JP2009088470A - インダクタ構造とその製造方法 - Google Patents

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黄逸▲ミン▼
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Abstract

【課題】本発明はコイル、ノンフェライト層、二つの電極部、第一フェライト層及び第二フェライト層からなるインダクタ構造を提案する。
【解決手段】ノンフェライト層はコイルを被覆し、且つ対向する第一表面と第二表面を有し、両電極部はそれぞれコイルの両端と接続して電極部の一部がノンフェライト層から延伸しており、第一フェライト層はノンフェライト層の第一表面に近接して設置し、第二フェライト層はノンフェライト層の第二表面に近接して設置する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は受動素子に関し、特にインダクタ構造に関する。
インダクタは重要な受動素子であり、電流の安定、インピーダンス整合、フィルタリング、エネルギー保存、エネルギー放出、共振、バイパス等の多機能を備えている。電子製品が日毎にダウンサイズして素子との高密度な組立てという制限が加わるにつれて、インダクタのサイズも小型であるほどよく、また、有限な回路基板の面積に合わせねばならないというサイズのニーズの他に、インダクタ設計も回路基板モジュールとの組み合わせ効率を考慮しなければならない。
通常インダクタの選択にはインダクタ値、飽和電流規定値（Isat又は耐電流値と称する）及び直流抵抗（DC Resistance，DCR又はコイル抵抗と称する）の三つのパラメーターを考慮する必要がある。通常、大きめのインダクタは小さめの直流抵抗、高めの効率及び大きめの飽和電流規定値を提供し、小さめのインダクタは小さめの回路基板面積を使用し、飽和電流規定値も小さめであるが、直流抵抗は大きめで、全体効率は低めとなる。また、使用周波数内において、インダクタの選択は高めのＱ値(Quality Factor)をも考慮する。上記を総合すると、インダクタの選択はいつも回路基板面積と効率の間で選択されることとなる。
インダクタはコイルとコア材からなり、それらの構造と材質は何れもインダクタの特性に影響を及ぼす。コア材の材質は空気、非磁性素材、金属磁性素材又はフェライト素材(ferrite)である。また構造上、サイズのニーズや加工に便利なように、インダクタの構造は表面粘着技術(Surface Mounting Technology，SMT、表面粘着装置(ＳＭＤ)とも称する)加工プラグラムに合せて設計され、こうしたインダクタは構造上、積層(multi-layer)タイプ、巻線(winding)タイプ及び薄膜(Thin Film)タイプの三種類に分けられる。
図１Ａに示すように、特許文献１はインダクタ構造とその製造方法を開示しており、インダクタ１のコイル（図示せず）は金属線材で螺旋巻線を製作して螺旋コイルを形成してから鋳型内部に設置し、磁性粉末（例：ノンフェライト）を充填して螺旋コイルを被覆しモールド成型を経て螺旋コイルを被覆するカバー２を形成する。そして螺旋コイルの両末端はそれぞれ導線フレームと接続してインダクタ１の二つの電極部３とする。また、カバー２の外表面には二つの収納溝４を具備して電極部３を折り曲げて嵌め込む（図１Ｂ参照）。上記のインダクタ１の構造には体積が小さくて耐電流値が高い特性が備わっている。
台湾発明特許公告第１２５６０６３号
然しながら、インダクタと回路基板のモジュールを組み合わせた際、例えば、インダクタを直流電源コンバータ(DC/DC converter)に使用する際、さらに高いインダクタ値、さらに大きな耐電流値(Isat)、さらに小さな直流抵抗、さらに高い周波数又はさらに良好な回路基板モジュールとの組み合わせ効率のようにさらに優れた特性が必要とされるが、サイズ拡大不可という制限がある。
本発明の目的は従来の問題を解決するインダクタ構造を提供することにある。
上記の目的を達するため、本発明に係る実施例のインダクタ構造はコイル、ノンフェライト層、二つの電極部、第一フェライト層及び第二フェライト層からなり、ノンフェライト層はコイルを被覆し、且つ対向する第一表面と第二表面を有し、両電極部はそれぞれコイルの両端と接続して電極部の一部がノンフェライト層から延伸しており、第一フェライト層はノンフェライト層の第一表面に近接して設置し、第二フェライト層はノンフェライト層の第二表面に近接して設置する。
