JP2014168038A - 磁芯、インダクタ、及びインダクタを備えたモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モジュール10は、回路基板200とインダクタ300とを備えている。回路基板は、上下方向において互いに反対側に位置する対向面220と反対面230とを有している。インダクタは、磁芯310とコイル350とを有している。磁芯は、軟磁性金属材料を使用して形成されている。磁芯は、上下方向において互いに反対側に位置する対向面320と放熱面330とを有している。磁芯の対向面は、回路基板の対向面と上下方向において対向するように配置されている。磁芯の放熱面は、モジュールの外部に放熱可能に配置されている。コイルは、コイル部360と接続端372とを有している。コイル部は、磁芯の少なくとも一部を巻回している。接続端は、回路基板の対向面に接続されている。
【選択図】図1
Description
回路基板とインダクタとを備えたモジュールであって、
前記回路基板は、上下方向において互いに反対側に位置する対向面と反対面とを有しており、
前記インダクタは、磁芯とコイルとを有しており、前記磁芯は、軟磁性金属材料を使用して形成されており、前記磁芯は、前記上下方向において互いに反対側に位置する対向面と放熱面とを有しており、前記磁芯の前記対向面は、前記回路基板の前記対向面と前記上下方向において対向するように配置されており、前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部に放熱可能に配置されており、前記コイルは、コイル部と接続端とを有しており、前記コイル部は、前記磁芯の少なくとも一部を巻回しており、前記接続端は、前記回路基板の前記対向面に接続されている
モジュールが得られる。
前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部に少なくとも部分的に露出している
モジュールが得られる。
前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部の冷却用部材と少なくとも部分的に接触している
モジュールが得られる。
前記磁芯は、弾性変形可能に形成されており、前記磁芯には、貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、前記貫通孔の内壁を弾性変形させるようにして、前記貫通孔を貫通しており、前記インダクタは、前記貫通孔の前記内壁が前記コイル部に加える押圧力によって保持されている
モジュールが得られる。
放熱部材を更に備えており、
前記放熱部材は、前記磁芯の前記放熱面に取り付けられている
モジュールが得られる。
熱伝導体からなる連結部材を更に備えており、
前記連結部材は、前記磁芯を経由して前記放熱部材と前記回路基板とを連結している
モジュールが得られる。
前記放熱部材は、前記モジュールの外部の冷却用部材と少なくとも部分的に接触している
モジュールが得られる。
前記回路基板の前記対向面に電子部品が搭載されている
モジュールが得られる。
前記回路基板の前記対向面に電子部品が搭載されていない
モジュールが得られる。
前記モジュールは、前記モジュールの外部に電力を供給する電力モジュールである
モジュールが得られる。
前記軟磁性金属材料は、扁平形状を有する軟磁性金属粉末であり、
前記磁芯は、前記軟磁性金属粉末を、絶縁性材料で結着させて形成されている
モジュールが得られる。
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に55体積%以上含まれている
モジュールが得られる。
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に60体積%以上含まれている
モジュールが得られる。
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に70体積%以上含まれている
モジュールが得られる。
前記磁芯は、10KΩ・cm以上の電気抵抗率を有する
モジュールが得られる。
扁平形状を有する軟磁性金属粉末をバインダ成分によって結着させた磁芯であり、弾性を有する磁芯であって、
60体積%以上の前記軟磁性金属粉末と、10体積%以上かつ25体積%以下の空孔とを含んでおり、
前記バインダ成分は、酸化ケイ素を主成分としている
磁芯が得られる。
ISO7916−typeDによるゴム硬度が、92以上かつ96以下である
磁芯が得られる。
ヤング率が10GPa以上かつ90Gpa以下である
磁芯が得られる。
ヤング率が20GPa以上かつ50Gpa以下である
磁芯が得られる。
10KΩ・cm以上の電気抵抗率を有する
磁芯が得られる。
1MHzの周波数における比透磁率の実数成分が100以上である
磁芯が得られる。
前記軟磁性金属粉末は、Fe系合金からなる
磁芯が得られる。
前記軟磁性金属粉末は、Fe−Si系合金からなる
磁芯が得られる。
前記軟磁性金属粉末は、Fe−Si−Al系合金又はFe−Si−Cr系合金からなる
磁芯が得られる。
平板形状を有しており、
前記平板形状の厚さは、1mm以下である
磁芯が得られる。
複数の第10の磁芯を磁芯部品として備える磁芯であって、
複数の前記磁芯部品が接着剤を介して積層されている
磁芯が得られる。
表面の少なくとも一部が絶縁樹脂によって覆われており、
