JP2637332B2 - 固体複合磁性素子の製造方法 - Google Patents

固体複合磁性素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁性素子の製造工程お
よびその工程によって製造される磁性素子の物理的構造
体に関し、特に、モノリシック複合磁性素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】変成器やインダクタのような静的磁性デ
バイスは、エネルギー貯蔵および変換、インピーダンス
整合、フィルタリング、ＥＭＩ抑制、電圧および電流変
換を必要とする回路ならびに共振回路における本質的要
素である。これらのデバイスは、現在製造されているよ
うに、回路の他の要素に比べてかさばり、重く、高価に
なる傾向がある。これらの要素のうちの多くには製造工
程の一部に今なお手動操作が入っているため、これらの
コストは製造コストによって支配されがちである。
【０００３】磁性素子の製造方法で広く使用されている
ものには、根本的に新しく異なった磁性素子構造はな
い。現在の磁性素子の製造方法は、磁性コア材料の周り
にまたはコア材料を含む絶縁性形成体（例えばボビン）
の周りに導線を巻く工程を含む伝統的方法からあまり変
化していない。従って、他の電子素子における低プロフ
ィールおよび小型化の流行、ならびに集積化およびその
他の回路パッケージ技術の流行にもかかわらず、現在使
用されている磁性素子は一般に伝統的製造法を保持して
いる。
【０００４】磁性素子の製造法の変更への最近のアプロ
ーチは、巻回式巻線に対して、層化または落下式巻線を
含む（米国特許第４，５８３，０６８号参照）。これら
の技術は、手動操作および製造コストを大幅に減少する
新たな機械的製造方法を導入した。
【０００５】磁性素子設計への最近の他のアプローチ
は、厚膜技術を使用し表面マウント素子として設計され
た多層チップインダクタである。このアプローチは、
「軟フェライトにおける最近の話題(Recent Topics in
Soft Ferrites)」（１９８９年１月、フェライトに関す
る国際会議(Int. Conf. on Ferrites)ＩＣＦ５でＫ．オ
クタニ(K. Okutani)らによって発表）と題された論文に
開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】「チップ型」インダク
タまたは変成器と呼ばれる磁性素子が、一連の厚膜スク
リーンプリント操作によって各層を層ごとに積み上げた
後、同時燃焼によって融合されて製造された。この工程
は、フェライトペーストおよび導体ペースト（巻線に対
応）のプリント層を使用するが、磁性および絶縁性材料
として単一の材料を使用することに制限される。この単
一材料の使用は、材料の選択範囲を、ＣｕＮｉＺｎフェ
ライト材料のような抵抗率は比較的高いが透磁率および
破壊電圧能力が低いものに制限する。
【０００７】この工程はまた、いくつかの形状に制限さ
れる。さらに、製造工程において適切な非磁性包有物が
ないため、巻線の電気的励起によって発生される正味の
磁束は巻線の各巻回どうしで完全には結合しない。変成
器の場合、これは、伝統的製造技術によって製造された
変成器よりも劣悪な漏洩インダクタンス能力につなが
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、磁性素
子が、多層同時燃焼セラミック技術を使用したモノリシ
ック構造体として製造される。本発明の原理を実現す
る、磁性素子を製造する一工程では、所望の磁気特性
（例えば、高い透磁率）を有する第１セラミック粉末が
準備され、所望の絶縁および非磁気特性（例えば、低い
透磁率）を有する第２セラミック粉末が準備される。こ
こで使用される非磁性材料という語は、その透磁率が磁
性素子に使用される磁性材料に比べて低いことを意味す
る。
【０００９】少なくとも一方のセラミック粉末は、有機
結合剤と混合されてセラミックグリーンテープを形成す
る。少なくとも一方のセラミック粉末には、焼結速度お
よび焼結温度が他方のセラミック粉末とほぼ等しくなる
ように調節するために、適当な金属酸化物をドープする
ことができる。構造体は、絶縁性非磁性材料を連続的に
層化し、区画された磁性領域および絶縁性非磁性領域を
もつ構造体を形成するように、前記絶縁性非磁性層を磁
性材料と結合することによって形成される。
【００１０】これらの材料と同等の組成を占める導体
が、巻線が磁性セラミック材料の電磁励起を起こすよう
に、絶縁性非磁性セラミックグリーンテープの層上にス
クリーンプリントされる。形成された構造体は低圧（５
００〜３０００プサイ）下で６０〜８０゜Cで積層され、
積層構造体は８００〜１４００゜Cで燃焼されて、その結
果、磁性素子の複合（コンポジット）構造体が形成され
る。
【００１１】本発明の原理によって製造される構造体の
磁性および絶縁性非磁性部分に対して２つの異なる材料
を使用することによる利点は次の通りである。（ｉ）磁
束は区画された経路すなわち領域にほぼ閉じ込めること
が可能である。その領域の一部は巻線によって完全に包
囲される。このことは、巻線の各巻回の磁束結合、およ
び、従来の磁性材料と等しい漏洩インダクタンス能力を
可能にする。（ｉｉ）磁性材料の選択は、要求される磁
性性能に基づいて行われ、高い抵抗率をもつ磁性材料の
みに制限されない。
【００１２】磁性セラミックグリーンテープすなわちペ
ースト材料と、絶縁性非磁性セラミックグリーンテープ
すなわちペースト材料は、本発明の原理によって、両方
がほぼ同一の焼結温度、収縮率および全収縮長を有する
ように改良されるが、磁性素子の製造において同時燃焼
技術が使用できるように選択される。一実施例では、ス
ピネル構造をもつＭｎＺｎフェライトからなるセラミッ
クグリーンテープ状の高透磁率材料が磁性材料として使
用され、スピネル構造をもつセラミックグリーンテープ
状の高抵抗率および低透磁率のＮｉフェライトが絶縁性
非磁性材料として使用される。
