KR100982639B1 - 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워인덕터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 파워 인덕터에 관한 것으로, 자기 경로를 따라 분말의 형상이 최적화된 연자성 금속 합금분말이 충전된 시트에 전도성 재료를 이용하여 제작된 패턴 회로가 형성되어 있으며, 상기 패턴 회로를 손쉽게 연결할 수 있도록 비어홀이 형성되어 있고, 이러한 시트를 다층으로 적층하여 제조된 파워 인덕터를 제공한다.

상기의 인덕터에서 높은 자화 밀도를 가진 금속 연자성 분말이 충전된 시트는 자기경로를 따라 형상이 최적화된 분말들 사이에 미세한 갭이 분산되어 존재하므로 누설자속 없이 1A~수십 A 까지 사용이 가능한 높은 직류 중첩특성과 10MHz 대의 고주파 영역까지 안정적인 인덕턴스의 확보가 가능하다.

또한 얇은 두께를 유지하면서도 대면적을 가진 인덕터의 제공을 용이하게 하여 인덕터의 두께가 얇으면서 높은 인덕턴스와 직류 중첩특성을 가지는 제품을 얻을 수 있었다.

파워인덕터, 연자성, 금속분말, 적층형

Description

연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터{Multilayered chip power inductor using the magnetic sheet with soft magnetic metal powder}

본 발명은 높은 직류 중첩 특성과 고주파특성을 가지는 적층형 파워 인덕터에 관한 것이며, 특히 자성체로서 연자성 금속분말이 충전된 자성시트를 적용한 적층형 파워 인덕터에 관한 것이다.

휴대기기의 전원회로는 기기의 다양화에 의해 동작전원도 다양하다. 휴대기기를 예를 들면 LCD 드라이브용 또는 파워 앰프 모듈용, 베이스 밴드용 IC 용 전원 등이 있고, 각각 동작시키기 위해서 필요로 하는 전압이 다르고, 전원으로부터 공급되는 전압을 각 회로의 동작전압으로 변환하는 전원회로를 필요로 한다. 이들 전원회로의 전압은 반도체의 미세화와 더불어 저전압화가 진행되고 있다. 그 때문에 작은 전압변동으로 기기가 오동작을 일으킬 가능성이 있고, 대책으로서는 각 LSI에 가까운 위치에 전원을 배치하여 전원-LSI 간의 라인 인덕턴스 또는 배선저항에 의한 전압변동을 억제하는 분산화전원(POL)를 사용하는 기술이 주류가 되고 있다. 이와 같이 각 LSI를 별개로 제어하는 전원이 필요하게 되고, 휴대기기에 있어서는 많은 전원회로가 내장되게 된 것이다.

휴대기기의 전원회로는 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터로 크게 나뉘어지고, 최근에는 소비전력을 억제하여 배터리의 수명을 연장하도록 요구되는 상황에서, 전압을 변환할 때의 전력손실이 적은 스위칭 레귤레이터, 일반적으로는 DC-DC 컨버터라고 불려지는 것이 많이 채용되고 있다.

한편, 소형화라는 점에서, DC-DC 컨버터에서는 인덕터와 콘덴서 등의 부착 부품이 증가하여 전원회로의 면적이 크게 되고 만다. 따라서, 기기의 소형화를 이루기 위해서는 우선 이들 부품의 소형화가 필요하다. 이 부품을 소형화하기 위해서는 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수를 고주파화함으로써 필요로 하는 인덕터 또는 콘덴서의 정수가 작게 되고, 부품의 소형화가 가능하게 된다.

최근 반도체 제조기술의 진보에 따른 IC의 고성능화에 의해 스위칭 주파수의 고주파화가 더욱 진행되고 있다. 이러한 흐름 속에서 DC-DC 컨버터 회로에서 사용되는 파워 인덕터로서 종래로부터 금속계 자성재료에 도선을 감은 형태의 권선형 인덕터가 많이 사용되고 있었으나, 이러한 형태의 인덕터는 소형화에 근본적인 한계를 가지고 있다.

따라서, 세라믹 재료 기술의 진화에 의하여 적층형의 파워 인덕터가 주목되고 있다.

적층형 인덕터의 자성체 재료로 주로 사용되는 산화물 페라이트계는 투자율과 전기저항이 높은 반면 포화자속밀도가 낮으므로 자기포화에 의한 인덕턴스의 저하가 크고, 직류 중첩특성이 나쁜 단점이 있다.

또한, 종래의 적층형 파워 인덕터의 경우에는 직류중첩 특성을 확보하기 위 하여 별도의 비자성체층을 갭으로서 층간에 삽입하여야 한다는 문제점이 있다.

