JP5221143B2 - 平面磁気素子 - Google Patents

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Description

本発明は、薄型インダクタとして使用される平面磁気素子（磁気受動素子）に係り、特に平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を高めインダクタンスを向上させた平面磁気素子に関する。
近年、各種電子機器の小型化・軽量化が進展し、これに伴って各種デバイスが薄膜プロセスを用いて作製される傾向にある。この流れの中でインダクタ（リアクター）、トランス、磁気ヘッドなどの磁気素子も従来のバルク磁性材料に巻線を施した構造に代えて、スパイラル形状やつづら折れ（ミランダ型）パターンを有する平面コイルを磁性体で被覆した外鉄型の構造を有する平面磁気素子（平面インダクタ）が提案され、デバイスの小型薄型化が試行されている（例えば、非特許文献１参照）。
一方、小型電子機器用のＤＣ−ＤＣコンバータの例に見られるように、機器の小型軽量化を実現するためにＭＨｚ以上の高い動作周波数で動作させようという技術的要求が高まっている。このような電子機器においては高周波用インダクタが一つのキーコンポーネントとなっており、以下のような特性が要求されている。
（１）小型薄型であること。
（２）周波数特性が良好であること。
（３）適当な電力容量を有すること。
一般的に小型インダクタ素子としては、バルクフェライトにコイルを巻回したものや塗布型のフェライト材料と塗布型の導体材料とを一体に焼成したものが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。前者は、バルクフェライトコアを小型・薄型化するに伴って表面劣化層が総体積に占める割合が大きくなり、透磁率を始めとした特性が劣化し、低損失で高インダクタンスのインダクタ素子が実現できなくなる。また、後者はコイルをスパイラル型やトロイダル型を形成する様にパターニングして塗布し、これらのコイルによって軟磁性体が励磁される様にフェライトを塗布し、最後にこれらを焼結して作製されている。例えばトロイダル型のインダクタではフェライトと導体とを交互にパターン化して塗布する工程を経て製造されている。
特開２００２−２９９１２０号公報 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．ＭＡＧ−２０，Ｎｏ．５，ｐｐ．１８０４−１８０６ しかしながら、上記従来のインダクタに用いられる軟磁性材料は概して透磁率が低いために、高いインダクタンス値が得られにくい欠点があった。一方、この欠点を補うために多量の磁性材料を用いるとインダクタなどの磁気素子の薄型化には限界があり、部品の高密度実装化による機器の小型化が困難になるという問題点を生じていた。
［発明の開示］
本発明は、上記のように透磁率が低いために多量の磁性材量を使用する必要があったという従来の状況に鑑み、高いインダクタンス値が効果的に得られる配置構造を採用することにより、薄型化したインダクタなどの平面磁気素子を実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明者らは特に高いインダクタンス値が得られるような磁性粉末の寸法形状及び配置構造を鋭意研究し、実験によりそれらのファクターが磁気素子特性に及ぼす影響を確認した。その結果、コイル配線同士の間隔と、磁性粉末の最大径とを所定の関係となるように調整してコイル配線間に充填したり、または平面コイルとその上下に形成される磁性層との間に絶縁層を形成せず、磁性層に含有される磁性粉末が直接平面コイルに接触するか、または距離１μｍ以下に近接するように形成して薄型インダクタを構成したときに、コイルに発生する磁界に対する透磁率を効果的に向上でき、インダクタンス値が向上した薄型インダクタが初めて実現するという知見が得られた。特に、平面コイルとその上下に形成される磁性層との間に絶縁層を配設しない場合においては、上下の磁性層を貫く磁束が多くなり、インダクタンス値を高くできることが判明した。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明に係る平面磁気素子は、磁性粉末と樹脂との混合物から成る第１の磁性層と第２の磁性層との間に平面コイルを有する平面磁気素子において、上記平面コイルのコイル配線同士の間隔をＷとする一方、上記磁性粉末の最大径をＬとしたときに、関係式Ｗ＞２Ｌを満たすと共に、長さＷの線分中に含まれる磁性粉末の個数が３個以上であり、上記磁性粉末の平均粒径が０．５μｍ以上であり、上記磁性層中に含有される磁性粉末と上記平面コイルとが、距離１μｍ以下に近接しているか、または接触している一方、上平面磁気素子の厚さが０．４ｍｍ以下であることを特徴とする。
