JP5002711B2 - 高電流薄型インダクタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高電流薄型インダクタ及びその製造方法に関する。このタイプのインダクタは、Inductor, High current, Low Profile の略語である「ＩＨＬＰ」と称される。

従来の大抵の誘導部品は、Ｃ形、Ｅ形、トロイド形又はその他の形状の磁気コアとから成っており、磁気コアに導電性ワイヤコイルを巻装することによってインダクタが形成される。この種の従来技術のインダクタは、コア、巻線及びそれらの部品を結合状態に保持するための何らかの構造部材を含め、多数の個別部品を必要とする。又、これらの誘導コイルは、多くの場合、それらを囲包するシェルを有している。従って、インダクタには、その作動に影響を及ぼし、かつ、スペーサを最大限化を阻止する多くの空隙が存在する。

従って、本発明の主要な目的は、改良された高電流薄型インダクタ及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、空隙が存在せず、かつ、コイルを完全に囲包する磁性材料を有する高電流薄型インダクタを提供することである。
本発明の他の目的は、自己遮蔽能力を有する閉磁気系を備えた高電流薄型インダクタを提供することである。

本発明の他の目的は、インダクタのサイズを最少限にすることができるように、一定のインダクタンス性能を発揮するのに必要とされるスペースの利用を最大限にする高電流薄型インダクタを提供することである。
本発明の更に他の目的は、小型で、製造費が安く、かつ、飽和することなく受容することができる電流が従来のインダクタンスコイルより大きい高電流薄型インダクタを提供することである。
本発明の更に他の目的は、より大きい従来のインダクタによって得られるのと同じインダクタンスを得るのに要するコイルのワイヤ巻数が少なくてすみ、従って、インダクタの直列抵抗を低くすることができる高電流薄型インダクタを提供することである。

上記目的を解決するために、本発明は、各々内側コイル端と外側コイル端を有するワイヤコイルを含む高電流薄型インダクタにおいて、磁性材料によってワイヤコイルを完全に囲包することによりインダクタ本体を構成し、第１リードを該コイルの内側コイル端に接続して該磁性材料を貫通してインダクタ本体の外部に延長させ、第２リードを該コイルの外側コイル端に接続して該磁性材料を貫通してインダクタ本体の外部に延長させる。

本発明は又、高電流薄型インダクタを製造するための方法を提供する。本発明の方法によれば、内側コイル端と外側コイル端を有するワイヤコイルを形成し、第１リードをコイルの内側コイル端に取付けて、該コイルをつる巻き状に巻回する。次いで、第２リードをコイルの外側コイル端に取付ける。次に、互いに異なる電気的特性を有する第１粉末鉄材と第２粉末鉄材を混合することによって磁性粉末材料を調製し、その磁性粉末材料をコイルの全周の周りに加圧成形してインダクタ本体を形成する。第１リードの自由端及び第２リードの自由端は、インダクタ本体の外部に延長させ、露出させる。

図１は、回路板に実装された本発明のインダクタの透視図である。 図２は、インダクタのコイルと、成形工程の前にコイルに取付けられたリードフレームの透視図である。 図３は、成形工程が完了した後、リードフレームがリードから切断される前の本発明のインダクタの透視図である。 図４は、本発明のインダクタをに製造するための本発明の方法の工程を示す流れ図である。 図５は、プレス内に装填されたリードフレームとコイルの断面図である。 図６は、図５の上からみた平面図である。 図７は、図５と同様の図であるが、粉末がリードフレームとコイルの周りに被覆され、圧力が加えられる前の状態を示す。 図８は、図５と同様の図であるが、リードフレーム、コイル及び粉末に圧力が加えられた状態を示す。 図９は、図５と同様の図であるが、リードフレーム及び成形されたインダクタンスが金型から吐出されるところを示す。 図１０は、断面丸型のワイヤのコイルを用いた本発明の変型実施形態の透視図である。 図１１は、組立て前のデバイスのリードフレーム及びコイルの分解透視図である。

添付図を参照すると、本発明の一実施形態によるデバイス即ち高電流薄型インダクタ（ＩＨＬＰ）１０が示されている。図１には、ＩＨＬＰ１０が回路板１２上に実装された状態が示されている。ＩＨＬＰ１０は、インダクタ本体１４と、該本体から延長した第１リード（端子端）１６と第２リード（端子端）１８を有する。リード１６，１８は、インダクタ本体１４の底面の下に折り曲げられており、それぞれ第１パッド２０及び第２パッド２２にはんだ付けされている。

