JPH11168010A - マイクロインダクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化が可能であって高効率及び高出力のコ
ンバータに適用することができると共に、良好な磁気特
性を得ることができるマイクロインダクタを提供する。 【解決手段】 表面粗さを例えば５０Åとしたフェライ
ト基板１ａの表面に、銅メッキによりコイル２ａが形成
されている。このコイル２ａは、帯状に延びる銅メッキ
層が基板１ａ上で周回された形状を有している。また、
基板１ａ上には、フェライトからなるコア３が選択的に
形成されている。このコア３はコイル２ａの軸芯部分と
コイル２ａの両側方とにおける基板１ａの表面のみに接
触して形成されており、コイル２ａから離間している。
従って、基板１ａとコア３とにより、閉磁路構造が構成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高効率及び高出力の
ＤＣ−ＤＣコンバータに適用することができるマイクロ
インダクタに関し、特に、小型化を実現することができ
るマイクロインダクタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子機器等の磁性部品として
使用されるインダクタとして、巻き線コイルからなる開
磁路構造のインダクタが開示されている（特開平８−３
２１４２１号公報、特開平８−２８９５３７号公報及び
特開平８−２９３６９１号公報）。図４は従来の巻き線
コイルからなるインダクタを示す斜視図である。ドラム
タイプフェライトコア１２は芯部１２ｂと、この芯部１
２ｂの両端に取り付けられた壁部１２ａとにより形成さ
れている。このドラムタイプフェライトコア１２に銅線
１３が巻回されることにより、インダクタ１１が構成さ
れている。

【０００３】このように構成されたインダクタ１１にお
いては、銅線１３に直流電圧が印加されると、インダク
タ１１の周辺部及び芯部１２ｂ等に磁界が発生する。こ
れにより、インダクタ１１が搭載されたコンバータ（図
示せず）においては、入力電源電圧を昇圧、降圧又は反
転して出力することができる。

【０００４】しかしながら、図４に示す従来の巻線コイ
ルからなるインダクタにおいては、オープン構造であっ
て良好な磁気特性を得ることができないので、銅線１３
の巻数を増加させる必要があるが、この巻数の増加に伴
って、直流抵抗が高くなるという問題点がある。そこ
で、直流抵抗を低減するためには、銅線１３の太さを太
くする必要があり、これにより、インダクタの小型化が
困難となる。また、巻線コイルは、手作業によってコア
に銅線を巻回することにより製造されるので、大量生産
に適していない。

【０００５】そこで、巻線コイルからなるインダクタと
比較して磁気特性を向上させることができると共に、小
型化することができるインダクタが提案されている（特
開平５−２９９２８２号公報、特開平６−８４６４４号
公報、特開平５−３２６２６０号公報及び特開平６−２
５２３５０号公報）。これらのインダクタは、閉磁路構
造を構成する磁性部と、平面状のコイルとを有するもの
である。特に、特開平５−２９９２８２号公報及び特開
平６−８４６４４号公報には、角形に周回されたコイル
の各辺に、閉磁路構造を構成するコアが形成された薄膜
インダクタンス素子が開示されている。また、特開平５
−３２６２６０号公報には、角形に周回されたコイルの
対向する１組の辺に、閉磁路構造を構成するコアが形成
された薄膜磁気素子が開示されている。更に、特開平６
−２５２３５０号公報には、平面状のコイルが絶縁性磁
性体によって覆われて、磁性体とコイルとの間に間隙が
形成されていない完全閉磁路構造のマイクロインダクタ
が開示されている。

【０００６】なお、これらのインダクタに使用されてい
る平面状のコイルは、例えば、薄膜形成技術又はプリン
ト基板技術を使用することにより製造される。このよう
に、薄膜形成技術により薄膜メッキコイルを製造する
と、導体部分の厚さを著しく薄くすることができるの
で、インダクタを小型化することができる。また、基板
表面に銅箔を接合し、この銅箔を所望の形状にエッチン
グすることにより、帯状の導体層が周回された形状のプ
リントコイルを形成することができる。

