CN101889319A - 叠层电感器以及使用该叠层电感器的功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种叠层电感器，在磁性体部中埋设线圈、在磁路的一部分具备由非磁性体部构成的磁隙，其特征在于，所述磁性体部由在-40℃～+80℃间起始磁导率的相对温度系数αμir(频率1MHz)为超过+10ppm/℃且+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体构成，所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn的居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体构成，在所述非磁性体部和所述磁性体部的边界区域，Zn含有量连续地变化，由此所述磁隙的厚度根据温度而改变。

Description

叠层电感器以及使用该叠层电感器的功率转换装置
技术领域
本发明涉及具有磁隙的叠层电感器以及采用了该叠层电感器的功率转换装置。
背景技术
便携式的各种电子设备(便携电话、便携信息终端PDA、笔记本型电脑、DVD播放器、CD播放器、MD播放器、数码相机、数码摄像机等)大多采用电池作为电源，具备DC/DC转换器作为将电源电压转换为规定的动作电压的功率转换装置。以往电源配置在输入端子附近并与半导体(IC)等负载连接，但是最近，对于半导体的低电压化和大电流化、由布线引起的电压下降、以及对由电路阻抗的上升引起的电流变化的响应延迟这样的集中供电方式中的问题逐步显现。因此，使用了在负载附近配置电源的被称为POL(Point of Load)的集中供电方式。例如，在输入端子附近配置绝缘型的DC/DC转换器，并在负载附近配置非绝缘型的DC/DC转换器。
图19表示非绝缘型DC/DC转换器的电路的一例。该DC/DC转换器是由输入电容器Cin、输出电容器Cout、电感器1(Lout)以及包括控制电路等的半导体集成电路IC构成的降压型DC/DC转换器。直流输入电压Vin根据来自控制电路的控制信号，对半导体集成电路IC内的开关元件(场效应晶体管)进行开关。设开关元件导通的时间为Ton、关断的时间为Toff，则对于输入电压Vin，输出电压Vout按照Vout＝Ton/(Ton+Toff)×Vin的方式被降压。即使输入电压Vin发生变动，也能够通过调整Ton和Toff的比例从而获得稳定的输出电压Vout。
以往的DC/DC转换器电路是在印刷线路基板等上搭载了开关元件、包括控制电路的半导体集成电路(有源元件)、电感器、电容器等无源元件的分立电路，但伴随电子设备的小型化，电路整体被模块化。此外为了降低输出电压的变动，开关的高速化得到发展，最近，以1MHz到5MHz的开关频率动作的DC/DC转换器也被普及，并且还在进行更高频化。
DC/DC转换器被使用于各种环境，暴露于半导体集成电路IC或外围电路的发热，所以DC/DC转换器内的电感器需要具有稳定的温度特性，此外，由于重叠于三角波状的交流电流中而流过直流电流，所以还需要具有良好的直流重叠特性。
由于DC/DC转换器的电压转换效率受在开关元件或电感器发生的损失的影响较大，所以要求电感器中所用的铁氧体(ferrite)磁性体在开关频率附近为低损失。而且，对于电感器，要求对铸型用树脂的硬化时等所产生的应力特性变动少、稳定从而低损失。
以往，这种DC/DC转换器用电感器大多是在铁氧体磁芯卷设了铜丝的所谓绕线型。但是，绕线型的电感器越小型，磁芯的加工越困难，强度也越降低。此外，绕线型的电感器是开磁路型，其漏磁通影响外围的电路元件，所以不能靠近电感器来配置外围的电路元件，难以降低安装面积。
伴随以便携设备为首的电子设备的小型化以及多功能化发展，也要求其中所用的电源电路的小型化(省空间化以及薄型化)。但是，因为绕线型的电感器占有面积大且体型高，所以对应不了基于高开关频率化的电路的小型化。因此，变成采用将导体线路与铁氧体磁性体一体化从而减少了漏通量的闭磁路型的叠层电感器。
