(57)【要約】【課題】低コストで磁気特性のばらつきを小さくできる磁気素子およびその製造方法を提供すること。【解決手段】コイル導体２の垂直部２ａを図示しないリードフレームの一部で形成し、このリードフレームを絶縁膜もしくはフェライトで被覆した磁性粒子の粉末に埋め込み、型成形し、磁性圧粉体１とし、リードフレームの枠板と固定板を除去して垂直部２ａの端面３を露出させ、この端面３同士を導線で接続してコイル導体２の水平部２ｂ、２ｃを形成することによって、縦横比の大きな形状のコイル導体２が形状を変形させずに再現性よく形成できて、磁気特性のばらつきを小さくできる磁気素子を提供することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性磁性粒子の粉末を固めて形成される磁性板と、該磁性板に埋め込まれ、端面が露出した複数個の導体柱と、コイル導体を形成するために前記導体柱の端面同士を接続する導線とを有することを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記絶縁性磁性粒子が、酸化物磁性材料であるフェライト粒子または絶縁膜もしくはフェライトを被覆した金属磁性粒子であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記コイル導体を構成する前記導体柱が、低抵抗金属または高融点金属であり、前記導線が低抵抗金属であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記低抵抗金属がＡｌ、Ｃｕ、ＡｕおよびＡｇのいずれか一つであることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記高融点金属がＰｔ、Ｗ、ＭｏおよびＴａのいずれか一つであることを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気素子の製造方法において、前記磁性板が前記粉末を圧縮成形して形成される磁性圧粉体であることを特徴とする磁気素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気素子の製造方法において、前記磁性板を所定の温度で熱処理することを特徴とする磁気素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気素子の製造方法において、前記導線がボンディングワイヤであり、該ボンディングワイヤをワイヤボンダーで前記端面に固着することを特徴とする磁気素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源用トランス、リアクトル等の磁気素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器は小型・軽量化されてきており、なおかつ低消費電力化が求められている。これに伴い電子機器に搭載される電源として小型のスイッチング電源に対する要求が高まっている。特にノート型パソコンや携帯電話等の小型携帯機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源では、小型・薄型化が強く求められている。しかしながら、従来のスイッチング電源は、その主要な構成部品であるトランス、リアクトル等の磁気素子が大きな体積を占め、小型・薄型化することに限界があった。これら磁気素子の体積を縮小しない限り、スイッチング電源を小型・薄型化することは困難となっていた。
従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランス、リアクトルなどの磁気素子には、センダストやパーマロイ等の金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有するが、電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では渦電流損失が大きくなってしまい、近年の傾向である高速動作や、高周波駆動により必要なインダクタンス値を下げて磁気素子の小型化を図ることが困難である。
【０００３】
一方、酸化物磁性材料は、飽和磁束密度が小さいが、金属磁性材料に比べて電気抵抗率が高く、高周波数領域での渦電流損失がほとんどないので、小型の磁気素子材料として用いられる傾向にある。
また、前記の金属磁性材料も、絶縁皮膜で表面を覆った金属磁性粒子を固めた複合磁性材料とすることによって、高周波数領域でも発生する渦電流損失を抑えることができる。  この複合磁性材料を用いて磁気素子を作製する場合は、当該複合磁性粒子をプレス圧縮成形などでコア形状とし、熱処理などを行い、ソレノイドコアやトロイダルコアを形成する。トロイダル状コアの場合、絶縁被覆された導線を巻きつける。また、ソレノイド状コアの場合は、あらかじめ導線を巻きつけたボビンにコアを入れたり、スパイラル形のコイルをコアにはめ込んでいる。
