JP4692676B2 - 非可逆回路素子 - Google Patents

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Description

本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に関する。
従来より、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、自動車電話、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。
この種の非可逆回路素子としては、特許文献1に、直方体形状のフェライトに第1中心電極を1ターン巻回するとともに、第2中心電極を該第1中心電極と絶縁状態でかつ所定の角度で交差するように複数回巻回した、2ポート型アイソレータが記載されている。この2ポート型アイソレータにおいて、フェライトの下面に形成された接続用電極(第1及び第2中心電極と電気的に接続されている)は、回路基板の表面に形成された端子電極にはんだを介して電気的に接続されている。
しかしながら、前記2ポート型アイソレータにおいては、回路基板上の端子電極とフェライトに形成された電極とをリフローによってはんだ付けする際に、溶融したはんだの流れ形状が不安定になり、はんだの厚みがばらつくという問題点を有していた。特に、はんだが細ると熱的あるいは機械的なストレスで断線などの接続不良が発生するので接続信頼性に欠けていた。
一方、特許文献2には、ヨークに設けたアース端子へのはんだ付けの安定性を図るために、アース端子の周囲のヨークにレーザを照射して酸化されたはんだ流出防止部を形成した非可逆回路素子が記載されている。但し、この非可逆回路素子では、回路基板の端子電極とフェライトに設けた電極との間のはんだ接続の安定性に関しては何ら考慮されていない。
国際公開第2007/046229号パンフレット 特開2006−148216号公報
そこで、本発明の目的は、回路基板の端子電極とフェライトに設けた電極との間のはんだ接続の安定性、信頼性を向上させることのできる非可逆回路素子を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の一形態である非可逆回路素子は、
永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに互いに絶縁状態で配置された複数の中心電極と、表面に端子電極が形成された回路基板と、を備えた非可逆回路素子において、
前記フェライトは、前記中心電極と電気的に接続された接続用電極を有し、一対の前記永久磁石で挟着されてフェライト・磁石組立体を構成し、
前記フェライト・磁石組立体は前記回路基板上に配置されるとともに、前記フェライトに設けた接続用電極が前記回路基板上に形成した端子電極にはんだを介して電気的に接続され、
前記回路基板上に形成した端子電極にはレーザの照射によって該端子電極を横断し、かつ、該端子電極の表面が荒れたはんだ流れ防止部が形成されており
前記端子電極には、はんだ流れ防止部の形成位置に、ビアホール導体が設けられていること、
を特徴とする。
前記非可逆回路素子においては、回路基板上に形成した端子電極にレーザを照射することにより、該端子電極が横断的に焼かれ(酸化され)、表面が荒れたはんだ流れ防止部が形成される。従って、端子電極とフェライトに設けた接続用電極とをはんだ付けする際に、溶融したはんだは該防止部によって他の部分への流出が阻止されて固化した形状が安定する。これにて、はんだは必要な厚みが保障され、かつ、厚みがばらつくという問題点が解消される。特に、はんだが細って熱的なあるいは機械的なストレスで断線するなどの接続不良が発生するおそれがなくなる。
前記非可逆回路素子において、前記中心電極は第1中心電極及び第2中心電極とからなり、第1中心電極はその一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続され、第2中心電極はその一端が出力ポートに電気的に接続され、他端がグランドポートに電気的に接続されていてもよい。挿入損失の小さい2ポートタイプのアイソレータを得ることができる。
また、フェライトはその主面が前記回路基板の表面に対して垂直方向に配置されていてもよい。小型で磁気効率の良好な非可逆回路素子が得られる。
また、はんだ流れ防止部の形成位置にビアホール導体を設けることによって、レーザの照射によって端子電極が万一分断されることがあっても、ビアホール導体までも分断されることはなく、端子電極は一体的な電極として機能することが保障される。このビアホール導体は内部電極と接続されることのないダミーのビアホール導体であってもよい。
前記ビアホール導体は銀又は銀を主成分とする合金からなることが好ましい。端子電極をYAGレーザなどでトリミングする場合、銀又はその合金はレーザ光を反射する性質が強く、ビアホール導体がレーザ光で不必要に加工される不具合を最小限に抑えることができる。