【００１３】低透磁率Ｎｉフェライト材料には、同時燃
焼技術による製造を可能にするために必要な所望の作用
特性を保障するために、銅（Ｃｕ）およびマンガン（Ｍ
ｎ）がドープされる。このように、高透磁率および低透
磁率材料の両方に２つのフェライトベースの同形材料を
使用することにより、磁性素子の製造における同時燃焼
技術の適用を可能にするのに必要な材料同等性が与えら
れる。
【００１４】この特定実施例では、これらの磁性素子の
製造は、絶縁性非磁性材料の多重層を、テープ状のセラ
ミック磁性材料と結合されたセラミックテープとして形
成することを含む。絶縁性非磁性セラミックテープには
開口（アパーチャ）が形成され、その開口に磁性セラミ
ックテープが挿入される。導線が絶縁性非磁性セラミッ
クテープ材料がスクリーンプリントされ、磁性テープ挿
入物の周りに巻線を形成するように貫通導体を通じて相
互接続される。あるいは、開口は、絶縁性非磁性セラミ
ックテープ挿入物を受容するために磁性セラミックテー
プ構造体に形成される。
【００１５】もう１つの実施例では、これらの磁性素子
の製造は、絶縁性非磁性材料の多重層を、粘性流体状の
セラミック磁性材料を受容するための開口を含むセラミ
ックテープとして形成することを含む。この材料は、ス
クリーンプリント可能なペースト組成物であることも可
能である。あるいは、磁性セラミックテープ材料が、粘
性流体状の絶縁性非磁性材料を受容するための開口を含
む。
【００１６】本発明のもう１つの実施例では、磁性素子
は、磁性および高抵抗率の両方の性質を有するセラミッ
クテープ材料（例えばＮｉＺｎフェライト）を使用して
製造される。導体が相異なる層上にプリントされ、巻線
を形成するように貫通導体を通じて接続される。変成器
への適用では、異なる巻線の隣接部分を絶縁性非磁性材
料（テープ／ペースト）内に包囲することによって、漏
洩インダクタンスが制限される。あるいは、上記のよう
な２つのグリーンテープ材料が使用され、さらに、磁性
素子構造体に必要な磁性または絶縁性挿入物としてペー
スト材料（磁性または絶縁性）が使用される。すべての
場合において、巻線はスクリーンプリント導体を使用し
て形成され、この導体が貫通導体によって多層構造体を
通して接続される。
【００１７】これらの磁性素子の製造においては、材料
のさらに多くの特性が調整されなければならない。例え
ば、貫通導体間隔が巻線ピッチを決定するような実施例
では、貫通導体のサイズ従って間隔が、使用されるテー
プの厚さによって制約される。所望の磁気特性または性
能を得るために必要な厚い磁性テープは、絶縁性非磁性
テープ挿入物内に大きい貫通導体の製造を必要とする。
【００１８】この貫通導体サイズは、特定の一方向の寸
法内に許容される巻線の数を制限する。従って巻線ピッ
チは、磁性材料の厚さによって決定される寸法に制限さ
れる。ある実施例では、巻線ピッチは、絶縁性非磁性挿
入物の構造体をセラミックテープの薄片とともに多層化
することによって、導体巻線ピッチの適当な比率を達成
するという、磁性材料（磁束経路）の厚さ条件と調和し
ている。単一の挿入物を形成するように薄層をこのよう
に積み上げることによって、所望の巻線ピッチを可能に
する小さい直径の貫通導体の製造が可能となる一方、所
望の磁束経路が得られる所望の磁性材料の厚さが可能と
なる。
【００１９】上記の実施例は独立型磁性素子についての
ものであるが、これらの磁性素子は、絶縁性非磁性テー
プ材料を使用して製造された汎用多層基板内に埋め込む
ことも可能である。基板の一部は少なくとも１つの磁性
素子を含み、残りの部分は表面上にマウントされた高密
度素子のための相互接続のために使用されることが可能
である。
【００２０】これらの製造方法は、伝統的製造技術で製
造された磁性素子以上の電磁性能特性を有する磁性素子
の製造を可能にする一方、低プロフィール、小型化、集
積化、および低コスト大量生産の利点がある。
【００２１】
【実施例】同時燃焼多層製造法は、微小電子回路パッケ
ージの製造において、伝統的厚膜技術に匹敵するように
なってきている。こうした同時燃焼多層パッケージは、
相異なる層に、非燃焼グリーン（誘電体）セラミックテ
ープを使用することによって製造される。同等の導体成
分が誘電体層間に挿入されたプリントされた導体層に使
用され、また、層間接続貫通導体にも使用される。導体
層はグリーンテープ上に通常のようにプリントされ、全
組立物は積層され１操作で燃焼される。その主要な利点
は、回路の物理的サイズを縮小し、その信頼性を改善す
ることができる点である。
【００２２】これらのパッケージの製造が成功するため
には、使用される材料が互いに完全に同等であることが
必要である。例えば、セラミックテープ組成物の焼結中
は、相異なる層は、パッケージの変形を防ぐために互い
に同等の速度で収縮しなければならない。最終パッケー
ジ内にさまざまな欠陥を生じる化学反応を防ぐために、
各層は化学的に互いに同等でなければならない。異なる
層の熱膨張や曲げ強度のようなさまざまな物理的性質も
また考慮しなければならない。
【００２３】このような製造技術は、これまで、マウン
トされた素子を相互接続する導電性経路をもつ回路基板
に制限されていた。透磁率の異なる２種の材料による同
時燃焼多層セラミック製造法を使用した磁性素子の製造
はこれまでなされなかった。両方の材料は類似する焼結
特性を持たなければならない。このような製造工程はま
た、磁性、絶縁性非磁性および導電性材料の電気的およ
び物理的同等性を含む重要な材料組成の問題点をうまく
処理しなければならない。材料収縮、熱衝撃抵抗、熱膨
張および持続性もまた、こうした同時燃焼多層磁性素子
の製造において考慮すべき点である。
【００２４】異なる焼結特性の効果が図１に示されてい
る。図１は、異なる磁気的および電気的性質をもつ２つ
のフェライト材料の焼結速度および焼結温度を示してい
る。実線１０１は、絶縁性非磁性（低透磁率）材料であ
るＮｉフェライトの収縮率を増大する温度および時間の
関数として示したものである。この焼結特性は、磁性
