JP2003017322A - Plane magnetic element - Google Patents

Plane magnetic element

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JP2003017322A
JP2003017322A JP2001198343A JP2001198343A JP2003017322A JP 2003017322 A JP2003017322 A JP 2003017322A JP 2001198343 A JP2001198343 A JP 2001198343A JP 2001198343 A JP2001198343 A JP 2001198343A JP 2003017322 A JP2003017322 A JP 2003017322A
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magnetic
coil
ferrite
film
thickness
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Application number
JP2001198343A
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Japanese (ja)
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Kazuhiko Echizenya
一彦 越前谷
Yasutaka Fukuda
泰隆 福田
Hideaki Kohiki
英明 小日置
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/041—Printed circuit coils
    • H01F41/046—Printed circuit coils structurally combined with ferromagnetic material

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a large allowable current by preventing the burnout fail of a coil from being generated even if the thickness of a lower magnetic layer is increased, and by magnetizing the entire magnetic material. SOLUTION: In the plane magnetic element where a plane coil and an upper ferrite magnetic layer are stacked on a lower ferrite magnetic layer successively, the lower ferrite magnetic layer is set to be a double-film structure comprising a sintering body magnetic film via the complex magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder at a coil side.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、平面磁気素子に関
し、特にそのインダクタンスおよび許容電流の有利な増
大を図ろうとするものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a planar magnetic element, and particularly to an advantageous increase of its inductance and allowable current.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、携帯電話やノート型パソコン等の
ような、電池で駆動される携帯機器の利用が進んでい
る。これらの携帯機器に対しては、従来から、より一層
の小型・軽量化が望まれており、最近ではさらに、画像
データに代表される大容量情報の高速処理などの高機能
化も要求されている。2. Description of the Related Art In recent years, use of battery-powered portable devices such as mobile phones and notebook computers has been increasing. For these mobile devices, further miniaturization and weight reduction have been desired in the past, and recently, higher performance such as high-speed processing of large-capacity information represented by image data is also required. There is.

【０００３】これに伴い、電池からの単一電圧を、ＣＰ
Ｕ，ＬＣＤモジュール等のさまざまな搭載デバイスが必
要とする電圧レベルに的確に変換できる電源素子の需要
が増大している。そこで、携帯機器等の小型・軽量化と
高機能化を両立させるために、電源に搭載されるトラン
スやインダクタなどの磁気素子の小型化・薄型化がより
重要な課題となってきた。このような状況下で、薄型化
に適した平面コイルを磁性層で挟んだ磁気素子が特開平
11−26239 号公報に開示されている。Along with this, the single voltage from the battery is
There is an increasing demand for power supply elements that can be accurately converted into voltage levels required by various on-board devices such as U and LCD modules. Therefore, in order to achieve both miniaturization and weight reduction and high functionality of portable devices and the like, miniaturization and thinning of magnetic elements such as transformers and inductors mounted on power supplies have become more important issues. Under such circumstances, a magnetic element in which a planar coil suitable for thinning is sandwiched between magnetic layers is disclosed in
No. 11-26239.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の薄型電源用磁気
素子では、コイルの下地となる下部磁性層を、シリコン
などの基板上にフェライトペーストを例えばスクリーン
印刷法で印刷後、焼結することによって形成していた
が、以下に述べるような問題を残していた。 (1) コイル形状が同じ場合、下部磁性層の厚みを増すこ
とで、インダクタンスを高くでき、磁気素子の品質を向
上させることができる。しかしながら、焼結体磁性膜の
厚みを増加していくと、焼結後に焼結体磁性膜にクラッ
クが発生し、その結果、その上に形成するコイルに断線
等の不良が発生することがあるため、インダクタンスの
高い磁気素子が得られないという問題があった（第１の
課題）。 (2) また、磁気素子の許容電流を大きくするには、可能
な限り磁性体を全体的に磁化する必要がある。しかしな
がら、従来の構造では、コイル近傍に磁束線が集中し、
不均一に磁化してしまうため、許容電流を大きくするこ
とができないという問題があった（第２の課題）In a conventional thin magnetic element for a power source, a lower magnetic layer which is a base of a coil is printed with a ferrite paste on a substrate such as silicon by a screen printing method and then sintered. Although it was formed, it had the following problems. (1) When the coil shape is the same, the inductance can be increased and the quality of the magnetic element can be improved by increasing the thickness of the lower magnetic layer. However, when the thickness of the sintered magnetic film is increased, cracks may occur in the sintered magnetic film after sintering, and as a result, defects such as disconnection may occur in the coil formed thereon. Therefore, there is a problem that a magnetic element having a high inductance cannot be obtained (first problem). (2) Further, in order to increase the allowable current of the magnetic element, it is necessary to magnetize the magnetic body as much as possible. However, in the conventional structure, the magnetic flux lines are concentrated near the coil,
There was a problem that the allowable current could not be increased because of non-uniform magnetization (second problem).

