JPH04350908A - 薄形インダクタ／トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電源や信号処理用素子
の部品として使用される薄形インダクタ／トランスに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の軽薄短小化に伴い、電源や信
号処理用素子の大幅な小型化を目指して、動作周波数を
高周波化し、インダクタやトランスを薄形化する研究が
行われている。巻き線方式のインダクタ／トランスは小
型化に限界があり、平面コイルによる研究が進められて
おり、これと磁性体（薄膜、薄帯）及び絶縁層を組み合
わせて成る種々の薄形インダクタ／トランスが提案され
ている。

【０００３】これらの薄形インダクタ／トランスは磁性
体と平面コイルの組み合わせにより、平面コイルを磁性
体で取り囲む形の内部コイル形と磁性体を平面コイルで
取り囲む形の外部コイル形に大別される。平面コイルを
複数設けることにより、トランスになる。平面コイルの
形状は内部コイル形用としては典型的な形としてスパイ
ラル形、つづら折れ形等がある。また、外部コイル形用
としてはクロス形や巻線形等がある。　　絶縁層は平面
コイルに電流を流した時、磁性体と導通し、ショートす
るのを防ぐため設け、主にポリイミド等の高分子フィル
ムまたはＳｉＯ２　等の無機膜が用いられている。

【０００４】ところが、これらの絶縁層は熱伝導率が磁
性体に比べて低いため、平面コイルや磁性薄膜での損失
により発生する熱を充分拡散できず、温度上昇を防止で
きなかった。すなわち、従来の絶縁物質では放熱上の問
題を生ずることがあった。そこで熱伝導率の高い絶縁層
の開発が必要となる。放熱を高めることにより、より大
きい電流を薄形インダクタ／トランスに流すことが可能
となり、より大きいエネルギーを蓄積、変換できる。す
なわち、小型化できる（エネルギーは電流の自乗に比例
する）。

【０００５】熱伝導率の高い絶縁物質として硬質炭素膜
が知られている。この硬質炭素膜は種々の気相成長法に
よって作成されるようになったが、従来の方法では、タ
ングステンカーバイドなどの限られた材料に対しては実
用に耐えうる程の強い付着力でコーティングすることは
可能とされていたものの、鉄系の金属材料に対しては困
難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、磁性
体（薄膜、薄帯）と平面コイル及び絶縁層を組み合わせ
て成る薄形インダクタ／トランスにおいて、絶縁層とし
て熱伝導率の高い膜を用いることにより、放熱性に優れ
る薄形インダクタ／トランスを提供しようとするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段・作用】前記目的を達成す
るために、本発明の薄形インダクタ／トランスでは、絶
縁層として熱伝導率の高い硬質炭素膜をコーティングす
る。そして、本発明の薄形インダクタ／トランスでは、
硬質炭素膜をイオンビーム法にて形成することを特徴と
する。

【０００８】すなわち、ＣＶＤ法などの他の気相成長法
では、硬質炭素膜をアモルファス合金等の磁性体表面に
、実用に耐えうる程の強い付着力で形成することは困難
であったが、イオンビーム法を採用することにより、薄
形インダクタ／トランスに適した絶縁層を形成すること
が可能となり、本発明を完成するに到った。本発明の薄
形インダクタおよび薄形トランスの構造例（内部コイル
形）をそれぞれ図１（ａ）、（ｂ）に示す。これらは絶
縁基板１の表面上に平面コイル２を形成し、その上に絶
縁層３として硬質炭素膜をコーティングした磁性帯（薄
膜、薄帯）４を積層することにより構成される。薄形ト
ランスには平面コイルが２つあるが、それぞれ１次およ
び２次コイルである。

【０００９】尚、平面コイル２を形成した絶縁基板１上
に絶縁層３として硬質炭素膜をコーティングし、その上
に磁性体４を積層することも可能である。本発明で絶縁
基板１に適用できる材料にはアルミナ、ジルコニア、炭
化珪素、ガラス等のセラミック、エポキシ、フェノール
、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂、
エポキシ樹脂等を含浸したガラスクロス等が挙げられる
。