上記平面磁気素子において、平面コイルのコイル配線同士の間隔Ｗとは、図１〜図５に示すように、あるコイル配線から対向するコイル配線へ直線を引いたときの距離であり、隣接するコイル配線間の隙間の幅である。なお、コイル配線がＬ字型に屈曲している部分は、上記間隔Ｗの測定対象にはしない。
また、コイル配線同士の隙間に充填された磁性粉末の最大径Ｌは、下記のように測定される。すなわち、図７に示すように平面コイル４のコイル配線４ｃ、４ｃ間に形成された磁性層の拡大写真を撮影し、観察される個々の磁性粉末７の中で最も大きな径を測定する（図６参照）。この測定作業を上記表面の任意の３箇所で行い、その測定値で最も大きな値を磁性粉末の最大径Ｌとする。
なお、磁性粉末をガス水アトマイズ法等によって調製した段階においては、調製した磁性粉末を篩いに掛けた後の最大径Ｌは、用いた篩いの目開き寸法に相当する。
上記平面磁気素子において、上記磁性粉末の最大径Ｌがコイル配線同士の間隔Ｗ以上（Ｗ≦Ｌ）である場合には、磁性粉末がコイル配線間に充填されず、また充填されても配線間隙の長手方向に磁性粉末の長軸が配置されるために、コイル間に充填された磁性粉末がコイルによって形成される磁場によって影響を受け易くなり平面コイルのインダクタンス値が低下し易くなる。したがって磁性粉末の最大径Ｌは、コイル配線同士の間隔Ｗより小さい範囲とされる。上記最大径の範囲内において平面磁気素子のインダクタンスを高くすることが可能になる。
上記磁性粉末および各磁性層を構成する磁性材料としては、特に限定されるものではなく、純鉄、センダスト（Ｆｅ−５．５Ａｌ−１０Ｓｉ）の他に、パーマロイ（Ｆｅ−７８．５Ｎｉ）等のＦｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｏ系アモルファス合金、Ｆｅ系アモルファス合金、珪素鋼（Ｆｅ−５．５Ｓｉ）等の金属軟磁性材料やフェライトなどの酸化物が使用できる。アモルファス合金としては、一般式（Ｍ１−ａＭ’ａ）１００−ｂＸｂ（但し、ＭはＦｅ，Ｃｏから選択された少なくとも１種の元素であり、Ｍ’は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷから選択された少なくとも１種の元素であり、ＸはＢ、Ｓｉ、ＣおよびＰから選択された少なくとも１種の元素を示し、ａおよびｂはそれぞれ０≦ａ≦０．１５、１０ａｔ％≦ｂ≦３５ａｔ％を満足する）で表される組成を有するものが好ましい。また、コスト面を考慮するとセンダストやＦｅ系アモルファス合金のようにＦｅベースの材料が好ましい。
前記平面コイルは、図１に示すような角型スパイラル形状ないしは図４に示すようなつづれ折り状に形成したミアンダー型コイルまたは図５に示すような丸型スパイラル形状に展開する等のように、隣接する導体コイルが並走する形状の平面コイルであれば同様のインダクタンス増大効果が得られる。上記平面コイルの厚さ（高さ）は１０〜２００μｍ程度に調整される。
また上記平面磁気素子において、前記各磁性層中に含有される磁性粉末と上記平面コイルとが接触しているか、または距離１μｍ以下に近接していることが好ましい。すなわち、磁性層に含有される磁性粉末が直接平面コイルに接触するか、または距離１μｍ以下に近接させることにより、コイルに発生する磁界に対する透磁率を効果的に向上でき、インダクタンス値が向上した薄型インダクタが実現する。
また上記平面磁気素子において、前記平面コイルのコイル配線同士の間隔をＷとする一方、上記磁性粉末の最大径をＬとしたときに、関係式Ｗ＞２Ｌを満たすことが好ましい。この磁性粉末の最大径Ｌが関係式Ｗ＞２Ｌを満たすように、磁性粉末をより微細に調製することにより、磁性粉末がコイル配線間に効果的に充填される結果、コイルに発生する磁界に対する透磁率を効果的に向上でき、コイルのインダクタンス値をより向上させることができる。
さらに上記平面磁気素子において、前記磁性粉末の平均粒径が８０μｍ以下であることが好ましい。磁性粉末の平均粒径が８０μｍを超えるように粗大になると、コイル配線間の空隙部に磁性粉末が十分に充填しにくくなると共に、コイル配線間の磁性体の粉末充填率が低下しインダクタンスの向上は期待できない。そのため、磁性粉末の平均粒径は８０μｍ以下とされるが、５０μｍ以下、さらには３５μｍ以下がさらに望ましい。しかしながら、この平均粒径Ｄが０．５μｍ未満では磁性粉末が過度に微細であり取扱いが難しい。具体的には、表面酸化層や表面劣化層を生じて磁気特性劣化や、熱振動による磁気特性劣化を発生し易い。また、ペーストとしたときに粉末が均一に混合されにくい等の難点がある。
さらに上記平面磁気素子において、前記平面コイルのコイル配線同士の隙間への前記磁性粉末の充填率が３０ｖｏｌ％以上であることが好ましい。このコイル配線同士の隙間への磁性粉末の充填率が３０ｖｏｌ％未満と過少になると、平面磁気素子のインダクタンスが低下するため好ましくない。したがって、上記磁性粉末充填率は３０ｖｏｌ％以上が好ましいが、さらに５０ｖｏｌ％以上が好ましい。
