JP2011019083A

JP2011019083A - 電子複合部品

Info

Publication number: JP2011019083A
Application number: JP2009162291A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Suzuki; 俊介鈴木; Tomoji Arai; 智次荒井
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】本発明は、電源回路のＤＣ−ＤＣコンバータなどを構成することが可能で、かつ、小型でワンパッケージの電子複合部品を提供すること。
【解決手段】インダクタ素子１および半導体素子２を実装した第二のプリント基板５と、２つの固体電解コンデンサ素子３を実装した第一のプリント基板７を接続して、ワンパッケージに樹脂モールドしたことを特徴とする電子複合部品。
【選択図】図１

Description

本発明は小型携帯電子機器に使われる小型の電子複合部品に関し、特に電源装置に使用される小型のＤＣ−ＤＣコンバータなどを実現するのに適した電子複合部品に関する。

これまで、携帯電話などの通信機器、携帯オーディオプレイヤ、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの携帯ＡＶ機器、携帯型ゲーム機器の小型化、薄型化が進められてきた。近年、これら携帯型電子機器に対して高性能化は元より、更に高機能化、多機能化への要求が高まり、携帯型電子機器に搭載される電源装置や、電力変換装置における部品点数の削減、実装面積の低減化へ目が向けられてきている。

それらの例を挙げると定電圧の直流を供給するＤＣ-ＤＣコンバータの方式の一つとして図４で示す、スイッチングレギュレータがある。これは半導体９にインダクタ１０および入力コンデンサ素子１１と出力コンデンサ素子１２が接続され、高効率で、リップルの少ない直流を供給することを目的としており、小型化への試みとして図４のような複数の素子で構成されるＤＣ-ＤＣコンバータを、モジュールにして、簡易的に定電圧の直流を供給するための方法として、複合部品が提案されている。

例えば特許文献１には、フレキシブル基板上にコイル導体や薄膜コンデンサ素子、半導体チップを設置してフレキシブル基板を折り曲げて小型化した電力変換装置が示されている。特許文献１では、フレキシブル基板上に磁気誘導素子のコイル導体を実装し、フレキシブル基板を折り曲げてコイル導体を半導体チップの背面に重ねて配置することにより小型化した電力変換装置が得られ、さらに配線や電極端子分の面積が不要となるためコイル面積の拡大によりインダクタンスが１．５倍向上することなどが記載されている。

更に特許文献２にはＳｉ基板上の一方の面に強誘電体層で構成されるコンデンサ素子と更にそのコンデンサ素子に重ねて薄膜コイルを集積することにより小型化した複合集積回路が示されている。特許文献２では強誘電体層としてＢＳＴ（Ｂａ_0.5Ｓｒ_0.5ＴｉＯ₃）をＰＬＤ（パルスレーザ照射デポジション）法で成膜し、コンデンサ素子部では１辺５ｍｍ（面積２５ｍｍ²）の素子とした場合１μＦ以上の静電容量が得られ、低抵抗のＳｉ基板を使用しているためにＥＳＲ（等価直列抵抗）は１５０ｍΩの値が得られたことが記載されている。

特開２００５−３４０７５４号公報特開２００２−５７０３７号公報

しかしながら、特許文献１の技術においては、電子複合部品によりＤＣ−ＤＣコンバータを構成した場合、コンデンサ素子として強誘電体層などの薄膜による薄膜コンデンサ素子を用いているため、十分な静電容量が得られず大きな出力電力を得ることができない。一方、大きな出力電力のＤＣ−ＤＣコンバータなどを有した電源回路を得るためには薄膜コンデンサ素子の面積を大きくする必要があるため小型化には限界が生じてしまうという問題点がある。特許文献２の技術においては、強誘電体層を成膜する工程としてＰＬＤ法等を用いているが設備投資費用、維持費が高額となること、更には薄膜の大面積化の技術が製造コストを増大させる要因となっている。

また、一般に携帯機器のＤＣ−ＤＣコンバータに必要とされる出力電圧範囲は０．９Ｖから５Ｖ程度であり、最大出力電流は１Ａ以内である。このレベルの出力電力を実現するためにはＤＣ−ＤＣコンバータ回路の入出力コンデンサ素子として数μＦオーダーの静電容量が必要であり、この静電容量を携帯機器に実装するために必要とされる数ｍｍ²のレベルの面積で実現するのは薄膜コンデンサ素子では困難である。