前記絶縁樹脂の一部は、前記磁芯の表層に含浸している
磁芯が得られる。
0.5T以上の飽和磁束密度を有する
磁芯が得られる。
第1乃至第13の磁芯のいずれかと、コイルとを備えたインダクタであって、
前記コイルは、コイル部と接続端とを有している
インダクタが得られる。
前記磁芯には、貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、貫通部を有しており、
前記貫通部は、前記貫通孔を貫通している
インダクタが得られる。
前記磁芯には、複数の前記貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、複数の前記貫通部と、連結導体とを有しており、
前記連結導体は、前記磁芯の上面又は下面において前記貫通部の端部を連結するようにして、前記磁芯に取り付けられており、
前記連結導体を前記磁芯に取り付けた後の前記磁芯の厚さは、前記連結導体を前記磁芯に取り付ける前の前記磁芯の厚さに比べて、2.5%以上かつ5.0%以下減少しており、
前記コイル部を前記磁芯から外すと、前記磁芯の厚さは、前記連結導体を前記磁芯に取り付ける前の厚さに近づくように回復する
インダクタが得られる。
前記コイルの前記貫通部は、前記貫通孔の内壁を弾性変形させるようにして、前記貫通孔を貫通しており、前記コイルは、前記貫通孔の前記内壁が前記貫通部に加える押圧力によって保持されている
インダクタが得られる。
前記コイルは、絶縁被覆を有していない
インダクタが得られる。
図1に示されるように、本発明の第1の実施の形態によるモジュール(電源モジュール)10は、回路基板200と、インダクタ300とを備えている。本実施の形態によるモジュール10は、例えば電子機器(図示せず)に搭載されてモジュールの外部に電力を供給する電力モジュール10である。但し、本発明は、電力モジュール10以外のモジュールに適用可能である。
図1及び図10から理解されるように、本発明の第2の実施の形態によるモジュール(電源モジュール)10Aは、第1の実施の形態によるモジュール10(図1参照)の変形である。モジュール10Aは、モジュール10と同じ回路基板200と、モジュール10のインダクタ300と少し異なるインダクタ300Aと、モジュール10が備えていない放熱部材400、複数の(本実施の形態によれば4つの)連結部材500及びコーティング600を備えている。以下、モジュール10Aとモジュール10との相違点を中心に説明する。
図10及び図12から理解されるように、本発明の第3の実施の形態によるモジュール(電源モジュール)10Bは、第2の実施の形態によるモジュール10A(図10参照)の変形である。モジュール10Bは、回路基板200と少し異なる回路基板200Bと、モジュール10Aと同様のインダクタ300A、放熱部材400、連結部材500及びコーティング600を備えている。以下、モジュール10Bとモジュール10Aとの相違点を中心に説明する。
図5及び図14から理解されるように、第4の実施の形態によるインダクタ300X及び磁芯310Xは、第1の実施の形態によるインダクタ300及び磁芯310の変形例である。即ち、インダクタ300X及び磁芯310Xは、インダクタ300及び磁芯310と同様の構造及び機能を有している。以下、インダクタ300X及び磁芯310Xについて、第1の実施の形態よりも更に詳しく説明する。
予備成型体の材料として、軟磁性金属粉末を使用した。より具体的には、Fe−Si−Cr系合金の水アトマイズ粉末を用いた。粉末は、3.5重量%のSiと、2重量%のCrとを含んでいた。また、粉末は、33μmの平均粒径(D50)を有していた。ボールミルを用いて、粉末を扁平化した。詳しくは、粉末に8時間の鍛造加工を施した後、窒素雰囲気中で800℃、3時間の熱処理を加え、これにより扁平形状のFe−Si−Cr粉末を得た。次に、扁平形状の粉末に、溶媒、増粘剤及び熱硬化性バインダ成分を混合してスラリーを作製した。溶媒としては、エタノールを使用した。増粘剤としては、ポリアクリル酸エステルを使用した。熱硬化性バインダ成分としては、メチルフェニル系シリコーンレジンを使用した。ポリアクリル酸エステルの添加量は、扁平形状の粉末に対して3重量%であり、メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分の添加量は、扁平形状の粉末に対して4重量%だった。ダイスロット法によりPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上にスラリーを塗布した。その後、60℃で1時間乾燥して溶媒を除去し、これにより予備成型体を作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横30mm、縦30mmの正方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、2MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施して、加圧成型後の成型体を得た。このとき、シートの積層枚数(所定枚数)を変えることで、様々な厚さを有する11枚の成型体を作製した。例えば、1mmの厚さを有する成型体は、30枚程度のシートから作製された。成型体に、大気中で550℃、2時間の熱処理を加え、これにより11枚の平板を作製した。この熱処理により、増粘剤は、ほぼ完全に熱分解し、平板中に残らなかった。また、この熱処理により、メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分は、酸化ケイ素を主成分とするガラス質からなるバインダ成分(熱処理後のバインダ成分)となり、加熱減量した。メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分の加熱減量は、例えば大気中で550℃、1時間の熱処理を加えた場合、20重量%だった。
