JP2004047849A

JP2004047849A - Planar magnetic element

Info

Publication number: JP2004047849A
Application number: JP2002205093A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 福田　泰隆; Kazuhiko Echizenya; 越前谷　一彦; Hideaki Kohiki; 小日置　英明
Original assignee: JFE Steel Corp; Kawatetsu Mining Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP4043306B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a planar magnetic element whose power loss is smaller than usual, even if a high-frequency current is made to flow through the element. <P>SOLUTION: The plane magnetic element is composed of a circular or rectangular spiral planar coil and a ferrite magnetic layer which is deposited on the top surface and undersurface of all the planar coil and fills a gap between the coil pattern. The innermost and outermost parts of the coil pattern are divided widthwise into two or more. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面磁気素子に係わり、特に電力損失が小さい平面磁気素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器やノートパソコン等のように、電池で駆動される携帯機器の利用が進んでいる。このような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、最近ではこれらに加えて、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、あるいは画像データを含む大量情報の高速化処理等の高機能化が求められている。これらの要求は、電池からの単一電圧を、ＣＰＵやＬＣＤモジュール、通信用パワーアンプ等の様々な搭載デバイスが必要とする各々の電圧レベルに的確に変換できる小型電源の需要を増加させた。そのため、電子機器の小型・軽量化と高機能化とを両立させるべく、電源に搭載されるトランスやインダクタ等の磁気素子についても、その小型・薄型化を進めることが重要な課題となっている。
【０００３】
このような状況下で、従来、前記電源には焼結フェライトコアにコイルを巻いたトランス、インダクタが搭載されてきたが、これらは、いずれも薄型化が困難で、電源の薄型化を阻害してきた。そこで、磁気素子の一層の小型・軽量化を図るため、平面コイルの上下をフェライト磁性層で挟み、かつ、コイル・パターン（コイル線ともいう）間の隙間をフェライトで埋めた構造の平面磁気素子が提案された（例えば、特開２００１−２４４１２３号公報、特開２００１−２４４１２４号公報参照）。
【０００４】
それは、基板上に下部フェライト層を印刷法等で形成し、その上にコイル・パターンをメッキ法等で形成した後、コイル・パターン間の隙間及び上部のフェライトを印刷法で形成して平面磁気素子としたものである。このような構成とすることで、磁気素子の薄型化に成功した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記平面磁気素子では、例えば、１ＭＨｚ以上の高周波領域で使用すると、電力損失が大きくなるという問題があった。そこで、本発明は、かかる事情を鑑み、１ＭＨｚ以上の高周波領域での電力損失を低減可能な平面磁気素子を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討し、磁気素子中のコイルでは高周波が均一に流れず、局部的に電流密度の大きな箇所が発生していることを見出した。具体的には、図５及び図６に示すように、次の２箇所である。
１）コイル・パターンの最外周ターンの外側５、最内周ターンの内側６
２）さらに、コイル・パターンのスパイラルが矩形の場合には、コイルのコーナ部の内側７
そこで、この不均一性を解消するため、コイルの最外周ターン、最内周ターンを幅方向で２分割以上とすること（図１〜４参照）、及びスパイラルが矩形の場合には、さらにコーナ部の内側に沿った長さを少なくとも直角に折れるよりも短くする、具体的にはコーナ部にＲを付けたり，直線で所謂「ショート・カット」する等の構造（図２、図３参照）にするのが良いことを見出し、本発明を完成させた。なお、この場合、コイル・パターンの外側に沿ったコーナも同様にＲやショート・カットにするのが良い。
【０００７】
すなわち、本発明は、円形状又は矩形状のスパイラルで形成される平面コイルと、該平面コイル全体の上下部及びコイル・パターン間を埋めるフェライト磁性層とからなる平面磁気素子において、前記スパイライルの最内周及び最外周に相当するコイル・パターンを、幅方向で２分割以上としてなることを特徴とする平面磁気素子である。また、本発明は、矩形状のスパイラルで形成される平面コイルと、該平面コイル全体の上下部及びコイル・パターンを埋めるフェライト磁性層とからなる平面磁気素子において、前記コイル・パターンのコーナ部を面取り形状としてなることを特徴とする平面磁気素子である。この場合、前記面取り形状がＲを付けたり，直線状又は折れ線状であることが好ましい。また、前記矩形状のスパイラルで形成された平面コイルは、そのコイル・パターンのコーナ部を面取り形状とするのが一層良い。さらに、前記フェライト磁性層の少なくとも一つの外表面に非磁性基板を取り付けても良い。加えて、前記フェライトがＮｉＺｎ系であることが好ましい。
