DE60033082T2

DE60033082T2 - Magnetischer Ferrit-Film und Herstellungsverfahen

Info

Publication number: DE60033082T2
Application number: DE60033082T
Authority: DE
Inventors: c/o Kawasaki Steel Corporation Yasutaka Fukuda; c/o Kawatetsu Mining Co. Yoshihito Tachi
Original assignee: Kawatetsu Mining Co Ltd
Current assignee: JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: KR100589826B1; EP1050889A3; EP1050889A2; KR20010014754A; DE60033082D1; US6383626B1; TW498357B; EP1050889B1; JP2000306733A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Ferritfilm für magnetische Vorrichtungen, insbesondere einen mit einer verbesserten Haftfähigkeit an Si-Substraten sowie ein Verfahren zur seiner Herstellung.
Kleine und leichte tragbare Geräte, die Batterie betrieben sind, sind stark nachgefragt. Es ist wünschenswert, dass die Anwendungen für Multimedia-Informationsdienste hochentwickelte Funktionen haben, einschließlich Kommunikations- und Anzeigefunktionen, und ebenso die Fähigkeit haben, Informationsmedien mit großen Datenmengen, einschließlich Bilder usw., schnell zu verarbeiten. Damit gibt es eine wachsende Nachfrage für Energiequellen mit der Fähigkeit eine Einzelspannung aus Batterien in eine Vielzahl von verschiedenen Spannungen, die auf verschiedene Typen von Vorrichtungen anwendbar sind, wie für CPUs, LCD-Module, Energieverstärker zur Kommunikation usw., zu überführen. Für kleine und leichte tragbare Geräte mit solchen hochentwickelten Funktionen ist es ein wichtiges Thema kleine, hochwirksame Energiequellen zu verwirklichen.
Gegenwärtig werden Gleichstromwandler verwendet, in denen der eingegebene Gleichstrom periodisch durch die Einwirkung eines Halbleiterschalters gesteuert wird, um eine stabile gewünschte Ausgangsspannung zu liefern. Das Journal of the Applied Magnetics Society of Japan, Bd. 20, Nr. 5, 1996, S. 922 beschreibt eine Stromquelle mit einem darauf befestigten, flächigen Induktor, bei der der Induktor einen dünnen magnetischen Film umfasst. Die Japanische Patentoffenlegung Nr. 134820/1997 offenbart eine flächige magnetische Vorrichtung (z.B. einen Induktor usw.) mit einer flächigen Spule, die zwischen eine weiche magnetische Substanz mittels eines dazwischen befindlichen Isolators eingebettet ist, in der die flächige Leiterspule aus einer Vielzahl von in verschiedene Abschnitte geteilten Leiterdrähten zusammengesetzt ist. Diese sind für dünne Vorrichtungen geeignet, und es wird erwartet, dass sie auf dem Gebiet der tragbaren Geräte verwendet werden, sowie bei anderen Geräten, von gefordert wird, dass sie klein und leicht sind.
Die herkömmlichen Flachinduktoren werden jedoch durch Bildung eines magnetischen Metallfilms mit einer Dicke von 6 bis 7 μm auf Si-Substraten durch Metallbedampfung oder der gleichen hergestellt. Daher steigen Herstellungskosten für solche Flachinduktoren im Vergleich mit denjenigen für andere herkömmliche Induktoren mit einem Leiterdraht, der um einen gesinterten Ferritkern gewunden ist, unweigerlich, was ein Hindernis für die industrielle Nutzung der Flachinduktoren darstellt. Zur Lösung dieses Problems, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bereits eine Technik vorgeschlagen, den magnetischen Metallfilm in solchen Flachinduktoren durch einen magnetischen Ferritfilm zu ersetzen, der durch Drucken oder dergleichen gebildet wird (siehe Japanische Patentoffenlegung Nr. 11-26239/1999).