【００１０】平面コイル２は絶縁基板１上に、導体ペー
ストを各種形状にスクリーン印刷後、焼成する方法、導
電層を成膜後、フォト・エッチング法で各種形状に加工
する方法等で作成できる。導電層の成膜方法としては、
導電箔をプレス加工等により圧着する方法、電気メッキ
、無電解メッキ等により湿式メッキする方法、溶融メッ
キ、金属溶射、気相メッキ、及び真空蒸着法、スパッタ
リング法、イオンプレーティング法等の真空メッキ等に
より乾式メッキする方法等がある。

【００１１】本発明で平面コイル２に適用できる材料に
は銅、銀、金、アルミニウム等各種金属およびそれらの
合金系が挙げられる。平面コイル２の形状はスパイラル
形、つづら折れ形およびそれらを組み合わせた形等が可
能である。本発明で絶縁層３として用いる硬質炭素膜あ
るいはダイヤモンド状炭素膜と別称されているものは、
次のようなものである。元素の構成の主体は炭素であり
、天然ダイヤモンドに準ずる硬度を持ち、非晶質で電子
線回折像はハローパターンを示す。ラマンスペクトルで
は１５８０ｃｍ−１付近と１３６０ｃｍ−１付近に非晶
質特有の広いピークを示す。硬質炭素膜を走査型電子顕
微鏡で、１０，０００倍程度に拡大して観察しても、結
晶粒が認められない一様で平滑な膜である。硬質炭素膜
は一般に炭化水素化合物を原料とした気相合成法によっ
て生成され、アルゴンイオンを用いたラザフォード散乱
分析法によると４０ａｔｏｍ％以下の水素を含有してお
り、水素が炭素原子のダングリングボンドの部分に入る
ことにより非晶質状態が安定化され、かつ高硬度の構造
になると考えられている。

【００１２】適量の水素が存在することで、硬質炭素膜
は天然ダイヤモンドに準ずる高い硬度を示すものと推測
され、硬質炭素膜中の水素が多すぎると軟らかい有機質
の膜になる。そのため水素の割合は、アルゴンイオンを
用いたラザフォード散乱分析法で測定した場合で、膜中
に３５ａｔｏｍ％以下、好ましくは２０〜３０ａｔｏｍ
％とすることが好ましい。

【００１３】上述した硬質炭素膜の熱伝導率および比抵
抗をポリイミドおよびＳｉＯ２　と比較すると、例えば
表１の通りである。

【００１４】

【表１】

【００１５】以上より、硬質炭素膜の熱伝導率は金属と
同程度か、それより大きい値であるため、絶縁層に硬質
炭素膜を用いると、放熱性が良くなり、薄形インダクタ
／トランスの温度上昇を防止できる。発熱による温度上
昇は、一般に部品表面に粘土で熱電対を張り付けて測定
する。定電流電源を用いて、所定の電圧、電流を加え、
飽和温度を測定する。

【００１６】次に、本発明で金属材料の基板表面に硬質
炭素膜をコーティングする方法としては、カウフマン型
イオン源、バケット型イオン源等の各種イオン源で発生
される炭素原子を含むイオンビームを照射する方法を適
用することができる。ここでは図２に示すカウフマン型
イオン源によりコーティングする方法を例にして説明す
る。減圧下に硬質炭素膜の原料となる炭化水素ガスを導
入し、これをグロー放電と赤熱フィラメント７によりイ
オン化させ、電磁石８の広がり磁場でこのイオンを引き
出す。電磁石で覆われたこの部分をイオン源という。引
き出されたイオンは負のバイアス電圧がかけられた基材
５に向かって加速され、材料に衝突，蒸着する。

【００１７】原料ガスとしては、メタン，エタン，アセ
チレン，ベンゼン等の容易に気体として導入できる炭化
水素を用いればよいが、中でもメタンが好ましい。水素
ガスを前述の原料ガスの希釈ガスとして用いてもさしつ
かえない。容器内の圧力は、プラズマを発生させて、し
かもイオンを加速することが必要なため、１×１０−６
Ｔｏｒｒから１Ｔｏｒｒでよいが、膜質、膜生成速度の
点からは１×１０−４Ｔｏｒｒから１×１０−１Ｔｏｒ
ｒが望ましい。材料の温度としては室温（２５℃程度）
から３５０℃とすると良好な薄膜が形成される。その範
囲内でも特に室温（２５℃程度）から３００℃が好まし
い範囲である。

