抑制することができる。これにより、１次巻線と２次巻線の間を高周波ノイズが伝播することを抑制することができる。しかも、シールド部は、プリント基板に形成された渦巻状のスルーホールピンを多層配線板の積層方向に積層することで面構造に形成されているので、シールド部を容易に形成することができる。

本発明の第１参考形態におけるプリントコイルを形成する各層の下面図 プリントコイルの断面図 シールド部の製造方法を説明するための図１相当図 電気回路図 高周波ノイズの伝わりやすさを示す図 ＰＡＬＡＰの製造方法を示す図 温度に対する弾性率変化を示す図 本発明の第２参考形態を示す図１相当図 図２相当図 図４相当図 本発明の第３参考形態を示す図１相当図 図４相当図 本発明の一実施形態を示す図１相当図 本発明の第４参考形態を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第５参考形態を示す図１相当図 図２相当図 図４相当図

（第１参考形態）
以下、本発明の第１参考形態について図１ないし図７を参照して説明する。
本発明は、可撓性を有した樹脂フィルムに導体パターン及びビアホールを形成したフレキシブルプリント基板を複数枚積層し、それらを一括に熱プレスすることによって多層配線板を製造する技術を利用している。この技術はＰＡＬＡＰ（登録商標）と称され、先ずこのＰＡＬＡＰについて図６及び図７により原理的に説明する。

ＰＡＬＡＰで使用されるフレキシブルプリント基板は、熱可塑性樹脂、例えば結晶転移型の熱可塑性樹脂からなる樹脂フィルムを基材としている。この樹脂フィルムの成分の具体例を示すと、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂３５〜６５質量％、ポリマーエーテルイミド（ＰＥＩ）３５〜６５質量％を含み、厚さは２５〜７５μｍが好ましいとされている。このような結晶転移型の熱可塑性樹脂は、図７に示すように、例えば２００℃付近では軟質となるが、それより低い温度でも高い温度でも硬質となる（更に高い温度（約４００℃）では溶解する）性状を呈し、また、高温から温度低下する際には、２００℃付近でも硬質を保つ。

図６はＰＡＬＡＰの製造方法を示している。（ａ）に示すように、樹脂フィルムａの片面には銅箔やアルミ箔などの金属箔からなる導体箔（厚さ１８μｍ程度）ｂが貼り付けられており、この導体箔ｂをエッチングして（ｂ）に示すように導体パターンｃを形成する。導体パターンｃの形成後、樹脂フィルムａの導体パターンｃが形成されていない面に保護フィルムｄを貼り付ける。
その後、保護フィルムｄ側からレーザを照射して、（ｃ）に示すように、導体パターンｃを底面とする有底のビアホールｅを形成する。ビアホールｅの形成はレーザの出力と照射時間を調整することにより、導体パターンｃに穴が開かないようにする。ビアホールｅの形成に使用するレーザとしては、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザなどが考えられる。また、ドリル加工などの機械加工であっても良いが、微細な穴を明けるには、レーザが好ましい。

ビアホールｅを形成し終えると、次に、積層されるフレキシブルプリント基板相互の電気的接続のために、（ｄ）に示すように、ビアホールｅ内に導電ペーストｆを充填する。この導電ペーストｆは、メタルマスクを用いたスクリーン印刷装置により導体パターンｃ側を下にしてビアホールｅ内に印刷充填される。そして、この導電ペーストｆの印刷充填後、（ｅ）に示すように、保護フィルムｄを剥離する。以上のようにしてフレキシブルプリント基板ｇが製造される。
このようにして製造した複数枚のフレキシブルプリント基板ｇを導体パターンｃが下となるように積層する。このとき、最上層のフレキシブルプリント基板ｇについては、電子部品、或は外部配線とビアホールｅの導電ペーストｆによって接続しても良いが、（ｆ）に示すように、最上層のフレキシブルプリント基板ｇについては導体パターンｃが上となるように積層して電子部品或いは外部配線と導体パターンｃによって接続するようにしても良い。

尚、フレキシブルプリント基板ｇの積層の際、最下層のフレキシブルプリント基板ｇの導体パターンｃを保護するために、フレキシブルプリント基板ｇはカバーレイヤｈを最下層にしてその上に積層してゆく。また、最上層のフレキシブルプリント基板ｇを導体パターンｃが上を向くように積層した場合には、その導体パターンｃを保護するためにカバーレイヤｈを最上層のフレキシブルプリント基板ｇ上に載せる。

