JP6486614B2 - Inductor - Google Patents

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本発明はインダクタに関し、より詳細には近接効果を抑制してQ値を高めたインダクタに関する。   The present invention relates to an inductor, and more particularly, to an inductor that suppresses a proximity effect and increases a Q value.

電子機器の多くは、電源回路や高周波回路を有しており、さまざまな電子部品が用いられている。インダクタは、出力電流の平滑化やインピーダンス整合用として用いられる。例えば高周波回路用インダクタでは、小型・集積化から平面型スパイラルインダクタがよく用いられる。
図15に平面型スパイラルインダクタの断面図を示す。図15(a)のように空心のインダクタでは、巻線Bを流れる電流によって生じる磁束が、隣接する巻線AおよびCに鎖交する。すると、巻線AとCでは誘導現象による渦電流が発生し、これが損失の原因になる(近接効果)。図15(a)では巻線Bによる作用を示すが、巻線A、Cに流れる電流も同様に、他の巻線に対して誘導現象による作用を及ぼす。
Many electronic devices have a power supply circuit and a high-frequency circuit, and various electronic components are used. The inductor is used for smoothing output current and impedance matching. For example, in a high frequency circuit inductor, a planar spiral inductor is often used because of its small size and integration.
FIG. 15 shows a cross-sectional view of a planar spiral inductor. In the air-core inductor as shown in FIG. 15A, the magnetic flux generated by the current flowing through the winding B is linked to the adjacent windings A and C. Then, in windings A and C, an eddy current is generated due to an induction phenomenon, which causes a loss (proximity effect). FIG. 15 (a) shows the effect of the winding B, but the current flowing through the windings A and C similarly has an effect of induction on the other windings.

近接効果を抑制する手法として、図15(b)に示すように、巻線の線間に磁性材料Dを埋め込んだ構造のインダクタが考案されている(特許文献1)。線間に磁性材料を埋め込むことにより、各巻線を流れる電流によって生じる磁束は,巻線よりも透磁率が高い線間の磁性材料をパスすることになり、近接効果が抑制され、抵抗成分が低下し、Q値を高くすることができる。   As a technique for suppressing the proximity effect, as shown in FIG. 15B, an inductor having a structure in which a magnetic material D is embedded between winding lines has been devised (Patent Document 1). By embedding a magnetic material between the wires, the magnetic flux generated by the current flowing through each winding passes through the magnetic material between the wires, which has a higher magnetic permeability than the winding, and the proximity effect is suppressed and the resistance component is reduced. The Q value can be increased.

特開2013−214613号公報JP 2013-214613 A

線間に磁性材料を埋め込んだ構成を備えるインダクタは、近接効果を抑制することによってQ値を高めることが可能である。しかしながら、1GHzといった高周波での使用を可能にするためには、高周波域においても透磁率が低下しない材料を使う必要がある。
Ni-Zn系フェライトなどのフェライトは1GHzといった周波域では透磁率が大きく下がるため、コイルの線間を充填して近接効果を抑制する磁性材料として使用することができない。高周波域においても使用できる磁性材料としては薄膜磁性材料が知られている。しかしながら、薄膜磁性材料はスパッタリング等の成膜法を利用して一軸性を得るようにするため、平坦な基板面に薄膜形成することは可能であるが、図15(b)に示すような、平面コイルの線間に薄膜磁性材を充填させるようにして形成することはできない。
An inductor having a configuration in which a magnetic material is embedded between lines can increase the Q value by suppressing the proximity effect. However, in order to enable use at a high frequency such as 1 GHz, it is necessary to use a material whose permeability does not decrease even in a high frequency region.
Ferrite, such as Ni-Zn ferrite, has a significantly reduced magnetic permeability in the frequency range of 1 GHz, so it cannot be used as a magnetic material that fills the space between coils and suppresses the proximity effect. Thin film magnetic materials are known as magnetic materials that can be used even in a high frequency range. However, since the thin film magnetic material obtains uniaxiality by using a film forming method such as sputtering, it is possible to form a thin film on a flat substrate surface, but as shown in FIG. It cannot be formed by filling a thin film magnetic material between the lines of the planar coil.

本発明は、インダクタの小型化を図り、かつ、0.1GHz〜1GHzといた周波数帯域においても大きなQ値を備えるインダクタを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an inductor having a large Q value even in a frequency band of 0.1 GHz to 1 GHz while reducing the size of the inductor.