図２を参照して説明すると、インダクタ１０は、断面長方形の扁平ワイヤからワイヤコイル即ちインダクタ素子２４を形成することによって製造される。コイル２４を形成するための好ましいワイヤの１例は、米国フロリダ州パームコースト、コマースブルバード１、Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ３５２ ４４０のＨ．Ｐ．レイドカンパニーインコーポレイテッドによって製造されているエナメル被覆の扁平ワイヤである。このワイヤは、純度９９．９５％のＯＦＨＣ銅１０２で作られている。このワイヤに、絶縁材としてポリイミドエナメル、クラス２２０が被覆され、その絶縁材の上にエポキシコート バウンド”Ｅ”という接着剤（結合剤）が被覆されている。このワイヤをつる巻きコイルに形成し、その外表面にアセトンを滴下することによってエポキシ接着剤を活性化させる。エポキシの活性化は、コイルを加熱することによって行うこともできる。エポキシが活性化されると、コイルは、弛んだり、巻きが解けたりすることなく、そのつる巻き形状を維持する。
コイル２４は、複数の巻き３０を有し、内側コイル端（単に「内端」とも称する）２６と外側コイル端（単に「外端」とも称する）２８を有する。

半ば焼入した燐青銅５１０合金で形成されたリードフレーム３２の第１リード１６の一端３４をコイル２４のワイヤの一端即ち内端２６に溶接し、リードフレーム３２の第２リード１８の一端３８をコイル２４のワイヤの他の一端即ち外端２８に溶接する。第１リード１６及び第２リード１８の自由端３６，４０は、図２では、リードフレーム３２に取付けられたものとして示されている。コイル２４の内端２６及び外端２８に対するリード１６，１８の端部３４，３８の溶接は、抵抗溶接によって行うのが好ましいが、他の型式の溶接又ははんだ付けを用いることもできる。

図５及び６を参照して説明すると、コイル２４を成形するための加圧成形機６８は、Ｔ形リードフレームホルダー７０に連通した長方形のダイ７２（図６）を有する定盤７１を備えている。定盤７１は、スライド支柱７４に上下方向に摺動自在に、ばね７６を介して弾性的に取付けられている。加圧成形機６８のベース７８には、図５に示されるように、長方形のダイ７２内へ上向きに突入する静止パンチ８０が固定されている。図２に示されたリードフレーム３２とコイル２４の組立体は、図５及び６に示されるように、Ｔ形リードフレームホルダー７０内に挿入される。この状態では、コイル２４は、静止パンチ８０の上端より上方に離隔している。

図７を参照して説明すると、粉末磁性成形材料（単に「粉末磁性材料」又は「粉末材料」とも称する）８２をコイル２４を完全に囲包するような態様にダイ７２内に注型する。リード１６，１８は、粉末材料８２から外方に突出しており、粉末材料の外部でリードフレーム３２に連結される。

粉末磁性成形材料８２は、第１粉末鉄と、第２粉末鉄と、充填材と、樹脂と、滑剤とから成る。第１粉末鉄と第２粉末鉄とは、その成形材料によって得られるデバイス（インダクタ）の効率を最大限にするように、高インダクタンスで、しかも、鉄損の少ないデバイスを形成することを可能にする、互いに異なる電気的特性を有するものとする。この混合物（第１粉末鉄と第２粉末鉄）に用いるための好ましい粉末鉄の例は、米国ニュージャージ州リバートンのヘガニー・カンパニー製で、アンコースチール１０００Ｃという商標名で販売されている粉末鉄と、米国ニュージャージ州パーシパニのＢＡＳＦコーポレーシヨン製で、カルボニルテル鉄グレードＳＱという商標名で販売されている粉末鉄である。前者の粉末鉄１０００Ｃには、７５％のＨ_３ ＰＯ４で０．４８％の質量分率となるように絶縁処理を施す。後者の粉末鉄ＳＱには、７５％のＨ_３ ＰＯ４で０．８７５％の質量分率となるように絶縁処理を施す。

このような粉末磁性材料には、又、充填材を加える。この目的のために好ましい充填材は、米国カリフォルニア州インゲルウッドのサイプラス・インダストリアル・ミネラルズ・カンパニー製で、スノーフレークＰＥという商標名で販売されている炭酸カルシウムの粉末である。

