CN105308694A

CN105308694A - 层叠电感器

Info

Publication number: CN105308694A
Application number: CN201480034887.4A
Authority: CN
Inventors: 山内清久; 松林大介; 加藤充次; 北冈干雄; 铃木茂德
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: Enjie Electronic Parts Co., Ltd.
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: KR20160021087A; JP2015005548A; KR102030086B1; US20160141089A1; WO2014203447A1; US9653203B2; CN105308694B; JP6295403B2

Abstract

提供一种能够通过发出偏置磁通量的永久磁铁大幅度地改善直流叠加特性并且能够使用低损失的材料来作为磁性体而也能够谋求转换器变换效率的提高的层叠电感器。本发明是一种层叠电感器，在所述层叠电感器中，在通过层叠有多个电绝缘性的磁性层（1）和导电图案（2）并且在层叠方向上依次连接导电图案（2）而在磁性层（1）内形成有呈螺旋状地旋转的线圈（2）的层叠电感器的外周缘部与线圈（2）的外周缘部之间配置有以发出与由线圈（2）励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的环状的永久磁铁层（6），以使在线圈的轴线方向的视角下其内周部不与导电图案（2）重复且堵住与导电图案（2）之间。

Description

层叠电感器

技术领域

本发明特别涉及用作需要高偏压的DC-DC转换器用的电感器等而优选的层叠电感器（stackedinductor）。

背景技术

近年来，伴随着电源电路部件的小型化、薄型化的要求，作为在DC-DC转换器等的电源电路中使用的变压器、扼流线圈，开发并实用化层叠构造的芯片电感器。

在这样的层叠电感器中，交替地层叠电绝缘性的磁性层和导体图案，并且，在层叠方向上依次连接上述导体图案，由此，在磁性体中形成一边在层叠方向上重叠一边呈螺旋状地旋转的线圈，该线圈的两端分别经由引导导体向层叠体芯片外表面引导。在此，使用铁氧体来作为磁性体，磁性层、导体图案例如使用丝网印刷的技术等来形成并层叠。

另一方面，在近年来要求小型化的移动市场中，在电感器中流动的电流值配合所使用的电源的开关频率的上升以及其处理性能提高而增加。关于上述铁氧体，通常在高的频率（几MHz~几十MHz）的损失很少，因此，在以高的开关频率进行工作的移动用电源中，使用了铁氧体材料的层叠芯片电感器是最佳的。此外，关于芯片形状，安装性、量产性优越，因此，在移动市场中，较多采用层叠芯片电感器。

然而，通常，关于上述铁氧体，磁通量饱和密度较低，直流叠加特性存在不好的趋势，因此，追随最近的移动市场中的电流增加正在变得困难。

为了解决此，考虑了使上述线圈的尺寸变大而使在线圈内流动的磁通量密度降低或者使磁性材料本身为难以饱和的金属材料而在上述层叠电感器中提高直流叠加特性的对策，但是，当使上述线圈尺寸变大时，招致层叠电感器整体的大型化，与市场要求相反。此外，也出现了将维持安装性优越的芯片形状且难以磁饱和的金属材料用作磁性体的芯片电感器，但是，通常，当与铁氧体比较时，金属材料存在在高的频率的损失较大并且在转换器用途中变换效率降低这样的缺点。

然而，在上述层叠电感器中使用的磁性体由于磁通量而饱和，所述磁通量由在电源工作时在线圈流动的电流而励磁。因此，只要能够抑制上述磁性体的饱和，则能够改善直流叠加特性。

因此，在下述专利文献1、2中，提出了如图15所见的那样的如下的电感元件：在埋设在磁性体20内的线圈21的内部配置永久磁铁22，并且，通过永久磁铁22发出的相反方向的偏置磁通量Y来消除由线圈21励磁的磁通量X，由此，抑制磁性体的饱和来改善直流叠加特性。

然而，在如该图所示那样在线圈21内配置有永久磁铁22的情况下，在磁性体20内，除了由永久磁铁22发出的与由上述线圈21励磁的磁通量X相反方向的磁通量Y之外，在该永久磁铁22的周围发出了未作为偏置磁通量起作用的漏磁通量Z。因此，存在来自永久磁铁22的偏置磁通量Y未有效地起作用而不能期望期待程度的直流叠加特性的提高这样的问题点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-170715号公报；