本発明に係るインダクタは、コイルの線間に磁性材料を充填した、平面型のスパイラルインダクタであって、前記磁性材料が、球体状で粒子サイズが2μm以下の磁性微粒子と誘電材とを複合した磁性複合材料からなり、前記磁性微粒子と前記誘電材との体積比が1:1であり、前記磁性材料中で、前記磁性微粒子が互いに接触せずに存在し、前記コイルの表面が前記磁性複合材料により被覆されていないことを特徴とする。
性複合材料に使用する磁性微粒子とは、高周波等の外部磁束が磁性微粒子に鎖交したとしても磁性微粒子に生じる誘導電流による磁気損失が無視できる程度に十分に粒子サイズが小さいことを意味している。外部磁束の周波数帯域にもよるが、0.1GHz〜1GHzの周波数帯域においては、粒子サイズが2μm程度以下の磁性微粒子であれば、磁性微粒子に生じる誘導電流による損失は十分に無視することができる。
前記磁性材料は、コイルの線間を充填し、コイル表面を被覆していない構成とすることにより、効果的にQ値を向上させることができる点で好ましい。
An inductor according to the present invention is a planar spiral inductor in which a magnetic material is filled between coil wires, and the magnetic material is a composite of a spherical magnetic particle having a particle size of 2 μm or less and a dielectric material. It is made of a magnetic composite material , the volume ratio of the magnetic fine particles to the dielectric material is 1: 1, the magnetic fine particles exist in the magnetic material without being in contact with each other, and the surface of the coil is the magnetic composite. It is not covered with a material.
The magnetic fine particles used in the magnetic composite material, which means that sufficient particle size to the extent that the magnetic loss is negligible external magnetic flux due to the induced current is also generated in the magnetic fine particles as the interlinked magnetic fine particles of the high frequency or the like is small ing. Although depending on the frequency band of the external magnetic flux, in the frequency band of 0.1 GHz to 1 GHz, if the magnetic particle has a particle size of about 2 μm or less, the loss due to the induced current generated in the magnetic particle can be sufficiently ignored.
The magnetic material is preferable in that the Q value can be effectively improved by filling the space between the coils and not covering the coil surface.

記磁性微粒子としては、Fe微粒子、Fe合金微粒子等のFe系磁性微粒子や、Co系磁性微粒子、Ni系磁性微粒子のいずれかを使用することが好ましい。
The pre-Symbol magnetic particles, Fe particles, and Fe-based magnetic fine particles such as Fe alloy particles, Co-based magnetic fine particles, it is preferable to use one of Ni-based magnetic particles.

本発明に係るインダクタは、小型化が容易で、かつ大きなQ値を有するインダクタとして提供することができる。   The inductor according to the present invention can be provided as an inductor that can be easily downsized and has a large Q value.

本発明に係るインダクタの構成例を示す写真である。It is a photograph which shows the structural example of the inductor which concerns on this invention. コイルの断面のSEM像である。It is a SEM image of the section of a coil. カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂からなる磁性複合材料の説明図である。It is explanatory drawing of the magnetic composite material which consists of carbonyl iron powder and an epoxy resin. 磁性複合材料の複素比透磁率の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the complex relative magnetic permeability of a magnetic composite material. 磁性複合材料の複素比誘電率の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the complex dielectric constant of a magnetic composite material. 実施形態と比較例のインダクタについて、インダクタンスの測定値と解析値を示すグラフである。It is a graph which shows the measured value and analytical value of an inductance about an inductor of an embodiment and a comparative example. 実施形態と比較例のインダクタについて、抵抗の測定値と解析値を示すグラフである。It is a graph which shows the measured value and analysis value of resistance about the inductor of embodiment and a comparative example. 実施形態と比較例のインダクタについて、Q値の測定値と解析値を示すグラフである。It is a graph which shows the measured value and analysis value of Q value about the inductor of embodiment and a comparative example. 平面型スパイラルインダクタについての解析モデルの平面図(a)と、コイルの線の構成を示す説明図(b)である。FIG. 2 is a plan view (a) of an analysis model for a planar spiral inductor and an explanatory view (b) showing a configuration of coil wires. 空心インダクタの解析モデルの断面図である。It is sectional drawing of the analysis model of an air-core inductor. 磁性複合材料を用いたインダクタの解析モデルの断面図である。It is sectional drawing of the analytical model of the inductor using a magnetic composite material. インダクタンスの周波数特性の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of the frequency characteristic of an inductance. 抵抗値の周波数特性の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of the frequency characteristic of resistance value. Q値の周波数特性の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of the frequency characteristic of Q value. 空心インダクタ(a)と、線間に磁性材料を埋め込んだインダクタの断面図である。It is sectional drawing of the inductor which embedded the air core inductor (a) and the magnetic material between the lines.

(インダクタの構成)
図1は、本発明に係るインダクタの構成例を示す。このインダクタは、中央部に設けられているコイル部10と、コイル部10の一端からコの字型に延出するグランド線部12と、コイル部12とグランド線部12の線間を充填する磁性体部14とを備える。
(Inductor configuration)
FIG. 1 shows a configuration example of an inductor according to the present invention. This inductor fills the space between the coil portion 10 provided at the center, the ground wire portion 12 extending from one end of the coil portion 10 in a U-shape, and the coil portion 12 and the ground wire portion 12. And a magnetic part 14.

