JP4725120B2

JP4725120B2 - 積層インダクタ及び積層基板

Info

Publication number: JP4725120B2
Application number: JP2005031041A
Authority: JP
Inventors: 徹梅野; 武司橘; 靖久片山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP2006216916A

Description

本発明は、積層した磁性体によって磁気回路を形成する積層インダクタ、及び該積層インダクタを内蔵する積層基板に関し、特に、磁気回路の磁路の一部に非磁性体による磁気ギヤップを設けた積層インダクタ、及び該積層インダクタを内蔵する積層基板に関する。

近年の電子機器の小型化の要求に応じて、インダクタ素子は積層型が多く用いられている。このような積層インダクタは、導体のコイルパターンを内蔵した複数の磁性体を積層して構成されるが、直流重畳特性を向上させるために、磁気回路の磁路の一部に非磁性体による磁気ギヤップを設けることがある（例えば、特許文献１，２，３参照）。磁気ギヤップを形成することにより、磁気抵抗が大きくなって直流重畳特性は向上する。また、積層インダクタを内蔵した多層セラミック基板の表面に各種の電子部品を実装した複合電子部品が提案されている。
特開平１１−９７２４５号公報特開２０００−１８２８３４号公報特開２００１−４４０３６号公報

このような積層インダクタは、Ｎｉ−Ｚｎ系またはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系のフェライトからなる磁性体と、セラミック製の非磁性体と、例えばＡｇからなるコイルパターンとを一括的に焼成して製造される。この場合、磁性体、非磁性体及びコイルパターンといった異種材料間の熱収縮の差から生ずる残留応力のために、磁性体の磁気特性が著しく劣化し、所望の直流重畳特性の向上を図れないだけでなく、コア損失も増大するという問題がある。この問題が、巻線型のインダクタに比べて小型で低価格である積層インダクタの使用が小電力分野に限定されている原因となっている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、磁性体としてＬｉ系スピネル型フェライトを用いることにより、非磁性体から受ける応力の影響を低減できて、磁性体の磁気特性の劣化を抑制しながら直流重畳特性の向上を図れる積層インダクタ、及び該積層インダクタを内蔵する積層基板を提供することを目的とする。

本発明に係る積層インダクタは、積層された磁性体とコイルパターンとによって形成される磁気回路の磁路の一部に、少なくとも前記コイルパターンに囲まれた内側の領域で非磁性体によって複数の磁気ギャップが設けられ、前記磁性体、コイルパターン及び非磁性体が一括して焼結されてなる積層インダクタにおいて、前記磁性体はＬｉ系スピネル型フェライトであり、前記非磁性体が安定化ＺｒＯ ₂ にガラスを添加して得られる材料からなり、前記磁気ギャップ単層の厚みが各コイルパターンの厚みよりも薄いことを特徴とする。

本発明の積層インダクタにあっては、磁性体がＬｉ系スピネル型フェライトである。Ｎｉ系スピネル型フェライトにおけるＮｉをＬｉに置換して得られるＬｉ系スピネル型フェライトは、Ｎｉ系スピネル型フェライトと比べて、応力への耐性が高い。よって、Ｌｉ系スピネル型フェライトを磁性体として用いることにより、非磁性体からの応力が磁性体の磁気特性に及ぼす影響は小さく、その磁気特性の劣化は抑制される。
また、ＺｒＯ ₂ にガラスを添加して得られる材料を非磁性体に使用する。よって、非磁性体の熱膨張係数、収縮特性が磁性体のそれらに近付くため、磁性体が非磁性体から受ける応力は小さくなる。
また、磁気ギャップ単層の厚みが各コイルパターンの厚みよりも薄い。よって、残留応力が磁気特性に及ぼす影響は小さい。

本発明に係る積層インダクタは、前記Ｌｉ系スピネル型フェライトは、Ｌｉ−Ｚｎ系フェライトまたはＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトであることを特徴とする。

本発明の積層インダクタにあっては、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトまたはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトにおけるＮｉをＬｉに置換して得られるＬｉ−Ｚｎ系フェライトまたはＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを磁性体として用いる。よって、非磁性体から受ける応力の影響は小さく、磁性体の磁気特性は劣化しない。