【０００５】本発明は、上記した２つの問題を有利に解
決するもので、下部磁性層の厚みを増大してもコイル断
線などの不良が発生することがなく、またかかる磁性体
を全体的に磁化することによって大きな許容電流を得る
ことができる、新規な構造になる平面磁気素子を提案す
ることを目的とする。The present invention advantageously solves the above-mentioned two problems. Even if the thickness of the lower magnetic layer is increased, defects such as coil breakage do not occur, and such a magnetic body as a whole is provided. It is an object of the present invention to propose a planar magnetic element having a novel structure that can obtain a large allowable current by magnetizing.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べ
る知見を得た。 (1) 第１の課程に対する解決手段 低温合成可能なフェライト磁性粉を樹脂バインダで固着
してなるフェライト磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁
性膜では、膜厚を増加させても、コイル断線などの不良
の原因となるクラックの発生を効果的に抑制できること
の知見を得た。しかしながら、下部磁性層を全てフェラ
イト磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁性膜で構成する
と、飽和磁化や透磁率が焼結体磁性膜のそれよりも小さ
いため、膜厚の大幅な増大を余儀なくされ、薄型である
という平面磁気素子の基本的な特長が損なわれる。そこ
で、この点に関し、検討を重ねた結果、基板側を焼結体
磁性膜とし、その上に、フェライト磁性粉と樹脂バイン
ダとの複合体磁性膜を形成する２重膜構造とすることに
より、この問題を有利に解決できることが判明した。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object, and as a result, have obtained the following findings. (1) Solution to the first step In a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and resin binder, which is obtained by fixing low temperature synthesizable ferrite magnetic powder with a resin binder, even if the film thickness is increased, coil breakage, etc. It was found that the occurrence of cracks, which causes the defects of the above, can be effectively suppressed. However, if the lower magnetic layer is entirely composed of a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder, the saturation magnetization and magnetic permeability are smaller than those of the sintered magnetic film, so that the film thickness must be greatly increased. However, the basic feature of the flat magnetic element that is thin is impaired. Therefore, as a result of repeated studies on this point, a double-layered structure in which a sintered body magnetic film is formed on the substrate side, and a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder is formed thereon, It turns out that this problem can be solved advantageously.

【０００７】このような２重膜構造とすることで、下部
フェライト全体の磁気特性と薄型であるという平面磁気
素子の特長をあまり損なうことなしに膜厚を大きくする
ことができ、その結果、コイルを形成する面上のクラッ
ク等の欠陥の発生を無くすことができる。その様子を図
１に模式的に示す。図１(a) は、代表的な２重膜構造を
示したもので、図中、番号１は基板、２は基板側の磁性
膜（焼結体磁性膜）、３はコイル側の磁性膜（フェライ
ト磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁性膜）である。こ
のような構造にすれば、同図(b) に示したように、たと
え焼結体磁性膜２の表面にクラック４が発生しても、図
１(c) に示すように、その上にフェライト磁性粉と樹脂
バインダとの複合体磁性膜３を形成してやれば、この複
合体磁性膜３でクラック４を埋めてしまうこともでき
る。By adopting such a double film structure, the film thickness can be increased without significantly impairing the magnetic characteristics of the lower ferrite as a whole and the feature of the thin flat magnetic element, and as a result, the coil can be formed. It is possible to eliminate the occurrence of defects such as cracks on the surface on which the cracks are formed. This is schematically shown in FIG. FIG. 1 (a) shows a typical double film structure. In the figure, reference numeral 1 is a substrate, 2 is a magnetic film (sintered magnetic film) on the substrate side, and 3 is a magnetic film on the coil side. (Composite magnetic film of ferrite magnetic powder and resin binder). With this structure, even if cracks 4 occur on the surface of the sintered magnetic film 2 as shown in FIG. 1B, as shown in FIG. If the composite magnetic film 3 of ferrite magnetic powder and resin binder is formed, the crack 4 can be filled with the composite magnetic film 3.

【０００８】(2) 第２の課題に対する解決手投 第２の課題も、第１の課題に対する解決手段と同じ構造
とすることにより、同時に解決することができる。すな
わち、コイル近傍に形成したフェライト磁性粉と樹脂バ
インダとの複合体磁性膜はその透磁率が小さいため、磁
束線がコイルからより難れた領域にまで届くようにな
り、磁性膜が全体的に均一に磁化されるようになる。そ
の様子を模式的に図２(a), (b)に比較して示す。なお、
図中、番号５はコイル、６は上部フェライト磁性層、７
は磁束線である。図２(a) は、下部フェライト磁性層が
フェライト焼結体のみからなる従来の平面磁気素子であ
るが、この場合は、図示したとおり、コイル近傍に磁束
線７が集中し、不均一にしか磁化されない。これに対
し、図２(b) に示した本発明に従う平面磁気素子では、
磁束線７が磁性膜の全体を通るようになるので、許容電
流を大きくすることが可能となるのである。(2) Solution to the Second Problem The second problem can be solved at the same time by using the same structure as the solution to the first problem. That is, since the magnetic permeability of the composite magnetic film of the ferrite magnetic powder and the resin binder formed in the vicinity of the coil is small, the magnetic flux lines reach the more difficult area from the coil, and the magnetic film is entirely It will be magnetized uniformly. This is schematically shown in comparison with FIGS. 2 (a) and 2 (b). In addition,
In the figure, reference numeral 5 is a coil, 6 is an upper ferrite magnetic layer, 7
Is a magnetic flux line. FIG. 2 (a) shows a conventional planar magnetic element in which the lower ferrite magnetic layer is composed of only a ferrite sintered body, but in this case, as shown in the figure, the magnetic flux lines 7 are concentrated in the vicinity of the coil and are only unevenly distributed. Not magnetized. On the other hand, in the planar magnetic element according to the present invention shown in FIG.
Since the magnetic flux lines 7 pass through the entire magnetic film, the allowable current can be increased.

【０００９】また、上記の研究を進める過程で、かよう
な平面磁気素子において、効率の一層の向上を図るため
には、平面コイルのコイル線の厚みおよび幅をそれぞれ
適正な範囲に調整することが有効であることも、併せて
知見した。本発明は、上記の知見に立脚するものであ
る。Further, in the process of advancing the above research, in order to further improve the efficiency of such a planar magnetic element, the thickness and width of the coil wire of the planar coil should be adjusted to appropriate ranges. It was also found that is effective. The present invention is based on the above findings.