【０００８】
本発明によれば、高周波電流を流しても、電流密度の偏りが解消できるようになる。その結果、平面磁気素子の電力損失が従来より抑制でき、携帯機器に有効な小型電源に搭載される磁気素子が提供できるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００１０】
まず、本発明の対象は、図１（ｂ）に横断面で示すように、基板１上に、高周波電流が流され、円形状又は矩形状のスパイラルで形成される平面コイル・パターン２と、該平面コイル・パターン全体の上下部及びコイル・パターン間の隙間を埋めるフェライト磁性層３１，３２とからなる平面磁気素子４である。そして、本発明に係る平面磁気素子の平面コイル・パターンが出現する面で切断した平断面を図１（ａ）に示すが、一つ目の発明は、前記スパイラルの最内周及び最外周に相当するコイル・パターン２を、幅方向で２分割以上としたことである（図１では、２分割の場合を示す）。この場合、分割した部分のパターン幅をａ及びｂ，未分割部分のパターン幅をｃとすると、ｃ＝ａ＋ｂで，ａ≦ｂ＜ｃの関係がある。高周波電流を流した時、パターン幅を細分化すると、電流の均一性が向上するからである。トータルのコイル・パターン断面積は同じにしているので、抵抗による電力損失は減少する。また、分割部分は、均一な幅でも良く、図１のａをより狭くしても良い。
【００１１】
なお、原理的には、分割数は２つ以上であれば如何なる数でも良い。しかしながら、実際には、分割数が多くなると、分割した部分の隙間を確保する必要があるので、コイル・パターン２の幅が広がり、平面磁気素子４の面積が大きくなる。従って、実用上では、その分割数は、２〜３程度が好ましい。
【００１２】
二つ目の本発明は、コイル・パターンのスパイラルが矩形状の場合に、特にコーナ部の内側に沿った長さを少なくとも直角に折れるよりも短い面取り構造とすることである。具体的には、コーナ部の内側にＲをつけたり、直線、もしくは多段の折れ線でショート・カットさせる構造である。この場合、コイル・パターンの外側に沿ったコーナ部分も、同様にするとパターン間の間隙が同一になり、一層良い。図２に、Ｒをつけた場合、図３に直線にした場合の例を示す。電流は、なるべく短い距離を流れようとするが、コーナ部をこのような形状にすると、電流の不均一性が小さくなるからである。また、本発明では、かかる形状とする範囲は特に限定しないが、実用的には、コーナ部からコイル・パターン幅の１／２〜２倍であるのが良い。
【００１３】
また、本発明では、電気的に絶縁された平面コイルを２つ以上隣接配置しても良い。そのようにすると、トランスとしての機能を発揮するからである。さらに、本発明に係る前記平面磁気素子は、フェライト磁性層を基板上に形成しても良い。それにより、素子の機械的強度が大きくなり、使用時の信頼性が高まるからである。その際、基板の材質としては、非磁性基板が好適なので、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を用いるのが良い。加えて、本発明では、フェライト磁性層に使用するフェライトには、絶縁体であるＮｉＺｎ系フェライトが好適である。コイル・パターン間を埋めるフェライト磁性層は、フェライト磁性粉と樹脂バインダとの混合物をスクリーン印刷法などで刷り込むが、ＮｉＺｎ系フェライトであると、電気絶縁層を別途に考える必要がなく、容易に充填ができるからである。
【００１４】
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、中でも焼成温度が低くて済むＮｉＣｕＺｎ系フェライトがとりわけ有利に適合する。それに含有させる組成の代表例を以下に示す。
Ｆｅ_２Ｏ_３：４０〜５０ｍｏｌ％
Ｆｅ_２Ｏ_３が４０ｍｏｌ％に満たない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著しい。逆に５０ｍｏｌ％を超えると、Ｆｅ^２＋イオンの存在により電気抵抗が急激に低下して、高周波領域で使用する場合に渦電流の発生によりフェライトコアの損失が急増する。従って、Ｆｅ_２Ｏ_３は４０〜５０ｍｏｌ％程度とすることが好ましい。
ＮｉＯ：１５〜５０ｍｏｌ％
ＮｉＯが１５ｍｏｌ％に満たないと実用上必要なキュリー温度を得ることができず、逆に５０ｍｏｌ％を超えると、異相が析出し、磁気特性が低下するので、ＮｉＯは１５〜５０ｍｏｌ％程度とすることが好ましい。
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定づける重要なパラメータである。ＺｎＯが１５ｍｏｌ％に満たないと、キュリー温度は高いもののインタクタンスが低下し、一方３５ｍｏｌ％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１５〜３５ｍｏｌ％程度とすることが好ましい。
ＣｕＯ：０〜２０ｍｏｌ％
ＣｕＯは、焼成温度を低減するのに有用な成分である。しかしながら、２０ｍｏｌ％を超えると、焼成温度は低下するもののインダクタンスの劣化を招くので、含有させる場合には、ＣｕＯは２０ｍｏｌ％以下とすることが好ましい。
Ｂｉ_２Ｏ_３：Ｏ〜１０ｍｏｌ％
Ｂｉ_２Ｏ_３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、含有させる場合には１０ｍｏｌ％以下で含有させることが好ましい。ＭｎＯ：０〜２０ｍｏｌ％、ＭｇＯ：０〜２０ｍｏｌ％
