KR102052770B1

KR102052770B1 - 파워인덕터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102052770B1
Application number: KR1020140186940A
Authority: KR
Inventors: 김민영; 안진모; 최재열
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2019-12-09
Also published as: US9773604B2; KR20160076656A; US20160181002A1

Abstract

본 발명은 내부전극 코일패턴이 형성된 기판 및 상기 기판의 상면 및 하면에 형성되며, 미분으로 구성된 제1 시트와 페라이트로 구성된 제2 시트가 교대로 적층된 복합층을 포함하며, 상기 제1 시트는 2.5㎛이하의 금속분말이 응집된 35㎛ 이하로 구성되어 높은 용량을 가진 파워 인덕터를 제공할 수 있다.

Description

파워인덕터 및 그 제조방법{POWER INDUCTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 충진율이 향상된 파워인덕터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전자기기의 소형화에 따라 이들에 사용되는 전자부품 또한 소형화, 경량화가 진행되고 있다. 그러나 이러한 전자기기에 사용되는 전원회로의 상대적인 용적비율은 전자기기 전체의 체적에 대해 증가하는 경향이 있다.

이것은 각종 전자회로에 사용되는 CPU를 비롯한 각종 LSI가 고속화, 고집적화하고 있는데 반하여, 전원회로의 필수 회로요소인 인덕터 및 변압기와 같은 자기 부품은 소형화가 어렵다는 사실에 기인한다.

인덕터 및 변압기와 같은 자기부품은 소형화되어 자성체의 용적이 감소하면 자기코어가 자기포화 되기 쉬워져, 전원으로서 다룰 수 있는 전류량이 줄어드는 문제가 발생한다.

인덕터의 제조에 사용되는 자성체 재료는 페라이트계와 금속자성체계가 있는데, 대량생산 및 소형화에 유리한 적층형 칩타입 인덕터에는 페라이트계 자성재료가 주로 사용된다.

그러나, 페라이트는 투자율과 전기저항이 높은 반면 포화자속밀도가 낮으므로 그대로 사용하면 자기포화에 의한 인덕턴스의 저하가 크고, 직류 중첩특성이 나빠진다.

그리고, 적층형 파워인덕터의 경우 고온에서 전극과 함께 페라이트 몸체를 동시 소결하는데, 페라이트 몸체는 메탈 파우더(metal powder)로 이루어진 시트를 여러장 적층시킨 후 압착 및 경화하여 제작하나, 이러한 적층 방식의 경우 내부 충진률 향상에 한계가 있어서 고용량의 파워인덕터를 제작하는데 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제2013-0049875호

본 발명은 종래의 파워인덕터에서 제기되는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 내부전극 코일패턴이 형성된 기판 상부에 형성되는 복합층이 금속 미분 시트와 금속 미분과 조분으로 혼합된 시트가 교대로 적층되므로 같은 사이즈 대비 고용량을 얻을 수 있는 파워인덕터를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은,

내부전극 코일패턴이 형성된 기판 및 상기 기판의 상면 및 하면에 형성되며, 금속 미분으로 구성된 제2 시트와 금속 미분 및 금속 조분이 혼합된 제1 시트가 교대로 적층된 복합층을 포함하여 금속 충진률 향상으로 인하여 용량이 증대되는 파워인덕터를 제공됨으로서 달성된다.

이때, 제2 시트는 2.5㎛이하의 금속분말 슬러리로 구성되며, 제2 시트의 두께는 10㎛ 이하로 구성되고, 상기 제1 시트는 10㎛ 이상의 금속 조분과 2.5㎛이하의 금속 미분이 혼합되어 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은,

내부전극 코일패턴이 형성된 기판을 준비하는 단계와 상기 기판 양면에 금속 미분으로 구성된 제2 시트와 금속 미분 및 금속 조분이 혼합된 제1 시트를 교대로 적층시켜 복합층을 형성하는 단계 및 외부전극을 형성하는 단계를 포함하는 파워인덕터 제조방법이 제공됨으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 파워 인덕터는, 커버층이 금속 조분과 금속 미분이 고분자 수지내 분산되어 형성된 제1 시트와 금속 미분으로 이루어진 제2 시트가 교대로 적층된 복합층으로 구성되어 커버층의 금속 분말 충진율이 향상되므로 고투자율 및 고용량을 확보할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파워인덕터의 일실시예 사시도.
도 2는 도 1의 I-I' 절단면을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 파워인덕터의 SEM 단면도.
도 4는 도 3의 SEM 사진 중 복합층을 확대한 단면도.
도 5은 본 발명에 따른 파워인덕터를 제조하는 방법을 나타내는 순서도.

