JP4807235B2 - 電子部品モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電子部品モジュールに関する。

携帯電話機等に搭載される小型電子機器として、インダクタやコンデンサ等の受動素子とＩＣ等の能動素子とから構成されるものが知られている。携帯電話機等への搭載を有利にするには、小型電子機器は小型であることが好ましいため、複数の素子を一体にしたモジュールの形で用いられることが多い。例えば、下記特許文献１には、小型電子機器の一例であるＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置として、薄膜磁気誘導素子、半導体基板及びセラミックコンデンサアレーを所定の配置で一体にしたモジュールが記載されている。
特開２００４−１８６３１２号公報

しかしながら、近年、携帯電話機等に対する小型化の要求が大きくなっており、そのために上述したようなモジュールに対しても一層の小型化が要求されている。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、更なる小型化が可能な電子部品モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電子部品モジュールは、半導体素子を収納する基板と、基板の一方の面上に配置されたコイル素子と、基板のコイル素子に対して反対側の面上に配置された容量素子とを備えることを特徴とする。

上記構成を有する電子部品モジュールは、半導体素子を有する基板の一側にコイル素子、反対側に容量素子が形成されて一体化されたものであるから、これらの素子を搭載するための面積が極めて小さくてすみ、各素子を別々に配置する場合と比べて小型化が容易である。

ここで、上記特許文献１に記載された電力変換装置は、薄膜磁気誘導素子の上面に半導体基板、下面にセラミックコンデンサアレーをそれぞれ配置したものである。しかし、このような配置では、セラミックコンデンサアレーが薄膜磁気誘導素子をまたいで半導体基板に接続される必要があることから、これらの両方の素子には、かかる接続が可能となるように外周部に半導体基板と接続するための端子が設けられている。そのため、この端子のためのスペースが必要となっている。

これに対し、本発明の電子部品モジュールでは、半導体素子を含む基板に対して両側にコイル素子及び容量素子がそれぞれ配置されていることから、一方の素子を他方の素子をまたがずに半導体素子に直接接続することができ、接続用の端子を設けるためのスペースが必要ない。そして、そのぶん各素子の大きさを最大限に大きくすることができるため、本発明の電子部品モジュールは、小型化且つ高集積化が可能でありながら十分な特性も維持できるものとなる。

また、上記特許文献１のような配置では、通常最も大きい薄膜磁気誘導素子をまたぐようにして半導体基板とセラミックコンデンサアレーとを接続することになるので、そのための配線が不必要に長くなってしまう傾向にある。そのため、外部からのノイズをひろいやすかったり、ロスが大きくなったりする不都合が生じるおそれがある。一方、本発明の電子部品モジュールではこのような配線を極めて短くできるという利点もあり、これらの不都合を大幅に低減することも可能となる。

上記本発明の電子部品モジュールにおいては、積層方向から見て、コイル素子及び容量素子のいずれか一方は、他方の素子の形成領域内に配置されていることが好ましい。こうすれば、コイル素子と容量素子とが同じ位置で重なるように配置されるため、モジュール化による接地面積の低減効果が特に良好に得られるようになる。

また、積層方向から見て、基板における半導体素子の形成領域は、コイル素子及び容量素子のいずれの形成領域よりも小さいことが好ましい。こうすれば、コイル素子や容量素子を、基板における半導体素子の周囲に配線を設けることで半導体素子と接続することが可能となる。これにより配線のためのスペースを省略することができるため、電子部品モジュールをより小型化することが可能となる。

本発明の電子部品モジュールにおいては、コイル素子及び容量素子の少なくとも一方が、その実装面において基板と接触していることが好ましい。このように、少なくとも一方の素子が基板と直接接触して配置されることで、配線等を短くして更なる小型化ができるほか、低背化やノイズの低減も可能となる。また、素子と基板との間には空間が無くなるので、断熱効果が高い空気層が形成され難くなり、その結果、半導体素子による熱が基板と接触している素子によって効率よく除去されるようになるという利点もある。コイル素子及び容量素子は、基板上の端子と接続するための端子電極をそれぞれ有していてもよいが、この場合、端子電極は、少なくとも上記の実装面以外の面に形成されていると、上述した放熱の効果が特に良好に得られるため、好ましい。

また、上記本発明の電子部品モジュールにおいては、コイル素子及び容量素子のうちの少なくとも一方は、実装面と隣接している側面に端子電極を有しており、且つ、当該端子電極のうちの少なくとも一つは、その端子面が基板上の面とのなす角が鋭角となるように傾斜していることが好ましい。ここで、端子面とは、基板上の端子とはんだ付け等によって接続を行うための端子電極の主要な面である。例えば、端子電極が上記側面を覆うように設けられた導電層である場合は、この導電層の上記側面に沿う表面が端子面に該当する。