ＭｎＯ及びＭｇＯは、いずれも、インダクタンスを増加する効果を有する成分であるが、２０ｍｏｌ％を超えると、飽和磁化の低下を招くので、含有させる場合には、２０ｍｏｌ％以下で含有させることが好ましい。
【００１５】
以上、好適フェライトとして、ＮｉＺｎ系（ＮｉＣｕＺｎ系）フェライトの成分について説明したが、これ以外のフェライトであっても、ＮｉＺｎ系（ＮｉＣｕＺｎ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言うまでもない。
【００１６】
次に、本発明に係る平面磁気素子の製造方法を、手順に従い、代表的な例で説明するが、その製造は、これに限定されるものではない。
【００１７】
（１）まず、Ｓｉ基板上に、ＮｉＺｎ系のフェライトペーストをスクリーン印刷し、焼成して４０μｍの厚みのフェライト磁性層を形成する。この場合、基板を省略しても良いし、予め用意したフェライト焼結基板を磁性層基板として用いても良い。
【００１８】
（２）このフェライト磁性層の上に、平滑層としてのポリイミド樹脂を塗布し、さらに下地としてのＣｕシード層を０．５μｍの厚みで成膜する。
【００１９】
（３）そのシード層の上に、レジストを塗布し、平面コイル・パターンを所望のスパイラル形状及びターン数で露光・現像し、レジスト・フレームを形成する。つまり、コイル・パターンは、必要に応じて、分割したり、コーナ部にＲをつける。また、２つのコイル・パターンを互いに隣接配置しても良い。
【００２０】
（４）該レジスト・フレーム内に、電気めっきでＣｕを析出させる。
【００２１】
（５）引き続いて、レジストを剥離した後、エッチングによって不要なＣｕシード層を除去する。
【００２２】
（６）ＮｉＺｎ系のフェライト磁性粉末をエポキシ樹脂に混ぜたぺ一ストを、スクリーン印刷法にて、コイル・パターンの間および上部に充填し、熱硬化させる。
【００２３】
【実施例】
フェライトとして、Ｆｅ_２Ｏ_３／ＺｎＯ／ＮｉＯが４９／２３／２８（ｍｏｌ％）の組成のものを用い、平面磁気素子を製造した。
【００２４】
まず、Ｓｉ基板上に、上記の組成になるフェライト・ペーストを印刷後、１０００℃で焼成して下部フェライト磁性層を形成した。その焼成後の厚みは４０μｍである。この層上に、ポリイミド樹脂をスピンコートによって厚みが３μｍになるように成膜した後、全面にＣｕをシード層として０．５μｍの厚みに無電解めっき法で成膜する。そのシード層上に、レジストを塗布、露光、現像処理して矩形スパイラル形状のレジスト・フレームを形成した。この後、電気Ｃｕメッキを析出した。次に、レジストを剥離した後、不要なシード層部分をエッチングした。完成したコイル導体部は、厚み８０μｍ，１４ターンである。
【００２５】
スパイラル形状のレジスト・フレームの形成に際し、本発明に係るコイル形状になるようにしたが、その内容は、以下の通りである。
（本発明例１）
１４ターンのコイル・パターンのうち、最内周と最外周の１ターンにそれぞれ２０μｍのスペースを設けて２分割した。すなわち、パターン幅／スペース／パターン幅＝２５／２０／２０（μｍ）とした。残りの１２ターンは、パターン幅＝２５μｍ、スペース＝２０μｍとした。つまり、平面コイルの最内周及び最外周のみを２分割した。
（本発明例２）
Ｓｉ基板上に下部フェライト磁性層を設けたものの代わりに、フェライト焼結基板（４０μｍ）を用いた以外は、上記の本発明例１と同様の平面磁気素子とした。
（本発明例３）
コイル・パターンを本発明例１と同じにし、且つコーナー部に、その内側及び外側ともに半径５０μｍのＲを付けた平面磁気素子を製造した。つまり、平面コイルの最内周及び最外周のみを２分割し、且つコイルのコーナー部にＲを付けた。
（本発明例４）
コイル・パターンを幅＝５０μｍ、スペース＝２０μｍとし、コイル・パターンのコーナー部に、その内側及び外側ともに半径５０μｍのＲを付けた平面磁気素子を製造した。つまり、コイル・パターンのコーナー部のみにＲを付けた。
（比較例１）
１４ターン分ともにパターン幅／スペース＝５０／２０（μｍ）で、コーナー部分は直角とした。
【００２６】
最後の工程として、フェライト粉末を含むエポキシ樹脂ぺ一スト（フェライト粉末の体積率６０％）を、スクリーン印刷にて、コイル・パターン間及び上部層を印刷し、熱硬化させた。
【００２７】
かくして得られた各平面磁気素子に、５メガヘルツの高周波電流を流し、インダクタンスＬ及びＱ値を測定した。その結果を表１に示す。
【００２８】
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。
【００２９】
Ｑ＝（２πｆＬ）／Ｒｓ
ここで、ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｌ：コイルのインダクタンス
Ｒｓ：直列等価抵抗
ここに、直列等価抵抗は、コイル直流抵抗（Ｒｄｃ）とコイル及び磁性体の交流損失（Ｒａｃ）である。なお、Ｑ値が大きいほど、電力損失が小さい。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１より、本発明に係る平面磁気素子は、従来素子である比較例１に比べ、Ｑ値が大きくなっているので、本発明による効果で、電力損失が低減したことが明らかである。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、高周波電流を流しても、従来より電力損失の小さい平面磁気素子が提供されるようになる。その結果、携帯機器に有効な小型電源が製造できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明に係る平面磁気素子の矩形スパイラル状の平面コイル・パターンを示す平断面であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ矢視の断面図である。
