JP2016006816A - トランスおよび多層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】機器に必要な性能を確保しつつ、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能なコイルパターン型のトランスを提供する。【解決手段】本発明に係るトランス（１００）は、層間絶縁膜（１０）を介して複数の導電層（Ｌ１〜Ｌ４）が積層された多層基板（１）と、前記複数の導電層のうち層間絶縁膜で覆われた第１の導電層（Ｌ２）に形成された第１のコイルパターン（１３）と、前記複数の導電層のうち前記層間絶縁膜で覆われた第２の導電層（Ｌ３）に形成された第２のコイルパターン（１４）とを有し、前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置され、前記多層基板は、前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとを貫くコアとしての磁性体を配置するための貫通孔を有しないことを特徴とする。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、トランスおよび多層基板に関し、例えば、多層基板に形成されたコイルパターン型のトランスに関する。

フィールド機器や制御機器では、感電や機器故障等を防止するために、温度や流量、圧力等の監視を行う１次側のセンサ回路と、１次側のセンサ回路による検出結果に基づいて信号処理や制御処理を行う２次側のデータ処理回路（例えばＣＰＵ）との間に絶縁が必要となる場合がある。例えば温度調節器（温調計）では、ＡＣ２４０Ｖが印加されたヒータに熱電対を直に装着することから、ＣＰＵ等から成る２次側のデータ処理回路と１次側のセンサ回路との間の絶縁耐圧として、例えばＡＣ３０００Ｖ以上の耐圧（ＩＥＣ６１０１０−１規格）が必要とされている。そのため、フィールド機器や制御機器では、１次側のセンサ回路に電源を供給する電源装置として絶縁型スイッチング電源装置が用いられることが多い。

絶縁型スイッチング電源装置は、一次側の回路と二次側の回路とをトランスによって絶縁した構成を有する。絶縁型スイッチング電源装置に用いられるトランスとしては、プリント基板に実装される外付け部品としてのトランスの他に、プリント基板の配線パターンを利用して形成されるトランスが知られている。

プリント基板の配線パターンを利用して形成されるトランスは、絶縁層を挟んで積層された複数の導電体層から成るプリント基板の異なる導電体層に形成された渦巻状の配線パターン（以下、「コイルパターン」と称する。）を磁気的に結合するように配置することによって実現される。以下、プリント基板の配線パターンを利用して形成されるトランスを「コイルパターン型のトランス」と称する。

従来のコイルパターン型のトランスとして、例えば下記特許文献１および２に、コア（磁性体）付きのトランスが開示されている。

特開平１０−１４９９２９号公報 特開２００５−１１０４５２号公報

しかしながら、上記特許文献１および２に開示されたコア付きのコイルパターン型のトランスでは、コアを挿入するための大きな開口部（貫通孔）をプリント基板に形成しなければならないため、トランス以外の部品を実装するためのプリント基板の有効面積が小さくなる。また、コア付きのコイルパターン型のトランスは、コアの材料として一般に絶縁性の低いＭｎＺｎ系の材料が使用されることから、コイルパターンの一次側と二次側との間に十分な絶縁距離（空間距離や沿面距離）を確保する必要がある。特に、上記フィールド機器や制御機器では、複数の箇所（チャネル）の温度等を計測するためにチャネル毎にセンサ回路および絶縁型スイッチング電源装置を設けることから、コイルパターンの１次側と２次側の絶縁距離だけではなく、チャネル間の絶縁距離も確保する必要がある。
すなわち、コア付きのコイルパターン型のトランスを用いた場合、プリント基板の有効面積および絶縁距離の確保のためにプリント基板のサイズを大きくしなければならならず、機器の小型化と低コスト化の面で不利となる。

また、特許文献１および２に開示されたトランスは、プリント基板の最上位層および最下位層を含む複数の導電層に形成したコイルパターンを内層に形成されたインナービアを用いて接続するＩＶＨ（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）工法やビルドアップ工法によって形成されるため、貫通ビア（スルーホール）のみを用いる工法に比べてプリント基板の製造コストが増大するという問題がある。

一方、フィールド機器および制御機器等では、一次側のセンサ回路の消費電力が例えば数十ｍＷと小さいことから、１次側のセンサ回路に電源を供給する絶縁型スイッチング電源装置として大きな電力容量は要求されていない。しかしながら、上記特許文献１および２に代表されるコア付きのトランスを絶縁型スイッチング電源装置に用いた場合、絶縁型スイッチング電源装置が供給できる電力容量が１次側のセンサ回路に必要な電力よりも大きくなり、オーバースペックとなることがあった。

以上のように、特許文献１および２に開示されているようなコア付きのコイルパターン型のトランスを絶縁型スイッチング電源装置に用いると、絶縁型スイッチング電源装置を適用するアプリケーションによっては、電力容量がオーバースペックとなる上に、機器の小型化やコスト面で不利となる場合があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、機器に必要な性能を確保しつつ、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能なコイルパターン型のトランスを提供することを目的とする。

本発明に係るトランス（１００〜４００）は、層間絶縁膜（１０）を介して複数の導電層（Ｌ１〜Ｌ４（Ｌ１〜Ｌ６））が積層された多層基板（１）と、前記複数の導電層のうち前記層間絶縁膜で覆われた第１の導電層（Ｌ２）に形成された第１のコイルパターン（１３（１３＿１））と、前記複数の導電層のうち前記層間絶縁膜で覆われた第２の導電層（Ｌ３（Ｌ５））に形成された第２のコイルパターン（１４（１４＿２））とを有し、前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置され、前記多層基板は、前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとを貫くコアとしての磁性体を配置するための貫通孔を有しないことを特徴とする。