【０００４】
しかし、磁気素子の小型・薄型化によって、ソレノイドコアやトロイダルコアなどに巻線を施す作業が微細な作業となり、難しく、時間がかかる作業となっている。このために、磁性粉末中に導体よりなるコイルを埋め込み、圧縮成形して得たコイル内蔵圧粉コアを備えたトランスまたはリアクトルが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特許文献１では、有機絶縁結合材を付加した磁性粉末を、電磁コイルと組み合わせて同一金型中で圧縮成型して得られる圧粉磁心の絶縁に信頼性のある製造方法が開示されている。特許文献２でも、絶縁性を有する物質で表面を被覆した金属磁性粉末を金属巻線と一体で成型する方法が開示されている。
また、超小型電力変換装置に用いられる平面型磁気誘導素子をフェライト基板をコアとして形成した例が特許文献３で開示されている。
【特許文献１】特公昭５４−２８５７７号公報
【特許文献２】特開平６−１１２０３４号公報
【特許文献３】特開２００４−７２８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、磁気素子の小型・薄型化、特に、薄膜化が一層進んでいる。例えば、厚さが２ｍｍ〜３ｍｍ以下となりつつあり、巻線の断面の縦横比１０（縦１に対して横１０）程度と極めて薄くなってきている。前記の特許文献１や特許文献２に記載の磁性粉末と金属巻線の一体で成型する方法では、金属巻線を所望の形状に正確に保持することが困難であり、形状にばらつきが発生して、そのため、特性がばらついてしまう。また、特許文献３に記載されてている平面型磁気誘導素子の製造方法において、フェライト基板にコイル導体の垂直部を形成する貫通孔を開ける工程が必要となり、またコイル導体を形成するための金属コーティングやエッチングなどの複雑な工程が必要となり製造コストが増大する。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、低コストで磁気特性のばらつきを小さくできる磁気素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、絶縁性磁性粒子の粉末を固めて形成される磁性板と、該磁性板に埋め込まれ、端面が露出した複数個の導体柱と、コイル導体を形成するために前記導体柱の端面同士を接続する導線とを有する構成とする。
また、前記絶縁性磁性粒子が、酸化物磁性材料であるフェライト粒子または絶縁膜もしくはフェライトを被覆した金属磁性粒子であるとよい。
また、前記コイル導体を構成する前記導体柱が、低抵抗金属または高融点金属であり、前記導線が低抵抗金属であるとよい。
また、前記低抵抗金属がＡｌ、Ｃｕ、ＡｕおよびＡｇのいずれか一つであり、前記高融点金属がＰｔ、Ｗ、ＭｏおよびＴａのいずれか一つであるとよい。
また、前記磁性板が前記粉末を圧縮成形して形成される磁性圧粉体であるとよい。
【０００７】
また、前記磁性板を所定の温度で熱処理するとよい。
また、前記導線がボンディングワイヤであり、該ボンディングワイヤをワイヤボンダーで前記端面に固着するとよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、コイル導体の垂直部を絶縁膜が被覆した磁性粒子の粉末に埋め込み、型成形し、垂直部の端面を露出させ、この端面同士を導線で接続してコイル導体の水平部を形成することによって、縦横比の大きな形状のコイル導体が形状を変形させずに再現性よく形成できて、磁気特性のばらつきを小さくできる磁気素子を提供することができる。
また、コイル導体の垂直部を形成するための貫通孔やコイル導体形成のための金属コーティングやエッチング工程が不要であるため、製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の最良の形態は、絶縁性磁性粒子の粉末にコイル導体の垂直部を埋め込み圧縮成形し、その後でコイル導体の水平部を形成することで、形状を変形させずにコイル導体を形成できることである。具体的には以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、この発明の第１実施例の磁気素子の構成図であり、同図（ａ）は要部斜視図、同図（ｂ）は要部平面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