【０００７】近時、ＤＣ−ＤＣ電源の薄型化及び小型化
に伴って、より一層薄い構造のマイクロインダクタが要
求されており、従来のインダクタの外径寸法を大きくす
ることなく、同一基板上に形成されるＩＣ及びＬＳＩと
同等の高さ又はそれ以下の高さのインダクタが要求され
ている。

【０００８】また、インダクタの高性能化を図るため
に、他の部品と同様に、スイッチング電源の駆動周波数
を高くする必要があり、制御用ＩＣとして実用化されて
いる周波数（５００ＫＨｚ）と同等又はそれ以上の周波
数、例えば、１ＭＨｚの周波数のものが要求されてい
る。更に、小型携帯機器に搭載されたインダクタの出力
は、現状では、０．５乃至１Ｗであるが、将来的には、
約５Ｗの出力を有するインダクタが要求される。

【０００９】ところで、一般的に、インダクタの性能は
下記数式１によって算出することができる。

【００１０】

【数１】Ｑ＝Ｌ×２πｆ／Ｒ 但し、Ｑ；性能指数 Ｌ；インダクタンス（μＨ） Ｒ；抵抗（Ω） ｆ；周波数（Ｈｚ） 上記数式１に示すように、高性能のインダクタを得るた
めには、インダクタンスＬ又は周波数ｆを高くするか、
抵抗を小さくすればよい。また、所望の性能を得るため
のインダクタンスＬは、下記数式２によって算出するこ
とができる。

【００１１】

【数２】Ｌ＝｛Ｖout（Ｖin−Ｖout）｝／（Ｖin×ｆ×
Ｉout×ＬＩＲ） 但し、Ｖin；最大入力電圧 Ｖout；出力電圧 Ｉout；最大ＤＣ負荷電流 ｆ；動作周波数 ＬＩＲ；コイルのインピーダンス そこで、１００Ｖの交流電源からＡＣアダプタを介し
て、交流１２Ｖに接続する５Ｗ（５Ｖ−１Ａ）のノート
型パーソナルコンピュータを得るためには、Ｖin＝１２
（Ｖ）、Ｖout＝５（Ｖ）、Ｉout＝１（Ａ）及びＬＩＲ
＝０．３（推奨値）を上記数式２に代入すると、Ｌ＝
９.７２／（Ｉout×ｆ）が得られる。例えば、周波数が
１ＭＨｚである場合、出力電流Ｉoutを１Ａとすると、
インダクタンスＬは１０μＨ、出力電流Ｉoutを２Ａと
すると、インダクタンスＬは５μＨとなり、出力電流Ｉ
outを４Ａとすると、インダクタンスＬは２.４μＨとな
る。従って、駆動周波数が１ＭＨｚである場合には、イ
ンダクタンスＬが２．４乃至１０μＨであるインダクタ
が要求される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、薄膜メ
ッキコイルからなるインダクタにおいては、コイルの厚
さが約数μｍ乃至１０μｍであるので、電流方向に直交
する方向の導体部分の断面積が極めて小さくなり、これ
により、直流抵抗が著しく高くなる。従って、薄膜メッ
キコイルを利用したインダクタには、高電流を印加する
ことができず、所望の性能を得ることができない。

【００１３】また、プリントコイルからなるインダクタ
においては、銅箔をエッチングすることにより帯状の導
体層を形成するものである。従って、コイルの厚さより
も隣接する帯状の導体層間の間隔（ライン間の間隔）を
小さくしようとすると、オーバエッチング等が発生し
て、所望の寸法のコイルをパターニングすることが困難
となる。その結果、導体層間の間隔を必要以上に大きく
設定する必要があるので、インダクタの小型化が困難と
なる。また、導体層間の間隔が適切に設定されていない
場合には、コイル間での磁束の漏れが発生して、コイル
の効率が低下する。

【００１４】更に、いずれのインダクタにおいても、閉
磁路構造を構成する磁性部を有しているが、この磁性部
の構造によっては、所望のインダクタンスを得ることが
できない。