（高透磁率）材料であるＭｎＺｎフェライトの破線の曲
線１０２と異なる。明らかなように、異なる焼結速度お
よび焼結温度のため、２つの材料は異なる速度で収縮す
る。この差は継続的に広がり、ＭｎＺｎフェライト材料
はＮｉフェライト材料よりも前に高い収縮率に達する。
工程終了時の２つの材料の最終サイズは図１の間隔１０
７によって示される値だけ異なる。
【００２５】相互接続貫通導体が巻線の一部を形成する
ような、複合モノリシック磁性素子の実施例では、材料
に関する他の問題が生じる。貫通導体および層の厚さの
衝突する製造条件のため、巻線ピッチおよび磁束経路長
のような素子特性が望ましくないものになることがあ
り、これによって、同時燃焼多層製造技術によって製造
された磁性素子が伝統的磁性素子と比べて磁性性能が劣
ることになる。
【００２６】本発明の原理を実現する工程の例は、構造
体の磁性部分にセラミックテープ材料を使用し、絶縁性
非磁性部分にセラミックテープ材料を使用した磁性素子
を製造するものである。これらのセラミック材料は、Ｍ
1+xＦｅ2-yＯ4-zの形のスピネルフェライトである。
ｘ，ｙ，およびｚの値は正および負の両方の数値をとり
得る。物質Ｍは通常、元素Ｍｎ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｕ，Ｃｏ，Ｚｒ，Ｖａ，Ｃｄ，Ｔｉ，ＣｒおよびＳｉの
うちの少なくとも１つを含む。
【００２７】これらの材料（絶縁性非磁性−低透磁率お
よび磁性−高透磁率）はいずれも、適切な磁性素子の製
造を可能にするために、望ましい物理的および電気的性
質を持たなければならない。１つのセラミックテープ材
料が素子の高透磁率磁性構造体に使用され、もう１つの
セラミックテープ材料が素子の低透磁率構造体に使用さ
れる。２つのフェライトベースの粉末が、絶縁性非磁性
材料および磁性材料のそれぞれの基礎材料を形成する。
【００２８】実施例では、第１フェライト粉末が、Ｍｎ
Ｚｎフェライト（例えば高透磁率材料）として準備され
る。第２フェライト粉末は、高抵抗率低透磁率Ｎｉフェ
ライト材料として準備される。２種の粉末は、それぞれ
第１および第２セラミックグリーンテープ材料を形成す
るために、それぞれ別々に有機結合剤と結合される。２
つのテープ材料がほぼ同一の焼結温度および焼結速度を
有することを保証するため、Ｎｉフェライトを含む低透
磁率材料には、材料の全組成の１〜１０モル％に等しい
量だけ、酸化銅がドープされる。
【００２９】ここで、特定実施例では、Ｎｉフェライト
粉末に酸化銅を２〜５モル％添加するのが効果的であっ
た。酸化銅の添加は、テープ材料の焼結中に材料に液相
を導入する。この作用条件は焼結温度を低下させ、高透
磁率および低透磁率材料がそれぞれほぼ同一の焼結速度
および温度を有するレベルまで焼結速度を変化させる。
【００３０】焼結速度および温度を整合する効果が図２
のグラフに示されている。実線２０１は高透磁率ＭｎＺ
ｎフェライト材料の焼結特性を表す。ＮｉＣｕフェライ
ト材料の対応する特性は破線２０２で示されている。明
らかなように、２つの特性曲線は互いにほぼ一致してい
る。ほぼ同一の収縮速度および温度のため、２つの材料
は、複合構造体の形成を妨げる力学的応力を生ずること
なく、同時燃焼することが可能となる。
【００３１】２種のセラミックグリーンテープ材料は、
区画された磁性および非磁性領域をもつ積層構造体を形
成するために、所望の形状に層化される。選択された絶
縁性非磁性テープ層上に導電性経路が堆積される。この
導電性経路は、層内に形成された貫通導体によって接続
され、磁性素子の所望の多巻回巻線を形成する。
【００３２】実施例の導電性経路は、プリントまたはそ
の他の堆積技術が使用可能でフェライト材料の燃焼およ
び焼結工程特性と同等である導電性材料から形成され
る。適当な導電性材料は、有機結合剤中に分散されたパ
ラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム−銀組成物（Ｐｄ−
Ａｇ）を含む。他の適当な組成物は、磁性デバイスの製
造に使用されるフェライト材料と同一の燃焼および焼結
特性を有する導電性金属酸化物（結合剤中）を含む。
【００３３】層化技術によって形成された構造体は、圧
力下で積層された後、１１００〜１４００゜Cの温度で同
時燃焼および焼結されて、所望の電気的および磁気的性
質を有するモノリシック磁性素子構造体が形成される。
【００３４】第２テープ材料の電気的抵抗率を増大させ
低透磁率をさらに低下させるには、Ｎｉフェライト粉末
材料に、全材料組成の１〜１０モル％に等しい量のＭｎ
をドープする。
【００３５】本発明の原理によって製造された磁性素子
の例の透視図が図３に示されている。この素子は、トロ
イダル磁性コア構造体を有する多巻線変成器として製造
されている。このトロイダルコアは、４つの区画された
領域３０１〜３０４からなり、それぞれ複数の高透磁率
セラミックグリーンテープ層からなる。領域３０２およ
び３０４はそれぞれ導電性巻回３０５および３０６によ
って包囲されている。
【００３６】それぞれこれらの巻回は変成器の１次側お
よび２次側を形成する。（これらの巻回が直列に接続さ
れると、構造体は多巻回インダクタとして機能する。）
巻回３０５および３０６は、複数の絶縁性非磁性セラミ
ックグリーンテープ層上に導電性巻回の対をスクリーン
プリントすることによって形成される。各絶縁性非磁性
層は、磁性グリーンテープ層化挿入物の領域を包含する
ための適当な開口を有する。
【００３７】各層上にプリントされた巻回は、貫通導体
３０７（すなわち、導電性材料で満たされた貫通孔）で
他方の層の巻回に接続される。磁性テープ領域３０１お
よび３０３を包含するため、および、素子の上部および
底部構造体を形成するために、付加的な絶縁性非磁性層
が使用される。貫通導体３０８が、巻回３０５および３
０６の両端を素子上面のコネクタパッド３０９に接続す
るために使用される。構造体の絶縁性非磁性領域が３１
０で示されている。巻回３０５および３０６の電流励起