コイル導体２は垂直部２ａと水平部２ｂ、２ｃで構成され、ソレノイド状となっている。このコイル導体２の垂直部２ａ（請求項に記した導体柱のこと）は磁性圧粉体１に埋め込まれ、コイル導体２の水平部２ｂ、２ｃは露出したコイル導体２の端面３にボンディングワイヤ（請求項の導線のこと）を固着して形成される。コイル導体２の垂直部２ａの材質はＣｕであり、垂直部２ａの断面寸法（Ｌ１×Ｌ２）は０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり、垂直部２ａは対向して８対あり、垂直部２ａの間隔Ｌ３（ピッチ）は１ｍｍ、垂直部の長さＬ４は２ｍｍ、対の間隔Ｌ５は８ｍｍ、水平部２ｂ、２ｃの高さＬ６は０．５ｍｍである。つまり、コイル導体２の占める大きさは８ｍｍ（（１ｍｍ×７＋０．５ｍｍ×２））×９ｍｍ（８ｍｍ＋０．５ｍｍ×２）×３ｍｍ（２ｍｍ＋０．５ｍｍ×２）である。また、コイル部の断面積は２ｍｍ×８ｍｍとなる。このコイル導体２の垂直部２ａの材質は、前記Ｃｕの他にＡｌ、ＡｕおよびＡｇなどの低抵抗の金属材料やＰｔ、Ｗ、ＭｏおよびＴａなどの高融点金属材料としてもよい。
【００１１】
磁性圧粉体１（請求項の磁性板のこと）は、粒子径が２０μｍφ程度の金属磁性粒子（具体的には８０％程度のＮｉと２０％程度のＦｅの合金粉）の表面に５０ｎｍ程度の厚さの酸化膜を形成した絶縁性の磁性粉末を４９０ＭＰａ（５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度の圧力で圧縮成形して形成される。この磁性圧粉体１は圧粉磁心となる。この磁性圧粉体１の厚みは２ｍｍ程度である。
尚、図中の２ｂはコイル導体２の水平部２ｂの表側であり、２ｃは点線で示したコイル導体２の水平部２ｃの裏側であり、１００は磁気素子、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は垂直部２ａの縦幅、横幅、間隔である。
つぎに、磁性素子１００の製造方法について説明する。
図２から図７は、図１の磁性素子の製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程図である。図３から図６は図２（ｃ）に示した断面図で説明する。
【００１２】
図２において、枠板１２と、コイル導体２の垂直部２ａに当たる導体柱（ピン金属）とを有するリードフレーム片１１ａ（同図（ａ））をコの字型に曲げたものを２個準備し、互いを対向させて固定板１４を固着してリードフレームを形成する（同図（ｂ））。尚、同図（ｃ）は同図（ｂ）の矢印方向から見た断面図である。
リードフレーム１１の材質はＣｕであり、コイル導体２の垂直部２ａは断面に相当する箇所の大きさ（Ｍ１×Ｍ２）が０．５ｍｍ×０．５ｍｍで８対あり、垂直部２ａに相当する箇所の間隔Ｍ３（ピッチ）は１ｍｍで、垂直部に相当する箇所の長さＭ４は３ｍｍで、対の間隔に相当する間隔Ｍ５は８ｍｍである。
つぎに、内寸が２０ｍｍ×２０ｍｍ×６ｍｍ（深さ）程度のステンレス系の金型にリードフレーム１１を入れ、粒子径が２０μｍφ程度の金属磁性粉末（前記のように具体的には８０％程度のＮｉと２０％程度のＦｅの合金粉）の表面に５０ｎｍ程度の厚さの酸化膜を形成した絶縁性の磁性粉末２２をこの金型２１に投入し、５ｍｍ程度の高さに全体をよくならす（平坦にする）（図３）。
【００１３】
つぎに、上蓋２３をはめ込み、プレス台２４にセットし、プレス上板２５により４９０ＭＰａの圧力で磁性粉末２２を圧縮成形する。成形された磁性粉末２２は磁性圧粉体１となる。この磁性圧粉体１の平面の大きさは２０ｍｍ×２０ｍｍで厚みが４ｍｍ程度である（図４）。
つぎに、この磁性圧粉体１を金型２１から取り出す（図５）。
つぎに、両面を研磨して垂直部２ａを支える枠板１２と固定板４を除去し、磁性圧粉体１の厚さを２ｍｍとする。このとき、垂直部２ａの端面３は磁性圧粉体１から露出する。また、垂直部の長さも２ｍｍとなる（図６）。
つぎに、垂直部２ａの端面３に１００μｍφ程度のＡｕ線をワイヤボンディングして、コイル導体の水平部２ｂ、２ｃを形成し、ソレノイド状のコイル導体２が形成される（図７）。水平部２ｂ、２ｃの高さＬ６は、ボンディングされたワイヤのループ高さも含め０．５ｍｍ程度となる。
【００１４】
尚、磁気特性を改善するために、磁性圧粉体１（圧粉磁心）を空気中で５００℃〜９００℃の温度範囲で１分間以上の赤外線アニール処理を施すとよい。この熱処理は図５の工程の後に行うとよい。また、磁性圧粉体１の大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍとコイル導体２の平面の大きさ８ｍｍ×９ｍｍに比べて大きくするのは、コイル導体２の外側の磁性圧粉体１にも磁束（帰り磁束のこと）を通るようにしてインダクタンス値を大きくするためである。