电感器用铁氧体磁性体要求饱和磁通密度高、使用温度范围中饱和磁通密度以及起始磁导率的变化小。作为这种铁氧体磁性体，日本特开2005-97085号公开了如下的Ni系铁氧体，即：含有45.5～48.0mol％的Fe2O3、5～10mol％的CuO、26～30mol％的ZnO，剩余部分实质上对于NiO的主成分100重量％，作为副成分用CoO换算含有0.005～0.045重量％的氧化钴，-40℃～+20℃下的起始磁导率的相对温度系数(αμir)的绝对值、以及20℃～160℃下的αμir的绝对值都是3ppm/℃以下，100kHz下的品质系数(Q值)是170以上，抗应力特性的绝对值是5％以下。虽然该Ni系铁氧体具有温度特性稳定的电感量，但是DC/DC转换器用电感器中重要的饱和磁通密度Bs的温度特性不充分。
图20示意地示出αμir的绝对值小的铁氧体磁性体的磁化曲线。一般，温度变高(温度：T3＞T2＞T1)，越接近居里(Curie)温度Tc，铁氧体磁性体的饱和磁通密度Bs越降低。因此，饱和磁通密度的温度变化在磁场H小时很小，但在磁场H变大时，急剧地变大。
在图21中示出采用了具有这样的磁化特性的铁氧体磁性体的电感器的直流重叠特性。在重叠电流Idc小时，电感量的温度变化小，但在重叠电流Idc大时，伴随温度变高，电感量显著降低。因此，基于反馈电流的DC/DC转换器的控制变得困难，不能获得稳定的动作。
发明内容
因此本发明的第一目的是提供一种由温度引起的电感量的变化小、磁特性的温度特性良好、直流重叠特性也良好的叠层电感器以及功率转换装置。
本发明的第二目的是提供一种在开关频率附近低损失的叠层电感器以及功率转换装置。
本发明的第一叠层电感器具有磁性体部、埋设在所述磁性体部中的线圈、和构成所述线圈的磁隙的非磁性体部，其特征在于，所述磁性体部由在-40℃～+80℃间起始磁导率的相对温度系数αμir(频率1MHz)为超过+10ppm/℃且+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体构成，所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn且居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体构成，在所述非磁性体部和所述磁性体部的边界区域，Zn含有量连续地发生变化，由此所述磁隙的厚度根据温度而改变。
在Zn含有量连续地变化的边界区域，由于伴随Zn含有量增大而居里温度Tc降低并且起始磁导率增大，所以与磁性体部侧相比，非磁性体部侧具有成为高磁导率的倾向。
本发明的第二叠层电感器具有由多个磁性体层构成的磁性体部、由在所述磁性体部内在叠层方向连接而成的多个导电体层构成的线圈、和为了构成所述线圈的磁隙而在所述线圈的内侧和/或外侧所设置的非磁性体部，其特征在于，所述磁性体部由含有Co的Ni系铁氧体构成，所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn并且在所述叠层电感器的使用温度下为非磁性的Zn系铁氧体构成，所述磁性体部和所述非磁性体部的边界区域伴随所述叠层电感器的使用温度的上升而成为非磁性。
本发明的第三叠层电感器具有磁性体部、埋设在所述磁性体部中的线圈、和构成所述线圈的磁隙的非磁性体部，其特征在于，所述磁性体部由在-40℃～+80℃间起始磁导率的相对温度系数αμir(频率1MHz)为超过+10ppm/℃且+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体构成，所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn且居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体构成，在-40℃～+85℃间的电感量的初始值(重叠电流0A)的变化率是±7％以内。
优选在第一～第三叠层电感器中，上述磁性体部由45～50mol％的Fe2O3、15～30mol％的ZnO、5～15mol％的CuO、超过0mol％且1.2mol％以下的CoO、剩余部分以NiO为主成分的Ni系铁氧体构成。
优选磁性体部含有相对于主成分100质量％为3质量％以下(SnO2换算)的Sn和/或1质量％以下(MnO换算)的Mn，作为副成分。
非磁性体部由与磁性体部相比含有更多Zn的Zn系铁氧体构成。这种Zn系铁氧体的优选主成分组成由43～50mol％的Fe2O3、37～50mol％的ZnO、以及0～15mol％的CuO构成。Zn系铁氧体的居里温度Tc优选-50℃以下。若使非磁性体部为与磁性体部相同的尖晶石型结构，则在边界难以产生由热膨胀系数的差异引起的裂缝。