また、回路基板上に形成した端子電極は、銀、銅、金、ニッケル又はこれらの合金からなり、かつ、めっき膜が施されていてもよい。特に、銀を下地としてニッケルめっき及び金めっきが施されていることが好ましい。レーザの照射によって、金めっきが飛散し、ニッケル又は銀の酸化層が表面を覆うことになり、良好なはんだ流れ防止部が形成される。
本発明によれば、回路基板上に形成した端子電極にレーザの照射によるはんだ流れ防止部を形成したため、該端子電極とフェライトに設けた電極との間に介在されるはんだの流れ形状が安定化し、はんだの厚みのばらつき、特にはんだの細りによる接続不良を防止することができ、接続信頼性が向上する。
本発明に係る非可逆回路素子(2ポート型アイソレータ)の一実施例を示す分解斜視図である。 中心電極付きフェライトを示す斜視図である。 フェライトを示す斜視図である。 フェライトの主面に形成された中心電極を示す説明図である。 回路基板内の回路構成を示すブロック図である。 2ポート型アイソレータの第1回路例を示す等価回路図である。 2ポート型アイソレータの第2回路例を示す等価回路図である。 回路基板を示す平面図である。
符号の説明
20…回路基板
25a〜25e…端子電極
26a2,26b…ビアホール導体
27a,27b…はんだ流れ防止部
28a〜28c…内部電極
30…フェライト・磁石組立体
32…フェライト
32a,32b…主面
35…第1中心電極
36…第2中心電極
35b,35c,36p…接続用電極
41…永久磁石
46a〜46e…はんだ
P1…入力ポート
P2…出力ポート
P3…グランドポート
以下、本発明に係る非可逆回路素子の実施例について添付図面を参照して説明する。
本発明に係る非可逆回路素子の一実施例である2ポート型アイソレータの分解斜視図を図1に示す。この2ポート型アイソレータは、集中定数型アイソレータであり、概略、シールド材として作用する板状ヨーク10と、封止用樹脂11と、回路基板20と、フェライト32と永久磁石41とからなるフェライト・磁石組立体30とで構成されている。さらに、図1には、以下に説明する回路を構成するチップ抵抗45及び接続用はんだ46a〜46eが図示されている。
フェライト32には、図2及び図4に示すように、表裏の主面32a,32bに互いに電気的に絶縁された第1中心電極35及び第2中心電極36が形成されている。ここで、フェライト32は互いに平行な第1主面32a及び第2主面32bを有する直方体形状をなしている。
なお、図4において、斜線を付した部分が電極であり、図2との関連で説明すると、(A)は第1主面32aの第2層目に形成された第1中心電極35の電極膜を示し、(B)は第1主面32aの第1層目に形成された第2中心電極36の電極膜を示している。(C)はフェライト32の上面32c及び下面32dに形成された電極を示している。(D)は第2主面32bの第1層目に形成された第2中心電極36の電極膜を示し、(E)は第2主面32bの第2層目に形成された第1中心電極35の電極膜を示している。
永久磁石41はフェライト32の主面32a,32bに対して磁界を該主面32a,32bに略垂直方向に印加するように主面32a,32bに、例えば、エポキシ系の接着剤42(図1参照)を介して接着され、フェライト・磁石組立体30を形成している。永久磁石41の主面は前記フェライト32の主面32a,32bと同一寸法であり、互いの外形が一致するように主面どうしを対向させて配置されている。
図4(A)に示すように、第1中心電極35はフェライト32の第1主面32aにおいて右側の下部から立ち上がって2本に分岐した状態で左上に長辺に対して比較的小さな角度で傾斜して形成され、左上方に立ち上がり、上面32c上の中継用電極35aを介して第2主面32bに回り込み、図4(E)に示すように、第2主面32bにおいて第1主面32aと透視状態で重なるように2本に分岐した状態で形成され、その一端は下面32dに形成された接続用電極35bに接続されている。また、第1中心電極35の他端は下面32dに形成された接続用電極35cに接続されている。このように、第1中心電極35はフェライト32に1ターン巻回されている。そして、第1中心電極35と以下に説明する第2中心電極36とは、間に絶縁膜(図示せず)が形成されて互いに絶縁された状態で交差している。
第2中心電極36は、図4(B),(D)に示すように、まず、0.5ターン目36aが第1主面32aにおいて下辺から左上に長辺に対して比較的大きな角度で傾斜して第1中心電極35と交差した状態で形成され、上面32c上の中継用電極36bを介して第2主面32bに回り込み、1ターン目36cが第2主面32bにおいてほぼ垂直に第1中心電極35と交差した状態で形成されている。1ターン目36cの下端部は下面32dの中継用電極36dを介して第1主面32aに回り込み、1.5ターン目36eが第1主面32aにおいて0.5ターン目36aと平行に第1中心電極35と交差した状態で形成され、上面32c上の中継用電極36fを介して第2主面32bに回り込んでいる。
