KR20180033883A

KR20180033883A - 인덕터

Info

Publication number: KR20180033883A
Application number: KR1020160123402A
Authority: KR
Inventors: 주재희; 문제익; 정예은
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-04-04
Also published as: CN107871591B; JP6927514B2; JP2018056544A; US10580564B2; US20180090258A1; CN107871591A

Abstract

본 개시는 코일을 포함하며 상기 코일을 둘러싸는 자성 물질과 수지를 포함하는 바디와 그 바디의 적어도 일 면 상에 배치되는 외부전극을 가지는 인덕터에 관한 것이다. 상기 인덕터 내 바디는 자성 물질 및 수지와 함께, 추가적으로 인덕터에 가해지는 외부 충격을 완화할 수 있는 입자를 포함하는데, 그 외부 충격은 물리적 충격 또는 열 충격일 수 있다.

Description

인덕터{INDUCTOR}

본 개시는 인덕터에 관한 것이며, 특히, 전자 제품 set 내에서 모듈 면적을 최소화하기 위한 고용량/소형화 제품의 구현 및 고부가가치화를 위한 SiP (System in Package) 형태의 모듈 구현에 적절한 파워 인덕터에 관한 것이다.

최근 전자 제품 set 의 복합, 다기능화에 따라 전자부품에 대한 요구 수준이 소형화, 대전류화, 고용량화되어 간다. 파워 인덕터의 소형화를 위하여 코일의 사이즈를 줄이면, 코일 내부의 코어 중심부가 형성되는 바디 영역의 부피도 줄어든다. 그런데, 코어 중심부의 부피가 줄어들면 인덕터는 외부 응력이나 열충격에 취약해지는 문제가 발생한다.

또한, 최근 SiP 에 채용되는 파워 인덕터는 기본적으로 패키지 내부 환경에서의 신뢰성을 필수적으로 확보하는데, 파워 인덕터의 신뢰도는 파워 인덕터의 자체 내 재료 특성에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라, 파워 인덕터의 자체 내 재료 이외의 외부 요인들에 의해서도 영향을 받는다.

하기의 특허문헌 1 은 소형화 및 박형화의 요구에 따라 신뢰성이 우수한 고성능의 코일 전자 부품을 구현하려는 시도를 하지만, 인덕터 내 포함되는 재료를 종래 기술과 차별화하지는 못하는 실정이다.

일본 특허공개공보 제2008-166455호

본 개시의 여러 목적 중의 하나는 인덕터에 가해지는 열 충격에 의하여 발생하는 응력을 효과적으로 분산할 수 있도록 하는 것이며, 특히, 인덕터 자체를 제외한 외부로부터 가해지는 외부 충격으로부터 인덕터의 크랙(crack)이 방지될 수 있도록 하는 것이다.

본 개시의 여러 효과 중 하나는 인덕터 내부에 가해지는 열충격과 열팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)의 불일치 (mismatch) 로 인해 발생되는 응력을 분산 및 해소할 수 있는 구조의 인덕터를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 개시의 일 예에 따른 인덕터의 개략적인 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 A 영역을 확대한 확대도이다.
도3 은 도2 의 A 영역으로 열충격이 가해진 후 변형된 형상을 개략적으로 나타낸다.
도4 는 본 개시의 다른 일 예에 따른 인덕터의 개략적인 단면도이다.
도5 는 도4 의 B 영역을 확대한 확대도이다.
도6 은 도5 의 B 영역으로 열충격이 가해진 후 변형된 형상을 개략적으로 나타낸다.
도7 은 완충 입자의 외형의 단면을 개략적으로 나타낸다.

이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 개시의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 개시를 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 개시의 일 예에 따른 인덕터를 설명하되, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

인덕터

도1 은 본 개시의 일 예에 따른 인덕터의 개략적인 단면도이고, 도2 는 도1 의 A 영역을 확대한 것이다.

도1 을 참조하면, 인덕터 (100) 는 코일 (11) 을 매설하는 바디 (1) 와 상기 바디의 외부면 중 적어도 일면 상에 배치되는 제1 및 제2 외부전극 (21, 22) 를 포함한다.