また上記平面磁気素子において、前記平面コイルのコイル配線同士の間隔をＷとしたとき、長さＷの線分中に含まれる磁性粉末の個数が３個以上であることが好ましい。この磁性粉末の個数は図７に示すように測定される。すなわち、コイル配線４ｃ、４ｃ間の間隙部の幅Ｗに相当する長さを有する線分中に一部でも含まれる磁性粉末７の数が計数される。図７においては線分に含まれる磁性粉末７の個数は５である。コイル配線間隔との関係で上記磁性粉末の個数が２個以下である場合には、磁性層の粉末充填率が低いために十分な磁気特性が得られない。したがって、上記コイル配線間に直線上に配置される磁性粉末の個数は３以上とされるが、５個以上がさらに好ましい。
さらに上記平面磁気素子において、前記磁性粉末（粒子）は、アモルファス合金、平均結晶粒径が２μｍ以下であるＦｅ基微細結晶合金、フェライトの少なくとも１種の磁性材料から成ることが好ましい。上記磁性材料から成る磁性粒子をコイル間隙に充填することにより、透磁率が高まり平面磁気素子のインダクタンス値を高めることができる。このとき、第１磁性層または第２磁性層に用いた磁性粉末を用いると製造性が向上する。
また上記平面磁気素子において、前記平面磁気素子の全厚さが０．４ｍｍ以下であることが好ましい。本発明では平面磁気素子とＩＣチップとを同一パッケージ内に収容し、より小型の回路部品を実現することを目的としておリ、半導体チップと同じ高さ未満でないとワンパッケージ化するメリットがなくなる。このため、平面磁気素子の厚さは高くても半導体素子ペレットの一般的な高さ０．６２５ｍｍ未満、望ましくは０．４ｍｍ以下が求められる。特に平面磁気素子の厚さを０．４ｍｍ程度以下にすることにより、後述の図８〜図１０に示すような積層タイプのワンパッケージ化が可能になる。上記平面磁気素子を構成する第１の磁性層と第２の磁性層の厚さは、それぞれ５０〜２００μｍ程度に設定すると良い。
さらに上記平面磁気素子において、前記平面コイルは、金属粉末の低温焼成体から成ることが好ましい。金属粉末としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ，Ｓｎ，その他の導電性粉末が用いられ、特に導電性および経済性の観点からＣｕ、Ａｇが好ましい。平面コイルは、上記金属粉末と樹脂と溶媒との混合物を所定パターンに塗布した後に自然乾燥したり、溶媒気化温度ないしはそれ以上の温度に加熱したり、還元等の反応含む加熱操作を実施したりしてコイルとして固化せしめて形成される。
上記平面コイルは、金属粉末（導電性粉末）と樹脂バインダとの混合物を乾燥や加熱により固化したもの、スパッタやメッキ等の成膜技術により成膜されたもの、などが好適に使用できる。金属粉末と樹脂バインダの混合物を用いたものの方が安価に作製できるので好ましい。また、導電性金属箔をエッチングにより形成、または型により所定形状に打ち抜いたものを使用しても良い。
平面コイル配線の幅、高さ（厚さ）、間隔（隙間）は、コイルの特性に影響を及ぼす要因であり、配線密度を高めて配線の幅及び厚さを可及的に大きく設定し、かつ配線の間隔は相互の絶縁性を保持する範囲で可及的に小さくすることが望ましい。具体的には、コイル配線の高さ（厚さ）は、２０μｍ以上、好ましくは４０μｍ以上が好ましい。薄いとコイル抵抗が大きくなり高い性能指数（Ｑ値：Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）が得られない。要求される性能に応じて可及的に厚くすることが好ましい。また前記のように、コイル配線の間隔は狭いほど良い。配線間隔が広いとデバイスサイズが増加し、またコイル長が長くなるためにコイル直流抵抗が大きくなり、性能指数（Ｑ値）が低下する。したがって、配線間隔Ｗは２００μｍ以下が好適である。また、配線間隔Ｗの最小値は１０μｍ以上が好ましい。配線間隔Ｗが１０μｍ未満では均一な加工が困難になり配線のショートなどの歩留まりが低下するおそれがある。
また上記平面磁気素子において、前記磁性層は樹脂バインダを２０質量％以下混合した磁性混合物であることが好ましい。なお、上記樹脂バインダとしては、セルロース系、クロロプレインゴム系、二トリルゴム系、ポリサルファイド系、ブタジエンゴム系、ＳＢＲ系、シリコーンゴム系等のエラストマー、酢酸ビニル系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、塩化ビニル系、ポリスチレン系、ポリイミド系等の熱可塑性樹脂等の有機物、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂の有機物、ＳｉＯ２等の無機物等を用いることができる。
