CN103680891B - 多层功率电感器和用于制备其的方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了多层功率电感器和用于制备其的方法。该多层功率电感器包括磁层、内部电极层、和外部电极层，其中，内部电极层部分的孔比率是7%以下。根据本发明的示例性实施方式，可以使在多层功率电感器的内部电极层中的孔的数目最小化，并且可以通过内部电极的烧结延迟除去残余碳以提高烧结之后内部电极层的致密度，从而改善多层功率电感器的RDC特性。因此，根据本发明的示例性实施方式的包含内部电极层的多层功率电感器可以实现大容量和低RDC，从而提供小、薄、和多功能的芯片部件。
Description
相关申请的引用
本申请要求根据35U.S.C.第119条于2012年9月21日提交的题名为“MultilayeredPowerInductorAndMethodForPreparingTheSame”的韩国专利申请序列号10-2012-0105315的权益，在此通过引用将其整体并入本申请。
技术领域
本发明涉及多层（积层，multilayer）功率电感器和用于制备其的方法。
背景技术
由于对小、薄、以及多功能电子产品的需要不断增加，芯片部件也需要大电流部件。为了改善与纤薄以及多功能特性保持一致的高电流特性，需要改善材料并且利用基于复合（complexation）的各材料之间的优势。
在多层芯片部件的情况下，作为磁层体（magneticlayerbody）的材料，使用具有四元结构如Ni-Zn-Cu-Fe的铁氧体（ferrite）。然而，该材料的饱和磁化值低于金属材料的饱和磁化值，使得其难以达到高电流特性所需的技术规范。因此，已经主要使用该铁氧体材料和金属合金的混合物。
同时，为了提高功率电感器的效率，RDC（直流电阻，DirectCurrentResistance）特性被认为是关键因素。为了提高每单位体积的RDC特性，需要提高多层功率电感器在烧制之后的电极致密度（densification）。
如在图1中示出的，根据相关领域的多层功率电感器设置为包括由具有四元结构的铁氧体材料如Ni-Zn-Cu-Fe制成的磁层体10、内部电极20、和外部电极30。内部电极20和外部电极30主要使用银（Ag），并且外部电极30可以进一步包括镀层。
为了提高功率电感器的效率，达到高容量和低RDC是重要的。为了提高容量，难题在于将内部电极20的图案设计成宽度最大化，并且应当确保覆盖体10和内部电极20的覆盖物A的厚度以及切割边缘B。此外，为了降低RDC，在增大内部电极的横截面积方面具有限制。因此，通过在相同横截面积中使内部电极的结构致密化以改善RDC特性是重要的。
在根据相关领域的多层功率电感器的情况下，使用丝网印制法通过印刷银糊剂（paste）（Ag糊剂）在本体10内实施内部电极20的图案化，并且将图案多层化/切割，随后通过共烧制法（co-firingmethod）烧制，从而进行电极的致密化。在这种情况下，与陶瓷体10的陶瓷材料相比较，由于快速烧结行为，内部电极20更迅速地致密化，并且在烧制银糊剂之后，由于残余碳（在焙烧过程期间没有完全除去的碳）的影响，在内部电极20中出现了许多孔。由于这些孔，内部电极20的致密度降低并且使RDC特性劣化。
因此，现有方法使用其尺寸等于或小于在内部电极层中使用的金属粉末尺寸的陶瓷粉末作为烧结抑制剂以限制金属粉末之间的接触，从而最大程度地延迟内部电极的收缩起始温度，但是迄今仍不能预期（达到）足够的效果。
此外，在共烧制磁层体10和内部电极20时，由于由内部电极的材料和磁层体的陶瓷材料之间的烧结行为的不匹配所引起的应力，在功率电感器烧制之后，可能频繁地出现分层的缺点，如磁层开裂。
[相关领域文献]
[专利文献]
(专利文献1）日本专利特许公开号2005-174974
发明内容
本发明的目的是通过使烧制之后在内部电极中形成的孔数量最小化，以及在内部电极层中使用特定的烧结抑制剂提高内部电极的致密度，提供具有改善的RDC特性的多层功率电感器。
本发明的另一个目的是提供能够改善在内部电极和陶瓷体共烧制时由于烧结行为的不匹配而导致的陶瓷层分层的缺点的多层功率电感器。