【００１８】材料とイオン源との間のバイアス電圧は−
５０Ｖから−１５００Ｖとし、中でも−５００Ｖから−
１２００Ｖが好ましい範囲である。炭化水素イオンがバ
イアス電圧により加速されて材料に衝突すると、衝突エ
ネルギーにより衝突したイオンのＣ−Ｈ結合が切れて、
水素原子は弾き出されてしまう。この、水素原子が弾き
出される量は、衝突するイオンの運動エネルギー、すな
わちバイアス電圧に従っており、バイアス電圧が小さ過
ぎると水素が多い有機的な軟らかい膜になりやすく、バ
イアス電圧が高過ぎると黒鉛状の膜になり、さらには膜
の自己スパッタリングが生じ成膜速度が低下する。イオ
ン源での磁束密度は１００Ｇから１０００Ｇの範囲が適
当であり、３００Ｇから５００Ｇがより好ましい範囲で
ある。詳細な製造条件は、装置内のガス導入口の配置、
イオン源の大きさ、材料の位置などによって変化するの
で適宜、最適条件を設定することが望ましい。

【００１９】本発明で磁性体４に適用できる薄膜、薄帯
にはコバルト系、鉄系等各種アモルファス合金、アモル
ファス合金を結晶化させた超微細組織をもつ軟磁性体、
珪素を主に含む珪素鋼、パーマロイ、パーメンジュール
、センダスト等の金属軟質磁性材料、およびＭｎ−Ｚｎ
系、Ｎｉ−Ｚｎ系等各種ソフトフェライト材料等が挙げ
られるが、その中でもこれまでの成膜方法では密着性の
良好な硬質炭素膜が形成されにくかった鉄系の金属材料
を対象とした場合に特に有効である。また、これらの材
料表面にイオン打ち込みや浸炭処理等で他の元素を注入
したものにも有効である。硬質炭素膜をコーティングす
る面は仕上げ荒さは問わないが、付着力の強い膜をコー
ティングするためには、油脂、錆等の付着物をあらかじ
め除去しておくことが望ましい。

【００２０】薄膜は電気メッキ、無電解メッキ等により
湿式メッキする方法、溶融メッキ、溶射、気相メッキ、
および真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法等の真空メッキ等により乾式メッキする方法等
により成膜される。薄帯は急冷法、圧延加工法、グリー
ンシート法等により作成される。構造例として、内部コ
イル形を示したが、磁性体を平面コイルで取り囲む外部
コイル形でも同様に製造可能である。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 絶縁基板１に０．６３５ｍｍ厚さのアルミナ板を使用し
、図３に示すつづら折れ形の平面コイル２をＡｇ−Ｐｄ
ペーストをスクリーン印刷後、焼成することにより作成
した。つづら折れ数１０、コイル辺長１０ｍｍ、コイル
幅、間隔２５０μｍ、コイル厚さ２０μｍ　である。

【００２２】また、別途磁性体４として、各２５μｍ　
厚さのアモルファス合金Ｆｅ８０．５Ｓｉ６．５　Ｂ１
２Ｃ１　、Ｆｅ７８Ｓｉ１２Ｂ１０、Ｃｏ７０Ｆｅ５　
Ｓｉ１５Ｂ１０（ａｔｏｍ％）の３種類を使用し、まず
図２に示すカウフマン型イオン源を用いて表２に示す条
件で事前スパッターおよび硬質炭素膜絶縁層３の成膜を
行った。 イオン源−基板距離　　５０ｍｍ 得られた硬質炭素膜の物性と構造は以下の通りである。

【００２３】膜厚：１．３μｍ 熱伝導率：９００×１０−３ｃａｌ／ｃｍ・　ｓｅｃ　
・　℃比抵抗：０．８×１０１４Ω・ｃｍ ラマンスペクトル：１５８０ｃｍ−１付近と１３６０ｃ
ｍ−１付近に幅の広いピークを示す 水素含有量：２８ａｔｏｍ％ 電子線回折像：明確な回折線の見られないハローパター
ン 形成した硬質炭素膜の面を平面コイルの側に向けて、図
３のように積層して薄形インダクタを得た。