図２Ａと図２Ｂは本発明に係るインダクタ構造の実施例を示しており、そのうち図２Ｂは図２Ａの側面図である。インダクタ構造１０はパワーインダクタ(power inductor又はpower choke)と称し、いわゆるパワーインダクタは耐電流値が高いインダクタ構造である。インダクタ構造１０はコイル(Coil)１７、第一磁性体、二つの電極部１３及び第二磁性体からなる。そのうち、コイル１７は両端を有し、本実施例ではコイル１７は巻線(winding)構造であり、詳述すると、絶縁被覆を有する金属線材を使用して中空の螺旋状巻線構造を焼成して形成する。しかしコイル１７の構造は積層(multi-layer)又は薄膜(Thin Film)構造であって、また金属線材の素材は金、銅若しくはその他の合金である。
本実施例では、第一磁性体はノンフェライト(Non-Ferrite)層１２で、ノンフェライト層１２はコイル１７を被覆して対向する第一表面１９ａと第二表面１９ｂを有し、ノンフェライト層１２は第一透磁率(permeability)を有する。ノンフェライト層１２の一部はコイル１７センター部位に充填してインダクタ構造１０の磁心(magnetic core)とすることができ、その他のノンフェライト層１２はコイル１７外部を被覆して閉磁路を形成する。またノンフェライト層１２は金属磁性素材(Metallic magnetic material)で、例えば純鉄(Fe)、Fe-Cr-Si合金(Fe-Cr-Si Alloy)或いはFe-Si合金(Fe-Si Alloy)グループの何れか一つ又はその組合せから選択することができる。本実施例では、ノンフェライト層１２は圧縮成型(Compression Molding)方式でコイル１７と一体成型するものの、この限りではない。ノンフェライト層１２は射出成型又はホットプレス成型のようなその他の方法で形成することもでき、さらには、コイル１７のコアに磁心を挿入して圧縮成型又は射出成型でコイル１７外部を被覆するノンフェライト層１２を形成することもできる。両電極部１３はそれぞれコイル１７の両端と接続し、且つ電極部１３の一部はノンフェライト層１２から延伸させる。電極部１３はコイル１７の両端に接続する導線フレームで形成し、又はコイル両端に機械加工を施して扁平な形に形成して電極１３とすることもできる。電極部１３は組合せたモジュール（図示せず）と電気接続する。
第二磁性体は少なくとも第一磁性体（即ちノンフェライト層１２）の第一表面１９ａ又は第二表面１９ｂに近接して設置し、第二磁性体は第二透磁率(permeability)を有し、且つ第二透磁率は第一透磁率より大きい。本実施例では、第二磁性体は第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂからなり、第一フェライト層１５ａはノンフェライト層１２の第一表面１９ａに近接して設置し、第二フェライト層１５ｂはノンフェライト層１２の第二表面１９ｂに近接して設置する。第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂの透磁率は同じか若しくは異なる。第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂはフェライト素材(Ferrite material)であって、例えばMnZnフェライト（MnZn Ferrite）、NiZnフェライト（NiZn Ferrite）の何れか一つ又はその組合せでよい。第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂのうちの一方のノンフェライト層１２から遠く離れた表面に二つの収納溝１４を設ける。本実施例では、収納溝１４は第一フェライト層１５ａの表面上に設ける。また、ノンフェライト層１２に延伸させた電極部１３はそれぞれノンフェライト層１２並びに第一フェライト層１５ａ表面に沿って折り曲げて、収納溝１４内に嵌め込むが、第一フェライト層１５ａには収納溝１４を設けなくてもよく（例：図３）、この状況では電極部１３はニーズに応じてインダクタ１０のその他の位置に折り曲げることもできる。
第一磁性体と第二磁性体との間に雲母シート、空気、エポキシ樹脂(Epoxy)或いは耐熱テープである非透磁層を設置することができる。本実施例では、非透磁層は第一粘着層１６ａと第二粘着層１６ｂからなり、第一粘着層１６ａは直接ノンフェライト層１２の第一表面１９ａと第一フェライト層１５ａとの間に設置し、第二粘着層１６ｂは直接ノンフェライト層１２の第二表面１９ｂと第二フェライト層１５ｂとの間に設置する。第一粘着層１６ａと第二粘着層１６ｂによって第二磁性体を第一磁性体上に固定することができる。第一粘着層１６ａと第二粘着層１６ｂの素材はエポキシ樹脂(Epoxy)である。然しながら、本発明はその他の方法で第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂを固定することもでき、例えば、図４Ａでは別の実施例を提供して、第一粘着層１６ａと第二粘着層１６ｂを省略し、切断面が略コ字形のホールド１８を増設して第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂの外表面を挟持し、第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂをそれぞれノンフェライト層１２の第一表面１９ａと第二表面１９ｂに固定する。このほか、図面を簡略にするために、図面には電極部１３と収納溝１４は表示していない。また、図４Ｂで示すように、第一フェライト層１５ａと第二フェライト層１５ｂはさらに各々収納溝１５１ａ、１５１ｂを含み、ホールド１８の両端を収納溝１５１ａ、１５１ｂ内に納置することで、ホールドの使用によってインダクタ構造の厚みが増さないようにする。