본 명세서에 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파워인덕터의 일실시예 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I' 절단면을 나타내는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파워인덕터(100)는 내부전극 코일패턴(121)이 형성된 기판(120)과 기판 양면에 형성된 복합층(140)으로 구성되며, 기판 및 복합층을 이루는 인덕터 본체(110) 양측부에 형성되는 외부전극(150)으로 구성된다.

기판(120)은 감광성 폴리머와 같은 절연 재료 또는 페라이트와 같은 자성재료 등으로 제작될 수 있고, 내부전극 코일패턴(121) 및 복합층(140)의 지지 기반이 될 수 있다.

기판(120) 양면에는 내부전극 코일패턴(121)이 형성되어 있고, 동일 평면상에서 코일패턴이 복수개 구비되어 나선형(spiral)의 인덕터 코일이 구현될 수 있다. 그리고, 내부전극 코일패턴(121)들 사이에는 절연재료가 형성되어 측면에 인접된 코일간의 단락(short)을 방지하며, 기판 상부의 내부전극 코일패턴의 일단은 기판 하부의 내부전극 코일패턴과 비아(도면 미도시)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

내부전극 코일패턴(121)은 후막 인쇄, 도포, 증착 및 스퍼터링 등의 공정을 통하여 형성될 수 있다. 그리고, 내부전극 코일패턴(121)은 은(Ag), 주석(Sn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 동일한 기능을 하는 공지의 제반 재료가 해당될 수 있다.

복합층(140)은 기판의 상부 및 하부를 둘러싸도록 적층되어 커버층을 형성할 수 있다. 그리고, 복합층(140)은 내부에 매입된 인덕터 코일로부터 발생되는 자속을 일정경로를 통해 순환시켜 인덕터의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

복합층(140)은 금속 분말이 고분자 수지 및 바인더에 혼합되어 형성될 수 있고, 제1 층(141)과 제2 층(142)이 교대로 적층된 형태일 수 있다. 이때, 제1 층(141)은 금속 분말이 고분자수지 내에 분산된 제1 시트를 이용해 형성될 수 있고, 제2 층(142)은 금속 분말이 응집된 슬러리(slurry) 형태의 제2 시트를 이용해 형성될 수 있다.

구체적으로, 제1 시트는 고분자 수지 내부에서 금속 미분과 금속 조분이 분산된 형태이거나, 금속 미분과 금속 조분이 응집된 응집체가 분산된 형태일 수 있다. 따라서, 제1 시트는 고분자 수지가 절연성을 유지하면서 내부에 분산된 금속 분말이 충진되기 때문에 인덕턴스 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

제1 시트는 조분(10㎛ 이상)과 미분(2.5㎛ 이하)의 메탈 파우더가 수지 및 바인더로 혼합된 시트이며, 분산성 및 시트 균일성을 유지하기 위해 70㎛ 이상으로 성형하는 것이 좋다.

여기에서, 금속 분말은 철-니켈(Fe-Ni), 철-니켈-규소(Fe-Ni-Si), 철-알루미늄-규소(Fe-Al-Si) 및 철-알루미늄-크롬(Fe-Al-Cr)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

금속 분말은 칩의 사이즈가 작아지는 경우, 높은 충진율을 유지하기 위한 자성 재료일 수 있으며, 금속 분말로 구성된 제2 시트는 인덕터의 투자율을 높일 수 있는 이점이 있다.

고분자 수지는 금속 분말 사이에 절연성을 제공하는 것으로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 시트로 형성된 제1 층(141)은 절연성을 가지고 있기 때문에, 복합층(140)의 최외곽층에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

제2 시트는 금속 분말이 슬러리 형태로 이루어진 시트로 구성될 수 있다. 제2 층(142)은 제1 층(141) 사이에 개재되고, 제1 시트 및 제2 시트가 적층 후 가압, 가열되어 밀착되면서 복합층(140)의 금속 분말 충진율을 향상시키기 때문에 고용량의 파워인덕터를 만들기에 유용할 수 있다.

제2 시트는 미분으로만 구성되고 슬러리 형태로 제작되기 때문에 외력에의 영향을 최소화하기 위해, 제1 시트들 사이에 위치시켜 형상의 변형을 방지할 수 있다. 그리고, 제2 층(142)는 금속 밀도의 지나친 증가로 발생되는 자속포화를 막기 위해 두께가 10㎛ 이하로 성형되는 것이 바람직할 수 있다.

결과적으로, 금속 분말이 고분자수지 내에 분산되어 형성된 제1 시트만을 이용해 형성된 복합층을 구비한 파워인덕터는 소정 비율 이상의 금속 분말을 분산시키기 어렵고 강성을 약화시킬 수 있다.