上記のような平面磁気素子は、例えば次のような工程を経て製造される。すなわち，所定の最大径Ｌおよび平均粒径Ｄを有する磁性粉末にビヒクルを混合してペーストを調製し、このペーストを用いて基体上に所定寸法で印刷し第１磁性層を調製する。
その第１磁性層上面に、例えばＡｇペーストやＣｕペースト等の導電性金属ペーストを使用して角型スパイラル状またはミアンダー状もしくは丸型スパイラル状にパターン化して平面コイルを印刷する。平面コイルはミアンダコイルのように隣接する導体コイル配線が並走する平面コイルであれば同様の効果を示す。なお、上記平面コイルは上記金属ペーストを印刷する方法以外に、めっき法、導体金属箔の打抜き法、導体金属箔のエッチング法、スパッタ法、蒸着法などの気相成長法など、低い体積抵抗率の平面コイルを実現できるものであれば特に限定されるものではない。
そして上記平面コイル形成後に、この平面コイルを被覆するように所定のパターン及び厚さで第２磁性層を印刷することにより、上記平面コイルが第１及び第２の磁性層によって被覆された平面磁気素子としての薄型インダクタが形成される。このとき、第２磁性層の磁性パターンには、コイル端子部に相当する部位に開口を設ける。
上記平面コイルの上下面に磁性層を形成する方法としては、磁性体の薄板を絶縁性接着剤で接着する方法、磁性粉末を樹脂中に分散した磁性体ペーストを塗布乾燥する方法，上記磁性体のめっきを施す方法などがあり、これらを組み合わせても良い。
本発明に係る電源ＩＣパッケージは、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装して形成される。特に上記電源ＩＣパッケージは、同一基板上に平面磁気素子とＩＣチップとを一体に実装したＩＣ一体型であることが、デバイスの小型化に有効である。また、複数の半導体チップと能動素子とを一体化しワンパッケージ化することも可能である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源機能を組み込んだパッケージとしても良いし、外付けでキャパシタ等を配置することにより、同様の電源機能を持たせることができる。
上記構成に係る平面磁気素子によれば、磁性粉末の最大径Ｌがコイル配線同士の間隔Ｗより小さい（Ｗ＞Ｌ）ために、磁性粉末がコイル配線間に効果的に充填され、またコイル間に充填された磁性粉末が可及的に等方形状であるために、コイルによって形成される磁場方向の影響を受けにくくなり平面コイルのインダクタンス値が上昇する。またコイル配線同士の間隔Ｗより小さい最大径Ｌを有する磁性粉末が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されているために、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した薄型のインダクタとしての磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能であり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。
コイル形状として角型スパイラル形状を採用した場合における、本発明の一実施例に係る平面磁気素子の平面図である。 図１または図５におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 図２におけるＩＩＩ部の部分拡大断面図である。 コイル形状としてミアンダー形状を採用した場合における、本発明の一実施例に係る平面磁気素子の平面図である。 コイル形状として丸型スパイラル形状を採用した場合における、本発明の一実施例に係る平面磁気素子の平面図である。 図３に示す磁性粒子の寸法測定方法を示す断面図である。 図３に示すコイル配線間の幅Ｗに充填された磁性粉末の個数を測定する方法を示す断面図である。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとを平面上に配置してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図である。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとを積層配置してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図である。 本発明に係る平面磁気素子と半導体チップとをバンプ方式にて積層してパッケージングしたＩＣパッケージの構成例を示す断面図である。
次に本発明の実施形態について添付図面および以下の実施例を参照して、より具体的に説明する。
［実施例１〜５］