このように傾斜した端子面を有する端子電極によれば、この端子電極を基板上の端子にはんだ付けする際、端子面と基板との間に挟まれた空間にはんだを収容することができるようになる。したがって、従来のような基板にほぼ垂直な側面に形成された端子をはんだ付けする場合は、基板上の端子に、はんだの広がりを考慮して素子の配置領域の外側にまではみ出すスペースを用意する必要があったのに対し、本発明でははんだの広がりを低減できるため、基板上の端子の領域を小さくすることができる。その結果、電子部品モジュールの一層の小型化が可能となる。

また、本発明の電子部品モジュールにおいて、容量素子は実装面において基板と接触しているコンデンサアレーであることが好ましい。例えば、電子部品モジュールをＤＣ−ＤＣコンバータモジュールとして用いる場合は、少なくとも２つのコンデンサが必要となるが、このようにコンデンサアレーを用いることによって、複数のコンデンサが必要な場合も一つの素子とすることができるため、更なる小型化が可能となる。

また、容量素子がコンデンサアレーである場合、このコンデンサアレーは、実装面と隣接する側面のうち、互いに対向している一対の側面に端子電極をそれぞれ有しており、且つ、端子電極が形成されているのとは異なる側面にグラウンドに接続するためのグラウンド端子を更に有していると好ましい。また、これらとは異なる側面に半導体素子との接続が可能となる配線を更に有しているとより好ましい。こうすることで、グラウンド端子や上記配線を直接コンデンサアレー上に設けることができ、これにより、通常これらのために設けられていた素子上のバンプの形成や基板上の配線が必要なくなる。その結果、電子部品モジュールを更に小型化できるほか、ノイズ等の影響もより小さくすることが可能となる。

本発明によれば、小型化が可能であり、しかも配線等が短くされることによってノイズ等の影響が小さくされた電子部品モジュールを提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。以下の説明では、電子部品モジュールとして、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを例に挙げて説明する。

図１は、好適な実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構成を模式的に示す図である。また、図２は、図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータモジュールをコンデンサアレー２０側から見た平面図である。

図１に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００は、ＩＣ５３を内蔵している基板５０の一方の面上にインダクタ１０が配置され、他方の面上にコンデンサアレー２０が配置された構成を有している。なお、図１では、インダクタ１０及びコンデンサアレー２０については、これらの内部構成については省略し、側面構造を概略的に示してある。

インダクタ１０は、内部にコイル状の導体を有するコイル素子であり、その基板５０側の実装面において基板５０と接触するように配置されている。このインダクタ１０は、実装面と、この実装面と対向する対向面と、この実装面と対向面とに交差する２組の一対の側面とに囲まれた直方体からなる平板状の形状を有している。インダクタ１０としては、例えば、縦１．５〜３．５ｍｍ、横１．０〜３．０ｍｍ、高さ１．０ｍｍ以下のサイズを有するものが挙げられる。

インダクタ１０には、その実装面と隣接しており互いに対向する側面に、入出力用の一対の端子電極１２，１４がそれぞれ設けられている。この端子電極１２，１４は、インダクタ１０内部のコイル状の導体の両端にそれぞれ接続されている（図示せず）。また、端子電極１２，１４は、これらが形成されているインダクタ１０の側面に沿う端子面を有している。なお、インダクタ１０の全体形状は、平板状以外に、円柱状、多角形状等であってもよい。ただし、実装時の低背化の観点からは、いずれの場合であっても基板５０からの高さが低いことが好ましく、そのためには平板状とするのが有利である。

コンデンサアレー２０は、積層型セラミックコンデンサアレーであり、内部に内部電極を有しており、この内部電極が分離して形成されていることによって２つぶんのコンデンサが内蔵されたものである。このコンデンサアレー２０も、その基板５０側の実装面において基板５０と接触するように配置されている。そして、コンデンサアレー２０は、上記実装面と、この実装面と対向する対向面と、この実装面と対向面とに交差する２組の一対の側面とに囲まれた直方体からなる平板状の形状を有しており、好ましくはインダクタ１０とほぼ同じ形状及びサイズとなっている。

コンデンサアレー２０においては、基板５０への実装面に隣接する側面のうち、互いに対向する一対の側面の一方に端子電極２２が、他方に端子電極２４が設けられている。この端子電極２２，２４は、コンデンサアレー２０内部の内部電極にそれぞれ接続されている（図示せず）。そして、端子電極２２，２４は、これらが形成されている側面に沿う端子面を有している。