또한, 페라이트를 사용하는 인덕터는 페라이트 판상에 회로를 설치한 후 소결과정을 거쳐야 하는데 소결과정중 뒤틀림의 현상으로 인하여 일정 이상의 인덕턴스나 직류중첩특성을 확보하는데 제약이 있어서 그 넓이를 넓게 할 수 없고, 특히 최근 인덕터가 소형화되어 두께 1mm 이하의 제품이 양산되는 가운데 그 넓이가 더욱 제한될 수밖에 없다. 따라서, 다양한 형태의 인덕턴스 및 직류 중첩특성을 제공할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 누설자속이 없이 자기포화에 따른 전류의 제약이 없는 파워 인덕터를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 10MHz의 고주파 대역까지 사용이 가능한 파워 인덕터를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 넓이에 제약이 없이 사용이 가능한 대용량 초박형 파워 인덕터를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 별도의 비자성체를 사용하지 않고 높은 직류중첩특성이 확보되는 적층형 파워 인덕터를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 일면에 패턴 회로가 부착된 자성체가 복수 매 적층되고, 상기 각 자성체는 비어홀을 통해 도통되어 이루어지는 적층형 인덕터로서, 상기 자성체가 연자성 금속분말이 충전된 시트인 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 연자성 금속분말이 이방성이며 시트면에 평형하게 또는 수직되게 배열된 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 연자성금속분말이 이방성이며 자기 경로에 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터를 제공한다.

또한, 본 발명은 제 1 항에 있어서, 적층체의 상하부에서는 상기 연자성 금속분말이 이방성이며 시트면에 평행하게 배열되고, 적층체의 중앙부에서는 상기 연자성 금속분말이 등방성인 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터를 제공한다.

종래의 파워 인덕터가 구현할 수 없었던 비교적 높은 사용주파수와 대용량의 포화전류를 얻을 수 있으며, 연자성 금속분말 시트를 사용하므로 얇으면서도 넓이의 제약을 받지 않는 인덕터를 경제적으로 제공함으로서 슬림형 노트북, 핸드복, 디스플레이장치 등의 전자제품의 구현이 용이하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 본 발명의 파워 인덕터의 개략도이다.

동일한 부위에 대하여는 장황함을 피하기 위하여 도면부호를 생략하였다.

본 발명에 의해 제조된 자성시트(2)의 상면에 별도로 제작된 패턴 회로(10)가 부착되어 하나의 층을 이룬다.

이 때 자성시트(2)는 연자성 금속 합금분말을 사용하여 형성된다.

상기 연자성 금속 합금분말은 납작한 플레이크 형태의 이방성이거나 등방성 인 분말을 채택한다. 또한, 합금분말의 소재로는 몰리브덴 퍼멀로이(Mo-permalloy), 퍼멀로이(Permalloy), 샌더스트(Fe-Si-Al alloy), 철-규소합금(Fe-Si alloy) 등이 사용될 수 있다.

상기 패턴 회로(10)는 전도성 재료를 사용하여 통상의 방법으로 별도로 제작하여 준비하여 자성시트(2)의 일면에 형성한다.

상기 패턴 회로(10)에는 코일 형태의 주회로부(12)와 주회로부(12)의 양끝단에 각각 제1단자부(14)와 제2단자부(16)가 형성되어 있다.

이렇게 패턴 회로(10)가 부착된 자성시트(2)는 여러 장이 중첩되어 파워 인덕터를 형성한다.

이 때 중첩된 각 패턴 회로(10)를 도통시키기 위하여 각 자성시트(2)에 구멍을 뚫고 그 구멍에 도전성 물질을 도포함으로써 상하의 패턴 회로(10)가 도통된다. 상기 구멍을 비어홀이라고 하며, 도 1에는 각 자성시트(2)의 면에 각 4개의 비어홀(20, 22, 24, 26)이 예시되어 있다.

도 1에서 알 수 있듯이, 각 층의 각 비어홀(20, 22, 24, 26)은 각 제1단자부(14)와 제2단자부(16)를 필요에 따라 각각 다른 형태로 도통하고 있는 형태를 보여주고 있다. 따라서, 필요에 따라 각각의 조합에 의해 각 비어홀을 도통하거나 도통하지 않는 형태로 패턴 회로(10)가 상하로 연결되거나 연결되지 않을 수 있다.

도 2 내지 도 5는 상기 도 1의 인덕터를 두께 방향의 적당한 위치에 절단한 경우의 단면도로서 자성시트 내의 연자성 금속분말의 배열 형태를 설명하기 위한 설명도이다.

