多出力磁気誘導素子およびそれを備えた多出力超小型電力変換装置
【目的】小型、薄型の多出力磁気誘導素子およびこれを備えた複数の電圧が出力される小型、薄型で低コストの多出力超小型電力変換装置を提供する。
【解決手段】コイル導体１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂをトロイダル形状にすることで、磁性基板１１に磁気分離層を形成することなく複数のインダクタを低コストで集積した、多出力磁気誘導素子１００、およびこれを備えた多出力超小型電力変換装置を形成することができる。これにより、出力に応じて複数必要であった電力変換装置を１つにすることができ、実装面積の減少、コスト低減を図ることができる。
【解決手段】コイル導体１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂをトロイダル形状にすることで、磁性基板１１に磁気分離層を形成することなく複数のインダクタを低コストで集積した、多出力磁気誘導素子１００、およびこれを備えた多出力超小型電力変換装置を形成することができる。これにより、出力に応じて複数必要であった電力変換装置を１つにすることができ、実装面積の減少、コスト低減を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同一の磁性基板に複数のコイルを形成した多出力磁気誘導素子と、これを搭載したＤＣ−ＤＣコンバータなどの多出力超小型電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子情報機器、特に携帯型の各種電子情報機器の普及が著しい。それらの電子情報機器は、電池を電源とするものが多く、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置を内蔵している。通常その電力変換装置は、スイッチング素子、整流素子および制御ＩＣなどの能動素子と、インダクタ、トランス、コンデンサおよび抵抗などの受動素子の各個別部品をセラミック基板やプラスチックなどのプリント基板などの上に配置したハイブリッド型のモジュールとして構成されている。
ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力コンデンサ、出力コンデンサ、調整用の抵抗、コンデンサ、インダクタおよび電源用ＩＣで構成される。直流電圧（Ｖｉｎ）を入力し、電源用ＩＣのＭＯＳＦＥＴをスイッチングさせて、直流の所定の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を出力する。インダクタと出力コンデンサは直流電圧を出力するためのフィルタ回路を構成する。
この回路において、インダクタの直流抵抗が大きくなると、この部分での電圧降下が大きくなり、出力電圧が低くなる。つまりＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率は小さくなる。
前述した携帯用を含めた各種電子情報機器の小型化の要望に伴い、内蔵される電力変換装置の小型化の要求も強い。ハイブリッド型電源モジュールの小型化は、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）技術や積層セラミック部品などの技術により進歩してきている。
【０００３】
しかしながら、個別の部品を同一基板上に並べて実装するため、電源モジュールの実装面積の縮小化が制限されている。特にインダクタやトランスなどの磁気誘導素子(磁気誘導部品)は、集積回路と比較すると体積が非常に大きいために、電子機器の小型化を図る上で最大の制約となっている。
これら磁気誘導素子の小型化に対する今後の方向としては、チップ部品として限りなく小さくし、面実装により電源全体を小さくする方向と、シリコン基板上に薄膜で形成する手法の二つが提案されている。近年、磁気誘導素子の小型化の要求に応えて、半導体技術の適用により、半導体基板上に薄型のマイクロ磁気誘導素子（コイル、トランス）を搭載した例も報告されている。
本出願人もそのような平面型の薄膜磁気誘導素子を開示した（特許文献１参照）。これは、スイッチング素子や制御回路などの半導体部品を作り込んだ半導体基板の表面上に、薄膜コイルを磁性薄膜とフェライト基板とで挟んだ形の平面型磁気誘導素子（薄膜インダクタ）を薄膜技術により形成したものである。これにより、磁気誘導素子の薄型化とその実装面積の削減が可能となった。しかしなお、個別チップ部品が多いことや、実装面積が大きいという問題があった。
【０００４】
これを解決するために、本出願人は別の構造の超小型電力変換装置を開示した（特許文献２参照）。この超小型電力変換装置に用いられている平面型磁気誘導素子は、渦巻き状（かとり線香状）のコイル導体の隙間に磁性を帯びた微粒子を帯びた微粒子を混入した樹脂を充填し、上面、下面をフェライト基板で挟み込んで形成される。
また、さらに高効率の超小型電力変換装置として、ソレノイド形状をしたコイルを用いて形成したインダクタと電源ＩＣを組み合わせた装置も開示した（特許文献３参照）。
また、従来まで提案していた超小型電力変換装置は，サイズが小さく、薄いという特徴があるものの、磁気誘導素子およびＩＣがそれぞれ１素子で、入力１系統、出力１系統の単一出力であった。つまり、この装置では所望の電圧１出力につき１個の装置が必要であることになる。
携帯機器や超小型の電力変換装置が必要な電子機器では、用途によって出力系統の多い、つまり複数の出力電圧が必要なものも多く、その場合は必要な出力系統数だけ、電力変換装置が必要となり、実装面積の増加、実装コストの増大を招いていた。
