JP5115691B2 - コイル装置、及びコイル装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コイル装置、及びコイル装置の製造方法に関する。

近年、携帯電話やノートパソコン等の小型携帯機器が急速に普及している。これらの機器の小型・薄型化と高性能化を両立させるために、電源に搭載されるコイル装置等についても、小型・薄型化を進めることが重要な課題となっている。

このような状況の下、例えば特許文献１にはフェライトコアにコイルを巻いたコイル装置（いわゆる巻き線コイル）が開示されており、また特許文献２には平面コイルとコアを組み合わせたコイル装置が開示されている。

特開２００４−１９７２１８号公報 特開２００１−１０２２１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたコイル装置は、コイル導体部が厚くなってしまうために薄型化が難しいという問題がある。

また、特許文献２に開示されたコイル装置は、絶縁基板の両面に導体パターンを形成し、これを薄型のフェライトコアに組み込むことで小型・薄型化の実現を図っているが、かかる構成では、取り扱いや量産性を考慮すると絶縁基板の厚さは０．１ｍｍ程度が限界であり、これ以上の薄型化が難しいという問題がある。さらに、フェライトコアを利用した場合には、材料の飽和磁束密度Ｂｓが小さいためにコア自身の薄型化も難しい。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、小型・薄型化の要請に応えつつ、電気的特性の優れた高性能のコイル装置、及びコイル装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るコイル装置は、二つの外足部及び前記外足部の間に位置する中足部を片面に有する第１磁性層と、前記外足部と中足部との間に形成される平面スパイラルコイルの導体パターンと、前記平面スパイラルコイルの導体パターンを被覆する絶縁層と、前記平面スパイラルコイルの導体パターンの前記第１磁性層とは反対側に設けられる第２磁性層とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁性層に導体パターンを埋め込む形でコイル層を形成しているため、導体パターンを基板上に形成する従来例（例えば特許文献１）に比して低背化・薄型化が可能となる。

また、平面スパイラルコイルの導体パターンは絶縁層によって被覆され、かつ、絶縁層によって被覆された導体パターンは第1磁性層及び第２磁性層によって挟持されているため、コイルの電気的特性を向上させることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記平面スパイラルコイルの導体パターン間は絶縁層のみが存在する態様が好ましい。かかる構成によれば、導体パターン間の絶縁性を確実に担保することができる。

また、上記構成にあっては、前記絶縁層の表面は前記第１磁性層に接触している態様が好ましい。このように、絶縁層の表面を第１磁性層に接触させることで、コイル装置内部には、空気等の気体の層は存在しない。かかる気体の層が存在すると、加熱時に気体が膨張して破裂を起こす可能性があるが、上記構成によれば、このような破裂等を未然に防止することができる。

また、上記構成にあっては、前記平面スパイラルコイルの導体パターン間の比透磁率をμ１とし、前記外足部の比透磁率をμ２とした場合、μ１／μ２≦０．５を満たす態様が好ましい。これにより、インダクタンス値Ｌ及びＱ値といったコイルの電気的特性を飛躍的に向上することが可能となる（図２０、２１参照）。

また、上記構成にあっては、前記中足部と前記第２磁性層との間には樹脂層が形成されている態様が好ましい。ここで、コイルに流す電流値を増大させると、磁性層の磁束密度が増大することで磁性層の比透磁率が低下し、インダクタンスが低下してしまう。これに対し、樹脂層は電流値を増大させても比透磁率の低下はないため、上記の如く中足部と第２磁性層との間に樹脂層を配置することで、電流値増大によるインダクタンスの低下をゆるやかにすることが可能となる。なお、中足部と第２磁性層との間のみならず、外足部と第２磁性層との間にも樹脂層を設けることで、上記インダクタンスの低下をよりゆるやかにすることが可能となる。

また、本発明に係る別のコイル装置は、二つの外足部及び前記外足部の間に位置する中足部を片面に有する磁性層と、前記外足部と中足部との間に形成された平面スパイラルコイルの導体パターンと、前記磁性層と前記平面スパイラルコイルの導体パターンとの間、前記外足部と前記平面スパイラルコイルの導体パターンとの間、前記中足部と前記平面スパイラルコイル導体パターンとの間、及び前記平面スパイラルコイルの導体パターン間に配置され、前記平面スパイラルコイルの導体パターンに接する絶縁層とを備えるコイル装置を２つと、樹脂層とを備え、各コイル装置の前記導体パターンが埋め込まれた面が、前記樹脂層を介して対向配置され、前記樹脂層には各コイル装置の平面スパイラルコイルを接続する導通部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係るコイル装置の製造方法は、平面スパイラルコイルの導体パターンを基板上に形成する工程と、前記導体パターンを被覆する絶縁層を形成する工程と、第１磁性層を前記絶縁層上及び前記基板上に形成する工程と、前記基板を剥離する工程と、前記基板を剥離して得られるコイル装置と第２磁性層とを対抗させて樹脂層層を介して接着する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、小型・薄型化の要請に応えつつ、電気的特性の優れた高性能のコイル装置、及びコイル装置の製造方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