なお、図1に示すインダクタは、インダクタの特性を評価するためにコイル部10とグランド線部12を備えている。ネットワーク・アナライザを用いてインダクタの特性を評価するときに、グランド線部12のG部分と、コイル部10の基端部のS部分に測定用のプローブの端子を接触させて測定するからである。
したがって、このインダクタにおいて、平面型スパラルインダクタとして作用する部位は中央部のコイル部10である。すなわち、コイル部10は純粋な意味でのインダクタであり、図1に示すインダクタは、広い意味でのインダクタである。以下では、図1に示すインダクタをインダクタ素子と称する。
The inductor shown in FIG. 1 includes a coil portion 10 and a ground line portion 12 in order to evaluate the characteristics of the inductor. This is because when the characteristics of the inductor are evaluated using a network analyzer, the measurement probe terminal is brought into contact with the G portion of the ground line portion 12 and the S portion of the proximal end portion of the coil portion 10 for measurement. .
Therefore, in this inductor, the central portion of the coil portion 10 acts as a planar type spiral inductor. That is, the coil unit 10 is an inductor in a pure sense, and the inductor shown in FIG. 1 is an inductor in a broad sense. Hereinafter, the inductor shown in FIG. 1 is referred to as an inductor element.

図1はコイル部10とグランド線部12と磁性体部14の全体(インダクタ素子)を平面方向から見た状態である。インダクタ素子全体は矩形の平板状をなし、インダクタ素子全体の大きさは縦590μm×横530μmである。
磁性体部14は、コイル部10の線間を厚さ方向に充填するとともに、コイル部10の外側とグランド線部12との中間領域、及びコイル部10の左辺外側領域を覆うように設けられている。実施形態のコイル部10及びグランド線部12の厚さは8μmであり、磁性体部14の厚さも8μmである。すなわち、磁性体部14はコイル部14及びグランド線部14と同厚に、コイル部10及びグランド線部12が形成されている面と同一面に形成されている。
FIG. 1 shows a state in which the entire coil portion 10, ground wire portion 12, and magnetic body portion 14 (inductor element) are viewed from a plane direction. The entire inductor element has a rectangular flat plate shape, and the size of the entire inductor element is 590 μm long × 530 μm wide.
The magnetic body portion 14 is provided so as to fill the space between the coils of the coil portion 10 in the thickness direction, and to cover an intermediate region between the outside of the coil portion 10 and the ground wire portion 12 and an outer region on the left side of the coil portion 10. ing. The thickness of the coil part 10 and the ground line part 12 of the embodiment is 8 μm, and the thickness of the magnetic body part 14 is also 8 μm. That is, the magnetic body portion 14 is formed on the same surface as the surface on which the coil portion 10 and the ground wire portion 12 are formed, with the same thickness as the coil portion 14 and the ground wire portion 14.

図1に示すインダクタ素子のコイル部10は、2ターンの平面型コイルであり、コイルの線幅は55μm、線間隔は15μmである。
図1に示す実施形態のインダクタ素子は、素子の全体形状が1mm×1mm以下であり、コイル部10の平面形状は300μm×300μm程度で、きわめて微小寸法のインダクタである。本実施形態のインダクタは、0.1GHz〜1.0GHzの周波数帯域での使用を想定して、コイル部10のターン数、線幅、線間隔を設計したものである。実用途に使用するインダクタのQ値としては20以上が望ましい。
The coil portion 10 of the inductor element shown in FIG. 1 is a two-turn planar coil, and the coil has a line width of 55 μm and a line interval of 15 μm.
The inductor element of the embodiment shown in FIG. 1 is an extremely small-sized inductor having an overall element shape of 1 mm × 1 mm or less and a planar shape of the coil portion 10 of about 300 μm × 300 μm. The inductor of the present embodiment is designed with the number of turns, the line width, and the line interval of the coil section 10 assuming use in a frequency band of 0.1 GHz to 1.0 GHz. It is desirable that the Q value of inductors used in actual applications be 20 or more.

(インダクタの製造方法)
測定に使用した図1に示すインダクタ素子は、次のようにして作製した。
まず、基板上の全面にスパッタ法により、Cr(50nm)膜、次いで、Cu(200nm)膜を形成する。次に、スピンコータを使用し、上層のCu膜の表面にポジ型のレジストを塗布し、ホットプレートでプリベークし、マスクアナライザを用いて導体層パターンを露光し、ホットプレートでポストベークした後、ディベロッパーで現像する。現像操作により、Cu膜の表面に、インダクタ素子のコイル部10とグランド線部12となる部位が露出するレジストパターンが形成される。
(Inductor manufacturing method)
The inductor element shown in FIG. 1 used for the measurement was manufactured as follows.
First, a Cr (50 nm) film and then a Cu (200 nm) film are formed on the entire surface of the substrate by sputtering. Next, using a spin coater, apply a positive resist to the surface of the upper Cu film, pre-bake with a hot plate, expose the conductor layer pattern with a mask analyzer, post-bake with a hot plate, Develop with. By the developing operation, a resist pattern is formed on the surface of the Cu film so as to expose the portions to be the coil portion 10 and the ground wire portion 12 of the inductor element.