これを解決するために、発明者らは、複数の磁気誘導素子をアレイ状に配置し、磁気的分離をすることで、出力電圧を多出力にする構造についても考案した（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９６５４２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３３１４０号公報
【特許文献３】特開２００４−７２８１５号公報
【特許文献４】特開２００４−３４３９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献４で考案した多出力超小型電力変換装置は、ソレノイド形状のコイル導体を用いているため、磁束が隣接するソレノイド形状のコイル導体に漏れる。隣接するコイル導体同士の磁気的結合を防止するために、磁性基板にスリットを形成し、磁気的な分離を図っていた。
しかし、この構造では、磁性基板にスリットを入れたり、絶縁物で埋め込むなどの磁気分離層を形成する工程などが必要となり、インダクタ基板が大型化すると同時にコスト面の問題や基板割れなどの良品率悪化の問題がある。
また、特許文献４で、磁性的分離したソレノイドコイルがトロイダルコイルであってもよい旨の記載はあるが
、磁気分離層を形成しないことについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、小型、薄型の多出力磁気誘導素子およびこれを備えた複数の電圧が出力される小型、薄型で低コストの多出力超小型電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、多出力磁気誘導素子において、同一の磁性基板に複数のトロイダルコイルが形成される構成とする。
また、隣接する前記トロイダルコイルの間の前記磁性基板に磁束の相互干渉を阻止する磁気分離層を設置しないと磁性基板の縮小化と工数低減ができてよい。
また、前記磁性基板が絶縁性基板であるとよい。
また、前記磁性基板の第１主面および第２主面に貫通孔を介して電気的に接続される電極を具備するとよい。
また、多出力超小型電力変換装置において、少なくとも前記多出力磁気誘導素子と、電源用ＩＣと、コンデンサとを備えた構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、コイル導体をトロイダル形状にすることで、磁性基板に磁気分離層を形成することなく、複数のインダクタを集積することができて、多出力磁気誘導素子おおよびこれを備えた多出力超小型電力変換装置を形成することができる。これにより、出力に応じて複数必要であった電力変換装置を集積することができ、実装面積の減少、コスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態を以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１、図２および図３は、この発明の第１実施例である多出力磁気誘導素子の構成図であり、図１は上部から透視した要部平面図、図２は図１のＸ−Ｘ'線で切断したときの要部断面図、図３は図１のＹ−Ｙ'線で切断したときの要部断面図である。図１〜図３の多出力磁気誘導素子１００は、トロイダルコイルからなるインダクタを２個磁性基板１１に形成した場合のものである。図１〜図３にはインダクタのコイルパターン（トロイダル形状したコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ）のみでなく、電気的に接続するための電極１５ａ、１５ｂも同時に図示してある。
コイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは磁性基板１１（例えば、フェライト基板）を用いて形成され、第１主面のコイル導体１２ａ，１３ａは、貫通孔中の接続導体１４を介して第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂに電気的に接続される。第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂは第１主面の隣接した２つのコイル導体１２ａ、１３ａと接続するため、第１主面のコイル導体１２ａ，１３ａとは相対的に斜めに形成される。全体としてのコイル形状はトロイダル形状となる。
図４は、同一の磁性基板にインダクタを２個形成し、１個のインダクタに電流を印加したときの磁束の流れを模擬的に示したもので、同図（ａ）はトロイダル形状のコイル導体の場合、同図（ｂ）はソレノイド形状のコイル導体の場合ある。ここではインダクタとは磁性基板にコイル導体を形成したものを指す。同図（ｂ）は比較例として、特許文献４で考案したソレノイド形状のコイルで磁気分離層がない場合の磁束の流れを示した。尚、図では第１主面のコイル導体のみを示した。
【００１０】
同図（ｂ）で示すソレノイド形状のコイルの場合、コイルの外側を磁束が流れるために、隣接するコイルへも磁束の流れが影響してしまう。従って、隣接するコイル同士を非磁性の材質で磁気的に分離する必要がある。
一方、同図（ａ）で示す本発明のトロイダル形状のコイル導体の場合、磁束はコイルの内側の領域を流れるため、隣接するコイルへの磁束の影響は少なく、磁気的な分離を必要としない。
したがって、特許文献４に記載されているような磁気分離層を設置する必要がなく、多出力磁気誘導素子１００を少ない工程で形成することができ、低コスト化が図れる。また、スリット加工などの基板の強度を低減させるような工程もないために、磁性基板１１の破損などの発生も少なくすることができ、良品率も向上する。さらに、磁性基板１１の面積を縮小できる。