Ａ．コイル装置及びその製造方法
図１は、本発明に係るコイル装置の要部を示す透視上面図であり、図２は、本発明に係るコイル装置の要部を示す透視下面図である。また、図３〜図１３は、コイル装置を製造している状態を示す工程図であり、各々図１における図１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線視断面図である。

まず、転写用基板としての役割を担う０．１ｍｍ程度のステンレス基板１１０に１μｍのニッケル層１２０を形成する（図３参照）。ニッケル層１２０は、ステンレス基板１１０に対するレジストパターン及び導体パターンの密着性の確保、及び磁性層（いずれも後述）を形成した後の剥離性の確保のために形成される。ニッケル層１２０の形成方法としては、めっき法（特に、電気めっき法）が好ましいが、これに限定する趣旨ではなく種々の方法を採用することができる。ただし、スパッタ法等の薄膜形成方法を採用した場合には、ステンレス基板１１０とニッケル層１２０との密着力が強く、磁性層を形成した後の剥離が困難になるおそれがある点に留意する。

次に、４５μｍ程度の厚さのドライフィルムをニッケル層１２０の上に積層し、図１及び図２に示す導体パターン１４０を除いた部分に相当する形状のレジストパターン１３０を形成する（図４参照）。ここで、導体パターン１４０におけるスパイラル部１０３の線幅（Ｌ＆Ｓ）は、１００μｍ／３０μｍである。
このようなレジストパターン１３０を形成することで、最終的には図１、図２に示すような外足部１０１、中足部（いわゆるセンターポール）１０２、スパイラル部１０３を有する導体パターンの形成が可能となる。

次にニッケル層１２０の形成されたステンレス基板１１０を導通層として、電気めっき法などにより高さ３５μｍ程度の導体パターン１４０を形成する（図５参照）。金属の種類としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕなどの電気抵抗の小さな金属が好ましいが、コストやめっきの生産性を考慮するとＣｕが最も好ましい。

さらに前掲図４と同様な方法により、４５μｍ程度の厚さのレジストパターン１３５を形成した後（図６参照）、前掲図５と同様な方法で導体パターンを形成することで、最終的には厚さ７０μｍ程度の導体パターン１４０を形成する（図７参照）。このように、本実施形態では、狙いとする導体パターン１４０の厚さに応じて２段階で導体パターンを形成したが、単段で導体パターンを形成しても良く、またＮ段（Ｎ≧３）で導体パターンを形成しても良い。

次にレジストパターン１３０、１３５を剥離した後（図８参照）、導体パターン１４０上にポリイミド樹脂などの絶縁層１５０を形成する（図９参照）。この際、スパイラル部１０３については、隣接する導体パターン１４０の間（以下、導体パターン間）の空隙を全て絶縁層１５０で埋める（導体パターン間に絶縁層のみが存在する）ことがコイルの特性信頼性向上の観点から望ましい。絶縁層１５０の形成方法としては、スクリーン印刷法や感光性の絶縁膜を真空ラミネートしてパターニングする方法、感光性の電着レジストをパターニングする方法などが挙げられるが、他の方法を採用しても良い。

さらに、絶縁層１５０の形成に加えて（あるいは代えて）、導体パターン１４０の表面に酸化処理を施し、絶縁性を高めるようにしても良い。また、後述する金属磁性粉の平均粒径を導体パターン間の距離よりも大きく設定することで、導体パターン間への金属磁性粉１４０の侵入を抑制しても良い。かかる場合には、絶縁層１５０の形成を省略することができ、工程の簡素化及び低コスト化を図ることが可能となる。

次に金属磁性粉と絶縁バインダである樹脂を混合し、これを基板全面（すなわち絶縁層１５０上及びニッケル層１２０上）に、ほぼ一様な高さで形成し、真空プレスすることで磁性層（第１磁性層）１６０を形成する（図１０参照）。かかる真空プレスによって導体パターン１４０を覆う絶縁層１５０の表面は磁性層１６０に接触することとなる。ここで、絶縁層１５０によって覆われているスパイラル部１０３の導体パターン間の比透磁率μ１は、磁性層１６０によって覆われている外足部１０１及び中足部１０２の比透磁率μ２に比して小さくなる。これにより、インダクタンス値Ｌ及びＱ値といったコイルの電気的特性を向上させることが可能となる（詳細は後述）。

