(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
電源回路で使用されるパワーインダクタは、小型化、低損失化、大電流対応化が要求されており、これらの要求に対応すべく、その磁性材料に飽和磁束密度の高い金属磁性材料を使用することが検討されている。金属磁性材料は、飽和磁束密度が高いという利点があるが、その材料単体の絶縁抵抗は低く、電子部品の磁性体として使用するためには、材料粒子同士の絶縁を確保する必要がある。絶縁が確保できないと、部品本体が導通してしまったり、材料特性が劣化して、製品の損失が増加してしまったりする。
【0003】
従来は、金属磁性材料を電子部品に用いるときに、樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜でコートしたりして、材料粒子同士の絶縁を確保することが行われていた。
例えば、特許文献1には、Fe−Cr−Si合金の表面をZnO系ガラスで被覆した材料を真空、無酸素、低酸素分圧下で焼成する電子部品が記載されている。しかし、真空、無酸素、低酸素分圧下では、焼結を防ぐため、コーティングを確実にする必要があり、ガラスの添加量を多くする必要があったり、コーティングのためコストが上昇したりするといった問題がある。
このように、樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜でコートしたりする従来の手法では、絶縁性をより確実にするため、磁性材料以外の絶縁材料の量を多くすることが必要であり、磁性材料以外の体積を増加させることは磁気特性の劣化につながるという問題があった。
【0004】
また、原料由来の酸化物の層を形成する技術が開示されている(特許文献2、特許文献3)。この手法では、原料由来の酸化物の絶縁膜を利用するので、磁気特性の劣化は小さい。しかし、この手法で用いる原料由来の酸化物の絶縁膜では、絶縁性が低かったり、十分な強度が得られなかったりする場合があった。
【0005】
そこで、原料由来の酸化物の層を形成し、これに樹脂含浸する等の手法も開示されている(特許文献4)。しかし、含浸等の手法は、コストが上昇するばかりか、製品の安定性を欠くため、実用性が低かった。
【0006】
さらに、特許文献5には、鉄系化合物をコアとし、その周りに金属化合物のシェルを形成したコアシェル構造の金属磁性粉末と、ガラスとを含む磁性層材料が開示されている。しかし、この手法では、コアシェル構造を構成するために、コアを構成する材料に対してシェル形成材料をコーティングする必要があり、上述した粒子を絶縁膜でコートする従来の手法と同様に、コストの上昇や、コーティング材料(シェル形成材料)の量を多くするために磁気特性の劣化につながるという問題があった。
【0007】
電子部品用の金属磁性材材料には、磁性粒子同士を、最小の絶縁層で絶縁して、高い絶縁性を確保する必要がある。また、絶縁膜は電気的、機械的にも強固である必要がある。しかし、上記いずれの従来技術であっても、上述したように何らかの未解決な問題点を有していた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の課題は、絶縁を確実に行え、かつ、飽和磁束密度の高い金属磁性材料と、この金属磁性材料を用いた低損失、かつ、直流重畳特性の良好な電子部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
【0017】
請求項
1の発明は、鉄と、ケイ素と、クロムとを含有する
、その表面に金属酸化物を形成するための処理が行われていない金属磁性合金粉末と、亜鉛と、が混在した金属磁性材料を用いて素体(11,21)が形成され、前記素体を熱処理することにより、前記金属磁性合金粉末の表面には、亜鉛が析出
され、前記素体中の金属磁性合金粉末同士が、前記亜鉛を介して結合
され、前記素体中にコイル(12a,12b,12c,22)が形成
されること、を特徴とする電子部品(10,20)
の製造方法である。
【0018】
請求項
2の発明は、鉄と、ケイ素と、クロムとを含有する
、その表面に金属酸化物を形成するための処理が行われていない金属磁性合金粉末と、亜鉛と、が混在した金属磁性材料を用いて素体(11,21)が形成され、前記素体を熱処理することにより、前記金属磁性合金粉末の表面には、亜鉛系フェライトが析出
され、前記素体中の金属磁性合金粉末同士が、前記亜鉛系フェライトを介して結合
され、前記素体中にコイル(12a,12b,12c,22)が形成
されること、を特徴とする電子部品(10,20)
の製造方法である。
【0019】
請求項
3の発明は、前記素体(11,21)の体積抵抗率が10
7Ω・cm以上である
請求項1又は請求項2に記載の電子部品(10,20)
の製造方法である。
【0020】
請求項
4の発明は、前記素体(11,21)の抗折強度が30MPa以上である
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の電子部品(10,20)