【図２】（ａ）は、矩形スパイラル状の平面コイル・パターンのコーナ部にＲを付けた例を示す平断面図であり、（ｂ）はそのコーナー部の拡大図である。
【図３】（ａ）は、矩形スパイラル状の平面コイルのコーナー部を直線でショート・カットした例を示す平断面図であり、（ｂ）はそのコーナー部の拡大図である。
【図４】円形スパイラル状の平面コイルを示す平断面図である。
【図５】
従来の矩形スパイラル状の平面コイルに生じる電流密度の偏りを示す平断面図である。
【図６】
従来の円形スパイラル状の平面コイルに生じる電流密度の偏りを示す平断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　平面コイル・パターン（コイル・パターン）
３１：上部フェライト磁性層
３２：下部フェライト磁性層
４　平面磁気素子
５　平面コイル・パターンの最外周部外側
６　平面コイル・パターンの最内周部内側
７　コーナー部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a planar magnetic element, and more particularly to a planar magnetic element with small power loss.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, portable devices driven by batteries, such as portable devices and notebook computers, have been increasingly used. For such portable devices, further reduction in size and weight has been desired, and recently, in addition to these, support for multimedia, that is, enhancement of communication functions and display functions, or There is a demand for advanced functions such as high-speed processing of a large amount of information including image data. These demands have increased the demand for small power supplies that can accurately convert a single voltage from a battery to each voltage level required by various on-board devices such as CPUs, LCD modules, and communication power amplifiers. For this reason, it is important to reduce the size and thickness of magnetic elements, such as transformers and inductors, mounted on a power supply in order to achieve both small size, light weight, and high functionality of electronic devices. .
[0003]
Under such circumstances, conventionally, the power supply has been equipped with a transformer and an inductor each having a coil wound around a sintered ferrite core, but these are all difficult to reduce in thickness, and hinder the reduction in thickness of the power supply. Was. Therefore, in order to further reduce the size and weight of the magnetic element, a planar magnetic element having a structure in which the upper and lower surfaces of a planar coil are sandwiched between ferrite magnetic layers and the gap between coil patterns (also called coil wires) is filled with ferrite. (See, for example, JP-A-2001-244123 and JP-A-2001-244124).
[0004]