ここで、磁性層１６０に関しては、コイルの特性を考慮して絶縁バインダとなる樹脂の量を２０ｖｏｌ％以下に設定するのが好ましい。また、金属磁性粉の種類としては、フェライト、鉄、シリコン鉄、パーマロイ、センダストなどが挙げられるが、コイルの特性（特に直流重畳特性）を考慮すると、鉄及びその合金が好ましく、金属磁性粉の平均粒径は５〜３０μｍが好ましい。さらに、コイルのインダクタンス値Ｌを大きくしたい場合には、扁平粉や、楕円形状の金属磁性粉を用いれば良い。

次に転写用基板（ニッケル層１２０が形成されたステンレス基板１１０）を剥離し、薄膜コイル層１７０を得る（図１１参照）。ここで、ニッケル層１２０が磁性層１６０側に付着する場合にはニッケル層１２０を選択的にエッチングできる手法（例えば市販のＮｉ剥離剤など）を利用することで、ニッケル層１２０を剥離する。

このような構成を有する薄膜コイル層１７０を２層用意する。そしてスクリーン印刷法やシリンジによる注入などを利用して、層間の導通部分（図１のＡ参照）に導電性ペースト（導通部）１８０を塗布する（図１２参照）。導電性ペースト１８０としては、銀ペースト、銅ペースト、はんだペースト等を利用することができるが、例えば予備加熱で合金層を形成し、この合金の溶融温度が高く信頼性の高いペーストを利用しても良い。

次に少なくともいずれか一方の薄膜コイル層１７０について、導体パターン１４０の形成面のうち上記層間の導通部分を除くエリアに接着剤（樹脂層）を塗布した後、２つの薄膜コイル層（コイル装置）１７０を対向配置する。具体的には、図１３に示すように対向する磁性層（第１磁性層、第２磁性層）の外足部１０１の間、中足部１０２の間などに接着剤を塗布し、２つの薄膜コイル層１７０を対向配置する。そして、熱プレスにて一体化することで、２層の薄膜コイル層１７０を有するコイル装置１００が形成される。

ここで、接着剤としてはエポキシ樹脂等の樹脂層を用いることができ、平均透磁率が磁性層１６０よりも小さな物質で形成されるのが好ましい。さらに、接着剤の厚さは５μｍ以下が好ましく、接着剤１９０や導電性ペースト１８０は、上下いずれか一方の薄膜コイル層１７０に塗布するのではなく、上下両方の薄膜コイル層１７０に塗布しても良い。

以上説明した製造方法では、上下の薄膜コイル層に平面スパイラルコイル用の導体パターン１４０を形成したが（図１、図２参照）、例えば図１４、図１５に示すように一方の薄膜コイル層に平面スパイラルコイル用の導体パターン１４０を形成し、他方の薄膜コイル層に引き出し電極用の導体パターン１４６を形成しても良い。さらに、コイルを形成する導体パターン１４０の形状は、スパイラルパターンに限る趣旨ではなく、例えば図１６に示すミアンダパターンなど、同一平面内に描けるあらゆるパターン形状を採用することができる。

Ｂ．評価
図１７は、評価に使用したコイル装置の要部を示す透視上面図であり、図１８は、評価に使用したコイル装置の要部を示す透視下面図である。また、図１９は、図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線視断面図である。

本実験では、上記製造方法を利用してスパイラル部１０３におけるコイル導体間に比透磁率μ１の第１金属磁性層１６１を形成し、外足部１０１及び中足部１０２に比透磁率μ２の第２金属磁性層１６２を形成し、導体パターン１１０の上下には比透磁率μ３の第３金属磁性層１６３を形成し（図１７〜図１９参照）、比透磁率μ１、μ２を変化させたときのインダクタンス値Ｌ及びＱ値を５００ｋＨｚ、１Ｖで測定した。

ここで、比透磁率μ１、μ２については、樹脂バインダの混合比率を変えることで、所望の値に設定した。なお、第３金属磁性層１６３については、同一の金属磁性粉に同種同量のバインダを混ぜて熱プレスすることで比透磁率μ３を一定（＝３５）とした。

かかる実験結果を表１、表２及び図２０、図２１に示す。

ここで、表１は、第２金属磁性層１６２（外足部１０１及び中足部１０２）の比透磁率μ２と第３金属磁性層１６３の透磁率μ３を同じ値（＝３５）に設定し、第１金属磁性層１６１（コイル導体間）の比透磁率μ１を３５〜１の間で変化させた場合のインダクタンス値Ｌ及びＱ値の結果を示す。