また、図２に示すように、コンデンサアレー２０は、端子電極２２，２４が形成された側面とは異なる側面のうちの一方にグラウンド端子２６を有している。このグラウンド端子２６も内部電極に接続されている。そして、端子電極２２とグラウンド端子２６との組み合わせ、及び、端子電極２４とグラウンド端子２６との組み合わせが、それぞれ一つのコンデンサにおける一対の外部端子の役割を果たしている。

さらに、コンデンサアレー２０におけるグラウンド端子２６が形成された側面と対向する側面には、信号端子２８が形成されている。この信号端子２８は、一つの側面に等間隔で複数（ここでは４つ）形成されている。信号端子２８は、コンデンサアレー２０における内部電極と接続されるものではなく、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００を他の回路基板等に実装する際に、ＩＣ５３と他の回路基板等とを接続するための配線となる。したがって、この信号端子２８の一端は基板５０におけるＩＣ５３と接続され、また、反対側の一端は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００が実装される回路基板等に接続されることになる。このように、コンデンサアレー２０の側面に配線用の信号端子２８を形成することで、別途配線を設ける必要がなくなり、実装時に必要となる面積をより小さくすることが可能となる。

基板５０は、支持基板５２内にスイッチング回路等の機能を有するＩＣ５３が埋め込まれたものである。このＩＣ５３は、インダクタ１０の端子電極１２，１４の間、またはコンデンサアレー２０の端子電極２２，２４の間に位置するように配置されている。支持基板５２の表裏面には、樹脂層５４、レジスト層５６が順次積層されている。

基板５０には、その表裏面を貫通するように設けられたビア６４が各部に設けられている。このビア６４の一部は、支持基板５２の表面上に広がるように張り出した部分で、ＩＣ基板５３上に設けられたＩＣバンプ６２と接続している。また、ビア６４は、樹脂層５４の表面上に広がるように張り出した部分も有している。この部分は、レジスト層５６が開口することによって基板５０の表面に露出しており、基板５０表面の接続用端子５８を形成している。

インダクタ１０における端子電極１２，１４、及び、コンデンサアレー２０における端子電極２２，２４は、これらの端子面において、それぞれ基板５０における接続用端子５８に対してはんだ３０によって電気的・機械的に接続されている。このようにして、インダクタ１０とＩＣ５３、及び、コンデンサアレー２０とＩＣ５３とが、基板５０内に設けられた配線（ビア等）を介して接続されている。また、図２に示すように、コンデンサアレー２０におけるグラウンド端子２６も、基板５０の表面に形成された接続用の端子に、例えばはんだ付けによって接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００においては、インダクタ１０とコンデンサアレー２０とが、上述したようにほぼ同じ形状を有しており、積層方向から見てほぼ同じ位置に重なるように配置されている。また、インダクタ１０における端子電極１２，１４は、コンデンサアレー２０における端子電極２２，２４と、積層方向から見てそれぞれほぼ同じ位置に重なるように配置されている。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００は、図３に示すようなＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成するものである。図３中、破線で囲まれた領域がＩＣ５３に該当する。また、Ｌは、インダクタ１０である。さらに、Ｃ_１及びＣ_２は、コンデンサアレー２０に内蔵されている２つのコンデンサにそれぞれ該当する。このＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、ＩＣ５３中の制御回路ＣＵは、スイッチング素子（ＣＭＯＳ）Ｓ_１、Ｓ_２を駆動して所定の昇圧・降圧を行う。制御回路ＣＵには、イネーブルピンＥＮが取り付けられている。インダクタＬ、コンデンサＣ_１，Ｃ_２は、電圧入力端子Ｖ_ｉｎから入力された入力時電圧を、電圧出力端子Ｖ_ｏｕｔから平滑な出力直流電圧として出力する。

上述した構成を有するＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００によれば、基板５０の一側にインダクタ１０、その反対側にコンデンサアレー２０が配置され、しかもインダクタ１０及びコンデンサアレー２０が重なるように位置しているため、これらの素子を別々に配置する場合に比べて、モジュールを搭載するための面積を大幅に小さくすることができる。また、これらの素子が全て組み込まれていることから、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００を搭載するための基板等の設計の自由度を高めることもできる。

ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する各素子は、インダクタ、コンデンサ、ＩＣの順に小さくなるのが一般的であり、従来、ＩＣ上に他の部材を組み合わせるようなモジュール化は極めて困難であった。これに対し、上述した実施形態では、基板にＩＣを内蔵したＩＣ内蔵基板５０を用いることによって、ＩＣの両側にインダクタ及びコンデンサをそれぞれ配置することが可能となっている。そして、このような基板５０は、ＩＣ５３だけでなく、ＩＣ５３をインダクタやコンデンサと接続するための回路をも内蔵できるため、結果として各部材同士を接続するための回路分のスペースも低減することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００では、コンデンサアレー２０を有することで、複数のコンデンサを用いた場合と比べて一層の小型化が可能となっている。さらに、コンデンサアレー２０によれば、複数のコンデンサを並べる場合に比べて、基板５０が空気と接する面積が少なくなるようにできるので、ＩＣ５３による熱をより良好に取り除くことができる。またさらに、複数のコンデンサを用いる場合に比して、後述するようなＢＧＡ端子の形成も容易となる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００では、インダクタ１０とコンデンサアレー２０とがほぼ同様の形状を有しており、これらが基板５０の両側に互いに重なり合う位置で配置されることで、これらの素子を積層することによる小型化が最も効率よく行われている。さらに、インダクタ１０における端子電極１２，１４と、コンデンサアレー２０における端子電極２２，２４とが重なり合う位置に設けられていることで、ＩＣと各素子とを接続するための配線も短くすることができる。一般に、この配線が長いとノイズが生じ易い傾向にあるが、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００は、かかるノイズの影響が大幅に低減され、安定した動作が可能なものである。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、ＩＣが最も熱を発し易く、この熱を効率よく除去することが肝要である。本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００は、ＩＣ５３を内蔵する基板の両側に、熱伝導性の高いインダクタ１０やコンデンサアレー２０が直接接するように配置されていることから、ＩＣ５３を外部の空気等に接するように配置した場合に比べて放熱性が極めて高い。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００は、小型化の観点から、インダクタ１０やコンデンサ２０の端子電極に以下のような工夫がなされたものも好適である。

図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００の他の形態の断面構成を模式的に示す図である。同図においては、基板５０、インダクタ１０及びコンデンサアレー２０の詳細な構成については省略して示してある。

図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００においては、インダクタ１０の側面に形成された端子電極１２，１４の端子面、及び、コンデンサアレー２０の側面に形成された端子電極２２，２４の端子面が、各素子が配置される基板５０上の面に対して傾斜していてもよい。この傾斜は、各端子面と基板５０上の面とがなす開放角が、鋭角となるように設けられている。インダクタ１０及びコンデンサアレー２０は、上記のような端子電極が形成された側面を有することによって、これらの端子電極同士が対向している方向に垂直な方向から見て、基板５０側から離れるにつれて裾広がりとなる断面形状を有している。

上記のような傾斜した端子面を有する端子電極は、基板５０上の接続用端子５８にはんだ付けにより接続される際、端子面と基板との間に形成される空間内にはんだを収容することができる。そのため、はんだがインダクタ１０やコンデンサアレー２０の形成領域よりも外側に大きくはみ出すことを抑制できる。その結果、接続用電極５８を、はんだのはみ出しを考慮して過度に広い領域に設ける必要がなくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００の一層の小型化が可能となる。また、素体の側面と基板との開放角が鋭角となるため、基板に応力が加わった場合であってもはんだへの付加を抑制することもできる。これにより、はんだにおけるクラック等の不具合の発生も少なくできる。

なお、上記の形態においては、必ずしも全ての端子電極が上述したような傾斜を有する端子面を有している必要はなく、一部の端子電極のみが有していてもよい。また、傾斜した端子面を有するのは、端子電極だけでなく、グラウンド端子２６等でもよい。インダクタ１０やコンデンサアレー２０における基板５３の接続用端子と接続を行う端子であれば、上記の傾斜した端子面を有することで同様に好適な効果が得られる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは、他の回路基板等に実装される場合、通常、コンデンサアレー１０側が回路基板側となるように配置される。この際、回路基板等との接続は、例えばコンデンサアレー２０における端子電極２２，２４によって行うこともできるが、以下に示すように、コンデンサアレー２０に対して実装用の端子を更に設けてもよい。

図５は、ＢＧＡ端子を備えるＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構成を模式的に示す図である。図示されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１０２は、基板５０、この基板５０の一側に配置されたインダクタ１０、基板５０に対してインダクタ１０の反対側に配置されたコンデンサアレー２０、及び、コンデンサアレー２０における基板５０に対する実装面と反対側の面上に設けられた複数のＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）端子２９を備えた構成を有している。基板５０、インダクタ１０及びコンデンサアレー２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００におけるものと同様である。