상기 코일 (11) 은 권선 공법에 의해 형성되는 권선 타입, 박막 공법에 의해 형성되는 박막 타입, 또는 적층 공법에 의해 형성되는 적층 타입의 어느 것이어도 무관하며, 이하에서는, 일 예로, 도1 에 도시된 박막 공법에 의해 형성되는 박막타입의 코일을 설명한다. 상기 코일 (11) 은 지지 부재 (11c), 그 일면과 타면에 각각 배치되는 제1 코일 (11a), 제2 코일 (11b)을 포함한다. 제1 및 제2 코일은 지지 부재 상에서 도금 (plating) 공정에 의해 도금층으로 형성될 수 있으며, 이는 인덕터의 박막화 관점에서 유리하다. 제1 및 제2 코일을 서로 전기적으로 연결하는 비아는 지지 부재의 두께 방향을 따라 비아 형성 예정 영역이 펀칭 (punching) 또는 드릴링 (drilling) 되어 비아홀을 형성하고 그 비아홀 내부에 전도성 물질을 충진하여 형성한다. 상기 비아는 도금 공정에 의해 전도성 물질이 도금된 도금층으로 형성되거나, 도전성 페이스트가 충진된 후 소성되어진 도체막으로 형성될 수 있다.

상기 코일 (11) 은 전기 전도도가 우수한 재질로서, 예를 들어, 금 (Au), 은 (Ag), 백금 (Pt), 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 팔라듐 (Pd), 알루미늄 (Al), 티타늄 (Ti) 등에서 선택된 1 종의 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으나, 통상적인 전도성 재질이면 제한 없이 채용이 가능하다.

도 2 를 참조하면, 상기 바디 (1) 는 코일을 매설하는 자성 특성을 가지는 자성 분말 (12), 베이스 수지 (13), 및 유기 필러 (14) 로 이루어진다.

상기 자성 분말 (12) 은 자성 특성을 가지는 자성 재료, 예컨대, Fe, Fe-Ni계 합금, Fe-Si계 합금, Fe-Si-Al 계 합금, Fe-Cr-Si계 합금, Fe계 아몰퍼스 합금, Fe계 나노결정형성 합금, Co계 아몰퍼스 합금, Fe-Co계 합금, Fe-N계 합금, MnZn계 페라이트, NiZn계 페라이트 등에서 선택된 1 종 이상으로 형성될 수 있으며, 그 제한이 없다.

상기 베이스 수지 (13) 는 경화성 수지인 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 그 외 열경화성 수지의 일 예로서 폴리이미드(polyimide) 수지를 사용할 수 있다.

상기 유기 필러 (14) 는 고분자 재료를 포함하고, 특히 열가소성 수지인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 유기 필러 (14) 는 아크릴로니트릴-부타디엔-스트렌 수지 (ABS, Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), 셀룰로오스 아세테이트 (Cellulose acetate), 나일론 (Nylon), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리벤즈이미다졸 (Polybenzimidazole), 폴리카보네이트 (Polycarbonate), 폴리에테르술폰 (Polyether sulfone), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK, Polyetherether ketone), 폴리에테르이미드 (PEI, Polyetherimide), 폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리락트산 (Polylactic acid), 폴리옥시메틸렌 (Polyoxymethylene), 폴리페닐렌 옥사이드 (Polyphenylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드 (Polyphenylene sulfide), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스티렌 (Polystyrene), 폴리비닐클로라이드 (Polyvinyl chlroride), 에틸렌비닐아세테이트 (Ethylene vinyl acetate), 폴리비닐알코올 (Polyvinyl alcohol), 또는, 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene oxide) 일 수 있다.

특히, 상기 유기 필러 (14) 는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 비즈 (beads) 인 것이 바람직하다.

폴리메틸메타크릴레이트 비즈는 그 형태가 실질적으로 구형에 가깝도록 성형될 수 있는데, 구형으로 성형시 유기 필러의 표면적을 최대한 넓게 확보할 수 있어서 외부로부터 가해지는 스트레스 분산 및 해소에 유리하다.

또한, 폴리메틸메타크릴레이트 비즈는 에폭시 수지와 Fe를 포함하는 자성 분말 사이에서 분산성이 우수하고, 승온 시의 물성의 변경이 비교적 크지 않기 때문에 (Low Modulus), 열충격이 가해질 때 열팽창계수의 불일치로 인해 발생하는 응력을 흡수하는데 적절하다.