このように従来の技術では、個々の素子、例えば半導体部品、コイル部品、コンデンサ素子部品の同一基板上に集約された電源部品のモジュール化技術や集積回路プロセスを使って、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを小型化し、さらには１チップに構成する技術は開示されてきた。しかし、部品の要求に対して、各種素子の実装面積が基板面積の許容範囲に収まらない場合や製造コストが増大し工業化が難しい場合が多く、性能とコストの両面で適合した製品の提供が望まれていた。

従って、本発明は、電源回路のＤＣ−ＤＣコンバータを構成することが可能で、かつ、小型でワンパッケージに収納された電子複合部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による電子複合部品は、電気配線が形成された第一のプリント基板と、前記第一のプリント基板の少なくとも一つの面上に設置された少なくとも一つの固体電解コンデンサ素子と、電気配線が形成された第二のプリント基板と、前記第二のプリント基板の少なくとも一つの面に設置された少なくとも一つのインダクタ素子とを有し、前記固体電解コンデンサ素子は弁作用を有する金属からなる陽極体と前記陽極体の拡面化された表面に形成された誘電体層と前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層と前記固体電解質層の表面に形成された陰極導電体層と前記陽極体に接続された陽極電極とを有し、前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板が積層され、前記電気配線が形成された前記第一のプリント基板、または前記第二のプリント基板の表面の一部が外部に露出されて前記固体電解コンデンサ素子と前記インダクタ素子が一体として樹脂モールドされたことを特徴とする。

本発明による電子複合部品は前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板がはんだボールを介して電気的に接続され、かつ固定されたことを特徴とする。

本発明による電子複合部品は前記第一のプリント基板上の前記固体電解コンデンサ素子と前記第二のプリント基板の底部、または前記第二のプリント基板上の前記インダクタ素子と前記第一のプリント基板の底部が熱接着性樹脂含有テープで固定され、更に前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板がワイヤ・ボンディングで電気的に接続されたことを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記陽極電極と前記陰極導体層は前記電気配線に導電性接着剤で接続固定されていることを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記固体電解コンデンサ素子は前記陰極導電体層に接続された陰極電極を有し、前記陰極電極と前記陽極電極は前記電気配線に導電性接着剤、または、はんだにより接続固定されていることを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記第二のプリント基板上に半導体素子が配置され、前記半導体素子と前記固体電解コンデンサ素子と前記インダクタ素子と前記電気配線とによりＤＣ−ＤＣコンバータ回路が形成されていることを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記弁作用を有する金属はアルミニウム、またはタンタルであり、前記固体電解質層は導電性高分子層であることを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記インダクタ素子は、絶縁層で被覆された導線の巻線を、磁性体粉末を分散させた樹脂でモールドして形成されていることを特徴とする。

本発明による電子複合部品は、前記インダクタ素子は、前記第二のプリント基板上に前記電気配線と同一の材料で形成された巻線パターンと、前記巻線パターンの上方または下方の少なくとも一方に設置された板状のフェライト、または金属磁性体、またはスパッタリング、または蒸着により形成された磁性薄膜からなること特徴とする。

本発明による電子複合部品によれば、電気配線が形成された第一のプリント基板上に固体電解コンデンサ素子が導電性接着剤、または、はんだにより接続、固定されている。つづいて電気配線が形成された第二のプリント基板上にインダクタ素子と半導体素子がはんだ等により接続され、固定されている。更に、上記の固体電解コンデンサ素子が接続され、固定された第一のプリント基板の上に上記のインダクタ素子と半導体素子がそれぞれ接続され、固定された第二のプリント基板が例えば、はんだボールを介して電気的に接続され、固定された後、第一のプリント基板の表面の一部が外部に露出された状態で全体が樹脂モールドされている。

以上の構成により、本発明においては出力の大きなＤＣ−ＤＣコンバータに必要とされる大きな静電容量が得られ、かつ、小型化を達成した電子複合部品を得ることが可能となる。

本発明の実施例１に係る電子複合部品の透視正面図。本発明の実施例１に係る電子複合部品の第二のプリント基板の平面図。本発明の実施例１に係る電子複合部品の第一のプリント基板の平面図。ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図本発明の実施例２に係る電子複合部品の透視正面図。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における電子複合部品の構造について図１を参照しながら説明する。図１は本実施の形態の電子複合部品の透視正面図であり、見易くするためにハッチングを施している。図１において本実施の形態の電子複合部品は電気配線（図示なし）が形成された第一のプリント基板７上に入力と出力の各々１個の固体電解コンデンサ素子３が導電性接着剤または、はんだにより接続され、固定され、つづいて電気配線（図示なし）が形成された第二のプリント基板５上にインダクタ素子１と半導体素子２がはんだにより接続され、固定される。更に、固体電解コンデンサ素子３が接続された第一のプリント基板７の上にインダクタ素子１と半導体素子２がそれぞれ接続された第二のプリント基板５がはんだボール６を介して電気的に接続され、かつ固定された後、第一のプリント基板７の表面の一部を外部に露出させて全体を外装樹脂４により樹脂モールドすることにより形成される。