作製した平板の成形密度を、アルキメデス法により測定した。具体的には、扁平形状の粉末のみの真密度は7.6g/cm3と算定し、メチルフェニル系シリコーンレジンの硬化後の密度は、1.3g/cm3と算定した。これらの数値から、平板について、金属成分の体積充填率と、熱処理後のバインダ成分の体積充填率と、空孔率とを計算した。また、平板の四方の側面を目視により観察し、クラックの発生率を調査した。
予備成型体の材料として、軟磁性金属粉末を使用した。より具体的には、Fe−Si−Cr系合金の水アトマイズ粉末を用いた。粉末は、3.5重量%のSiと、2重量%のCrとを含んでいた。また、粉末は、33μmの平均粒径(D50)を有していた。ボールミルを用いて、粉末を扁平化した。詳しくは、粉末に8時間の鍛造加工を施した後、窒素雰囲気中で800℃、3時間の熱処理を加え、これにより扁平形状のFe−Si−Cr粉末を得た。次に、扁平形状の粉末に、溶媒、増粘剤及び熱硬化性バインダ成分を混合してスラリーを作製した。溶媒としては、エタノールを使用した。増粘剤としては、ポリアクリル酸エステルを使用した。熱硬化性バインダ成分としては、メチルフェニル系シリコーンレジンを使用した。このとき、メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分の添加量として、扁平形状の粉末に対して2重量%から20重量%の間の11種類の値を使用した。ダイスロット法によりPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上にスラリーを塗布した。その後、60℃で1時間乾燥して溶媒を除去し、これによりメチルフェニル系シリコーンレジンの添加量が異なる11種類の予備成型体を作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横30mm、縦30mmの正方形の複数枚のシートを得た。メチルフェニル系シリコーンレジンの添加量が同じである所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、2MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施して、加圧成型後の成型体を得た。このとき、メチルフェニル系シリコーンレジンの添加量が異なる11種類の成型体を作製した。また、成型体は、1種類につき15枚作製した。成型体に、窒素雰囲気中で550℃、1時間の熱処理を加え、これによりメチルフェニル系シリコーンレジンの添加量が異なる11種類×15枚の平板を作製した。平板の夫々の厚さは、0.7mmだった。この熱処理により、増粘剤は、ほぼ完全に熱分解し、平板中に残らなかった。また、この熱処理により、メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分は、酸化ケイ素を主成分とするガラス質からなるバインダ成分(熱処理後のバインダ成分)となり、加熱減量した。メチルフェニル系シリコーンレジンの固形分の加熱減量は、例えば大気中で550℃、1時間の熱処理を加えた場合、20重量%だった。
作製した平板の成形密度を、アルキメデス法により測定した。具体的には、扁平形状の粉末のみの真密度は7.6g/cm3と算定し、メチルフェニル系シリコーンレジンの硬化後の密度は、1.3g/cm3と算定した。これらの数値から、平板について、金属成分の体積充填率と、熱処理後のバインダ成分の体積充填率と、空孔率とを計算した。
11種類×15枚の平板から、11種類×5枚の積層体を夫々作製した。即ち、メチルフェニル系シリコーンレジンの添加量が同一である3枚の平板から、1枚の積層体を作製した。詳しくは、まず、3枚の平板を、接着剤を介して積層した。接着剤としては、一液性エポキシ樹脂(レジナス化成S−71)を使用した。次に、積層した平板を鏡面研磨した後、10mmの厚さを有する二枚のステンレス板の間に挟んだ。次に、積層した平板を、ステンレス板を介して加圧した。詳しくは、油圧プレス機を使用して、積層した平板に、170℃の温度下において15MPaの圧力で3時間の加圧を施し、平板を接着した。上述の方法により、各種類の15枚の平板から5枚の積層体を作製した。接着が完了した後、積層体の四方の側面を目視により観察し、クラックの発生率を調査した。