尚、前記の第１実施例では多出力磁気誘導素子１００としてトランスではなくコイル（インダクタ）の場合を示したが、トランスの場合にも適用できる。その場合は、図示しないが、一つのトロイダルコイルを形成している領域に互い違いに二つのトロイダルコイルの巻線を形成するなどの構成で、トランスが搭載された多出力磁気誘導素子とすることができる。
【００１１】
図５〜図１１、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。この要部製造工程断面図は図１のＹ−Ｙ'線を切断したときの断面図に相当する。
磁性基板１１として、厚さ５２５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト基板を用いた。なお、基板の厚さは必要なインダクタンス、コイル電流値、磁性基板１１の特性から決定されるものであり、今回の実施例での厚さに限ったものではない。ただし、基板が極端に薄い場合は磁気飽和が起こりやすくなり、また、厚い場合には、電力変換装置自体の厚さが厚くなるため、電力変換装置の目的に合わせ選定する必要がある。なお、絶縁基板１１としてフェライトを用いたが、絶縁性の磁性基板１１であればどの材料でも良い。今回は、容易に基板状に成型し得る材料としてフェライト基板を用いた。次に具体的な工程について説明する。
まず、図５において、第１主面と第２主面のコイル導体および電極を接続するための貫通孔を磁性基板１１に形成する。コイル導体１２ａ，１２ｂを接続する貫通孔が４２、電極１５ａ、１５ｂを接続する貫通孔が４３である。加工方法は、レーザー加工、サンドブラスト加工、放電加工、超音波加工および機械加工などいずれの方法も適用でき、加工コストや加工寸法などで決定する必要がある。今回の実施例では、最小加工寸法幅が１３０μｍと微小なこと、加工個所が多いことからサンドブラスト法を用いた。
【００１２】
つぎに、図６に示すように、基板全面に導電性を付与するために、Ｔｉ／Ｃｕをスパッタ法で成膜し、めっきシード層４４を形成する。このとき、貫通孔へも導電性は付与されるが、必要であれば、無電解めっきなどを施しても良い。また、スパッタ法にかぎらず真空蒸着法、ＣＶＤ（ケミカルベイパーデポジション）法、などを用いても良い。無電解めっきのみで形成する方法でも良い。
ただし、基板との密着性を十分得られる方法が望ましい。なお、導電性材料については導電性を持つ材料であればなんでも良い。密着性を得るための密着層として今回はＴｉを用いたが、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａなども用いることができる。また、Ｃｕが後工程の電解めっき工程でめっきが生成されるシード層となるが、これもＮｉ、Ａｕなどを用いることができる。今回は、後工程での加工の容易さも考慮し、Ｔｉ／Ｃｕの膜構成とした。
つぎに、図７に示すように、第１主面、第２主面に形成されるべきコイル導体、電極のパターン４５をフォトレジストを用いて形成する。本実施例ではネガ型のフィルムタイプのレジストを用いて、これらのパターンを形成した。
つぎに、図８に示すように、レジストパターンの開口部へ電解めっきでＣｕを形成させる。このとき、貫通孔部へもＣｕがめっきされ、導体接続部も同時に形成され、第１主面と第２主面のコイル導体が接続され、トロイダル状のコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂのパターンが形成される。また、電極１５ａ、１５ｂとなるパターンも同時に形成される。貫通穴内部には接続導体１４、１６が形成される。
【００１３】
つぎに、図９に示すように、電解めっき後、不要なフォトレジスト、導電層を除去することで、所望のコイル導体と電極が形成される。尚、コイル導体および電極にはめっきシード層も含まれるのでこの工程からはめっきシード層は描かれていない。
つぎに、図１０に示すように、必要に応じて、コイル導体上には絶縁膜１８を形成する。本実施例ではフィルム型の絶縁材料を用いた。絶縁膜は保護膜としての機能を果たし、不要であれば形成する必要はない。ただし、長期信頼性を考慮すると形成しておくのが望ましい。なお、絶縁膜形成方法はフィルム型の材料に限定されるものではなく、液状の絶縁材料をスクリーン印刷でパターン形成し、熱硬化させても良い。
最後に、図１１に示すように、フェライトをダイシング（切断）して、所定のサイズに切り出すことで、複数のインダクタが配置された所望の多出力磁気誘導素子を得ることができる。
なお、コイル導体および電極表面には必要に応じて、Ｎｉ、Ａｕめっきなどを施し、表面処理層を形成する。本実施例では図８に示した工程で、Ｃｕを電解めっき後連続してＮｉおよびＡｕを電解めっきで形成した。なお、図１０の終了後に無電解めっきでこれらを形成してよい。もしくは図１１後に同様に無電解めっきを実施しても良い。これらの金属保護導体は後工程でのＩＣの接続工程で安定した接続状態を得るためのものである。
【００１４】
上述した製造方法により、特許文献４で示すような磁気分離層やスリットを形成するような複雑な工程を経ることなく、複数のインダクタが配置された多出力磁気誘導素子１００を得ることができる。
【実施例２】
【００１５】
図１２は、この発明の第２実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。この多出力超小型電力変換装置２００は、図１〜図３に示す多出力磁気誘導素子１００を備えた構成をしており、多出力磁気誘導素子１００と電源ＩＣ５２との接続に面実装方式を用いている。
