CN1619724A

CN1619724A - 磁性元件

Info

Publication number: CN1619724A
Application number: CN200410104742.5A
Authority: CN
Inventors: 松谷伸哉; 今西恒次
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: US20050073384A1; US7365626B2; CN100431063C; US20080143469A1; JP2005116666A

Abstract

本发明提供了由高电感以及低阻抗的线圈导体构成的小型且薄型的磁性元件。本发明的磁性元件由线圈导体(1)以及覆盖所述线圈导体(1)周围的多层磁性层(3)构成。另外，通过选择可抑止涡流并具有优良磁性特性并选择磁性层(4)，即使小型和薄型化，仍能获得电感值足够大且具有低导体电阻值(交流电阻)的磁性元件。

Description

磁性元件

技术领域

本发明是涉及电子设备中作为感应器使用的磁性元件。

背景技术

近些年来，随着电子设备的全面小型化及薄型化，对所使用的电子部件和电源装置等的小型化及薄型化的要求也越来越强烈。

另一方面，CPU等的LSI已实现了高速及高集成化，对于提供给此类LSI的电源电路有时需提供大电流。因此，对用于此类电源电路的扼流圈等感应器，要求其可降低线圈导体电阻实现低发热，减少因直流重叠产生的电感值的下降，即要求其直流重叠特性优良。

此外，由于使用频率的高频化，还要求在高频区域的损失较低。

而且，由于强烈要求降低部件成本，故必需以简单的工艺组装形状简单的部件组成元件。即，要求以低成本提供可在大电流、高频率使用并且小型化及薄型化的感应器和电源组件。在该电源电路中使用的各种部件中，最厚的是感应器。因此，为了实现电源组件的薄型化，强烈要求实现感应器等磁性元件的薄型化。

但是，若一般使磁性元件小型化，则其磁路截面面积会减小，电感值也减少。在特开昭61-136213号公报中公开有提高这样的小型磁性元件的特性，即增加电感值的方法的一例。

其结构为，在使用了铁素体等的带凸缘的鼓状磁芯材料上进行绕线之后，用磁性体粉末与树脂的混合物填埋凸缘的内侧。在这种结构中，不需要通常绕线所使用的绕线管，其磁路截面面积较大，并且形成闭磁路结构。其结果，电感值变大，磁性元件的特性提高。但是，虽然该结构以磁性元件小型化为目的，但不以薄型化为目的。另外，由于磁性体粉末与树脂的混合物中的磁路长度较长，还不能说可以得到充分的特性，在这方面还有待探讨。

另外，作为最常用的磁性材料的铁素体材料导磁率比较高，且其饱和磁通密度比金属磁性材料低。结果，直接使用铁素体材料将会加大因磁饱和产生的电感的降低，造成直流重叠特性的恶化。因此，为了改善直流重叠特性，通常在铁素体磁芯的部分磁路中设置空隙，使视在导磁率降低而使用。

但是在该方法中，由于饱和磁通密度小，因此，要适应大电流化比较困难。

另一方面，如果使用饱和磁通密度比铁素体大的Fe-Si-Al系合金、Fe-Ni系合金等作为磁芯材料时，由于这些金属系材料的电阻很小，故涡流损失很大，不能够直接使用。

与此相对，成形金属磁性粉制造的压粉磁芯(模制铁粉芯)与软磁性铁素体相比，具有非常大的饱和磁通密度。因此，既可获得优良的直流重叠特性，又有利于小型化。而且，还具有的特征为：由于无需设置空隙，因而不存在差拍的问题。

但是，这种压粉磁芯存在磁芯损失大的问题。

这种磁芯损失由磁滞损失和涡流损失构成。

涡流损失与频率的平方及涡流流过大小的平方成正比增加。此外，压粉磁芯的成型通常需在数ton/cm²以上的成型压力下进行。因此，随着磁性体变形的增加，导磁率也恶化，因而磁滞损失增大。为了解决这一问题，在压粉磁芯中，通过在金属磁性粉末的表面覆盖电绝缘性树脂等来抑制涡流的产生。另外，为了解决磁滞损失，成型后通过热处理，以解除变形。