が、トロイダルコア領域３０１〜３０４によって区画さ
れる閉磁路内の磁束を発生する。本実施例の磁束経路
は、垂直面（図３のＸ−Ｚ平面）内にある。
【００３８】図３の磁性素子構造体の各テープ層を詳細
に示す断面図（Ｘ−Ｚ平面に平行）が図４である。部材
４０１は絶縁性非磁性テープ層である。部材４０２は、
磁性領域４１１（図３の部材３０１）が挿入される開口
をそれぞれ有する非磁性テープの層からなる。部材４０
２および４１１を形成するために使用される層の数は、
要求される磁性断面積によって決定される。
【００３９】次の領域を形成する部材４０３〜４０７
は、それぞれ、磁性材料領域４１２および４１３（図３
の部材３０２および３０４）を包含するための開口を有
する絶縁性非磁性テープ層からなる。部材４０３〜４０
６は各層上にプリントされた導電性巻回４１４〜４１６
からなる。この例では４つの巻回が図示されている。層
の数を増加することにより、および、各層上に複数の同
心円巻回をプリントすることにより、多くの巻回を追加
することができる。部材４０８は部材４０２と同様であ
り、磁性挿入物４１８を包含する開口を有する絶縁性非
磁性テープからなる。上部部材４０９は絶縁性非磁性テ
ープ層である。コネクタパッド４２１が、素子の巻回へ
の電気的接続を容易にするために上面にプリントされ
る。
【００４０】各層が図５〜１３に図示される。図５は絶
縁性非磁性層５０１としての底部部材の図である。図６
は層５０１の上の部材の平面図であり、磁性テープ材料
の挿入物６０２を包含する開口６０３をもつ絶縁性非磁
性テープ６０１からなる。この部材は要求される磁性断
面積によって決定される数個のテープ層からなることも
可能である。構造体の次の部材は図７に図示されてお
り、磁性挿入物７０５および７０６が入れられる開口７
０３および７０４を含む絶縁性非磁性テープ層７０１か
らなる。導体７０７および７０８がテープ層７０１の上
面にプリントされる。これらの導体７０７および７０８
は、それぞれ単一巻回の変成器巻線（図３の巻回３０５
および３０６）を構成する。単一巻回は各開口を包囲す
るように図示されているが、各層上で、多数巻回が各開
口を包囲するようにプリントされることも可能である。
【００４１】図８の絶縁性非磁性層８０１が次の構造部
材を構成し、磁性挿入物８０５および８０６を包含する
開口８０２および８０３からなる。導体８０７および８
０８は巻線の第２セットの巻回である。これらは貫通導
体８０９および８１０によって、図７に図示された前の
層上にプリントされた第１セットの巻回に接続される。
貫通導体８１３および８１４は、層８０１の表面上の環
状パッドを有するが、層７０１上の巻線の他方の端に接
続され、図１３の構造体の上面のコネクタパッドに接続
するための、上方の層内の同様の貫通導体に対応する。
貫通導体を包囲する環状パッドは、異なる層どうしの貫
通導体の整列を簡単にするために存在する。
【００４２】図９は次の部材の構成を図示しており、絶
縁性非磁性テープ層９０１、磁性テープ挿入物９０４お
よび９０５を包含する開口９０２および９０３、ならび
に導体９０６および９０７からなる。導体９０６および
９０７は巻線の第３のセットの巻回であり、貫通導体９
０８および９０９によって図８の第２セットの巻回に接
続される。貫通導体９１０および９１１は図８の貫通導
体８１３および８１４に接続される。
【００４３】図１０に図示される次の部材は、磁性挿入
物１００４および１００５を包含する２個の開口１００
２および１００３をもつ絶縁性非磁性テープ層１００１
からなる。巻回は第４セットの巻回であり、導体１００
６および１００７からなる。貫通導体１００８および１
００９はこれらの導体を図９にある前の層の導体に接続
する。貫通導体１０１０および１０１１は、底部層の導
体を構造体の上面のコネクタパッドに結合する導電性経
路の一部である。これは巻回を含む最後の層である。巻
回の数は単なる例示であり、構造体はさらに多くの巻回
を含むことが可能である。
【００４４】図１１の部材は、磁性テープ挿入物１１０
４および１１０５を包含する開口１１０２および１１０
３をもつ絶縁性非磁性層１１０１からなる。貫通導体１
１０６および１１０７は図１０の導体に接続され、貫通
導体１１０８および１１０９は底部層の導体を構造体の
上面のコネクタパッドに結合する導電性経路の一部であ
る。図１１のこの部材は、図１２に図示された次の部材
から導体巻線を絶縁するためのものである。
【００４５】図１２の部材は図６の部材と同様であり、
磁性挿入物１２０２を包含する開口１２０３をそれぞれ
含む絶縁性非磁性テープ層１２０１のセットからなる。
さらに、この部材は隣接部材の対応する貫通導体に接続
される貫通導体１２０４、１２０５、１２０６および１
２０７を含む。図１３の上部部材は、絶縁性非磁性層１
３０１、および、それぞれ貫通導体１３１２〜１３１５
を含むコネクタパッド１３０２〜１３０５からなる。こ
れらの貫通導体は、図１２に図示された前の部材の対応
する貫通導体に接続される。
【００４６】本発明の原理によって製造されたもう１つ
の磁性素子の透視図が図１４である。この素子もまた前
の例の場合と同様に、トロイダル磁性コア構造体を有す
る多巻回変成器として構成されている。図３の実施例と
の主要な相違点は、磁束経路が水平（すなわちＸ−Ｙ平
面内）である点である。トロイダルコアは、絶縁性非磁
性材料層である上部および底部部材１４１５および１４
１６の間に位置する磁性材料１４０１の主構造体によっ
て区画される。
【００４７】部材１４０１はさらに、巻回の一部を形成
する貫通導体１４２１を支持する絶縁性非磁性材料挿入
物１４０２、１４０３および１４０４によって貫通され
る。巻線１４１１および１４１２はそれぞれ変成器の１
次側および２次側である。巻線１４１１および１４１２
は、インダクタを形成するように直列に接続することも
可能である。これらの巻線は、構造体の上部近くの部材
１４１５の層上に導体をスクリーンプリントし、構造体
の底部近くの部材１４１６の層上に導体をスクリーンプ