상기 유기 필러 (14) 는 자성 분말과는 구별되는 독립적인 입계 (particle boundary) 를 가진다. 이는, 상기 유기 필러 (14) 가 통상적인 자성 분말-유기 복합체의 자성 특성을 가지는 입자 혹은 자성 분말-무기 절연-고분자 절연의 고분자 절연 물질의 다층 구조를 가지는 입자와는 구별되는 독립한 구성인 것을 명확히 하기 위한 설명이다.

상기 유기 필러 (14) 는 그에 인접하여 분산된 다른 유기 필러와 서로 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 바디 내 포함되는 유기 필러 중 일부는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 비즈를 적용하고, 나머지는 폴리프로필렌 수지를 타원형으로 성형하여 적용할 수도 있으며, 이는 사용자의 재료 설계 및 요구되는 물성을 고려하여 선택될 수 있다.

상기 바디 (1) 는 자성 분말의 함량을 100wt% 기준으로 할 때, 1wt% 이상 50wt% 이하의 베이스 수지를 포함하고, 0.01wt% 이상 50wt% 이하의 유기 필러를 포함한다. 자성 분말, 베이스 수지 및 유기 필러의 함유량은 요구되는 인덕터의 물성이나 적용 환경에 따라 변경될 수 있다. 상기 베이스 수지가 1wt% 미만인 경우, 자성 분말과 유기 필러의 분산성이 확보될 수 없고, 50wt% 초과인 경우, 인덕터의 투자율이 확보되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 상기 유기 필러가 0.01wt% 미만인 경우, 완충 기능을 발휘하기 부족하며, 50wt% 초과인 경우 고분자 재료가 지나치게 투입되어 투자율의 확보가 어렵다.

도3 은 도2 의 A 영역으로 열충격이 가해진 후 변형된 형상을 개략적으로 나타낸다.

도3 을 참조하면, 상기 유기 필러 (14)는 자성 분말과 베이스 수지 사이에서 스트레스(stress)를 완충하고 해소하는 버퍼(buffer)로서 기능한다.

상기 유기 필러 (14) 는 열충격으로 인해서 완전히 변형되지 않으면서도, 내부에 가해진 응력을 분산 및 완충하기에 적절한 Low Modulus 를 가지기 때문에, 승온 환경에서도 바디 전체의 강도가 유지되도록 할 수 있다.

인덕터가 패키지에 실장되면 열충격이 발생할 때 패키지 내부 다양한 재료들의 열팽창 계수 (CTE) 의 불일치에 의하여 인덕터 바디 내 내부 응력이 증가하는데, 이러한 내부 응력이 적절히 분산하거나 해소시키지 못할 경우, 인덕터의 크랙을 발생시킬 우려가 있는데, 본 개시의 일 예에 따른 인덕터는 바디 내에 유기 필러를 추가로 포함시켜서 상기 우려를 해소한 것이다.

바디 내 유기 필러 (14) 가 스트레스 버퍼로서 기능하는 메커니즘을 간단히 설명하면, 외부에서 열충격이 발생하여 인덕터의 바디의 온도가 상승할 때, 고온에서 안정적인 모듈러스(Modulus)를 가지는 유기 필러가 바디의 승온에 따른 부조화 내지 반발의 충격을 효과적으로 흡수하는 것이다. 이는, 바디가 승온할 때, 유기 필러를 포함하고 있으면, 유기 필러를 포함하지 않는 경우에 비하여 바디 내 재료들의 운동성 내지 물성의 변화 정도가 더 작고, 유기 필러가 소정의 범위 내에서 추가됨에 따라서 온도 변화 (특히, 승온) 에 따른 민감성도 둔화시킬 수 있는 것을 의미한다.

한편, 상기 유기 필러 (14) 는 열가소성 수지가 아니라도, 특정의 물성을 나타내는 완충 입자이면 열충격을 완화하는 재료로 사용될 수 있음은 물론이다.

본 개시의 다른 일 예에 따르는 인덕터는 바디 내 유기 필러 대신에 그에 상응하는 기능을 발휘하는 완충 입자를 포함한다.