本発明に係る積層インダクタは、前記コイルパターンは、Ａｇペーストを焼結してなることを特徴とする。

本発明の積層インダクタにあっては、Ａｇペーストを焼結してコイルパターンとする。よって、導電性が良好なコイルパターンが容易に得られる。

本発明に係る積層インダクタは、前記磁性体上への非磁性体の印刷により、前記磁気ギヤップが設けられていることを特徴とする。

本発明の積層インダクタにあっては、磁性体に非磁性体を印刷して、磁気ギヤップを設ける。この場合、コイルパターンで囲まれた領域、コイルパターン以外の領域、またはコイルパターンを含む領域の何れに非磁性体（磁気ギヤップ）を印刷しても良い。

本発明に係る積層インダクタは、前記磁性体の間への非磁性体シートの介在により、前記磁気ギヤップが設けられていることを特徴とする。

本発明の積層インダクタにあっては、積層される磁性体の間へ非磁性体シートを挿入して、磁気ギヤップを設ける。よって、全域に非磁性体（磁気ギヤップ）が存在するため、磁気特性は向上する。

本発明に係る積層基板は、複数の磁性体を積層して構成され、その表面に電子部品が実装される積層基板において、上述したいずれかの構成の積層インダクタを有することを特徴とする。

本発明の積層基板にあっては、上述したような構成の積層インダクタを有しており、磁気特性が劣化することなく高い直流重畳特性を有する積層インダクタが内蔵される。

本発明の積層インダクタでは、耐応力性能が高いＬｉ系スピネル型フェライト（例えば、Ｌｉ−Ｚｎ系フェライト、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトなど）にて磁性体を構成するようにしたので、非磁性体によって磁気ギャップを設けても、非磁性体からの応力の影響を低減できるため、磁性体本来の磁気特性を維持しながら、高い直流重畳特性とコアの低損失とを実現することができる。

本発明の積層基板では、上述したような良好な磁気特性を有する積層インダクタを内蔵することができる。

本発明は、例えばＡｇからなるコイルパターンを内蔵した複数の磁性体シートを積層して成る積層インダクタにあって、積層された磁性体シートによって形成される磁気回路の一部に非磁性体による磁気ギャップを設けており、磁性体シートとしてＬｉ−Ｚｎ系フェライト、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトなどのＬｉ系スピネル型フェライトを使用している。このＬｉ系スピネル型フェライトは、従来から一般的に使用されているＮｉ系スピネル型フェライトと比べて、耐応力性が高いため、磁気ギャップとなる非磁性体からの応力の影響を受けることが少なく、磁性体の磁気特性は良好に維持され、優れた直流重畳特性と低いコア損失との実現が可能である。

磁気ギャップとなる非磁性体は、磁気回路の任意の位置に設けても良く、磁気ギャップの形成位置が異なる種々の実施の形態が存在する。以下、これらの実施の形態について説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る積層インダクタ１０の断面図である。図１において、１はＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体であり、磁性体１に挟まれて、例えばＡｇからなるコイルパターン２と、磁気ギャップを形成するための例えば安定化ＺｒＯ₂にガラスを添加して得られる材料からなる非磁性体３とが存在している。この第１実施の形態では、コイルパターン２に囲まれた領域で、磁気回路の磁路に対して垂直に磁気ギャップが設けられている。外側は全て磁性体１で覆われているため、外部に磁束が漏洩しない構造であり、漏洩磁束による悪影響がない。

（第２実施の形態）
図２は、第２実施の形態に係る積層インダクタ１０の断面図である。図２において、図１と同一部分には同一番号を付して、それらの説明を省略する。この第２実施の形態では、コイルパターン２以外の領域で、磁気回路の磁路に対して垂直に磁気ギャップ（非磁性体３）が設けられている。ギャップ長を長くとれるため、磁気ギャップの効果を大きくできる。