また、本実施の形態においては第二のプリント基板５上のインダクタ素子１が設置された近傍に半導体素子２が配置され、半導体素子２と固体電解コンデンサ素子３とインダクタ素子１と電気配線とによりＤＣ−ＤＣコンバータ回路が形成されている。

図２は、本実施の形態において第二のプリント基板５の平面図であり、見易くするためにハッチングを施しており、第二のプリント基板５の上面に配置されたインダクタ素子１と半導体素子２と第二のプリント基板５の底面に形成されたランド８にはんだボール６が配列されていることが示されている。

図３は、本実施の形態において第一のプリント基板７の平面図であり、見易くするためにハッチングを施しており、はんだボールが接続されるランド８が形成されている同一の面に入力平滑用、出力平滑用の各々の固体電解コンデンサ素子３が実装されていることを示している。また、第一のプリント基板７の底面にはＤＣ−ＤＣコンバータの入力、出力およびグランドの外部端子(図示なし)が形成されている。

尚、本実施の形態に用いる固体電解コンデンサ素子３は、弁作用を有する金属からなる陽極体と陽極体の拡面化された表面に形成された誘電体層と誘電体層の表面に形成された固体電解質層と固体電解質層の表面に形成された陰極導電体層と陽極体に接続された陽極電極とを有し、陽極電極と陰極導体層は第一のプリント基板７上に形成された電気配線に導電性接着剤または、はんだで接続され、固定されている。ここで、固体電解コンデンサ素子３が第一のプリント基板７上に形成された電気配線に、はんだで接続され、固定される場合は信頼性を考慮し、陰極導電体層に接続された陰極電極を有した固体電解コンデンサ素子とすることもできる。

より詳細には、陽極体は表面が拡面化された板状又は箔状のアルミニウムから成り、誘電体層は陽極体の表面に形成された陽極体の酸化皮膜から成り、また、誘電体層の表面を陽極部と陰極部とに分離する絶縁部を有し、陰極導電体層はグラファイト層と銀ペースト層とを積層塗布して形成されている。

また、アルミニウムの代わりにタンタルを陽極体に使用してもよく、陽極体の表面は拡面化した板状又は箔状のタンタルから構成され、誘電体層は陽極体の表面に形成された陽極体の酸化皮膜から成り、また、誘電体層の表面を陽極部と陰極部とに分離する絶縁部を有し、陰極導電体層はグラファイト層と銀ペースト層とを積層塗布して形成されている。

インダクタ素子は占積率が大きくなるようにＣｕ線をアルファ巻きで巻き線され、その後、巻き線を金属磁性粉末を分散させた樹脂でモールドされ形成される。

更にインダクタ素子を構成する別の手段としてはプリント基板上に形成された電気配線と同一の材料で形成された巻き線パターンと、その巻き線パターンの上方または下方の少なくとも一方に板状のフェライトまたは金属磁性体、またはスパタッリングまたは蒸着により形成された磁性薄膜が配置されたものも挙げられる。

続けてインダクタ素子を構成する別の手段としてはフェライトやセラミックス材料に導体パターンを積み重ねて印刷し、積み重ねた層間をビアでつないでコイルが形成された積層インダクタも挙げられる。

はんだボールの組成はＳｎ単体または、Ｓｎを主成分としたＡｇ、Ｃｕ，Ｂｉを少なくとも一種類含む金属で構成される。

（実施の形態２）
図５は本発明の電子複合部品の実施の形態２を説明する図である。

図５は本発明の実施の形態２における電子複合部品の構造について示している。図５は本実施の形態の電子複合部品の透視正面図であり、見易くするためにハッチングを施している。

第一のプリント基板７、第二のプリント基板５、そしてそれらに設置される固体電解コンデンサ素子３、インダクタ素子１、及び半導体素子２の構造は実施の形態１と同じであり、第一のプリント基板７上に入力と出力の各々１個の固体電解コンデンサ素子３が導電性接着剤またははんだにより接続され、固定され、つづいて電気配線（図示なし）が形成された第二のプリント基板５上にインダクタ素子１と半導体素子２がはんだにより接続され、固定される。

