JP2002299120A

JP2002299120A - 平面磁気素子

Info

Publication number: JP2002299120A
Application number: JP2001102737A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 泰隆福田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-11

Abstract

(57)【要約】【課題】損失を有利に低減して、ＤＣ−ＤＣコンバー
タの効率を効果的に向上させ、ひいては電子機器の省エ
ネルギー化に大きく貢献する。【解決手段】下部フェライト磁性層の上に、平面コイ
ルおよび上部フェライト磁性層を順次に積層した構造に
なる平面磁気素子において、下部フェライト磁性層の磁
性体体積密度を 80vol％以上、上部フェライト磁性層の
磁性体体積密度を30 vol％以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、損失の有利な低減
を図った平面磁気素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話やノート型パソコン等の
ような、電池で駆動される携帯機器の利用が進んでい
る。これらの携帯機器に対しては、従来から、より一層
の小型・軽量化が望まれており、最近ではこれに加え
て、マルチメディア化への対応、すなわち通信機能や表
示機能の充実、さらには画像データを含んだ大量情報の
高速処理化などの高機能が求められている。

【０００３】これに伴い、電池からの単一電圧を、ＣＰ
Ｕ，ＬＣＤモジュールや通信用パワーアンプなどの様々
な搭載デバイスが必要とする電圧レベルに的確に変換で
きる電源の需要が増加してきた。このような状況下で、
携帯機器等の小型・軽量化と高機能化を両立させるため
には、電源に搭載されるトランスやインダクタなどの磁
気素子の小型化・薄型化がより重要な課題となってき
た。

【０００４】従来、電源に搭載されるトランスやインダ
クタなどの磁気素子としては、焼結フェライトコアにコ
イルを巻いたものが使用されてきたが、このようなトラ
ンスやインダクタは薄型化が困難なため、電源の薄型化
を阻害していた。

【０００５】上記の問題を解決し、小型化・軽量化を達
成したインダクタとして、Si基板上に、金属磁性膜層／
絶縁層／平面コイル層／絶縁層／金属磁性膜層を順次に
積層した構造になる平面インダクタが提案されている
（例えば、日本応用磁気学会誌20 (1996) 922 、特開平
４−363006号公報）。しかしながら、上記の平面インダ
クタは、製造コストと特性の両面から問題が残ってい
た。すなわち、まずコストの面について述べると、上記
の平面インダクタでは、６〜７μm 厚程度の金属磁性膜
をスパッタ法などで成膜する必要があり、また金属磁性
膜と平面コイルの間に絶縁層を形成する必要があるた
め、従来の磁気素子に比べて、コストアップが避けられ
なかった。

【０００６】また、特性上の問題については次のとおり
である。すなわち、平面インダクタは、MHz 帯域の高周
波で駆動されるため、電気的に導体である金属磁性膜内
部での渦電流の発生により鉄損が増大するだけでなく、
上下金属磁性層がわずかな非磁性空間を介して対峙して
いるため、垂直交番磁束が平面コイルに鎖交し、渦電流
が発生することによって損失の増大を招く。前者の問題
に対しては、金属磁性膜と同一の平面に高抵抗領域を形
成して渦電流を細分化することにより（特開平６−7705
5 号）、一方後者の問題に対しては、平面コイル導体を
複数に分割した導体ラインとすることにより（特開平９
−134820号）、特性の改善が試みられたが、これらの方
法では、十分な改善効果を得ることができなかった。