【００２４】定電流電源を用いて、３０Ｖ、５００ｍＡ
の高周波（５００ＫＨｚ）を加え、飽和温度を測定した
。 測定温度：１２０℃ 比較例１ 絶縁基板１に０．６３５ｍｍ厚さのアルミナ板を使用し
、図３に示すつづら折れ形の平面コイル２をＡｇ−Ｐｄ
ペーストをスクリーン印刷後、焼成することにより作成
した。つづら折れ数１０、コイル辺長１０ｍｍ、コイル
幅、間隔２５０μｍ、コイル厚さ２０μｍ　である。

【００２５】平面コイル２上に、絶縁層３として１０μ
ｍ　厚さのポリイミドフィルムを両面に載せ、その上に
磁性体４として、各２５μｍ　厚さのアモルファス合金
Ｆｅ８０．５Ｓｉ６．５　Ｂ１２Ｃ１　、Ｆｅ７８Ｓｉ
１２Ｂ１０、Ｃｏ７０Ｆｅ５　Ｓｉ１５Ｂ１０（ａｔｏ
ｍ％）の３種類を積層することにより、薄形インダクタ
を得た。定電流電源を用いて、３０Ｖ、５００ｍＡの高
周波（５００ＫＨｚ）を加え、飽和温度を測定した。

【００２６】測定温度１５０℃ 実施例２ 市販のエポキシ樹脂銅張積層板をフォト・エッチングす
ることにより、図３（ａ）に示すつづら折れ形の平面コ
イル２を作成した。つづら折れ数１０、コイル辺長１０
ｍｍ、コイル幅、間隔２５０μｍ　、コイル厚さ１８μ
ｍ　である。絶縁基板１に当たるエポキシ樹脂層の厚さ
は０．８ｍｍである。

【００２７】また、別途磁性体４として、組成Ｆｅ７３
．５Ｓｉ１３．５Ｂ９　Ｃｕ１　Ｎｂ３　（ａｔｏｍ％
）のアモルファス合金を５５０℃、１時間のＮ２　ガス
中焼鈍により結晶化させた粒径１０ｎｍの超微細粒組織
をもつ、２５μｍ　厚さの軟磁性薄帯を使用し、まず図
２に示すカウフマン型イオン源を用いて表２に示す条件
で事前スパッターおよび硬質炭素膜絶縁層３の成膜を行
った。

【００２８】イオン源−基板距離　　５０ｍｍ得られた
硬質炭素膜の物性と構造は実施例１に示したのと同一で
ある。形成した硬質炭素膜の面を平面コイルの側に向け
て、図３（ｂ）のように積層して薄形インダクタを得た
。定電流電源を用いて、３０Ｖ、５００ｍＡの高周波（
５００ＫＨｚ）を加え、飽和温度を測定した。

【００２９】測定温度：１１５℃ 比較例２ 市販のエポキシ樹脂銅張積層板をフォト・エッチングす
ることにより、図３（ａ）に示すつづら折れ形の平面コ
イル２を作成した。つづら折れ数１０、コイル辺長１０
ｍｍ、コイル幅、間隔２５０μｍ　、コイル厚さ１８μ
ｍ　である。絶縁基板１に当たるエポキシ樹脂層の厚さ
は０．８ｍｍである。

【００３０】また、別途磁性体４として、組成Ｆｅ７３
．５Ｓｉ１３．５Ｂ９　Ｃｕ１　Ｎｂ３　（ａｔｏｍ％
）のアモルファス合金を５５０℃、１時間のＮ２　ガス
中焼鈍により結晶化させた粒径１０ｎｍの超微細粒組織
をもつ、２５μｍ　厚さの軟磁性薄帯を使用し、スパッ
タリング法により、絶縁層３として厚さ２μｍ　のＳｉ
Ｏ２　膜の成膜を行った。形成したＳｉＯ２　膜の面を
平面コイルの側に向けて、図３（ｂ）のように積層して
薄形インダクタを得た。

【００３１】定電流電源を用いて、３０Ｖ、５００ｍＡ
の高周波（５００ＫＨｚ）を加え、飽和温度を測定した
。 測定温度：１３０℃ 実施例３ 絶縁基板１に０．６３５ｍｍ厚さのアルミナ板を使用し
、その両面に図３（ａ）に示すつづら折れ形の平面コイ
ル２を、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印刷後、焼成
することにより作成した。１次、２次コイル共につづら
折れ数１０、コイル辺長１０ｍｍ、コイル幅、間隔２５
０μｍ　、コイル厚さ２０μｍ　である。