上記構成を有するＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１０２は、上記のＢＧＡ端子２９によって他の回路基板等に対する実装が可能である。そして、このような実装形態によれば、例えば、いったん実装を行った後でもＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１０２を取り外して再度ＢＧＡ端子による実装が可能であり、作業性が極めて良好となる。また、コンデンサアレー２０の側面の端子電極２２，２４において実装を行う場合は、はんだの広がりを考慮する必要があるが、ＢＧＡ端子２９による実装では、コンデンサアレー２０の下面で実装を行うことができるためその必要がなく、実装面積を更に低減することが可能となる。

以上、好適な実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００，１０２について説明したが、本発明の電子部品モジュールは、上述した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形が可能である。

例えば、上述した実施形態では、コイル素子の一例としてインダクタ、容量素子の一例としてコンデンサを例示したが、必ずしもこれに限定されない。例えば、コイル素子としては、トランスを適用することもできる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００，１０１では、インダクタ１０とコンデンサアレー２０とが同じサイズを有し、互いに重なり合うように配置されていたが、本発明では積層方向から見て一方の素子が他方の素子の形成領域内に配置されていればよいため、一方の素子の方が小さくてもよい。従来のようにインダクタよりもコンデンサの方が小さい場合は、コンデンサがインダクタの形成領域内に含まれるように配置される。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００，１０２を構成するコンデンサとしては、コンデンサアレーに限定されず、複数のコンデンサを適用してもよい。この場合であっても、小型化の目的を達成するために、積層方向からみて複数のコンデンサがインダクタの形成領域内に配置されるようにすることが好ましい。

好適な実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構成を模式的に示す図である。 図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータモジュールをコンデンサアレー２０側から見た平面図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００の回路図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１００の他の形態の断面構成を模式的に示す図である。 ＢＧＡ端子を備えるＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの断面構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０…インダクタ、１２，１４…端子電極、２０…コンデンサアレー、２２，２４…端子電極、２６…グラウンド電極、２８…信号電極、２９…ＢＧＡ端子、３０…はんだ、５０…基板、５３…ＩＣ、５４…樹脂層、５６…レジスト層、５８…接続用端子、６２…ＩＣバンプ、６４…ビア、１００…ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール、ＣＵ…制御回路、Ｓ_１，Ｓ_２…スイッチング素子、Ｌ…インダクタ、Ｃ_１，Ｃ_２…コンデンサ、ＧＮＤ…グラウンド電極、ＥＮ…イネーブル端子、Ｖ_ｉｎ…電圧入力端子、Ｖｏｕｔ…電圧出力端子。

Claims (5)

1. 半導体素子を収納する基板と、
   前記基板の一方の面上に配置されたコイル素子と、
   前記基板の前記コイル素子に対して反対側の面上に配置された、内部に内部電極を有するコンデンサアレーと、
   を備え、
   前記コイル素子及び前記コンデンサアレーは、その実装面において前記基板と接触しており、
   前記コイル素子及び前記コンデンサアレーは、それぞれ前記基板の端子と接続するための端子電極を有しており、且つ、該端子電極は、少なくとも前記実装面以外の面に形成されており、
   前記コンデンサアレーは、前記実装面と隣接している側面のうち、互いに対向している一対の前記側面に前記端子電極をそれぞれ有しており、且つ、前記端子電極が形成されているのとは異なる前記側面にグラウンドに接続するためのグラウンド端子を更に有しており、
   前記コンデンサアレーは、前記端子電極及び前記グラウンド端子が形成されているのとは異なる前記側面に、当該コンデンサアレーにおける前記内部電極とは接続されておらず、且つ前記半導体素子との接続が可能となる配線を更に有している、
   ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
2. 積層方向から見て、前記コイル素子及び前記コンデンサアレーのいずれか一方は、他方の素子の形成領域内に配置されている、請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
3. 積層方向から見て、前記基板における前記半導体素子の形成領域は、前記コイル素子及び前記コンデンサアレーのいずれの形成領域よりも小さい、請求項１又は２記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
4. 前記コイル素子及び前記コンデンサアレーは、前記実装面と隣接している側面に前記端子電極を有しており、且つ、当該端子電極のうちの少なくとも一つは、その端子面が前記基板上の面とのなす角が鋭角となるように傾斜している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
5. 前記コンデンサアレーにおける前記端子電極は、当該コンデンサアレーにおける前記側面から、前記実装面とは反対側の面にまで回りこむように形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
   

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