上記トランスは、平面視において前記第１の導電層における前記第１のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第１のコイルパターンの一端に接続された第１のコンデンサパターン（２１（３１））と、平面視において前記第２の導電層における前記第２のコイルパターンで囲まれる領域に、前記第１のコンデンサパターンと少なくとも一部が重なりを有して形成され、前記第２のコイルパターンの一端に接続された第２のコンデンサパターン（２２（３４））とを更に有してもよい。

上記トランス（１００、２００）は、前記複数の導電層のうち積層方向の最上位の導電層（Ｌ１）に形成された第１の配線パターン（１１）および第２の配線パターン（１２）と、前記複数の導電層のうち積層方向の最下位の導電層に形成された第３の配線パターン（１５）および第４の配線パターン（１６）とを更に有し、前記第１のコイルパターンの一端と前記第１の配線パターンとは、第１の貫通ビア（Ｖ１）を介して接続され、前記第１のコイルパターンの他端と前記第２の配線パターンとは、第２の貫通ビア（Ｖ２）を介して接続され、前記第２のコイルパターンの一端と前記第３の配線パターンとは、第３の貫通ビア（Ｖ３）を介して接続され、前記第２のコイルパターンの他端と前記第４の配線パターンとは、第４の貫通ビア（Ｖ４）を介して接続されてもよい。

上記トランス（３００）は、前記多層基板における前記第１の導電層と前記第２の導電層との間の第３の導電層（Ｌ３）に形成された第３のコイルパターン（１３＿２）と、前記多層基板における前記第３の導電層と前記第２の導電層との間の第４の導電層（Ｌ４）に形成された第４のコイルパターン（１４＿２）と、平面視において前記第３の導電層における前記第３のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第３のコイルパターンの一端に接続された第３のコンデンサパターン（３２）と、平面視において前記第４の導電層における前記第４のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第４のコイルパターンの一端に接続された第４のコンデンサパターン（３３）とを更に有し、前記第１のコイルパターン（１３＿１）と、前記第２のコイルパターン（１４＿２）と、前記第３のコイルパターン（１３＿２）と、前記第４のコイルパターン（１４＿１）とは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置され、前記第１のコンデンサパターン（３１）と、前記第２のコンデンサパターン（３４）と、前記第３のコンデンサパターン（３２）と、前記第４のコンデンサパターン（３３）とは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置され、前記第１のコイルパターンと前記第３のコイルパターンとは、第１の貫通ビア（Ｖ５）を介して直列に接続され、前記第２のコイルパターンと前記第４のコイルパターンとは、第２の貫通ビア（Ｖ６）を介して直列に接続されてもよい。

上記トランス（４００）において、前記多層基板における前記第１の導電層（Ｌ２）と前記第２の導電層（Ｌ５）との間の第３の導電層（Ｌ３）に形成された第３のコイルパターン（１４＿１）と、前記多層基板における前記第３の導電層と前記第２の導電層との間の第４の導電層（Ｌ４）に形成された第４のコイルパターン（１３＿２）と、平面視において前記第３の導電層における前記第３のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第３のコイルパターンの一端に接続された第３のコンデンサパターン（３３）と、平面視において前記第４の導電層における前記第４のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第４のコイルパターンの一端に接続された第４のコンデンサパターン（３２）とを更に有し、前記第１のコイルパターンと、前記第２のコイルパターンと、前記第３のコイルパターンと、前記第４のコイルパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、前記第１のコンデンサパターンと、前記第２のコンデンサパターンと、前記第３のコンデンサパターンと、前記第４のコンデンサパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、前記第１のコイルパターンと前記第４のコイルパターンとは、第１の貫通ビア（Ｖ５）を介して直列に接続され、前記第２のコイルパターンと前記第３のコイルパターンとは、第２の貫通ビア（Ｖ６）を介して直列に接続されてもよい。

本発明に係る多層基板（１〜４）は、積層方向における最上位の導電層および最下位の導電層（Ｌ１、Ｌ４、Ｌ６）を除く層間絶縁膜（１０）に覆われた少なくとも２つの導電層（Ｌ２〜Ｌ５）に、平面視において互いに重なりを有して夫々配置された複数のコイルパターン（１３、１４、１３＿１、１３＿２、１４＿１、１４＿２）を有することを特徴とする。

上記多層基板は、前記コイルパターンが形成される導電層において、平面視でコイルパターンに囲まれる領域に形成されたコンデンサパターン（２１、２２、３１〜３４）を有してもよい。

上記多層基板は、前記最上位の導電層または前記最下位の導電層に形成された複数の配線パターン（１１、１２、１５、１６）と、前記配線パターンと対応する前記コイルパターンの端部とを接続する貫通ビア（Ｖ１〜Ｖ４）とを更に有してもよい。

なお、上記説明において括弧を付した参照符号は、図面において当該参照符号が付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