次いで、Cuめっき装置により、Cu膜の露出している部位にCuめっき膜を形成する。
次に、基板上のレジストを剥離して除去する。最後に、逆スパッタリングにより、レジストパターンにより被覆されていた部位のCu/Crスパッタ積層膜をドライエッチングにより除去する。
こうして、基板上にコイル部10とグランド線部12とが形成される。
Next, a Cu plating film is formed on the exposed portion of the Cu film by a Cu plating apparatus.
Next, the resist on the substrate is stripped and removed. Finally, the Cu / Cr sputtered laminated film at the part covered with the resist pattern is removed by dry etching by reverse sputtering.
Thus, the coil portion 10 and the ground line portion 12 are formed on the substrate.

本発明に係るインダクタの構成において最も特徴とする点は、コイル部10の線間に充填する磁性材料である。すなわち、本発明に係るインダクタにおいては、コイル部10の線間に充填する磁性材料として、磁性微粒子と誘電材料とを混合した磁性複合材料を使用する。実施形態においては、Fe系磁性微粒子として、カルボニル鉄粉からなる、平均粒径1.1μmの略球体状の粒子を使用し、誘電材料としてはエポキシ樹脂を使用し、カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂とを1:1の体積比となるように溶剤を加えてインク状として使用した。   The most characteristic point in the configuration of the inductor according to the present invention is a magnetic material filled between the coils 10. That is, in the inductor according to the present invention, a magnetic composite material in which magnetic fine particles and a dielectric material are mixed is used as the magnetic material filled between the wires of the coil portion 10. In the embodiment, as the Fe-based magnetic fine particles, substantially spherical particles having an average particle diameter of 1.1 μm made of carbonyl iron powder are used, an epoxy resin is used as the dielectric material, and the carbonyl iron powder and the epoxy resin are used. Was used as an ink by adding a solvent so that the volume ratio was 1: 1.

実施形態では、コイル部10とグランド線部12を形成した基板に、印刷法により、上記カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂からなる磁性複合材料を供給し、コイル部10の線間に充填するとともに、コル部10とグランド線部12の間とコイル部10の外側領域に平坦状に充填した後、大気中において、ホットプレートで120℃、5分、電気炉で120℃、120分、140℃、180分加熱し、磁性複合材料に含まれている溶媒を除去し、エポキシ樹脂を完全硬化させて、図1に示すインダクタ素子を得た。
実験では、コイルの表面が磁性複合材料によって被覆されないように、サンドペーパーを用いて表面研磨した。コイルの表面が磁性複合材料によって被覆されないようにする方がインダクタの高周波特性が向上するが、用途によっては、コイルの表面が磁性複合材料によって被覆されてもかまわない。
In the embodiment, a magnetic composite material composed of the carbonyl iron powder and the epoxy resin is supplied to the substrate on which the coil portion 10 and the ground wire portion 12 are formed by a printing method, and is filled between the wires of the coil portion 10. After filling the space between the portion 10 and the ground wire portion 12 and the outer region of the coil portion 10 in a flat state, in the air, 120 ° C. for 5 minutes with a hot plate, 120 ° C. for 120 minutes with an electric furnace, 140 ° C., 180 ° Heating was performed for a while, the solvent contained in the magnetic composite material was removed, and the epoxy resin was completely cured to obtain the inductor element shown in FIG.
In the experiment, the surface of the coil was polished with sandpaper so that the surface of the coil was not covered with the magnetic composite material. The high frequency characteristics of the inductor are improved by preventing the surface of the coil from being covered with the magnetic composite material. However, depending on the application, the surface of the coil may be covered with the magnetic composite material.