Jedoch erfordert diese Technik eine weitere Verbesserung der Haftfähigkeit des magnetischen Ferritfilms auf den Si-Substraten. Wenn die Haftfähigkeit darauf nicht gut ist, wird sich der magnetische Ferritfilm bei dem Herstellungsverfahren für magnetische Vorrichtungen, das filmbeschichtete Substrate umfasst, von den Si-Substraten ablösen und dadurch wird die Zuverlässigkeit der gefertigten Vorrichtungen vermindert.
Somit ist es wünschenswert, die Haftfähigkeit eines magnetischen Ferritfilms auf Si-Substraten zu erhöhen, und dadurch die Zuverlässigkeit der magnetischen Vorrichtungen mit dünnen Filmen, die ein filmbeschichtetes Substrat umfassen, zu verbessern.
JP-A 11 026239 von den Antragstellern der vorliegenden Erfindung offenbart einen magnetischen Ferritfilm und ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß der Einleitung von jedem der Ansprüche 1 und 11, in denen der Film einen CuO-Gehalt von 4% hat. Es werden andere Filme durch dieses Dokument offenbart, die durchwegs einen CuO-Gehalt von mehr als 5% haben.
JP-A-08 288139 von Kyoshiro Seki offenbart einen magnetischen Ferritfilm, der kein CuO enthält.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein magnetischer Ferritfilm auf einem Si-Substrat für magnetische Vorrichtungen bereitgestellt, wobei der magnetische Ferritfilm CuO enthält und auf der Oberfläche des Si-Substrats durch Drucken und Sintern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der CuO-Gehalt in dem Film, der direkt zu der Oberfläche des Si-Substrats benachbart ist, höchstens 5 Mol-% ist, wohingegen der CuO-Gehalt in den anderen Teilen des Films mehr als 5 Mol-% bis zu höchstens 20 Mol-% ist.
Nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines magnetischen Ferritfilms auf einem Siliciumsubstrat, wie er vorstehend definiert ist, bereit gestellt, umfassend die Schritte:

a) Auftragen einer ersten Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von nicht mehr als 5 Mol-% auf das Substrat; und
b) Auftragen von mindestens einer anderen Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von mehr als 5 Mol-% bis zu 20 Mol-% über diese erste Schicht.

Bevorzugte Ausführungsformen werden nun durch Beispiele beschrieben.
Die Erfinder haben entdeckt, das der CuO-Gehalt auf dem Teil eines magnetischen Films, der direkt zu einem Si-Substrat benachbart ist, höchstens 5 Mol-% betragen sollte. Der Grund dafür ist folgender: Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gewissenhaft die Haftfähigkeit von magnetischen Ferritfilmen auf Si-Substraten untersucht und gefunden, dass eine Cu-Si-reiche Ablagerungsphase, wenn sie an der Grenzfläche zwischen dem magnetischen Film und dem Si-Substrat gebildet wird, durch die Umsetzung von Cu in dem magnetischen Film mit dem Si des Substrat die Haftfähigkeit zwischen dem magnetischen Film und dem Si-Substrat wesentlich vermindert. Auf der Grundlage dieses Befundes wurde geschlossen, dass die Verringerung der Cu-Si-reichen Ablagerungsphase an der Grenzfläche zwischen dem magnetischen Film und dem Si-Substrat eine Steigerung der Haftfähigkeit zwischen ihnen zur Folge hat. Daher sollte der CuO-Gehalt des magnetischen Ferritfilms zumindest in dem Teil des Films, der sich um die Grenzfläche zwischen dem Film und dem Si-Substrat herum befindet, höchstens 5 Mol-% betragen. Wenn er größer als 5 Mol-% ist, wird viel Cu-Si-reiche Ablagerungsphase um die Grenzfläche zwischen dem magnetischen Film und dem Si-Substrat herum gebildet werden, wobei die Haftfähigkeit zwischen ihnen vermindert wird. Daher ist in der Erfindung der CuO-Gehalt des magnetischen Films um die Grenzfläche zwischen dem Film und dem Si-Substrat so definiert, dass er höchsten 5 Mol-% beträgt. Dazu ist der CuO-Gehalt des magnetischen Ferritfilms so definiert, dass er nur in dem Gebiet um die Grenzfläche zwischen dem Film und dem Si-Substrat höchstens 5 Mol-% beträgt, während in anderen Gebieten der CuO-Gehalt mehr als 5 Mol-% beträgt.