It consists of forming a lower ferrite layer on a substrate by a printing method, forming a coil pattern on it by plating, etc., and then forming a gap between the coil patterns and the upper ferrite by a printing method. It is an element. With such a configuration, the thickness of the magnetic element has been successfully reduced.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned planar magnetic element has a problem that the power loss becomes large when used in a high frequency region of, for example, 1 MHz or more. In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a planar magnetic element that can reduce power loss in a high-frequency region of 1 MHz or more.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and have found that a high frequency does not flow uniformly in a coil in a magnetic element, and a portion having a large current density is locally generated. Specifically, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, there are the following two places.
1) Outside 5 of the outermost turns of the coil pattern, inside 6 of the innermost turns.
2) Furthermore, when the spiral of the coil pattern is rectangular, the inside of the coil corner 7
Therefore, in order to eliminate this non-uniformity, the outermost turn and the innermost turn of the coil should be divided into two or more in the width direction (see FIGS. 1 to 4). A structure in which the length along the inside of the part is shorter than at least a right angle, specifically, a structure in which a corner is rounded or a so-called "short cut" is made in a straight line (see FIGS. 2 and 3) The present invention was completed. In this case, the corners along the outer side of the coil pattern are also preferably made R or short cut.
[0007]
That is, the present invention provides a planar magnetic element comprising a planar coil formed of a circular or rectangular spiral, and a ferrite magnetic layer filling the upper and lower portions of the entire planar coil and the space between the coil patterns. A planar magnetic element wherein a coil pattern corresponding to an innermost circumference and an outermost circumference is divided into two or more in a width direction. Further, the present invention provides a planar magnetic element comprising a planar coil formed of a rectangular spiral, and upper and lower portions of the entire planar coil and a ferrite magnetic layer filling the coil pattern, wherein a corner portion of the coil pattern is formed. A planar magnetic element having a chamfered shape. In this case, it is preferable that the chamfered shape is rounded or linear or polygonal. Further, in the planar coil formed by the rectangular spiral, it is more preferable that the corner portion of the coil pattern has a chamfered shape. Further, a non-magnetic substrate may be attached to at least one outer surface of the ferrite magnetic layer. In addition, the ferrite is preferably NiZn-based.