【０００７】上記の問題を解決するために、金属磁性膜
の代わりに印刷法やシート法で形成したフェライト磁性
膜を用いる平面型磁気素子が提案された（特開平11−26
239号公報）。この技術は、フェライト粉にバインダを
混ぜた磁性ペーストをSi基板上に印刷、焼成することに
よって高抵抗のフェライト磁性膜を形成し、ついでこの
膜上にコイルパターンをメッキ法などで形成したのち、
さらにその上に磁性膜を形成して磁気素子とするもので
ある。この技術の開発によって、トランスやインダクタ
などの磁気素子の小型化・薄型化がかなり達成されるよ
うになった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
電子機器における省エネルギーの流れを考慮すると、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータの効率を一層向上させることが必要
とされる。本発明は、上記の要請に有利に応えるもの
で、損失を有利に低減して、ＤＣ−ＤＣコンバータの効
率を一層向上させ、ひいては電子機器の省エネルギー化
に大きく貢献できる、新規な構造になる平面磁気素子を
提案することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以下、本発明の解明経緯
について説明する。さて、発明者らは、ＤＣ−ＤＣコン
バータの損失解析を行ったところ、特にインダクタの損
失が大きいことが判明した。ここに、インダクタの損失
は、コイル損失（銅損）と磁性体損失（鉄損）の２つに
分けられる。そこで、これらの損失を有利に低減すべく
鋭意検討を行ったところ、インダクタを構成するフェラ
イト磁性層について、その磁性体体積密度を所定のレベ
ル以上にし、さらに好ましくは平面コイルのコイル線の
厚みおよび幅をそれぞれ適正な範囲に調整することによ
って、所期した目的が有利に達成されることの知見を得
た。本発明は、上記の知見に立脚するものである。

【００１０】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。１．下部フェライト磁性層の面上に、平面コイルを形成
し、さらに該平面コイルのコイル線間の空隙も含めてそ
の上に上部フェライト磁性層を形成した平面磁気素子で
あって、下部フェライト磁性層の磁性体体積密度を 80v
ol％以上、上部フェライト磁性層の磁性体体積密度を 3
0vol％以上としたことを特徴とする平面磁気素子。

【００１１】上記１の発明は、磁性層の損失を低減する
のに有効な手段であり、またコイルの損失低減にも有効
な手段である。ここで、下部フェライト磁性層における
磁性体の体積密度を 80vol％以上としたのは、これ未満
では磁性体の保磁力が大きくなってヒステリシスに起因
する損失が増大するからである。一方、上部フェライト
磁性層についても、理想的には上述した下部フェライト
磁性層と同程度の体積密度にすることが好ましいが、上
部フェライト磁性層は、製造工程上、銅コイルの存在下
でこれを形成しなくてはならないため、例えば樹脂で硬
化させるなどして低温合成を行うことが必要となる。従
って、この場合には樹脂部分などの非磁性部分を補うた
めに、層厚を下部フェライト磁性層よりも厚くする必要
がある。ここで、上部フェライト磁性層の磁性体体積密
度が 30vol％に満たないと、この層が厚くなりすぎて全
体の素子厚みを損なうので、この層の磁性体体積密度は
30vol％以上に限定した。また、コイル線間もこの状態
のフェライト層で埋められるが、この部分のフェライト
磁性体体積率が 30vol％に満たないと、上下磁性層間の
渡り磁束がコイルを横切る頻度が大きくなり、コイル損
失が増大するので、この理由からも上部フェライト磁性
層の磁性体体積密度は30 vol％以上に限定した。

【００１２】図１に、コイル形状としてスパイラル型を
採用した場合を例にとって、本発明に従う代表的な平面
磁気素子を模式で示す。図１(a) は平面図（上部磁性層
を除いた状態）、同図(b) はそのＡ−Ａ断面図であり、
図中番号１は下部フェライト磁性層、２は平面コイル、
３は上部フェライト磁性層、そして４が端子、５が基板
である。ここに、下部フェライト磁性層の厚みは５〜20
0 μm 程度とすることが好ましい。というのは、この厚
みが５μm に満たないとインダクタンスが小さくなり、
一方 200μm を超えると基板の反りが大きくなったり、
下部フェライト磁性層の剥離が生じ易くなるからであ
る。また、コイルの厚みは10〜200 μm 程度とすること
が好ましい。というのは、この厚みが10μm に満たない
とコイルの直流抵抗が大きくなるため、損失が大きくな
り、一方 200μm を超えるとレジストの露光やコイル線
間の空隙をフェライトで埋めることが困難となるからで
ある。さらに、上部フェライト磁性層の厚みは10〜400
μm 程度とすることが好ましい。というのは、この厚み
が10μm に満たないとインダクタンスが小さくなり、一
方 400μm を超えると磁気素子の厚みが厚くなったり、
端子孔の形成が困難となるからである。