電源ＩＣ５２を図１２に示したように、磁性基板１１に形成した電極１５ａに接続する。本実施例では電源ＩＣ５２の図示しない電極にスタッドバンプ５１を形成し、その電源ＩＣ５２を電極１５ａに超音波接続で接合した。その後、アンダーフィル５３で電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００を固定する。
接合方法として本実施例ではスタッドバンプ５１と超音波接合を用いたが、本構造ではこれに限定されるものではなく、はんだ接合や導電接着材などを用いても問題はない。ただし、接続部の接続抵抗ができるだけ小さくなる手法が望ましい。
また、電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００の固定にはアンダーフィル５３を用いたが、これは必要に応じて材料を選定すれば良く、エポキシ樹脂などの封止材などでも良い。これらはそれぞれの素子を固定させ、かつ水分などの影響によってもたらされる不具合に対して、長期信頼性を得るために用いられるものであり、多出力超小型電力変換装置の初期特性そのものには影響しないが、長期信頼性を考慮すると形成するのが望ましい。
【００１６】
前述した工程により、コンデンサ以外の部品（電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００）を実装した電力変換装置の超小型化を図ることができる。また、電力変換の出力は２系統であり、従来技術のように磁気分離層などを形成せずに、少ない工数で多出力超小型電力変換装置２００を得ることができる。
【実施例３】
【００１７】
図１３は、この発明の第３実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。この多出力超小型電力変換装置３００は、図１〜図３に示す多出力磁気誘導素子１００を備えた構成をしており、多出力磁気誘導素子１００と電源ＩＣとの接続にワイヤボンディング方式を用いている。
磁性基板１１上にダイアタッチメントフィルム６２を裏面に貼り付けた電源ＩＣ５２を実装し、電源ＩＣ５２上の図示しない各々の電極と、磁性基板１１上の電極１５ａとをＡｕワイヤ６１をボンディングして接続する。ワイヤボンディング後はエポキシ樹脂６３などの封止材で封止する。電源ＩＣ５２を実装するときの接着剤としてはダイアタッチメントフィルム６２を用いたが、液状接着剤でも良い。
また、ワイヤはＡｕワイヤ６１を用いたが他にＡｌワイヤなども適用できる。ワイヤボンディングで接続する場合、面実装方式と比較して、電源ＩＣ５２のサイズやパッド位置の制約が少なく、フェライト基板１１とのレイアウトの自由度が高い。このため、電源ＩＣ５２を小さくしてもなんら問題がなく、コスト低減をはかることができる。
尚、第２実施例および第３実施例の磁性基板１１の裏面側に積層セラミックコンデンサのようなコンデンサを配置する場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１実施例である多出力磁気誘導素子の上部から透視した要部平面図
【図２】図１のＸ−Ｘ'線で切断したときの要部断面図
【図３】図１のＹ−Ｙ'線で切断したときの要部断面図
【図４】インダクタを２個形成し、１個のインダクタに電流を印加したときの磁束の流れを模擬的に示したもので、（ａ）はトロイダル形状のコイル導体の場合の図、（ｂ）はソレノイド形状のコイル導体の場合の図
【図５】図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図６】図５に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図７】図６に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図８】図７に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図９】図８に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１０】図９に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１１】図１０に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１２】この発明の第２実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【図１３】この発明の第３実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【符号の説明】
【００１９】
１１ 磁性基板
１２ａ、１３ａ コイル導体（第１主面）
１２ｂ、１３ｂ コイル導体（第２主面）
１４ 接続導体（コイル導体）
１５ａ 電極（第１主面）
１５ｂ 電極（第２主面）
１６ 接続導体（電極）
１８ 絶縁膜
４２、４３ 貫通孔
４４ めっきシード層
４５ フォトレジスト
５１ スタッドバンプ
５２ 電源ＩＣ
５３ アンダーフィル
６１ Ａｕワイヤ
６２ ダイアタッチメントフィルム
６３ エポキシ樹脂
１００ 多出力磁気誘導素子
２００、３００ 多出力超小型電力変換装置
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同一の磁性基板に複数のコイルを形成した多出力磁気誘導素子と、これを搭載したＤＣ−ＤＣコンバータなどの多出力超小型電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子情報機器、特に携帯型の各種電子情報機器の普及が著しい。それらの電子情報機器は、電池を電源とするものが多く、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置を内蔵している。通常その電力変換装置は、スイッチング素子、整流素子および制御ＩＣなどの能動素子と、インダクタ、トランス、コンデンサおよび抵抗などの受動素子の各個別部品をセラミック基板やプラスチックなどのプリント基板などの上に配置したハイブリッド型のモジュールとして構成されている。
ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力コンデンサ、出力コンデンサ、調整用の抵抗、コンデンサ、インダクタおよび電源用ＩＣで構成される。直流電圧（Ｖｉｎ）を入力し、電源用ＩＣのＭＯＳＦＥＴをスイッチングさせて、直流の所定の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を出力する。インダクタと出力コンデンサは直流電圧を出力するためのフィルタ回路を構成する。
この回路において、インダクタの直流抵抗が大きくなると、この部分での電圧降下が大きくなり、出力電圧が低くなる。つまりＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率は小さくなる。
前述した携帯用を含めた各種電子情報機器の小型化の要望に伴い、内蔵される電力変換装置の小型化の要求も強い。ハイブリッド型電源モジュールの小型化は、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）技術や積層セラミック部品などの技術により進歩してきている。
【０００３】
しかしながら、個別の部品を同一基板上に並べて実装するため、電源モジュールの実装面積の縮小化が制限されている。特にインダクタやトランスなどの磁気誘導素子(磁気誘導部品)は、集積回路と比較すると体積が非常に大きいために、電子機器の小型化を図る上で最大の制約となっている。
これら磁気誘導素子の小型化に対する今後の方向としては、チップ部品として限りなく小さくし、面実装により電源全体を小さくする方向と、シリコン基板上に薄膜で形成する手法の二つが提案されている。近年、磁気誘導素子の小型化の要求に応えて、半導体技術の適用により、半導体基板上に薄型のマイクロ磁気誘導素子（コイル、トランス）を搭載した例も報告されている。
本出願人もそのような平面型の薄膜磁気誘導素子を開示した（特許文献１参照）。これは、スイッチング素子や制御回路などの半導体部品を作り込んだ半導体基板の表面上に、薄膜コイルを磁性薄膜とフェライト基板とで挟んだ形の平面型磁気誘導素子（薄膜インダクタ）を薄膜技術により形成したものである。これにより、磁気誘導素子の薄型化とその実装面積の削減が可能となった。しかしなお、個別チップ部品が多いことや、実装面積が大きいという問題があった。
【０００４】
これを解決するために、本出願人は別の構造の超小型電力変換装置を開示した（特許文献２参照）。この超小型電力変換装置に用いられている平面型磁気誘導素子は、渦巻き状（かとり線香状）のコイル導体の隙間に磁性を帯びた微粒子を帯びた微粒子を混入した樹脂を充填し、上面、下面をフェライト基板で挟み込んで形成される。
また、さらに高効率の超小型電力変換装置として、ソレノイド形状をしたコイルを用いて形成したインダクタと電源ＩＣを組み合わせた装置も開示した（特許文献３参照）。
また、従来まで提案していた超小型電力変換装置は，サイズが小さく、薄いという特徴があるものの、磁気誘導素子およびＩＣがそれぞれ１素子で、入力１系統、出力１系統の単一出力であった。つまり、この装置では所望の電圧１出力につき１個の装置が必要であることになる。
携帯機器や超小型の電力変換装置が必要な電子機器では、用途によって出力系統の多い、つまり複数の出力電圧が必要なものも多く、その場合は必要な出力系統数だけ、電力変換装置が必要となり、実装面積の増加、実装コストの増大を招いていた。
これを解決するために、発明者らは、複数の磁気誘導素子をアレイ状に配置し、磁気的分離をすることで、出力電圧を多出力にする構造についても考案した（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９６５４２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３３１４０号公報
【特許文献３】特開２００４−７２８１５号公報
【特許文献４】特開２００４−３４３９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献４で考案した多出力超小型電力変換装置は、ソレノイド形状のコイル導体を用いているため、磁束が隣接するソレノイド形状のコイル導体に漏れる。隣接するコイル導体同士の磁気的結合を防止するために、磁性基板にスリットを形成し、磁気的な分離を図っていた。
しかし、この構造では、磁性基板にスリットを入れたり、絶縁物で埋め込むなどの磁気分離層を形成する工程などが必要となり、インダクタ基板が大型化すると同時にコスト面の問題や基板割れなどの良品率悪化の問題がある。
また、特許文献４で、磁性的分離したソレノイドコイルがトロイダルコイルであってもよい旨の記載はあるが
、磁気分離層を形成しないことについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、小型、薄型の多出力磁気誘導素子およびこれを備えた複数の電圧が出力される小型、薄型で低コストの多出力超小型電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、多出力磁気誘導素子において、同一の磁性基板に複数のトロイダルコイルが形成される構成とする。