【００１５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、小型化が可能であって高効率及び高出力の
コンバータに適用することができると共に、良好な磁気
特性を得ることができるマイクロインダクタを提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロイ
ンダクタは、表面粗さＲａが３０乃至６０００Åである
基板と、この基板上にメッキにより形成されたコイル
と、閉磁路構造を構成する磁性部と、を有することを特
徴とする。

【００１７】この基板は、フェライト、ガラス及びシリ
コンからなる群から選択された少なくとも１種の材料に
より形成することができる。また、基板はフェライト、
ガラス及びシリコンからなる群から選択された少なくと
も１種の材料からなる基体と、アルミナ、アモルファス
磁性体、有機絶縁体及び無機絶縁体からなる群から選択
された少なくとも１種の材料からなる膜との積層体であ
ってもよい。

【００１８】更に、前記表面粗さＲａは５０乃至３００
０Åであることが好ましい。

【００１９】本発明に係るマイクロインダクタは、基板
の表面粗さを適切に規定しているので、基板とその表面
に形成するメッキ層（コイル）との密着性を向上させる
ことができる。従って、このメッキにより所望の極めて
厚い導体コイルを形成することができる。これにより、
コイルの直流抵抗を低減することができるので、得られ
たインダクタを高出力及び高効率のコンバータに適用す
ることができる。また、コイルの寸法を自由に設計する
ことができるので、小型であると共に、磁束の漏れが低
減された高効率のインダクタを得ることができる。

【００２０】更に、基板の表面粗さを適切に規定してい
るので、コイルの上方に形成される磁性体からなる上層
と、コイルの下方に位置する磁性体からなる基板又は下
層との接合面を良好にすることができる。即ち、本発明
は良好な接合面を有する閉磁路構造が構成されるので、
優れた磁気特性を得ることができる。その結果、コイル
の巻数を少なくすることができ、これにより、インダク
タの小型化が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係るマイ
クロインダクタについて、添付の図面を参照して具体的
に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施例に係る
マイクロインダクタを示す斜視図であり、図１（ｂ）は
その断面図である。図１（ａ）及び１（ｂ）に示すよう
に、表面粗さを例えば５０Åとしたフェライト基板１ａ
の表面に、銅メッキによってコイル２ａが形成されてい
る。このコイル２ａは、帯状に延びる銅メッキ層が基板
１ａ上で周回された形状を有している。また、基板１ａ
上には、フェライトからなるコア３が配置されている。
このコア３はコイル２ａの軸芯部分とコイル２ａの両側
方とにおける基板１ａの表面のみに接触して形成されて
おり、コイル２ａから離間している。従って、基板１ａ
とコア３とにより、閉磁路構造が構成されている。

【００２２】このように構成された本実施例において
は、基板１ａの表面粗さを適切に規定しているので、基
板１ａとその表面のメッキによるコイル２ａとの密着性
を向上させることができる。従って、例えば、３０乃至
２００μｍの厚さでコイル２ａを形成することができ
る。これにより、コイル２ａを構成する帯状に延びる銅
メッキ層の電流方向に直交する方向における断面積が大
きくなり、コイル２ａの直流抵抗を低減することができ
るので、得られたインダクタは高出力及び高効率のコン
バータに適用することができる。また、メッキによりコ
イル２ａを形成するので、コイル２ａの寸法、特に厚さ
を自由に設計することができる。その結果、小型である
と共に、磁束の漏れが低減された高効率のインダクタを
得ることができる。

【００２３】更に、基板１ａの表面粗さを適切に規定し
ているので、基板１ａ表面の平滑性を向上させることが
できる。従って、コア３と基板１ａとにより良好な接合
面を有する閉磁路構造が構成されて、磁気特性を向上さ
せることができる。その結果、コイル２ａのターン数を
少なくすることができ、インダクタの小型化が可能とな
る。

【００２４】なお、第１の実施例においては、基板１ａ
及びコア３の材料として、フェライトを使用したが、本
発明はこれに限定されない。例えば、ガラス又はシリコ
ンウエハ等の非磁性体からなる基体の表面にアモルファ
ス磁性薄膜等の磁性膜を積層したものを基板として使用
することができる。