[0008]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if a high-frequency current flows, the bias of current density can be eliminated. As a result, the power loss of the planar magnetic element can be suppressed more than before, and a magnetic element mounted on a small power supply that is effective for portable equipment can be provided.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0010]
First, the object of the present invention is to provide a planar coil pattern 2 formed by a circular or rectangular spiral on which a high-frequency current flows on a substrate 1 as shown in a cross section in FIG. The planar magnetic element 4 includes upper and lower portions of the entire planar coil pattern and ferrite

magnetic layers

31 and 32 filling gaps between the coil patterns. FIG. 1A shows a plane cross section of the plane magnetic element according to the present invention, which is cut along the plane where the plane coil pattern appears. That is, the corresponding coil pattern 2 is divided into two or more in the width direction (FIG. 1 shows the case of two divisions). In this case, if the pattern width of the divided portion is a and b and the pattern width of the undivided portion is c, there is a relationship of c = a + b and a ≦ b <c. This is because, when a high-frequency current is passed, if the pattern width is subdivided, the uniformity of the current is improved. Since the total coil pattern cross-sectional area is the same, the power loss due to the resistance is reduced. Further, the divided portion may have a uniform width, and may have a smaller width in FIG.
[0011]
Note that, in principle, any number may be used as long as the number of divisions is two or more. However, in practice, when the number of divisions increases, it is necessary to secure a gap between the divided parts, so that the width of the coil pattern 2 increases and the area of the planar magnetic element 4 increases. Therefore, in practice, the number of divisions is preferably about 2 to 3.
[0012]
A second aspect of the present invention is to provide a chamfered structure in which the length along the inside of the corner portion is shorter than at least a right angle when the spiral of the coil pattern is rectangular. Specifically, it has a structure in which an R is provided inside the corner portion, or a short cut is made with a straight line or a multi-stage broken line. In this case, the corners along the outer side of the coil pattern are also similar, so that the gap between the patterns is the same, which is even better. FIG. 2 shows an example in which R is added, and FIG. This is because the current tends to flow as short as possible, but when the corners are formed in such a shape, the non-uniformity of the current is reduced. Further, in the present invention, the range of such a shape is not particularly limited, but practically, it is preferable that the width is 1/2 to 2 times the coil pattern width from the corner portion.
[0013]
In the present invention, two or more electrically insulated planar coils may be arranged adjacent to each other. In that case, the function as a transformer is exhibited. Further, in the planar magnetic element according to the present invention, a ferrite magnetic layer may be formed on a substrate. Thereby, the mechanical strength of the element increases, and the reliability during use increases. At this time, since a non-magnetic substrate is suitable as the material of the substrate, it is preferable to use Si or Al ₂ O ₃ (alumina). In addition, in the present invention, the ferrite used for the ferrite magnetic layer is preferably a NiZn-based ferrite which is an insulator. The ferrite magnetic layer that fills the space between the coil and the pattern is printed with a mixture of ferrite magnetic powder and a resin binder by screen printing, etc. Because it can be.
[0014]
As the ferrite in the present invention, NiZn-based ferrite, which is an insulator, particularly NiCuZn-based ferrite which requires a low firing temperature is particularly suitable. Representative examples of the composition to be contained therein are shown below.
Fe ₂ O _3: 40~50mol%
If the content of Fe ₂ O ₃ is less than 40 mol%, the inductance is significantly deteriorated due to the decrease in the magnetic permeability of the ferrite. Conversely, if it exceeds 50 mol%, the electric resistance sharply decreases due to the presence of Fe ²⁺ ions, and when used in a high frequency region, the loss of the ferrite core sharply increases due to generation of eddy current. Therefore, the content of Fe ₂ O ₃ is preferably about 40 to 50 mol%.
NiO: 15 to 50 mol%
If NiO is less than 15 mol%, a Curie temperature required for practical use cannot be obtained. Conversely, if it exceeds 50 mol%, a hetero phase is precipitated and magnetic properties are deteriorated. Therefore, NiO is about 15 to 50 mol%. Is preferred.