【００１０】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。 １．下部フェライト磁性層の面上に、平面コイルを有
し、該平面コイルのコイル線間の空隙も含めてその上に
上部フェライト磁性層をそなえる平面磁気素子であっ
て、該下部フェライト磁性層が、コイル側にフェライト
磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁性膜を介した、焼結
体磁性膜からなる２重膜構造であることを特徴とする平
面磁気素子。That is, the gist of the present invention is as follows. 1. A plane magnetic element having a plane coil on the surface of the lower ferrite magnetic layer and having an upper ferrite magnetic layer on the plane coil including a gap between coil wires of the plane coil, wherein the lower ferrite magnetic layer comprises: A planar magnetic element having a double-layered structure composed of a sintered magnetic film with a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder interposed on the coil side.

【００１１】２．上記１において、下部フェライト磁性
層が、基板上に形成されていることを特徴とする平面磁
気素子。2. 2. The planar magnetic element as described in 1 above, wherein the lower ferrite magnetic layer is formed on the substrate.

【００１２】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。図３に、コイル形状としてスパイラル型を採用した
場合を例にとって、本発明に従う代表的な平面磁気素子
を模式で示す。図３(a) は平面図（上部フェライト磁性
層を除いた状態）、同図(b) はそのＡ−Ａ断面図であ
り、構成の骨子は図１，２と共通するので同一の符号を
付して示し、図中番号８は端子である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below. FIG. 3 schematically shows a typical planar magnetic element according to the present invention, taking as an example a case where a spiral type is adopted as the coil shape. FIG. 3 (a) is a plan view (state in which the upper ferrite magnetic layer is removed), and FIG. 3 (b) is a sectional view taken along the line AA. Since the skeleton of the configuration is the same as in FIGS. In the figure, numeral 8 is a terminal.

【００１３】さて、本発明において、下部フェライト磁
性層の構造は、基板側が焼結体磁性膜、コイル側がフェ
ライト磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁性膜であれ
ば、所望の効果を得ることができるが、上記した焼結体
磁性膜の厚みは30〜40μm 程度、またフェライト磁性粉
と樹脂バインダとの複合体磁性膜の厚みは40〜60μm 程
度で、しかも複合体磁性膜厚／（焼結体磁性膜厚＋複合
体磁性膜厚）の割合が、0.50〜0.75の範囲となるように
することが望ましい。なお、複合体磁性膜中におけるフ
ェライト磁性粉の割合は、60〜90mass％程度とするのが
好ましい。In the present invention, the structure of the lower ferrite magnetic layer can obtain a desired effect if the substrate side is a sintered magnetic film and the coil side is a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder. However, the thickness of the above-mentioned sintered magnetic film is about 30 to 40 μm, and the thickness of the composite magnetic film of ferrite magnetic powder and resin binder is about 40 to 60 μm. It is desirable that the ratio of (body magnetic film thickness + composite magnetic film thickness) be in the range of 0.50 to 0.75. The ratio of ferrite magnetic powder in the composite magnetic film is preferably about 60 to 90 mass%.

【００１４】また、本発明では、フェライト材料は特に
限定しないが、NiZn系フェライトが特に好適である。そ
の代表組成を以下に示す。 Fe203 ：40〜50 mol％ Fe203 が40 mol％に満たないとフェライトの透磁率低下
に伴うインダクタンスの劣化が大きく、逆に50 mol％を
超えると電気抵抗が急激に低下して、高周波領域におけ
る損失が増大するだけでなく、導体材料との一体化が困
難になるので、Fe203 は40〜50 mol％程度とすることが
好ましい。In the present invention, the ferrite material is not particularly limited, but NiZn type ferrite is particularly suitable. The representative composition is shown below. Fe 2 0 3: 40~50 mol% Fe 2 0 3 is 40 mol% to not the large deterioration in inductance due to the magnetic permeability reduction of the ferrite satisfied, the electrical resistance decreases rapidly when conversely exceeds 50 mol% Then, not only the loss in the high frequency region increases but also it becomes difficult to integrate with the conductor material, so that Fe 2 O 3 is preferably about 40 to 50 mol%.

【００１５】NiＯ：15〜50 mol％ NiＯが15 mol％に満たないと実用上必要なキュリー温度
を得ることができず、逆に50 mol％を超えると異相が析
出し、磁気特性が低下するので、NiＯは15〜50mol％程
度とすることが好ましい。NiO: 15 to 50 mol% If the NiO content is less than 15 mol%, the Curie temperature required for practical use cannot be obtained. On the contrary, if the NiO content exceeds 50 mol%, a different phase precipitates and the magnetic properties deteriorate. Therefore, the NiO content is preferably about 15 to 50 mol%.

【００１６】ZnＯ：15〜35mol ％ ZnＯは、インダクタンスとキュリー温度に大きな影響を
与える。キュリー温度は磁気素子の耐熱性を決定づける
重要なパラメータである。ZnＯが15 mol％に満たないと
キュリー温度は高いもののインダクタンスが低下し、一
方35 mol％を超えるとインダクタンスは高いものの、キ
ュリー温度が低下する。従って、ZnＯは15〜35 mol％程
度とすることが好ましい。ZnO: 15-35 mol% ZnO has a great influence on the inductance and the Curie temperature. The Curie temperature is an important parameter that determines the heat resistance of the magnetic element. If the content of ZnO is less than 15 mol%, the Curie temperature is high, but the inductance decreases, whereas if it exceeds 35 mol%, the inductance is high but the Curie temperature decreases. Therefore, it is preferable to set ZnO to about 15 to 35 mol%.