リントし、これらのプリントされた導体を貫通導体１４
２１で巻線を形成するように相互接続することによって
形成される。コネクタパッド１４１７が部材１４１５の
上部層の上面にプリントされ、貫通導体１４２２によっ
て巻線１４１１および１４１２に接続される。
【００４８】図１４の構造体の断面図（Ｘ−Ｚ平面に平
行）が図１５であり、各テープ層を詳細に示している。
底部および上部部材１５０１および１５０５はそれぞれ
絶縁性非磁性テープ層からなる。部材１５０１はその上
面にスクリーンプリントされた導体１５１１および１５
１２を有する。部材１５０２は、１５０１のプリントさ
れた巻線を貫通導体１５１３の列に接続するための貫通
導体１５０６を有する。
【００４９】貫通導体１５１３は最終的に、絶縁性非磁
性テープ部材１５０４の上面にプリントされた導体１５
２５および１５２６に接続される。部材１５０３は、複
数の磁性テープ層１５１４（または適当な厚さの単一の
磁性テープ層）、および、貫通導体１５１３の列を含む
複数の絶縁性非磁性層から形成された絶縁性非磁性挿入
物１５２１〜１５２３からなる。これらの挿入物１５２
１〜１５２３はここでは貫通導体キャリアと呼ぶことに
する。これらは貫通導体を支持するためのものである。
【００５０】各層は図１６〜２０に図示される。図１５
の層１５０１からなる第１部材が図１６に図示される。
これは、導体１６０２がスクリーンプリントされた絶縁
性非磁性テープ１６０１の層からなる。その上の層は、
図１７に図示され、終端環状パッドが形成された貫通導
体１７０２が含まれる絶縁性非磁性テープ層１７０１か
らなる。これらの貫通導体は、図１６の層１６０１上に
プリントされた導体１６０２の終端に対応する。
【００５１】次の部材は、図１８に図示され、貫通導体
キャリア１８０５、１８０６および１８０７が挿入され
る開口１８０２、１８０３および１８０４を含む磁性テ
ープ層１８０１からなる。これらの貫通導体キャリア
は、複数の非磁性層から形成され、貫通導体１８１０を
含む。これらの貫通導体１８１０は、異なる層の貫通導
体ならびに図１５の部材１５０１および１５０４の層上
にプリントされた導体の終端に対応する。
【００５２】図１９では、導体１９０１および１９０３
の上部セットが絶縁性非磁性テープ層１９０２の上面に
プリントされる。プリント導体１９０１の両端は貫通導
体１９１１で終端し、プリント導体１９０３の一端が貫
通導体１９１３で終端する。貫通導体１９１１および１
９１３はプリント導体の上面および底面を接続する。図
２０の上部部材は、上面にプリントされたコネクタパッ
ド２００２をもつ絶縁性非磁性テープ層２００１からな
る。このパッドは、図１９のプリント導体１９０３の貫
通導体側でない終端に貫通導体２００３によって接続さ
れる。
【００５３】１操作で複数の磁性素子を製造する方法が
図２１に図示されている。複数の絶縁性非磁性テープお
よび磁性テープの層の積層スタック２１１が、スタック
内に埋め込まれた非磁性挿入物（貫通導体キャリア）２
１２とともに図示されている。外形線２１３が、これら
の外形線に沿って切断することにより分離される複数の
各素子を区画する。各素子は図１４〜２０に図示された
構造を有する。これらの区画された素子は、素子の同時
燃焼ステップの前に切断することも、その後に切断する
ことも可能である。１操作で複数の磁性素子を製造する
この方法は、ここでは図１４〜２０の構造体についての
み例示したが、本発明の原理によって製造されるあらゆ
る磁性素子に適用可能である。
【００５４】貫通導体または貫通導体キャリアを含む非
磁性挿入物の構成が図２２および２３に図示されてい
る。複数の非磁性材料層の構造体が形成される。各層
は、外形線２２２で区画された各ブロック内に貫通導体
２２１を含む。これらのブロックは、磁性素子を製造す
るための各非磁性挿入物２２５を形成するためにパンチ
アウトされる。
【００５５】図２３は貫通導体キャリア構造体の断面図
である。貫通導体２３５がテープ層２３２の積層スタッ
ク内に形成される。各層２３２の薄さにより、精細な巻
線ピッチを可能にする十分に小さい直径を有する貫通導
体２３５の作成が可能となる。
【００５６】図２４は、磁束経路内に組み込み非磁性ギ
ャップをもつトロイダル磁性構造体を有する磁性素子の
断面図である。この図の断面はＸ−Ｚ平面内にある。こ
の配置は、挿入部分２４１が磁性を有する垂直構造体で
ある。この構造体の構成は、中央の絶縁性非磁性層２４
８が磁性材料の挿入のための開口を有しないことを除い
ては図３および４の構造体と同様である。
【００５７】従って、挿入物２４１によって区画された
磁路は非磁性ギャップ２４５によって中断される。ギャ
ップの長さは２４８の層の厚さまたは層の数によって制
御される。このようにして、構造体はギャップ磁性構造
体を構成する。構造体の層化された絶縁性部分２４３お
よび２４８は、磁性素子の巻線を構成する表面プリント
導体２４４を有する。部材２４９は絶縁性非磁性テープ
層からなり、図３および４の構造体と同様に、上部およ
び底部絶縁性層ならびに磁性挿入物２４１を包含する開
口を有する。コネクタパッド２４７は、構造体の上面に
設けられ、この図には図示されていない貫通導体を通じ
て導体２４４に接続される。
【００５８】図２５は磁性Ｅコア構造体を含む複合磁性
素子構造体の断面図である。この断面はＸ−Ｙ平面内に
ある。磁性挿入部分２５１が、層化非磁性絶縁性部分２
５３の開口に挿入され、磁束の磁路のためのコア構造と
なる。導体２５４が非磁性材料層２５３上にプリントさ
れる。貫通導体２５５が層間相互接続を形成し、貫通導
体２５６は、底部層の導体を上面のコネクタパッドと接
続する接続経路の一部である。
【００５９】２つの半分ずつのコアが接合されてなる従
来のＥコア構造体とは異なり、図２５のＥコア構造体は
接合面によって中断されない磁路を有する。従って、コ
アの有効透磁率は材料の透磁率に等しい。これは、接合
面における不可避的な消失しない空気ギャップによって
有効透磁率が一般的に材料の透磁率の５０％まで低下す