複数枚のフレキシブルプリント基板ｇを積層した後、それらフレキシブルプリント基板ｇを、真空加圧プレス（図示せず）によって２００〜３５０℃で０．１〜１０ＭＰａの圧力で加圧する（熱プレス）。フレキシブルプリント基板ｇの樹脂フィルムａは、図７に示すような温度に対する弾性率変化を生ずるので、この熱プレスにより一旦軟化した状態で加圧されることによって樹脂フィルムａ同士が相互に融着し、多層配線板ｉとして完成される。

この完成形態にあっては、複数枚のフレキシブルプリント基板ｇの導体パターンｃは、ビアホールｅ内の導電ペーストｆからなるスルーホールを通じて互いに電気的に接続され、また内部に電子部品が埋め込まれていた場合、その部品も導体パターンｃに直接的に、或はビアホールｅのスルーホールを通じて電気的に接続される。多層配線板ｉは以上のようにして製造される。尚、その後、多層配線板ｉをリフロー炉に通して電気・電子部品を実装する場合、３００℃程度に加熱されるが、この温度では樹脂フィルムａは軟化することはなく、結晶状態に保たれる。

図２は上述したＰＡＬＡＰの技術を用いて製造した本参考形態のプリントコイルの断面を示している。プリントコイル１は、複数枚、例えば７枚のフレキシブルプリント基板（以下、第１〜７層という）１ａ〜１ｇを積層して構成される。尚、図２では各層１ａ〜１ｇを構成する導体パターン及びカバーレイヤの図示を省略した。
図１は各層１ａ〜１ｇの下面図であり、（ａ）は第１，２層１ａ，１ｂ、（ｂ）は第３層１ｃ、（ｃ）は第４〜６層１ｄ〜１ｆ、（ｄ）は第７層１ｇの下面図である。
第３層１ｃには１次巻線２及び２次巻線３が導体パターンにより形成されている。つまり、１次巻線２及び２次巻線３は、プリントコイル１の中間となる第３層１ｃの導体パターンにより３ターンの矩形渦巻状に形成されている。１次巻線２と２次巻線３は同心（中心を同じとして）で巻かれ、それぞれの巻線は中心から外方に向かって交互に位置している。

一方、１次巻線２と２次巻線３の間にはこれらの巻線２，３と同心で３ターンの矩形渦巻状のシールド部４，５が形成されている。シールド部４は、外側に１次巻線２、内側に２次巻線３が位置するように形成され、シールド部５は、外側に２次巻線３、内側に１次巻線２が位置するように形成されている。シールド部４，５は第１層１ａから第６層１ｆまでを貫通するスルーホールピンで構成されている。つまり、シールド部４，５は、第１〜６層１ａ〜１ｆに形成された個々のスルーホールピンが積層方向に連続的に接続してなる。これにより、シールド部４，５は、１次巻線２及び２次巻線３の面方向に対して直交した面構造をなしている。

図３はシールド部４，５の製造方法を説明するための図１相当図である。この図３中に示す○印は、レーザ照射により形成されたビアホール６ａを模式的に示すもので、ビアホールを連続的に形成することで導電ペーストを充填するための長孔６を矩形渦巻状に形成している。尚、ＰＡＲＡＰの製造方法で説明したように、長孔６は底面を導体パターンとする有底の溝部をなしていることから、長孔６に充填した導電ペーストが落下してしまうことはない。また、長孔６により渦巻状に分離された両側部位は導体パターンで連結されていることから、長孔６が形成された層の強度が極端に低下することはない。
以上のような構成の結果、１次巻線２と２次巻線３の間にはこれらを空間的に遮蔽する面構造のシールド部４，５が介在することになる。