図2に、コイル部10の線間に上記磁性複合材料を充填した状態の断面図を示す。この例では、コイルの線間に磁性複合材料が充填され、コイルの表面が磁性複合材料で被覆されている。
図3は、カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂とを混合した状態を示す説明図である。
実験で使用したカルボニル鉄粉とエポキシ樹脂からなる磁性複合材料の抵抗値は111(Ω・m)である。
図4は、この磁性複合材料の複素比透磁率、図5は複素比誘電率の周波数特性を測定した結果を示す。図4、5ともに、実験で使用したカルボニル鉄粉とエポキシ樹脂からなる磁性複合材料は0.1GHz〜1.0GHzの周波数帯域において、実部は一定で、虚部は概ね0となる特性を示すことから、この磁性複合材料は、この周波数帯域においては、自然共鳴や渦電流などによる損失が極めて小さいことがわかる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the magnetic composite material is filled between the lines of the coil portion 10. In this example, the magnetic composite material is filled between the coil wires, and the surface of the coil is covered with the magnetic composite material.
FIG. 3 is an explanatory view showing a state in which carbonyl iron powder and an epoxy resin are mixed.
The resistance value of the magnetic composite material composed of carbonyl iron powder and epoxy resin used in the experiment is 111 (Ω · m).
FIG. 4 shows the result of measuring the complex relative permeability of this magnetic composite material, and FIG. 5 shows the result of measuring the frequency characteristic of the complex relative permittivity. 4 and 5, the magnetic composite material composed of carbonyl iron powder and epoxy resin used in the experiment exhibits the characteristics that the real part is constant and the imaginary part is almost zero in the frequency band of 0.1 GHz to 1.0 GHz. It can be seen that this magnetic composite material has a very small loss due to natural resonance, eddy current, and the like in this frequency band.

本実施形態において、磁性複合材料に使用する磁性微粒子として、Fe系磁性微粒子を使用する理由は、Fe系材料が磁気特性に優れていることと、入手しやすいことによる。Fe系磁性微粒子とは、Fe微粒子とFe合金微粒子を含む意味である。磁性微粒子としては、Fe系磁性微粒子以外に、Co系磁性微粒子、Ni系磁性微粒子を使用することができる。これらの微粒子もFe系磁性微粒子と同様の作用をなす。   In the present embodiment, the reason why the Fe-based magnetic fine particles are used as the magnetic fine particles used in the magnetic composite material is that the Fe-based material has excellent magnetic characteristics and is easily available. Fe-based magnetic fine particles mean to include Fe fine particles and Fe alloy fine particles. As magnetic fine particles, Co magnetic fine particles and Ni magnetic fine particles can be used in addition to Fe magnetic fine particles. These fine particles also have the same function as the Fe-based magnetic fine particles.

本発明において、コイルの線間を充填する磁性複合材料に用いる磁性材料として磁性微粒子を使用する理由は、外部磁束が磁性微粒子に鎖交した際に磁性微粒子に生じる誘導電流(渦電流)は無視することができ、誘導電流による磁気損失をきわめて低く抑えることができるからである。
磁性微粒子に生じる誘導電流による磁気損失が無視できるのは、磁性微粒子の粒子サイズが小さいことがその理由である。個々の磁性微粒子に誘導電流が生じても、粒子が小さいため、磁束変化に追随して抵抗損失にまで至らないことによる。このような粒子による効果を利用するには、なるべく小さな磁性微粒子を使用するのがよい。
In the present invention, the reason why magnetic fine particles are used as the magnetic material used in the magnetic composite material filling the space between the coils is that the induced current (eddy current) generated in the magnetic fine particles when the external magnetic flux is linked to the magnetic fine particles is ignored. This is because the magnetic loss due to the induced current can be kept extremely low.
The reason why the magnetic loss due to the induced current generated in the magnetic fine particles can be ignored is that the magnetic fine particles have a small particle size. This is because even if an induced current is generated in each magnetic fine particle, the particle is small, so that it does not reach resistance loss following the change in magnetic flux. In order to utilize the effect of such particles, it is preferable to use magnetic particles as small as possible.

本実施形態では、球体状で平均粒径が1.1μmのFe微粒子を使用した。磁性微粒子の素材にもよるが、磁性微粒子としては粒径2μm以下のものであれば、0.1〜1GHzの周波数帯域で使用するインダクタの磁性体部14として十分に使用することができる。なお、磁性微粒子は球体状であるものに限らない。粒径1μm、2μmとは磁性微粒子のおよその外形寸法である。   In the present embodiment, Fe fine particles having a spherical shape and an average particle diameter of 1.1 μm are used. Depending on the material of the magnetic fine particles, if the magnetic fine particles have a particle size of 2 μm or less, they can be sufficiently used as the magnetic part 14 of the inductor used in the frequency band of 0.1 to 1 GHz. The magnetic fine particles are not limited to those having a spherical shape. The particle diameters of 1 μm and 2 μm are approximate external dimensions of the magnetic fine particles.