の製造方法である。
【0022】
請求項
5の発明は、前記素体(11,21)中の金属磁性合金粉末同士が、その表面に金属酸化物を介することなく前記素体を構成する他の材料を介して結合されている部分を有する
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電子部品(10,20)
の製造方法である。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、金属磁性材料は、鉄と、ケイ素と、クロムとを含有する金属磁性合金粉末と、亜鉛とが混在している。よって、金属磁性材料は、絶縁を確実に行え、かつ、飽和磁束密度の高い材料とすることができる。また、この金属磁性材料を用いた電子部品は、低損失、かつ、直流重畳特性の良好なものとすることができる。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。
【0026】
(第1実施形態)
図1は、本発明による電子部品10の第1実施形態を示す斜視図である。
図2は、本発明による電子部品10の分解斜視図である。
図2では、外部端子13,14を省略している。
なお、
図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
【0027】
電子部品10は、素体11と、外部端子13,14とを備えた積層型のインダクタである。
素体11は、
図2に示すように、金属磁性体層11a,11b,11c,11dと、コイル用導体パターン12a,12b,12cとを有している。
【0028】
金属磁性体層11aから11dは、金属磁性合金粉末と、亜鉛と、が混在する金属磁性材料により形成されている。
金属磁性合金粉末は、金属磁性体として、鉄(Fe)と、ケイ素(Si)と、クロム(Cr)とを含有する金属磁性合金(いわゆる、Fe−Cr−Si系金属磁性合金)の粉末である。素体11(金属磁性体層11aから11d)中では、金属磁性合金粉末の表面には、亜鉛系フェライトが析出しており、素体11中の金属磁性合金粉末同士が、亜鉛系フェライトを介して結合されている。金属磁性体層11aから11dを形成する金属磁性材料の詳細については、後述する。
【0029】
コイル用導体パターン12aから12cは、銀、銀系、金、金系、銅、銅系等の金属材料をペースト状にした導体ペーストを用いて形成されている。
【0030】
金属磁性体層11aの表面には、コイル用導体パターン12aが形成されている。このコイル用導体パターン12aは、1ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン12aの一端は、金属磁性体層11aの端面に引き出されており、外部端子13に接続されている。
金属磁性体層11bの表面には、コイル用導体パターン12bが形成されている。このコイル用導体パターン12bは、1ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン12bの一端は金属磁性体層11bのスルーホール内の導体を介してコイル用導体パターン12aの他端に接続されている。
金属磁性体層11cの表面には、コイル用導体パターン12cが形成されている。このコイル用導体パターン12cは、1ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン12cの一端は、金属磁性体層11cのスルーホール内の導体を介してコイル用導体パターン12bの他端に接続される。また、コイル用導体パターン12cの他端は、金属磁性体層11cの端面に引き出されており、外部端子14に接続されている。
このコイル用導体パターン12cが形成された金属磁性体層11cの上には、コイル用導体パターンを保護するための金属磁性体層11dが形成されている。
なお、ここでは、理解を容易にするために、金属磁性体層を4層としているが、この層の数を増加させて、コイルパターンの実質的な巻き数を増やしてもよい。
【0031】
このように、金属磁性体層間のコイル用導体パターン12aから12cによって素体11内にコイルパターンが形成されている。そして、コイル用導体パターン12aから12cは、
図2に示すように素体(成形体)11の両端面に形成された外部端子13と外部端子14との間に接続されている。
【0032】
上述した構成を有する本実施形態の電子部品10は、以下のようにして製造される。先ず、所定組成のFe−Cr−Si合金の粉末に所定量のZnO(酸化亜鉛)添加物を加えた後、混合して、PVA(ポリビニルアルコール)等のバインダをさらに添加する。そして、これを混練してペースト状にして金属磁性材料ペーストを得る。また、コイル用導体パターン12aから12cを形成する導体ペーストを別途用意する。この金属磁性材料ペーストと導体ペーストとを交互に層状に印刷することにより、素体(成形体)11が得られる。得られた素体11は、所定温度で脱バインダ処理、及び、熱処理が行われて、電子部品10が得られる。なお、外部端子13,14については、例えば、熱処理後に形成することができる。この場合、例えば、熱処理後の素体11の両端に、外部端子用の導電ペーストを塗布した後、加熱処理を行い、外部端子13,14を設けることができる。