专利文献2：日本特开平3-101106号公报。

发明内容

发明要解决的课题

本发明是鉴于上述情况而完成的，将如下作为课题：提供一种能够通过发出偏置磁通量的永久磁铁来大幅度地改善直流叠加特性并且其结果是能够使用低损失的材料来作为磁性体而也能够谋求转换器变换效率的提高的层叠电感器。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，方案1所记载的发明是，一种层叠电感器，层叠有多个电绝缘性的磁性层和导电图案，在所述层叠方向上依次连接各个所述导电图案，由此，在所述磁性层内形成呈螺旋状地旋转的线圈，并且，所述线圈的两端部向外周部引导，所述层叠电感器的特征在于，在所述层叠电感器的外周缘部与所述线圈的外周缘部之间配置有以发出与由所述线圈励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的环状的永久磁铁层，以使在所述线圈的轴线方向的视角下其内周部不与所述导电图案重复且堵住与所述导电图案之间。

方案2所记载的发明是，一种层叠电感器，层叠有多个电绝缘性的磁性层和导电图案，在所述层叠方向上依次连接各个所述导电图案，由此，在所述磁性层内形成呈螺旋状地旋转的线圈，并且，所述线圈的两端部向外周部引导，所述层叠电感器的特征在于，遍及所述线圈的内部的整个表面配置有以发出与由所述线圈励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的环状的永久磁铁层，以使在所述线圈的轴线方向的视角下其外周部不与所述导电图案重复且堵住与所述导电图案之间。

此外，关于方案3所记载的发明，在方案1或2所记载的发明中，其特征在于，在所述轴线方向的视角下，在所述永久磁铁层与所述导电图案之间形成间隙，并且，该间隙被介于所述永久磁铁层与所述导电图案之间安装的环状的电绝缘性的非磁性图案堵住。

进而，关于方案4所记载的发明，在方案1~3的任一项所记载的发明中，其特征在于，所述磁性层和所述永久磁铁层或者所述磁性层和所述永久磁铁层以及所述非磁性图案由能够在940℃以下的温度下汇总烧结的材料构成。

在所述方案4所记载的发明中，方案5所记载的发明的特征在于，使用Ni-Zn铁氧体类材料来作为所述磁性层，使用Zn铁氧体类材料来作为所述非磁性图案，使用在Ba铁氧体粉体或Sr铁氧体粉体中添加Bi₂O₃和SiO₂后的低温烧结磁铁材料来作为所述永久磁铁层。

发明效果

在方案1~5的任一项所记载的发明中，在轴线方向的视角下遍及线圈外部或者线圈内部的整个表面配置永久磁铁层，因此，不会产生如图15所示的永久磁铁那样的未作为偏置磁通量Y起作用的相反方向的漏磁通量Z。其结果是，能够通过上述永久磁铁层来大幅度地改善直流叠加特性。此外，能够使用虽然比较容易饱和但是低损失的材料来作为磁性体（磁性层），因此，也能够谋求转换器变换效率的提高。

进而，如方案4所记载的发明那样，只要使用能够在940℃以下的温度下汇总烧结的材料来作为上述磁性层、永久磁铁层、非磁性图案，则能够通过在940℃以下的温度下低温烧结并一体化之后使永久磁铁层磁化来容易地制造层叠体。

具体地，如方案5所记载的发明那样，优选的是，使用Ni-Zn铁氧体类材料来作为上述磁性层，使用Zn铁氧体类材料来作为上述非磁性图案，使用在Ba铁氧体粉体或Sr铁氧体粉体中添加Bi₂O₃和SiO₂后的低温烧结磁铁材料来作为上述永久磁铁层。

附图说明

图1是示出本发明的层叠电感器的第一实施方式的整体的立体图。

图2是示出用于制造图1的层叠电感器的层叠体的分解立体图。

图3是示出图1的层叠电感器的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图4是示出第一实施方式的第一变形例的主要部分的纵截面图。

图5是示出第二变形例的纵截面图。

图6是示出第三变形例的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图7是示出本发明的层叠电感器的第二实施方式的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图8是示出第二实施方式的第一变形例的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图9是示出第二实施方式的第二变形例的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图10是示出第二实施方式的第三变形例的图，（a）是平截面图，（b）是纵截面图。