Um einen magnetischen Ferritfilm diesen Typs herzustellen, wird zum Beispiel eine erste Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von nicht mehr als 5 Mol-% auf ein Si-Substrat gedruckt und die zweite und andere Ferritschichten mit einem CuO-Gehalt von mehr als 5 Mol-% werden über die erste Schicht gedruckt. In diesem Verfahren variiert die Dicke der ersten Schicht (mit einem CuO-Gehalt von weniger als 5 Mol-%) in Abhängigkeit von den verwendeten Druckbedingungen, kann im Allgemeinen jedoch höchstens etwa 1 μm oder ähnlich sein. In der Praxis sollte deshalb eine Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von höchstens 5 Mol-% in einem Bereich von bis zu etwa 1 μm von der Grenzfläche zwischen der Schicht und dem Si-Substrat verwirklicht werden.
Sofern der CuO-Gehalt des magnetischen Ferritfilms in der Grenzfläche zwischen dem Film und dem Si-Substrat nicht größer als 5 Mol-% ist, kann eine gute Haftfähigkeit des Films auf dem Substrat gewährleistet werden. In diesem Fall ist der Film vorzugsweise aus einem Spinellferrit, umfassend von 40 bis 50 Mol-% Fe₂O₃, von 15 bis 35 Mol-% ZnO, bis zu 20 Mol-% CuO und von 0 bis 10 Mol-% Bi₂O₃ mit NiO und unvermeidbaren Verunreinungen als ausgleichenden Rest für die durchschnittliche Zusammensetzung des gesamten Films. Der Grund, warum die Zusammensetzung des magnetischen Films wie vorstehend definiert ist, ist nachstehend aufgeführt.
Fe₂O₃ von 40 bis 50 Mol-%:
Wenn der Anteil an Fe₂O₃ über 50 Mol-% beträgt, werden die in dem Film vorhandenen Fe²⁺-Ionen den elektrischen Widerstand des Films stark vermindern. Die Herabsetzung des elektrischen Widerstands des Films wird den Verlust des Ferritkerns erhöhen. Andererseits wird, wenn der Anteil an Fe₂O₃ unterhalb von 40 Mol-% liegt, die Induktivität des Films stark vermindert. Daher wird der Anteil an Fe₂O₃ so definiert, dass er zwischen 40 und 50 Mol-% liegt.
ZnO von 15 bis 35 Mol-%:
ZnO hat große Einflüsse auf die Induktivität und die Curie-Temperatur des Films. Vorzugsweise ist die Curie-Temperatur nicht niedriger als etwa 120°C. Wenn der Anteil an ZnO unterhalb von 15 Mol-% liegt, wird die Induktivität des Films vermindert, selbst wenn dessen Curie-Temperatur hoch sein kann. Andererseits wird, wenn der Anteil an ZnO über 35 Mol-% beträgt, die Curie-Temperatur des Film niedrig sein, selbst wenn dessen Induktivität hoch sein kann. Daher wird der Anteil an ZnO so definiert, dass er zwischen 15 und 35 Mol-% liegt.
CuO bis zu 20 Mol-%:
CuO wird zu dem Film gegeben, um die Temperatur zu senken, bei der der Film gesintert wird. Der CuO-Gehalt des Film so definiert, das er in dem Gebiet um die Grenzfläche zwischen dem Film und dem unterliegenden Si-Substrat höchstens 5 Mol-% beträgt, wie es vorstehend aufgeführt ist. In dem anderen Gebiet kann, wenn der CuO-Gehalt über 20 Mol-% ist, dieser die Sintertemperatur vermindern, wird aber die Induktivität des Films verringern. Daher wird die höchste Grenze für CuO als 20 Mol-% definiert.