このようにして、３個の磁気素子１００を形成し、１０ｋＨｚにおけるインダクタンス値（所謂、直流インダクタンス値）を測定した。その結果を表に示す。実施例は、インダクタンス値が２．１μＨ〜２．２μＨであり、ばらつきが小さかった。また、比較例についても示した。
【００１５】
【表１】
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つぎに、上表の比較例として製作した図示しない磁気素子について説明する。
０．５ｍｍφの銅線でコイル導体を作製し、実施例のリードフレームの代わりにこのコイル導体をステンレス製の金型にいれて、上記の鉄粉末とともに同様の条件で圧縮成形した。ここでコイルの形状は、コイルコア部の断面が２ｍｍ×８ｍｍ、長さが８ｍｍ、巻数が８ターンとなるようにした。成形した磁性圧粉体は両面を研磨し、コイル導体を切らないために厚みを４ｍｍとした。また、実施例と同様に熱処理もおこなった。
このようにして作製した磁気素子３個について、１０ｋＨｚにおけるインダクタンス値を測定した。その結果を表１に示す。インダクタンス値が１．０μＨ〜１．５μＨと実施例より小さく、ばらつきも大きかった。磁気素子の断面を観察するとコイル導体の形状が潰れるように変形してコイル断面積が前記の実施例の場合の半分程度と小さくなり、しかもそのコイル断面積に大きなばらつきが生じるため、インダクタンス値は小さくなり、ばらつきが大きくなるものと考えられる。
【００１６】
つまり、リードフレーム１１を用いてコイル導体２の垂直部２ａを形成することで、縦横比が１０倍程度の大きなコイル導体２でも磁性粉末を圧縮成形する時の圧力でも変形することがないので、磁気特性（インピーダンス）のばらつきが小さな薄型の磁気素子１００を形成することができる。
また、特許文献３で開示されているものと比べて、コイル導体の垂直部を形成するための貫通孔の形成は不要であり、製造コストを低くできる。
また、前記の実施例では、１対のリードフレーム片をつないでリードフレーム１１として使用したが、図８のような金属板を点線Ａ〜Ｄ（同図（ａ））で示した箇所で折り曲げてコの字状にしたリードフレーム１５（同図（ｂ））を形成し、このリードフレーム１５を使用した場合でも、前記と同様の磁気素子１００を製作することができる。この場合はＡ−Ｃ間の長さ、Ｂ−Ｄ間の長さがコイル導体２の垂直部２ａの長さとなる。図中の１６は枠板であり、１７は開口部である。
【００１７】
尚、本発明は、前記のインダクターだけでなく、このコイル導体２を２個対向して配置したトランスなどの磁気素子にも適用できる。
また、磁性圧粉体１の形成に用いられる磁性粉末に関し、金属磁性粒子の表面に形成される酸化膜は、前記の絶縁性のもの以外にフェライトなどの高抵抗磁性材料であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１実施例の磁気素子の構成図であり、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は要部平面図、（ｃ）は（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図２】図１の磁性素子の製造工程図
【図３】図２に続く、図１の磁性素子の製造工程図
【図４】図３に続く、図１の磁性素子の製造工程図
【図５】図４に続く、図１の磁性素子の製造工程図
【図６】図５に続く、図１の磁性素子の製造工程図
【図７】図６に続く、図１の磁性素子の製造工程図
【図８】図２と異なるリードフレーム図
【符号の説明】
【００１９】
１    磁性圧粉体
２    コイル導体
２ａ  垂直部（コイル導体の一部）
２ｂ  水平部（コイル導体の一部で表側）
２ｃ  水平部（コイル導体の一部で裏側）
３    端面
１１、１５  リードフレーム
１２、１６  枠板
１３、１７  開口部
１４    固定板
２１    金型
２２    磁性粒子
２３    上蓋
２４    プレス台
２５    プレス上板
Ｌ１    垂直部の縦幅
Ｌ２    垂直部の横幅
Ｌ３    垂直部の間隔（ピッチ）
Ｌ４    垂直部の長さ
Ｌ５    対の間隔
Ｌ６    水平部の高さ
Ｍ１    リードフレームの厚さ（垂直部に相当する箇所の縦幅）
Ｍ２    垂直部に相当する箇所の横幅
Ｍ３    垂直部に相当する箇所の間隔（ピッチ）
Ｍ４    垂直部に相当する箇所の長さ
Ｍ５    対の間隔に相当する間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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