また、表２は、第２金属磁性層１６２（外足部１０１及び中足部１０２）の比透磁率μ２を第３金属磁性層１６３の透磁率μ３と異なる値（＝２５）に設定し、第１金属磁性層１６１（コイル導体間）の比透磁率μ１を２５〜１の間で変化させた場合のインダクタンス値Ｌ及びＱ値の結果を示す。また、図２０、図２１には表１の結果（μ２＝３５）を実線で示し、表２の結果（μ２＝２５）を一点鎖線で示す。

各表及び各図から明らかなように、コイル導体間の比透磁率μ１を外足部１０１及び中足部１０２の比透磁率μ２よりも小さく設定することで、インダクタンス値Ｌ及びＱ値は向上する。特に、コイル導体間の比透磁率μ１と外足部１０１及び中足部１０２の比透磁率μ２の比（＝μ１／μ２）が０．５以下になると、インダクタンス値Ｌ及びＱ値は顕著に向上することがわかる。

以上の実験結果により、比透磁率の比が０．５以下になるようにコイル導体間の比透磁率等を設定することで、特性の良いコイル装置１００を形成することが可能となる。なお、コイル導体間の比透磁率を変えるためには、上述したようにコイル導体間に充填する樹脂バインダの混合比率を適宜変えれば良い。また、高周波特性の観点から、比透磁率の比が０．００３以上であると好ましい場合がある。

以上説明したように、本実施形態によれば、磁性層に導体パターンを埋め込む形でコイル層を形成しているため、導体パターンを基板上に形成する従来例（例えば特許文献１）に比して低背化・薄型化が可能となる。
また、導体パターンは絶縁層によって被覆され、かつ、絶縁層によって被覆された導体パターンは上下の磁性層によって挟持されているため、コイルの電気的特性を向上させることが可能となる。
また、コイル導体間の比透磁率μ１を外足部及び中足部の比透磁率μ２よりも小さく設定することで、インダクタンス値Ｌ及びＱ値といったコイルの電気的特性を向上させることが可能となる。

また、上述した製造方法によれば、導体パターン、中足、外足を同時に形成することができるため、量産性に優れており、またコイルのインダクタンス値Ｌを上げることが可能となる。

さらに飽和磁束密度Ｂｓの高い金属磁性粉を用いることにより、直流重畳特性（直流電流とインダクタンス値変化の関係）を改善することができる。さらに、上記従来例と比較して工程が簡素化されており、量産性も高いというメリットがある。

なお、上述した実施形態では、金属磁性粉と絶縁バインダで形成された磁性層を例示したが、金属磁性粉の代わりにフェライト磁性粉などを利用しても良い。また、上述した実施形態では、コイルの導体パターン１４０について、一部の面（図１２では下面）が露出し、その他の面が絶縁層１５０で被覆される構成であったが、全ての面が絶縁層１５０によって被覆される構成であっても良い。

本発明に係るコイル装置の要部を示す透視上面図である。 本発明に係るコイル装置の要部を示す透視下面図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置を製造する手順の一例を示す工程図である。 コイル装置の導体パターンを例示した図である。 コイル装置の導体パターンを例示した図である。 コイル装置の導体パターンを例示した図である。 評価に使用したコイル装置の要部を示す透視上面図である。 評価に使用したコイル装置の要部を示す透視下面図である。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線視断面図である。 コイル装置のμ１／μ２に対するＬ値の変化を示すグラフである。 コイル装置のμ１／μ２に対するＱ値の変化を示すグラフである。

符号の説明

１００…コイル装置、１０１…外足部、１０２…中足部、１０３・・・スパイラル部、１１０…ステンレス基板、１２０…ニッケル層、１３０，１３５…レジストパターン、１４０…導体パターン、１５０…絶縁層、１６０…磁性層、１６１…第１金属磁性層、１６２…第２金属磁性層、１６３…第３金属磁性層、１７０…薄膜コイル層、１８０…導電ペースト、１９０…接着剤。

Claims (16)