此外，本发明的又一个目的是提供用于制备多层功率电感器的方法。
根据本发明的示例性实施方式，提供了多层功率电感器，包括：磁层、内部电极层、和外部电极层，其中，在内部电极层部分，孔比率是7%以下。
内部电极层可以包含对于每100重量份的金属粉末0.01至2重量份的烧结抑制剂。
金属粉末可以是银（Ag）。
烧结抑制剂可以是选自由ZrO2、MnO2、TiO2、和Fe2O3组成的组中的一种或多种。
烧结抑制剂可以具有1μm以下的平均颗粒尺寸以及1200℃以上的熔点。
内部电极层的厚度可以是20至80μm。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了多层功率电感器，包括：磁层；和包含金属粉末和烧结抑制剂的内部电极层，以及外部电极层，其中，内部电极层部分具有7%以下的孔比率，并且内部电极层的烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。
内部电极层的金属粉末可以是银（Ag）。
内部电极层可以包含对于每100重量份的金属粉末0.01至1重量份的烧结抑制剂。
烧结抑制剂可以是选自由ZrO2、MnO2、TiO2、和Fe2O3组成的组中的一种或多种。
内部电极层的厚度可以是20至80μm。
根据本发明的又一个示例性实施方式，提供了用于制备多层功率电感器的方法，包括：形成生片（印刷电路基板，greensheet），即陶瓷体；在生片上形成内部电极层；通过多层化并切割在其上形成内部电极层的生片而获得未经烧制的层压板（层压片）；烧制未经烧制的层压板；以及形成外部电极层，其中，内部电极层包含金属粉末和烧结抑制剂，并且该烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸以及1200℃以上的熔点。
在多层片的烧制过程中，可以共烧制内部电极和陶瓷体。
内部电极层的厚度可以是20至80μm。
在烧制过程之后，内部电极层部分的孔比率可以是7%以下。
附图说明
图1是根据相关领域的多层功率电感器的内部示意图。
图2是根据实施例1和比较例1制备的多层功率电感器和铁氧体材料的TMA（热机械分析，ThermomechanicalAnalysis）评估数据的示意图。
图3和图4是由扫描电子显微镜通过拍摄根据实施例1制备的多层功率电感器的内部电极层的结构获得的照片。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的示例性实施方式。
本说明书中使用的术语是用于解释实施方式而不是限制本发明。除非明确说明与其相反，否则在本说明书中的单数形式包括复数形式。词语“包括”和变体如“含有”或“包含”将理解为包含所述的组分、步骤、操作和/或要素，而不排除任何其他组分、步骤、操作和/或要素。
本发明的示例性实施方式涉及具有优异的容量特性和改善的RDC特性的多层功率电感器以及用于制备其的方法。
根据本发明的示例性实施方式的多层功率电感器，包括磁层、内部电极层、和外部电极层，并且内部电极层部分具有7%以下，优选1%至5%的孔比率。
如由以下等式1所示出的，通过计算内部电极层的总面积中孔所占的面积的比率获得内部电极层部分的孔比率（%），并且本发明可以使内部电极层的孔比率最小化以提高内部电极层的致密度。
（等式1）
孔比率（%）=（孔所占的面积/内部电极层的总面积）×100
根据本发明的示例性实施方式的内部电极层包含金属粉末和陶瓷烧结抑制剂，并且烧结抑制剂的含量可以为对于每100重量份的金属粉末0.01至1重量份。当烧结抑制剂的含量在该范围以外时，内部电极的烧结延迟效果（delayeffect）不充分，其不是优选的。
作为包含在内部电极层中的金属粉末，可以优选使用银（Ag），但是也可以使用铜（Cu）。
此外，包含在内部电极层中的烧结抑制剂可以是选自由ZrO2、MnO2、TiO2、和Fe2O3组成的组中的一种或多种。其中，可以最优选使用ZrO2。内部电极层的烧结抑制剂可以优选具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。当包含在内部电极层中的烧结抑制剂的平均颗粒尺寸超过1μm时，内部电极的烧结延迟效果可能劣化，其不是优选的。