本发明的功率转换装置的特征在于具备上述叠层电感器、开关元件、所述开关元件的控制电路。
发明效果
具有有效厚度根据温度而变化的磁隙、并且将铁氧体磁性体的起始磁导率的相对温度系数αμir设定在了期望范围的本发明的叠层电感器具有对于温度变化而稳定的电感量以及良好的直流重叠特性，并且在开关频率附近低损失，由应力引起的特性变动小。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的叠层电感器的外观的立体图。
图2是表示本发明的一实施方式的叠层电感器的剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式的叠层电感器的叠层构造的分解立体图。
图4(a)是表示本发明的包括煅烧前的叠层电感器的非磁性体部的区域的部分剖视图。
图4(b)是表示本发明的包括煅烧后的叠层电感器的非磁性体部的区域的部分剖视图。
图5是表示本发明的叠层电感器的包括磁隙的区域中的ZnO的扩散状态的曲线图。
图6是表示起始磁导率的相对温度系数大的铁氧体的磁化曲线的曲线图。
图7是表示采用了起始磁导率的相对温度系数大的铁氧体的电感器的直流重叠特性的曲线图。
图8是表示本发明的叠层电感器的直流重叠特性的曲线图。
图9(a)是表示本发明的叠层电感器所用的第一复合片的剖视图。
图9(b)是表示本发明的叠层电感器所用的第二复合片的剖视图。
图10是表示CoO含有量与起始磁导率的相对温度系数αμir的关系的曲线图。
图11是表示MnO含有量与起始磁导率的相对温度系数αμir的关系的曲线图。
图12是表示本发明的叠层电感器(样本S3)中的ZnO的扩散状态的曲线图。
图13是表示煅烧的峰值温度与Zn含有量的分布的关系的曲线图。
图14是表示本发明的叠层电感器(样本S1)的直流重叠特性的曲线图。
图15是表示本发明的叠层电感器(样本S2)的直流重叠特性的曲线图。
图16是表示本发明的叠层电感器(样本S3)的直流重叠特性的曲线图。
图17是表示比较例1所用的第三复合片的剖视图。
图18是表示比较例1的以往的叠层电感器的直流重叠特性的曲线图。
图19是表示DC/DC转换器的等效电路的图。
图20是表示起始磁导率的相对温度系数小的铁氧体的磁化曲线的曲线图。
图21是表示采用了起始磁导率的相对温度系数小的铁氧体的电感器的直流重叠特性的曲线图。
具体实施方式
[1]叠层电感器
(a)构造
图1～3所示的本发明一实施方式的叠层电感器具备连接埋设在叠层体1内部的导体图案5a～5e而成的线圈，线圈的两端与在叠层体1的表面烘干了Ag等导体膏的外部端子20a、20b连接。如图2所示，叠层体1具有：磁性体部2，其具有构成线圈的多个导体图案5a～5e；和非磁性陶瓷层(非磁性体部)15，其设置在与导体图案5c接触的位置，形成线圈的磁隙。非磁性体部15的端部从叠层体1的侧面露出。该叠层电感器具有在线圈的内侧以及外侧双方具备磁隙的开磁路构造，但也可以仅在线圈的内侧或者外侧形成非磁性体部15，此外还可以设置多个非磁性体层。外部端子的形成位置不限定于叠层体1的两端部。
磁性体部2优选由在频率1MHz且-40℃～+80℃间，起始磁导率的相对温度系数αμir为超过+10ppm/℃且+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体形成。该Ni系铁氧体优选45～50mol％的Fe2O3、15～30mol％的ZnO、5～15mol％的CuO、超过0mol％且1.2mol％以下的CoO、剩余部分以NiO为主成分。
Fe2O3小于45mol％时铁损大、磁导率低。若Fe2O3超过50mol％则在960℃以下烧结不足、机械强度降低。Fe2O3更优选47～49.5mol％。
ZnO对磁导率的提高有帮助。ZnO小于15mol％时在-40℃～+80℃，αμir比+40ppm/℃大、由温度引起的电感量变化大。若ZnO超过30mol％，则铁损变大并且在高温(120℃)的饱和磁通密度降低到小于300mT。ZnO更优选17～27mol％。
若CuO小于5mol％或者超过15mol％，则饱和磁通密度Bs低。此外CuO对烧结温度的降低有帮助，但若小于5mol％则烧结密度容易不充分。CuO更优选7～12mol％。