以下同様に、2ターン目36g、中継用電極36h、2.5ターン目36i、中継用電極36j、3ターン目36k、中継用電極36l、3.5ターン目36m、中継用電極36n、4ターン目36oがフェライト32の主面32a,32bにそれぞれ形成されている。また、第2中心電極36の両端は、それぞれフェライト32の下面32dに形成された接続用電極35c,36pに接続されている。なお、接続用電極35cは第1中心電極35及び第2中心電極36のそれぞれの端部の接続用電極として共用されている。
即ち、第2中心電極36はフェライト32に螺旋状に4ターン巻回されていることになる。ここで、ターン数とは、中心電極36が第1又は第2主面32a,32bをそれぞれ1回横断した状態を0.5ターンとして計算している。そして、中心電極35,36の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。
また、接続用電極35b,35c,36pや中継用電極35a,36b,36d,36f,36h,36j,36l,36nはフェライト32の上下面32c,32dに形成された凹部37(図3参照)に電極用導体を充填して形成されている。また、上面32cには各種電極と平行にダミー凹部38も形成され、かつ、ダミー電極39a,39bが形成されている。この種の電極は、マザーフェライト基板に予めスルーホールを形成し、このスルーホールを電極用導体で充填した後、スルーホールを分断する位置でカットすることによって形成される。なお、各種電極は凹部37,38に導体膜として形成したものであってもよい。
フェライト32としてはYIGフェライトなどが用いられている。第1及び第2中心電極35,36や各種電極は銀や銀合金の厚膜又は薄膜として印刷、転写、フォトリソグラフなどの工法で形成することができる。中心電極35,36の絶縁膜としてはガラスやアルミナなどの誘電体厚膜、ポリイミドなどの樹脂膜などを用いることができる。これらも印刷、転写、フォトリソグラフなどの工法で形成することができる。
永久磁石41は、通常、ストロンチウム系、バリウム系、ランタン−コバルト系のフェライトマグネットが用いられる。フェライトマグネットは、金属マグネットが導体であるのと比較して、誘電体でもあるため、マグネット内に高周波磁束が損失なく分布することができる。そのため、永久磁石41を中心電極35,36に近接させて配置しても、挿入損失をはじめとする電気特性をほとんど劣化させない。また、フェライト32の飽和磁化の温度特性と永久磁石41の磁束密度の温度特性が近いため、フェライト32と永久磁石41とを組み合わせてアイソレータを構成した場合、アイソレータの電気特性が温度に依存する程度が小さくなって良好になる。
回路基板20は、複数枚の誘電体シート上に所定の電極を形成して積層し、焼結した積層型基板であり、その内部には、図5に示すように、整合用コンデンサC1,C2,CS1,CS2が内蔵され、終端抵抗R(チップ抵抗45、図1参照)が外付けされている。また、上面には端子電極25a〜25eが、下面には外部接続用端子電極26,27,28がそれぞれ形成されている。
これらの整合用回路素子と第1及び第2中心電極35,36との接続関係を図5及び図6、図7の等価回路を参照して説明する。なお、図6に示す等価回路は本発明に係る非可逆回路素子(2ポート型アイソレータ)における基本的な第1回路例を示し、図7に示す等価回路は第2回路例を示す。図5には図7に示す第2回路例の構成が示されている。
即ち、回路基板20の下面に形成された外部接続用端子電極26が入力ポートP1として機能し、この端子電極26は整合用コンデンサCS1を介して整合用コンデンサC1と終端抵抗R(端子電極25d)との接続点21aに接続されている。また、この接続点21aは回路基板20の上面に形成された端子電極25a及びフェライト32の下面32dに形成された接続用電極35bを介して第1中心電極35の一端に接続されている。
第1中心電極35の他端及び第2中心電極36の一端は、フェライト32の下面32dに形成された接続用電極35c及び回路基板20の上面に形成された端子電極25bを介して終端抵抗R(端子電極25e)及びコンデンサC1,C2に接続されている。
一方、回路基板20の下面に形成された外部接続用端子電極27が出力ポートP2として機能し、この電極27は整合用コンデンサCS2を介してコンデンサC2,C1と終端抵抗R(端子電極25e)との接続点21bに接続されている。
第2中心電極36の他端は、フェライト32の下面32dに形成された接続用電極36p及び回路基板20の上面に形成された端子電極25cを介してコンデンサC2及び回路基板20の下面に形成された外部接続用端子電極28との接続点21cに接続されている。外部接続用端子電極28はグランドポートP3として機能する。
前記フェライト・磁石組立体30は、回路基板20上に載置され、フェライト32の下面32dの各種電極が回路基板20上の端子電極25a,25b,25cとはんだ46a,46b,46cによりリフローはんだ付けされて一体化されるとともに、永久磁石41の下面が回路基板20上に接着剤42にて一体化される。また、チップ抵抗45が端子電極25d,25eにはんだ46d,46eを介して接続されている。
回路基板20は、ガラスとアルミナやその他の誘電体の混合物を焼成したものや、樹脂やガラスとその他の誘電体からなる複合基板が用いられている。内部や外部の電極には、銀や銀合金の厚膜、銅厚膜、銅箔などが用いられている。