コイルの線間を充填する磁性材料として、粒径が2μm程度以下の磁性微粒子を含む磁性複合材料を使用するのであれば、実施形態のコイル部10のような、線間15μmの空隙内に磁性複合材料を充填することは容易である。すなわち、磁性微粒子を含む磁性複合材料をコイルの線間に充填してインダクタを作製する方法は、外径寸法が1mm×1mmといった微小なインダクタを製造する方法としても有効に利用することができる。   If a magnetic composite material containing magnetic fine particles having a particle size of about 2 μm or less is used as the magnetic material filling the space between the coils, the magnetic material is present in the gap of 15 μm between the wires as in the coil portion 10 of the embodiment. Filling the composite material is easy. That is, the method of manufacturing an inductor by filling a magnetic composite material containing magnetic fine particles between coil wires can be effectively used as a method of manufacturing a minute inductor having an outer diameter of 1 mm × 1 mm.

また、本実施形態においては、カルボニル鉄粉とエポキシ樹脂とを1:1の体積比で混合した。磁性材料としての特性(透磁率)を得るためには、磁性複合材料中の磁性材料の組成比をなるべく大きくする方が有効であると考えられるが、磁性微粒子に生じる誘導電流による損失を抑えられるのは、磁性微粒子が微小であるためである。すなわち、磁性微粒子が複数個集まって集団状態になってしまうと、磁性微粒子が微小であることで誘導電流による損失が抑えられるという効果を失ってしまう。したがって、磁性複合材料を調製する場合は、図3に示すように、磁性複合材料をコイルの線間に充填した状態で、磁性微粒子が相互に接触せず、単独で存在する組成にするのがよい。
実施形態において、Fe微粒子とエポキシ樹脂とを1:1の体積比として調製したのは、この程度の体積比とすると、磁性体部14中のFe微粒子の量を確保でき、かつFe微粒子は相互に接触しないで存在するように分布するからである。
In this embodiment, carbonyl iron powder and epoxy resin were mixed at a volume ratio of 1: 1. In order to obtain the characteristics (magnetic permeability) as a magnetic material, it is considered effective to increase the composition ratio of the magnetic material in the magnetic composite material as much as possible, but the loss due to the induced current generated in the magnetic fine particles can be suppressed. This is because the magnetic fine particles are minute. That is, when a plurality of magnetic fine particles gather to form a collective state, the effect that the loss due to the induced current is suppressed due to the fine magnetic fine particles is lost. Therefore, when preparing a magnetic composite material, as shown in FIG. 3, the magnetic composite material is filled between the coil wires and the magnetic fine particles are not in contact with each other and have a composition that exists alone. Good.
In the embodiment, the Fe fine particles and the epoxy resin were prepared in a volume ratio of 1: 1. If this volume ratio is set, the amount of the Fe fine particles in the magnetic body portion 14 can be secured, and the Fe fine particles are mutually connected. It is because it is distributed so that it exists without touching.

また、本実施形態では、磁性複合材料に用いる誘電材料としてエポキシ樹脂を使用したが、エポキシ樹脂以外に、ポリイミド樹脂等の任意の樹脂材、高分子材料、誘電材料を適宜選択して使用することが可能である。   In this embodiment, an epoxy resin is used as the dielectric material used for the magnetic composite material. However, in addition to the epoxy resin, an arbitrary resin material such as a polyimide resin, a polymer material, and a dielectric material should be appropriately selected and used. Is possible.

上述した、コイル部10あるいはグランド線部12を形成するフォトリソグラフィー法、及び磁性体部14を形成する印刷法は、半導体パッケージ、配線基板等の電子部品の製造方法として広く利用されている方法である。したがって、半導体製品等の電子部品の製造工程において、上述した方法を利用してコイルの線間に磁性材料を充填したインダクタを作り込むことは容易に可能であり、また、上述したインダクタは数百μm×数百μm程度の大きさであり、微細構造を備える電子部品に組み込むことも容易に可能である。   The above-described photolithography method for forming the coil portion 10 or the ground wire portion 12 and the printing method for forming the magnetic body portion 14 are widely used as methods for manufacturing electronic components such as semiconductor packages and wiring boards. is there. Therefore, in the manufacturing process of an electronic component such as a semiconductor product, it is possible to easily make an inductor in which a magnetic material is filled between coil wires by using the above-described method. The size is about μm × several hundred μm, and can be easily incorporated into an electronic component having a fine structure.

(特性比較)
図6、7、8は、上述したインダクタ素子について、ネットワーク・アナライザを用いて、インダクタンス(L)、抵抗(R)、Q値について測定した結果と解析値を示す。なお、図6、7、8には、比較例として空心のインダクタについて測定した結果と解析値についても示した。空心のインダクタは、図1に示すインダクタと同一のコイル部とグランド線部を備えたもので、線間の磁性体部を備えていないものである。
解析値は、三次元有限要素法を用いる電磁界解析ソフトウェアを用いて解析した結果である。
図6、7、8において、線Aは実施形態のインダクタについての実測値、破線aは解析値である。また、線Bは空心のインダクタについての実測値、破線bは解析値である。
(Characteristic comparison)
6, 7, and 8 show the measurement results and analysis values of the above-described inductor element using the network analyzer for the inductance (L), resistance (R), and Q value. 6, 7, and 8 also show the measurement results and analysis values for an air-core inductor as a comparative example. The air-core inductor has the same coil portion and ground line portion as the inductor shown in FIG. 1 and does not have a magnetic portion between the wires.
The analysis value is a result of analysis using electromagnetic field analysis software using a three-dimensional finite element method.
6, 7, and 8, a line A is an actual measurement value for the inductor of the embodiment, and a broken line a is an analysis value. A line B is an actual measurement value of the air-core inductor, and a broken line b is an analysis value.