CoO使磁致伸缩常数增加，使无应力时的起始磁导率降低，使由温度以及应力引起的起始磁导率的变化变大。此外Co2+具有正的晶体磁各向异性常数，所以固溶在具有负的磁各向异性常数的Ni系铁氧体，Ni系铁氧体的磁各向异性常数减低，尤其在1MHz以上的高频的铁损减低。因此，通过添加CoO，可以调整起始磁导率的相对温度系数αμir，并可以减低在高频的铁损。但是CoO超过1.2mol％时，磁各向异性常数向正的一侧变得过大，所以铁损变大，在-40℃～+80℃的αμir变得比+40ppm/℃大。CoO更优选0.2～1.2mol％。
NiO是从主成分组成中减去Fe2O3、ZnO、CuO以及CoO的量后的剩余量。为了获得期望的磁导率和高的饱和磁通密度，优选使NiO/CuO的摩尔比为0.3～5.8。
Ni系铁氧体相对于主成分100质量％还可以含有3质量％以下(SnO2换算)的Sn和/或1质量％以下(MnO换算)的Mn，作为副成分。
Sn作为稳定的4价离子在晶粒内固溶，使晶格畸变减低，由此减小饱和磁致伸缩常数λs以及磁各向异性常数，并由此抑制由应力引起了电感量的变化或铁损的增加。通过添加3质量％以下的SnO2，可以抑制使用温度中磁各向异性常数急剧地变化，并且能够根据饱和磁通密度的减小来调整磁各向异性常数的减小，所以能够调整起始磁导率的相对温度系数αμir。若SnO2超过3质量％，则烧结性不足，磁导率等的磁特性劣化。SnO2更优选0.2～2.0质量％。
通过添加Mn，晶格畸变减低，起始磁导率μi增加，B-H回线的非线性被改善，局部磁滞回线中的矫顽磁力Hc降低。若MnO超过1质量％，则有烧结性降低、铁损的应力特性恶化的倾向。MnO最好优选0.2～0.8质量％。
在设置了磁隙的小型叠层电感器的情况下，若起始磁导率小，则为了获得期望的电感量，不得不增加线圈的绕数，直流电阻Rdc增加，所以构成磁性体部的Ni系铁氧体的起始磁导率优选70以上，更优选100以上。
在本发明的叠层电感器中，磁隙长根据温度而发生变化。通过使磁隙长的变化和磁性体部的起始磁导率的相对温度系数αμir匹配，从而能够减小电感量的温度变化。在通过温度而磁隙长变化的本发明的构造的情况下，磁性体部的起始磁导率的相对温度系数αμir为+10ppm/℃以下或者超过+40ppm/℃时，电感量的变化大。
形成遮断磁通φ的磁隙的非磁性体部15优选与磁性体部2相比，较多地含有Zn，由居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体形成。这种Zn系铁氧体的优选主成分组成是由43～50mol％的Fe2O3、37～50mol％的ZnO以及0～15mol％的CuO构成。Zn系铁氧体的更优选的主成分组成是由47～49.5mol％的Fe2O3、40～50mol％的ZnO以及7～12mol％的CuO构成。若使非磁性体部为与磁性体部相同的尖晶石型结构(spinel)，则在边界难以产生由热膨胀系数的差异引起的裂缝。还可以包括从磁性体部2扩散的Co。
为了改善直流重叠特性，以往在叠层电感器中设置由非磁性Zn系铁氧体构成的磁隙，但是没有通过本发明这样的构造来改善电感器的温度特性的例。
磁性体部和非磁性体部的边界区域通过成为电感器的非磁性体部的非磁性材料中所包含的Zn的一部分在煅烧时向磁性体部扩散而形成。在非磁性体部和磁性体部的边界，Zn含有量从非磁性体部向磁性体部连续地变化(减小)，所以居里温度Tc也连续地变化，由此磁路中的磁隙长也根据温度而发生变化。
图4(a)以及图4(b)示出本发明的叠层电感器所用的煅烧前后的叠层体的剖面。煅烧由磁性体部C夹着非磁性体部A的图4(a)所示的叠层体时，Zn从非磁性体部A向磁性体部C扩散，非磁性体部A的Zn含有量减小、磁性体部C的Zn含有量增加。其结果，在非磁性体部A和磁性体部C的边界，形成Zn含有量连续地变化的边界区域B[图4(b)]。
图5示出包含磁隙的区域中的Zn含有量的分布。Zn含有量在非磁性体部A和磁性体部C的边界区域B中，从相对高浓度的非磁性体部A向低浓度的磁性体部C缓慢地减小。图中用实线表示的样本S1和用虚线表示的样本S2，它们的非磁性体部A中的Zn含有量不同。若使非磁性体部A和铁氧体磁性体部C的Zn含有量的差变大，则在边界区域B的Zn含有量的斜率变大，所以居里温度Tc的变化变得陡峭。在样本S2的情况下，在非磁性体部A附近Zn多，所以在低温的磁隙比样本S1厚。
图6示意地示出磁性体部C所用的αμir的绝对值大的铁氧体磁性体的磁化曲线。这种铁氧体磁性体的饱和磁通密度示出在低施加磁场中越高温越变大、在高施加磁场中越低温越变大的倾向。