图11是示出对第一实施方式所示的层叠电感器和比较例的层叠电感器的直流叠加特性进行比较后的实施例的结果的图。

图12是示出对第二实施方式所示的层叠电感器和比较例的层叠电感器的直流叠加特性进行比较后的实施例的结果的图。

图13是示出对第一实施方式所示的层叠电感器与使永久磁铁和内部导体重复的比较例的层叠电感器的直流叠加特性进行比较后的实施例的结果的图。

图14是示出对第二实施方式所示的层叠电感器与使永久磁铁和内部导体重复的比较例的层叠电感器的直流叠加特性进行比较后的实施例的结果的图。

图15是示出以往的装入磁铁层叠电感器的纵截面图。

具体实施方式

（第一实施方式）

图1~图3是示出本发明的层叠电感器的第一实施方式的图，图4~图6分别是示出其第一~第三变形例的图。

如图1~图3所示，该层叠电感器是通过层叠多个电绝缘性的磁性层1和导电图案2并且在层叠方向上依次连接各层的导电图案2而在由磁性层1构成的磁性体内形成呈螺旋状地旋转的线圈2并且向外周部引导线圈2的两端部并连接于外部电极3的长方体状的层叠电感器，外部电极3连接于未图示的电路基板的连接盘（land）部，由此，进行表面安装。

在此，在上述层叠方向上邻接的导电图案2间配置有具有与导电图案2的形状对应的形状的电绝缘性的非磁性图案4，进而，在层叠方向的中间位置遍及整个表面配设有1层成为磁隙的电绝缘性的非磁性层5来代替非磁性图案4。

然后，在该实施方式和其第一~第三变形例的层叠电感器中，在线圈2的轴线方向的视角下，在该层叠电感器的外周缘部（即，磁性层1的外周缘部）与线圈2的外周缘部之间遍及整个表面配置有以发出与由上述线圈2励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的永久磁铁层6。

即，在本实施方式的层叠电感器中，如图3所示，与位于层叠方向的两端的导电图案2的上侧和下侧邻接地分别配置有环状的永久磁铁层6。此外，永久磁铁层6以在上述轴线方向的视角下不与线圈2重复的方式并且以其内围尺寸变为与导电图案2的外围尺寸相同的方式形成。

为了制造由上述结构构成的层叠电感器1，如图2以及图3A和图3B所示，首先，通过丝网印刷法等印刷电绝缘材料的Ni-Zn类铁氧体材料浆料，由此，形成磁性层1，在该磁性层1上印刷在Ba铁氧体粉体或Sr铁氧体粉体中添加Bi₂O₃或SiO₂后的低温烧结磁铁材料浆料来形成永久磁铁层6，并且，在除了该永久磁铁层6之外的部分印刷磁性层1。再有，图2是示出在一个平面中同时制造4个层叠电感器的情况的图。

接着，在形成了该永久磁铁层6的层之上印刷导电图案2，同样地，在除了该导电图案2之外的部分印刷了磁性层1之后，在导电图案2上将电绝缘性的Zn铁氧体材料印刷为与该导电图案2的形状对应的形状来形成非磁性图案4，在除了此之外的部分形成磁性层2。

这样做，如图3（b）所示，在磁性层1中交替地层叠导电图案2和非磁性图案4，在其层叠方向两端部配置永久磁铁层6，并且，在层叠方向的中间位置遍及整个表面印刷与非磁性图案4相同的电绝缘性的Zn铁氧体材料基底（base）来形成非磁性层5。与此并行地，利用通孔等来电连接上下的导体图案2间。

接着，在940℃以下的温度具体的是约900℃下将所得到的层叠体汇总烧结来一体化之后，磁化永久磁铁层6，以使发出与由线圈2励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量，由此，能够制造图1所示的层叠电感器。再有，在图2所示的情况下，在分别切断为构成层叠电感器的4个层叠体之后，对各层叠体进行烧结。

此外，图4是示出本实施方式的第一变形例的图，该层叠电感器与图1~图3所示的层叠电感器不同之处在于，在层叠方向上的永久磁铁层6与导电图案2之间形成了与形成在导电图案2间的非磁性图案4同样的由Zn铁氧体材料构成的非磁性图案7。该非磁性图案7在如该图所示那样永久磁铁层6的内围尺寸与导电图案2的外围尺寸相同的情况或者在上述轴线方向的视角下在永久磁铁层6和导电图案2之间形成间隙的情况下形成为堵住该间隙的尺寸。