以上説明したことにより、本発明に係るトランスによれば、機器に必要な性能を確保しつつ、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能となる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ１）を模式的に示す図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ２）を模式的に示す図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ３）を模式的に示す図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ４）を模式的に示す図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの断面を模式的に示す図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係るコイルパターン型のトランスの別の断面を模式的に示す図である。 図３Ａは、多層基板の最上位層における電子部品の実装例を示す図である。 図３Ｂは、多層基板の最下位層における電子部品の実装例を示す図である。 図４は、コイルパターンと貫通ビアとの位置関係を説明するための図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ１）を模式的に示す図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ２）を模式的に示す図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ３）を模式的に示す図である。 図５Ｄは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ４）を模式的に示す図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの断面を模式的に示す図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの別の断面を模式的に示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係るコイルパターン型のトランスの等価回路例を示す図である。 図８は、コイルパターンによって発生する渦電流の分布を説明するための図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ１）を模式的に示す図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ２）を模式的に示す図である。 図９Ｃは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ３）を模式的に示す図である。 図９Ｄは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ４）を模式的に示す図である。 図９Ｅは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ５）を模式的に示す図である。 図９Ｆは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ６）を模式的に示す図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの断面を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態３に係るコイルパターン型のトランスの別の断面を模式的に示す図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ１）を模式的に示す図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ２）を模式的に示す図である。 図１１Ｃは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ３）を模式的に示す図である。 図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ４）を模式的に示す図である。 図１１Ｅは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ５）を模式的に示す図である。 図１１Ｆは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの平面（導電層Ｌ６）を模式的に示す図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの断面を模式的に示す図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態４に係るコイルパターン型のトランスの別の断面を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
≪実施の形態１≫
図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａ、および２Ｂに、本発明の一実施の形態に係るコイルパターン型のトランスが形成された多層基板の構造を示す。図１Ａ〜１Ｄには、多層基板１の導電層Ｌ１〜Ｌ４の模式的な平面が夫々図示されている。また、図２Ａには、図１Ａ〜図１ＤにおけるＡ−ＸＡ断面における多層基板１の模式的な断面構造が図示され、図２Ｂには、図１Ａ〜図１ＤにおけるＢ−ＸＢ断面における多層基板１の模式的な断面構造が図示されている。

図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａおよび２Ｂに示されるように、実施の形態１に係るトランス１００は、層間絶縁膜１０を介して複数の導電層Ｌ１〜Ｌ４が積層された多層基板１に形成された、コアを有しないコイルパターン型のトランスである。
なお、図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａ、および図２Ｂには、説明の便宜上、多層基板１におけるトランス１００に関係する構造のみが図示されている。

多層基板１は、プリント基板であり、例えばインナービアを有しない多層基板（貫通多層板）である。なお、図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａ、および図２Ｂには、４つの導電層Ｌ１〜Ｌ４が積層された多層基板１が図示されているが、導電層の層数は特に制限されない。なお、以下の説明では、多層基板１の平面に垂直な方向（積層方向）Ｘの正側を“上”とし、負側を“下”と表記する。

層間絶縁膜１０は、例えばエポキシ樹脂やポリイミドなどの絶縁材料から構成されている。また、導電層Ｌ１〜Ｌ４に形成される配線パターンは、例えば銅（Ｃｕ）等を主成分とする金属材料から構成されている。

図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａおよび２Ｂに示されるように、導電層Ｌ１（最上位層）には、配線パターン１１、１２が形成される。導電層Ｌ２には、コイルパターン１３が形成される。コイルパターン１３の一端は、ビアＶ１を介して配線パターン１１に接続され、コイルパターン１３の他端はビアＶ２を介して配線パターン１２に接続される。

導電層Ｌ３には、コイルパターン１４が形成される。導電層Ｌ４（最下位層）には、配線パターン１５、１６が形成される。配線パターン１５は、ビアＶ３を介してコイルパターン１４の一端に接続され、配線パターン１６は、ビアＶ４を介してコイルパターン１４の他端に接続される。

コイルパターン１３、１４は、例えば貫通多層板の製造工程において、他の配線パターンとともに内層の導電体層に形成される。具体的には、コイルパターン１３、１４は、所定の配線幅Ｗの配線パターンを、所定の配線間隔Ｓで渦巻状にパターニングすることによって形成される。コイルパターン１３、１４の配線幅Ｌと配線間隔Ｓは、要求されるトランスの特性に応じて決定される。

コイルパターン１３、１４は、多層基板１の最上位の導電層Ｌ１および最下位の導電層Ｌ４を除く内層の導電層に形成されている。例えば、コイルパターン１３は、層間絶縁膜１０に覆われた導電層Ｌ２に形成され、コイルパターン１４は、層間絶縁膜１０に覆われた導電層Ｌ３に形成される。

コイルパターン１３とコイルパターン１４とは磁気的に結合するように配置される。具体的には、図１Ａ〜１Ｄ、図２Ａおよび２Ｂに示されるように、コイルパターン１３とコイルパターン１４とは、平面視において重なりを有して配置される。これにより、コイルパターン１３は、トランス１００の一次側のコイルとして機能し、コイルパターン１４はトランス１００の二次側のコイルとして機能する。

ビアＶ１〜Ｖ４は、多層基板１の各層を貫通する貫通ビア（スルーホール）である。なお、上記貫通ビアは、目的とする異なる層間の配線パターンを電気的に接続することができれば、図２Ａおよび２Ｂに示されるように貫通孔全体を金属材料によって充填してもよいし、貫通孔の側面にのみ金属材料を形成してもよい。