图7中示出采用了具有这样的磁化特性的铁氧体磁性体的电感器的直流重叠特性。伴随重叠电流Idc变大且温度变高，电感量降低。因为αμir大，所以即使在重叠电流Idc小的情况下，电感量的温度变化也大，能获得稳定的特性。但是，在非磁性体部A和磁性体部C的边界，为居里温度Tc连续地变化的构造，通过使非磁性体部A和边界区域B中的Zn含有量引起的磁隙的厚度的温度变化、与磁性体部C所用的铁氧体磁性体的起始磁导率的相对温度系数αμir适当匹配，由此如图8所示，能够获得在低～高重叠电流中电感量的温度变化小的电感器。此外由于磁隙的有效厚度伴随温度而发生变化，所以与具有没有上述边界区域B的磁隙的电感器相比较，能够防止在高温和/或大电流时的电感量的降低。
本实施方式的叠层电感器，如图3所示，主要通过层L2～L6和层L1、L7构成，其中层L2～L6由用导体膏形成了带状导体图案的第一以及第二复合片50a、50b构成、层L1、L7由磁性体片10构成。例如构成层L2的第一复合片50a如下形成，如图9(a)所示，在载体膜(未图示)上所形成的磁性体片10a上印刷导体图案5a，在未形成导体图案5a的磁性体片10a的整面印刷磁性体膏从而形成与导体图案5a相同厚度的磁性体层10b。对于由第一复合片50a构成的其他层L3、L5以及L6，除了导体图案5b、5d、5e的形状不同的点，以及在各导体图案5b、5d、5e的末端部设置了贯通磁性体片10a的通孔(via hole)6b、6d、6e的点以外，其余都与层L2相同。
构成层L4的第二复合片50b如下形成，如图9(b)所示，在载体膜(未图示)上所形成的非磁性体片15上印刷导体图案5c，在未形成导体图案5c的非磁性体片15的整面印刷磁性体膏从而形成与导体图案5c相同厚度的磁性体层10b。另外，在第一以及第二复合片50a、50b中，也可以使导体图案5a～5e和磁性体层10b的印刷顺序相反。
(b)制造方法
(1)磁性体片层10(L7)的形成
将载体膜(未图示)上所形成的磁性体片10a与载体膜一起切断为规定形状，配置在板(未图示)上，吸引保持载体膜侧。将同样形成的带载体膜的磁性体片10a使载体膜朝上地重叠在板上的磁性体片10a上，进行压接之后，剥离载体膜。重复该操作多次，形成规定厚度的磁性体片层10(L7)。
(2)由第一复合片50a构成的层L6、L5的叠层
在层L7上重叠在载体膜上所形成的第一复合片50a之后进行压接，剥离载体膜，由此叠层由第一复合片50a构成的层L6，同样地叠层层L5。
(3)由第二复合片50b构成的层L4的叠层
在层L5上重叠在载体膜上所形成的第二复合片50b之后进行压接，剥离载体膜，由此叠层由第二复合片50b构成的层L4。
(4)由第一复合片50a构成的层L3、L2的叠层
在层L4上，通过反复重叠在载体膜上所形成的第一复合片50a之后进行压接并剥离载体膜的工序，从而叠层由第一复合片50a构成的层L3、L2。由此，经由通孔6b～6e连接导体图案5a～5e，在导体图案5b、5c间形成了基于非磁性体层15的磁隙的线圈被形成。
(5)磁性体片层10(L1)的叠层
在层L2上，与工序(1)同样地对多个磁性体片10a进行压接，形成规定厚度的磁性体片层10(L1)。
载体膜优选以约50～250μm的厚度在表面作为剥离件而涂敷了硅树脂的聚酯薄膜。在载体膜上，形成由刮板法、印模涂敷法、旋涂法等形成的磁性体片10a或非磁性体片15。磁性体片10a的厚度优选10～300μm，非磁性体片15的厚度按照可获得期望磁隙的方式优选5～200μm。
产业上，优选如下的方式：形成连结了多数叠层电感器的叠层体，切断为各个叠层电感器，用850～950℃烧结1～6小时之后，进行桶式研磨，在露出了线圈的两端的各叠层电感器的两侧面涂敷以及烘干Ag膏，从而形成外部端子20a、20b。
根据磁性体部C所用的Ni系铁氧体的起始磁导率的相对温度系数αμir以及饱和磁通密度的温度特性，适当调整煅烧条件(峰值温度、保持时间等的温度分布)，由此控制边界区域B中的Zn的扩散状态。
根据导体图案的金属材料来决定煅烧气氛。在金属材料的氧化成为问题的情况下，优选使煅烧气氛为氧气分压在8％以下的低氧气气氛、或N2，Ar等惰性气体气氛。
构成导体图案或外部端子的低电阻率的金属材料优选Ag、Pt、Pd、Au、Cu、Ni、或这些的合金。此外磁性体片10a以及磁性体层10b通过上述Ni系铁氧体形成，非磁性体片15通过上述Zn系铁氧体形成。