第３〜７層１ｃ〜１ｇにはスルーホール２ａ，３ａが形成されている。このスルーホール２ａ，３ａは、第３〜７層１ｃ〜１ｇをそれぞれ貫通するスルーホールピンを連結して構成されている。第７層１ｇに位置するスルーホール２ａ，３ａは第７層１ｇの端部に形成された端子２ｂ，３ｂと接続されている。
１次巻線２は、第７層１ｇに設けられた端子２ｂからスルーホール２ａを経由して第３層１ｃに到達し、３ターンして第３層１ｃに設けられた端子２ｃに至る巻線である。２次巻線３は、第７層１ｇに設けられた端子３ｂからスルーホール３ａを経由して第３層１ｃに到達し、３ターンして端子３ｃに至る巻線である。
シールド部４，５には、第３層１ｃの端部に端子４ａ、５ａが設けられている。
尚、図１及び図２ではプリントコイル１のみを図示したが、実際にはプリントコイル１は多層配線板の所定領域に形成されており、各端子２ｂ，３ｂ，２ｃ，３ｃ，４ａ，５ａは多層配線板に形成された電子回路、或いは他のプリント基板に搭載された電子回路と接続されている。

図４は、上記１次巻線２及び２次巻線３から構成されるプリントコイル１を使用したＩＧＢＴのゲート駆動回路への適用例を示す電気回路図である。１次巻線２は駆動回路７によって駆動される。駆動回路７には電源８と入力側の基準電位であるＧＮＤ９が接続され、さらに信号入力であるＩＮ１０が接続される。駆動回路７の出力側は１次巻線２の端子２ｂに接続され、ＧＮＤ９が端子２ｃに接続される。
２次巻線３の端子３ｂにはＩＧＢＴゲート用の駆動回路１１の入力側が接続され、その駆動回路１１には電源１２と出力側の基準電位１３が接続される。２次巻線３の端子３ｃは基準電位１３に接続される。そして、駆動回路１１の出力側はＩＧＢＴ１４のゲート端子に接続され、基準電位１３はＩＧＢＴ１４のエミッタ端子に接続される。

シールド部４，５の端子４ａ，５ａは入力側の基準電位ＧＮＤ９に接続されてＧＮＤに固定されている。このように構成することで、１次巻線２と２次巻線３間の寄生容量を経由してプリントコイル１を伝達する例えば電圧変動による高周波ノイズをシールド部４，５によって遮蔽することができる。よって高周波ノイズはシールド部４，５を経由して流れるため、２次側巻線３に伝播する高周波ノイズを低減することができる。
尚、図４では、シールド部５を１次巻線２と２次巻線３の間から外れた位置に図示したが、これは、シールド部４，５の位置関係の違いを表現するためである。つまり、シールド部４は、外側に１次巻線２、内側に２次巻線３が位置しているのに対して、シールド部５は、外側に２次巻線３、内側に１次巻線２が位置しているからであり、シールド部５がシールド部４と同様に１次巻線２と２次巻線３の間に位置していることは同じである。このような表現方法は、以下の参考形態及び一実施形態でも同一である。

図５に電圧変動による高周波ノイズの伝わりやすさを、シールド部４，５の有無で比較した結果を示す。シールド部４，５が無い場合（ｂ）は高周波ノイズが伝わりやすいのに対して、シールド部４，５がある場合（a）は高周波ノイズが伝わりにくくなっていることが分る。

さて、１つの層の厚みを７５ｕｍとすると、６つの層１ａ〜１ｆを貫通するシールド部４，５の厚みは４５０ｕｍとなり、１次巻線２及び２次巻線３はシールド部４，５の厚みの中心に位置している。シールド部４，５を形成するスルーホール径は直径１００ｕｍ、１次巻線２及び２次巻線３は幅１５０ｕｍに設定され、巻線部中央とシールド部中心との距離は４００ｕｍに設定されている。これは、シールド部４，５の厚みのほぼ中心に１次巻線２及び２次巻線３が位置し、更に、各巻線２，３とシールド部４，５との距離以上にシールド部４，５の厚み寸法がある場合に特にシールド効果が高いことから、本参考形態ではこのような関係となるように各部位の寸法を設定している。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
１次巻線２と２次巻線３の間を遮蔽するシールド部４，５を設けたので、１次巻線２と２次巻線３の間の寄生容量を抑制でき、プリントコイル１を高周波ノイズが伝播することを抑制することができる。
プリントコイル１をＰＡＬＡＰにより製造する際に各層１ａ〜１ｆに形成されたスルーホールピンを電気的に接続することによりシールド部４，５を形成するようしたので、シールド部４，５を容易に形成することができる。