在特开平6-342714号公报、特开平8-37107号公报、特开平9-125108号公报中披露了上述对策的例子。

但是，仍然存在为适应电源的进一步大电流化、高频化、薄型化，上述现有的结构不能够充分确保导体的低电阻与高电感值或高频特性的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了即使实现小型化及薄型化，仍能获得足够电感值且高频特性优良的磁性元件。

本发明提供了由线圈导体以及覆盖所述线圈导体周围的多层磁性层构成的磁性元件。

另外，本发明还提供了由线圈导体、与所述线圈导体连体形成的连接端子以及覆盖所述线圈导体周围的多层磁性层构成的磁性元件。

附图说明

图1是包含了本发明实施例1的磁性元件沿图2A-A的局部剖面的立体图；

图2是本发明实施例1、2、3的磁性元件的立体图；

图3A与图3B是本发明实施例1的磁性元件沿图2的B-B及C-C的剖面图，图3C是沿图2中D-D的平面图；

图4是本发明实施例2的磁性元件沿图2的B-B的剖面图；

图5是本发明实施例2的另一磁性元件沿图2的B-B的剖面图；

图6是本发明实施例3的磁性元件沿图2的B-B的截面图。

具体实施方式

下面，利用附图说明本发明的实施例。

相同的结构标注相同的参考符号，省略详细说明。此外，附图为模式图，对各个位置关系并没有以严格按尺寸标示。本发明的导体电阻值是指直流电阻值及交流电阻值。

(实施例1)

利用图1、图2、图3A～3C对实施例1进行说明。

线圈导体1由多个被绝缘覆膜2覆盖的使用了低电阻金属材料的导体8并列配置构成。

在图3A～3C中，被所述绝缘覆膜2覆盖的导体8在同一平面、沿C-C方向互相平行排列。在本实施例中，导体8为6个，根据需要可以改变其数目。

采用这种结构的理由如下。

一般，在通过对铜板、铜线等低电阻金属材料等进行加工，以用一个导体8构成线圈导体1时，频率越高，由于趋肤效应流入导体8中的电流就越容易集中在导体8的表面上而流动。其结果，线圈导体1高频时的视在电阻(R_ac)增加。

因此，为了减少所述高频时的电阻值，虽然在不减小线圈导体1的截面面积的情况下增大表面积是一种有效的方法，但这种方法有其局限性。

因此，通过将多个被绝缘覆膜2覆盖的导体8并列配置，能够形成可降低高频时的电阻值的线圈导体1。通过这种结构，可实现能够较低设定直流电阻及交流电阻两者的线圈导体1。另外，使该导体8的厚度或宽度变薄是有效的。这根据使用的频率而有所不同，在假设为数百kHz～数十MHz时，导体8的厚度或宽度最好为50μm～1mm。

线圈导体1的配置可根据装置的尺寸形状、性能等进行适当选择。例如，在要求薄型化的情况下，可以如图3A～3C所示，在与安装面平行的同一平面上互相平行配置多个导体8。

导体8的形状可以根据设计来选择。其中，由于选择矩形可以设计成在最有限的空间中加大导体8的截面面积，因此在直流电阻(R_dc)的低电阻化中是有效的。另外作为导体8，从低电阻的观点出发，最好使用直线冲裁金属板，例如铜板等。

多层磁性层(以下称为MLM)3以包围线圈导体1的电镀方法形成。该MLM3例如为多层结构，其由具有高饱和磁通密度、高导磁率的Fe-Ni系合金磁性材料等构成的磁性层4和由具有绝缘性的无机材料或有机材料构成的绝缘层5互相层叠而成。这样，可以获得对应大电流的满足高饱和磁通密度和高导磁率且电磁特性优良的磁性体结构。通过这种MLM3结构，能够实现在高频时优良的电磁特性。

