JPH11214226A - 方形型平面リアクトル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平面型コイルの高周波特性，直流重畳特性を
改善し、小型化を図る。 【解決手段】 スパイラル状の平面コイル３を、絶縁体
２および磁性体膜１，４で挟み込んだ構造の平面積層型
リアクトルにおいて、磁性体膜１，４の対角方向に一軸
磁気異方性を付与することで、ほぼ正方形の形状にでき
るようにして小型化を図り、インダクタンスの高周波特
性，直流重畳特性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、サーフェイス
（表面）マイクロマシーニング技術，ＩＣ製造技術を活
用することによって平面型に製作される薄膜リアクトル
（平面型リアクトル）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノート型パソコンや携帯電話に代
表されるマルチメディア機器を始め、各種電子機器の小
型化が盛んに進められている。それに伴い、その電源部
の小型化の研究も活発に行なわれており、その主要部品
であるリアクトルやトランスなどの磁気素子の小型化実
現のために、それらの磁気素子を表面マイクロマシーニ
ング技術，ＩＣ製造技術を利用して平面型，薄膜型に製
造する試みが多くなされている。

【０００３】平面型リアクトルの最も一般的な構造とし
て、図８に示すような積層型の構造のものが知られてい
る。図８（ａ）は組立分解図、（ｂ）は断面図を示す。
この構造は、シリコン（Ｓｉ）基板上に絶縁膜を形成
し、下部磁性膜４、絶縁膜２、平面コイル（導体部）
３、絶縁膜２、上部磁性膜１を順に形成する、いわゆる
平面コイルを磁性膜でサンドイッチ状に挟み込んだ構成
のものであり、積層平面型リアクトルと言われる。ま
た、磁性体がコイルよりも外側にあり、コイルが磁性体
の中にあることから、外鉄型または内部コイル型リアク
トルとも呼ばれている。

【０００４】このような構成の平面型リアクトルは、使
用する周波数帯域において充分高いＱ値をもつことが必
要である。平面型リアクトルのＱ値は、コイル抵抗を
Ｒ、インダクタンスをＬ、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）と
すると、 Ｑ＝ωＬ／Ｒ で表わされる。リアクトルのＱ値を高くするためには、
コイルの抵抗を低くし、インダクタンスを大きくするこ
とが必要である。

【０００５】平面型コイルの形状としては、つづら折れ
型，ミアンダー型，スパイラル型などの様々なパターン
が用いられる。これらのコイルパターンのうち、単位面
積当たりのインダクタンス値を最も大きくできるのはス
パイラル型であることから、同じインダクタンス値を得
るためには、より小型化が可能であるスパイラル型が最
も適していると言える。

【０００６】近年、コイルの直流抵抗を低減するため
に、スパイラル型に電解メッキで銅を成膜し、３０μｍ
以上の厚いコイル導体を持ったメッキ方式のリアクトル
も多数報告されている（例えば、特開平４−３６３００
６号，信学技報ＰＥ９６−１４など参照）。このような
スパイラル型平面リアクトルには、特に電源回路を構成
する磁気部品として用いられる場合には、交流電流に直
流電流を重畳して通電することが多い。このときのリア
クトル，抵抗の直流重畳電流に対する特性を直流重畳特
性といい、周波数特性とともに平面型リアクトルの重要
な特性の１つである。

【０００７】平面型コイルの上下に配置される磁性体層
が等方性の場合、磁性膜の磁化曲線（ヒステリシス曲
線）は図９（ａ）に示すような特性になる。このときの
リアクトルのインダクタンス直流重畳特性は図１０の点
線Ｘのような特性を示し、インダクタンスは或る値を過
ぎると急激に減少し始める傾向を示す。これは、磁性体
が磁気飽和と呼ばれる状態になっているためであり、換
言すれば、磁性体が機能していない状態と言える。

【０００８】上記特開平４−３６３００６号では、直流
重畳特性を改善するために、上下の磁性膜に平面コイル
が発生する磁界の方向と直交する方向に、一軸磁気異方
性を有する平面型磁気素子が開示されている。このよう
な一軸磁気異方性を有する磁性体の磁化容易軸方向と、
磁化困難軸方向で観察される磁化曲線は、例えば図９
（ｂ）に示すように、磁化容易軸では透磁率が非常に高
い反面磁気飽和し易く、磁化困難軸では反対に飽和しづ
らい。