도4 는 본 개시의 다른 일 예에 따른 인덕터 (100') 에 대한 사시도이며, 도4 는 도1 의 인덕터 (100) 와 대비하여 바디 내 유기 필러 대신에 완충 입자를 포함한다는 것에 차이가 있을 뿐 실질적으로 동일한 구성을 포함하므로, 도1 과 도4 의 중복되는 설명은 생략한다.

이하에서는, 도1 과 도4 간에 서로 대응하는 구성에 대한 도면 부호는 위첨자 (') 를 추가하여 기재하도록 한다.

도4 를 참고하면, 인덕터 (100') 는 코일 (11') 을 매설하는 바디 (1') 와 상기 바디의 외부면 중 적어도 일면 상에 배치되는 제1 및 제2 외부전극 (21', 22') 를 포함한다.

도5 는 도4 의 바디의 B 영역을 확대한 확대도이고, 도6 은 도5 의 B 영역으로 열충격이 가해진 후 변형된 형상을 개략적으로 나타낸다.

본 발명자가 연구한 결과에 따르면, 도5 의 완충 입자 (14') 는 하기의 물성을 만족하는 것이 바람직하다.

먼저, 완충 입자 (14') 의 유리 전이 온도(Tg)가 100℃ 이상 200℃ 이하의 범위를 가지며, 그 완충 입자의 상기 유리 전이 온도 이하의 범위에서의 열 팽창계수 (CTE_Tg _.Low) 값은, 그 완충 입자의 상기 유리 전이 온도보다 큰 범위에서의 열 팽창계수 (CTE_Tg,High) 값보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 완충 입자의 유리 전이 온도 이하의 범위에서의 열 팽창계수 (CTE_Tg _.Low) 값은 150 ppm/K 이하인 바람직하다.

완충 입자 (14') 의 유리 전이 온도 (Tg) 가 상기 수치 범위를 벗어나는 경우, 그러한 완충 입자 (14') 는 인덕터가 사용되는 패키지 환경의 온도 변화에서 안정적으로 응력을 분산하거나 해소하도록 적용되지 못하고 물성에 변형(deformation)을 발생시키며 스트레스 버퍼 (stress buffer) 로서의 기능을 제대로 발휘하지 못한다.

또, 상기 유리 전이 온도 (Tg) 이하의 범위에서의 열팽창 계수(CTE_Tg _.Low)가 상기 유리 전이 온도 (Tg) 보다 큰 범위에서의 열팽창 계수(CTE_Tg,High) 보다 크거나, 150ppm/K 보다 큰 경우, 승온 환경에서 지나치게 민감하게 반응하며, 변형이 발생할 우려가 높기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 완충 입자 (14') 는 10MPa 이상 1500MPa 이하의 경도값을 가지는 것이 바람직하다. 상기 경도값은 완충 입자의 기계적인 충격 강도의 정도에 대한 지표이다.

상기 경도값은 완충 입자(14') 에 가해지는 하중에 따른 변위(Depth)를 측정하는 마이크로 인덴터 (Micro Indenter) 방식을 통해 도출될 수 있는데, 완충 입자의 경도가 10MPa 보다 작은 경우, 자성 분말이나 에폭시 수지에서 발생되는 응력을 적절히 분산하기 이전에 이미 완충 입자의 변위가 지나치게 변경되는 문제가 있으며, 1500MPa 보다 큰 경우, 완충 작용의 발휘가 불가한 정도로 변위 발생에 둔감하다.

한편, 완충 입자의 외형은 도5 과 도6 의 대비를 통해 알 수 있듯이 열충격으로 인한 응력이 발생하면, 그 응력을 흡수하여 완충시키거나 해소하면서 변화된다. 변화되는 것의 의미는, 바디를 제조할 때 사용되는 완충 입자의 최초 외형 중 적어도 일부가 그에 인접하는 자성 분말 외형의 일부와 상응하도록 변형되는 것을 의미할 수 있다.

상기 완충 입자 (14') 의 최초 외형은 도7 를 참조하여 설명될 수 있는데, 도7(a) 에 도시된 것과 같이 구형일 수 있고, 도7(b)에 도시된 것과 같이 타원형일 수 있으며, 도7(c) 에 도시된 것과 같이 일부 영역에 모서리를 포함하는 단면을 포함할 수 있으며, 그 외형에 제한이 없다.