表１に示す組成を有する各磁性材料粉末を篩い分けして表１に示す最大粒径Ｌ（最大径）および平均粒径Ｄを有する磁性粉末を調製した。なお、表１に示す最大粒径は篩いの目開き値とした。各磁性粉末に対してエチルセルロース溶液を１６質量％の割合で混合して磁性粉末ペーストをそれぞれ調製した。
次に図３に示すように、基体２としての厚さ３５μｍのポリイミドシートに上記磁性粉末ペーストをそれぞれ使用して厚さ１５０μｍになるように印刷後、温度１５０℃で６０ｍｉｎ乾燥することにより第１の磁性層３を作製した。
さらに、その第１磁性層３の上面に、図１に示すようにコイル配線の幅Ｂが１５０μｍであり、コイル配線同士の間隔Ｗが１００μｍである、つまりライン／スペースが１５０μｍ／１００μｍである１５ターンの平面コイル４としてのスパイラルコイルを、平均粒径１μｍのＡｇペーストを用いて厚さ２０μｍになるように印刷後、温度１５０℃で６０ｍｉｎ間に亘って低温焼成して平面コイル４を作製した。ついで、その平面コイル４上面に、第１磁性層３と同様な方法で厚さ１５０μｍの第２磁性層５を印刷して実施例１〜５に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１をそれぞれ調製した。なお、各実施例に係るコイルにおいてはコイル配線同士の間隔Ｗの線分中に含まれる磁性粉末の個数を３個以上とした。
［比較例１〜５］
実施例１−５において作製した第１の磁性層３の上面に、絶縁層としてのポリイミド樹脂を厚さ１０μｍになるようにバーコーターにて塗布した。次に、その絶縁層上面に実施例１−５と同様な平面コイル４を作製した。さらに、その平面コイル４の上面に絶縁層としてのポリイミド樹脂を厚さが１０μｍになるように塗布した。ついで、その絶縁層の上面に実施例１−５と同様な第２の磁性層５を印刷することにより、比較例１−５に係る平面磁気素子としての薄型インダクタをそれぞれ調製した。
上記のように調製された各実施例および比較例に係る平面磁気素子としての薄型インダクタの厚さＨ，インダクタンス値および性能指数（Ｑ値）を測定した結果を表１に示す。
ここで表１においてインダクタ厚さＨとは、図３に示すように基体２がある場合は基体２の下端から平面磁気素子１の第２磁性層５上端までの距離を示す一方、基体２がない場合は平面磁気素子１の第１磁性層３下端から第２磁性層５上端までの距離をいう。
なお、薄型インダクタの厚さＨはミツトヨ製マイクロメータで測定した。また各平面磁気素子のインダクタンスおよび性能指数（Ｑ値）は、横河ヒューレットパッカード製インピーダンスアナライザ４１９２Ａを使用し、その励磁電圧を０．５Ｖとし、測定周波数を１０ＭＨｚとした条件で測定した。評価測定結果を下記表１に示す。
Figure 0005221143
上記表１に示す結果から明らかなように、コイル配線同士の間隔Ｗより小さい最大径Ｌを有する磁性粉末が平面コイル４の配線間の隙間に充填されて形成されている各実施例に係る平面磁気素子１によれば、平面コイル４に発生する磁界に対する透磁率を向上させることができた。また、磁性層３、５と平面コイル４との間に絶縁層が形成されておらず、磁性粉末が平面コイルと十分近接しているために、インダクタンスが十分に向上した薄型のインダクタとしての平面磁気素子１が実現した。
一方、磁性層３，５と平面コイル４との間に絶縁層を形成した各比較例に係る平面磁気素子では、上下の磁性層を貫く磁束の減少および磁性粉末７がコイル配線間の隙間に十分に充填されないために、インダクタンス値が実施例と比較して大幅に低下することが再確認された。
［実施例６〜１０］
表２に示す組成を有する各磁性材料粉末を篩い分けして表２に示す最大粒径Ｌ（最大径）および平均粒径Ｄを有する磁性粉末を調製した。なお、表２に示す最大粒径は篩いの目開き値とした。各磁性粉末に対してエポキシ樹脂溶液を１１質量％の割合で混合して磁性粉末ペーストをそれぞれ調製した。
次に図３に示すように、基体２としての厚さ３５μｍのポリイミドシートに上記磁性粉末ペーストをそれぞれ使用して厚さ１００μｍになるように印刷後、温度１５０℃で３０ｍｉｎ乾燥することにより第１の磁性層３を作製した。
さらに、その第１磁性層３の上面に、図１に示すようにコイル配線の幅Ｂが１００μｍであり、コイル配線同士の間隔Ｗが１００μｍである、つまりライン／スペースが１００μｍ／１００μｍである１５ターンの平面コイル４としてのスパイラルコイルを、平均粒径０．５μｍのＡｇペーストを用いて厚さ２５μｍになるように印刷後、温度２００℃で３０分間に亘って低温焼成して平面コイル４を作製した。ついで、その平面コイル４上面に、第１磁性層３と同様な方法で厚さ１００μｍの第２磁性層５を印刷して実施例６〜１０に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１をそれぞれ調製した。なお、各実施例に係るコイルにおいてはコイル配線同士の間隔Ｗの線分中に含まれる磁性粉末の個数を３個以上とした。
［比較例６〜１０］