ることがある従来のＥコア構造体と比べて、重要な性能
上の利点である。本発明の原理によって製造される磁性
素子のこの性能上の利点はまた、以下で説明する無ギャ
ップコア構造体を含む磁性素子にも適用される。
【００６０】図２６は、組み込みギャップをもつＥコア
構造体を有する磁性素子のＸ−Ｚ平面での断面図であ
る。巻線を形成する導体２６４が、絶縁性非磁性層２６
３から選択された各層上にプリントされる。非磁性ギャ
ップ２６５は、構造体のＥコア部分２６１の中心脚部に
生じる。導体２６４は、貫通導体（図示せず）によって
構造体の上面にプリントされたコネクタパッド２６８に
接続される。
【００６１】図２７は、本発明の原理を実現する、ポッ
トコア構造体を含む磁性素子の断面図である。この断面
はＸ−Ｙ平面内にある。巻線を構成する導体２７４が絶
縁性非磁性層２７３から選択された層上にプリントされ
る。ポットコア配置を形成するように磁性材料２７１が
構造体の開口に挿入される。異なる層の導体が貫通導体
２７５によって接続される。
【００６２】図２８は、ギャップポットコア構造を有す
る磁性素子のＸ−Ｚ平面内の断面図である。非磁性ギャ
ップ２８１が、コア構造体を形成する磁性材料２８２の
中心脚部に形成される。巻線を形成する導体２８３が構
造体を形成する絶縁性非磁性材料２８４から選択された
層上にプリントされる。コネクタパッド２８６が構造体
の上面にプリントされ、貫通導体（図示せず）によって
導体２８３に接続される。
【００６３】図２９は、ギャップトロイダル磁性構造体
を含む磁性素子の他の例の断面図である。断面はＸ−Ｙ
平面内にあり、磁性デバイス巻線を形成するために絶縁
性非磁性層（図示せず）上にプリントされた導体２９７
（略図）とともに使用される貫通導体２９６が示されて
いる。この貫通導体２９６は、構造体の絶縁性非磁性挿
入部分２９４（貫通導体キャリア）中に形成される。非
磁性ギャップ２９３は、２つの半分ずつの磁性コア材料
２９１の間に存在する。ギャップは、共形収縮を保証す
るための絶縁性非磁性挿入物も含む。
【００６４】図３０は、Ｅコア構造体を有する他の磁性
素子のＸ−Ｚ平面内の断面図である。これは、絶縁性非
磁性層３００９内に形成された貫通導体３００６および
挿入された貫通導体キャリア３００３を有する。この貫
通導体はデバイス巻線の一部である。巻線は、絶縁性材
料層３００９上にプリントされた導体３００４とともに
完成する。磁性層３００１は構造体内の磁路を形成す
る。コネクタパッド３００８が構造体の上面に設けられ
る。
【００６５】図３１は、ギャップＥコア構造体を含む磁
性素子のＸ−Ｙ平面内の断面図である。この構造体は、
デバイス巻線を形成するために、絶縁性非磁性挿入物３
１６内の貫通導体３１５および絶縁性非磁性層（図示せ
ず）上にプリントされた導体３１７（略図）を利用して
いる。ギャップ３１３が、Ｅコアを形成する磁性材料層
３１４の中心脚部に存在する。ギャップは、共形収縮を
保証するための絶縁性非磁性挿入物も含む。
【００６６】図３２は、開構造磁性デバイス（すなわ
ち、開磁気回路をもつデバイス）のＸ−Ｚ平面内の断面
図である。導電性巻回３２１が、磁性材料層３２３から
形成された中心コアを包囲するように絶縁性非磁性材料
３２２から選択された数個の層状にプリントされる。コ
ネクタパッド３２５が構造体の上面にプリントされる。
この回路が開磁気回路として機能するためには材料３２
２が非磁性であることが重要である。これは、次に説明
する図３３のデバイスにも適用される。
【００６７】図３３は、他の開構造磁性デバイスのＸ−
Ｙ平面内の断面図である。導電性巻回が、絶縁性非磁性
層（図示せず）上にプリントされた導体３３３（略図）
および貫通導体３３４から形成される。貫通導体３３４
は絶縁性非磁性貫通導体キャリア３３５に含まれる。巻
回は層化された磁性材料３３６を包囲する。
【００６８】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、
（ｉ）磁束は区画された経路すなわち領域にほぼ閉じ込
めることが可能である。その領域の一部は巻線によって
完全に包囲される。このことは、巻線の各巻回の磁束結
合、および、従来の磁性材料と等しい漏洩インダクタン
ス能力を可能にする。（ｉｉ）磁性材料の選択は、要求
される磁性性能に基づいて行われ、高い抵抗率をもつ磁
性材料のみに制限されない。（ｉｉｉ）この製造方法
は、伝統的製造技術で製造された磁性素子以上の電磁性
能特性を有する磁性素子の製造を可能にする一方、低プ
ロフィール、小型化、集積化、および低コスト大量生産
の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼結工程中の２つの異なるフェライト材料の焼
結速度および焼結温度のグラフである。
【図２】材料のうちの少なくとも一方が本発明の原理に
よって形成された場合の、工程中の２つの異なるフェラ
イト材料の焼結速度および焼結温度のグラフである。
【図３】完成された複合磁性素子構造体の３次元透視線
図である。
【図４】図３の複合磁性素子構造体の断面図である。
【図５】図３の磁性素子構造体の１層の平面図である。
【図６】図３の磁性素子構造体の１層の平面図である。
【図７】図３の磁性素子構造体の１層の平面図である。
【図８】図３の磁性素子構造体の１層の平面図である。
【図９】図３の磁性素子構造体の１層の平面図である。
【図１０】図３の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１１】図３の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１２】図３の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１３】図３の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１４】完成された複合磁性素子構造体の３次元透視
線図である。