この混合物には又、ポリエステル樹脂が添加される。この目的のために好ましい樹脂は、米国ペンシルバニア州リーディングのモートン・インターナショナル社製で、コーベル・フラット・ブラックＮｏ．７００１という商標名で販売されている樹脂である。

更に、この混合物に滑剤が添加される。この目的のために好ましい滑剤は、米国テキサス州ヒューストンのウイトコ・コーポレーシヨン製で、ラブラジンクＷという製品名で販売されているステアリン酸亜鉛である。

上記各成分のいろいろな組合わせを混合することができるが、好ましい混合物は、下記の通りである。
第１粉末鉄 １，０００ｇｍ
第２粉末鉄 １，０００ｇｍ
充填材 ３６ｇｍ
樹脂 ７４ｇｍ
滑剤 ０．３重量％
滑剤を除く上記材料を混合し、次いで、それにアセトンを添加して湿し、マッド（泥）状コンシステンシーの混合物とする。次いで、それを乾燥させて、篩にかけて−５０メッシュの粒度のものを選別する。それに上記滑剤を加えて粉末成形材料８２を完成する。次いで、この材料８２を図７に示されるようにダイ７２に導入する。

インダクタを製造する本発明の方法の次の工程は、図８に示されるように可動ラム８７を可動パンチ８４上に押下げてパンチ８４をダイ７２内へ圧入させることである。可動パンチ８４によって及ぼされる力は、２．５４ｃｍ（１ｉｎ）当りほぼ１５〜２０ｔｎである。これによって粉末材料８２を圧縮し、コイル２４の周りに圧着成形して図１及び９に示されるインダクタ本体１４を形成する。

図９を参照して説明すると、吐出用ラムを定盤７１上に加工させて定盤７１をばね７６の偏倚力に抗して押し下げる。それによって、静止ラム８０が定盤７１に対して相対的に突出し、成形された組立体（インダクタ本体１４とリードフレーム３２）を吐出する。製造のこの段階においては、成形組立体は、図３に示されるような形態である。次いで、この成形組立体を１６３°Ｃ（３２５°Ｆ）ｄ１時間４５分加熱（焼付け）処理し、ポリエステル樹脂を硬化させる。

本発明のインダクタ製造する方法の次の工程は、リードフレーム３２を切断線４４，４２に沿ってリード１６，１８から切断することである。次いで、リード１６，１８を下方内側に折曲げてインダクタ本体１４の底面に押当てる。

インダクタを製造する本発明の方法の各工程は、図４にブロック図で示されている。まず、ブロック４５に示されるように、コイル２４のワイヤの一端２６又は２８を対応するリード１６，１８の端部３４又は３６に溶接する。次に、ブロック４６に示されるように、コイル２４をつる巻きの形に巻回する。次いで、ブロック５０に示されるように、コイル２４のワイヤの他端２６又は２８を対応するリード１６，１８の端部３４又は３６に溶接する。
コイルワイヤは、上述した結合剤のエポキシコートを被覆されている。コイルの結合工程４９においては、アセトン４８を塗布するか、又は熱を加えることによって結合剤を活性化し、コイル２４の各巻き３０を結合する。

次に、工程５２において、第１粉末鉄５４と、第２粉末鉄５６と、充填材５８と、樹脂６０と、滑剤６２を混合して粉末磁性材料を調製する。
加圧成形工程６４において、図５〜９を参照して先に説明したようにインダクタ本体を加圧成形する。次いで、成形組立体を加熱して樹脂を硬化する。
硬化が完了した後、最後に切断工程６６において、リードフレーム３２を切断し、リード１６，１８を折曲げてインダクタ本体１４の底面に押し当てる。

従来の誘導部品に比べて、本発明のＩＨＬＰインダクタは、幾つかの独特の属性を有する。即ち、本発明のインダクタは、導電性巻線（ワイヤコイル）、リードフレーム、磁性コア材（粉末磁性材料）と、防護囲包材（樹脂、滑剤）とが、表面実装に適する端子リードを有する単一の薄型一体部品として成形される。この構造は、磁気性能のための利用可能なスペースを最大限に利用することを可能にし、しかも、磁気的に自己遮蔽性である（即ち、一体構造のインダクタそれ自体が磁気遮蔽性を有する）。