绝缘层5每层的厚度因电阻系数值的不同而不同，优选为0.01μm～5μm。另外，虽然绝缘层5的电阻系数值越高越好，但若与磁性层4的电阻率值的比大于10³，则是有效的。作为绝缘层5，优选有机树脂材料或金属氧化物等无机材料。

此外，如图2及图3B所示，设置有与线圈导体1连体形成的连接端子9。

为使本发明的磁性元件成为表面安装部件，连接端子9是不可缺少的。在将磁性元件安装在印刷基板等电路基板上时，通过所述连接端子9用焊锡等接合在电路基板的电极区上。如本实施例所示，连接端子9与导体8最好由同一种材料构成，但并不一定使用同一种材料。由于线圈导体1与连接端子9是连体的，因此，可以排除用于接合的电阻值。

其结果，能够实现更低电阻的磁性元件。

在连接端子9的结构中，从安装性的观点出发，优选在导体8上形成Ni层作为基底层6，形成焊锡层或Sn层作为最外层7。

此外，跨过连接端子9的表层突面及其周围相邻的面中的至少两面形成连接端子9，这样可以提高其安装性。

例如，连接端子9不仅设置在磁性元件的侧面，而且还如图3B所示，弯曲至下面，这样，在安装到电路基板等上时，可以实现高可靠性的高密度的安装。

通过这种结构，在磁性元件下面弯曲的连接端子9上也形成有最外层7。结果，磁性元件可以更可靠地安装在电路基板上。

下面对上述结构的磁性元件的工作进行说明。

当线圈中流入大电流(例如30A)时，现有的感应器会在线圈周围产生磁通，在以覆盖线圈的方式设置的磁性体的面内方向产生磁通。

通过这种产生的磁通，沿磁性体的厚度方向产生涡流。

涡流的作用是消除磁性体面内产生的磁通。结果，感应器的电感值降低。

另外，在磁性体的厚度方向产生的涡流还是引起感应器发热的原因。

但是，在本实施例的磁性元件中，由于线圈导体1周围覆盖了MLM3，因此，构成MLM3的单层磁性层4周围的厚度方向的截面面积对于涡流来说很小，因此，可以抑制MLM3厚度方向产生涡流。

结果，可以防止沿MLM3的面内方向产生的磁通互相抵除，并能够防止磁性元件的电感降低，同时还可抑制磁性元件的发热。

构成该MLM3的磁性层4通过电镀法形成，这样可以很容易地控制膜厚，在线圈导体1的周围均匀地形成连续的膜。

如上所述，通过这样的结构，可以获得小型、薄型化，电感足够大的磁性元件。而且，作为电镀法的优点，可以制造出生产率高的磁性层4。另外，所述磁性层4也可以通过喷镀、蒸镀等形成。但是，这些方法一次只能在线圈导体1的一个面形成膜，从生产率的观点考虑，难以在线圈导体1的四个面上形成具有连续均匀膜厚的磁性层4。

因此，采用湿式电镀法形成磁性层4在生产率、特性方面均比较合适。

磁性层4作为至少一层的主要组成成份最好由含Fe、Ni、Co中至少一种的金属磁性材料制成。

结果，可获得对应大电流、可满足高饱和磁通密度和高导磁率、电磁特性优良的磁性层4，从而能够实现高电感。

磁性层4中每一层的厚度根据使用的频率不同而不同。在假设频率为数百kHz～数十MHz时，其厚度最好为1μm～50μm。

另外，绝缘层5可以通过电极沉积金属氧化物或有机绝缘材料等方法形成。所述绝缘层5中每一层的厚度因电阻系数值的不同而不同，优选以0.01μm～5μm。另外，虽然绝缘层5的电阻系数值越高越好，但若与磁性层4的电阻系数值的比大于10³，则是有效的。

如上所述，通过本发明的实施例，可获得能够实现小型化及薄型化并且电感值足够大、高频特性优良的磁性元件。

(实施例2)