【００１７】CuＯ：０〜20 mol％ CuＯは、充分な焼結密度および良好な磁気特性を維持し
ながら、焼成温度を低減するのに有用な成分である。し
かしながら、20 mol％を超えると、前処理段階で緻密化
が進みすぎ、焼成温度を下げることができないため、含
有させる場合にはCuＯは 20mol％以下とすることが好ま
しい。CuO: 0 to 20 mol% CuO is a useful component for reducing the firing temperature while maintaining sufficient sintering density and good magnetic properties. However, if it exceeds 20 mol%, the densification proceeds too much in the pretreatment stage and the firing temperature cannot be lowered. Therefore, when it is contained, it is preferable that CuO be 20 mol% or less.

【００１８】Bi203 ：０〜10 mol％ Bi203 は、CuＯと同じく、焼成温度を低下する効果があ
る。しかしながら、10mol％を超えると焼成温度は低下
するものの、インダクタンスが劣化するため、含有させ
る場合には10 mol％以下で含有させることが好ましい。Bi 2 0 3 : 0 to 10 mol% Bi 2 0 3 has the same effect of lowering the firing temperature as CuO. However, if the content exceeds 10 mol%, the firing temperature decreases, but the inductance deteriorates. Therefore, when it is contained, it is preferable to contain it at 10 mol% or less.

【００１９】MnＯ：０〜20 mol％、MgＯ：０〜20 mol％ MnＯおよびMgＯはいずれも、インダクタンスを増加する
効果のある成分であるが、20 mol％を超えると飽和磁化
が低下するので、含有させる場合には20 mol％以下で含
有させることが好ましい。MnO: 0 to 20 mol%, MgO: 0 to 20 mol% MnO and MgO are both effective components for increasing the inductance, but if the content exceeds 20 mol%, the saturation magnetization decreases. When it is contained, it is preferably contained at 20 mol% or less.

【００２０】以上、好適フェライトとして、NiZn系フェ
ライトについて主に説明したが、これ以外のフェライト
であってもNiZn系フェライトと同等の特性を持つもので
あれば、いずれもが使用できるのはいうまでもない。Although NiZn-based ferrite has been mainly described as the preferred ferrite, any ferrite other than this can be used as long as it has the same characteristics as NiZn-based ferrite. Nor.

【００２１】さて、下部フェライト磁性層のうちフェラ
イト焼結体磁性膜は、上記のような好適組成に調整した
フェライト磁性粉にバインダを混ぜてペーストとし、印
刷法などで成膜後、焼成することによって得ることがで
きる。一方、複合体磁性膜は、バインダとしてエポキシ
樹脂やポリイミド樹脂などの樹脂を用い、印刷法などで
成膜後、熱硬化させることによって得ることができる。The ferrite sintered body magnetic film in the lower ferrite magnetic layer is formed by mixing the ferrite magnetic powder adjusted to the above-mentioned preferable composition with a binder to form a paste, followed by firing by a printing method or the like. Can be obtained by On the other hand, the composite magnetic film can be obtained by using a resin such as an epoxy resin or a polyimide resin as a binder, forming the film by a printing method, and then thermally curing the film.

【００２２】また、下部フェライト磁性層を、基板上に
形成する場合、基板材料としては、支持体としての機能
を備えるものであればいずれもが使用可能であるが、シ
リコン基板またはアルミナ基板などが、コストパフォー
マンスの点からより好適である。さらに、上述した好適
組成に調整したフェライト磁性粉を、通常の焼結法また
はＨＩＰ法などにより焼結した後、加工して得られる、
あるいはシート状に成形後、焼結または熱硬化して得ら
れるフェライト板を基板として用いても良い。この場
合、基板がフェライト焼結体磁性膜を兼ねることになる
ので、フェライト焼結体磁性膜の形成工程を省略できる
利点がある。When the lower ferrite magnetic layer is formed on the substrate, any substrate material can be used as long as it has a function as a support, but a silicon substrate, an alumina substrate or the like can be used. It is more preferable in terms of cost performance. Further, the ferrite magnetic powder adjusted to the above-mentioned preferable composition is obtained by sintering after being sintered by a normal sintering method or a HIP method,
Alternatively, a ferrite plate obtained by forming into a sheet and then sintering or thermosetting may be used as the substrate. In this case, since the substrate also serves as the ferrite sintered body magnetic film, there is an advantage that the step of forming the ferrite sintered body magnetic film can be omitted.

【００２３】また、本発明では、下部フェライト磁性層
を形成後、表面を平滑化するために、絶縁性の樹脂また
はガラスからなる平滑層を形成することもできる。この
時、かかる平滑層の厚さは0.01〜20μm 程度とするのが
好ましい。In the present invention, after forming the lower ferrite magnetic layer, a smooth layer made of an insulating resin or glass may be formed to smooth the surface. At this time, the thickness of the smooth layer is preferably about 0.01 to 20 μm.

【００２４】本発明の平面磁気素子において、平面コイ
ルの形状としては、スパイラル型、ミアンダ型のいずれ
もが適合するが、より大きなインダクタンスを実現する
ためにはスパイラル型が好適である。また、スパイラル
型コイルを２つ以上直列または並列に配置しても良い。
さらに、電気的に絶縁されたコイルを２つ以上配置した
場合はトランスとしての機能を発揮するが、本発明はこ
のような構造に対しても有効である。In the planar magnetic element of the present invention, both the spiral type and the meander type are suitable for the shape of the planar coil, but the spiral type is suitable for realizing a larger inductance. Further, two or more spiral coils may be arranged in series or in parallel.
Further, when two or more electrically insulated coils are arranged, they function as a transformer, but the present invention is also effective for such a structure.