ZnO: 15 to 35 mol%
ZnO has a large effect on inductance and Curie temperature. The Curie temperature is an important parameter that determines the heat resistance of a magnetic element. If ZnO is less than 15 mol%, the Curie temperature is high but the inductance is reduced, while if it exceeds 35 mol%, the inductance is high but the Curie temperature is lowered. Therefore, it is preferable that ZnO be about 15 to 35 mol%.
CuO: 0 to 20 mol%
CuO is a component useful for reducing the firing temperature. However, when the content exceeds 20 mol%, the firing temperature is lowered, but the inductance is deteriorated. Therefore, when it is contained, it is preferable that CuO is set to 20 mol% or less.
Bi ₂ O ₃ : O to 10 mol%
Bi ₂ O ₃ has the effect of lowering the firing temperature, similarly to CuO. However, when the content exceeds 10 mol%, the firing temperature is lowered, but the inductance is deteriorated. Therefore, when it is contained, it is preferable to contain it at 10 mol% or less. MnO: 0 to 20 mol%, MgO: 0 to 20 mol%
Both MnO and MgO are components having an effect of increasing the inductance. However, if the content exceeds 20 mol%, the saturation magnetization is reduced. Therefore, when it is contained, it is preferable that the content is 20 mol% or less.
[0015]
As described above, the components of NiZn-based (NiCuZn-based) ferrite have been described as preferred ferrites. It goes without saying that it can be used.
[0016]
Next, a method of manufacturing a planar magnetic element according to the present invention will be described with reference to a typical example according to a procedure, but the manufacturing is not limited thereto.
[0017]
(1) First, a NiZn-based ferrite paste is screen-printed on a Si substrate and baked to form a ferrite magnetic layer having a thickness of 40 μm. In this case, the substrate may be omitted, or a ferrite sintered substrate prepared in advance may be used as the magnetic layer substrate.
[0018]
(2) On this ferrite magnetic layer, a polyimide resin as a smoothing layer is applied, and a Cu seed layer as a base is formed with a thickness of 0.5 μm.
[0019]
(3) A resist is applied on the seed layer, and the planar coil pattern is exposed and developed in a desired spiral shape and number of turns to form a resist frame. In other words, the coil pattern is divided or the corners are rounded as necessary. Further, two coil patterns may be arranged adjacent to each other.
[0020]
(4) Cu is deposited in the resist frame by electroplating.
[0021]
(5) Subsequently, after removing the resist, an unnecessary Cu seed layer is removed by etching.
[0022]
(6) A paste obtained by mixing a NiZn-based ferrite magnetic powder with an epoxy resin is filled into and between the coil patterns by a screen printing method, and thermally cured.
[0023]
【Example】
A planar magnetic element was manufactured using ferrite having a composition of Fe ₂ O ₃ / ZnO / NiO of 49/23/28 (mol%).
[0024]
First, a ferrite paste having the above composition was printed on a Si substrate and fired at 1000 ° C. to form a lower ferrite magnetic layer. The thickness after firing is 40 μm. After a polyimide resin is formed on this layer by spin coating so as to have a thickness of 3 μm, a film is formed on the entire surface to a thickness of 0.5 μm by electroless plating using Cu as a seed layer. A resist was applied, exposed, and developed on the seed layer to form a rectangular spiral resist frame. Thereafter, electric Cu plating was deposited. Next, after removing the resist, unnecessary seed layer portions were etched. The completed coil conductor has a thickness of 80 μm and 14 turns.
[0025]
The spiral resist frame is formed into the coil shape according to the present invention when formed, and the contents are as follows.
(Example 1 of the present invention)
In the 14-turn coil pattern, a space of 20 μm was provided in each of the innermost and outermost turns, and the coil pattern was divided into two. That is, pattern width / space / pattern width = 25/20/20 (μm). For the remaining 12 turns, the pattern width was 25 μm and the space was 20 μm. That is, only the innermost circumference and the outermost circumference of the planar coil were divided into two.