予備成型体の材料として、軟磁性金属粉末を使用した。より具体的には、Fe−Si−Al系合金(センダスト)のガスアトマイズ粉末を用いた。粉末は、55μmの平均粒径(D50)を有していた。ボールミルを用いて、粉末を扁平化した。詳しくは、粉末に8時間の鍛造加工を施した後、窒素雰囲気中で700℃、3時間の熱処理を加え、これにより扁平形状のセンダスト粉末を得た。次に、扁平形状のセンダスト粉末に、溶媒、増粘剤及び熱硬化性バインダ成分を混合してスラリーを作製した。溶媒としては、エタノールを使用した。増粘剤としては、ポリビニルブチラールを使用した。熱硬化性バインダ成分としては、メチルフェニル系シリコーンレジンを使用した。ダイスロット法によりPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上にスラリーを塗布した。その後、60℃で1時間乾燥して溶媒を除去し、これにより予備成型体を作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横30mm、縦30mmの正方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、200MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧成型後の成型体の厚さは、0.25mmだった。加圧成型後の成型体に、窒素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理を加え、これにより平板を作製した。
作製した平板は、4.9g/cm3の密度と、10KΩ・cm以上の体積抵抗率とを有していた。平板の密度から、平板中の金属材料(即ち、軟磁性金属粉末)の体積充填率を求めた。金属材料の体積充填率は、約67%だった。平板を、厚さ1.5mm、縦50mm、横50mmの2枚のガラスエポキシ基板(FR−4)の間に挟み、100MPaの圧力で加圧した。このとき、平板は、全く破損しなかった。このように、作製した平板は、Ni−Zn系フェライト等の従来のセラミック系の磁芯材料とは異なり、平板の平面に垂直な外力に対して、極めて高い強度を有していた。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横15mm、縦11mmの長方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、200MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧成型後の成型体(即ち、平板)の厚さは、0.9mmだった。
図16に示されるように、加圧成型後の成型体を使用して、実施例1のインダクタの磁芯を作製した。詳しくは、成型体の所定の位置に、ドリル切削にて直径0.8mmの4つのビアホール(即ち、貫通孔)を設けた。次に、成型体に、窒素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理を加え、これにより磁芯を作製した。作製した磁芯は、4.9g/cm3の密度と、10KΩ・cm以上の体積抵抗率とを有していた。磁芯の密度から、磁芯中の金属材料(軟磁性金属粉末)の体積充填率を求めた。金属材料の体積充填率は、約67%だった。
市販の3種類のNi−Zn系フェライト焼結体(磁芯材料1〜3)を、比較例1〜3のインダクタの磁芯として夫々使用した。詳しくは、磁芯材料1〜3の1MHzにおける比透磁率の実数成分は、夫々200、260及び550だった。また、磁芯材料1〜3の夫々は、10KΩ・cm以上の体積抵抗率を有していた。磁芯材料1〜3の夫々が横15mm、縦11mm、厚さ0.9mmの平板形状を有するように、切断加工および厚み方向の研磨を施した。図16に示されるように、平板形状の焼結体の所定の位置に、超音波加工により直径0.8mmの4つのビアホール(即ち、貫通孔)を設けた。以上のようにして、比較例1〜3の磁芯を作製した。比較例1〜3の磁芯は、Ni−Zn系フェライトを材料としているため、良好な高周波特性を有していた。
図16に示されるように、直径0.8mm、長さ1.8mmを有し、絶縁皮膜を有さない円柱形状の銅線を作製した。作製した銅線を、ビアホールに挿入するビア導体(即ち、コイルの貫通部)として使用した。また、幅2mm、厚さ0.3mmを有し、絶縁皮膜を有さない銅板からコイルの連結導体を作製した。詳しくは、銅板を、所定の長さを有するように切断した。切断した銅版の所定の位置に、ドリル切削にて直径0.8mmの孔を設けた。
図16及び図17から理解されるように、実施例1の磁芯のビアホールに、ビア導体を挿入した。連結導体を、連結導体の孔がビア導体と重なるようにして、磁芯の上下に配置した。以上のように配置した磁芯、ビア導体及び連結導体を、2枚のステンレス板の間に挟んだ。ステンレス板に15kgfの圧力を加えて、ビア導体と連結導体とを接合した。ビア導体のうち連結導体との接合部は、圧力により変形していた。詳しくは、ビア導体の接合部の直径は、初期の直径0.8mmよりも大きくなっていた。図17に示されるように、以上のようにして実施例1のインダクタを作製した。実施例1のインダクタと同様に、比較例1〜3のインダクタを作製した。
実施例1及び比較例1〜3のインダクタの夫々について、1MHzのインダクタンス及びインダクタンスの周波数特性を測定した。1MHzのインダクタンスは、アジレント・テクノロジー株式会社のLCRメーター(HP4284A)を用いて測定した。インダクタンスの周波数特性は、アジレント・テクノロジー株式会社のインピーダンスアナライザー(4294A)を用いて測定した。図19に示されるように、本発明の実施例1のインダクタは、Ni−Zn系フェライトインダクタと同程度のインダクタンスを有している。また、実施例1のインダクタには、4MHz程度まで渦電流損失等によるインダクタンスの低下が生じていない。更に、良好な高周波特性を有する比較例1〜3のインダクタンスのいずれと比較しても、同等以上の高周波まで高いインダクタンスを有している。