【0033】
本実施形態では、素体11を構成する金属磁性体層11aから11dに用いられる金属磁性材料に、上述したように、金属磁性合金粉末に対してZnO添加物を混合したものを用いることにより、磁気特性と絶縁特性との両立を図っている。以下、この金属磁性材料について、より具体的な実施例を、比較例を含めた比較試験結果を挙げて説明する。
【0034】
図3は、比較試験を行った実施例と比較例の組成と比較試験結果とをまとめて示した表である。
比較試験には、本発明による実施例を2例用意し、比較例を5例用意した。
この比較実験では、所定組成のFe−Cr−Si合金の粉末に
図3に示す所定量の添加物を加えた後、混合して、PVA等のバインダをさらに添加し、これを混練した金属磁性材料ペーストを用いて素体(成形体)を形成し、400℃〜600℃で脱バインダ(脱脂)処理を行った後、800℃で熱処理してインダクタを作製した。なお、Fe−Cr−Si合金の粉末は、その表面に金属酸化物を形成するための処理が行われていないものを用いている。すなわち、特別な処理が行われていない、Fe−Cr−Si合金の粉末そのものを用いている。
【0035】
実施例1及び実施例2の金属磁性材料は、ZnOを添加することにより、無添加の場合(比較例3,4,5)よりも、絶縁抵抗が上昇し、抗折強度も上昇している。
【0036】
また、複素透磁率μ’等の磁気特性についても、実施例1及び実施例2の金属磁性材料は、ZnOを添加することにより、無添加の場合(比較例3,4,5)と同等の性能を確保できている。
【0037】
図3に示した比較試験結果において、無添加時に対する複素透磁率μ’の低下が20%以内であり、かつ、体積抵抗率が10
7Ω・cm以上であり、かつ、抗折強度が30Mpa以上のものを「可」、それ以外を「不可」として判定した結果を判定欄に示した。この条件は、インダクタとして利用可能な最低限の条件として設定してある。実施例1及び実施例2の金属磁性材料は、上記条件を満たして「可」となっている。この結果からすると、上記条件を満たすためには、ZnOは、1.0wt%以上、2.0wt%以下の添加量が必要との結果が得られている。
一方、比較例の未添加品や軟化点の高いホウケイ酸ガラス、又は、ZnO以外の酸化物であるNiOを添加した比較例3から比較例5では、上記条件を満たす特性は得られなかった。この理由としては、Znフェライトの生成温度が関連していると考えられる。
なお、比較例1及び比較例2については、実施例と同様にZnOを添加したが、添加量が1.0wt%以上、2.0wt%以下の範囲を外れており、このような添加量不足、又は、添加量過多の場合には、抗折強度が低下したので、不可の判定となり、比較例としてある。
【0038】
ZnOを添加したことにより、Fe−Cr−Si合金の表面にZnフェライトが生成したことは、X線回折やSEM−EDXにより確認できる。
図4は、実施例2の金属磁性材料を用いた場合における、原料粉末を混合したもの、これを脱バインダ処理(ここでは400℃)したもの、さらにこれを800℃で熱処理したもののX線回折図である。なお、
図4では、3種類の線図が重ならないように、縦軸(強度)の基準位置をずらして示している。
原料を混合しただけのものと脱バインダ後のものとは、いずれも2θ=30から40にZnOのピークが確認される。しかし、800℃の熱処理を行ったものでは、ZnOのピークは消失し、代わりにスピネルフェライト(ZnFe
2O
4)のピークが出現している。Zn添加の無いサンプルでは、この変化は確認されない。
【0039】
コイル用導体パターン12aから12cには、例えば、銀(Ag)等の金属を用いることができるが、これらの金属は、800℃以上の温度で熱処理を行うことにより、焼結が進んで抵抗値を下げることができる。しかし、熱処理温度が800℃に満たないと、金属の焼結が進まず、抵抗値が高いままとなってしまう。熱処理は、コイル用導体パターン12aから12cによって成形体内にコイルパターンが形成されている状態で行われる。したがって、コイル用導体パターン12aから12cの金属の熱処理に必要な800℃まで温度を上げて熱処理を行っても、金属磁性体層11aから11dの透磁率が必要な値を維持していることが必要である。
【0040】
図5は、実施例2の金属磁性材料を用いた場合における、800℃で熱処理後の材料断面のZn分布を示す写真である。
図5(a)は、SEMによる写真であり、
図5(b)は、
図5(a)と同じ部位のSEM−EDXによる写真である。
図5(b)において白く表示されている部分が、Znの存在している部分である。
図5を見ると、Znは、粒子の表面と粒子間に偏析して析出おり、粒子の内部には存在していない。すなわち、Znフェライトが粒子表面に形成されていることが確認できる。
【0041】