形成了导体图案5a～5e的线圈部中的磁性体片10a以及磁性体层10b、与位于线圈部的上下的磁性体片层10、10优选通过实质上相同的Ni系铁氧体形成。所谓「实质上相同」是指主成分相同的意思，副成分可以不同，晶粒径也可以不同。也可以根据需要来采用不同的铁氧体。例如通过Ni系铁氧体使磁性体片层10、10为高饱和磁通密度的Mn系铁氧体时，可以减低局部的磁饱和。
作为磁隙发挥功能的非磁性体层15通过陶瓷生片构成，所以厚度精度良好，并可以将线圈的电感量的偏差抑制得较小。此外通过采用多个第二复合片50b，可以分散地设置多个磁隙。
[2]功率转换装置
本发明的功率转换装置具备上述叠层电感器、开关元件、所述开关元件的控制电路。电感器、开关元件等可以安装在电路基板上，也可以安装在树脂基板上而模块化。此外还可以在电感器上安装开关元件等从而模块化。
图19表示作为组合了叠层电感器和半导体集成电路IC的功率转换装置的降压型DC/DC转换器的等效电路。在叠层电感器的上表面所设置的安装用电极上，安装包括开关元件以及控制电路的半导体集成电路IC，在叠层电感器的背面设置有输出电压控制用端子Vcon、输出的ON/OFF控制用端子Ven、开关元件的ON/OFF控制用端子Vdd、输入端子Vin、输出端子Vout、以及接地端子GND等的外部端子。外部端子通过叠层电感器的侧面以及内部所形成的连接电极，与半导体集成电路IC以及内置线圈连接。本发明的具备叠层电感器的DC/DC转换器即使在高温以及高直流重叠电流的情况下也能够以良好的转换效率稳定动作。
通过以下实施例具体地说明本发明，但本发明不限于这些。其中，叠层体的各层的厚度在不特别说明的情况下指的是煅烧后的厚度。
实施例1
[1]构成磁性体部的Ni系铁氧体
(a)制造
湿式混合由Fe2O3、ZnO、CuO、CoO以及NiO构成的主成分粉末、和由SnO2以及MnO构成的副成分粉末，进行干燥，用800℃进行了2小时预烧。将预烧粉与离子交换水一起放入球磨机，直到BET比表面积成为6.5m2/g为止进行了约20小时粉碎。在该预烧粉碎粉中加入聚乙烯醇，用喷雾干燥法颗粒化后进行成形，在空气中用900℃进行2小时煅烧，制作具有表1所示的组成、外径8mm、内径4mm、厚度2mm的环形磁芯状样本。主成分以及副成分的含有量的测量通过荧光X射线分析法以及ICP发光分光分析法来进行。首先通过荧光X射线分析识别含有的元素，通过基于与标准样本的比较的校准曲线法进行定量。
(b)磁特性的测量
通过下述方法测量各样本的起始磁导率μi、饱和磁通密度Bs、残留磁通密度Br、矫顽磁力Hc以及铁损。
(1)起始磁导率μi
在各环形磁芯样本上缠绕7圈铜丝作成电感器，采用LCR仪，用频率1MHz以及电流1mA测量电感量，通过下式算出起始磁导率μi。
起始磁导率μi＝(le×L)/(μ0×Ae×N2)
(le：磁路长、L：样本的电感量、μ0：真空的磁导率＝4π×10-7H/m、Ae：样本的剖面积、N：线圈的绕数)
接着，在-40℃～+80℃的范围测量环形铁心磁芯样本的电感量，通过下式算出起始磁导率的相对温度系数αμir。
起始磁导率的相对温度系数αμir＝[(μi2-μi1)/μi12]/(T2-T1)
在-40℃～+20℃的范围内，T1为20℃、T2为-40℃、μi1为-40℃下的起始磁导率、μi2为+20℃下的起始磁导率。此外在+20℃～+80℃的范围内，T1为+20℃、T2为+80℃、μi1为20℃下的起始磁导率、μi2为80℃下的起始磁导率。将测量温度范围分为两个是因为αμir的符号有根据温度范围而反转的情况。
(2)饱和磁通密度Bs、残留磁通密度Br以及矫顽磁力Hc
利用B-H分析器，4KA/m的磁场中以10kHz的频率测量了各样本的饱和磁通密度Bs、残留磁通密度Br以及矫顽磁力Hc。
(3)铁损Pcv
对于环形磁芯样本，在1次侧2次侧都缠绕5圈铜丝，在室温(25℃)、5MHz以及30mT的条件和10MHz以及30mT的条件下测量了铁损Pcv。
表1示出各样本的组成、起始磁导率μi以及αμir，表2示出铁损Pcv、饱和磁通密度Bs、残留磁通密度Br以及矫顽磁力Hc。另外，带*的样本是本发明的范围外。
[表1]
Figure GPA00001151573000141
注：(1)起始磁导率
[表2]
Figure GPA00001151573000151
注：(1)未测定