その後、第一のプリント基板７上の固体電解コンデンサ素子３と第二のプリント基板５の底部が熱接着性樹脂含有テープで接着された後、固定され、更に第一のプリント基板７と第二のプリント基板５がワイヤ・ボンディングで電気的に接続される。この場合、ワイヤはＡｕ線１６やＣｕ線を使用する。Ｃｕ線はＡｕ線１６と比較してコスト的に有利であるが酸化しやすい性質があるため、酸化を防止できる環境を提供できれば、Ｃｕ線でのワイヤ・ボンディングが可能である。

（実施例１）
次に実施例１に係る構成を実施の形態１で用いた図１を参照しながら説明する。実施例１で作製した第一のプリント基板７は基材に厚みが２５μｍのポリイミドを使用し、電気配線を構成する銅箔めっきの厚みが３５μｍである。固体電解コンデンサ素子３は、アルミニウムの多孔質体に公知の方法で誘電体酸化皮膜を形成した後、酸化皮膜上に固体電解質層を形成したのち、グラファイト層、銀ペースト層を積層塗布して作製し、形状は横１．３ｍｍ、縦２．８ｍｍ（面積３．６４ｍｍ²）、厚みが０．３ｍｍである。入力平滑側の固体電解コンデンサ素子３の静電容量は４．７μＦ、ＥＳＲは４０ｍΩ、耐圧電圧は６．３Ｖである。出力平滑側の固体電解コンデンサ素子３の静電容量は１０．０μＦ、ＥＳＲは４０ｍΩ、耐圧電圧は２．５Ｖである。はんだボールは鉛フリーであるＳｎ-Ａｇ系の直径５００μｍを使用した。

第二のプリント基板５は第一のプリント基板７と同様の構成で作製している。半導体素子２はＤＣ−ＤＣコンバータ用のスイッチング周波数が３ＭＨｚのスイッチ素子とコントロール回路などが内蔵されているものを使用した。インダクタ素子１は形状が横３ｍｍ、縦３ｍｍ（面積９ｍｍ²）、厚みが０．６ｍｍである。導線として外径０．１２ｍｍのＣｕ線を使用した。この導線をアルファ巻きにより巻き線を形成し、この巻き線を金属磁性体粉末を分散させた樹脂によりモールドしており、インダクタンスは１．０μＨ、直流抵抗は０．１５Ωであった。

次にフラックスが塗布された第二のプリント基板５のランド８にはんだボール６を搭載し、赤外線リフロー装置にて加熱し固着した。更に第二のプリント基板５にインダクタンス素子１と半導体素子２を赤外線リフロー装置にて加熱し実装した。続いて、第一のプリント基板７に入力平滑側と出力平滑側の固体電解コンデンサ素子３を銀ペーストを用いて実装した。その後、固体電解コンデンサ素子３を実装した第一のプリント基板７の上にインダクタンス素子１と半導体素子２を実装した第二のプリント基板５をはんだボール６を介して電気的に接続し、かつ固定した。この作業も赤外線リフロー装置にて実施した。

更にガラスのフィラーを含むエポキシ樹脂で構成される外装樹脂４にてモールド成形し、大きな出力電力を有するＤＣ−ＤＣコンバータの機能を有する電子複合部品を得た。このＤＣ−ＤＣコンバータは面積が１８．５ｍｍ²（４．１ｍｍ×４．５ｍｍ）で高さが１．５７ｍｍであり、入力電圧は２．７〜５．５Ｖ、出力電圧が１．８Ｖ、出力電流は最大で６００ｍＡで動作し、出力電力は約１Ｗである。このＤＣ−ＤＣコンバータでは、これらの部品を通常のプリント基板上に個別に配置した場合と比較して、実装面積を約１０％削減することが可能となった。また、電力変換効率は８０％であり、ＥＳＲが１５０ｍΩである従来のコンデンサ素子を入出力のフィルターに用いた場合に比べ、５％改善できた。なお、出力電圧は半導体素子２を変えることで、１．２Ｖ、１．５Ｖ、１．８Ｖの三種類を出力できた。