【００２５】図２（ａ）は本発明の第２の実施例に係る
マイクロインダクタを示す斜視図であり、図２（ｂ）は
その断面図である。図２（ａ）及び２（ｂ）に示すよう
に、粗研磨によって表面粗さを例えば２０００Åとした
Ｓｉウエハ（基体）４の表面に、０．５μｍの厚さでア
ルミナ膜５が形成されている。このアルミナ膜５の表面
粗さＲａは例えば１５００Åとなる。これらのＳｉウエ
ハ４及びアルミナ膜５により、基板１ｂが構成されてい
る。基板１ｂの表面には、例えば、アモルファス磁性薄
膜と絶縁体層との積層体からなる第１磁性層（下層）６
が選択的に形成されている。

【００２６】また、銅メッキ層からなるコイル２ｂが、
基板１ｂ及び第１磁性層６上に形成されている。第１の
実施例と同様に、コイル２ｂは、帯状に延びる銅メッキ
層が基板１ｂ及び第１磁性層６上で周回された形状を有
している。また、第１磁性層６の上には、アモルファス
磁性薄膜と絶縁体層との積層体からなる第２磁性層（上
層）７が形成されている。第２磁性層７はコイル２ｂの
軸芯部分とコイル２ｂの両側方とにおける第１磁性層６
の表面のみに接触して形成されており、コイル２ｂから
離間している。なお、第２の実施例においては、第１磁
性層６と第２磁性層７とにより、閉磁路構造が構成され
ている。

【００２７】このように構成された第２の実施例におい
ても、基板１ｂの表面粗さ、即ち、アルミナ膜５の表面
粗さＲａを適切に規定しているので、基板１ｂとメッキ
により形成されたコイル２ｂとの接触部分の密着性を向
上させることができる。従って、第１の実施例と同様
に、所望の厚さのコイル２ｂを形成することができるの
で、コイル２ｂの直流抵抗を低減することができる。こ
れにより、高出力及び高効率のコンバータに適用できる
インダクタを得ることができる。また、メッキによりコ
イル２ｂを形成するので、コイル２ｂの寸法を自由に設
計することができ、小型であると共に、磁束の漏れが低
減された高効率のインダクタを得ることができる。

【００２８】更に、本実施例においては、基板１ｂの表
面粗さＲａが適切に規制されているので、第１磁性層６
の表面の平滑性も向上させることができる。従って、第
１磁性層６と第２磁性層７とにより良好な接合面を有す
る閉磁路構造が構成されて、磁気特性を向上させること
ができるので、コイル２ｂのターン数を少なくすること
ができ、インダクタの小型化が可能となる。

【００２９】なお、第２の実施例においては、基板１ｂ
の材料として、Ｓｉウエハ４の上にアルミナ膜５を積層
したものを使用したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、フェライト又はガラス等からなる材料を基板と
して使用することができる。また、フェライト、ガラス
及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種
の材料からなる基体と、アルミナ、アモルファス磁性
体、有機絶縁体及び無機絶縁体からなる群から選択され
た少なくとも１種の材料からなる膜との積層体を基板と
して使用してもよい。

【００３０】また、本発明において、基板の表面粗さＲ
ａが３０Å未満であると、基板と銅メッキ層との間の密
着性が低下するので、所望の厚さの銅メッキ層を形成す
ることができない。一方、基板の表面粗さＲａが６００
０Åを超えると、コア３と基板１ａとの間の接合面又は
第１磁性層６と第２磁性層７との間の接合面が不良とな
り、閉磁路構造を構成する接合面のギャップが大きくな
るので、磁気特性が低下する。従って、本発明において
は、基板の表面粗さＲａは３０乃至６０００Åとする。
好ましくは、基板の表面粗さＲａは５０乃至３０００Å
である。