図20に示されるように、本発明の実施例1のインダクタは、比較例1〜3のインダクタと比較して、バイアス電流が大きい場合に顕著に優れたインダクタンスを有している。例えば、バイアス電流が5Aであるとき、実施例1のインダクタは、比較例1〜3の夫々のインダクタと比較して、概ね2倍程度のインダクタンスを有している。実施例1のインダクタの磁芯は、Ni−Zn系フェライトよりも高い飽和磁束密度を有する金属粉末から作製されているため、上述のような大きなインダクタンスを有している。以上の説明から理解されるように、実施例1のインダクタは、大電流を通電してもインダクタンスが低下しにくい、大電流通電に適したインダクタである。
実施例1及び比較例1〜3のインダクタの夫々の磁芯について、熱伝導率を測定した。熱伝導率は、アルバック理工株式会社製のFTC−1を用いて測定した。実施例1の磁芯の熱伝導率は、7.5W/m・Kだった。一方、比較例1〜3の磁芯の熱伝導率は、3.5〜4.5W/m・Kだった。従って、実施例1の磁芯の熱伝導率は、比較例1〜3の磁芯の熱伝導率の約2倍だった。
予備成型体の材料として、軟磁性金属粉末を使用した。より具体的には、Fe−Si−Al系合金(センダスト)のガスアトマイズ粉末を用いた。粉末は、55μmの平均粒径(D50)を有していた。ボールミルを用いて、粉末を扁平化した。詳しくは、粉末に8時間の鍛造加工を施した後、窒素雰囲気中で700℃、3時間の熱処理を加え、これにより扁平形状のセンダスト粉末を得た。次に、扁平形状のセンダスト粉末に、溶媒、増粘剤及び熱硬化性バインダ成分を混合してスラリーを作製した。溶媒としては、エタノールを使用した。増粘剤としては、ポリアクリル酸エステルを使用した。熱硬化性バインダ成分としては、メチル系シリコーンレジンを使用した。ダイスロット法によりPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上にスラリーを塗布した。その後、60℃で1時間乾燥して溶媒を除去し、これにより予備成型体を作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横15mm、縦11mmの長方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、20kg/cm2の成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧成型後の成型体(即ち、平板)の厚さは、0.9mmだった。
図16に示されるように、加圧成型後の成型体を使用して、実施例2のインダクタの磁芯を作製した。詳しくは、成型体の所定の位置に、ドリル切削にて直径0.8mmの4つのビアホール(即ち、貫通孔)を設けた。次に、成型体に、窒素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理を加え、これにより磁芯を作製した。作製した磁芯は、4.9g/cm3の密度と、10KΩ・cm以上の体積抵抗率とを有していた。磁芯の密度から、磁芯中の金属材料(軟磁性金属粉末)の体積充填率を求めた。金属材料の体積充填率は、約67%だった。
図16及び図17から理解されるように、実施例2の磁芯のビアホールに、ビア導体を挿入した。ビア導体としては、実施例1と同様に、絶縁被膜を有さない銅線を使用した。連結導体を、連結導体の孔がビア導体と重なるようにして、磁芯の上下に配置した。連結導体としては、実施例1と同様に、絶縁被膜を有さない銅板を使用した。以上のように配置した磁芯、ビア導体及び連結導体を、2枚のステンレス板の間に挟んだ。ステンレス板に15kgfの圧力を加えて、ビア導体と連結導体とを接合した。ビア導体のうち連結導体との接合部は、圧力により変形していた。詳しくは、ビア導体の接合部の直径は、初期の直径0.8mmよりも大きくなっていた。上述のように作製したインダクタに、窒素雰囲気で650℃、1時間の熱処理を加えた。熱処理の結果、ビア導体と連結導体との接合部は拡散接合され、これにより接合部における電気抵抗が低下した。図17に示されるように、以上のようにして実施例2のインダクタを作製した。
比較例1〜3のインダクタから、比較例4〜6のインダクタを夫々作製した。詳しくは、実施例2のインダクタと同様に、比較例1〜3のインダクタに、窒素雰囲気で650℃、1時間の熱処理を加え、これにより比較例4〜6のインダクタを夫々作製した。
実施例2及び比較例4〜6のインダクタの夫々について、1MHzのインダクタンス及びインダクタンスの周波数特性を測定した。1MHzのインダクタンスは、アジレント・テクノロジー株式会社のLCRメーター(HP4284A)を用いて測定した。インダクタンスの周波数特性は、アジレント・テクノロジー株式会社のインピーダンスアナライザー(4294A)を用いて測定した。
図21に示されるように、本発明の実施例2のインダクタは、Ni−Zn系フェライトインダクタと同程度のインダクタンスを有している。また、実施例2のインダクタには、1MHz程度まで渦電流損失等によるインダクタンスの低下が生じていない。更に、良好な高周波特性を有する比較例4〜6のインダクタンスのいずれと比較しても、同等以上の高周波まで高いインダクタンスを有している。また、実施例2の測定結果から、ビア導体及び連結導体から形成されたコイル部と、実施例2の磁芯とが互いに密着した状態で高温での熱処理を行っても、コイル部がショートしないことが分かる。
