JP4043306B2

JP4043306B2 - 平面磁気素子

Info

Publication number: JP4043306B2
Application number: JP2002205093A
Authority: JP
Inventors: 泰隆福田; 一彦越前谷; 英明小日置
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2004047849A

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４及び図５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１〜３参照）、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、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分割以上とすると共に、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、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】
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、Ａｌ₂Ｏ₃（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。
Ｆｅ₂Ｏ₃：４０〜５０ｍｏｌ％
Ｆｅ₂Ｏ₃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、Ｆｅ²⁺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、Ｆｅ₂Ｏ₃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。
Ｂｉ₂Ｏ₃：Ｏ〜１０ｍｏｌ％
Ｂｉ₂Ｏ₃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、Ｆｅ₂Ｏ₃／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】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５】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。

Claims

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分割以上とすると共に、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。
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を特徴とする請求項１記載の平面磁気素子。
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たことを特徴とする請求項１又は２記載の平面磁気素子。
前記フェライトがＮｉＺｎ系であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の平面磁気素子。