【００３２】また、別途磁性体４として、各２５μｍ　
厚さのアモルファス合金Ｆｅ８０．５Ｓｉ６．５　Ｂ１
２Ｃ１　、Ｆｅ７８Ｓｉ１２Ｂ１０、Ｃｏ７０Ｆｅ５　
Ｓｉ１５Ｂ１０（ａｔｏｍ％）の３種類を使用し、まず
図２に示すカウフマン型イオン源を用いて表２に示す条
件で事前スパッターおよび硬質炭素膜絶縁層３の成膜を
行った。 イオン源−基板距離　　５０ｍｍ 得られた硬質炭素膜の物性と構造は実施例１に示したの
と同一である。

【００３３】形成した硬質炭素膜の面を平面コイルの側
に向けて、図１（ｂ）のように両面に積層して薄形トラ
ンスを得た。定電流電源を用いて、３０Ｖ、５００ｍＡ
の高周波（５００ＫＨｚ）を１次コイルに加え、飽和温
度を測定した。 測定温度：１３０℃ 比較例３ 絶縁基板１に０．６３５ｍｍ厚さのアルミナ板を使用し
、その両面に図３（ａ）に示すつづら折れ形の平面コイ
ル２を、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印刷後、焼成
することにより作成した。１次、２次コイル共につづら
折れ数１０、コイル辺長１０ｍｍ、コイル幅、間隔２５
０μｍ　、コイル厚さ２０μｍ　である。

【００３４】平面コイル２上に、図１（ｂ）のように、
絶縁層３として１０μｍ　厚さのポリイミドフィルムを
両面に載せ、その上に磁性体４として各２５μｍ　厚さ
のアモルファス合金Ｆｅ８０．５Ｓｉ６．５　Ｂ１２Ｃ
１　、Ｆｅ７８Ｓｉ１２Ｂ１０、Ｃｏ７０Ｆｅ５　Ｓｉ
１５Ｂ１０（ａｔｏｍ％）の３種類を両面積層すること
により、薄形トランスを得た。定電流電源を用いて、３
０Ｖ、５００ｍＡの高周波（５００ＫＨｚ）を１次コイ
ルに加え、飽和温度を測定した。

【００３５】測定温度：１６０℃

【００３６】

【表２】

【００３７】

【発明の効果】本発明は、磁性体（薄膜、薄帯）と平面
コイルおよび絶縁層を組み合わせて成る薄形インダクタ
／トランスにおいて、絶縁層として熱伝導率の高い硬質
炭素膜を用いることにより、放熱性に優れる薄形インダ
クタ／トランスが得られる。放熱を高めることにより、
より大きい電流を薄形インダクタ／トランスに流すこと
が可能となり、より大きいエネルギーを蓄積、変換でき
る。すなわち、小型化できる。

【００３８】また、イオンビーム法を採用することによ
り、各種金属磁性材料、特に鉄系材料の表面に、絶縁層
として実用に耐え得る程の強い付着力で硬質炭素膜を成
形できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄形インダクタ（ａ）およびトランス
（ｂ）の一例の断面図である。

【図２】イオン化蒸着装置の原理図である。

【図３】（ａ）は薄形インダクタの実施例の平面図（平
面コイルの形状が見えるように示した）および（ｂ）は
断面図である。

【符号の説明】 １　　　　絶縁基板 ２　　　　平面コイル ３　　　　絶縁層 ４　　　　磁性体（薄膜、薄帯） ５　　　　基材 ６　　　　グリッド ７　　　　フィラメント ８　　　　電磁石 ９　　　　ガス導入管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　磁性体（薄膜、薄帯）と平面コイル及
   び絶縁層を組み合わせて成る薄形インダクタ／トランス
   において、硬質炭素膜を磁性体にコーティングして絶縁
   層としたことを特徴とする薄形インダクタ／トランス。
2. 【請求項２】　　請求項１において、硬質炭素膜がイオ
   ンビーム法により磁性体の表面に形成されたものである
   ことを特徴とする薄形インダクタ／トランス。
3. 【請求項３】　　請求項１または２において、磁性体が
   アモルファス合金である薄形インダクタ／トランス。
4. 【請求項４】　　請求項１または２において、磁性体が
   アモルファス合金を結晶化させた超微細組織をもつ軟磁
   性体である薄形インダクタ／トランス。