通过图2、图4和图5对实施例2进行说明。

与实施例1相同的结构采用同一参照符标注，省略详细说明。线圈导体1的导体8被绝缘覆膜2覆盖。

图4所示的线圈导体1重叠两层在与安装面平行的同一平面上平行配置矩形截面的导体8的导体层。图5所示的线圈导体1在使导体8与图2所示的D-D方向平行配置的这一点上与图4不同。

其它机构与图4相同。

作为导体8的材质，优选电阻系数值低的铜、银、铝，也可包括它们的合金。绝缘覆膜2使各导体8电绝缘。

此外，由于连接端子9与线圈导体1是连体形成的，因此，在连接端子9中不会出现由于焊锡等造成的电阻增大或偏差等的情况，故可使其稳定并实现低电阻。

此外，连接端子9最好由在线圈导体1上作为基底层6的Ni层和作为最外层7的焊锡层或者Sn层形成。这样，由于在磁性元件下面弯曲的连接端子9上也形成了焊锡，因此，磁性元件就可以通过基板等牢固安装。

此外，由于连接端子9不是在磁性元件的侧面，而是在磁性元件的下面弯曲的，因此，在安装于基板上时的各部位可以以高密度进行安装。

而且，由于在连接端子9上形成了基底层6，并且其上又形成了最上层7，因而，可以防止基底层6的氧化。结果，可实现焊锡粘湿性优良的可靠性高的磁性元件。

MLM3通过电镀等方法形成。该MLM3由磁性层4、绝缘层5的层积体构成。

下面，对上述结构的磁性元件的工作进行说明。

当在线圈导体1中流过大电流时，在磁性元件中产生强磁通，在以覆盖线圈导体1的方式设置的MLM3的面内方向产生磁通。如在实施例1中说明的那样，由于MLM3是由多层重叠的磁性层4形成的，因此，MLM3的每一层的厚度方向的磁性层4的截面积对于涡流来说充分小。

因此，可以抑制MLM3厚度方向产生的涡流。结果，由于可以防止在MLM3的面内方向产生的磁通抵消，因此，能够提高磁性元件的电感。

在MLM3中，至少一层的磁性层4的主要组成成份中由含Fe、Ni、Co中的至少一种的材料构成。这样，可获得对应大电流、可满足高饱和磁通密度和高导磁率、电磁特性优良的磁性层，从而能够实现高电感。

该磁性层4中每一层的厚度根据使用频率不同而不同，在假设频率为数百kHz～数十MHz时，其厚度最好为1μm～50μm。

另外，绝缘层5中每一层的厚度因电阻系数值的不同而不同，优选0.01μm～5μm。

另外，绝缘层5的电阻系数值越高越好，与磁性层4的电阻系数值的比优选大于10³。

在绝缘层5中，优选有机树脂材料或金属氧化物等无机材料。

另外，由于趋肤效应，频率越高，流入导体8中的电流就越易于仅在导体的表面流动，因此，高频时的视在电阻值(R_ac)增加。

因此，为了减少高频时的电阻值，有效的方法是减少导体8的厚度或宽度。根据使用的频率不同其值也不同，在假设为数百kHz～数十MHz时，导体8的厚度或宽度最好为50μm～1mm。

如图5所示，在沿与安装面平行及垂直的方向设置分割的导体8以形成线圈导体1的情况下，可以进一步降低交流电阻。结果，可获得高频特性优良的磁性元件。

另外，考虑到导体8之间的耐电压、可靠性，覆盖导体8的绝缘覆膜2最好使用从由机树脂材料、金属氧化物、玻璃构成的组中选择出至少一种的材料。考虑到耐电压、可靠性，该绝缘覆膜2的厚度最好在0.005～0.075mm的范围。如果不足0.005mm，则绝缘耐压不足，若超过0.075mm，则电磁特性不良。

如上所述，通过本发明的实施例2，即使小型化及薄型化，也可以获得电感值足够大且交流电阻值低的磁性元件。

(实施例3)