【０００９】従って、一軸磁気異方性を有する平面型リ
アクトルの場合、磁性体層の動作が磁化困難軸に固定さ
れるので、磁気飽和がし難くなる。つまり、図１０の実
線Ｙのように直流重畳特性が改善され、大電流範囲での
インダクタンス値が大きくなる。また、磁性体の困難軸
を利用しているため磁化過程が回転磁化となり、磁壁移
動磁化と比較すると高周波うず電流損を低減でき、周波
数特性の改善にも有効である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記磁性膜に平面コイ
ルが発生する磁界の方向と直交する方向（正方形スパイ
ラルコイルの場合、いわゆる辺方向）に一軸磁気異方性
を有する平面型リアクトルには、以下のような問題があ
る。１つは、等方性の磁性膜を用いたリアクトルと比較
して、小電流領域でのインダクタンスが低下するという
ことである（図１０の点線Ｘと実線Ｙ参照）。すなわ
ち、磁性層に辺方向の一軸磁気異方性を持たせた場合、
例えば正方形スパイラルコイルとの組み合わせの場合、
正方形の磁性体層の一辺が容易軸、それと直交する方向
が困難軸となる。つまり、回転磁化領域は素子の半分の
面積しか利用できないため、等価インダクタンスが低下
する。

【００１１】等価インダクタンスの低下を防止するた
め、特開平４−３６３００６号では図１１に示すよう
に、磁化容易軸方向に当たるコイルの長さを長くし、コ
イル形状を長方形にすることをも提案している。しか
し、コイル形状を長方形にすることは、同様のインダク
タンスを得る一軸磁気異方性を有しない正方形スパイラ
ルコイルをもつ平面型リアクトルと比較して面積が大き
くなるため、単位面積当たりのインダクタンスという観
点からみると不利であり、チップサイズの縮小化が困難
になるとい問題がある。したがって、この発明の課題
は、小型化が可能で直流重畳特性，周波数特性の良い平
面型リアクトルを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、スパイラル状平面コイル
と、絶縁膜およびスパイラル状平面コイルを挟み込む磁
性体膜とを積層して構成される方形型平面リアクトルに
おいて、前記磁性体膜の対角線方向に一軸磁気異方性を
付与するようにしている。

【００１３】また、請求項２の発明では、前記方形型平
面リアクトルは、導線が絶縁膜で被覆され、この導線に
より形成された前記スパイラル状平面コイルを、磁性体
膜により挟み込んで形成することができる。さらに、請
求項３の発明では、上記請求項１の発明または２の発明
における前記磁性体膜は、アモルファス系軟磁性体膜Ｃ
ｏＨｆＴａＰｄを回転磁界熱処理し、その後、静止磁界
熱処理で、対角線方向に一軸磁気異方性を付与したもの
とすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
すなわち、図１（ａ）の如くシリコン（Ｓｉ）基板上に
スパイラル状に形成された平面コイル３を、図２の如く
絶縁膜２中に埋め込み、磁性膜１，４によって挟み込ん
だ図８と同様の構成である。なお、導線として絶縁膜で
被覆されたものを用い、この導線でスパイラル状平面コ
イルを形成し、磁性体膜により挟み込むこともでき、こ
れにより、構成が簡単で製作も容易となる。その特徴は
平面型リアクトルの形状が図１（ａ）に示すようにほぼ
正方形であること、また、磁性体には図２に示すように
コイルの発生する磁界の方向と４５度の方向（対角線方
向）に一軸異方性を付与されている点である。

【００１５】このようにすると、磁性膜の磁化曲線（ヒ
ステリシス曲線またはＢ−Ｈ曲線）は図３に示すように
磁化容易軸と磁化困難軸のほぼ中間の特性を示し、等方
性の磁性膜を用いる場合よりも直流重畳特性を改善で
き、また、辺方向に一軸磁気異方性を付与した磁性膜を
用いる場合よりもインダクタンスの向上を図ることが可
能となる。

【００１６】図４はスパッタで形成した磁性膜の平面図
で、同（ａ）は等方膜、同（ｂ）は辺方向に一軸磁気異
方性を付与した膜（以下、辺方向膜ともいう）、同
（ｃ）は対角方向に一軸磁気異方性を付与した膜（以
下、対角方向膜ともいう）の例を、それぞれ示す。ま
た、（ｂ），（ｃ）の矢印は、磁性膜の磁化容易軸方向
を示している。ここに、等方膜は成膜後に６００Ｏｅ
（エールステッド）以上の回転磁界中で、３５０〜４０
０℃で１〜２時間の熱処理（回転磁界熱処理：ＲＦＡ）
して形成した膜であり、（ｂ），（ｃ）の膜は、ＲＦＡ
した後、さらに、６００Ｏｅ以上の静止磁界中で３５０
〜４００℃で１〜２時間の熱処理（静止磁界熱処理：Ｓ
ＦＡ）して形成した膜であり、それぞれ辺方向，対角方
向に一軸磁気異方性を誘導したものである。なお、磁性
膜としては、例えば高周波スパッタリング法により電力
５０〜４００Ｗ、Ａｒガス圧０．６〜４Ｐａ（パスカ
ル：絶対圧力）で成膜したアモルファス系軟磁性膜Ｃｏ
ＨｆＴａＰｄ（主な組成８５：６：６：３原子パーセン
ト（ａｔ％））を、使用するものとする。