上述した実施の形態１に係るコイルパターン型のトランス１００によれば、以下に示すようなメリットがある。
実施の形態１に係るトランス１００は、コアを有しないトランスであることから、多層基板１にはコアを挿入するための開口部（貫通孔）が形成されない。これにより、従来のコア付きのトランスに比べて多層基板の有効面積を大きくすることができる。例えば、図３Ａおよび３Ｂに示すように、多層基板１の表面（最上位の導電層Ｌ１）や裏面（最下位の導電層Ｌ４）におけるコイルパターン１３、１４で囲まれる領域ＡＲ＿Ｌ１、ＡＲ＿Ｌ４に、コンデンサやＩＣチップ等のトランス以外の電子部品１７＿１〜１７＿８を実装することができるので、従来のコア付きのコイルパターン型のトランスに比べて、基板サイズの増大を抑えることが可能となる。

また、実施の形態１に係るトランス１００は、コアを有しないのでコア付きのトランスに比べて磁気の結合度は小さくなるが、上述したフィールド機器や制御機器等に搭載される温度センサや圧力センサ等のセンサ回路に電源を供給する絶縁型スイッチング電源装置のトランスとして採用した場合には、十分な電力容量を確保することが可能である。例えば、トランスの外形（縦×横）を２０ｍｍ×１０ｍｍ、コイルパターンの配線幅Ｌを０．１ｍｍ、コイルパターンの配線間隔Ｓを０．１ｍｍ、コイルパターンの巻数（ターン数）を５、コイルパターン１３とコイルパターン１４との積層方向の間隔（導電層Ｌ２と導電層Ｌ３との間の層間絶縁膜１０の厚さ）を０．４ｍｍとしてトランス１００を作製した場合、５０ｍＷの電力の給電が可能となる。

また、実施の形態１に係るトランス１００によれば、コイルパターン１３とコイルパターン１４とが多層基板１の最上位の導電層および最下位の導電層以外の導電層（内層）に形成されるので、トランス１００の一次側と２次側の絶縁距離を短くすることが可能となる。
例えば、電気計測器の安全性の国際規格ＩＥＣ６１０１０−１では、トランスの一次側および二次側のコイル（コイルパターン）がプリント基板の表層（例えば最上位の導電層Ｌ１または最下位の導電層Ｌ４）に形成されているか、プリント基板の内層（例えば導電層Ｌ２、Ｌ３）に形成されているかにより、トランスの一次側と２次側の強化絶縁（ＡＣ２４０Ｖ時）の沿面距離が異なる。具体的には、一次側および二次側のコイルがプリント基板の表層に形成されている場合には沿面距離として６ｍｍ以上が要求され、一次側および二次側のコイルがプリント基板の内層に形成されている場合には、沿面距離として０．４ｍｍ以上が要求される。例えば、図４に示されるように、二次側のコイルパターン１４に接続されるビアＶ３と一次側のコイルパターン１３との沿面距離は、コイルパターン１３が表層（例えば導電層Ｌ１）に形成されている場合にはｌｂ≧６ｍｍとなり、コイルパターン１３が内層（例えば導電層Ｌ２）に形成されている場合にはｌａ≧０．４ｍｍとなる。

したがって、実施の形態１に係るトランス１００のように、コイルパターン１３とコイルパターン１４とを多層基板１の最上位層および最下位層以外の導電層（内層）に形成することで、上記特許文献１および２に開示されたトランスのように最上位層および最下位層にコイルパターンを形成する場合に比べて、トランス１００の一次側および二次側のコイル（コイルパターン）の沿面距離を短くすることができる。これにより、多層基板１の基板サイズの増大を抑えつつ、高耐圧化を図ることが可能となる。

更に、実施の形態１に係るトランス１００のように、ビアＶ１〜Ｖ４としてインナービアではなく貫通ビアを用いることで、多層基板１の製造コストを抑えることが可能となる。例えば、上述したビアＶ３とコイルパターン１３との絶縁距離を確保する方法として、ビアＶ３とコイルパターン１３とを物理的に離すことの他に、ビアＶ３を貫通ビアではなくインナービア（非貫通ビア）で実現する方法も有効であるが、インナービアを用いる場合、例えばビルドアップ工法やＩＶＨ工法等の複雑な工法が必要となるため、基板の製造コストが増大する。これに対し、実施の形態１に係るトランス１００によれば、層間接続のためのビアとして貫通ビアのみを用いるので、より低コストにコイルパターン型のトランス１００を作製することが可能となる。

以上、本発明に係るコイルパターン型のトランスによれば、多層基板の基板サイズや製造コストを抑えることができるので、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能となる。例えば、本発明に係るコイルパターン型のトランスを、上述したフィールド機器や制御機器等のような大きな電力容量が要求されない絶縁型スイッチング電源装置のトランスとして採用することにより、機器に必要な性能を確保しつつ、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能となる。

≪実施の形態２≫
実施の形態２に係るトランス２００は、多層基板の内層においてコイルパターンで囲まれる領域にコンデンサパターンが形成される点において、実施の形態１に係るトランス１００と相違し、その他の点はトランス１００と同様である。実施の形態２に係る多層基板２において、実施の形態１に係る多層基板１と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図５Ａ〜５Ｄ、図６Ａおよび６Ｂに、実施の形態２に係るトランス２００の構造を示す。図５Ａ〜５Ｄには、多層基板２の導電層Ｌ１〜Ｌ４の模式的な平面が夫々図示されている。また、図６Ａには、図５Ａ〜図５ＤにおけるＡ−ＸＡ断面における多層基板２の模式的な断面構造が図示され、図６Ｂには、図５Ａ〜図５ＤにおけるＢ−ＸＢ断面における多層基板２の模式的な断面構造が図示されている。