また、固体電解コンデンサ素子の陽極体としてアルミニウム以外にタンタルも同様に使用可能であり、同様の効果が得られた。

（実施例２）
続いて実施例２に係る構成を実施の形態２で用いた図５を参照しながら説明する。実施例２では、第一のプリント基板上７の固体電解コンデンサ素子３に第二のプリント基板５の底部が絶縁性をもった熱接着性樹脂含有テープ（図示なし）で固定し、更に第二のプリント基板５と第一のプリント基板７を外径２２μｍのＡｕ線１６でワイヤ・ボンディング装置を使用し接続した以外は実施例１と同様に作製を行い、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての機能を有する電子部品複合品を得た。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。

また、他の実施例として、インダクタ素子１をプリント基板上に電気配線と同一の材料で電気配線の形成と同時に巻き線パターンも形成しておき、板状のフェライトをその巻き線パターンの上面とプリント基板を挟んだ下面に設置したものを用い、他の部分は上記実施例と同様の方法で構成し電子複合部品を得た。この場合、インダクタ素子１のインダクタンスは１．０μＨ、直流抵抗は０．２Ωであり、同様に大きな出力電力を有するＤＣ−ＤＣコンバータとしての機能を有する電子複合部品を得た。この場合、フェライトの代わりに金属磁性体を用いてもよく、また、板状のフェライトの代わりにスパッタリング等により形成された磁性体薄膜を用いても同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態および実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、電子複合部品が目的とする回路機能に応じて設計変更可能である。例えば、大きな容量を必要とするＤＣ−ＤＣコンバータ以外の回路を構成することも可能であり、また、プリント基板に設置する電子部品の種類や数量、プリント基板の積み上げ段数なども用途や目的に合わせて設計することが可能である。

１インダクタ素子
２半導体素子
３固体電解コンデンサ素子
４外装樹脂
５第二のプリント基板
６はんだボール
７第一のプリント基板
８ランド
９半導体
１０インダクタ
１１入力コンデンサ
１２出力コンデンサ
１３入力端子
１４グランド端子
１５出力端子
１６Ａｕ線

Claims

電気配線が形成された第一のプリント基板と、前記第一のプリント基板の少なくとも一つの面上に設置された少なくとも一つの固体電解コンデンサ素子と、電気配線が形成された第二のプリント基板と、前記第二のプリント基板の少なくとも一つの面に設置された少なくとも一つのインダクタ素子とを有し、前記固体電解コンデンサ素子は弁作用を有する金属からなる陽極体と前記陽極体の拡面化された表面に形成された誘電体層と前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層と前記固体電解質層の表面に形成された陰極導電体層と前記陽極体に接続された陽極電極とを有し、前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板が積層され、前記電気配線が形成された前記第一のプリント基板、または前記第二のプリント基板の表面の一部が外部に露出されて前記固体電解コンデンサ素子と前記インダクタ素子が一体として樹脂モールドされたことを特徴とする電子複合部品。
前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板がはんだボールを介して電気的に接続かつ固定されたことを特徴とする請求項１に記載の電子複合部品。
前記第一のプリント基板上の前記固体電解コンデンサ素子と前記第二のプリント基板の底部、または前記第二のプリント基板上の前記インダクタ素子と前記第一のプリント基板の底部が熱接着性樹脂含有テープで固定され、更に前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板がワイヤ・ボンディングで電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電子複合部品。
前記固体電解コンデンサ素子の前記陽極電極と前記陰極導体層は前記電気配線に導電性接着剤で接続固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子複合部品。
前記固体電解コンデンサ素子は前記陰極導電体層に接続された陰極電極を有し、前記陰極電極と前記陽極電極は前記電気配線に導電性接着剤または、はんだにより接続固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子複合部品。
前記第二のプリント基板上に半導体素子が配置され、前記半導体素子と前記固体電解コンデンサ素子と前記インダクタ素子と前記電気配線とによりＤＣ−ＤＣコンバータ回路が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電子複合部品。
前記固体電解コンデンサ素子の前記弁作用を有する金属はアルミニウムまたはタンタルであり、前記固体電解質層は導電性高分子層であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電子複合部品。
前記インダクタ素子は、絶縁層で被覆された導線の巻線を、磁性体粉末を分散させた樹脂でモールドして形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電子複合部品。
前記インダクタ素子は、前記第一のプリント基板上に形成された前記電気配線と同一の材料で形成された巻線パターンと、前記巻線パターンの上方または下方の少なくとも一方に設置された板状のフェライトまたは金属磁性体、またはスパッタリングまたは蒸着により形成された磁性薄膜からなること特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電子複合部品。