（第２参考形態）
次に本発明の第２参考形態について図８ないし図１０を参照して説明するに、第１参考形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。尚、以下の参考形態及び実施形態も先に説明した参考形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。この第２参考形態は、１次巻線２及び２次巻線３の周囲をシールド部４，５で囲んだことを特徴とする。
図８（ａ）は第２層１ｂ、（ｂ）は第３層１ｃ、（ｃ）は第４層１ｄ、（ｄ）は第７層１ｇの下面図である。
第２，４層１ｂ，１ｄには導体パターンによりシールド面２１がそれぞれ形成され、第３，４層１ｃ，１ｄにはシールド部４，５が形成されている（図９参照）。第３，４層１ｃ，１ｄに形成されたシールド部４，５は２つのシールド面２１と電気的に接続されているので、１次巻線２及び２次巻線３はシールド部４，５で囲まれていることになる。この場合、シールド部４，５はシールド面２１で電気的に接続していることから、電気的には一体物として見なすことができる。

ここで、シールド面２１は１次巻線２及び２次巻線３の形成領域に対応して矩形枠状に形成されていると共に、閉ループを形成しないようにスリット２２で分断されている。これは、１次巻線２に高周波信号が流れた場合に発生する高周波磁界によりシールド面２１に閉ループ状に流れる渦電流を遮断するためである。一方、シールド部４，５においてシールド面２１のスリット２２に対応した部位はスリット２３により分断されている。これは、シールド面２１で発生した渦電流がシールド部４，５を介して流れないようにするためである。
上記構成の場合、シールド部４，５はシールド面２１により電気的に一体となっているので、電気回路図としては図１０のように表すことができる。

このような参考形態によれば、１次巻線２及び２次巻線３はシールド部４，５により空間的に囲まれているので、１次巻線２と２次巻線３の間の寄生容量を効果的に抑制することができる。
プリントコイル１が占める層を２つの層１ｃ，１ｄに限定することができるので、プリントコイル１の小形化を図ることができると共に、プリントコイル１として使用していない層を他の用途として利用することができる。

（第３参考形態）
次に本発明の第３参考形態について図１１及び図１２を参照して説明する。この第３参考形態は、シールド部４，５が有するインダクタンスを低減したことを特徴とする。
図１１に示すようにシールド部４，５はスリット３１により分断されている。分断されたシールド部４，５のうち渦巻状の中心側となる部位の端部は第７層１ｇに形成されたスルーホール４ｂ，５ｂを介して端子４ｃ、５ｃに接続されることでＧＮＤ９に固定される（図１２参照）。
このような参考形態によれば、シールド部４，５の全長を短くすることでシールド部４，５が有するインダクタンスを低減することができるので、プリントコイル１の高周波伝達特性が改善され、さらに高周波の信号も伝送することが可能となる。

（一実施形態）
次に本発明の一実施形態について図１３を参照して説明する。この一実施形態は、第３参考形態で説明したシールド部４，５を分断するスリット３１が１次巻線２と２次巻線３の間において直線的に並ばないようにしたことに特徴を有する。
第３参考形態では、シールド部４，５を分断するスリット３１は、１次巻線２と２次巻線３の間において直線的に並んでおり、このスリット３１を介して１次巻線２と２次巻線３の一部が電気的に結合している。これに対して、本実施形態では、図１３に示すように、スリット３１は１次巻線２及び２次巻線３に沿った方向にずれて形成されており、１次巻線２と２次巻線３の間において直線的に並ばないように構成されている。
このような実施形態によれば、１次巻線２と２次巻線３の間においてシールド部４，５のスリット３１が直線的に並ばないようにしたので、１次巻線２と２次巻線３の一部がスリット３１を介して電気的に結合することはなく、１次巻線２と２次巻線３の間の寄生容量を一層低減することができる。

（第４参考形態）
次に本発明の第４参考形態について図１４及び図１５を参照して説明する。この第４参考形態は、１次巻線２と２次巻線３を異なる層に配置したことを特徴とする。
図１４（ａ）は第１層１ａ、（ｂ）〜（ｇ）は第２〜７層１ｂ〜１ｇの下面図である。第３〜６層１ｃ〜１ｆにはシールド部４，５が形成され（図１５参照）、第２，４，６層１ｂ，１ｄ，１ｆには導体パターンにより矩形枠状のシールド面２１がそれぞれ形成されている。このシールド面２１はスリット２２により分断されている。
一方、第３層１ｃには１次巻線２が形成されており、第１〜３層１ａ〜１ｃに形成されたスルーホール２ａを経由して第１層１ａに設けられた端子２ｂに接続されている。第５層１ｅには２次巻線３が形成されており、第５〜７層１ｅ〜１ｇに形成されたスルーホール３ａを経由して第７層１ｇに設けられた端子３ｂに接続されている。
図１５に示すように、１次巻線２及び２次巻線３は積層方向に重なった位置関係となるように配置されていると共に、各巻線２，３がシールド部４，５によりそれぞれ空間的に囲まれている。
このような参考形態によれば、１次巻線２と２次巻線３を異なる層に配置したので、各巻線２，３の巻線密度を高めることができる。