なお、比較例1及び比較例2のようにZnOを添加してもよい結果が得られない場合もある。したがって、本発明のZnOを含む金属磁性材料を使用するときには、金属材料の粒子径、熱処理を行う温度によって添加の最適量を設定すればよい。なお、金属磁性合金粉末の粒子径が大きくなれば必要なZnOの量は減少する(表面積が減る)。また、熱処理温度を上げる場合にも、添加量を調整するとよい。
【0042】
以上説明したように、第1実施形態によれば、鉄と、ケイ素と、クロムとを含有する金属磁性合金粉末と、亜鉛とが混在する金属磁性材料を用いた。よって、第1実施形態の電子部品10は、導体の抵抗値を下げるために必要な熱処理温度で熱処理を行っても、十分な透磁率を確保でき、低損失、かつ、直流重畳特性の良好な高特性の積層インダクタとすることができる。また、第1実施形態では、金属磁性合金粉末に対してその表面に金属酸化物を形成するためのコーティング等の処理が不要であり、製造工程を簡素化できる。
【0043】
(第2実施形態)
図6は、本発明による電子部品20の第2実施形態を示す斜視図である。
図7は、電子部品20の断面図である。
第2実施形態の電子部品20は、素体21と、コイル22とを備えた巻線型のインダクタである。第2実施形態の電子部品20は、その製造方法が異なることから、コイル22の形態及び材料が第1実施形態とは異なっている。一方、素体21を形成する金属磁性材料は、第1実施形態の金属磁性体層11aから11dを形成する金属磁性材料と同様なものを用いている。
よって、前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【0044】
コイル22は、断面が矩形の平角導線をエッジワイズ巻で螺旋状に巻回して構成されている。コイル22は、被膜を有する導線を用いてもよいし、密着巻きにしなければ、素体21が絶縁性を有することから、被覆の無い導線を用いてもよい。
コイル22は、金属磁性合金粉末と、亜鉛と、が混在する金属磁性材料により形成されている素体21により、その周囲が覆われている。
また、コイル22の両端は、素体21の端面から引き出され、底面に折り曲げられている。
【0045】
上述した構成を有する本実施形態の電子部品20は、以下のようにして製造される。
先ず、所定組成のFe−Cr−Si合金の粉末に所定量の添加物(ZnO)を加えた後、混合して、PVA等のバインダをさらに添加する。そして、これを造粒して金属磁性材料を得る。また、コイル22を所定形状に形成する。
次に、コイル22が収納された金型内にこの樹脂のバインダに混合された金属磁性材料の粉を注入し、これに圧力を加えて素体21を形成する。
次に、この素体21は、大気中において400℃程度の温度で脱バインダ処理された後、例えば、800℃で熱処理が行われ、電子部品20が得られる。
【0046】
以上説明したように、第2実施形態によれば、巻線型の電子部品20についても、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。
【0047】
(変形形態)
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
【0048】
(1)各実施形態において、金属磁性材料の具体的な組成の例を挙げて説明したが、これに限らず、各成分の分量(構成比率)は、磁性材料の粒子径や所望の磁気特性等に応じて適宜変更してもよい。
【0049】
(2)各実施形態において、熱処理を行う温度について、具体例を挙げて説明したが、これに限らず、熱処理を行う温度は、磁性材料の粒子径や所望の磁気特性等に応じて適宜変更してもよい。
【0050】
(3)各実施形態において、金属磁性材料に添加する添加物は、Znoである例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、添加物はZnOを含む酸化物やZnの化合物、Zn系フェライト等を含むものでもよい。
【0051】
(4)各実施形態において、金属磁性材料に含まれている金属磁性合金粉末は、その表面に酸化物が形成されていないものとして説明を行った。これに限らず、例えば、金属磁性合金粉末の表面には、酸化物が形成されていてもよい。金属磁性合金粉末は、自然に酸化が進んだり、高温の熱処理において酸化が進んだりして、その表面に、金属磁性合金粉末に由来する金属酸化物が例えば部分的に、又は、全体的に、自然に形成されてしまうこともある。本発明では、この金属磁性合金粉末に由来する金属酸化物による絶縁性について期待するものではないが、この金属酸化物が金属磁性合金粉末の表面に形成されていても、何ら支障は無い。
【0052】
(5)各実施形態において、金属磁性合金粉末の表面には、亜鉛が析出している例を挙げて説明を行った。これに限らず、例えば、金属磁性合金粉末の表面には、亜鉛の他に、金属磁性合金粉末を構成する元素の混合物がさらに析出していてもよい。また、これと関連して、素体中の金属磁性合金粉末同士が、亜鉛と金属磁性合金粉末を構成する元素との混合物を介して結合されていてもよい。
【0053】
なお、各及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。