【００３１】上述の如く、基板の表面粗さＲａが規制さ
れていると、３０乃至２００μｍの厚さで銅メッキ層
（コイル）を形成することができ、これにより、コイル
の直流抵抗を低減することができる。なお、好ましく
は、銅メッキ層、即ちコイルの厚さは５０乃至１５０μ
ｍである。更に、本発明においては、コイルのライン幅
が５０μｍ未満であると、コイルの直流抵抗が高くな
る。一方、ライン幅が２００μｍを超えると、インダク
タの小型化を実現することができない。また、ライン間
の間隔が５μｍ未満であると、短絡が発生し易くなるの
で、歩留まりが低下する。一方、ライン間の間隔が１０
０μｍを超えると、磁束の漏れが大きくなって効率が低
下すると共に、インダクタの小型化を実現することがで
きない。なお、ライン幅とは、コイル状に形成された帯
状導体層の幅をいい、ライン間の間隔とは、隣接する帯
状導体層間の間隔をいう。

【００３２】更にまた、ターン数が３ターン未満である
と、所望の強さで磁界を発生させることができない。一
方、ターン数が１０ターンを超えると、インダクタの小
型化を実現することができない。従って、コイルのライ
ン幅は５０乃至２００μｍ、ライン間の間隔は５乃至１
００μｍであり、ターン数は３乃至１０ターンであるこ
とが好ましい。なお、ライン幅が８０乃至１５０μｍ、
ライン間の間隔が２０乃至５０μｍであり、ターン数が
３乃至５ターンであると、より一層好ましい。このよう
に基板及びコイル等を構成することにより、外径寸法の
幅が１５ｍｍ以下、長さが１５ｍｍ以下、厚さが２ｍｍ
以下であるインダクタを得ることができる。また、コイ
ルについては、幅を１０ｍｍ以下、長さを１０ｍｍ以
下、厚さを１ｍｍ以下とすることができる。特に、イン
ダクタの外径寸法の幅が１０ｍｍ以下、長さが１０ｍｍ
以下、厚さが１ｍｍ以下であると共に、コイルの幅が５
ｍｍ以下、長さが５ｍｍ以下、厚さが０．５ｍｍ以下で
あると、従来のインダクタと比較して、更に一層小型化
されたインダクタを得ることができる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明に係るマイクロインダクタの実
施例についてその比較例と比較して具体的に説明する。
先ず、種々の材料からなる基板を準備し、これらの基板
を表面処理することにより、表面粗さＲａを調整した。
その後、フェライト基板を使用した実施例及び比較例に
対しては、基板表面に銅メッキ層からなるコイルを形成
した。また、非磁性体からなる基板を使用した実施例及
び比較例に対しては、基板表面に第１磁性層を選択的に
形成した後、第１磁性層及び基板上に銅メッキ層からな
るコイルを形成した。そして、形成したコイルの厚さと
歩留まりについて評価した。図３は形成したコイルの寸
法を示す模式図である。なお、図３においては、コイル
２をハッチングで示す。図３に示すように、本実施例に
おいては、コイル２の長さを３ｍｍ、幅を２ｍｍとし、
ライン幅を１４０μｍ、ライン間の間隔を４０μｍとし
た。

【００３４】次に、フェライト基板を使用した実施例及
び比較例においては、基板の上にコアを配置して、基板
とコアとにより閉磁路構造を構成し、図１に示すインダ
クタを製造した。一方、非磁性体からなる基板を使用し
た実施例及び比較例においては、第１磁性層の上に第２
磁性層を形成して、第１磁性層と第２磁性層とにより閉
磁路構造を構成し、図２に示すインダクタを製造した。
そして、基板とコアとの接合面又は第１磁性層と第２磁
性層との接合面を評価した。