上記実施例のインダクタ構造１０は表面粘着技術(Surface Mounting Technology，SMT)を適用するもののこれに限定されない。また上記実施例のインダクタ構造１０の形状は立方体であるが、直方体、円柱体、楕円柱又はその他の形状でもよい。
ノンフェライト(Non-Ferrite)の特性は低めの透磁率(permeability)を有することで、耐え得る耐電流値が高めであるが直流抵抗が高く、一方、フェライト(ferrite)の特性は高めの透磁率(permeability)を有することで、直流抵抗が低いが耐え得る耐電流値が低い。しかし、あるモジュール（例：直流電源コンバータ(DC/DC converter)）は、大きめのインダクタ値、大きめの耐電流値、小さめの直流抵抗、高めの周波数及びさらに良好な回路基板モジュールとの組合せ効率が要求され、若しくは高電流では低インダクタ値を有し、低電流では高インダクタ値を有することが要求されるが、従来のノンフェライト素材或いはフェライト素材を採用しただけのインダクタ構造では到底上記のニーズを達成できない。しかし本発明がフェライト層を設置してノンフェライト層の一部に替えているのは、フェライト層が高透磁率であることによるもので、本発明のインダクタ構造１０のインダクタ値は、全てノンフェライト層で構成したインダクタ構造のインダクタ値より高く且つ直流抵抗値が小さめなことで、全体効率が高まるのである。最初と同様なインダクタ値の下で、本発明のインダクタ構造はコイル１７の巻き数を減らすことでインダクタ値を不変に保ち、またコイル１７の巻き数が減少したことによって、直流抵抗値も低下して、パワーロスを低減して効率を高める目的を達成することができる。
また、非透磁層を設けて非透磁層の厚みを適度に制御することによって、大電流の下で生じた磁場がフェライト層に伝送されると、フェライトのＢ−Ｈ曲線（即ち磁気ヒステリシス曲線）の非飽和エリアで作用することができ、これによりシステム全体を維持して固定したインダクタ値を増やすと同時に、インダクタ構造１０がさらに大きな耐電流値を有することでフェライト素材を採用したインダクタ構造が高電流の際にインダクタ値がゼロに近づく（即ち磁気飽和を生じる）という問題を解決することができる。図１Ａの従来構造（ノンフェライト素材を採用しただけ）と図２Ａの本発明の構造をソフトウェアでシミュレーションを行うと、結果は下の表１、表２、表３、図５及び図６のようになる。
Figure 2009088470
Figure 2009088470
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実験の結果から、本発明は従来と比較して高めのインダクタ値と耐電流値（即ち、飽和電流規定値）を有し、また図５（表１に対応）及び図６（表３に対応）から、本発明と従来のインダクタ構造のインダクタ値と電流との関係曲線は殆ど平行であり、且つ本発明の曲線は従来の曲線と比べて上方へ平行移動していることから、本発明が従来のノンフェライト素材を採用しただけの高耐電流値特性を具えると共に、インダクタ値をも高めることができることがわかる。
また、本発明の別途実施例では、単一のフェライト層１５ａ（図７Ａ参照）又は１５ｂ（図７Ｂ参照）を採用し、本実施例のソフトウェアでのシミュレーション結果は下記のとおりである。
Figure 2009088470
Figure 2009088470
実験の結果から、本発明は従来と比較して高めのインダクタ値と耐電流値を有し、また図６（表５に対応）が示すように、本発明と従来のインダクタ構造のインダクタ値と電流との関係曲線は殆ど平行であり、且つ本発明の曲線は従来の曲線と比べて上方へ平行移動していることから、本発明が従来のノンフェライト素材を採用しただけの高耐電流値特性を具えると共に、インダクタ値をも高めることができることをはっきりと示していることがわかる。
さらに、図１Ａの従来構造（ノンフェライト素材を採用しただけ）と図２Ａの本発明構造でもってソフトウェアでのシミュレーションを行い、また、両者の高さとコイル巻き数が同様で、本発明の非透磁層の厚みは全部で１００um、各フェライト層の厚みは０.２２５mmとすると、得られた結果は図９に示すように、図面から本発明のインダクタ構造のインダクタ値と耐電流値の特性が何れも従来のノンフェライト素材を採用しただけのインダクタ構造より優れていることがわかる。