도 2 내지 도 5의 도면부호 30은 인덕터에서 발생하는 자기 경로(Magnetic Path)로서 패턴 회로(10)에 전류가 흐르면 패턴 회로(10) 주위로 중앙부에서는 자기경로(30)가 아래에서 위로 향하는 방향으로 발생한다.

도 2에서는 이방성 합금 분말(40)이 자성시트(2)의 면에 평행되게 배열되는 형태를 나타내고, 이 경우에는 인덕터의 상하부에서는 이방성 합금분말(40)의 길이방향과 자기경로(30)와 평행되나, 중앙부 또는 외곽부에서는 수직되는 형태를 취한다.

상기 이방성 합금분말의 길이방향과 자기경로가 평행할 때 인덕턴스가 증가하는 효과가 발생한다.

도 3에서는 이방성 합금 분말(40)이 자성시트(2)에 수직되게 배열되는 형태로서, 이 경우에는 인덕터의 상하부에서는 이방성 합금분말(40)의 길이방향과 자기경로(30)와 수직되나, 중앙부 또는 외곽부에서는 평행되는 형태를 취한다.

도 4에서는 인덕터의 상하부에는 이방성 합금분말(40)을 배열하고, 중앙부와 외곽부에는 등방성 합금분말(42)을 배열한 형태이다. 이 경우에는 인덕터의 상하부에서 평행하게 되나, 중앙부와 외곽부에서는 등방성 분말이므로 평행하게 되는 현상도 없으나 수직되는 현상도 없다.

도 5는 또 다른 실시의 형태로서 인덕터의 상하부에는 이방성 합금분말(40)을 자성시트(2)에 평행되게 배열하고, 중앙부와 외곽부에는 수직되게 배열한 형태이다. 이 경우에는 도에서 보듯이 모든 위치에서 이방성 합금분말(40)의 길이방향 과 자기경로(30)의 방향이 평행되어 있다.

이하, 본 발명의 제조방법을 설명한다.

자기 경로에 따라 인덕터의 최적의 특성이 구현되도록 이방성 또는 등방성을 가지는 되는 연자성 금속 분말을 준비한다.

이방성 분말을 준비하기 위하여는 연자성 금속 분말을 어트리션밀(Attrition mill)에서 밀링하여 플레이크 형태로 제조한다.

상기 분말을 수지계에 고밀도로 분산시켜서 자성시트를 제조한다.

상기 자성시트 상면에 전도성 재료를 이용하여 구현된 회로를 올려서 형성하고, 이 때 일정면적에 상당수의 인덕터가 제조 가능한 회로를 배열하여 경제성을 확보한다.

패턴 회로가 구성된 자성시트를 필요에 따른 매수만큼 적층하고, 이 때 패턴 회로의 배열이 일정한 선상에 위치하도록 하는 것이 중요하다.

그 후, 층간의 패턴 회로가 도통될 수 있도록 적층이 끝난 인덕터에 비어홀을 뚫고 도금이나 도전성 페이스트를 이용하여 도통시킨다.

완성된 제품을 필요한 크기로 일정하게 절단한다.

신뢰성 확보를 위해 절단면에 딥핑(dipping) 또는 롤러를 이용한 방법으로 절연제를 도포한다.

발명예 1

평균입경 70㎛의 샌더스트 분말을 어트리션밀에서 6시간 밀링하여 제조한 샌더스트 플레이크와, 유기고분자 매트릭스재로 적용되는 EPDM를 중량비 8:2로 분산시킨 후 닥터블레이드법에 의해 두께 100㎛의 그린시트를 제조한다.

상기 그린시트를 핫 프레스(Hot Press)를 이용하여 150℃에서 1시간 열압착하여 자성시트를 제조한다.

상기 자성시트 상면에 동박(Cu foil)을 열압착한 후 에칭하여 전도성 회로를 구현한다.

회로가 구성된 자성시트를 4매 적층하고, 비어홀을 뚫고 동도금하여 회로를 도통시킨다. 완성된 제품은 필용한 크기로 정밀커터로 일정하게 절단한다. 또한, 신뢰성 확보를 위해 절단면에 내열성 에폭시를 딥핑하여 도포한다. 발명예 1은 도 2의 형태를 나타낸다.

발명예 2

발명예 1과 동일하게 이방성 시트를 제조한 후, 제조된 시트를 원하는 두께만큼 적층하여 핫 프레스를 이용하여 150℃에서 1시간 열압착하여 원하는 두께의 자성시트를 제조한다. 제조된 시트를 절단기를 이용하여 수직방향으로 절단하여 이방성 분말을 수직하게 배열된 시트를 적용하였다.