图10示出样本8～16中的CoO量和αμir的关系。利用Co量增大时αμir也向正侧增大的关系，能够将αμir控制在期望的值。-40℃～+20℃中的αμir在CoO成为1.0mol％以上时突然变大，+20℃～+80℃中的αμir在CoO成为1.5mol％以上时突然变大。
图11表示样本11以及19～22中的MnO量和αμir的关系。在Co少的情况下，Mn量增大时αμir减低，所以能够在抑制铁心损失的同时将αμir调整为期望的值。
[2]构成非磁性体部的Zn系铁氧体
湿式混合48.5mol％的Fe2O3粉末、42.7mol％的ZnO粉末、以及8.8mol％的CuO粉末，进行干燥，用800℃预烧2小时。将预烧粉与离子交换水一起放入球磨机，直到BET比表面积成为4.5m2/g为止，进行了约20小时粉碎。在预烧粉碎粉中加入聚乙烯醇之后用喷雾干燥法颗粒化后进行成形，在空气中用900℃进行2小时煅烧，得到外径8mm、内径4mm、厚度2mm的Zn系铁氧体的环形磁芯状样本。主成分的含有量的测量与构成磁性体部的Ni系铁氧体同样地进行。各样本的居里温度Tc是-60℃以下，起始磁导率μi实质上为1。
[3]电感器
为了成为样本6的Ni系铁氧体的组成，混合原料粉末，进行预烧以及粉碎，在预烧粉末中加入聚乙烯丁缩醛和乙醇溶剂从而在球磨机中进行混匀从而成为浆料。调整了粘度后，在PET薄膜上用刮板法涂敷浆料，进行干燥从而制作厚度30μm的磁性体片10a。同样地制造由上述Zn系铁氧体构成的厚度10μm、20μm以及30μm的非磁性体片10b。在这些磁性体片10a以及非磁性体片10b上，如图3所示，通过Ag膏形成厚度30μm的导体图案5a～5e后，形成与导体图案5a～5e相同厚度的磁性体层10b，在两侧设置磁性体片层10，进行叠层压接。将所获得的叠层集合体切断为2.5mm×2.0mm×1.0mm的尺寸，用500℃脱粘结剂之后，在空气中用900℃保持煅烧3小时。在煅烧叠层体上形成了外部端子20a、20b后进行烘干，作成具有4.5圈的线圈的叠层电感器。在表3中示出这样获得的叠层电感器(样本S1～S3)。
[表3]
  样本   磁性体片的Ni系铁氧体   非磁性体片的厚度
  S1   表1的样本6   10μm
  S2   表1的样本6   20μm
  S3   表1的样本6   30μm
图12示出样本S3的在包括磁隙(非磁性体部)的区域的Zn含有量的分布。磁性体部C、非磁性体部A以及边界区域B中的ZnO、Fe2O3、CuO、NiO以及CoO的含有量通过EPMA(Electron Probe X-rayMicroanalysis)以及SEM-EDX(扫描型电子显微镜能量分散型X射线分析)进行测量。非磁性体部A和磁性体部C的边界不明确，Zn含有量连续地变化。此外Co向非磁性体部A扩散。
由于边界区域B是通过来自非磁性体部A的Zn的扩散而形成，所以形成非磁性体部A的非磁性体片15的厚度是重要的参数。非磁性体片15的厚度为10μm的样本S1的情况下，Zn含有量最大也只有33mol％(ZnO换算)，不能形成非磁性体部A。此外，从表示煅烧的峰值温度和Zn含有量分布的关系的图13中可知，伴随峰值温度从890℃上升到920℃，Zn的扩散进展，边界区域B变宽。这样非磁性体部A以及边界区域B的厚度根据非磁性体片15的厚度以及Zn含有量、还有煅烧条件的变化而发生变化，所以需要适当设定这样。例如样本S1的情况下，也是能够通过适当设定非磁性体片15的Zn含有量以及煅烧条件，而形成非磁性体部A。
图14～16示出样本S1～S3的直流重叠特性。如图14所示，非磁性体片15的厚度为10μm的样本S1中，不能获得磁隙效果，并且不能获得在低重叠电流时(0～700mA)对温度稳定的电感量。如图15以及图16所示，非磁性体片15的厚度为20μm的样本S2以及30μm的样本S3中，能够在广阔的重叠电流范围获得相对于温度稳定的电感量。在样本S2中，在500mA以上的重叠电流下能够获得比样本S1大的电感量，在样本S3中，在700mA以上的重叠电流下能够获得比样本S1大的电感量。
表4示出样本S1的直流重叠特性，表5示出样本S2的直流重叠特性，表6示出样本S3的直流重叠特性。通过下式算出-40℃～+85℃下的电感量的变化率。
电感量的变化率＝(L2-L1)/L1