また、隣接する前記トロイダルコイルの間の前記磁性基板に磁束の相互干渉を阻止する磁気分離層を設置しないと磁性基板の縮小化と工数低減ができてよい。
また、前記磁性基板が絶縁性基板であるとよい。
また、前記磁性基板の第１主面および第２主面に貫通孔を介して電気的に接続される電極を具備するとよい。
また、多出力超小型電力変換装置において、少なくとも前記多出力磁気誘導素子と、電源用ＩＣと、コンデンサとを備えた構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、コイル導体をトロイダル形状にすることで、磁性基板に磁気分離層を形成することなく、複数のインダクタを集積することができて、多出力磁気誘導素子おおよびこれを備えた多出力超小型電力変換装置を形成することができる。これにより、出力に応じて複数必要であった電力変換装置を集積することができ、実装面積の減少、コスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態を以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１、図２および図３は、この発明の第１実施例である多出力磁気誘導素子の構成図であり、図１は上部から透視した要部平面図、図２は図１のＸ−Ｘ'線で切断したときの要部断面図、図３は図１のＹ−Ｙ'線で切断したときの要部断面図である。図１〜図３の多出力磁気誘導素子１００は、トロイダルコイルからなるインダクタを２個磁性基板１１に形成した場合のものである。図１〜図３にはインダクタのコイルパターン（トロイダル形状したコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ）のみでなく、電気的に接続するための電極１５ａ、１５ｂも同時に図示してある。
コイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは磁性基板１１（例えば、フェライト基板）を用いて形成され、第１主面のコイル導体１２ａ，１３ａは、貫通孔中の接続導体１４を介して第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂに電気的に接続される。第２主面のコイル導体１２ｂ、１３ｂは第１主面の隣接した２つのコイル導体１２ａ、１３ａと接続するため、第１主面のコイル導体１２ａ，１３ａとは相対的に斜めに形成される。全体としてのコイル形状はトロイダル形状となる。
図４は、同一の磁性基板にインダクタを２個形成し、１個のインダクタに電流を印加したときの磁束の流れを模擬的に示したもので、同図（ａ）はトロイダル形状のコイル導体の場合、同図（ｂ）はソレノイド形状のコイル導体の場合ある。ここではインダクタとは磁性基板にコイル導体を形成したものを指す。同図（ｂ）は比較例として、特許文献４で考案したソレノイド形状のコイルで磁気分離層がない場合の磁束の流れを示した。尚、図では第１主面のコイル導体のみを示した。
【００１０】
同図（ｂ）で示すソレノイド形状のコイルの場合、コイルの外側を磁束が流れるために、隣接するコイルへも磁束の流れが影響してしまう。従って、隣接するコイル同士を非磁性の材質で磁気的に分離する必要がある。
一方、同図（ａ）で示す本発明のトロイダル形状のコイル導体の場合、磁束はコイルの内側の領域を流れるため、隣接するコイルへの磁束の影響は少なく、磁気的な分離を必要としない。
したがって、特許文献４に記載されているような磁気分離層を設置する必要がなく、多出力磁気誘導素子１００を少ない工程で形成することができ、低コスト化が図れる。また、スリット加工などの基板の強度を低減させるような工程もないために、磁性基板１１の破損などの発生も少なくすることができ、良品率も向上する。さらに、磁性基板１１の面積を縮小できる。
尚、前記の第１実施例では多出力磁気誘導素子１００としてトランスではなくコイル（インダクタ）の場合を示したが、トランスの場合にも適用できる。その場合は、図示しないが、一つのトロイダルコイルを形成している領域に互い違いに二つのトロイダルコイルの巻線を形成するなどの構成で、トランスが搭載された多出力磁気誘導素子とすることができる。
【００１１】
図５〜図１１、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。この要部製造工程断面図は図１のＹ−Ｙ'線を切断したときの断面図に相当する。
磁性基板１１として、厚さ５２５μｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト基板を用いた。なお、基板の厚さは必要なインダクタンス、コイル電流値、磁性基板１１の特性から決定されるものであり、今回の実施例での厚さに限ったものではない。ただし、基板が極端に薄い場合は磁気飽和が起こりやすくなり、また、厚い場合には、電力変換装置自体の厚さが厚くなるため、電力変換装置の目的に合わせ選定する必要がある。なお、絶縁基板１１としてフェライトを用いたが、絶縁性の磁性基板１１であればどの材料でも良い。今回は、容易に基板状に成型し得る材料としてフェライト基板を用いた。次に具体的な工程について説明する。
まず、図５において、第１主面と第２主面のコイル導体および電極を接続するための貫通孔を磁性基板１１に形成する。コイル導体１２ａ，１２ｂを接続する貫通孔が４２、電極１５ａ、１５ｂを接続する貫通孔が４３である。加工方法は、レーザー加工、サンドブラスト加工、放電加工、超音波加工および機械加工などいずれの方法も適用でき、加工コストや加工寸法などで決定する必要がある。今回の実施例では、最小加工寸法幅が１３０μｍと微小なこと、加工個所が多いことからサンドブラスト法を用いた。