利用图2和图6，说明实施例3。

如图2和图6所示，磁性元件的线圈导体1由相对于安装面、沿厚度方向分割的两个矩形导体8构成。由于其基本结构与实施例1及2相同，故此处省略了说明。

但是，与实施例1及2的不同之处在于：在磁性层4中形成狭缝11以切断磁性层4。

另外，在该狭缝11中也可以充填绝缘体。

通过狭缝11可以抑制磁通的饱和，提高直流重叠特性。

下面对上述结构的磁性元件的工作进行说明。

在线圈导体1中流过大电流时，在磁性元件中产生强磁通，在覆盖线圈导体8设置的MLM3的面内方向产生磁通。如实施例1及2中说明的那样，由于由多层磁性层4覆盖导体8周围形成，因此，MLM3中磁性层4的每一层的厚度方向的截面面积对于涡流来说是很小的。因此，可以抑制MLM3厚度方向产生的涡流。结果，由于能够防止沿MLM3的面内方向产生的磁通抵消，因此，能够提高磁性元件的电感。

而且，在该MLM3中，作为至少一层的磁性层4的主要组成成份由含Fe、Ni、Co中至少一种的材料构成。结果，能够获得满足可对应大电流的高饱和磁通密度和高导磁率且电磁特性优良的磁性层，从而实现高电感。

另外，由于磁性层4中的狭缝11可以抑制MLM3的磁通饱和，因此，可进一步提高大电流的直流重叠特性。

该磁性层4每一层的厚度根据使用的频率不同而不同，在假设频率为数百kHz～数十MHz时，其厚度最好为1μm～50μm。绝缘层5中每一层的厚度因电阻系数值的不同而不同，优选0.01μm～5μm。

另外，绝缘层5的电阻系数值越高越好，若与磁性层4的电阻系数值的比大于10³，才会有效。

如上所述，本实施例3的磁性元件即使小型化及薄型化，仍能获得电感值足够大且直流重叠特性优良的磁性元件。

本发明中磁性元件的特征总结如下。

本发明的磁性元件由线圈导体以及覆盖所述线圈导体周围的多层磁性层构成。

这样，能够获得可抑制磁性层中产生的涡流同时具有优良电磁特性的磁性层，并提供了即使实现小型和薄型化，电感值仍足够大的磁性元件。

另外，本发明的磁性元件由线圈导体、与所述线圈导体连体形成的连接端子以及以覆盖所述线圈导体周围的方式形成的多层磁性层构成。

这样，在上述特征之外，还可提供安装性优良的低导体电阻的磁性元件。

而且，本发明的磁性元件是使用由多个被绝缘覆膜覆盖的导体构成的线圈导体的磁性元件，这样，可以减少因高频时的趋肤效应引起的导体电阻值的上升，从而在高频时也具有优良特性。

而且，本发明的磁性元件是导体截面形状为矩形的磁性元件，这样可以获得高占空间率的线圈，从而可实现小型化和薄型化。

而且，在本发明的磁性元件中，导体由铜、银、铝或它们的合金构成。这样可实现低电阻值。

而且，本发明的磁性元件中，导体的绝缘覆膜采用了从由有机树脂材料、金属氧化物和玻璃形成的组中选择出的至少一种材料。这样，能够可靠地保证导体间的绝缘。

而且，在本发明的磁性元件中，导体绝缘覆膜的厚度设为0.005～0.075mm。这样，可以减少高频时导体电阻值的上升(趋肤效应)，从而即使在高频时也具有优良的特性。

而且，在本发明的磁性元件中，线圈导体由相对于安装面、沿横向配置的多个绝缘覆膜覆盖的导体构成。因此，可以减小高频时导体电阻值的上升，从而即使在高频时也具有优良的特性。

另外，在本发明的磁性元件中，线圈导体由相对于安装面沿纵方向配置的多个被绝缘覆膜覆盖的导体构成。因此，可以降低高频时导体电阻值的上升，从而即使在高频时仍具有优良的特性。