(Example 2 of the present invention)
A planar magnetic element similar to that of Example 1 of the present invention described above except that a ferrite sintered substrate (40 μm) was used instead of the lower ferrite magnetic layer provided on the Si substrate.
(Example 3 of the present invention)
A planar magnetic element having the same coil pattern as that of Example 1 of the present invention and having Rs with a radius of 50 μm inside and outside the corners was manufactured. That is, only the innermost circumference and the outermost circumference of the planar coil were divided into two, and the corners of the coil were rounded.
(Example 4 of the present invention)
A planar magnetic element was manufactured in which the coil pattern had a width of 50 μm and a space of 20 μm, and the corners of the coil pattern were provided with R having a radius of 50 μm both inside and outside. That is, R was added only to the corners of the coil pattern.
(Comparative Example 1)
The pattern width / space was 50/20 (μm) for all 14 turns, and the corner was a right angle.
[0026]
As the last step, an epoxy resin paste containing ferrite powder (volume ratio of ferrite powder: 60%) was printed by screen printing between coil patterns and the upper layer, and was thermally cured.
[0027]
A high-frequency current of 5 MHz was applied to each of the planar magnetic elements thus obtained, and the inductances L and Q values were measured. Table 1 shows the results.
[0028]
The Q value is an index of the AC loss, and is represented by the following equation.
[0029]
Q = (2πfL) / Rs
Here, f: frequency (Hz)
L: coil inductance Rs: series equivalent resistance Here, the series equivalent resistance is the coil DC resistance (Rdc) and the AC loss (Rac) of the coil and the magnetic material. The power loss is smaller as the Q value is larger.
[0030]
[Table 1]

[0031]
From Table 1, it is clear that the planar magnetic element according to the present invention has a larger Q value than that of Comparative Example 1 which is a conventional element, so that the power loss is reduced by the effect of the present invention.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when a high-frequency current is supplied, a planar magnetic element having a smaller power loss than a conventional one is provided. As a result, a small power supply effective for a portable device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view showing a rectangular spiral planar coil pattern of a planar magnetic element according to the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA.
FIG. 2A is a plan sectional view showing an example in which a corner portion of a rectangular spiral planar coil pattern is rounded, and FIG. 2B is an enlarged view of a corner thereof.
3A is a plan sectional view showing an example in which a corner of a rectangular spiral planar coil is short-cut with a straight line, and FIG. 3B is an enlarged view of the corner.
FIG. 4 is a plan sectional view showing a circular spiral planar coil.
FIG. 5
FIG. 10 is a plan sectional view showing a current density bias generated in a conventional rectangular spiral planar coil.
FIG. 6
FIG. 9 is a plan sectional view showing a bias of current density generated in a conventional circular spiral planar coil.
[Explanation of symbols]
1 board 2 plane coil pattern (coil pattern)
31: Upper ferrite magnetic layer 32: Lower ferrite magnetic layer 4 Planar magnetic element 5 Outermost perimeter of planar coil pattern 6 Innermost perimeter of planar coil pattern 7 Corner

Claims

In a planar magnetic element including a planar coil formed of a circular or rectangular spiral, and a ferrite magnetic layer filling the upper and lower portions of the entire planar coil and a coil pattern,
A planar magnetic element, wherein a coil pattern corresponding to an innermost circumference and an outermost circumference of the spiral is divided into two or more in a width direction.

In a planar magnetic element comprising a planar coil formed of a rectangular spiral, and a ferrite magnetic layer filling the upper and lower portions of the entire planar coil and the coil pattern,
A planar magnetic element, wherein a corner portion of the coil pattern has a chamfered shape.

The planar magnetic element according to claim 2, wherein the chamfered shape is rounded, linear, or polygonal.

2. The planar magnetic element according to claim 1, wherein the planar coil formed by the rectangular spiral has a chamfered shape at a corner portion of the coil pattern.

5. The planar magnetic element according to claim 1, wherein a non-magnetic substrate is attached to at least one outer surface of the ferrite magnetic layer.

The planar magnetic element according to claim 1, wherein the ferrite is a NiZn-based ferrite.