この一体構造は、従来のＥ形コアやその他の形状のコアのように２つのコア半分体を必要とせず、又、２つのコア半分体を組立てる手間も必要としない。
本発明の独特の導体巻線は、高電流での作動を可能にし、しかも、インダクタのフートプリント（インダクタの磁気の及ぶ範囲）内での磁気パラメータを最適化する。

本発明の製造方法は、高価な、許容公差の厳密なコア材料と、特別な巻線技術に依存する必要なしに、低コストで、高性能パッケージを提供する。
本発明の磁性コア材は、表面実装のためのリード間の導電経路なしで作動するように製造されるので、インダクタを使用可能にする（３メガΩを越える）高い抵抗率を有する。又、この磁性コア材は、最高１ＭＨｚまでの有効作動を可能にする。本発明のインダクタパッケージは、１マイクロヘンリー当り２ミリΩのインダクタンス率に対して低いＤＣ抵抗率を示す。５以下のインダクタンス率が好ましいと考えられる。

図１０及び１１を参照すると、本発明の変形実施形態による高電流薄型インダクタ（ＩＨＬＰ）８８が示されている。このインダクタ８８は、断面丸型のワイヤのコイル即ちインダクタ素子９０から形成される。コイル９０は、複数の巻きを有し、第１コイル端９８と第２コイル端９４を有する。リードフレーム９６は、第１リード（端子端）９８と第２リード（端子端）１００を有する。第１リード９８の端部は、符号１０２で示され、第２リード１００の端部は、符号１０４で示されている。

デバイス即ちインダクタ８８を製造する方法は、図１〜９に示されたデバイス１０の場合とは異なる。デバイス８８の場合は、まず、コイル９０を巻回し、その巻回中に加熱結合させる。次いで、コイル端９２，９４をそれぞれ対応するリード端１０２，１０４に溶接する。
次に、先に説明したのと同じ態様で加圧成形機に上述した混合粉末材料を導入し、加圧成形工程を実施する。最後に、リードフレーム９６からリード９８，１００を切断し、それらを折曲げてデバイス８８の底面に押当てる。

リード９８，１００の位置は、いろいろに変更することができる。又、この成形体内に１個以上のコイルを設けることもできる。例えば、成形体１０又は成形体８８内に２個又はそれ以上のコイル２４又は９０を設けることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。例えば、必要に応じて、各部品の形状及び相対的寸法を変更することができ、又、各部品を均等の部品と置換することもできる。

１０：高電流薄型インダクタ
１４：インダクタ本体
１６：第１リード
１８：第２リード
２４：ワイヤコイル
２６：第１コイル端又は内側コイル端
２８：第２コイル端又は外側コイル端
３６：第１リードの自由端
４０：第２リードの自由端
８８：高電流薄型インダクタ
９０：ワイヤコイル
９２：第１コイル端
９４：第２コイル端
９８：第１リード
１００：第２リード

Claims (3)

1. 高電流薄型インダクタを製造するための方法であって、
   コイルから成るインダクタ素子を形成し、
   絶縁処理された粉末磁性鉄と、充填材と、乾燥樹脂とから成る乾燥粉末混合物を調製し、
   該乾燥粉末混合物を篩にかけて選別して−５０メッシュの粒度の混合物とし、
   該乾燥粉末混合物を２．５４ｃｍ（１インチ）当りほぼ１５〜２０ｔｎの力を用いて前記コイルの周りに乾燥状態のままで圧縮することによって、実質的に空隙がなく、該絶縁処理された磁性鉄が該コイルを遮蔽して成るインダクタ本体を形成し、
   該圧縮されたインダクタ本体を硬化させることから成り、
   前記乾燥粉末混合物は、重量比でみて３６ｇｍの充填材及び７４ｇｍの乾燥樹脂に対して２０００ｇｍの前記絶縁処理された粉末磁性鉄を有することを特徴とする方法。
   
2. 前記乾燥粉末混合物は、滑剤を含み、重量比でみて３６ｇｍの前記充填材と、０．３重量％の該滑剤と、７４ｇｍの前記乾燥樹脂に対して２０００ｇｍの前記絶縁処理された粉末磁性鉄を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   
3. 前記乾燥粉末混合物中の前記絶縁処理された粉末磁性鉄は、第１粉末鉄と、第２粉末鉄を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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