【図１５】図１４の複合磁性素子構造体の断面図であ
る。
【図１６】図１４の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１７】図１４の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１８】図１４の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図１９】図１４の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図２０】図１４の磁性素子構造体の１層の平面図であ
る。
【図２１】切断前の多磁性素子を示す、多重層の積層ス
タックの上部層の平面図である。
【図２２】図１８の貫通導体キャリアが穿孔された多層
スタックの上部層の平面図である。
【図２３】貫通導体キャリアの断面図である。
【図２４】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図２５】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図２６】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図２７】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図２８】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図２９】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図３０】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図３１】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図３２】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【図３３】本発明の原理によって製造された磁性素子の
断面図である。
【符号の説明】
２１１ 積層スタック ２１２ 非磁性材料挿入部 ２１３ 外形線 ２２１ 貫通導体 ２２２ 外形線 ２２５ 非磁性材料挿入部 ２３２ テープ層 ２３５ 貫通導体 ２４１ 磁性材料挿入部 ２４３ 絶縁性非磁性層（絶縁非磁性層） ２４４ 導体 ２４５ 非磁性ギャップ ２４７ コネクタパッド ２４８ 絶縁性非磁性層 ２４９ 絶縁性非磁性層 ２５１ 磁性材料挿入部 ２５３ 絶縁性非磁性層 ２５４ 導体 ２５５ 貫通導体 ２５６ 貫通導体 ２６３ 絶縁性非磁性層 ２６４ 導体 ２６８ コネクタパッド ２７１ 磁性材料 ２７３ 絶縁性非磁性層 ２７４ 導体 ２７５ 貫通導体 ２８１ 非磁性ギャップ ２８２ 磁性材料 ２８３ 導体 ２８４ 絶縁性非磁性層 ２８６ コネクタパッド ２９１ 磁性コア材料 ２９３ 非磁性ギャップ ２９４ 絶縁性非磁性材料挿入部 ２９６ 貫通導体 ２９７ 導体 ３０５ 導電性巻回 ３０６ 導電性巻回 ３０７ 貫通導体 ３０８ 貫通導体 ３０９ コネクタパッド ３１０ 絶縁性非磁性構造体 ３１３ ギャップ ３１４ 磁性材料層 ３１５ 貫通導体 ３１６ 絶縁性非磁性材料挿入部 ３１７ 導体 ３２１ 導電性巻回 ３２２ 絶縁性非磁性層 ３２３ 磁性材料層 ３２５ コネクタパッド ３３３ 導体 ３３４ 貫通導体 ３３５ 絶縁性非磁性貫通導体キャリア ３３６ 磁性材料層 ４０１ 非磁性領域 ４０２ 非磁性層 ４０３ 絶縁性非磁性層 ４０４ 絶縁性非磁性層 ４０５ 絶縁性非磁性層 ４０６ 絶縁性非磁性層 ４０７ 絶縁性非磁性層 ４０８ 非磁性層 ４０９ 上部部材 ４１１ 磁性領域 ４１２ 磁性領域 ４１３ 磁性領域 ４１４ 導電性巻回 ４１６ 導電性巻回 ４１８ 磁性材料挿入部 ４２１ コネクタパッド ５０１ 絶縁性非磁性層 ６０１ 絶縁性非磁性テープ ６０２ 磁性材料挿入部 ６０３ 開口（アパーチャ） ７０１ 絶縁性非磁性テープ ７０３ 開口 ７０４ 開口 ７０５ 磁性材料挿入部 ７０６ 磁性材料挿入部 ７０７ 導体 ７０８ 導体 ８０１ 絶縁性非磁性テープ ８０２ 開口 ８０３ 開口 ８０５ 磁性材料挿入部 ８０６ 磁性材料挿入部 ８０７ 導体 ８０８ 導体 ８０９ 貫通導体 ８１０ 貫通導体 ８１３ 貫通導体 ８１４ 貫通導体 ９０１ 絶縁性非磁性テープ ９０２ 開口 ９０３ 開口 ９０４ 磁性材料挿入部 ９０５ 磁性材料挿入部 ９０６ 導体 ９０７ 導体 ９０８ 貫通導体 ９０９ 貫通導体 ９１０ 貫通導体 ９１１ 貫通導体 １００１ 絶縁性非磁性テープ １００２ 開口 １００３ 開口 １００４ 磁性材料挿入部 １００５ 磁性材料挿入部 １００６ 導体 １００７ 導体 １００８ 貫通導体 １００９ 貫通導体 １０１０ 貫通導体 １０１１ 貫通導体 １１０１ 絶縁性非磁性テープ １１０２ 開口 １１０３ 開口 １１０４ 磁性材料挿入部 １１０５ 磁性材料挿入部 １１０６ 貫通導体 １１０７ 貫通導体 １１０８ 貫通導体 １１０９ 貫通導体 １２０１ 絶縁性非磁性テープ １２０２ 磁性材料挿入部 １２０３ 開口 １２０４ 貫通導体 １２０５ 貫通導体 １２０６ 貫通導体 １２０７ 貫通導体 １３０１ 絶縁性非磁性テープ １３０２ コネクタパッド １３０３ コネクタパッド １３０４ コネクタパッド １３０５ コネクタパッド １３１２ 貫通導体 １３１３ 貫通導体 １３１４ 貫通導体 １３１５ 貫通導体 １４０１ 磁性材料体 １４０２ 絶縁性非磁性材料挿入部 １４０３ 絶縁性非磁性材料挿入部 １４０４ 絶縁性非磁性材料挿入部 １４１１ １次巻線 １４１２ ２次巻線 １４１５ 上部部材 １４１６ 下部部材 １４１７ コネクタパッド １４２１ 貫通導体 １４２２ 貫通導体 １５０１ 下部部材 １５０４ 絶縁性非磁性テープ １５０５ 上部部材 １５０６ 貫通導体 １５１１ 導体 １５１２ 導体 １５１３ 貫通導体 １５１４ 磁性テープ層 １５２１ 絶縁性非磁性材料挿入部 １５２２ 絶縁性非磁性材料挿入部 １５２３ 絶縁性非磁性材料挿入部 １５２５ 導体 １５２６ 導体 １６０１ 絶縁性非磁性テープ １６０２ 導体 １７０１ 絶縁性非磁性テープ層 １７０２ 貫通導体 １８０１ 磁性テープ １８０２ 開口 １８０３ 開口 １８０４ 開口 １８０５ 貫通導体キャリア １８０６ 貫通導体キャリア １８０７ 貫通導体キャリア １８１０ 貫通導体 １９０１ 導体 １９０２ 絶縁性非磁性テープ層 １９０３ 導体 １９１１ 貫通導体 １９１３ 貫通導体 ２００１ 絶縁性非磁性テープ層 ２００２ コネクタパッド ２００３ 貫通導体 ３００３ 貫通導体キャリア挿入部 ３００４ 導体 ３００６ 貫通導体 ３００８ コネクタパッド ３００９ 絶縁性非磁性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴィッド ウィルフレッド ジョンソ ン ジュニア アメリカ合衆国 07978 ニュージャー ジー プラックミン オークラ レーン ５ (72)発明者 アプルバ ロイ アメリカ合衆国 75087 テキサス ロ ックウォール、アムスベリー アヴェニ ュー 1602 (72)発明者 ジョン トムソン ジュニア アメリカ合衆国 07762 ニュージャー ジー スプリング レイク、ニュー ベ ッドフォード ロード 2039 (56)参考文献 特開 平４−151809（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 相対的に高い透磁率をもつ第１フェライ
    トマトリックスを形成するのに適した十分なＭｎＺｎフ
    ェライト組成をもつ第１フェライト粉末を準備すること
    によって、磁性材料を準備するステップと、 高い抵抗率および低い透磁率をもつ第２フェライトマト
    リックスを形成するのに適した十分なＮｉフェライト組
    成をもつ第２フェライト粉末を準備し、前記第２フェラ
    イト粉末が前記第１フェライト粉末とほぼ同一の焼結速
    度および焼結温度を有するように前記第２フェライト粉
    末の全量の１モル％ないし１０モル％の範囲の量のＣｕ
    酸化物を前記第２フェライト粉末に添加することによっ
    て、絶縁非磁性材料を準備するステップと、 前記第１フェライト粉末を有機結合材料と混合し、生じ
    た混合物を第１セラミックテープに形成するステップ
    と、 前記第２フェライト粉末を有機結合材料と混合し、生じ
    た混合物を第２セラミックテープに形成するステップ
    と、 前記の異なる第１および第２セラミックテープ層を有す
    る層化構造体を形成するステップと、積層構造体を作るように 、圧力を加えることによって前
    記層化構造体を積層するステップと、 前記積層構造体を燃焼するステップと、２種のフェライトマトリックス材料を有する単一の複合
    構造体である 焼結生成物を生成するように、８００゜C以
    上の温度で前記積層構造体を焼結するステップと、 固体複合磁性素子を形成するように、前記単一複合構造
    体を冷却するステップとからなることを特徴とする、そ
    れぞれＭ1+xＦｅ2-yＯ4-zの形のフェライト材料からな
    る少なくとも２種の材料からなる固体複合磁性素子の製
    造方法。
  2. 【請求項２】 特定の第２セラミックテープ層が区画さ
    れた開口を有するよ うに、前記層化構造体を区画するス
    テップと、 前記区画された開口が磁性コアに適した幾何学的構造を
    形成するように、前記層化構造体の前記特定の第２セラ
    ミックテープ層の間に開口を形成するステップであっ
    て、この区画された開口は第１フェライト粉末からなる材料
    で充填されること からさらになることを特徴とする請求
    項１の方法。
  3. 【請求項３】 特定の第１セラミックテープ層が区画さ
    れた開口を有するように、前記層化構造体を区画するス
    テップと、 前記特定の第１セラミックテープ層内に磁性コアに適し
    た幾何学的構造を形成し、前記開口を第２フェライト粉
    末からなる絶縁非磁性材料で充填するステップとからさ
    らになることを特徴とする請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記層化構造体が形成される際に導体パ
    ターンが磁性コアの幾何学的構造の少なくとも一部を包
    囲する巻線を形成するように、第２フェライト粉末から
    なる異なるセラミックテープ層上に導体パターンをプリ
    ントするステップからさらになることを特徴とする請求
    項２または３の方法。
  5. 【請求項５】 絶縁非磁性材料を準備する前記ステップ
    が、抵抗率を増大させ透磁率をさらに減少させるように
    前記第２フェライト粉末にＭｎ酸化物を添加するステッ
    プからさらになることを特徴とする請求項２または３の
    方法。
  6. 【請求項６】 絶縁非磁性材料を準備する前記ステップ
    が、抵抗率を増大させ透磁率をさらに減少させるように
    前記第２フェライト粉末にＺｒ酸化物を添加するステッ
    プからさらになることを特徴とする請求項２または３の
    方法。
  7. 【請求項７】 第１フェライト粉末からなる材料を準備
    する前記ステップが、前記第１フェライト粉末を有機結
    合剤と混合するステップおよび生じた混合物を区画され
    た各開口に挿入される第１セラミックテープに形成する
    ステップを含むことを特徴とする請求項２の方法。
  8. 【請求項８】 絶縁非磁性材料を準備する前記ステップ
    が、前記第２フェライト粉末を有機結合剤と混合するス
    テップおよび生じた混合物をセラミックペーストに形成
    するステップを含むことを特徴とする請求項３の方法。
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