【００１３】２．上記１において、下部フェライト磁性
層が焼結板からなることを特徴とする平面磁気素子。上記２の発明に従い、下部フェライト磁性層として焼結
板を用いると、次の点で有利である。すなわち、別途、
焼結板のみを製造すれば良いわけであるから、より高い
焼結密度の板材とすることができ、その分板厚を薄くす
ることができる。また、その他、かかる焼結板上に端子
を設けることができる等の利点もある。

【００１４】３．上記１または２において、平面コイル
のコイル線の厚みおよび幅をそれぞれ、次式で示される
表皮厚みδの 0.5倍以上、８倍以下としたことを特徴と
する平面磁気素子。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 ここで、μ：透磁率 σ：電気伝導率（Ｓ） ω：角振動数（＝２πｆ）なお、透磁率および電気伝統率は、平面コイルの透磁率
および電気伝統率である。

【００１５】上記３の発明では、コイル線の厚みおよび
幅をそれぞれ、好適範囲に規定したものである。コイル
線の厚みや幅が表皮厚み以上のコイルに高周波電流を流
すと、コイル表面にしか電流が流れず、交流抵抗が大き
くなる。しかしながら、これらの値を表皮厚みに揃える
と、コイル断面積が小さくなり、直流抵抗が大きくなっ
て、その結果損失が大きくなる。これを避けるために、
コイル線の幅を表皮厚み程度に分割したコイルが用いら
れることが多い。しかしながら、この場合、コイル線間
のスペースが大きくなるため、素子の小型化が損なわれ
る。

【００１６】そこで、交流抵抗による損失と直流抵抗に
よる損失の和が最小となる組み合わせについて種々検討
を重ねたところ、図２に示すコイル線の厚みａおよび幅
ｂをそれぞれ、次式で示される表皮厚みδの 0.5倍以
上、８倍以下とすることが有効であることが分かった。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 なお、コイル線の厚みおよび幅が表皮厚みδの 0.5倍に
満たないと、実質的にコイル断面積が小さくなり、直流
抵抗が大きくなってしまう。一方、８倍を超えると、直
流抵抗は小さくなるものの、表皮効果による交流抵抗が
大きくなって、全体としての損失の増大を招く。また、
磁気素子の寸法が大きくなる不利も生じる。より好適に
は２倍以上、４倍以下である。

【００１７】なお、コイル形状については、スパイラル
型やミアンダー型のどちらでも良く、特にスパイラル型
に関してはこれを２つ以上直列、並列に配置しても良
い。さらに、電気的に絶縁されたコイルを２つ以上配置
した場合はトランスとしての機能を発揮するが、本発明
はこのような構造のものに対しても有効である。

【００１８】また、本発明におけるフェライトとして
は、絶縁体であるNiZn系フェライト、中でも焼成温度を
低くしたNiCuZn系フェライトが好適である。その組成に
ついては特に限定されることはないが、代表組成を示す
と次のとおりである。なお、この組成は、磁気素子全体
おいて、必ずしも同一組成とする必要はなく、下部フェ
ライト、上部フェライトおよびコイル線間に充填するフ
ェライトなど、場所に応じて適宜組成を変更することが
できる。

【００１９】Fe₂0₃ ：40〜50 mol％ Fe₂0₃ が50 mol％を超えると、Fe²⁺イオンの存在により
電気抵抗値が急激に低下する。電気抵抗の低下は高周波
領域で使用するとき渦電流の発生でフェライトコアでの
損失を急増させてしまう。また、40 mol％未満になると
フェライトの透磁率低下にともなうインダクタンスの劣
化が大きいため、Fe₂0₃ は40〜50 mol％程度とすること
が好ましい。