【００３５】基板最表面の材料、表面処理方法及び基板
の表面粗さＲａ並びに基板上に形成したコイルの厚さ及
び歩留まりを下記表１に示す。また、コア又は第１及び
第２磁性層の材料、構造及び接合面の評価結果を下記表
２及び３に示す。なお、下記表１に示す歩留まりの欄に
おいては、メッキ中に剥離等が発生しない良好な銅メッ
キ層が８０％を超え１００％以下の歩留まりで得られた
場合を◎（優良）、その歩留りが５０％を超え８０％以
下である場合を○（良好）、歩留まりが１０％を超え５
０％以下である場合を△（可）とし、歩留まりが１０％
以下の場合を×（不可）とした。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】上記表１乃至３に示すように、実施例Ｎ
ｏ．１乃至３は基板の表面粗さＲａが本発明の範囲内で
あるので、２００μｍの厚さまでの銅メッキ層からなる
コイルを得ることができた。特に、表面粗さＲａが３０
００Åである実施例Ｎｏ．３は、２００μｍの厚さのコ
イルを高歩留まりで得ることができた。また、基板とコ
アとの密着性又は第１磁性層と第２磁性層との接合面が
良好であるので、良好な磁気特性を得ることができた。

【００４０】一方、比較例Ｎｏ．４は基板の表面粗さＲ
ａが１０Åであるので、３０μｍの厚さでコイルを形成
すると、歩留まりは１０％以下となった。比較例Ｎｏ．
５は基板の表面粗さが２５Åであるので、５０μｍの厚
さでコイルを形成すると、歩留まりは１０％以下となっ
た。このように、表面粗さＲａが本発明範囲の下限未満
であると、形成することができるコイルの厚さが薄くな
り、その結果、直流抵抗が低下する。

【００４１】比較例Ｎｏ．６は、基板の表面粗さＲａが
６６００Åであり、２００μｍの厚さのコイルを高歩留
まりで得ることができたが、基板とコアとの密着性が不
良となり、これにより、磁気特性が劣化した。比較例Ｎ
ｏ．７は、基板の表面粗さＲａが１００００Åであり、
比較例Ｎｏ．６と同様に２００μｍの厚さのコイルを高
歩留まりで得ることができたが、第１磁性層と第２磁性
層との接合面が不良となり、これにより、磁気特性が劣
化した。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
基板の表面粗さを適切に規定しているので、所望の極め
て厚いメッキ層からなるコイルを形成することができ、
これにより、コイルの直流抵抗を低減することができ
る。従って、高出力及び高効率のコンバータに適用でき
るインダクタを得ることができる。また、コイルの上方
に形成される磁性体からなる上層と、コイルの下方に位
置する磁性体からなる基板又は下層との密着性が高めら
れると共に、基板表面の平滑性を得ることができるの
で、良好な接合面を有する閉磁路構造が構成され、優れ
た磁気特性を得ることができる。更に、コイルの寸法及
び形状を自由に設計することができるので、小型化を実
現することができると共に、磁束の漏れが低減された高
効率のインダクタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係るマイクロ
インダクタを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図で
ある。

【図２】（ａ）は本発明の第２の実施例に係るマイクロ
インダクタを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図で
ある。

【図３】形成したコイルの寸法を示す模式図である。

【図４】巻き線コイルを利用したインダクタを示す斜視
図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ；基板、 ２，２ａ，２ｂ；コイル、 ３；
コア、 ４；シリコンウエハ、 ５；アルミナ膜、
６，７；磁性層、 １１；インダクタ、 １２；コア、
１３；銅線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面粗さＲａが３０乃至６０００Åであ
   る基板と、この基板上にメッキにより形成されたコイル
   と、閉磁路構造を構成する磁性部と、を有することを特
   徴とするマイクロインダクタ。
2. 【請求項２】 前記基板は、フェライト、ガラス及びシ
   リコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料
   により形成されていることを特徴とする請求項１に記載
   のマイクロインダクタ。
3. 【請求項３】 前記基板は、フェライト、ガラス及びシ
   リコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料
   からなる基体と、アルミナ、アモルファス磁性体、有機
   絶縁体及び無機絶縁体からなる群から選択された少なく
   とも１種の材料からなる膜との積層体であることを特徴
   とする請求項１に記載のマイクロインダクタ。
4. 【請求項４】 前記表面粗さＲａは５０乃至３０００Å
   であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項
   に記載のマイクロインダクタ。