ところで、以上の構成からなる2ポート型アイソレータにおいては、第1中心電極35の一端が入力ポートP1に接続され他端が出力ポートP2に接続され、第2中心電極36の一端が出力ポートP2に接続され他端がグランドポートP3に接続されているため、従来の2ポート型アイソレータと比較して、挿入損失の小さな2ポート型の集中定数型アイソレータとすることができる。
さらに、動作時において、第2中心電極36に大きな高周波電流が流れ、第1中心電極35にはほとんど高周波電流が流れない。従って、第1中心電極35及び第2中心電極36によって生じる高周波磁界の方向は第2中心電極36の配置によって決まる。高周波磁界の方向が決まることにより、その磁路を妨げないようにフェライト32を配置することで、挿入損失をより低下させる対策が容易になる。
図1に示すように、回路基板上に形成した端子電極25aはその延在部25a’上にはんだ46aを付与し、端子電極25bはその延在部25b’上にはんだ46bを付与し、端子電極25c上にはんだ46cを付与した状態でリフローにより、フェライト32の下面32dに形成した接続用電極35b,35c,36pと接続する。また、端子電極25d,25eははんだ46d,46eによりチップ抵抗45と同様にして接続される。
このリフローはんだ付けの際、延在部25a’,25b’上に付与されたはんだ46a,46bは溶融して端子電極25a,25bの本体側に流れる傾向にある。この流れ形状は極めて不安定であることは前述したとおりである。そこで、本実施例では、図8に示すように、はんだ46a,46bが端子電極25a,25bの本体側に流れないように、はんだ流れ防止部27a,27bを形成した。このはんだ流れ防止部27a,27bはレーザを照射することにより形成される。
具体的には、端子電極25a,25bは(他の端子電極も同様であるが)、銀を下地としてニッケルめっき及び金フラッシュが施されている。この端子電極25a,25bに対してレーザを照射すると、例えば厚さ0.03μmに形成した金フラッシュめっきが飛散し、ニッケル又は銀の酸化層が表面を覆い、若干荒れたはんだ流れ防止部27a,27bが形成される。そして、溶融したはんだ46a,46bは該防止部27a,27bによって端子電極25a,25bの本体側に流出することが阻止され、固化した形状が安定する。これにて、はんだ46a,46bは必要な厚みが保障され、かつ、厚みがばらつく不具合を生じることはない。特に、はんだ46a,46bが細って熱的なあるいは機械的なストレスで断線するおそれが解消される。
なお、端子電極25a〜25eは、銀、銅、金、ニッケル又はこれらの合金からなり、かつ、めっき膜を施したものであってもよい。めっき膜の材料は銀、銅、金、ニッケル又はこれらの複合材料でもよい。
ところで、本実施例においては、回路基板上に形成した端子電極25a〜25eには、図8に示すように、内部電極28a〜28cに接続するためのビアホール導体26a1,26b〜26eが形成されている。ビアホール導体26a1は接続点21aに相当する電極、ビアホール導体26bは接続点21bに相当する電極、ビアホール導体26cは接続点21cに相当する電極である。さらに、端子電極25aには、内部電極を接続されることのないダミーのビアホール導体26a2が形成されている。内部電極28a,28cは導体線路パターンであり、内部電極28bは整合容量C1を形成するためのコンデンサ電極である。なお、内部電極の形状は様々であり、図8に示したものに限定するものではない。
そして、前記はんだ流れ防止部27a,27bはビアホール導体26a2,26bの直上に形成されている。はんだ流れ防止部27a,27bの形成位置にビアホール導体26a2,26bを設けることによって、レーザの照射によって端子電極25a,25bが万一分断されることがあっても、ビアホール導体26a2,26bまでも分断されることはなく、端子電極25a,25bは本体部と延在部25a’,25b’とが一体的な電極として機能することが保障される。
はんだ流れ防止部27a,27bと対応するビアホール導体26a2,26bは、種々の材料を用いることができるが、銀又は銀を主成分とする合金からなることが好ましい。端子電極25a,25bをYAGレーザなどでトリミングする場合、銀又はその合金はレーザ光を反射する性質が強く、ビアホール導体26a2,26bがレーザ光で不必要に加工される不具合を最小限に抑えることができる。
なお、前記はんだ46a〜46eとしては、錫、銀、銅の合金系はんだ、錫、銀、亜鉛の合金系はんだ、錫、亜鉛、ビスマスの合金系はんだ、錫、亜鉛、アルミニウムの合金系はんだ、錫、銅、ビスマスの合金系はんだなどが適している。
また、各種電極を回路基板20の各端子電極に接続するには、リフローはんだによる以外に、はんだバンプや金バンプによる接続、導電ペーストによる接続などであってもよい。