【００２５】また、平面コイルの材質としては、比抵抗
の小さい導体材料を用いることが好ましく、かような材
料としては、Ag (1.47×10-8Ω・m)、Cu (1.55×10-8Ω
・m)が挙げられる。なお、AgはCuに比べて高価であるた
め、平面磁気素子のコイルとしてはCu導体からなる平面
コイルがより好適である。As the material of the plane coil, it is preferable to use a conductor material having a small specific resistance. Examples of such materials include Ag (1.47 × 10 −8 Ω · m) and Cu (1.55 × 10 −8). Ω
・ M). Since Ag is more expensive than Cu, a plane coil made of a Cu conductor is more suitable for the coil of the plane magnetic element.

【００２６】コイルを形成する手段としては、電気めっ
き法、無電解めっき法、印刷・焼成法等がある。このう
ち、印刷・焼成法は、信号用に用いられるチップ部品に
AgやNiの配線や電極を形成するのに多用されているが、
バインダ成分の混入や焼成不完全性などから、比抵抗が
劣化する問題がある。なお、焼成時に酸化するため、Cu
導体の形成方法としては適さない。また、無電解めっき
法は、電気めっき法に比べて析出速度が遅く、生産性が
悪いことに加え、還元剤や添加剤から不純物の混入があ
り、比抵抗が増大する不利がある。これらに対し、電気
めっき法は、生産性が高く、しかもバルクと同じ純金属
が得られるため、比抵抗の小さいコイルを得ることがで
きる。なお、電気めっき法では、Cuは硫酸銅めっき浴を
用いるのに対して、Agはシアン化銀めっき浴を用いるな
ど作業性が悪い。従って、本発明の磁気素子には電気め
っき法によって形成されたCu導体コイルがより好適であ
る。Means for forming the coil include an electroplating method, an electroless plating method, a printing / firing method and the like. Of these, the printing / firing method is used for chip parts used for signals.
It is often used to form Ag and Ni wiring and electrodes,
There is a problem that the specific resistance is deteriorated due to the mixing of the binder component and incomplete firing. In addition, since it oxidizes during firing, Cu
It is not suitable as a method of forming a conductor. Further, the electroless plating method has a slower deposition rate than that of the electroplating method, is poor in productivity, and has a disadvantage that impurities are mixed from a reducing agent or an additive to increase specific resistance. On the other hand, the electroplating method has a high productivity and can obtain the same pure metal as that of the bulk, so that a coil having a small specific resistance can be obtained. In the electroplating method, Cu uses a copper sulfate plating bath, whereas Ag uses a silver cyanide plating bath, resulting in poor workability. Therefore, the Cu conductor coil formed by the electroplating method is more suitable for the magnetic element of the present invention.

【００２７】平面コイルを電気めっき法で形成する場
合、素地となる下部フェライト磁性層あるいはその表面
に設けた樹脂被膜が電気的に絶縁体であるため、電極と
なるめっきシード層が必要となる。めっきシード層の形
成方法としては、スパッタ法や無電解めっき法などが好
適である。さらに、かかるシード層上にフォトリソグラ
フィー法により平面コイルのレジストフレームを形成
し、電気銅めっき法により所望の厚さのCu導体を形成し
たのち、化学エッチングにより、コイル線間のレジスト
およびめっきシード層を除去して、平面コイルを得るこ
ともできる。When the flat coil is formed by the electroplating method, the lower ferrite magnetic layer as the base material or the resin coating provided on the surface thereof is an electrical insulator, so that the plating seed layer as the electrode is required. As a method for forming the plating seed layer, a sputtering method, an electroless plating method, or the like is suitable. Further, a resist frame for a planar coil is formed on the seed layer by a photolithography method, and a Cu conductor having a desired thickness is formed by an electrolytic copper plating method. Then, a resist between the coil wires and a plating seed layer are formed by chemical etching. Can be removed to obtain a planar coil.

【００２８】ところで、上記した平面コイルの形成に際
し、損失をできるだけ低減するためには、コイル線の厚
みおよび幅をそれぞれ、次式で示される表皮厚みδを基
準として、所定の範囲に制限することが有利であること
が判明した。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝1/2 ここで、μ：透磁率 σ：電気伝導率（Ｓ） ω：角振動数（＝２πｆ） なお、透磁率および電気伝導率は、平面コイルの透磁率
および電気伝導率である。By the way, in order to reduce the loss as much as possible when forming the above-mentioned planar coil, the thickness and width of the coil wire are limited to predetermined ranges with reference to the skin thickness δ expressed by the following equation. Proved to be advantageous. δ = {2 / (μ · σ · ω)} 1/2 where μ: permeability σ: electrical conductivity (S) ω: angular frequency (= 2πf) where permeability and electrical conductivity are It is the magnetic permeability and electric conductivity of the planar coil.

【００２９】すなわち、コイル線の厚みや幅が表皮厚み
以上のコイルに高周波電流を流すと、コイル表面にしか
電流が流れず、交流抵抗が大きくなる。しかしながら、
これらの値を表皮厚みに揃えると、コイル断面積が小さ
くなり、直流抵抗が大きくなって、その結果損失が大き
くなる。これを避けるために、コイル線の幅を表皮厚み
程度に分割したコイルが用いられることが多い。しかし
ながら、この場合、コイル線間のスペースが大きくなる
ため、素子の小型化が損なわれる。That is, when a high-frequency current is passed through a coil in which the thickness or width of the coil wire is equal to or greater than the skin thickness, the current flows only on the coil surface, and the AC resistance increases. However,
Aligning these values with the skin thickness reduces the coil cross-sectional area, increases the DC resistance, and consequently increases the loss. In order to avoid this, a coil in which the width of the coil wire is divided into about the skin thickness is often used. However, in this case, the space between the coil wires becomes large, which impairs the miniaturization of the element.