【００１２】
つぎに、図６に示すように、基板全面に導電性を付与するために、Ｔｉ／Ｃｕをスパッタ法で成膜し、めっきシード層４４を形成する。このとき、貫通孔へも導電性は付与されるが、必要であれば、無電解めっきなどを施しても良い。また、スパッタ法にかぎらず真空蒸着法、ＣＶＤ（ケミカルベイパーデポジション）法、などを用いても良い。無電解めっきのみで形成する方法でも良い。
ただし、基板との密着性を十分得られる方法が望ましい。なお、導電性材料については導電性を持つ材料であればなんでも良い。密着性を得るための密着層として今回はＴｉを用いたが、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａなども用いることができる。また、Ｃｕが後工程の電解めっき工程でめっきが生成されるシード層となるが、これもＮｉ、Ａｕなどを用いることができる。今回は、後工程での加工の容易さも考慮し、Ｔｉ／Ｃｕの膜構成とした。
つぎに、図７に示すように、第１主面、第２主面に形成されるべきコイル導体、電極のパターン４５をフォトレジストを用いて形成する。本実施例ではネガ型のフィルムタイプのレジストを用いて、これらのパターンを形成した。
つぎに、図８に示すように、レジストパターンの開口部へ電解めっきでＣｕを形成させる。このとき、貫通孔部へもＣｕがめっきされ、導体接続部も同時に形成され、第１主面と第２主面のコイル導体が接続され、トロイダル状のコイル導体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂのパターンが形成される。また、電極１５ａ、１５ｂとなるパターンも同時に形成される。貫通穴内部には接続導体１４、１６が形成される。
【００１３】
つぎに、図９に示すように、電解めっき後、不要なフォトレジスト、導電層を除去することで、所望のコイル導体と電極が形成される。尚、コイル導体および電極にはめっきシード層も含まれるのでこの工程からはめっきシード層は描かれていない。
つぎに、図１０に示すように、必要に応じて、コイル導体上には絶縁膜１８を形成する。本実施例ではフィルム型の絶縁材料を用いた。絶縁膜は保護膜としての機能を果たし、不要であれば形成する必要はない。ただし、長期信頼性を考慮すると形成しておくのが望ましい。なお、絶縁膜形成方法はフィルム型の材料に限定されるものではなく、液状の絶縁材料をスクリーン印刷でパターン形成し、熱硬化させても良い。
最後に、図１１に示すように、フェライトをダイシング（切断）して、所定のサイズに切り出すことで、複数のインダクタが配置された所望の多出力磁気誘導素子を得ることができる。
なお、コイル導体および電極表面には必要に応じて、Ｎｉ、Ａｕめっきなどを施し、表面処理層を形成する。本実施例では図８に示した工程で、Ｃｕを電解めっき後連続してＮｉおよびＡｕを電解めっきで形成した。なお、図１０の終了後に無電解めっきでこれらを形成してよい。もしくは図１１後に同様に無電解めっきを実施しても良い。これらの金属保護導体は後工程でのＩＣの接続工程で安定した接続状態を得るためのものである。
【００１４】
上述した製造方法により、特許文献４で示すような磁気分離層やスリットを形成するような複雑な工程を経ることなく、複数のインダクタが配置された多出力磁気誘導素子１００を得ることができる。
【実施例２】
【００１５】
図１２は、この発明の第２実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。この多出力超小型電力変換装置２００は、図１〜図３に示す多出力磁気誘導素子１００を備えた構成をしており、多出力磁気誘導素子１００と電源ＩＣ５２との接続に面実装方式を用いている。
電源ＩＣ５２を図１２に示したように、磁性基板１１に形成した電極１５ａに接続する。本実施例では電源ＩＣ５２の図示しない電極にスタッドバンプ５１を形成し、その電源ＩＣ５２を電極１５ａに超音波接続で接合した。その後、アンダーフィル５３で電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００を固定する。
接合方法として本実施例ではスタッドバンプ５１と超音波接合を用いたが、本構造ではこれに限定されるものではなく、はんだ接合や導電接着材などを用いても問題はない。ただし、接続部の接続抵抗ができるだけ小さくなる手法が望ましい。
また、電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００の固定にはアンダーフィル５３を用いたが、これは必要に応じて材料を選定すれば良く、エポキシ樹脂などの封止材などでも良い。これらはそれぞれの素子を固定させ、かつ水分などの影響によってもたらされる不具合に対して、長期信頼性を得るために用いられるものであり、多出力超小型電力変換装置の初期特性そのものには影響しないが、長期信頼性を考慮すると形成するのが望ましい。
【００１６】
前述した工程により、コンデンサ以外の部品（電源ＩＣ５２と多出力磁気誘導素子１００）を実装した電力変換装置の超小型化を図ることができる。また、電力変換の出力は２系統であり、従来技術のように磁気分離層などを形成せずに、少ない工数で多出力超小型電力変換装置２００を得ることができる。
【実施例３】
【００１７】
図１３は、この発明の第３実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図である。この多出力超小型電力変換装置３００は、図１〜図３に示す多出力磁気誘導素子１００を備えた構成をしており、多出力磁気誘導素子１００と電源ＩＣとの接続にワイヤボンディング方式を用いている。