図6に示すインダクタンスについてみると、線間に磁性材料を充填した実施形態のインダクタでは、比較例の空心インダクタと比較して、インダクタンス値が10%程度増大している。これは、線間に磁性材料を充填したことによると考えられる。また、電磁界解析ソフトウェアを用いる解析値についても、線間に磁性材料を充填した実施形態のインダクタの方が、空心インダクタのインダクタを上回っている。   As for the inductance shown in FIG. 6, in the inductor of the embodiment in which the magnetic material is filled between the lines, the inductance value is increased by about 10% as compared with the air core inductor of the comparative example. This is considered due to the fact that the magnetic material is filled between the lines. Also, with respect to the analysis value using the electromagnetic field analysis software, the inductor of the embodiment in which the magnetic material is filled between the wires is higher than the inductor of the air-core inductor.

図7に示す抵抗についてみると、1GHz以下の周波数帯域では、実施形態のインダクタの方が空心インダクタよりも抵抗値が低くなる。これは、線間に磁性材料を充填したことにより、近接効果が抑制された結果である。
一方、1GHz以上の周波数帯域では、実施形態のインダクタの方が空心インダクタよりも大幅に抵抗値が大きくなっている。これは、磁性材料として使用した磁性複合材料自体の損失によるものと考えられる。
Regarding the resistance shown in FIG. 7, in the frequency band of 1 GHz or less, the inductor of the embodiment has a lower resistance value than the air-core inductor. This is a result of the proximity effect being suppressed by filling the magnetic material between the lines.
On the other hand, in the frequency band of 1 GHz or more, the inductor of the embodiment has a significantly larger resistance value than the air-core inductor. This is considered to be due to the loss of the magnetic composite material itself used as the magnetic material.

図8に示すQ値についてみると、実施形態のインダクタでは、1GHz近傍で、空心インダクタと比較して30%程度Q値が向上しており、空心インダクタのQ値を大きく上回っている。
上述した測定結果と比較すると、本実施形態のインダクタ(平面型スパイラルインダクタ)においては、インダクタンス、抵抗と比較してQ値のみが、空心インダクタと比較して顕著に向上している。いいかえれば、実施形態のインダクタは、インダクタンスや抵抗についてはあまり変化せず、したがって回路設計については従来例と大きく変えることなく、Q値のみを選択的に向上させる作用を有するという作用効果を有するということができる。
As for the Q value shown in FIG. 8, in the inductor according to the embodiment, the Q value is improved by about 30% in the vicinity of 1 GHz as compared with the air-core inductor, and greatly exceeds the Q-value of the air-core inductor.
Compared to the measurement results described above, in the inductor (planar spiral inductor) of the present embodiment, only the Q value is significantly improved as compared with the air-core inductor as compared with the inductance and resistance. In other words, the inductor according to the embodiment does not change much in terms of inductance and resistance, and therefore has the effect of selectively improving only the Q value without significantly changing the circuit design from the conventional example. be able to.

(解析結果)
図1に示す平面型スパイラルインダクタにおいて、コイルの線間に磁性複合材料を充填した場合の磁性複合材料の作用を調べるため、図9に示す平面型スパイラルインダクタのモデルについて、インダクタンス、抵抗、Q値の周波数特性について解析した。解析対象の平面型スパイラルインダクタは、2ターンの平面コイルで、縦横の全体寸法が590μm×530μm、線幅55μm、線間隔15μm(図9)である。
(Analysis result)
In the planar spiral inductor shown in FIG. 1, in order to investigate the action of the magnetic composite material when the magnetic composite material is filled between the coil wires, the model of the planar spiral inductor shown in FIG. The frequency characteristics of were analyzed. The planar spiral inductor to be analyzed is a two-turn planar coil with overall dimensions of 590 μm × 530 μm, a line width of 55 μm, and a line spacing of 15 μm (FIG. 9).