実施例６〜１０において使用した最大粒径３２μｍの磁性粉末に代えて、最大粒径が１５０μｍの粗大な磁性粉末を使用した点以外は実施例６〜１０と同様に処理することにより、比較例６〜１０に係る平面磁気素子としての薄型インダクタをそれぞれ調製した。
上記のように調製された各実施例および比較例に係る平面磁気素子としての薄型インダクタの厚さＨ，インダクタンス値および性能指数（Ｑ値）を実施例１〜５と同様にして測定した結果を下記表２に示す。
Figure 0005221143
上記表２に示す結果から明らかなように、平面コイル４の線間距離Ｗよりも大きな磁性粉末７を用いて薄型インダクタを作製した比較例６〜１０に係る薄型インダクタにおいては、実施例６〜１０と比較してインダクタンス値が低下していることが判明した。
［実施例１１〜１５］
表３に示す組成を有する各磁性材料粉末を篩い分けして表３に示す最大粒径Ｌ（最大径）および平均粒径Ｄを有する磁性粉末を調製した。なお、表３に示す最大粒径は篩いの目開き値とした。各磁性粉末に対してポリイミド樹脂溶液を１２質量％の割合で混合して磁性粉末ペーストをそれぞれ調製した。
次に図３に示すように、基体２としての厚さ３５μｍのポリイミドシートに上記磁性粉末ペーストをそれぞれ使用して厚さ１５０μｍになるように印刷後、温度１５０℃で３０分間乾燥することにより第１の磁性層３を作製した。
さらに、その第１磁性層３の上面に、図１に示すようにコイル配線の幅Ｂが２００μｍであり、コイル配線同士の間隔Ｗが２００μｍである、つまりライン／スペースが２００μｍ／２００μｍである１５ターンの平面コイル４としてのスパイラルコイルを、低抵抗Ａｇペーストを用いて厚さ１０μｍになるように印刷後、温度２００℃で３０分間に亘って低温焼成して平面コイル４を作製した。ついで、その平面コイル４上面に、第１磁性層３と同様な方法で厚さ２００μｍの第２磁性層５を印刷して実施例１１〜１５に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１をそれぞれ調製した。なお、各実施例に係るコイルにおいてはコイル配線同士の間隔Ｗの線分中に含まれる磁性粉末の個数を３個以上とした。
［実施例１６〜２０］
実施例１１〜１５において、磁性粉末の結合剤として使用したポリイミド樹脂溶液に代えてシリコーン樹脂を１２質量％の割合で添加した点以外は、実施例１１〜１５と同様に第１磁性層、平面コイルおよび第２磁性層の形成乾燥、焼成した後に、基体として使用したポリイミドシートを剥離させることにより、実施例１６〜２０に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１をそれぞれ調製した。なお、各実施例に係るコイルにおいてはコイル配線同士の間隔Ｗの線分中に含まれる磁性粉末の個数を３個以上とした。
上記のように調製された各実施例および比較例に係る平面磁気素子としての薄型インダクタの厚さＨ，インダクタンス値および性能指数（Ｑ値）を実施例１〜５と同様にして測定した結果を下記表３に示す。
Figure 0005221143
上記表３に示す結果から明らかなように、磁性粉末と混合するバインダ樹脂の種類および基体としてのポリイミドシートの有無に関係なく、インダクタンス性能が安定した薄型インダクタが得られることが判明した。
［実施例２１］
表４に示す組成を有する磁性粉末を篩い分けして表４に示す最大粒径Ｌ（最大径）および平均粒径Ｄを有する磁性粉末を調製した。なお、表４に示す最大粒径は篩いの目開き値とした。磁性粉末に対してエチルセルロース溶液を１６質量％の割合で混合して磁性粉末ペーストをそれぞれ調製した。
次に図３に示すように、基体２としての厚さ２０μｍのＰＥＮシートに上記磁性粉末ペーストを使用して厚さ１５０μｍになるように印刷後、温度１５０℃で６０分間乾燥することにより第１の磁性層３を作製した。
さらに、その第１磁性層３の上面に、平均粒径１μｍのＡｇペーストを用いて厚さ３０μｍになるように印刷後、温度１５０℃で６０ｍｉｎ間に亘って低温焼成して平面コイル４を作製した。この平面コイル４は、図１および図３に示すようなスパイラル型平面コイル４であり、コイル配線の幅Ｂが２００μｍであり、コイル配線同士の間隔Ｗが２００μｍである、つまりライン／スペースが２００μｍ／２００μｍである１５ターンの平面コイル４としてのスパイラルコイルを配置した。
次に、そのスパイラルコイル４の上面に第１磁性層３と同様な方法で厚さ１５０μｍの第２の磁性層５を塗布形成することにより実施例２１に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１を調製した。なお、各実施例に係るコイルにおいてはコイル配線同士の間隔Ｗの線分中に含まれる磁性粉末の個数を３個以上とした。
［実施例２２］