【００３０】そこで、交流抵抗による損失と直流抵抗に
よる損失の和が最小となる組み合わせについて種々検討
を重ねたところ、図４に示すように、複合体磁性膜３の
上に設けたコイル線５の厚みａおよび幅ｂをそれぞれ、
次式で示される表皮厚みδの0.5倍以上、８倍以下とす
ることが有効であることが判明したのである。 δ＝｛２／（μ・σ・ω）｝1/2 ここに、コイル線の厚みおよび幅が表皮厚みδの 0.5倍
に満たないと、実質的にコイル断面積が小さくなり、直
流抵抗が大きくなってしまう。一方、８倍を超えると、
直流抵抗は小さくなるものの、表皮効果による交流抵抗
が大きくなって、全体としての損失の増大を招く。ま
た、磁気素子の寸法が大きくなる不利も生じる。より好
適には厚みａは表皮厚みδの２倍以上、幅ｂは表皮厚み
δの４倍以下である。Therefore, various studies have been repeated on a combination in which the loss due to the AC resistance and the loss due to the DC resistance are minimized. As shown in FIG. 4, the coil wire 5 provided on the composite magnetic film 3 is Thickness a and width b,
It has been found that it is effective to set the skin thickness δ expressed by the following equation to 0.5 times or more and 8 times or less. δ = {2 / (μ ・ σ ・ ω)} 1/2 If the thickness and width of the coil wire are less than 0.5 times the skin thickness δ, the coil cross-sectional area will be substantially reduced and the DC resistance will be It gets bigger. On the other hand, if it exceeds 8 times,
Although the direct current resistance is low, the alternating current resistance due to the skin effect is high, resulting in an increase in loss as a whole. There is also a disadvantage that the size of the magnetic element becomes large. More preferably, the thickness a is at least twice the skin thickness δ, and the width b is at most four times the skin thickness δ.

【００３１】上記のようにして、複合体磁性膜の上に平
面コイルを形成した後、複合体磁性膜と同様にして、フ
ェライト磁性粉と樹脂バインダからなる上部フェライト
磁性層を形成することにより、平面磁気素子とする。こ
こに、上部フェライト磁性層の厚みは10〜400 μm 程度
とすることが好ましい。というのは、この厚みが10μm
に満たないとインダクタンスが小さくなり、一方 400μ
m を超えると磁気素子の厚みが厚くなったり、端子孔の
形成が困難となるからである。また、この上部フェライ
ト磁性層中におけるフェライト磁性粉の割合は、複合体
磁性膜の場合と同様、60〜90mass％程度とするのが好ま
しい。After the plane coil is formed on the composite magnetic film as described above, the upper ferrite magnetic layer composed of the ferrite magnetic powder and the resin binder is formed in the same manner as the composite magnetic film. It is a planar magnetic element. Here, the thickness of the upper ferrite magnetic layer is preferably about 10 to 400 μm. Because this thickness is 10 μm
If it does not meet the requirement, the inductance will be small, while 400μ
This is because if it exceeds m, the thickness of the magnetic element becomes thicker and it becomes difficult to form the terminal hole. The proportion of ferrite magnetic powder in the upper ferrite magnetic layer is preferably about 60 to 90 mass% as in the case of the composite magnetic film.

【００３２】そして、本発明では、上記の平面磁気素子
の上に、半導体素子や誘電体素子、抵抗素子、他の磁気
素子などを搭載することにより、小型で軽量の集積型電
源をはじめとして種々の集積型回路部品を得ることがで
きる。ここに、半導体素子としては、ＩＣやダイオー
ド、トランジスタが用いられるが、小型化・薄型化の観
点からは、ベアチップからなる半導体チップを搭載する
ことが好ましい。ただし、本発明はこれに限定されるも
のではなく、十分な小型・薄型にパッケージされた半導
体チップを搭載することも可能である。In the present invention, by mounting a semiconductor element, a dielectric element, a resistance element, another magnetic element or the like on the above-mentioned planar magnetic element, various types such as a compact and lightweight integrated power source can be obtained. Can be obtained. Here, an IC, a diode, or a transistor is used as the semiconductor element, but it is preferable to mount a semiconductor chip made of a bare chip from the viewpoint of miniaturization and thinning. However, the present invention is not limited to this, and it is also possible to mount a semiconductor chip packaged in a sufficiently small and thin shape.

【００３３】[0033]

【実施例】Si基板上に、 Fe203／ZnＯ／CuＯ／NiＯ＝49
／23／12／16(mol％) の組成になるフェライト磁性粉を
含んだペーストを、スクリーン印刷法にて成膜し、引き
続き 950℃で焼成してフェライト焼結体磁性膜を形成し
た。焼成後の厚みは20〜50μm とした。次に、このフェ
ライト焼結体磁性膜上に Fe203／ZnＯ／CuＯ／NiＯ＝49
／23／12／16(mol％) の組成になるフェライト磁性粉を
含んだエポキシ樹脂ペーストをスクリーン印刷法にて成
膜し、150 ℃で熱硬化して、複合体磁性膜を形成した。
この複合体磁性膜の厚みは20〜90μm とした。ついで、
複合体磁性膜上に、ポリイミド樹脂をスピンコートによ
り塗布した後、熱硬化させて10μm 厚の平滑層を形成し
たのち、この上に下地めっき層として0.5μm 厚のCu膜
を無電解めっき法で成膜した。次に、めっき下地膜上に
フォトレジストを塗布したのち、フォトエッチングによ
り、ライン幅：100 μm 、ライン間隔：30μm 、厚み：
120 μm で14ターンのスパイラルコイルのレジストフレ
ームを形成した。その後、電気めっきによりレジストフ
レーム内にCuを析出させたのち、レジストフレームを剥
離し、ついで湿式エッチングでコイル線間の下地めっき
を除去して、平面コイルとした。EXAMPLES Si on a substrate, Fe 2 0 3 / ZnO / CuO / NiO = 49
A paste containing ferrite magnetic powder having a composition of / 23/12/16 (mol%) was formed into a film by a screen printing method, followed by firing at 950 ° C to form a ferrite sintered magnetic film. The thickness after firing was set to 20 to 50 μm. Next, Fe 2 0 3 / ZnO / CuO / NiO = 49 in this ferrite sintered body magnetic film
An epoxy resin paste containing ferrite magnetic powder having a composition of / 23/12/16 (mol%) was formed by a screen printing method and heat-cured at 150 ° C to form a composite magnetic film.
The thickness of this composite magnetic film was 20 to 90 μm. Then,
A polyimide resin was applied on the composite magnetic film by spin coating and then heat-cured to form a smooth layer with a thickness of 10 μm, and then a Cu film with a thickness of 0.5 μm was formed as a base plating layer on this by electroless plating. A film was formed. Next, after applying a photoresist on the plating base film, by photo etching, line width: 100 μm, line interval: 30 μm, thickness:
A resist frame of 14 turns of spiral coil was formed at 120 μm. After that, Cu was deposited in the resist frame by electroplating, the resist frame was peeled off, and then the base plating between the coil wires was removed by wet etching to obtain a flat coil.