図22及び表4に示されるように、本発明の実施例2のインダクタは、比較例4〜6のインダクタ(Ni−Zn系フェライト磁芯を用いたインダクタ)と比較して、バイアス電流を大きくしたときのインダクタンスが顕著に優れていることが分かる。具体的には、例えばバイアス電流を5Aとしたときのインダクタンスの値は、比較例4乃至6のインダクタと比較して、概ね2倍程度である。これは、Ni−Zn系フェライトと比較して高い飽和磁束密度を有する金属粉末を磁芯材料として用いているためである。本発明の実施例2の構成を有するインダクタは、大電流を通電してもインダクタンスが低下しにくい、大電流通電に適したインダクタであることが分かる。
予備成型体の材料として、軟磁性金属粉末を使用した。より具体的には、Fe−Si−Al系合金(センダスト)のガスアトマイズ粉末を用いた。粉末は、55μmの平均粒径(D50)を有していた。ボールミルを用いて、粉末を扁平化した。詳しくは、粉末に8時間の鍛造加工を施した後、窒素雰囲気中で700℃、3時間の熱処理を加え、これにより扁平形状のセンダスト粉末を得た。作製した粉末(扁平金属粉末)の平均長径(Da)、平均最大厚さ(ta)及び平均アスペクト比(Da/ta)を測定した。詳しくは、扁平金属粉末に樹脂を含浸して硬化させ、硬化体を作製した。次に、硬化体を研磨した。次に、走査電子顕微鏡を使用して研磨面上に位置する扁平金属粉末の形状を観察した。具体的には、30個の扁平金属粉末について、長径(D)と、最も厚い部位の厚さ(t)とを測定し、アスペクト比(D/t)を計算した。得られたアスペクト比(D/t)を平均して、平均アスペクト比(Da/ta)を得た。扁平金属粉末の平均長径(Da)は60μmであり、平均最大厚さ(ta)は3μmだった。また、平均アスペクト比(Da/ta)は20だった。
(実施例3及び実施例4の磁芯用の予備成型体の作製)
次に、扁平形状のセンダスト粉末に、溶媒、増粘剤及び熱硬化性バインダ成分を混合してスラリーを作製した。溶媒としては、エタノールを使用した。増粘剤としては、ポリアクリル酸エステルを使用した。熱硬化性バインダ成分としては、メチル系シリコーンレジンを使用した。ダイスロット法によりPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上にスラリーを塗布した。その後、60℃で1時間乾燥して溶媒を除去し、これにより予備成型体を作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横15mm、縦11mmの長方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、2MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧成型後の成型体(即ち、平板)の厚さは、0.9mmだった。
図16に示されるように、加圧成型後の成型体を使用して、実施例3のインダクタの磁芯を作製した。詳しくは、成型体の所定の位置に、ドリル切削にて直径0.8mmの4つのビアホール(即ち、貫通孔)を設けた。次に、成型体に、窒素雰囲気中で650℃、1時間の熱処理を加え、これにより磁芯を作製した。作製した磁芯は、4.9g/cm3の密度と、10KΩ・cm以上の体積抵抗率とを有していた。磁芯の密度から、磁芯中の金属材料(軟磁性金属粉末)等の体積充填率を求めた。金属材料の体積充填率は、約67%だった。また、メチル系シリコーンレジンの硬化後成分(即ち、酸化ケイ素を主成分とするガラス質からなるバインダ成分)の体積充填率は約18%であり、空孔率は、約15%だった。増粘剤は、熱処理によってほぼ完全に熱分解し、磁芯中には残らなかった。
図16及び図17に示されるように、実施例1及び実施例2のインダクタと同様に、実施例3のインダクタを作製した。
予備成型体を、抜型を用いてカットし、これにより横15mm、縦11mmの長方形の複数枚のシートを得た。所定枚数のシートを積層して金型に入れた。金型中のシートに、150℃の温度下において、2MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧成型後の成型体(即ち、平板)の厚さは、0.9mmだった。次に、成型体に、窒素雰囲気中で650℃、1時間の熱処理を加えて、実施例4の磁芯を作製した。
図18(a)に示されるように、0.3ミリの厚さを有するプリプレグを用意した。プリプレグには、横15mm、縦11mmの長方形の孔が形成されていた。このプリプレグを3枚積み重ねて、0.9ミリの厚さを有するプリプレグを作製した。実施例4の磁芯を、プリプレグの孔の内部に配置した。図18(b)に示されるように、0.5mmの厚さを有する樹脂基板を用意した。樹脂基板は、片面基銅箔板だって。詳しくは、樹脂基板の一方の面に、銅箔の導体パターンが形成されていた。2枚の樹脂基板を、導体パターンが上面及び下面に位置するようにして、プリプレグ及び磁芯の上下に夫々配置して、積層体を作製した。次に、積層体に、180℃の温度下において、3MPaの成型圧力で1時間の加圧成型を施した。加圧後の積層体を使用して、実施例4のインダクタを作製した。詳しくは、積層体の所定の位置(図16参照)に、ドリル切削にて直径0.8mmの4つのビアホール(即ち、貫通孔)を設けた。ビアホールに、直径0.8mmの銅製のビア導体を挿入した。ビア導体と、樹脂基板の導体パターンとを、半田付けによって接合し、これにより、実施例4のインダクタンスを作製した。以上の説明から理解されるように、実施例4のインダクタンスの磁芯は、プリプレグを含む積層樹脂基板の内部に配置されていた。