実施例２１において銅箔を打ち抜いて作製されたスパイラル型平面コイル４に代えてエッチング法によって作製したスパイラルコイルを使用した点以外は実施例２１と同様に処理して実施例２２に係る平面磁気素子としての薄型インダクタ１を調製した。
［実施例２３〜２６］
表４に示す材料仕様および寸法仕様でスパイラルコイルをエッチング処理により形成することにより図１に示すような実施例２３〜２４に係る薄型インダクタ１をそれぞれ調製した。
［実施例２７〜２８］
表４に示す材料仕様および寸法仕様で製造し、スパイラルコイルをミアンダー型コイルに変更した点以外は実施例２５〜２６と同様に処理して図４に示すような実施例２７〜２８に係る薄型インダクタ１aをそれぞれ調製した。
［比較例１１〜１２］
表４に示す材料仕様および寸法仕様で製造し、エッチング法によりスパイラルコイルを製造した点以外は比較例１と同様に処理することにより、比較例１１〜１２に係る平面磁気素子としての薄型インダクタをそれぞれ調製した。
上記のように調製された各実施例および比較例に係る平面磁気素子としての薄型インダクタの厚さＨ，インダクタンス値および性能指数（Ｑ値）を実施例１〜５と同様にして測定した結果を下記表４に示す。
Figure 0005221143
上記表４に示す結果から明らかなように、実施例２１と実施例２３、または実施例２２と実施例２４とを比較すると、Ａｇペーストを焼成して製造したスパイラルコイルを用いた実施例２１、２２に係る薄型インダクタよりも、エッチング法で平面コイルを調製した実施例２３、２４に係る薄型インダクタの方が、特性が改善されることが判明した。これは、実施例２３、２４において、エッチングで調製した平面コイルで隣り合うコイルの間隙部が上方に向かって開いているために、磁性粒子が間隙部に入り易く配線間に存在する磁性粒子数が増加してインダクタンスが大きくなるためである。
また、Ａｇ製平面コイルに比較してＣｕ箔製平面コイルでは、コイル抵抗値が相対的に減少するので性能指数（Ｑ値）が増加する。
さらに、実施例２１〜２６のスパイラルコイルを用いた薄型インダクタと、実施例２７〜２８および比較例１３〜１４のミアンダー型コイルを用いた薄型インダクタとを比較すると、ミアンダー型コイルではインダクタンスが稼げないために、特性が低下することも判明した。ただし、ミアンダー型コイルでは、接続端子を基材の外周縁に配置することができるので、実装性はスパイラル型コイルを用いたものより改善される。また、共にミアンダー型コイルを用いた実施例２７と比較例１３とを比較しても、本実施例２７の方が、特性がより向上することが判明した。
［実施例２９〜３２］
コイル配線同士の間隔をＷとしたときに、長さＷの線分中に含有される磁性粒子数を表５に示すように変更した点以外は、実施例１１と同様に処理して実施例１１と同様に処理して図１に示すような実施例２９〜３２に係る薄型インダクタをそれぞれ調製した。
上記のように調製された各実施例に係る平面磁気素子としての薄型インダクタの厚さＨ，インダクタンス値および性能指数（Ｑ値）を実施例１〜５と同様にして測定した結果を下記表５に示す。
Figure 0005221143
上記表５に示す結果から明らかなように、長さＷの線分中に含有される磁性粒子数が３個以上、さらに５個以上であればインダクタンスおよび性能指数は向上することが判明した。なお、実施例２９〜３２においては、最大粒径や平均粒径が等しい磁性粉末を用いているが、磁性粉末は扁平形状や球状や桿状などの種々の形状を有するものがあり、粒子の短径に対する長径の比（アスペクト比）の比が若干異なるために、平均粒径が同じであっても配線間隙Ｗ中に存在する磁性粒子数は変化するものである。

以上の実施例においては平面コイルとして図１に示すような角型スパイラル形状コイルまたは図４に示すようなミアンダー形状コイルを設けた平面磁気素子を例にとって説明したが、本発明は上記実施例に限らず、たとえば図５に示すような、端子６を設けた丸型スパイラル形状の平面コイル４ｂを磁性層３に形成した場合においても同様な効果が得られる。
各実施例に係る平面磁気素子１としての薄型インダクタ１，１ａの厚さＨは０．２６〜０．３９ｍｍとなり、制御ＩＣや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップ８の厚さ以下となる。したがって、図８〜図１０に示す様にスイッチングＩＣ等の半導体チップ８と平面磁気素子１、１ａとを一体化しパッケージングすることにより、インダクタ内蔵の薄型ＩＣパッケージ１０，１０ａ、１０ｂが実現する。