図５Ａ〜５Ｄ、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、平面視において導電層Ｌ２のコイルパターン１３で囲まれる領域（コイルパターン１３の内側の領域）にコンデンサパターン２１が形成される。また、平面視において導電層Ｌ３のコイルパターン１４で囲まれる領域（コイルパターン１４の内側の領域）にコンデンサパターン２２が形成される。
ここで、「コンデンサパターン」とは、コンデンサの電極を構成するように導電層に形成された電極パターン（配線パターン）である。コンデンサパターンの面積（配線パターンの配線幅と配線長）は、コンデンサの容量が所望の値になるように調整されている。
コンデンサパターン２１とコンデンサパターン２２とが平面視において重なりを有して配置されることにより、コンデンサパターン２１とコンデンサパターン２２とに挟まれる層間絶縁膜１０を誘電体としたコンデンサを構成する。また、コンデンサパターン２１は、ビアＶ２を介してコイルパターン１３および配線パターン１２に接続され、コンデンサパターン２２は、ビアＶ３を介してコイルパターン１４および配線パターン１５に接続される。

これにより、コンデンサパターン２１とコンデンサパターン２２とは、２つのコンデンサパターン２１、２２によって挟まれた層間絶縁膜１０を誘電体とし、トランス２００の一次側と二次側のコイル（コイルパターン）間に接続されるコンデンサを構成する。

上述した実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００によれば、以下に示すようなメリットがある。以下、詳細に説明する。

従来から絶縁型スイッチング電源装置では、トランスの一次側のコイルと二次側のコイルとの間に存在する浮遊容量を介して、コモンモードノイズが発生するという問題が知られている。実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００によれば、浮遊容量Ｃｓを介して１次側から２次側に伝播したスイッチングノイズに起因するコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
図７に、実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００の等価回路を示す。
同図に示されるように、トランス２００の一次側のコイルＬｘ（コイルパターン１３）と二次側のコイルＬｙ（コイルパターン１４）との間には、浮遊容量（寄生容量）Ｃｓが存在する。トランス２００を絶縁型スイッチング電源装置の絶縁トランスとして採用し、トランス２００の端子Ｔｐ１、Ｔｐ２を高電位側、トランス２００の端子Ｔｎ１、Ｔｎ２を低電位（グラウンド）側に接続した場合を考える。この場合、浮遊容量Ｃｓを介して一次側のコイルの端子Ｔｐ１から二次側のコイルの端子Ｔｐ２に伝播したスイッチングノイズがコンデンサＣｓｗを介して一次側に戻る帰還ループが形成される。この帰還ループにより、スイッチングノイズに起因するコモンモードノイズの発生を抑えることが可能となる。

コンデンサＣｓｗは、チップコンデンサによって実現することも可能であるが、前述したようにトランスの一次側と二次側との間に絶縁が要求されることから、高耐圧のチップコンデンサが必要となり、部品サイズと部品コストの増大を招く。これに対し、実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００によれば、多層基板２の内層に形成したコンデンサパターン２１、２２によってコンデンサＣｓｗを形成することにより、チップコンデンサを用いる場合に比べてコストを抑えることができる。

また、実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００によれば、コンデンサパターン２１、２２をコイルパターン１３、１４で囲まれる領域に形成することにより、渦電流による伝送効率の低減を抑制することが可能となる。以下、詳細に説明する。

図８に、コイルパターンによって発生する渦電流の分布の一例を示す。同図には、平面視においてコイルパターン５０で囲まれる領域ＡＲ２とコイルパターン５０の外側の領域ＡＲ３の夫々に、金属パターン（べたパターン）を形成した場合の渦電流の分布が例示されている。
同図に示されるように、コイルパターン５０で囲まれる領域ＡＲ２および外側の領域ＡＲ３に金属パターンを形成した場合、コイルパターン５０によって発生する磁界による渦電流は、コイルパターン５０が形成される領域ＡＲ１（図８の斜線部分）に集中し、コイルパターン５０で囲まれる領域ＡＲ２および外側の領域ＡＲ３には、ほとんど発生しない。すなわち、コイルパターンの周辺に金属パターンを形成することにより、渦電流が発生する範囲を小さくすることができる。

そこで、実施の形態２に係るトランス２００のように、コイルパターン１３、１４の内側にコンデンサパターン２１、２２を形成することにより、コイルパターン１３、１４の内側に発生する渦電流を抑えることができるので、渦電流による伝送効率の低減を図ることが可能となる。また、図７のように、コイルパターン１３、１４の内側に形成したコンデンサパターン２１、２２を低電位（グラウンド）側に接続した場合、コンデンサパターン２１、２２がコイルパターン１３、１４の静電シールドとして機能することから、ノイズ低減効果も期待できる。

更に、実施の形態２に係るコイルパターン型のトランス２００によれば、コンデンサパターン２１、２２をコイルパターン１３、１４の外側ではなく内側に形成することにより、コイルパターン１３、１４のコイル径を大きくすることが容易となる。これにより、多層基板２の基板サイズを抑えつつ、インダクタンスの大きいトランスを作製することが容易となる。これによれば、例えば絶縁型スイッチング電源装置等において、インダクタンスの大きいトランスを用いることにより、低い周波数の信号によってトランスを駆動することができるようになるので、ノイズ対策が容易となる。また、例えば磁気共鳴方式の共振回路において、インダクタンスの大きいトランスを用いることにより、共振回路のキャパシタの容量を小さくすることができるので、コンデンサの選定に際し、高精度且つ温度特性の良いコンデンサを選択することが容易となり、共振回路の特性の向上に資する。