本実施例において、回路基板20は多層誘電体基板である。これにて、内部にコンデンサなどの回路素子を内蔵することができ、アイソレータの小型化、薄型化が達成でき、回路素子間の接続が基板内で行われるために信頼性の向上が期待できる。抵抗Rを抵抗体膜にて形成し、回路基板20に内蔵してもよい。勿論、回路基板20は必ずしも多層である必要はなく、単層であってもよく、整合用コンデンサなどをチップタイプとして外付けしてもよい。
また、第1中心電極35及び第2中心電極36はフェライト32の主面32a,32bに電極膜にて形成されているため、寸法精度よくコンパクトに形成することができる。さらに、フェライト・磁石組立体30は、フェライト32と一対の永久磁石41が接着剤42で一体化されていることで、機械的に安定となり、振動や衝撃で変形・破損しない堅牢なアイソレータとなる。このようなアイソレータは携帯型の通信機器に最適である。
永久磁石41と回路基板20との接着剤としては、熱硬化性の一液性又は二液性のエポキシ系接着剤が適している。即ち、フェライト・磁石組立体30と回路基板20との接合にはんだ付けと接着とを併用することにより、接合が確実なものとなる。
(他の実施例)
なお、本発明に係る非可逆回路素子は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
例えば、永久磁石41のN極とS極を反転させれば、入力ポートP1と出力ポートP2が入れ替わる。2ポート型に限らず3ポート型の非可逆回路素子であってもよい。また、フェライト32は前記実施例に示したように縦置き配置する以外に横置き配置(フェライト32の主面32a,32bを回路基板20の表面と平行に配置)してもよい。
また、前記第1中心電極35及び第2中心電極36の形状は種々に変更することができる。例えば、前記実施例では、第1中心電極35はフェライト32の主面32a,32b上で2本に分岐したものを示したが、分岐していなくてもよい。
さらに、第1中心電極35及び第2中心電極36はフェライト32の主面32a,32b上に形成されている以外に、貼り合わせたフェライト32の内部に電極膜にて形成されていてもよい。
以上のように、本発明は、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に有用であり、特に、回路基板の端子電極とフェライトに設けた電極との間のはんだ接続の安定性、信頼性を向上させることができる点で優れている。

Claims (8)

  1. 永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに互いに絶縁状態で配置された複数の中心電極と、表面に端子電極が形成された回路基板と、を備えた非可逆回路素子において、
    前記フェライトは、前記中心電極と電気的に接続された接続用電極を有し、一対の前記永久磁石で挟着されてフェライト・磁石組立体を構成し、
    前記フェライト・磁石組立体は前記回路基板上に配置されるとともに、前記フェライトに設けた接続用電極が前記回路基板上に形成した端子電極にはんだを介して電気的に接続され、
    前記回路基板上に形成した端子電極にはレーザの照射によって該端子電極を横断し、かつ、該端子電極の表面が荒れたはんだ流れ防止部が形成されており
    前記端子電極には、はんだ流れ防止部の形成位置に、ビアホール導体が設けられていること、
    を特徴とする非可逆回路素子。
  2. 前記中心電極は第1中心電極及び第2中心電極とからなり、第1中心電極はその一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続され、第2中心電極はその一端が出力ポートに電気的に接続され、他端がグランドポートに電気的に接続されていること、を特徴とする請求項1に記載の非可逆回路素子。
  3. 前記フェライトはその主面が前記回路基板の表面に対して垂直方向に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非可逆回路素子。
  4. 前記ビアホール導体は前記回路基板の内部電極に導通していることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  5. 前記ビアホール導体はダミーのビアホール導体であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  6. 前記ビアホール導体は銀又は銀を主成分とする合金からなることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の非可逆回路素子。
  7. 前記回路基板上に形成した端子電極は、銀、銅、金、ニッケル又はこれらの合金からなり、かつ、めっき膜が施されていること、を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  8. 前記回路基板上に形成した端子電極は、銀を下地としてニッケルめっき及び金めっきが施されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の非可逆回路素子。
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