【００３４】次に、 Fe203／ZnＯ／CuＯ／NiＯ＝49／23
／12／16(mol％) の組成になるフェライト磁性粉を含ん
だエポキシ樹脂ペーストを、スクリーン印刷法にてその
上部に塗布し、150 ℃で熱硬化させて、上部フェライト
磁性層を形成し、平面磁気素子とした。なお、比較例と
して、下部磁性層の製造条件のみを変更し、それぞれ下
部磁性層を厚み：40μm の焼結体磁性膜のみ（比較例
１）、厚み：50μm の焼結体磁性膜のみ（比較例２）お
よび厚み：100 μm のフェライト磁性粉と樹脂バインダ
との複合体磁性膜のみ（比較例３）とした平面磁気素子
も作製した。かくして得られた各平面磁気素子のインダ
クタンス、コイル不良率および許容電流について調べた
結果を表１に示す。なお、各発明例および比較例におい
て、同じ方法でサンプルを20個作製し、インダクタン
ス、許容電流はそれらの平均値で示し、またコイル不良
率は、コイルの電気抵抗値が10Ω以上となるサンプルの
個数で示す。[0034] Then, Fe 2 0 3 / ZnO / CuO / NiO = 49/23
An epoxy resin paste containing ferrite magnetic powder with a composition of / 12/16 (mol%) is applied to the upper part by screen printing and heat-cured at 150 ° C to form the upper ferrite magnetic layer, A flat magnetic element was used. As a comparative example, only the manufacturing conditions of the lower magnetic layer were changed, and each of the lower magnetic layers had a thickness of 40 μm only for a sintered magnetic film (Comparative Example 1) and a thickness of 50 μm for only a sintered magnetic film (comparison). Example 2) and a planar magnetic element having only a composite magnetic film of 100 μm thick ferrite magnetic powder and a resin binder (Comparative Example 3) were also prepared. Table 1 shows the results obtained by examining the inductance, the coil defect rate, and the allowable current of each of the thus obtained planar magnetic elements. In each invention example and comparative example, 20 samples were prepared by the same method, the inductance and the allowable current are shown by their average value, and the coil failure rate is the sample whose electrical resistance value of the coil is 10Ω or more. Indicated by the number.

【００３５】[0035]

【表１】 [Table 1]

【００３６】焼結体磁性膜厚みが比較例１と同じ40μm
の発明例３，５〜７はいずれも、比較例１に比べて、イ
ンダクタンスが高く、コイル不良率は０％に抑えられ、
また許容電流は格段に増大している。また、下部磁性膜
厚みが比較例２と同じ 100μm の発明例３は、比較例２
に比べて、やはりインダクタンスが高く、コイル不良率
は０％に抑えられ、許容電流は同等程度となっている。
さらに、焼結体磁性層が比較例３と同じ50μm の発明例
４は、比較例３に比べて、インダクタンスが高く、コイ
ル不良率が大幅に低減し、許容電流も増大している。The sintered magnetic film thickness is 40 μm, which is the same as in Comparative Example 1.
Inventive Examples 3, 5 to 7 are all higher in inductance than Comparative Example 1, and the coil defect rate is suppressed to 0%,
In addition, the allowable current has increased significantly. Inventive Example 3 having a lower magnetic film thickness of 100 μm, which is the same as Comparative Example 2, is Comparative Example 2
In comparison with, the inductance is still high, the coil defect rate is suppressed to 0%, and the permissible current is about the same.
Inventive Example 4 having a sintered magnetic layer of 50 μm, which is the same as Comparative Example 3, has a higher inductance than that of Comparative Example 3, the coil defect rate is significantly reduced, and the allowable current is also increased.