Bi₂O₃ von 0 bis 10 Mol-%:
Wie CuO wirkt Bi₂O₃ auch zur Erniedrigung der Sintertemperatur. Wenn der Anteil von Bi₂O₃ über 10 Mol-% liegt, kann es die Sintertemperatur erniedrigen, wird aber die Induktivität des Film verringern. Daher wird die höchste Grenze für Bi₂O₃ als 10 Mol-% definiert. Wenn die Sintertemperatur nicht erniedrigt werden muss, muss kein Bi₂O₃ zu dem Film gegeben werden.
Gegenwärtige synthetische Ferritprodukte haben im Allgemeinen eine komplizierte Struktur, die vielfache Metallionen unterschiedlicher Wertigkeit umfasst. In der vorliegenden Erfindung werden die Metallionen, die das Ferrit ausmachen, jedoch in der Form ihrer Oxide ausgedrückt, konkret als Fe₂O₃, NiO, ZnO und CuO, wobei Fe ein dreiwertiges Ion ist und Ni, Zn und Cu zweiwertige Ionen sind.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen magnetischen Ferritfilms ist nicht besonders definiert. Vorzugsweise wird der Film hergestellt, indem ein Ferritpulver, das, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu haben, zuvor hergestellt worden ist, mit einem Bindemittel, wie Ethylcellulose oder dergleichen, gemischt wird, wobei sich eine Paste ergibt, dann die sich ergebende Paste auf ein Si-Substrat aufgetragen wird und dieses bei einer Temperatur, die zwischen 920 und 1250°C liegt, gesintert wird. Während das Ferritpulver mit einem Bindemittel gemischt wird, kann, falls gewünscht, ein Lösungsmittel, wie Butylcarbinol, Terpineol oder dergleichen dazugegeben werden. Es kann jedes Verfahren zum Auftragen der Paste auf das Si-Substrat verwendet werden, einschließlich zum Beispiel Siebdruck, Rakelstreichen usw. Auf der Oberfläche des auf die vorstehende Art und Weise gebildeten Ferritfilms wird ein flächig-strukturiertes Spulenmuster durch Metallbeschichtung oder dergleichen gebildet; und ein anderer magnetischer Ferritfilm oder Metallfilm wird über der mit dem Muster versehenen Oberfläche gebildet. Auf diese Art und Weise werden magnetische Vorrichtungen, wie Transformatoren, Induktoren und andere Vorrichtungen, die den erfindungsgemäßen magnetischen Ferritfilm umfassen, hergestellt.
Die Erfindung wird in Bezug auf die folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben, die jedoch nicht den Umfang der Erfindung einschränken sollen.
Beispiel 1:
Eine erste Ferritschicht, die eine Dicke von 7 μm haben soll (dies nachdem gesintert wurde und das gleiche sollte auch nachstehend gelten), und eine zweite Ferritschicht mit einer Dicke von 30 μm wurden durch Drucken auf einem Si-Substrat gebildet und dann wurde an der Luft bei einer Temperatur, die zwischen 920°C und 1250°C lag, gesintert. Der CuO-Gehalt der zweiten Schicht wurde so festgesetzt, dass er bei 15 Mol-% lag, während derjenige der ersten Schicht so variiert wurde, dass er zwischen 0 und 15 Mol-% lag, wie nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt ist. 100 so hergestellte Proben (alle mit einem Musterprofil vom 5 × 5 mm) wurden 4 Stunden bei 85°C in einer Atmosphäre mit 98% rF (relative Luftfeuchte) stehengelassen und dann einem Klebeband-Ablösetest unterzogen. Nachdem Test wurde die Anzahl der nicht abgelösten Proben gezählt. Zusätzlich wurde die abgelöste Grenzfläche mit einem Mikroskop untersucht und das Flächenverhältnis der Si-Cu-reichen Phase, die sich so um die Grenzfläche herum abgelagert hat, wurde gemessen. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, versteht es sich, dass 75% oder mehr der Proben, in denen der CuO-Gehalt der ersten, der direkt dem Si-Substrat benachbarten Ferritschicht nicht größer als 5 Mol-% ist, gut sind und keine Ablösung der Ferritschicht von dem Substrat zeigen. Dies belegt die gute Haftfähigkeit des magnetischen Ferritfilms auf dem Si-Substrat in diesen Proben. In Bezug auf die Si-Cu-reiche Phase, die sich um die Grenzfläche zwischen dem Ferritkern und dem Si-Substrat herum abgelagert hat, sind die Proben, in denen das Flächenverhältnis höchstens etwa 50% ist, sind gut, weil die Haftfähigkeit zwischen dem Ferritfilm und dem Si-Substrat darin hoch ist.