（第３実施の形態）
図３は、第３実施の形態に係る積層インダクタ１０の断面図である。図３において、図１と同一部分には同一番号を付して、それらの説明を省略する。この第３実施の形態では、コイルパターン２上も含めた全領域で、磁気回路の磁路に対して垂直に磁気ギャップ（非磁性体３）が設けられている。ギャップ長を長く、すきまなくとれるため、磁気ギャップ効果を更に大きくできる。

（第４実施の形態）
図４は、第４実施の形態に係る積層インダクタ１０の断面図である。図４において、図１と同一部分には同一番号を付して、それらの説明を省略する。この第４実施の形態では、第３実施の形態と同様にコイルパターン２上にも磁気ギャップ（非磁性体３）を形成しているが、外部に磁束が漏洩しないように、端部には磁気ギャップ（非磁性体３）を設けていない。

上述したような第１乃至第４実施の形態の積層インダクタ１０は、次のようにして製造される。各実施の形態に応じて、安定化ＺｒＯ₂にガラスを添加して得られる材料からなる非磁性体ペースト及びＡｇペーストを塗布して非磁性体３及びコイルパターン２を印刷したＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体シートと、Ａｇペーストを塗布してコイルパターン２を印刷したＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体シートと、何も印刷しないＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体シートとを積層圧着してシート積層体を得る。シート積層体を素子寸法に切断して積層体を得た後、この積層体を焼結する。

（第５実施の形態）
図５は、第５実施の形態に係る積層インダクタ１０の断面図である。第１乃至第４実施の形態の積層インダクタ１０では、印刷によって非磁性体３（磁気ギャップ）を設けているが、第５実施の形態では、安定化ＺｒＯ₂にガラスを添加して得られる材料からなる非磁性体シート１３を磁性体１内に挿入することにより、磁気回路の磁路の一部に対して垂直に磁気ギャップを設けている。ギャップ長を長く、すきまなくとれるため、磁気ギャップ効果を更に大きくできる。

このような非磁性体シート１３と、Ａｇペーストを塗布してコイルパターン２を印刷したＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体シートと、何も印刷しないＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトからなる磁性体シートとを積層圧着してシート積層体を作製し、シート積層体を素子寸法に切断した積層体を焼結することによって、第５実施の形態の積層インダクタ１０を製造する。

第１乃至第５実施の形態にあっては、互いに異種材料からなる磁性体１、コイルパターン２、非磁性体３を一括して焼結するため、これらの３種の材料の熱収縮の差により磁性体１は焼結後にコイルパターン２、非磁性体３から大きな残留応力を受け、磁性体１の磁気特性が劣化する懸念がある。しかしながら、本発明の積層インダクタ１０では、磁性体１に使用しているＬｉ系スピネルフェライトの耐応力性が高いので、この残留応力の影響を受けにくいため、応力による磁気特性の劣化を抑制できる。したがって、磁性体本来の磁気特性を維持しながら、直流重畳特性を向上することが可能である。

以下、製造した本発明の積層インダクタ１０の具体的な数値例とその積層インダクタ１０の磁気特性とについて説明する。この積層インダクタ１０は、上記第４実施の形態の構成を有している。

本発明の１個の積層インダクタ１０のサイズは、焼結前が３．９×３．０×１．１ｍｍであり、焼結後は３．２×２．５×０．９ｍｍである。使用したＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト磁性体シートの厚さは、焼結前が４０μｍであり、焼結後は３３μｍである。Ａｇからなるコイルパターン２の各シート上に印刷した１パターンの幅，厚さは、焼結前が夫々３２５μｍ，２４μｍであり、焼結後は夫々２７５μｍ，１５μｍである。また、全体で２０．５ターンとした。安定化ＺｒＯ₂にガラスを添加して得られる材料からなる非磁性体３（磁気ギャップ）の１層あたりの厚さは、焼結前が１０μｍで、焼結後は８μｍである。なお、非磁性体３（磁気ギャップ）の層数を０（比較例），１，３，５，７とした種々の積層インダクタ１０を製造した。