図10は、空心インダクタの解析モデルの断面図で、ガラス基板20上にパッド部10aとコイルの線10bを、厚さ8μmで形成したものである。
図11は、磁性複合材料を用いたインダクタの解析モデルの断面図で、ガラス基板20上に、コイルの下層に磁性複合材料層14aを設け、コイルの線10b間に磁性複合材料10bを充填し、コイルの上層に磁性複合材料層14cを設けたものである。
図11に示す解析モデルでは、コイルの下層に設けた磁性複合材料層14aとコイルの上層に設けた磁性複合材料層14bの厚さtを、t=0、1、4、8μmとして解析した。
FIG. 10 is a cross-sectional view of an analysis model of an air-core inductor, in which a pad portion 10a and a coil wire 10b are formed on a glass substrate 20 with a thickness of 8 μm.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an analytical model of an inductor using a magnetic composite material. On the glass substrate 20, a magnetic composite material layer 14a is provided below the coil, and the magnetic composite material 10b is filled between the coil wires 10b. The magnetic composite material layer 14c is provided on the upper layer of the coil.
In the analysis model shown in FIG. 11, the thickness t of the magnetic composite material layer 14a provided in the lower layer of the coil and the magnetic composite material layer 14b provided in the upper layer of the coil was analyzed as t = 0, 1, 4, 8 μm.

図12は、インダクタンスについての解析結果を示す。図12に示す解析結果は、空心インダクタに対し、磁性複合材料層14a、14bの厚さを厚くしていくとインダクタンスが増大することを示す。
図13は、抵抗値についての解析結果を示す。図13に示す解析結果は、磁性複合材料層14a、14bの厚さを厚くしていくと抵抗値が増大することを示す。
図14は、Q値についての解析結果を示す。図14に示す解析結果は、磁性複合材料層14a、14bの厚さを厚くしていくと、Q値のピーク位置が低周波側にシフトすることを示す。すなわち、0.1GHz〜1GHzの周波数帯域においてQ値を向上させるには、磁性複合材料はコイルの線間に充填し、コイルの表面を被覆しないようにすることが有効である。
FIG. 12 shows an analysis result on the inductance. The analysis result shown in FIG. 12 shows that the inductance increases as the thickness of the magnetic composite material layers 14a and 14b is increased with respect to the air-core inductor.
FIG. 13 shows an analysis result regarding the resistance value. The analysis result shown in FIG. 13 shows that the resistance value increases as the thickness of the magnetic composite material layers 14a and 14b is increased.
FIG. 14 shows the analysis result for the Q value. The analysis result shown in FIG. 14 indicates that the peak position of the Q value shifts to the low frequency side as the thickness of the magnetic composite material layers 14a and 14b is increased. That is, in order to improve the Q value in the frequency band of 0.1 GHz to 1 GHz, it is effective to fill the magnetic composite material between the coil wires so as not to cover the surface of the coil.

本発明に係るインダクタは高Q値のインダクタとして提供される。高Q値であるということは低損失であることであり、したがって電子回路の回路部品として使用することにより、消費電力を低減させることが可能である。すなわち、本発明に係るインダクタは、低消費電力化を図る回路部品として有効利用が可能である。   The inductor according to the present invention is provided as a high-Q inductor. A high Q value means a low loss, so that power consumption can be reduced by using it as a circuit component of an electronic circuit. That is, the inductor according to the present invention can be effectively used as a circuit component for reducing power consumption.

本発明によれば、小型化が容易で、大きなQ値を有するインダクタを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an inductor that can be easily downsized and has a large Q value.

10 コイル部
10a パッド部
10b コイルの線
12 グランド線部
14 磁性体部
14a、14b、14c 磁性複合材料層
20 ガラス基板

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Coil part 10a Pad part 10b Coil wire 12 Ground line part 14 Magnetic body part 14a, 14b, 14c Magnetic composite material layer 20 Glass substrate

Claims (2)

コイルの線間に磁性材料を充填した、平面型のスパイラルインダクタであって、
前記磁性材料が、球体状で粒子サイズが2μm以下の磁性微粒子と誘電材とを複合した磁性複合材料からなり、
前記磁性微粒子と前記誘電材との体積比が1:1であり、
前記磁性材料中で、前記磁性微粒子が互いに接触せずに存在し、
前記コイルの表面が前記磁性複合材料により被覆されていないことを特徴とするインダクタ。
A planar spiral inductor filled with a magnetic material between coil wires,
The magnetic material is composed of a magnetic composite material in which magnetic particles having a spherical shape and a particle size of 2 μm or less and a dielectric material are combined.
The volume ratio of the magnetic fine particles to the dielectric material is 1: 1,
In the magnetic material, the magnetic fine particles exist without contacting each other,
An inductor, wherein a surface of the coil is not covered with the magnetic composite material.
前記磁性微粒子は、Fe系磁性微粒子、Co系磁性微粒子、Ni系磁性微粒子のいずれかであることを特徴とする請求項記載のインダクタ。 The magnetic fine particles, the inductor of claim 1, wherein the Fe-based magnetic fine particles, Co-based magnetic particles are either Ni-based magnetic particles.
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