따라서, 제1 층(141)에 금속 분말로만 구성된 제2 층(142)을 사이에 개재시켜 형성된 복합층(140)은 동일 사이즈 대비 고용량의 파워 인덕터를 제조할 수 있는 것이다.

한편, 기판(120) 중앙부에는 자심(130)이 삽입되는 공간인 캐비티가 형성될 수 있다. 자심(130)은 인덕터 코일이 권선되는 코어로서, 캐비티에 대응되는 형상을 구비할 수 있다.

자심(130)은 페라이트 등의 금속 분말로 구성될 수 있고, 철(Fe), 니켈-철 합금(Ni-Fe), 센더스트(Fe-Si-Al) 및 철-규소-크롬 합금(Fe-Si-Cr) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 분말이 고분자 수지에 분산되어 형성된 재료일 수 있다.

자심(130)은 상부 및 하부 복합층에 비해 충진 면적이 작아 높은 충진율을 위해 금속 분말이 포함되는 자성 재료를 사용하는 것이다. 이때, 금속 분말의 직경은 2.5㎛ 이하일 수 있다.

만약, 금속 분말의 직경이 2.5㎛ 를 초과하는 경우 금속 분말 슬러리 제작시에 큰 분말 입자들이 침강되어 분산 면에서 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 분산할 때 큰 직경의 금속 분말이 침강, 즉 슬러리 속에서 가라 앉아 버려서 골고루 분산되지 않게 될 수 있다.

그리고, 자심(130)은 투자율과 Q값을 높여서 손실 안정화를 도모해야 한다. 이때, 자심(130)은 고투자율의 금속 분말을 압축 성형 방법으로 제작하여 높은 전류밀도에서도 자성의 성질을 유지하고 코어 손실을 최대한 낮추도록 한다. 즉, 자심(130)은 메탈 파우더로 구성되어 상부 및 하부의 복합층보다 높은 밀도로 제작되므로 높은 투자율을 가질 수 있다. 자심(130)은 기판의 캐비티에 삽입되고, 상부에 복합층(140)에 의해 밀봉되므로 복합층과 같이 두 개의 시트가 교대로 형성된 구조일 필요가 없다.

자심(130)은 기판의 캐비티 형상에 대응하는 형상으로 이루어지며, 단면 형상이 사각형, 타원형, 원형, 다각형 등으로 이루어질 수 있으며, 가능한 큰 사이즈로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 파워인덕터의 SEM 단면도이고, 도 4는 도 3의 SEM 사진 중 복합층을 확대한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 제1 층(141)은 금속 조분과 금속 미분이 혼합된 제1 시트로 형성되고, 직경이 2.5㎛이하의 금속 미분과 10㎛ 이상인 금속 조분이 수지 및 바인더로 혼합되어 있으며 그 두께는 70㎛ 이상으로 형성된 것이다.

제2 층(142)은 2.5㎛ 이하의 금속 미분으로만 이루어진 제2 시트로 형성되는 것으로서 얇은 띠 형상을 가지며, 10㎛ 이하의 두께를 가져 띠 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제2 시트는 인덕터 몸체 소성 과정에서 제1 시트와 제2 시트 경계면에 제2 시트의 금속 미분이 제1 시트에 스며들기 때문에 고용량의 파워인턱터를 만들기에 유용할 수 있다.

다음은, 본 발명에 따른 파워인덕터 제조방법에 관하여 설명하겠다. 도 5는 본 발명에 따른 파워인덕터를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 내부전극 코일패턴(121)이 형성된 기판(120)을 준비하는 단계(S110)와 기판 양면에 금속 미분으로 구성된 제2 시트와 금속 미분 및 금속 조분이 혼합된 제1 시트가 교대로 적층시켜 복합층(140)을 적층하는 단계(S120) 및 외부전극(150)을 형성하는 단계(S130)로 구성될 수 있다.

먼저, 내부전극 코일패턴이 형성된 기판을 준비하는 단계는, 기판(120) 양면에 내부전극 코일패턴(121)을 인쇄하여 인덕터 기능을 하는 코일을 형성한다. 내부전극 코일패턴(121)은 기판을 관통하는 비아(도면 미도시)를 형성하고 기판 일면과 타면에 형성된 내부전극 코일패턴을 전기적으로 연결할 수 있다.

비아(도면 미도시)는 레이저 또는 CNC 드릴 등을 이용하여 기판의 두께 방향으로 관통공을 형성한 후, 관통공에 도전성 페이스트를 충진하며 공정 및 통전 효율상 도전성 페이스트와 내부전극 코일패턴은 동일 재료의 금속이 보다 타당할 수 있다.