図６は、製造した３種の積層インダクタ（磁気ギャップの層数が０，１，３である３種）の直流重畳特性を示すグラフであり、横軸に積層インダクタに流す重畳直流電流、縦軸にインダクタンスをとっている。磁気ギャップを設けない比較例（図６（ａ））では、インダクタンスの初期値は大きいが、重畳直流電流を大きくしていった場合に、内部で磁気飽和が生じて急激にインダクタンスが低下する。これに対して、磁気ギャップを設けた本発明例（図６（ｂ），（ｃ））では、インダクタンスの初期値は低下しているが、直流電流を重畳したときのインダクタンスは向上しており、重畳直流電流を大きくしていった場合に全体的に傾きが小さいほぼ平坦な特性を呈している。

図７は、インダクタンスと磁気ギャップのギャップ長との関係を示すグラフであり、横軸にギャップ長、縦軸に重畳直流電流を０としたときを１００％とした正規化インダクタンスをとっている。Ｎｉ系スピネル型フェライトを磁性体に用いた従来例の積層インダクタでは、磁気ギャップの総数が増えてギャップ長が長くなるにつれて理論計算値から大きく乖離していくが、Ｌｉ系スピネル型フェライトを磁性体に用いた本発明例の積層インダクタでは、理論計算値と良く一致している。これは、従来例では非磁性体からなる磁気ギャップからの応力の影響を磁性体が大きく受けてその磁気特性が低下したのに対して、本発明例では磁性体の耐応力性が高くて磁気特性に及ぼす応力の影響が少なくなったためである。

図８は、本発明の積層基板を利用した複合積層部品を示しており、図８（ａ）はその斜視図、図８（ｂ）はその断面図である。本発明の積層基板２０は、上述したような構成を有する積層インダクタ１０を内蔵している。積層基板２０の表面には表面電極２１が形成され、その底面には底面電極２２が形成され、その側面には側面電極２３が形成されている。表面電極２１は、制御ＩＣ、ダイオード、コンデンサ及び抵抗などの電子部品２５を実装するための電極であり、配線２４を介してまたは直接接合によって、これらの電子部品２５が表面電極２１と接続される。

なお、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを磁性体１として使用する場合について説明したが、Ｌｉ−Ｚｎ系フェライトなどの他のＬｉ系スピネル型フェライトを磁性体１に用いても良いことは勿論である。

第１実施の形態に係る積層インダクタの断面図である。第２実施の形態に係る積層インダクタの断面図である。第３実施の形態に係る積層インダクタの断面図である。第４実施の形態に係る積層インダクタの断面図である。第５実施の形態に係る積層インダクタの断面図である。積層インダクタの直流重畳特性を示すグラフである。インダクタンスと磁気ギャップのギャップ長との関係を示すグラフである。本発明の積層基板を利用した複合積層部品を示す図である。

符号の説明

１磁性体
２コイルパターン
３非磁性体（磁気ギャップ）
１０積層インダクタ
１３非磁性体シート
２０積層基板

Claims

積層された磁性体とコイルパターンとによって形成される磁気回路の磁路の一部に、少なくとも前記コイルパターンに囲まれた内側の領域で非磁性体によって複数の磁気ギャップが設けられ、前記磁性体、コイルパターン及び非磁性体が一括して焼結されてなる積層インダクタにおいて、
前記磁性体はＬｉ系スピネル型フェライトであり、
前記非磁性体が安定化ＺｒＯ ₂ にガラスを添加して得られる材料からなり、
前記磁気ギャップ単層の厚みが各コイルパターンの厚みよりも薄いことを特徴とする積層インダクタ。
前記Ｌｉ系スピネル型フェライトは、Ｌｉ−Ｚｎ系フェライトまたはＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトであることを特徴とする請求項１記載の積層インダクタ。
前記コイルパターンは、Ａｇペーストを焼結してなることを特徴とする請求項１または２記載の積層インダクタ。
前記磁性体上への非磁性体の印刷により、前記磁気ギャップが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層インダクタ。
前記磁性体の間への非磁性体シートの介在により、前記磁気ギャップが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層インダクタ。
複数の磁性体を積層して構成され、その表面に電子部品が実装される積層基板において、請求項１乃至５のいずれかに記載の積層インダクタを有することを特徴とする積層基板。