実施例3、4のインダクタの夫々について、1MHzのインダクタンス及びインダクタンスの周波数特性を測定した。1MHzのインダクタンスは、アジレント・テクノロジー株式会社のLCRメーター(HP4284A)を用いて測定した。インダクタンスの周波数特性は、アジレント・テクノロジー株式会社のインピーダンスアナライザー(4294A)を用いて測定した。
図23に示されるように、本発明の実施例4のインダクタは、Ni−Zn系フェライトインダクタと同程度のインダクタンスを有している。また、実施例4のインダクタには、1MHz程度まで渦電流損失等によるインダクタンスの低下が生じていない。更に、良好な高周波特性を有する比較例1〜3のインダクタンスのいずれと比較しても、同等以上の高周波まで高いインダクタンスを有している。
図24に示されるように、本発明の実施例4のインダクタは、比較例1〜3のインダクタ(Ni−Zn系フェライト磁芯を用いたインダクタ)と比較して、バイアス電流を大きくしたときのインダクタンスが顕著に優れていることが分かる。具体的には、例えばバイアス電流を5Aとしたときのインダクタンスの値は、比較例1乃至3のインダクタと比較して、概ね2倍程度である。これは、Ni−Zn系フェライトと比較して高い飽和磁束密度を有する金属粉末を磁芯材料として用いているためである。本発明の実施例4の構成を有するインダクタは、大電流を通電してもインダクタンスが低下しにくい、大電流通電に適したインダクタであることが分かる。
更に、図23及び図24に示されるように、実施例4のインダクタは、実施例3のインダクタと異なり積層樹脂基板に磁芯を内蔵しているにも係らず、実施例3のインダクタと殆ど同じ磁気特性を有している。即ち、本発明による磁芯は、基板の間に挟み込む際の加圧によって損傷しないだけでなく、優れた磁気特性が、基板の間に挟み込んだ後も維持されている。
200,200B 回路基板
210 側壁部
220 対向面
230 反対面
240 電子部品
250 接続端
260 端子
300,300A,300X インダクタ
310,310A,310X 磁芯
312 軟磁性金属粉末(軟磁性金属材料)
314 バインダ(絶縁性材料)
314X バインダ成分
318X 空孔
320 対向面
330 放熱面
340 貫通孔
342 内壁
346,346X 保持孔
350 コイル
360 コイル部
362 貫通部(ビア導体)
364 第1連結部(連結導体)
366 第2連結部(連結導体)
370 接続部
372 接続端
400 放熱部材
410 保持孔
500 連結部材
600 コーティング
800 外部回路基板
810 冷却用部材
820X スペーサ
822X 本体部
824X 被保持部
ISO7619−typeDによるゴム硬度が、92以上かつ96以下である
磁芯が得られる。
Claims (33)
- 回路基板とインダクタとを備えたモジュールであって、
前記回路基板は、上下方向において互いに反対側に位置する対向面と反対面とを有しており、
前記インダクタは、磁芯とコイルとを有しており、前記磁芯は、軟磁性金属材料を使用して形成されており、前記磁芯は、前記上下方向において互いに反対側に位置する対向面と放熱面とを有しており、前記磁芯の前記対向面は、前記回路基板の前記対向面と前記上下方向において対向するように配置されており、前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部に放熱可能に配置されており、前記コイルは、コイル部と接続端とを有しており、前記コイル部は、前記磁芯の少なくとも一部を巻回しており、前記接続端は、前記回路基板の前記対向面に接続されている
モジュール。 - 請求項1記載のモジュールであって、
前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部に少なくとも部分的に露出している
モジュール。 - 請求項1又は請求項2記載のモジュールであって、
前記磁芯の前記放熱面は、前記モジュールの外部の冷却用部材と少なくとも部分的に接触している
モジュール。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のモジュールであって、
前記磁芯は、弾性変形可能に形成されており、前記磁芯には、貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、前記貫通孔の内壁を弾性変形させるようにして、前記貫通孔を貫通しており、前記インダクタは、前記貫通孔の前記内壁が前記コイル部に加える押圧力によって保持されている
モジュール。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のモジュールであって、
放熱部材を更に備えており、
前記放熱部材は、前記磁芯の前記放熱面に取り付けられている
モジュール。 - 請求項5記載のモジュールであって、
熱伝導体からなる連結部材を更に備えており、
前記連結部材は、前記磁芯を経由して前記放熱部材と前記回路基板とを連結している
モジュール。 - 請求項5又は請求項6記載のモジュールであって、