在根据本发明的示例性实施方式的内部电极层的情况下，当被烧制时，由于金属粉末的颗粒从其与磁层的接触面处生长，内部电极层具有至少两层的层状结构。根据本发明的示例性实施方式，当内部电极层中包含精细陶瓷烧结抑制剂时，陶瓷烧结抑制剂阻碍了金属粉末的颗粒生长。此外，陶瓷烧结抑制剂的颗粒尺寸越小，包含在内部电极层中陶瓷烧结抑制剂的含量增加越多，使得该现象是显著的。
因此，通过阻碍金属粉末，即，在共烧制过程期间的银（Ag）的致密化延迟内部电极的烧结行为，改善了内部电极层和磁层之间烧结行为的不匹配，从而改善了由于应力导致的分层缺点。
此外，根据烧结行为的延迟，表面不是完全致密的，所以可能没有充分去除残余碳，因此内部电极中的孔数目减少，从而在焙烧之后使内部电极层中的孔比率最小化，并且提高了电极的致密度。
根据本发明的示例性实施方式的内部电极层的厚度具有20至80μm的范围的理由是：出现在厚膜（在烧结过程期间厚膜处的电极的厚度较厚）中的孔使电极的致密性劣化。
根据本发明的示例性实施方式的多层功率电感器的磁层优选由Ni-Zn-Cu铁氧体制成，并且是由通过向其中加入有机粘结剂和溶剂制备的铁氧体组合物制备的。
此外，根据本发明的示例性实施方式的多层功率电感器的外部电极层优选由与包含在内部电极层中的金属粉末相同的材料制成，并且，如果必要，外部电极层也可以加上镀层。
此外，根据本发明的另一个示例性实施方式的多层功率电感器是包括磁层、包含金属粉末和烧结抑制剂的内部电极层、和外部电极层的多层功率电感器，并且内部电极层部分具有7%以下的孔比率，内部电极层的烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。
作为包含在内部电极层中的金属粉末，可以优选使用银（Ag），但是也可以使用铜（Cu）。
内部电极层可以优选包含对于每100重量份的金属粉末0.01至1重量份的烧结抑制剂。
此外，烧结抑制剂可以是选自由ZrO2、MnO2、TiO2、和Fe2O3组成的组中的一种或多种。其中，可以最优选使用ZrO2。内部电极层的烧结抑制剂可以优选具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。当颗粒尺寸超过1μm时，内部电极的烧结延迟效果可能劣化。
内部电极层的厚度具有20至80μm的范围。
优选地，由Ni-Zn-Cu铁氧体制成多层功率电感器的磁层，并且该磁层是由通过向其中加入有机粘结剂和溶剂制备的铁氧体组合物制备的。
此外，根据本发明的示例性实施方式的多层功率电感器的外部电极层优选由与包含在内部电极层中的金属粉末相同的材料制成，并且，如果必要，外部电极层也可以加上镀层。
此外，用于制备根据本发明的另一个示例性实施方式的多层功率电感器的方法包括：形成成为磁层的生片（印刷电路基板，greensheet）、在生片上形成内部电极层、多层化并切割在其上形成内部电极层的生片而获得未经烧制的层压板、烧制未经烧制的层压板、以及形成外部电极层，其中，内部电极层包含金属粉末和烧结抑制剂，并且该烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。
由通过将有机粘结剂和溶剂加入至Ni-Zn-Cu铁氧体中制备的组合物制备磁层，详细地，通过将溶剂如乙醇和有机粘结剂如PVA加入至由NiO、CuO、ZnO、和Fe2O3制成的并且作为主要原料形成Ni-Zn-Cu铁氧体的经焙烧和磨制的铁氧体细粉末制备铁氧体糊剂。然后，通过在PET膜等上涂覆铁氧体糊剂，按照通过刮刀法（doctorblademethod）形成的表面形状获得磁性生片。
然后，在磁性生片上形成内部电极层，并且通过印刷选自由银（Ag）、ZrO2、MnO2、TiO2和Fe2O3作为金属粉末组成的组中的一种或多种陶瓷烧结抑制剂以及包含有机粘结剂、溶剂等的内部电极糊剂形成内部电极层，如有必要，通过已知的方法，如印刷法、刮刀法等。陶瓷烧结抑制剂可以优选具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。内部电极层的厚度可以是20至80μm。