【００１７】図５は、図４の如き各膜の磁化容易軸方向
（ｂ）と磁化困難軸方向（ａ）のＢ−Ｈ曲線（磁化曲線
またはヒステリシス曲線）を示す。図５（１ａ），（１
ｂ）は等方膜の場合を示し、ａ，ｂ両方向ともほぼ等し
い磁化曲線となり、同（２ａ），（２ｂ）は辺方向に一
軸磁気異方性を付与した膜の場合を示し、ａ方向が困難
軸、ｂ方向が容易軸となっている。また、同（３ａ），
（３ｂ）は対角方向に一軸磁気異方性を付与した膜の場
合を示し、ａ，ｂ両方向ともほぼ等しい磁化曲線となっ
ていることが分かる。

【００１８】図６にこの発明による素子のインダクタン
スの周波数特性例を示す。すなわち、インダクタンス値
は等方膜を用いたものが一番大きいが、周波数が大きく
なるにつれて急激に減少する。また、辺方向膜では、イ
ンダクタンス値は一番小さいが、周波数によるインダク
タンスの変化は小さい。これに対し、この発明による対
角方向膜の場合は、インダクタンスは等方膜より小さい
が、辺方向膜よりも大きな値を示しており、周波数によ
る変化も小さい。なお、抵抗値について図示は省略した
が、この発明による対角方向膜の方が、等方膜に比べて
低抵抗化が図られていることが確かめられている。

【００１９】図７にこの発明による素子の直流重畳特性
例を示す。すなわち、等方膜を用いた場合は、直流電流
が小さい領域では大きなインダクタンスを示すが、電流
が大きくなると急激に減少する傾向を示す。また、辺方
向膜では、電流が小さい領域ではインダクタンスは小さ
いが、電流が大きい領域では、等方膜の場合よりも大き
くなる。これに対し、この発明による対角方向膜の場合
は、電流が小さい領域ではインダクタンスは等方膜より
も小さく、辺方向膜よりも大きい。そして、電流が大き
い領域では、一番大きくなる。以上のように、この発明
による対角方向膜の場合、周波数特性，直流重畳特性に
おいて、等方膜，辺方向膜と比較して良好な特性を示す
ことが確かめられている。

【００２０】

【発明の効果】この発明によれば、素子の面積を小さく
保ったまま高周波特性，直流重畳特性の良好なリアクト
ルを提供することができ、全動作電流領域で高インダク
タンスを維持することが可能となる利点が得られる。小
型化ができるので、モノリシック電源などに適用して好
適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。

【図２】この発明で用いられる磁性膜の磁気異方性の方
向説明図である。

【図３】対角方向に一軸磁気異方性を付与した場合の磁
化曲線説明図である。

【図４】等方膜，辺方向膜および対角方向膜の説明図で
ある。

【図５】等方膜，辺方向膜および対角方向膜の磁化曲線
説明図である。

【図６】この発明によるリアクトルの周波数特性説明図
である。

【図７】この発明によるリアクトルの直流重畳特性説明
図である。

【図８】積層平面型リアクトルの一般的な例を示す構成
図である。

【図９】等方膜と辺方向膜の磁化曲線説明図である。

【図１０】平面型リアクトルの一般的な直流重畳特性説
明図である。

【図１１】磁化容易軸方向のコイル長さを長くしたリア
クトルの例を示す平面図である。

【符号の説明】

１…上部磁性膜、２…絶縁膜、３…平面コイル（導体
部）、４…下部磁性膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｆ 37/00 Ｈ０１Ｆ 37/00 Ａ (72)発明者 江戸 雅晴 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スパイラル状平面コイルと、絶縁膜およ
   びスパイラル状平面コイルを挟み込む磁性体膜とを積層
   して構成される方形型平面リアクトルにおいて、 前記磁性体膜の対角線方向に一軸磁気異方性を付与した
   ことを特徴とする方形型平面リアクトル。
2. 【請求項２】 導線が絶縁膜で被覆され、この導線によ
   り形成されたスパイラル状平面コイルが、磁性体膜によ
   り挟み込んで形成されてなることを特徴とする請求項１
   に記載の方形型平面リアクトル。
3. 【請求項３】 前記磁性体膜は、アモルファス系軟磁性
   体膜ＣｏＨｆＴａＰｄを回転磁界熱処理し、その後、静
   止磁界熱処理で、対角線方向に一軸磁気異方性を付与し
   たものであることを特徴とする請求項１または２のいず
   れかに記載の方形型平面リアクトル。