【００２０】ZnＯ：15〜35mol ％ ZnＯは、インダクタンスとキュリー温度に大きな影響を
与える。キュリー温度は磁気素子の耐熱性を決める重要
なパラメータである。15 mol％未満ではキュリー温度は
高いもののインダクタンスが低下する。一方、35 mol％
を超えるとインダクタンスは高いものの、キュリー温度
が低下する。従って、ZnＯは15〜35 mol％程度とするこ
とが好ましい。

【００２１】CuＯ：20 mol％以下 CuＯは、焼成温度を下げるために加える。しかしなが
ら、20 mol％を超えると焼成温度は低下するがインダク
タンスが劣化するので、CuＯは 20mol％以下程度とする
ことが好ましい。

【００２２】Bi₂0₃ ：10 mol％以下 Bi₂0₃ は、CuＯと同じく、焼成温度を低下する効果があ
る。しかしながら、10mol ％を超えると焼成温度は低下
するものの、インダクタンスが劣化するため、Bi₂0₃ は
10mol％以下程度とすることが好ましい。残部はNiＯで
ある。

【００２３】以上、好適フェライトとして、NiZn系フェ
ライトについて主に説明したが、これ以外のフェライト
であってもNiZn系フェライトと同等の特性を持つもので
あれば、いずれもが使用できるのはいうまでもない。

【００２４】次に、本発明の平面磁気素子の好適製造方
法について説明する。まず初めに、下部フェライト磁性
層を形成するが、これはSiやアルミナなどの基板上にス
クリーン印刷法のような厚膜形成法を用いて、フェライ
ト磁性粉を含んだペーストを塗布したのち、 800〜1000
℃程度で焼成することによってフェライト磁性層を形
成しても良いし、あるいは別途製造しておいた薄手の焼
結板をそのまま用いても良い。このような焼結板の好適
厚みは 500〜1000 μm 程度である。

【００２５】ついで、必要に応じて、数μm 厚程度の樹
脂コート（ポリイミド等）を施して表面を平滑化したの
ち、この上にコイル形成の下地層として無電解めっきに
よりCu膜を 0.5μm 厚程度に成膜する。ついで、この下
地めっき層の上にフォトレジストを塗布したのち、フォ
トエッチングにより所望のコイル形状のレジストフレー
ムを形成する。引き続き、電気めっきにより、レジスト
フレーム内にCuを析出させたのち、レジストを剥離し、
ついで化学エッチングによりコイル線間の下地めっき層
を除去して、平面コイルを下部フェライト磁性層の上に
形成する。この時、コイル端子も併せて形成することが
好ましい。

【００２６】その後、コイル線間を含めて平面コイルの
上に、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの樹脂とフェ
ライト粉末を混ぜた樹脂ペーストを印刷法にて塗布した
後、熱硬化処理を施して、上部フェライト磁性層を形成
する。この上部フェライト磁性層の形成に際し、樹脂ペ
ーストの硬化処理温度は 150〜400 ℃程度とすることが
好ましい。

【００２７】

【実施例】実施例１ Fe₂O₃ ：49 mol％、ZnO ：23 mol％、CuO ：12 mol％、
NiO ：16 mol％の組成になる下部フェライト磁性層を作
製した。作製方法と得られた下部フェライト磁性層中の
磁性体体積密度を表１に示す。同表中、「焼結板」と
は、下部フェライト磁性層として別途製造した焼結板を
用いた場合、一方「印刷法」とは、Si基板上に上記の製
造方法に従い、スクリーン印刷法を用いてフェライト磁
性粉を含むペーストを塗布したのち、焼成した場合であ
る。なお、このフェライト磁性層の磁性体体積密度（焼
結密度）は焼成温度を変えることによって調整した。

【００２８】ついで、この上に、ポリイミド樹脂をスピ
ンコートにより塗布した後、熱硬化させて平滑層を形成
した。この平滑層の厚みは３μm である。ついで、この
上に、下地めっき層として 0.5μm 厚のCu膜を無電解め
っき法で成膜した。ついで、この上にフォトレジストを
塗布したのち、フォトエッチングにより所望のコイル形
状のレジストフレームを形成した。その後、電気めっき
により、レジストフレーム内にCuを析出させたのち、レ
ジストを剥離し、ついで化学エッチングでコイル線間の
下地めっきを除去して、平面コイルとした。上記の平面
コイル製造工程において、コイル線のターン数は14、厚
み：70μm、幅：100 μm 、コイル線間の間隔（図２に
記号ｃで示す）：30μm の一定とした。