【００３７】実施例２ コイル線の厚みａおよび幅ｂを表２に示すように種々に
変化させること以外は、実施例１のNo.3と同じ製造条件
で、下部フェライト磁性層、平面コイルおよび上部フェ
ライト磁性層を形成して平面磁気素子を製造した。な
お、各フェライト磁性膜の材質、磁性体体積密度および
厚さは、インダクタンスが 2.0μH を発現するように調
整した。かくして得られた平面磁気素子を、表３に示す
仕様の降圧型コンバータに搭載し、その時のコイル直流
抵抗（Ｒdc）、Ｑ値およびトータル効率について調べた
結果を、表２に併記する。なお、Ｑ値は交流損失の指標
となるもので、次式で表される。 Ｑ＝（２πｆＬ）／ＲS ここで、ｆ：周波数（Hz） Ｌ：コイルのインダクタンス（Ｈ） ＲS ：直列等価抵抗（Ω） ここに、直列等価抵抗は、コイル直流抵抗（Ｒdc）とコ
イルおよび磁性体の交流損失（Ｒac）の和である。ま
た、ここでの周波数は５MHz に固定したので、この時の
表皮厚みは約30μmである。Example 2 Under the same manufacturing conditions as No. 3 of Example 1, except that the thickness a and the width b of the coil wire were variously changed as shown in Table 2, the lower ferrite magnetic layer, the plane coil and the An upper ferrite magnetic layer was formed to manufacture a planar magnetic element. The material, volume density, and thickness of each ferrite magnetic film were adjusted so that the inductance exhibited 2.0 μH. The planar magnetic element thus obtained is mounted on a step-down converter having the specifications shown in Table 3, and the coil direct current resistance (R dc ) at that time, the Q value, and the total efficiency are examined. The Q value is an index of AC loss and is represented by the following equation. Q = (2πfL) / R S where f: frequency (Hz) L: coil inductance (H) R S : series equivalent resistance (Ω) where the series equivalent resistance is the coil DC resistance (R dc ). It is the sum of the AC losses (R ac ) of the coil and the magnetic body. Since the frequency here is fixed at 5 MHz, the skin thickness at this time is about 30 μm.

【００３８】[0038]

【表２】 [Table 2]

【００３９】[0039]

【表３】 [Table 3]

【００４０】表２から明らかなように、本発明に従い、
コイル線の厚みａおよび幅ｂを表皮厚みδの 0.5倍以
上、８倍以下の範囲に調整することにより、特に優れた
トータル効率が得られている。As is apparent from Table 2, according to the present invention,
By adjusting the thickness a and the width b of the coil wire in the range of 0.5 times to 8 times the skin thickness δ, particularly excellent total efficiency is obtained.

【００４１】[0041]

【発明の効果】かくして、本発明によれば、コイル断線
などの不良の発生なしに、インダクタンスが高く、かつ
コイル許容電流も高い平面磁気素子を安定して得ること
ができる。As described above, according to the present invention, it is possible to stably obtain a planar magnetic element having a high inductance and a high coil allowable current without the occurrence of defects such as coil breakage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】 (a) は代表的な２重膜構造を示した図、(b)
は焼結体磁性膜の表面にクラックが発生した状態を示し
た図、(c) は焼結体磁性膜の上に複合体磁性膜を形成す
ることによってクラックを埋めた状態を示した図であ
る。FIG. 1 (a) is a diagram showing a typical double membrane structure, (b).
Is a diagram showing a state where cracks are generated on the surface of the sintered magnetic film, and (c) is a diagram showing a state in which the cracks are filled by forming a composite magnetic film on the sintered magnetic film. is there.

【図２】 平面磁気素子のコイル近傍における磁束線の
様子を示した模式図で、(a) は従来例におけるコイル近
傍に磁束線が集中した状態を示した図、(b) は本発明に
従う磁束線が磁性膜の全体を通るようになった状態を示
した図である。2A and 2B are schematic diagrams showing a state of magnetic flux lines in the vicinity of a coil of a planar magnetic element, FIG. 2A is a diagram showing a state in which magnetic flux lines are concentrated in the vicinity of the coil in a conventional example, and FIG. 2B is according to the present invention. It is the figure which showed the state where the magnetic flux line came to pass through the whole magnetic film.

【図３】 本発明に従う代表的な平面磁気素子を示した
模式図で、(a) は平面図（上部フェライト磁性層を除い
た状態）、(b) はそのＡ−Ａ断面図である。3A and 3B are schematic views showing a typical planar magnetic element according to the present invention, where FIG. 3A is a plan view (a state in which an upper ferrite magnetic layer is removed), and FIG.

【図４】 コイル線の断面形状を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional shape of a coil wire.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 基板 ２ 焼結体磁性膜 ３ 複合体磁性膜 ４ クラック４ ５ コイル ６ 上部フェライト磁性層 ７ 磁束線 ８ 端子 1 substrate 2 Sintered magnetic film 3 Composite magnetic film 4 crack 4 5 coils 6 Upper ferrite magnetic layer 7 magnetic flux lines 8 terminals

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小日置 英明 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 5E049 AB03 AC05 5E070 AA01 BA12 BB03    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hideaki Kohioki             1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi, Chiba Made in Kawasaki             Technical Research Institute of Iron Co., Ltd. F-term (reference) 5E049 AB03 AC05                 5E070 AA01 BA12 BB03

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 下部フェライト磁性層の面上に、平面コ
イルを有し、該平面コイルのコイル線間の空隙も含めて
その上に上部フェライト磁性層をそなえる平面磁気素子
であって、該下部フェライト磁性層が、コイル側にフェ
ライト磁性粉と樹脂バインダとの複合体磁性膜を介し
た、焼結体磁性膜からなる２重膜構造であることを特徴
とする平面磁気素子。1. A planar magnetic element having a plane coil on a surface of a lower ferrite magnetic layer, and including an upper ferrite magnetic layer on the plane coil including a space between coil wires of the plane coil, the flat magnetic element comprising: 2. A planar magnetic element, wherein the ferrite magnetic layer has a double-layer structure composed of a sintered magnetic film with a composite magnetic film of ferrite magnetic powder and a resin binder interposed on the coil side. 【請求項２】 請求項１において、下部フェライト磁性
層が、基板上に形成されていることを特徴とする平面磁
気素子。2. The planar magnetic element according to claim 1, wherein the lower ferrite magnetic layer is formed on the substrate.
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