然后，以在其上形成内部电极的每个磁层多层化和切割的方法，使内部电极多层化并一体化（integrated），以使得通过在每个磁层上形成的通孔互相连接内部电极来设置螺旋形线圈。此外，以预先确定的尺寸切割其中形成内部电极层的层压板（层压片）以获得片状的未经烧制的层压板。
最后，通过加热并粘合多层化并切割的未经烧制的层压板，并烧制该未经烧制的层压板，将粘合剂组分从其中去除后获得片状的层压板。
在烧制过程中，可以优选共烧制内部电极和陶瓷体，而不特别限定烧制条件，因此可以根据多层电感器的一般烧制条件进行共烧制，并且可以优选在其中排除氧气的减压下进行烧制。
根据本发明的示例性实施方式，内部电极具有致密的结构，其中经受烧制处理的芯片部件的内部电极层部分的孔比率是7%以下，优选1%至5%，通过使得包含材料作为内部电极层的陶瓷烧结抑制剂以延迟内部电极的烧结并且除去残余碳达到该孔比率。因此，在将根据本发明的示例性实施方式的芯片部件烧制之后，提高了内部电极层的致密度，从而可以改善多层功率电感器的RDC特性。
此外，通过浸涂法等将导电糊剂施用至片状的层压板的两端，以形成外部电极层。作为用于形成外部电极的导电糊剂，可以使用与内部电极层相同的材料或者也可以使用已知的材料，因此不特别限定材料。
烧制外部电极层之后，可以在外部电极层上形成电镀层如镍和锡，因此不特别限定该方法。
下文中，将详细地描述本发明的实施例。以下实施例仅示出本发明，并且本发明的范围不应被解释为限制于这些实施例。此外，以下实施例仅示出使用特定化合物的实施例，但是对本领域技术人员而言，即使当使用其等价物时也显示出相同或类似的效果是显而易见的。
实施例1：
通过将乙醇和PVA加入至由NiO、CuO、ZnO、和Fe2O3作为主要材料制成的经焙烧和磨制的铁氧体细粉末中以制备铁氧体糊剂。然后，通过刮刀法按照表面形状通过在PET膜上涂覆铁氧体糊剂获得磁性生片。
进一步，通过将0.5重量份的具有100nm的平均颗粒尺寸的ZrO2粉末（熔点2715℃）和有机粘结剂（EC）以及溶剂加入至100g的银（Ag）中以制备用于形成内部电极层的导电糊剂组合物。
通过丝网印制法，由在生片上印刷所制备的导电糊剂组合物，使内部电极层形成具有40μm的厚度。然后，通过通孔将在其上形成内部电极层的生片连接和多层化，并将层压板切割为具有预定尺寸的片状。
将切割的层压板在200℃下去粘结（去结合，debind），并在900℃下在大气压力下烧制。
通过在外部电极层上浸涂含银（Ag）糊剂制备多层功率电感器。
比较例1
通过与上述实施例1相同的方法制备多层功率电感器，除了由使用通过仅将有机粘结剂（EC）和溶剂加入至银（Ag）即金属粉末中，而不包含ZrO2粉末即陶瓷烧结抑制剂制备的导电糊剂组合物形成内部电极层。
实验性实施例1
基于TMA评估根据上述实施例1和比较例1制备的多层式芯片部件的热学行为，并且在图2中示出了评估结果。在共烧制过程期间使用在实施例1中使用的两种Ni-Zn-Cu铁氧体以便与磁层体比较。
然后，如图2的结果，在上述比较例1的功率电感器不包含陶瓷烧结抑制剂的情况下，可以理解，从约400℃开始进行烧制，从而铁氧体磁层材料（铁氧体-1和铁氧体-2）的烧结行为是互相不匹配的。
然而，如在本发明的实施例1中的其中内部电极层中包含陶瓷烧结抑制剂的功率电感器的情况下，与上述比较例1不同，可以理解在约400℃下，在没有改变尺寸的情况下，示出了与铁氧体磁层材料基本相似的烧结行为。原因是在包含在内部电极层中的陶瓷烧结抑制剂的共烧制烧结过程期间，通过阻碍金属粉末（Ag粉末）的颗粒生长延迟内部电极层的烧结行为。
因此，在根据本发明的多层功率电感器的情况下，可以解决根据相关领域的由于内部电极层和磁层之间烧结行为的不匹配导致的分层的缺点，如磁层开裂。
实验性实施例2
基于以下等式1计算根据上述实施例1和比较例1制备的多层功率电感器的内部电极层的孔比率，并在下面的表1中示出了其结果。
（等式1）
孔比率（%）=（孔所占的面积/内部电极层的总面积）×100
[表1]
| 实施例1 | 比较例1 | |
| 孔比率（%） | 2.6 | 9.2 |