図８は本発明に係るインダクタ構造１０の製造方法の実施例を示しているが、製造方法は、コイルを提供する（工程５０１）、コイルを内部に嵌め込んだ予め定めた形状のノンフェライト層を成型する（工程５０２）、フェライトプレートをノンフェライト層の表面にそれぞれ固定する（工程５０３）からなる。本好ましい実施例では、工程５０２は圧縮成型(Compression Molding)を利用してノンフェライト層１２を形成するが、その他の実施例でその他の方法によりノンフェライト層を形成することもでき、また工程５０２はさらにコイル１７を鋳型（図示せず）内に載置し、且つコイル１７の両端は鋳型から延伸して両電極部１３を形成し、磁性を帯びたノンフェライト粉末を鋳型内に充填してコイル１７を被覆して圧縮成型を行って、ノンフェライト粉末を予め定めた形状のノンフェライト層１２に形成する。そして工程５０３のフェライトプレートを固定する方法は粘着材でフェライトプレートを前記ノンフェライト層１２の表面に固定し、フェライトプレートは第一フェライト層１５ａ又は第二フェライト層１５ｂで、粘着材は第一粘着層１６ａ又は第二粘着層１６ｂであるが、その他の実施例ではホルダー１８の方法のようにその他の方法を用いてもよい。
以上の記述は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の請求項を限定するものではない。その他発明で開示した精神を逸脱しない範囲において完成した等価変更若しくは修正は、全て本案における請求項内に含まれるものとする。
従来のインダクタ構造の構成図である。 従来のインダクタ構造の構成図である。 本発明に係るインダクタ構造の実施例の構成図である。 図２Ａの側面図である。 本発明に係るインダクタ構造の別途実施例の構成図である。 本発明に係るインダクタ構造の別途実施例の側面図である。 本発明に係るインダクタ構造の別途実施例の側面図である。 本発明と従来のインダクタ構造のインダクタ値と電流の関係曲線である。 本発明と従来のインダクタ構造のインダクタ値と電流の関係曲線である。 本発明に係るインダクタ構造の別途実施例の構成図である。 本発明に係るインダクタ構造の別途実施例の構成図である。 本発明に係るインダクタ構造の実施例の製造フローチャートである。 本発明と従来のインダクタ構造のもう一つのインダクタ値と電流の関係曲線である。
符号の説明
１０ インダクタ構造
１２ ノンフェライト層
１３ 電極部
１４ 収納溝
１５ａ 第一フェライト層
１５１ａ 収納溝
１５ｂ 第二フェライト層
１５１ｂ 収納溝
１６ａ 第一粘着層
１６ｂ 第二粘着層
１７ コイル
１８ ホールド
１９ａ 第一表面
１９ｂ 第二表面

Claims (8)

  1. 両端を有するコイルと、
    前記コイルを被覆し対向する第一表面及び第二表面からなるノンフェライト層と、
    それぞれが前記コイルの両端と接続し前記電極部の一部が前記ノンフェライト層から延伸する二つの電極部と、
    前記ノンフェライト層の前記第一表面に近接して設置される第一フェライト層を含むことを特徴とするインダクタ構造。
  2. さらに前記ノンフェライト層の第一表面と前記第一フェライト層の間に設置される非透磁層を含むことを特徴とする請求項１に記載するインダクタ構造。
  3. 前記非透磁層は雲母シート、空気、エポキシ樹脂或いは耐熱テープであることを特徴とする請求項２に記載するインダクタ構造。
  4. さらに前記ノンフェライト層の前記第二表面に近接して設置される第二フェライト層を含むことを特徴とする請求項１に記載するインダクタ構造。
  5. さらに直接前記ノンフェライト層の第一表面と前記第一フェライト層の間に設置される第一粘着層並びに直接前記ノンフェライト層の第二表面と前記第二フェライト層の間に設置される第二粘着層とを含むことを特徴とする請求項４に記載するインダクタ構造。
  6. さらに前記第一フェライト層の外表面に挟持されるホールドを含むことを特徴とする請求項１に記載するインダクタ構造。
  7. 前記ノンフェライト層は第一透磁率を有し、前記第一フェライト層は第二透磁率を有し、前記第二透磁率は前記第一透磁率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載するインダクタ構造。
  8. 前記第一フェライト層はMnZnフェライト層若しくはNiZnフェライト層の何れか一つ又はその組合せから選択し、前記ノンフェライト層は純鉄(Fe)、Fe-Cr-Si合金(Fe-Cr-Si Alloy)或いはFe-Si合金(Fe-Si Alloy)グループの何れか一つ又はその組合せから選択されることを特徴とする請求項１に記載するインダクタ構造。
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