磁性基板１１上にダイアタッチメントフィルム６２を裏面に貼り付けた電源ＩＣ５２を実装し、電源ＩＣ５２上の図示しない各々の電極と、磁性基板１１上の電極１５ａとをＡｕワイヤ６１をボンディングして接続する。ワイヤボンディング後はエポキシ樹脂６３などの封止材で封止する。電源ＩＣ５２を実装するときの接着剤としてはダイアタッチメントフィルム６２を用いたが、液状接着剤でも良い。
また、ワイヤはＡｕワイヤ６１を用いたが他にＡｌワイヤなども適用できる。ワイヤボンディングで接続する場合、面実装方式と比較して、電源ＩＣ５２のサイズやパッド位置の制約が少なく、フェライト基板１１とのレイアウトの自由度が高い。このため、電源ＩＣ５２を小さくしてもなんら問題がなく、コスト低減をはかることができる。
尚、第２実施例および第３実施例の磁性基板１１の裏面側に積層セラミックコンデンサのようなコンデンサを配置する場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１実施例である多出力磁気誘導素子の上部から透視した要部平面図
【図２】図１のＸ−Ｘ'線で切断したときの要部断面図
【図３】図１のＹ−Ｙ'線で切断したときの要部断面図
【図４】インダクタを２個形成し、１個のインダクタに電流を印加したときの磁束の流れを模擬的に示したもので、（ａ）はトロイダル形状のコイル導体の場合の図、（ｂ）はソレノイド形状のコイル導体の場合の図
【図５】図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図６】図５に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図７】図６に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図８】図７に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図９】図８に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１０】図９に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１１】図１０に続く、図１〜図３の多出力磁気誘導素子の要部製造工程断面図
【図１２】この発明の第２実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【図１３】この発明の第３実施例である多出力超小型電力変換装置の要部断面図
【符号の説明】
【００１９】
１１ 磁性基板
１２ａ、１３ａ コイル導体（第１主面）
１２ｂ、１３ｂ コイル導体（第２主面）
１４ 接続導体（コイル導体）
１５ａ 電極（第１主面）
１５ｂ 電極（第２主面）
１６ 接続導体（電極）
１８ 絶縁膜
４２、４３ 貫通孔
４４ めっきシード層
４５ フォトレジスト
５１ スタッドバンプ
５２ 電源ＩＣ
５３ アンダーフィル
６１ Ａｕワイヤ
６２ ダイアタッチメントフィルム
６３ エポキシ樹脂
１００ 多出力磁気誘導素子
２００、３００ 多出力超小型電力変換装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の磁性基板に複数のトロイダルコイルが形成されていることを特徴とする多出力磁気誘導素子。
【請求項２】
隣接する前記トロイダルコイルの間の前記磁性基板に磁束の相互干渉を阻止する磁気分離層を設置しないことを特徴とする請求項１に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項３】
前記磁性基板が絶縁性基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項４】
前記磁性基板の第１主面および第２主面に貫通孔を介して電気的に接続される電極を具備することを特徴とする請求項1〜３のいずれか一項に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項５】
少なくとも前記請求項１〜４のいずれか一項に記載の多出力磁気誘導素子と、電源用ＩＣと、コンデンサとを備えることを特徴とする多出力超小型電力変換装置。
【請求項１】
同一の磁性基板に複数のトロイダルコイルが形成されていることを特徴とする多出力磁気誘導素子。
【請求項２】
隣接する前記トロイダルコイルの間の前記磁性基板に磁束の相互干渉を阻止する磁気分離層を設置しないことを特徴とする請求項１に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項３】
前記磁性基板が絶縁性基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項４】
前記磁性基板の第１主面および第２主面に貫通孔を介して電気的に接続される電極を具備することを特徴とする請求項1〜３のいずれか一項に記載の多出力磁気誘導素子。
【請求項５】
少なくとも前記請求項１〜４のいずれか一項に記載の多出力磁気誘導素子と、電源用ＩＣと、コンデンサとを備えることを特徴とする多出力超小型電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２４６１５９（Ｐ２００９−２４６１５９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９１３９１（Ｐ２００８−９１３９１）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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