상기의 설명을 제외하고 상술 한 본 개시의 일 예에 따른 인덕터의 특징과 중복되는 설명은 여기서 생략하도록 한다.

본 개시는 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 개시의 범위에 속한다고 할 것이다.

한편, 본 개시에서 사용된 "일 예"라는 표현은 서로 동일한 실시 예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 상기 제시된 일 예들은 다른 일례의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 일예에서 설명된 사항이 다른 일예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 일례에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 일예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

한편, 본 개시에서 사용된 용어는 단지 일예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 이때, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

100: 인덕터
1: 바디
11: 코일
12: 자성 분말
13: 베이스 수지
14: 유기 필러

Claims

코일을 포함하는 바디; 및 상기 바디의 외부면 상에 배치되는 외부전극; 을 포함하고,
상기 바디는 자성 특성을 가지는 자성 분말, 베이스 수지, 및 유기 필러를 포함하는, 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 유기 필러는 상기 자성 분말과 구별되는 입계를 가지며, 상기 자성 분말과 함께 상기 베이스 수지 내 불규칙하게 분산된 구조로 배치되는, 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 유기 필러는 열가소성 수지인, 인덕터.
제3항에 있어서,
상기 유기 필러는 아크릴로니트릴-부타디엔-스트렌 수지 (ABS, Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), 셀룰로오스 아세테이트 (Cellulose acetate), 나일론 (Nylon), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리벤즈이미다졸 (Polybenzimidazole), 폴리카보네이트 (Polycarbonate), 폴리에테르술폰 (Polyether sulfone), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK, Polyetherether ketone), 폴리에테르이미드 (PEI, Polyetherimide), 폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리락트산 (Polylactic acid), 폴리옥시메틸렌 (Polyoxymethylene), 폴리페닐렌 옥사이드 (Polyphenylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드 (Polyphenylene sulfide), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스티렌 (Polystyrene), 폴리비닐클로라이드 (Polyvinyl chlroride), 에틸렌비닐아세테이트 (Ethylene vinyl acetate), 폴리비닐알코올 (Polyvinyl alcohol), 또는 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene oxide) 을 포함하는, 인덕터.
제4항에 있어서,
상기 유기 필러는 PMMA (polymethyl methacryate) 비즈인, 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 유기 필러의 조성은 그에 인접하는 다른 유기 필러의 조성과 서로 상이한, 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 베이스 수지는 에폭시 수지 또는 폴리이미드 수지인, 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 자성 분말의 함량을 100 wt% 기준으로 할 때, 상기 베이스 수지의 함량은 1 wt% 내지 50 wt% 이고, 상기 유기 필러의 함량은 0.01 wt% 내지 50 wt% 인, 인덕터.
코일을 포함하는 바디; 및 상기 바디의 외부면 상에 배치되는 외부전극; 을 포함하고,
상기 바디는 자성 특성을 가지는 자성 분말, 베이스 수지, 및 완충 입자를 포함하는, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 완충 입자는 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하의 유리 전이 온도 (Tg) 값을 가지고, 상기 유리 전이 온도 이하의 범위에서의 상기 완충 입자의 열 팽창계수 (CTE_Tg _.Low) 값은 상기 유리 전이 온도보다 큰 범위에서의 상기 완충 입자의 열 팽창계수 (CTE_Tg,High) 값보다 작고, 상기 유리 전이 온도 이하의 범위에서의 상기 완충 입자의 열 팽창계수 (CTE_Tg.Low) 값은 150 ppm/K 이하인, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 완충 입자의 경도값은 10MPa 내지 1500MPa 인, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 완충 입자는 상기 베이스 수지 내에서 자성 분말과 이격되도록 배치되고, 복수의 완충 입자들이 분산되도록 배치되는, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 완충 입자는 구형, 타원형, 또는 일부 영역에 모서리를 포함하는 기타 형상의 외형을 가지는, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 베이스 수지는 에폭시 또는 폴리이미드인, 인덕터.
제9항에 있어서,
상기 완충 입자의 외형은 온도에 따라 가변적인, 인덕터.
제15항에 있어서,
상기 완충 입자가 온도에 의해 변형되는 완충 입자의 외형 중 적어도 일부는 그에 인접하는 자성 분말 외형의 일부와 상응하는, 인덕터.