而且，在本发明的磁性元件中，线圈导体由沿平行及垂直于安装面的方向配置的多个被绝缘覆膜覆盖的导体构成。因此，可以减少高频时导体电阻值的上升，即使在高频时仍具有优良的特性。

而且，在本发明的磁性元件中，多层磁性层是使磁性层与绝缘层互相重叠构成的。因此，通过选择能够抑制涡流同时具有优良电磁特性的磁性层，可获得即使小型和薄型化，感应值仍足够大的磁性元件。

而且，在本发明的磁性元件中，多层磁性层在其中至少一层的磁性层中设有狭缝。这样，不易产生电磁饱和且可获得优良的直流重叠特性。

而且，本发明的磁性元件是通过以电镀法形成至少一层的磁性层的多层磁性层构成的。这样，通过具有优良磁特性的磁性层，能够获得即使小型化和薄型化，感应值仍足够大的磁性元件。

而且，在本发明的磁性元件中，多层磁性层中至少一层以上的磁性层的主要成份是从Fe、Ni、Co构成的组中选择的至少一种材料。这样，能够获得具有优良电磁特性的磁性层，以及即使小型化和薄型，感应值仍足够大的磁性元件。

而且，在本发明的磁性元件中，连接端子跨过底面和其周围相邻面的至少两个面。因此，可实现高密度安装性以及稳定性均优良的磁性元件。

另外，在本发明的磁性元件中，至少在连接端子表面露出的部分包括由Ni层构成的基底层和由焊锡层或Sn层构成的最外层。因此，可获得焊锡粘湿性以及可靠性均优良的磁性元件。

工业实用性

本发明提供了即使小型和薄型化感应值仍足够大并且导体电阻值较低的磁性元件。因此，可作为在以小型和薄型化为目的的电子设备中使用的磁性元件而广泛应用。

Claims

1.一种磁性元件，其具有线圈导体以及覆盖所述线圈导体周围的多层磁性层。

2.一种磁性元件，其具有线圈导体、与所述线圈导体连体形成的连接端子以及覆盖所述线圈导体周围的多层磁性层。

3.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述线圈导体由多个被绝缘覆膜覆盖的导体构成。

4.如权利要求3所述的磁性元件，其特征在于，所述导体的截面形状为矩形

5.如权利要求3所述的磁性元件，其特征在于，所述导体是由铜、银、铝和它们的合金构成的组中选择的一种。

6.如权利要求3所述的磁性元件，其特征在于，所述绝缘覆膜采用了从由有机树脂材料、金属氧化物和玻璃构成的组中选择出的至少一种材料。

7.如权利要求3所述的磁性元件，其特征在于，所述导体绝缘覆膜的厚度为0.005～0.075mm。

8.如权利要求1或2所述的磁性元件，其特征在于，在相对于安装面平行的同一平面上配置由绝缘覆膜覆盖的多个导体，构成所述线圈导体。

9.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，相对于安装面沿垂直的方向配置有被绝缘覆膜覆盖的多个导体，构成所述线圈导体。

10.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，沿与平行于安装面的同一平面平行以及垂直的方向配置两个或两个以上被绝缘覆膜覆盖的多个导体，构成所述线圈导体。

11.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述多层磁性层是由磁性层与绝缘层互相重叠构成的。

12.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述多层磁性层在其中至少一层的磁性层中设有狭缝。

13.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述多层磁性层通过电镀法形成至少一层的磁性层。

14.如权利要求1和2中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述多层磁性层由作为主要组成成分具有由Fe、Ni、Co构成的组中的至少一种材料的磁性层构成。

15.如权利要求14所述的磁性元件，其特征在于，所述多层磁性层具有至少一个所述磁性层。

16.如权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，连接端子跨过底面和其周围相邻面的至少两个面。

17.如权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，在连接端子表面露出的部分包括由Ni层构成的基底层和由焊锡层和Sn层中的任一个构成的最外层。