进而，图5是示出本实施方式的第二变形例的图，该层叠电感器是代替在第一实施方式中配设在导电图案2间来作为绝缘层使用的非磁性图案4而在上述导电图案2间遍及整个表面配置有具有磁性体的导磁率的1/4以下的导磁率的磁性层8的层叠电感器。

此外，图6是示出本实施方式的第三变形例的图。

在该层叠电感器中，在层叠电感器的外周缘部（即磁性层1的外周缘部）和线圈2的外周缘部之间的整个表面遍及2层配置有永久磁铁层6。在此，永久磁铁层6被配置在形成有非磁性图案4的层和与其下方邻接并且形成有导电图案2的层。

而且，关于永久磁铁层6，在形成有非磁性图案4的层中以其内周缘与非磁性图案4的外周缘相接的方式形成，并且，在形成有导电图案2的层中以其内周缘与导电图案2的外周缘相接的方式形成。

（第二实施方式）

图7是示出本发明的层叠电感器的第二实施方式的图，图8~图10是示出其第一~第三变形例的图。再有，以下，对与图1~图6所示的部分同一结构部分标注同一附图标记并简化其说明。

在这些层叠电感器中，在线圈2的轴线方向的视角下，遍及线圈2的内部的整个表面配置有以发出与由线圈2励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的永久磁铁层6。

即，在第二实施方式的层叠电感器中，如图7所示，在层叠方向的图中最上部的导电图案2的上侧的层以向线圈2内延伸的方式形成与形成在导电图案2间的非磁性图案4同样的由Zn铁氧体材料构成的环状的非磁性图案7，并且，在该非磁性图案7的上层配置有四边形状的永久磁铁层6。在此，永久磁铁层6以在上述轴线方向的视角下不与线圈2重复的方式并且以其外围尺寸变为与导电图案2的内围尺寸相同的方式形成。

图8是示出由上述结构构成的层叠电感器的第一变形例的图，在该层叠电感器中，除了上述永久磁铁6之外，进而，在层叠方向的图中最下部的导电图案2的下侧的层以向线圈2内延伸的方式形成同样的环状的非磁性图案7，并且，在该非磁性图案7的下层配置有四边形状的永久磁铁层6。该永久磁铁层6也以在上述轴线方向的视角下不与线圈2重复的方式并且以其外围尺寸变为与导电图案2的内围尺寸相同的方式形成。

接着，图9是示出第二变形例的图，在该层叠电感器中，在层叠方向的图中最上部的导电图案2的内部配置有四边形状的永久磁铁层6。该永久磁铁层6形成在与上述导电图案2相同的层，以在上述轴线方向的视角下不与线圈2重复的方式且以不形成缝隙的方式并且以其外围尺寸变为与导电图案2的内围尺寸相同的方式形成。

此外，在图10所示的第三变形例的层叠电感器中，图9所示的永久磁铁层6的外围尺寸被形成为比导电图案2的内围尺寸小的四方形状，并且，在导电图案2和永久磁铁层6之间形成有在线圈2的轴线方向的视角下堵住两者间的环状的非磁性图案7。

根据由以上的结构构成的第一和第二实施方式以及它们的变形例所示的层叠电感器，以在轴线方向的视角下堵住线圈2的外部或线圈2内部的方式配置永久磁铁层6，因此，不会产生如图15所示的永久磁铁那样的未作为偏置磁通量Y起作用的相反方向的漏磁通量Z。其结果是，能够通过永久磁铁层6来大幅度地改善直流叠加特性。换言之，能够使用虽然比较容易饱和但是低损失的材料来作为磁性体（磁性层）1，因此，还能够谋求转换器变换效率的提高。

进而，使用Ni-Zn铁氧体类材料来作为磁性层1，使用Zn铁氧体类材料来作为非磁性图案4、7，使用在Ba铁氧体粉体或Sr铁氧体粉体中添加Bi₂O₃和SiO₂后的低温烧结磁铁材料来作为永久磁铁层6，因此，在制造时在约900℃的温度下汇总烧成之后，使永久磁铁层6磁化，由此，能够容易地制造。

实施例

为了验证本发明的层叠电感器的效果，通过仿真来求取本发明的层叠电感器和比较例的层叠电感器中的直流叠加特性并进行了比较。

再有，在本发明的层叠电感器和比较例的层叠电感器中，芯片大小都采用2.5×2.0×1.0mm，内部导体的匝数都采用5匝（turn），内部导体的膜厚都采用120μm，内部导体间的绝缘层厚度都采用15μm。