図８に示すＩＣパッケージ１０は、パッケージ基板上の平面方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとを配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有し、図９に示すＩＣパッケージ１０ａは、パッケージ基板上の厚さ方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとを積層配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有し、図１０に示すＩＣパッケージ１０ｂは、パッケージ基板上の厚さ方向に半導体チップ８と平面磁気素子１，１ａとをバンプ接合方式により積層配置し、それぞれリードフレーム９に接続しモールド樹脂で固定した構造を有している。
このような平面磁気素子としてのインダクタを含む薄型パッケージによれば、例えばワンパッケージ化された小型のＤＣ−ＤＣコンバータＩＣや電源ＩＣパッケージを容易に実現できる。
各表に示す結果から明らかなように、コイル配線同士の間隔Ｗより小さい最大径Ｌを有する磁性粉末が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されている各実施例に係る平面磁気素子によれば、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した薄型のインダクタとしての平面磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能になり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。
特にスパイラルコイルを配置した平面磁気素子では、所定粒径の微細な磁性粉末を極少量の有機バインダでペースト化してコイル配線間に充填した場合、微細な磁性粉末同士を有機物のような絶縁体で覆うことがなく、磁性粉末同士を最も近接した状態にすることが可能であり、透磁率の低下を抑制できる。このため、特に大きなインダクタンス値を得ることができる。
上記構成に係る平面磁気素子によれば、磁性粉末の最大径Ｌがコイル配線同士の間隔Ｗより小さい（Ｗ＞Ｌ）ために、磁性粉末がコイル配線間に効果的に充填され、またコイル間に充填された磁性粉末が可及的に等方形状であるために、コイルによって形成される磁場方向の影響を受けにくくなり平面コイルのインダクタンス値が上昇する。またコイル配線同士の間隔Ｗより小さい最大径Ｌを有する磁性粉末が平面コイルの配線間の隙間に充填されて形成されているために、平面コイルに発生する磁界に対する透磁率を向上させることができ、インダクタンスが向上した薄型のインダクタとしての磁気素子が実現する。
さらに、上記のように調製した平面磁気素子と、制御ＩＣ，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体チップとを同一基板または同一パッケージ上の平面方向または高さ方向に実装してワンパッケージ化することも可能であり、機能素子の高密度実装も可能となり、半導体デバイスの小型化および高機能化に顕著な効果を発揮する。

Claims (7)

  1. 磁性粉末と樹脂との混合物から成る第１の磁性層と第２の磁性層との間に平面コイルを有する平面磁気素子において、上記平面コイルのコイル配線同士の間隔をＷとする一方、上記磁性粉末の最大径をＬとしたときに、関係式Ｗ＞２Ｌを満たすと共に、長さＷの線分中に含まれる磁性粉末の個数が３個以上であり、上記磁性粉末の平均粒径が０．５μｍ以上であり、上記磁性層中に含有される磁性粉末と上記平面コイルとが、距離１μｍ以下に近接しているか、または接触している一方、上平面磁気素子の厚さが０．４ｍｍ以下であることを特徴とする平面磁気素子。
  2. 前記長さＷの線分中に含まれる磁性粉末の個数が５個以上であることを特徴とする請求項１記載の平面磁気素子。
  3. 前記磁性粉末は、アモルファス合金、微細結晶合金、純鉄、センダスト、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、フェライトの少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の平面磁気素子。
  4. 前記磁性粉末の平均粒径が８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の平面磁気素子。
  5. 前記平面コイルは、金属粉末の焼成体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の平面磁気素子。
  6. 前記平面コイルは、金属箔をエッチングして形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の平面磁気素子。
  7. 前記コイル配線同士の間隔Ｗが１０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の平面磁気素子。
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