（第５参考形態）
次に本発明の第５参考形態について図１６ないし図１８を参照して説明する。この第５参考形態は、１次巻線２及び２次巻線３をそれぞれ渦巻状のシールド部で囲ったことを特徴とする。
図１６に示すように第３，４層１ｃ，１ｄに形成されたシールド部４は１次巻線２の両側に形成されて当該１次巻線２を挟んだ形態をなしている。第５，６層１ｅ，１ｆに形成されたシールド部５は（図１７参照）、２次巻線３の両側に形成されて当該２次巻線３を挟んだ形態をなしている。
第２，４，６層１ｂ，１ｄ，１ｆには１次巻線２及び２次巻線３に沿った渦巻状のシールド面４１が形成されており、シールド部４，５と電気的に接続している。
図１７に示すよぅに、積層方向に重なって位置する１次巻線２及び２次巻線３はこれらを空間的に囲繞するシールド部４，５により渦巻状に囲まれている。
上記構成を示す電気回路図は図１８のように表すことができる。
このような参考形態によれば、シールド面４１は渦巻状で閉ループをなしておらず渦電流が流れることはないことから、シールド部４，５をスリットにより分断する必要がなく、１次巻線２と２次巻線３の間の寄生容量を効果的に抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記各参考形態及び一実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
１次巻線２及び２次巻線３は矩形枠状の渦巻状に限られることなく、円環状、楕円環状、多角形環状等の渦巻状に形成しても良い。
プリントコイル１を構成する層は７層に限られるものではない。
シールド部４，５の端子４ａ，５ａは入力側の基準電位ＧＮＤ９に接続することに限定されることはなく、両方の端子を電源８に接続したり、両方の端子を電源１２に接続したり、両方の端子を出力側の基準電位１３に接続したり、端子４ａ，５ａをそれぞれ別の端子（例えば電源８と電源１２など）に接続することも可能である。つまり、シールド部４，５を一定電位に固定できれば、その電位が限定されるものではない。
第２，３参考形態及び一実施形態のスリット２２，３１を複数設けるようにしてもよい。この場合、スリット２２，３１によりスリット両側部位を連結することができるので、層単体での強度を高めることができる。
本発明を絶縁型の電力変換器に適用するようにしてもよい。

図面中、１はプリントコイル、２は１次巻線、３は２次巻線、４，５はシールド部である。

Claims (3)

1. 導体パターンを有した複数のプリント基板を積層してなる多層配線板の所定の導体パターンにより同心渦巻状の１次巻線（２）及び２次巻線（３）を形成し、それらの巻線間を磁気結合を利用して絶縁するプリントコイル（１）において、
   前記１次巻線と２次巻線の間を遮蔽するシールド部（４，５）と、
   前記１次巻線及び２次巻線の積層方向に位置する導体パターンにより形成され、前記シールド部と電気的に接続したシールド面（２１，４１）と、を備え、
   前記１次巻線及び２次巻線は、前記シールド部により空間的に囲まれ、
   前記シールド部は、前記プリント基板に形成したスルーホールピンを前記１次巻線及び２次巻線に沿うと共に前記多層配線板の積層方向にも積層することで面構造に構成されると共に一定電位に固定され、さらに中間部位がスリット（３１）により分断され、
   前記スリットは、前記１次巻線と２次巻線の間で直線的に並ばないように設けられていることを特徴とするプリントコイル。
2. 前記シールド面は、前記１次巻線及び２次巻線に沿って渦巻状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のプリントコイル。
3. 前記１次巻線及び前記２次巻線は、前記シールド部の厚み方向のほぼ中心に設けられ、
   前記シールド部の厚み方向の寸法は、前記１次巻線及び前記２次巻線と当該シールド部の間の距離寸法以上であることを特徴とする請求項１または２記載のプリントコイル。

Images