【００２９】その後、下部フェライト磁性層と同じ組成
になるフェライト粉末を含んだエポキシ樹脂ペースト
を、スクリーン印刷法にてコイル線間を含めてその上部
に塗布し、150 ℃で熱硬化させて、上部フェライト磁性
層を形成し、平面磁気素子とした。なお、このフェライ
ト磁性層の磁性体体積密度は、磁粉含有量を変えること
で調整した。また、各磁性層の厚みは、インダクタンス
が 1.5μH を発現する厚みとした。

【００３０】かくして得られた平面磁気素子を、表２に
示す仕様の降圧型コンバータに搭載した時の、コイル直
流抵抗（Ｒ_dc）、Ｑ値およびトータル効率について調べ
た結果を、表１に併記する。なお、Ｑ値は交流損失の指
標となるもので、次式で表される。Ｑ＝（２πｆＬ）／Ｒ_S ここで、ｆ：周波数（Hz）Ｌ：コイルのインダクタンスＲ_S ：直列等価抵抗なお、直列等価抵抗は、コイル直流抵抗（Ｒ_dc）とコイ
ルおよび磁性体の交流損失（Ｒ_ac）の和である。また、
ここでの周波数は５MHz に固定したので、この時の表皮
厚みは約30μmである。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１に示したとおり、本発明に従う平面磁
気素子を用いた場合には、80％以上という優れたトータ
ル効率が得られおり、この平面インダクタは高効率電源
の実現に非常に適した素子であるといえる。

【００３４】実施例２コイル線の厚みａおよび幅ｂを表３に示すように種々に
変化させること以外は、実施例１のNo.2と同じ製造条件
で、下部フェライト磁性層、平面コイルおよび上部フェ
ライト磁性層を形成して平面磁気素子を製造した。かく
して得られた平面磁気素子を、実施例１と同様に、表２
に示した仕様の降圧型コンバータに搭載し、その時のコ
イル直流抵抗（Ｒ_dc）、Ｑ値およびトータル効率につい
て調べた結果を、表３に併記する

【００３５】

【表３】

【００３６】同表から明らかなように、本発明に従い、
コイル線の厚みａおよび幅ｂを表皮厚みδの 0.5倍以
上、８倍以下の範囲に調整することにより、特に優れた
トータル効率が得られている。

【００３７】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、インダクタ
の損失を有利に低減して、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率
を格段に向上させることができ、ひいては電子機器の省
エネルギー化に大きく貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】コイル形状としてスパイラル型を採用した場
合の、本発明に従う代表的な平面磁気素子の平面図(a)
およびそのＡ−Ａ断面図(b) である。

【図２】コイル線の断面形状を示した図である。

【符号の説明】

１下部フェライト磁性層２平面コイル３上部フェライト磁性層４端子５基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5E049 AA07 AC05 CB02 DB02 DB12 DB14 DB16 JC01 5E070 AA01 AB01 BB01 CB03 CB15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部フェライト磁性層の面上に、平面コ
イルを形成し、さらに該平面コイルのコイル線間の空隙
も含めてその上に上部フェライト磁性層を形成した平面
磁気素子であって、下部フェライト磁性層の磁性体体積
密度を 80vol％以上、上部フェライト磁性層の磁性体体
積密度を 30vol％以上としたことを特徴とする平面磁気
素子。
【請求項２】請求項１において、下部フェライト磁性
層が焼結板からなることを特徴とする平面磁気素子。
【請求項３】請求項１または２において、平面コイル
のコイル線の厚みおよび幅をそれぞれ、次式で示される
表皮厚みδの 0.5倍以上、８倍以下としたことを特徴と
する平面磁気素子。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝^1/2 ここで、μ：透磁率 σ：電気伝導率（Ｓ） ω：角振動数（＝２πｆ）