以上、実施の形態２に係るトランス２００によれば、実施の形態１に係るトランス１００と同様に、多層基板の基板サイズや製造コストを抑えることができるので、機器の小型化と低コスト化を図ることが可能となる。また、上記のようにコンデンサパターンをコイルパターンの内側に形成することにより、渦電流による伝送効率の低下の抑制と低ノイズ化を、より低コストで実現することが可能となる。

≪実施の形態３≫
実施の形態３に係るトランス３００は、６つの導電層を有する多層基板にコイルパターンおよびコンデンサパターンが形成される点において、実施の形態２に係るトランス２００と相違し、その他の点はトランス２００と同様である。実施の形態３に係る多層基板３において、実施の形態２に係る多層基板２と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図９Ａ〜９Ｆ、図１０Ａおよび１０Ｂに、実施の形態３に係るトランス３００の構造を示す。図９Ａ〜９Ｆには、多層基板３の導電層Ｌ１〜Ｌ６の模式的な平面が夫々図示されている。また、図１０Ａには、図９Ａ〜図９ＦにおけるＡ−ＸＡ断面における多層基板３の模式的な断面構造が図示され、図１０Ｂには、図９Ａ〜図９ＦにおけるＢ−ＸＢ断面における多層基板３の模式的な断面構造が図示されている。

図９Ａ〜９Ｆ、図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、導電層Ｌ１（最上位層）には、配線パターン１１、１２が形成される。導電層Ｌ２には、トランス３００の１次側のコイルを構成するコイルパターン１３＿１と、コンデンサパターン３１とが形成される。コンデンサパターン３１は、コイルパターン１３＿１で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１３＿１の一端は、ビアＶ１を介して配線パターン１２に接続されるとともにコンデンサパターン３１に接続される。

導電層Ｌ３には、トランス３００の１次側のコイルを構成するコイルパターン１３＿２と、コンデンサパターン３２が形成される。コンデンサパターン３２は、コイルパターン１３＿２で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１３＿２の一端は、ビアＶ５を介してコイルパターン１３＿１の他端に接続される。また、コイルパターン１３＿２の他端は、ビアＶ２を介して導電層Ｌ１の配線パターン１１に接続される。

導電層Ｌ４には、トランス３００の２次側のコイルを構成するコイルパターン１４＿１と、コンデンサパターン３３とが形成される。コンデンサパターン３３は、コイルパターン１４＿１で囲まれる領域に形成される。

導電層Ｌ５には、トランス３００の２次側のコイルを構成するコイルパターン１４＿２と、コンデンサパターン３４が形成される。コンデンサパターン３４は、コイルパターン１４＿２で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１４＿２の一端は、ビアＶ６を介してコイルパターン１４＿１の一端に接続される。

導電層Ｌ６（最下位層）には、配線パターン１５、１６が形成される。配線パターン１５は、ビアＶ３を介してコイルパターン１４＿１の他端に接続される。また、配線パターン１６は、ビアＶ４を介してコンデンサパターン３３およびコンデンサパターン３４に接続されるとともに、コイルパターン１４＿２の他端に接続される。

ビアＶ１〜Ｖ６は、実施の形態１に係る多層基板１と同様に、貫通ビア（スルーホール）である。

コイルパターン１３＿１、１３＿２とコイルパターン１４＿１、１４＿２とは、磁気的に結合するように配置される。具体的には、図９Ａ〜９Ｆ、図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、コイルパターン１３＿１、１３＿２とコイルパターン１４＿１、１４＿２とは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置される。これにより、直列に接続されたコイルパターン１３＿１とコイルパターン１３＿２とは、トランス３００の一次側のコイルとして機能し、直列に接続されたコイルパターン１４＿１とコイルパターン１４＿２とは、トランス３００の二次側のコイルとして機能する。

また、コンデンサパターン３１、３２とコンデンサパターン３３、３４とは、図９Ａ〜９Ｆ、図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置される。これにより、コンデンサパターン３１〜３４によって、トランス３００の一次側と二次側のコイル（コイルパターン）間に複数のコンデンサが形成される。例えば、コンデンサパターン３２とコンデンサパターン３３とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３２とコンデンサパターン３４とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３１とコンデンサパターン３３とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３１とコンデンサパターン３４とにより構成されるコンデンサとがトランス３００の一次側と二次側のコイル間に形成される。なお、これらのコンデンサのうち、コンデンサパターン３２とコンデンサパターン３３とにより構成されるコンデンサが最も大きな容量値を有する。

以上、実施の形態３に係るトランス３００によれば、コイルパターンを複数の導電層に形成して直列に接続することにより、トランスのインダクタンスを更に大きくすることが可能となる。

また、コンデンサパターンを複数の導電層に形成することにより、トランスの一次側と二次側に接続されるコンデンサを更に大きくすることができるので、更なる低ノイズ化と伝送効率の低下の抑制が期待できる。

≪実施の形態４≫
実施の形態４に係るトランス４００は、１次側のコイルパターンおよびコンデンサパターンと２次側のコイルパターンおよびコンデンサパターンを積層方向に交互に形成する点において、実施の形態３に係るトランス３００と相違し、その他の点はトランス３００と同様である。実施の形態４に係るトランス４００において、実施の形態３に係るトランス３００と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１１Ａ〜１１Ｆ、図１２Ａおよび１２Ｂに、実施の形態４に係るトランス４００の構造を示す。図１１Ａ〜１１Ｆには、多層基板４の導電層Ｌ１〜Ｌ６の模式的な平面が夫々図示されている。また、図１２Ａには、図１１Ａ〜図１１ＦにおけるＡ−ＸＡ断面における多層基板４の模式的な断面構造が図示され、図１２Ｂには、図１１Ａ〜図１１ＦにおけるＢ−ＸＢ断面における多層基板４の模式的な断面構造が図示されている。