前記放熱部材は、前記モジュールの外部の冷却用部材と少なくとも部分的に接触している
モジュール。 - 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のモジュールであって、
前記回路基板の前記対向面に電子部品が搭載されている
モジュール。 - 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のモジュールであって、
前記回路基板の前記対向面に電子部品が搭載されていない
モジュール。 - 請求項1乃至請求項9のいずれかに記載のモジュールであって、
前記モジュールは、前記モジュールの外部に電力を供給する電力モジュールである
モジュール。 - 請求項1乃至請求項10のいずれかに記載のモジュールであって、
前記軟磁性金属材料は、扁平形状を有する軟磁性金属粉末であり、
前記磁芯は、前記軟磁性金属粉末を、絶縁性材料で結着させて形成されている
モジュール。 - 請求項11記載のモジュールであって、
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に55体積%以上含まれている
モジュール。 - 請求項11記載のモジュールであって、
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に60体積%以上含まれている
モジュール。 - 請求項11記載のモジュールであって、
前記軟磁性金属粉末は、前記磁芯中に70体積%以上含まれている
モジュール。 - 請求項11乃至請求項14のいずれかに記載のモジュールであって、
前記磁芯は、10KΩ・cm以上の電気抵抗率を有する
モジュール。 - 扁平形状を有する軟磁性金属粉末をバインダ成分によって結着させた磁芯であり、弾性を有する磁芯であって、
60体積%以上の前記軟磁性金属粉末と、10体積%以上かつ25体積%以下の空孔とを含んでおり、
前記バインダ成分は、酸化ケイ素を主成分としている
磁芯。 - 請求項16記載の磁芯であって、
ISO7916−typeDによるゴム硬度が、92以上かつ96以下である
磁芯。 - 請求項16又は請求項17記載の磁芯であって、
ヤング率が10GPa以上かつ90Gpa以下である
磁芯。 - 請求項18記載の磁芯であって、
ヤング率が20GPa以上かつ50Gpa以下である
磁芯。 - 請求項16乃至請求項19のいずれかに記載の磁芯であって、
10KΩ・cm以上の電気抵抗率を有する
磁芯。 - 請求項16乃至請求項20のいずれかに記載の磁芯であって、
1MHzの周波数における比透磁率の実数成分が100以上である
磁芯。 - 請求項16乃至請求項21のいずれかに記載の磁芯であって、
前記軟磁性金属粉末は、Fe系合金からなる
磁芯。 - 請求項16乃至請求項21のいずれかに記載の磁芯であって、
前記軟磁性金属粉末は、Fe−Si系合金からなる
磁芯。 - 請求項16乃至請求項21のいずれかに記載の磁芯であって、
前記軟磁性金属粉末は、Fe−Si−Al系合金又はFe−Si−Cr系合金からなる
磁芯。 - 請求項16乃至請求項24のいずれかに記載の磁芯であって、
平板形状を有しており、
前記平板形状の厚さは、1mm以下である
磁芯。 - 請求項25記載の複数の磁芯を磁芯部品として備える磁芯であって、
複数の前記磁芯部品が接着剤を介して積層されている
磁芯。 - 請求項16乃至請求項26のいずれかに記載の磁芯であって、
表面の少なくとも一部が絶縁樹脂によって覆われており、
前記絶縁樹脂の一部は、前記磁芯の表層に含浸している
磁芯。 - 請求項16乃至請求項27のいずれかに記載の磁芯であって、
0.5T以上の飽和磁束密度を有する
磁芯。 - 請求項16乃至請求項28のいずれかに記載の磁芯と、コイルとを備えたインダクタであって、
前記コイルは、コイル部と接続端とを有している
インダクタ。 - 請求項29記載のインダクタであって、
前記磁芯には、貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、貫通部を有しており、
前記貫通部は、前記貫通孔を貫通している
インダクタ。 - 請求項30記載のインダクタであって、
前記磁芯には、複数の前記貫通孔が形成されており、
前記コイルの前記コイル部は、複数の前記貫通部と、連結導体とを有しており、
前記貫通部は、前記貫通孔を貫通しており、
前記連結導体は、前記磁芯の上面又は下面において前記貫通部の端部を連結するようにして、前記磁芯に取り付けられており、
前記連結導体を前記磁芯に取り付けた後の前記磁芯の厚さは、前記連結導体を前記磁芯に取り付ける前の前記磁芯の厚さに比べて、2.5%以上かつ5.0%以下減少しており、
前記コイル部を前記磁芯から外すと、前記磁芯の厚さは、前記連結導体を前記磁芯に取り付ける前の厚さに近づくように回復する
インダクタ。 - 請求項30又は請求項31記載のインダクタであって、
前記コイルの前記貫通部は、前記貫通孔の内壁を弾性変形させるようにして、前記貫通孔を貫通しており、前記コイルは、前記貫通孔の前記内壁が前記貫通部に加える押圧力によって保持されている
インダクタ。 - 請求項29乃至請求項32のいずれかに記載のインダクタであって、
前記コイルは、絶縁被覆を有していない
インダクタ。
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