이때, 비아 및 내부전극 코일패턴은 내부전극 코일패턴은 은(Ag), 주석(Sn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으며, 동일한 기능을 하는 공지의 제반 재료가 해당될 수 있다.

내부전극 코일패턴(121)에는 둘레면을 둘러싸는 절연성을 가지는 절연재료(도면 미도시)를 도포하여 공정 진행중에 내부전극 코일패턴의 단락(short)을 방지할 수 있다.

다음으로, 기판의 중앙부를 관통하는 캐비티를 형성할 수 있다. 캐비티는 인덕터의 자심(130)이 삽입되는 공간으로서 내부전극 코일패턴이 형성되지 않은 영역일 수 있다. 캐비티는 비아와 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 그리고, 캐비티에 자심을 삽입시켜 인덕터의 자속이 통하는 경로를 형성할 수 있다.

다음으로, 기판 및 자심 상면에 금속 미분과 금속 조분이 고분자 수지 내에서 분산되어 형성된 제1 시트와 금속 분말로 구성된 제2 시트를 교대로 적층하여 복합층(140)을 형성한다. 이로써, 복합층(140)은 제1 층(141)과 제2 층(142)이 교대로 적층된 구조를 가진다. 제1 시트는 고분자 수지에 금속 분말을 분산시켜 형성된 시트이므로 절연성을 구비하기 때문에 복합층의 최외각층을 형성하는 것이 보다 바람직할 수 있다.

그리고, 제2 시트는 금속 분말이 슬러리 형태로 구성될 수 있으며, 제1 시트 사이에 개재되어 충진율을 향상시킬 수 있다.

복합층(140)은 기판 상에 제1 시트와 제2 시트를 교대로 적층시킨 후 가압 가열하여 압착시키고, 이 과정에서 제1 시트와 제2 시트의 경계면에서 제2 시트의 금속 분말 일부가 제1 시트로 스며들면서 복합층의 금속 충진율이 향상될 수 있다.

다음으로, 상기와 같이 형성된 인덕터 본체 측면에 외부전극을 형성할 수 있다. 외부전극은 인덕터 본체 양단에 인출된 내부전극 코일의 일단이 전기적으로 연결이 된다.

외부전(150)극은 도금, 페이스트 인쇄 등으로 형성할 수 있고, 전기 전도성이 있는 은(Ag), 주석(Sn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 동일한 기능을 하는 공지의 제반 재료가 해당될 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명을 실시함에 있어서 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100. 파워인덕터
110. 인덕터 본체
120. 기판
121. 내부전극 코일패턴
130. 자심
140. 복합층
141. 제1 시트
142. 제2 시트
150. 외부전극

Claims

기판;
상기 기판상에 형성된 내부전극 코일패턴; 및
상기 기판을 둘러싸고, 내부에 상기 내부전극 코일패턴을 매립하는 복합층; 을 포함하고,
상기 복합층은,
금속 미분 및 금속 조분이 혼합된 제1 층과, 금속 미분으로 구성된 제2 층이 교대로 적층되어 형성되는,
파워인덕터.
제1항에 있어서,
상기 복합층의 최외곽층은 상기 제1 층으로 구성된 파워인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제2 층은 2.5㎛이하의 금속분말 슬러리로 구성된 파워인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제2 층의 두께는 10㎛ 이하로 구성된 파워인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제1 층은 10㎛ 이상의 금속 조분과 2.5㎛이하의 금속 미분이 혼합된 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 기판 중앙부에 형성된 캐비티 내에 자심이 삽입되는 파워인덕터.
제6항에 있어서,
상기 자심은 2.5㎛ 이하의 금속 미분이 고분자 수지 내에 분산되어 형성된 파워인덕터.
내부전극 코일패턴이 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 양면에 금속 미분으로 구성된 제2 시트와 금속 미분 및 금속 조분이 혼합된 제1 시트를 교대로 적층시켜 복합층을 형성하는 단계; 및
외부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 파워인덕터 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 기판을 준비하는 단계에는,
기판 중앙부에 캐비티를 형성하고, 상기 캐비티에 자심이 삽입되는 단계를 더 포함하는 파워인덕터 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 복합층의 최외곽에는 상기 제1시트가 적층되는 파워인덕터 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2 시트는 2.5㎛이하의 미분이 응집되어 형성된 파워인덕터 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2 시트의 두께는 10㎛ 이하로 구성된 파워인덕터 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 시트는 10㎛ 이상의 금속 조분과 2.5㎛이하의 금속 미분이 혼합된 파워인덕터 제조방법.