(其中，在-40℃～+25℃的温度范围内，L1为+25℃下的电感量、L2为-40℃下的电感量。此外在+25℃～+85℃的温度范围内，L1为+25℃下的电感量、L2为+85℃下的电感量。)
[表4]
Figure GPA00001151573000181
[表5]
Figure GPA00001151573000182
[表6]
还可以代替在电感器中设置一个非磁性体部(磁隙)，而利用多个非磁性体片15在叠层方向分散地设置磁隙。在该情况下，可以对一部分磁隙采用ZrO2等的非磁性陶瓷。
比较例1
如图17所示，在与实施例1相同厚度30μm的磁性体片10a上形成厚度10μm的导体图案5f，在导体图案5f的外侧，印刷与导体图案5f相同厚度的磁性体膏，并且在导体图案5f的内侧印刷与导体图案5f相同厚度的ZrO2膏，形成第三复合片50c。通过重叠3片第三复合片50c来使用，制造具有合计30μm的3个磁隙(ZrO2)的叠层电感器(样本S4)。
与实施例1同样地通过EPMA对Zn进行定量的结果，在比较例1中磁性体部C的Zn向由ZrO2构成的非磁性体部A扩散，在边界区域B中与本发明相反地在磁性体部侧Zn含有量少。在图18以及表7中示出样本S4的直流重叠特性。在500～1000mA的直流重叠电流的范围以外，电感量相对于温度的变化大。
表7
Figure GPA00001151573000201

Claims (7)

1.一种叠层电感器，具有磁性体部、埋设在所述磁性体部中的线圈、和构成所述线圈的磁隙的非磁性体部，其特征在于，
所述磁性体部由在-40℃～+80℃间起始磁导率的相对温度系数αμir(频率1MHz)为超过+10ppm/℃且在+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体构成，
所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn且居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体构成，
在所述非磁性体部和所述磁性体部之间的边界区域，Zn含有量连续地发生变化，由此所述磁隙的厚度根据温度而改变。
2.一种叠层电感器，具有由多个磁性体层构成的磁性体部、由在所述磁性体部内在叠层方向上连接而成的多个导电体层构成的线圈、和为了构成所述线圈的磁隙而在所述线圈的内侧和/或外侧所设置的非磁性体部，其特征在于，
所述磁性体部由含有Co的Ni系铁氧体构成，
所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn并且在所述叠层电感器的使用温度下为非磁性的Zn系铁氧体构成，
所述磁性体部和所述非磁性体部之间的边界区域伴随所述叠层电感器的使用温度的上升而成为非磁性。
3.一种叠层电感器，具有磁性体部、埋设在所述磁性体部中的线圈、和构成所述线圈的磁隙的非磁性体部，其特征在于，
所述磁性体部由在-40℃～+80℃间起始磁导率的相对温度系数αμir(频率1MHz)为超过+10ppm/℃且在+40ppm/℃以下的Ni系铁氧体构成，
所述非磁性体部由比所述磁性体部含有更多的Zn且居里温度Tc为-50℃以下的Zn系铁氧体构成，
在-40℃～+85℃间的电感量的初始值(重叠电流0A)的变化率是±7％以内。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的叠层电感器，其特征在于，
所述磁性体部由45～50mol％的Fe2O3、15～30mol％的ZnO、5～15mol％的CuO、超过0mol％且在1.2mol％以下的CoO、剩余部分以NiO为主成分的Ni系铁氧体构成。
5.根据权利要求4所述的叠层电感器，其特征在于，
所述磁性体部相对于主成分100质量％，含有3质量％以下(SnO2换算)的Sn和/或1质量％以下(MnO换算)的Mn作为副成分。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的叠层电感器，其特征在于，
所述非磁性体部由以43～50mol％的Fe2O3、37～50mol％的ZnO、以及0～15mol％的CuO为主成分的Zn系铁氧体构成。
7.一种功率转换装置，其特征在于，具备：
权利要求1～6中任意一项所述的叠层电感器、开关元件和所述开关元件的控制电路。
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