如上述表1的结果，可以理解根据本发明制备的多层功率电感器的内部电极层的孔比率计算为2.6%，与不包含陶瓷烧结抑制剂的比较例1相比其示出了更加改善的效果。
由该结果得出，如在本发明中，可以证实通过在内部电极层中包含满足特定颗粒尺寸和熔点的陶瓷烧结抑制剂改善了内部电极层的孔比率。
实验性实施例3
通过扫描电子显微镜测定根据上述实施例1制备的多层功率电感器的内部电极层的结构，并且在图3和图4中示出了测定结果。
进一步，如在图3中示出的，可以证实根据本发明的多层功率电感器的内部电极层延迟了烧结行为，因此表面不是完全致密的并且充分地去除了残余碳，从而在烧制之后减少了内部电极的孔，并提高了内部电极的致密度。
然后，如在图4中示出的，可以证实由于加入陶瓷烧结抑制剂改善了内部电极层和磁层之间烧结行为的不匹配，因此没有显示出由于应力导致的陶瓷层的分层现象。
根据本发明的示例性实施方式，可以使在多层功率电感器的内部电极层中的孔的数目最小化，并且可以通过内部电极的烧结延迟除去残余碳以在烧结之后提高内部电极层的致密度，从而改善多层功率电感器的RDC特性。进一步，在内部电极层中使用特定的陶瓷烧结抑制剂以使得在内部电极和陶瓷体的共烧制期间陶瓷烧结抑制剂能够阻碍银（Ag）的颗粒生长以延迟烧结行为，并改善陶瓷体和内部电极之间的烧结行为的不匹配，从而改善由于应力导致的陶瓷体的分层问题。
因此，根据本发明的示例性实施方式的包含内部电极层的多层功率电感器可以实现大容量和低RDC，从而提供小、薄、和多功能的芯片部件。
已经结合目前认为实用的示例性实施方式描述了本发明。此外，上述描述仅公开了本发明的示例性实施方式。因此，可以理解本领域技术人员可以进行修改和改变，而不背离在本说明书中公开的本发明和它们的等价物的范围。已提供了上述示例性实施方式以解释在进行本发明中的最佳状态。因此，在应用其它发明如本发明中，可以以本发明所属领域已知的其它状态进行上述实施方式，并且也以各种需要的形式在特定应用领域和本发明的应用中修改上述实施方式。因此，可以理解本发明不限于公开的实施方式。可以理解其它实施方式同样也包含在随附的权利要求的精神和范围内。
Claims (9)
1.一种多层功率电感器，包括：
磁层；以及
包含金属粉末和烧结抑制剂的内部电极层，以及外部电极层，
其中，所述内部电极层部分具有7％以下的孔比率，并且所述内部电极层的所述烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。
2.根据权利要求1所述的多层功率电感器，其中，所述内部电极层的所述金属粉末是银。
3.根据权利要求1所述的多层功率电感器，其中，对于每100重量份的所述金属粉末，所述内部电极层包含0.01至1重量份的所述烧结抑制剂。
4.根据权利要求1所述的多层功率电感器，其中，所述烧结抑制剂是选自由ZrO2、MnO2、TiO2、和Fe2O3组成的组中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的多层功率电感器，其中，所述内部电极层的厚度是20至80μm。
6.一种用于制备多层功率电感器的方法，包括：
形成生片，即磁层；
在所述生片上形成内部电极层；
通过使在其上形成所述内部电极层的所述生片多层化并切割所述生片而获得未经烧制的层压板；
烧制所述未经烧制的层压板；以及
形成外部电极层，
其中，所述内部电极层包含金属粉末和烧结抑制剂，并且所述烧结抑制剂具有1μm以下的平均颗粒尺寸和1200℃以上的熔点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述多层片的烧制过程中，共烧制所述内部电极和所述生片。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内部电极层的厚度是20至80μm。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述烧制过程之后，所述内部电极层部分的孔比率是7％以下。
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