JP2002299122A

JP2002299122A - 平面磁気素子

Info

Publication number: JP2002299122A
Application number: JP2001102739A
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】渡り磁束の平面コイルに対する鎖交を極力減
少して、銅損の一層の低減を図る。【解決手段】下部磁性層と上部磁性層との間に埋設し
た平面コイルのコイル線の幅に対する厚さの比を 0.8以
上にすると共に、コイル線の幅に対するコイル線間隔の
比を 0.2以上にする。

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（渡り磁束ともいう）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６−77055 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、上記の
技術でも、以下に述べるような問題を残していた。すな
わち、コイル線間をフェライト磁性層で埋めることによ
って渡り磁束がコイルを鎖交しにくくなり損失の低減を
達成できたものの、上記した渡り磁束の鎖交を完全にな
くすことはできず、その一部は依然としてコイルを鎖交
して銅損の原因になっていることである。本発明は、上
記の問題を有利に解決するもので、渡り磁束の平面コイ
ルに対する鎖交を極力減少して、銅損をより一層低減す
ることができる、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】さて、発明者らは、上記
の問題を解決すべく鋭意研究を重ねたところ、平面コイ
ルのコイル線の幅と厚さの比およびコイル線の間隔とコ
イル線幅との比をそれぞれ、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、本発明は、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、コイル線の幅に
対する厚さの比が 0.8以上で、かつコイル線の幅に対す
るコイル線間隔の比が 0.2以上であることを特徴とする
平面磁気素子である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。図１に、本発明に従う代表的な平面磁気素子（コイ
ル形状はスパイラル型）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。さて、図２(a) に示すように、
渡り磁束６が平面コイルのコイル線間のみを通過し、コ
イル２を鎖交しないようにすれば、この鎖交に起因した
銅損は完全に防止することができる。しかしながら、実
際は、図２(b) に示すように、渡り磁束６の一部はコイ
ルを鎖交し、これに起因して銅損が発生していたのは前
述したとおりである。

【００１２】そこで、発明者らは、このような銅損の発
生を有利に回避すべく、コイル線の断面形状およびコイ
ル線の間隔について、数多くの実験と検討を重ねた結
果、図３に示すコイル線の幅ｂに対する厚さａの比ａ／
ｂを 0.8以上とし、かつコイル線の幅ｂに対するコイル
線間隔ｃの比ｃ／ｂを 0.2以上とすることにより、渡り
磁束を効率よくコイル線間のフェライト部分に誘導する
ことができ、その結果、一層の低損失化が達成できるこ
とが究明された。

【００１３】すなわち、コイル線の幅ｂに対する厚さａ
の比ａ／ｂが 0.8未満の横広のコイル断面では、コイル
中を磁束が横切ろうとする傾向が強まり、またコイル線
の幅ｂに対するコイル線間隔ｃの比ｃ／ｂが 0.2より小
さくなると、コイル線間に流れ込む磁束が多くなり、磁
気飽和による透磁率の低下によって、コイルを鎖交する
渡り磁束の増大を招く。従って、本発明では、コイル線
の幅ｂに対する厚さａの比ａ／ｂを 0.8以上、コイル線
の幅ｂに対するコイル線間隔ｃの比ｃ／ｂを 0.2以上に
限定したのである。なお、比ａ／ｂがあまりに大きくな
ると、レジスト露光が困難になったり、磁気素子の薄型
化が阻害され、また比ｃ／ｂがあまりに大きくなると、
磁気素子の小型化が阻害されるので、これらの上限はそ
れぞれａ／ｂ：３、ｃ／ｂ：２程度とすることが望まし
い。

【００１４】本発明において、下部フェライト磁性層の
厚みは５〜200 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膜層が剥離し易くなる
からである。また、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。さらに、
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
直流抵抗が大きくなり、一方 200μm を超えるとレジス
ト露光やコイル線間をフェライトで埋めることが困難と
なるからである。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】次に、本発明の平面磁気素子の製造方法の
一例を示す。Si基板上に、スクリーン印刷法などを用い
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
性層を形成する。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。

【００２３】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。なお、基板としては、Si基板が低コストで好
適であるが、アルミナやフェライト磁性基板を用いても
良い。フェライト磁性基板を用いる場合は、上記した下
部フェライト層の製造工程が不要となる。また、Siやア
ルミナ基板を用いてこの上に下部フェライト磁性層から
順次形成する場合において、最後に基板から素子部を剥
がすか、基板を削り落として基板フリーの平面磁気素子
としても良い。この場合、さらなる薄型化を達成でき
る。

【００２４】

【実施例】Si基板上に、Fe₂O₃ ：49 mol％、ZnO ：23 m
ol％、CuO ：12 mol％、NiO ：16mol％の組成になるフ
ェライト磁粉を含んだペーストをスクリーン印刷法にて
下部フェライトとして成膜し、引き続き大気中にて 950
℃で焼成した。焼成後の膜厚は40μm である。次に、フ
ェライト磁性膜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コイルのライン幅やライン
間隔を種々に変えた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。コイル厚みはこのめっき厚みで調整した。つい
で、レジストを剥離したのち、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の一定としたが、厚さａや幅ｂおよびコイル線間隔ｃ
については表１に示すように、種々に変化させた。

【００２５】その後、上記の同じ組成のフェライト磁粉
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、膜厚：100 μm の上部フェライト磁性層を形
成し、平面磁気素子とした。かくして得られた平面磁気
素子のインダクタンスおよびＱ値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。

【００２６】

【表１】

【００２７】同表から明らかなように、本発明に従い、
コイル線の幅ｂに対する厚さａの比ａ／ｂおよびコイル
線の幅ｂに対するコイル線間隔ｃの比ｃ／ｂを適正な範
囲に調整した場合には、高いＱ値すなわち低い交流損失
が実現されている。

【００２８】

【発明の効果】かくして、本発明に従い、平面コイルの
コイル線の断面形状およびコイル線間隔を適正範囲に調
整することにより、損失を有利に低減することができ、
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Ａ−Ａ断面図(b) である。

【図２】渡り磁束が平面コイルのコイル線間のみを通
過する場合(a) 、およびコイルを鎖交する場合(b) を示
した図である。

【図３】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６渡り磁束

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、コイル線の幅に対する厚さの比が
0.8以上で、かつコイル線の幅に対するコイル線間隔の
比が 0.2以上であることを特徴とする平面磁気素子。