図１１Ａ〜１１Ｆ、図１２Ａおよび１２Ｂに示されるように、導電層Ｌ１（最上位層）には、配線パターン１１、１２が形成される。導電層Ｌ２には、トランス４００の１次側のコイルを構成するコイルパターン１３＿１と、コンデンサパターン３１が形成される。コンデンサパターン３１は、コイルパターン１３＿１で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１３＿１の一端は、ビアＶ１を介して配線パターン１２に接続されるとともにコンデンサパターン３１に接続される。

導電層Ｌ３には、トランス３００の２次側のコイルを構成するコイルパターン１４＿１と、コンデンサパターン３３が形成される。コンデンサパターン３３は、コイルパターン１４＿１で囲まれる領域に形成される。

導電層Ｌ４には、トランス４００の１次側のコイルを構成するコイルパターン１３＿２と、コンデンサパターン３２とが形成される。コンデンサパターン３２は、コイルパターン１３＿２で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１３＿２の一端は、ビアＶ５を介してコイルパターン１３＿１の他端に接続される。コイルパターン１３＿２の他端は、ビアＶ２を介して配線パターン１１に接続される。また、コンデンサパターン３２は、ビアＶ１を介してコンデンサパターン３１に接続されるとともに、コイルパターン１３＿１の一端および配線パターン１２に接続される。

導電層Ｌ５には、トランス４００の２次側のコイルを構成するコイルパターン１４＿２と、コンデンサパターン３４が形成される。コンデンサパターン３４は、コイルパターン１４＿２で囲まれる領域に形成される。コイルパターン１４＿２の一端は、ビアＶ６を介してコイルパターン１４＿１の一端に接続される。

導電層Ｌ６（最下位層）には、配線パターン１５、１６が形成される。配線パターン１５は、ビアＶ３を介してコイルパターン１４＿１の他端に接続される。また、配線パターン１６は、ビアＶ４を介してコンデンサパターン３４に接続されるとともに、コイルパターン１４＿２の他端およびコンデンサパターン３３に接続される。

実施の形態３に係る多層基板３と同様に、直列に接続されたコイルパターン１３＿１とコイルパターン１３＿２とは、トランス４００の一次側のコイルとして機能し、直列に接続されたコイルパターン１４＿１とコイルパターン１４＿２とは、トランス４００の二次側のコイルとして機能する。

また、図１１Ａ〜１１Ｆ、図１２Ａおよび１２Ｂに示されるように、一次側のコイルパターン１３＿１、１３＿２と二次側のコイルパターン１４＿１、１４＿２とが交互に積層されることにより、トランス４００の一次側のコイルと二次側のコイルとの結合度を更に向上させることができる。

また、図１１Ａ〜１１Ｆ、図１２Ａおよび１２Ｂに示されるように、コンデンサパターン３１と、コンデンサパターン３２と、コンデンサパターン３３と、コンデンサパターン３４とにより、トランス４００の一次側と二次側のコイル（コイルパターン）間に複数のコンデンサが形成される。例えば、コンデンサパターン３１とコンデンサパターン３３とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３３とコンデンサパターン３２とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３２とコンデンサパターン３４とにより構成されるコンデンサと、コンデンサパターン３１とコンデンサパターン３４とにより構成されるコンデンサとがトランス３００の一次側と二次側のコイル間に形成される。

上記のように、一次側のコイルパターン１３＿１、１３＿２に接続されるコンデンサパターン３１、３２と二次側のコイルパターン１４＿１、１４＿２に接続されるコンデンサパターン３３、３４とが交互に積層されることにより、一次側のコイルと二次側のコイルとの間に構成されるコンデンサの容量を更に大きくすることができる。

以上、実施の形態４に係るトランス４００によれば、一次側のコイルパターンと二次側のコイルパターンとを交互に積層して形成することにより、トランスの一次側のコイルと二次側のコイルとの結合度を高めることが可能となる。

また、一次側のコイルパターンに接続されるコンデンサパターンと二次側のコイルパターンに接続されるコンデンサパターンとを交互に積層することにより、トランスの一次側と二次側に接続されるコンデンサの容量値を更に大きくすることができるので、更なる低ノイズ化と伝送効率の低下の抑制が期待できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、実施の形態１乃至４に例示した４層および６層の多層基板と同様に、６層以上の多層基板に本発明に係るコイルパターン型のトランスを形成することも可能である。

また、上記の実施の形態において、本発明に係るコイルパターン型のトランスを絶縁型スイッチング電源装置の絶縁トランスに適用する場合を例示したが、これに限られず、その他のアプリケーションにも適用することも可能である。例えば、トランスを介して信号の送受信を行うデジタルアイソレータに適用することも可能である。この場合、スイッチングパルスの代わりに変調データによってトランスを駆動する。

また、上記の実施の形態において、配線パターン１１、１２が最上位の導電層Ｌ１に形成され、配線パターン１５、１６が最下位の導電層Ｌ４、Ｌ６に形成される場合を例示したが、これに限られず、配線パターン１１、１２と配線パターン１５、１６とが最上位の導電層Ｌ１または最下位の導電層Ｌ４、Ｌ６の何れか一方に形成されてもよい。