발명예 2는 도 3의 형태를 나타낸다.

발명예 3

발명예 1과 동일하되 4매 중 상하 2매는 이방성 분말을 평행하게 배열한 시트를 적용하고 중앙부 2매에는 등방성 분말을 배열한 시트를 적용하였다. 발명예 3 은 도 4의 형태를 나타낸다.

발명예 4

발명예 1과 동일하되 4 매 중 상하 2 매는 이방성 분말을 평행하게 배열한 시트를 적용하고 중앙부 2 매에는 이방성 분말을 수직하게 배열한 시트를 적용하였다. 발명예 4는 도 5의 형태를 나타낸다.

비교예 1

비교예 1은 자성체로서 페라이트 그린시트를 사용한 적층형 파워 인덕터로서, 4매의 산화물 페라이트 자성체층이 적층되어 일체로 형성된 자성체의 내부에 전극 패턴이 형성되어 있는 페라이트 자성체 파워 인덕터이다.

비교예 2

비교예 2는 페라이트 자심의 주위에 도체를 감아 형성하고, 자심과 페라이트 케이스사이에 에어 갭(air gap)이 제공된 종래의 산화물 페라이트계 자성체를 이용하는 페라이트 권선형 파워 인덕터이다.

상기 발명예와 비교예에 따라 제조된 인덕터를 1 ㎑-110 ㎒의 주파수 대역에서 임피던스 분석기(HP 4294A)를 이용하여 인덕턴스를 측정하였으며, 포화전류는 LCR meter(HP 4284A)를 이용하여 측정하였다.

여기서, 포화전류는 DC바이어스를 인가하였을 때 30% 줄어들었을 때의 전류 값을 의미한다.

또한, 허용주파수는 스위칭 주파수를 증가시켰을 때 초기값대비 20% 이내로 허용되는 스위칭 주파수 영역을 의미한다.

상기 측정방법에 따라 나타난 결과를 표 1 그리고 도 6 및 도 7에 정리하였다.

표 1 및 도 6에서 보는 바와 같이 발명예들은 모두 허용주파수가 10 MHz에 달하였다.

도 6은 주파수에 따른 인덕턴스의 변화를 나타낸 그래프도인데, 주파수가 증가할 때 비교예들은 최대 10 MHz 이내에서 인덕턴스가 크게 증가하는 반면, 발명예들은 10 MHz 가 훨씬 넘은 상태에서 인덕턴스가 증가하므로 허용 주파수가 매우 높게 된다.

또한, 발명예 1은 포화전류가 비교예들보다 현저히 증가하였고, 발명예 2 및 3은 인덕턴스도 다소 증가하고 포화전류도 매우 증가하였으며, 발명예 4의 경우에는 인덕턴스가 현저하게 증가하였음을 알 수 있다.

도 7은 전류에 따른 인덕턴스의 변화를 나타내는데, 비교예들은 1.3 A 정도에서 이미 포화됨을 알 수 있는데, 발명예들은 그 이상 높은 포화전류를 나타냄을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 적층형 파워 인덕터의 모식 전개도

도 2는 이방성 분말이 시트면에 평행하게 배열된 경우의 설명도

도 3은 이방성 분말이 시트면에 수직하게 배열된 경우의 설명도

도 4는 인덕터의 상하부에 이방성 분말이 시트면에 수평하게 배열되고, 내부에는 등방성 분말이 배열된 경우의 설명도

도 5는 인덕터의 상하부에 이방성 분말이 시트면에 수평하게 배열되고, 내부에는 이방성 분말이 시트면에 수직되게 배열된 경우의 설명도

도 6은 적층형 파워 인덕터의 주파수에 따른 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프도

도 7은 적층형 파워 인덕터의 전류에 따른 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프도

Claims (4)

1. 일면에 패턴 회로가 부착된 자성체가 복수 매 적층되고, 상기 각 자성체는 비어홀을 통해 도통되어 이루어지는 적층형 인덕터로서,

   상기 자성체가 연자성 금속 분말이 충전된 시트이고,

   상기 연자성 금속 분말이 이방성이며 시트면에 평행하게 또는 수직되게 배열된 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연자성 금속 분말이 이방성이며 자기 경로에 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는 연자성 금속분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터.
4. 제 1 항에 있어서,

   적층체의 상하부에서는 상기 연자성 금속분말이 이방성이며 시트면에 평행하게 배열되고, 적층체의 중앙부에서는 상기 연자성 금속분말이 등방성인 것을 특징으로 하는 연자성 금속 분말이 충전된 시트를 이용한 적층형 파워 인덕터.

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