首先，图11是对具有第一实施方式和第一变形例所示的结构的层叠电感器（1）、（2）以及在永久磁铁层和内部导体之间形成有50μm的缝隙的比较例的层叠电感器（3）的直流叠加特性进行比较后的图。根据图11明显可知，相对于上述比较例的层叠电感器（3），以在轴线方向的视角下使永久磁铁层与内部导体相接的方式配置的层叠电感器（1）的直流叠加特性更优越。

此外，根据在永久磁铁层和内部导体之间形成有缝隙的情况下也利用非磁性图案堵住该间隙的层叠电感器（2），得到与上述层叠电感器（1）同等的直流叠加特性。

接着，图12是对具有第二实施方式的第二变形例和第三变形例所示的结构的层叠电感器（4）、（5）以及在内部导体和配置在其内部的永久磁铁之间形成有50μm的缝隙的比较例的层叠电感器（6）的直流叠加特性进行比较后的图。在图12中看到的直流叠加特性的仿真结果中，与比较例的层叠电感器（6）相比，本发明的层叠电感器（4）、（5）的特性也优越。

接着，图13是对上述层叠电感器（1）以及使永久磁铁层与内部导体在线圈的轴线方向的视角下重复150μm的比较例的层叠电感器（7）的直流叠加特性进行比较后的图。根据该图，判断：相对于本发明的层叠电感器（1），使永久磁铁层与内部导体重复的比较例的层叠电感器（7）的直流叠加特性显著地劣化。

此外，图14是对上述层叠电感器（4）以及使配置在内部导体内的永久磁铁层与内部导体在线圈的轴线方向的视角下重复150μm的比较例的层叠电感器（8）的直流叠加特性进行比较后的图。根据该图，判断：相对于本发明的层叠电感器（4），关于使永久磁铁层与内部导体重复的比较例的层叠电感器（8），特别是初始值的降低较大，因此，与图13所示的结果同样地，在上述轴线方向的视角下使永久磁铁层与内部导体重叠的构造不是优选的。

产业上的可利用性

能够提供一种能够通过发出偏置磁通量的永久磁铁来大幅度地改善直流叠加特性并且能够使用低损失的材料来作为磁性体而也能够谋求转换器变换效率的提高的层叠电感器。

附图标记的说明

1磁性层

2导电图案（线圈）

3外部电极

4、5、7、8非磁性图案

6永久磁铁层。

Claims

1.一种层叠电感器，层叠有多个电绝缘性的磁性层和导电图案，在所述层叠方向上依次连接各个所述导电图案，由此，在所述磁性层内形成呈螺旋状地旋转的线圈，并且，所述线圈的两端部向外周部引导，所述层叠电感器的特征在于，

在所述层叠电感器的外周缘部与所述线圈的外周缘部之间配置有以发出与由所述线圈励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的环状的永久磁铁层，以使在所述线圈的轴线方向的视角下其内周部不与所述导电图案重复且堵住与所述导电图案之间。

2.一种层叠电感器，层叠有多个电绝缘性的磁性层和导电图案，在所述层叠方向上依次连接各个所述导电图案，由此，在所述磁性层内形成呈螺旋状地旋转的线圈，并且，所述线圈的两端部向外周部引导，所述层叠电感器的特征在于，

遍及所述线圈的内部的整个表面配置有以发出与由所述线圈励磁的磁通量的方向相反方向的磁通量的方式磁化的环状的永久磁铁层，以使在所述线圈的轴线方向的视角下其外周部不与所述导电图案重复且堵住与所述导电图案之间。

3.根据权利要求1或2所述的层叠电感器，其特征在于，在所述轴线方向的视角下，在所述永久磁铁层与所述导电图案之间形成间隙，并且，该间隙被介于所述永久磁铁层与所述导电图案之间安装的环状的电绝缘性的非磁性图案堵住。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的层叠电感器，其特征在于，所述磁性层和所述永久磁铁层或者所述磁性层和所述永久磁铁层以及所述非磁性图案由能够在940℃以下的温度下汇总烧结的材料构成。

5.根据权利要求4所述的层叠电感器，其特征在于，使用Ni-Zn铁氧体类材料来作为所述磁性层，使用Zn铁氧体类材料来作为所述非磁性图案，使用在Ba铁氧体粉体或Sr铁氧体粉体中添加Bi₂O₃和SiO₂后的低温烧结磁铁材料来作为所述永久磁铁层。