１〜４…多層基板、Ｌ１〜Ｌ６…導電層、１０…層間絶縁膜、１１、１２、１５、１６…配線パターン、１３、１３＿１、１３＿２、１４、１４＿１、１４＿２…コイルパターン、２１、２２、３１〜３４…コンデンサパターン、Ｃｓ…浮遊容量、Ｃｓｗ…コンデンサ、Ｖ１〜Ｖ６…ビア、１７＿１〜１７＿８…電子部品、１００〜４００…トランス。

Claims (8)

1. 層間絶縁膜を介して複数の導電層が積層された多層基板と、
   前記複数の導電層のうち、前記層間絶縁膜で覆われた第１の導電層に形成された第１のコイルパターンと、
   前記複数の導電層のうち、前記層間絶縁膜で覆われた第２の導電層に形成された第２のコイルパターンと、を有し、
   前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとは、平面視において少なくとも一部が重なりを有して配置され、
   前記多層基板は、前記第１のコイルパターンと前記第２のコイルパターンとを貫くコアとしての磁性体を配置するための貫通孔を有しない
   ことを特徴とするトランス。
2. 請求項１に記載のトランスにおいて、
   平面視において前記第１の導電層における前記第１のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第１のコイルパターンの一端に接続された第１のコンデンサパターンと、
   平面視において前記第２の導電層における前記第２のコイルパターンで囲まれる領域に、前記第１のコンデンサパターンと少なくとも一部が重なりを有して形成され、前記第２のコイルパターンの一端に接続された第２のコンデンサパターンとを更に有する
   ことを特徴とするトランス。
3. 請求項１または２に記載のトランスにおいて、
   前記複数の導電層のうち積層方向の最上位の導電層に形成された第１の配線パターンおよび第２の配線パターンと、
   前記複数の導電層のうち積層方向の最下位の導電層に形成された第３の配線パターンおよび第４の配線パターンと、を更に有し、
   前記第１のコイルパターンの一端と前記第１の配線パターンとは、第１の貫通ビアを介して接続され、
   前記第１のコイルパターンの他端と前記第２の配線パターンとは、第２の貫通ビアを介して接続され、
   前記第２のコイルパターンの一端と前記第３の配線パターンとは、第３の貫通ビアを介して接続され、
   前記第２のコイルパターンの他端と前記第４の配線パターンとは、第４の貫通ビアを介して接続される
   ことを特徴とするトランス。
4. 請求項２に記載のトランスにおいて、
   前記多層基板における前記第１の導電層と前記第２の導電層との間の第３の導電層に形成された第３のコイルパターンと、
   前記多層基板における前記第３の導電層と前記第２の導電層との間の第４の導電層に形成された第４のコイルパターンと、
   平面視において前記第３の導電層における前記第３のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第３のコイルパターンの一端に接続された第３のコンデンサパターンと、
   平面視において前記第４の導電層における前記第４のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第４のコイルパターンの一端に接続された第４のコンデンサパターンとを更に有し、
   前記第１のコイルパターンと、前記第２のコイルパターンと、前記第３のコイルパターンと、前記第４のコイルパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、
   前記第１のコンデンサパターンと、前記第２のコンデンサパターンと、前記第３のコンデンサパターンと、前記第４のコンデンサパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、
   前記第１のコイルパターンと前記第３のコイルパターンとは、第１の貫通ビアを介して直列に接続され、
   前記第２のコイルパターンと前記第４のコイルパターンとは、第２の貫通ビアを介して直列に接続される
   ことを特徴とするトランス。
5. 請求項２に記載のトランスにおいて、
   前記多層基板における前記第１の導電層と前記第２の導電層との間の第３の導電層に形成された第３のコイルパターンと、
   前記多層基板における前記第３の導電層と前記第２の導電層との間の第４の導電層に形成された第４のコイルパターンと、
   平面視において前記第３の導電層における前記第３のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第３のコイルパターンの一端に接続された第３のコンデンサパターンと、
   平面視において前記第４の導電層における前記第４のコイルパターンで囲まれる領域に形成され、前記第４のコイルパターンの一端に接続された第４のコンデンサパターンと、を更に有し、
   前記第１のコイルパターンと、前記第２のコイルパターンと、前記第３のコイルパターンと、前記第４のコイルパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、
   前記第１のコンデンサパターンと、前記第２のコンデンサパターンと、前記第３のコンデンサパターンと、前記第４のコンデンサパターンとは、平面視において重なりを有して配置され、
   前記第１のコイルパターンと前記第４のコイルパターンとは、第１の貫通ビアを介して直列に接続され、
   前記第２のコイルパターンと前記第３のコイルパターンとは、第２の貫通ビアを介して直列に接続される
   ことを特徴とするトランス。
6. 積層方向における最上位の導電層および最下位の導電層を除く層間絶縁膜に覆われた少なくとも２つの導電層に、平面視において互いに重なりを有して夫々配置された複数のコイルパターンを有する
   ことを特徴とする多層基板。
7. 請求項５に記載の多層基板において、
   前記コイルパターンが形成される導電層の、平面視でコイルパターンに囲まれる領域に形成されたコンデンサパターンを更に有する
   ことを特徴とする多層基板。
8. 請求項５または６に記載の多層基板において、
   前記最上位の導電層または前記最下位の導電層に形成された複数の配線パターンと、
   前記配線パターンと対応する前記コイルパターンの端部とを接続する貫通ビアと、を更に有する
   ことを特徴とする多層基板。

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