1. 二つの外足部及び前記外足部の間に位置する中足部を片面に有する第１磁性層と、
   前記外足部と中足部との間に形成される平面スパイラルコイルの導体パターンと、
   前記平面スパイラルコイルの導体パターンを被覆する絶縁層と、
   前記平面スパイラルコイルの導体パターンの前記第１磁性層とは反対側に設けられる第２磁性層と、
   を備え、
   前記第１磁性層は、該第１磁性層全体に、金属磁性粉、及び、絶縁バインダとなる樹脂を含有しており、
   前記第２磁性層は、該第２磁性層全体に、金属磁性粉、及び、絶縁バインダとなる樹脂を含有しており、
   前記第１磁性層及び前記第２磁性層に含まれる前記金属磁性粉の平均粒径が、前記導体パターン間の距離よりも大きく、
   前記平面スパイラルコイルの導体パターン間の比透磁率をμ１とし、前記外足部の比透磁率をμ２とした場合、０．００３≦μ１／μ２≦０．５を満たす、
   ことを特徴とするコイル装置。
2. 前記平面スパイラルコイルの導体パターン間は絶縁層のみが存在する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のコイル装置。
3. 前記絶縁層の表面は前記第１磁性層に接触している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル装置。
4. 前記第１磁性層における前記樹脂の含有量が２０ｖｏｌ％以下である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコイル装置。
5. 前記金属磁性粉の平均粒径が５〜３０μｍである、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル装置。
6. 前記金属磁性粉が偏平粉又は楕円形状を有するものである、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイル装置。
7. 前記中足部と前記第２磁性層との間には樹脂層が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のコイル装置。
8. 前記外足部と前記第２磁性層との間には樹脂層が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のコイル装置。
9. 二つの外足部及び前記外足部の間に位置する中足部を片面に有する磁性層と、
   前記外足部と中足部との間に形成された平面スパイラルコイルの導体パターンと、
   前記磁性層と前記平面スパイラルコイルの導体パターンとの間、前記外足部と前記平面スパイラルコイルの導体パターンとの間、前記中足部と前記平面スパイラルコイル導体パターンとの間、及び前記平面スパイラルコイルの導体パターン間に配置され、前記平面スパイラルコイルの導体パターンに接する絶縁層とを備えるコイル装置を２つと、
   樹脂層と、
   を備え、
   各コイル装置の前記導体パターンが埋め込まれた面が、前記樹脂層を介して対向配置され、
   前記樹脂層には各コイル装置の平面スパイラルコイルを接続する導通部が設けられており、
   前記磁性層は、該磁性層全体に、金属磁性粉、及び、絶縁バインダとなる樹脂を含有しており、
   前記磁性層に含まれる前記金属磁性粉の平均粒径が、前記導体パターン間の距離よりも大きく、
   前記平面スパイラルコイルの導体パターン間の比透磁率をμ１とし、前記外足部の比透磁率をμ２とした場合、０．００３≦μ１／μ２≦０．５を満たし、
   前記樹脂層の平均透磁率が前記磁性層の平均透磁率よりも小さい、
   ことを特徴とするコイル装置。
10. 前記対向する磁性層の中足部間には樹脂層が形成されている、
    ことを特徴とする請求項９に記載のコイル装置。
11. 前記対向する磁性層の外足部間には樹脂層が形成されている、
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載のコイル装置。
12. 平面スパイラルコイルの導体パターンを基板上に形成する工程と、
    前記導体パターンを被覆する絶縁層を形成する工程と、
    第１磁性層を前記絶縁層上及び前記基板上に形成する工程と、
    前記基板を剥離する工程と、
    前記基板を剥離して得られるコイル装置と第２磁性層とを対抗させて樹脂層を介して接着する工程と、
    を有し、
    前記第１磁性層は、該第１磁性層全体に、金属磁性粉、及び、絶縁バインダとなる樹脂を含有しており、
    前記第２磁性層は、該第２磁性層全体に、金属磁性粉、及び、絶縁バインダとなる樹脂を含有しており、
    前記第１磁性層及び前記第２磁性層に含まれる前記金属磁性粉の平均粒径が、前記導体パターン間の距離よりも大きく、
    前記平面スパイラルコイルの導体パターン間の比透磁率をμ１とし、前記外足部の比透磁率をμ２とした場合、０．００３≦μ１／μ２≦０．５を満たし、
    前記樹脂層の平均透磁率が前記磁性層の平均透磁率よりも小さい、
    ことを特徴とするコイル装置の製造方法。
13. 前記基板を剥離して得られるコイル装置同士を対抗させて樹脂層を介して接着する工程を有することを特徴とする請求項１２に記載のコイル装置の製造方法。
14. 前記第１磁性層における該樹脂の含有量が２０ｖｏｌ％以下である、
    ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のコイル装置の製造方法。
15. 前記金属磁性粉の平均粒径が５〜３０μｍである、
    ことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のコイル装置の製造方法。
16. 前記金属磁性粉が偏平粉又は楕円形状を有するものである、
    ことを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のコイル装置の製造方法。

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