Tabelle 1
Beispiel 2:
Auf einem Si-Substrat wurde durch Drucken und Sintern ein unterer magnetischer Ferritfilm gebildet. In diesen hier hergestellten Proben betrug die Zusammensetzung der ersten Schicht des unteren magnetischen Ferritfilms für die Fälle 5 bis 15 der Erfindung Fe₂O₃/ZnO/CuO/Bi₂O₃ = 49/23/0/0 (Mol-% mit NiO als ausgleichendem Rest) und diejenige der ersten Schicht des unteren magnetischen Ferritfilms für den Vergleichsfall 4 betrug Fe₂O₃/ZnO/CuO/Bi₂O₃ = 49/23/8/5 (Mol-% mit NiO als ausgleichendem Rest); die Dicke der ersten Schicht war 5 μm; die Zusammensetzung der zweiten Schicht des unteren magnetischen Ferritfilms war wie in Tabelle 2 aufgeführt; und die Dicke der zweiten Schicht war 30 μm. Über den so auf dem Si-Substrat gebildeten, unteren magnetischen Ferritfilm wurde durch Metallbeschichtung eine spiralförmige Kupferflächenspule gebildet, und diese wurde mit einem oberen magnetischen Film aus amorphem Fe₅₉Co₂₀B₁₄C₇ (6 μm) bedeckt. Die so hergestellten Induktoren wurden bei 5 MHz auf ihre Induktivität getestet und ihre Curie-Temperatur wurde gemessen. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Zusätzlich wurden die Proben 4 Stunden bei 85°C in einer Atmosphäre mit 98% rF (relative Luftfeuchte) stehengelassen und dann wie vorstehend einem Klebeband-Ablösetest unterzogen. Nach diesem Test lösten die Proben der Fälle 5 bis 15 der Erfindung nicht ab, diejenigen des Vergleichsfalles 4 lösten sich ab. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, versteht es sich, dass die erfindungsgemäßen Proben, in denen der CuO-Gehalt des magnetischen Ferritfilms, der der Oberfläche des Si-Substrats benachbart ist, höchstens 5 Mol-% beträgt und in denen der magnetische Ferritfilm im Durchschnitt über den gesamten Film von 40 bis 50 Mol-% Fe₂O₃, von 15 bis 35 Mol-% ZnO, bis zu 20 Mol-% CuO und von 0 bis 10 Mol-% Bi₂O₃ mit NiO als ausgleichendem Rest umfasst, alle eine hohe Induktivität und eine hohe Curie-Temperatur haben und alle ausgezeichnete magnetische Vorrichtungen sind.
Gemäß der Erfindung wird ein magnetischer Ferritfilm für magnetische Vorrichtungen bereitgestellt, dessen Haftfähigkeit auf Si-Substraten stark verbessert ist. Die Zuverlässigkeit der magnetischen Vorrichtungen, die den erfindungsgemäßen Film umfassen, ist daher besser als diejenige von herkömmlichen magnetischen Vorrichtungen.

Claims

Magnetischer Ferritfilm, der auf einem Si-Substrat für magnetische Vorrichtungen gebildet wird, wobei der magnetische Ferritfilm CuO enthält und auf der Oberfläche des Si-Substrats durch Drucken und Sintern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der CuO-Gehalt in dem direkt an die Oberfläche des Si-Substrats angrenzenden Film höchstens 5 Mol-% beträgt, wohingegen der CuO-Gehalt in anderen Teilen des Films höher als 5 Mol-% bis höchstens 20 Mol-% beträgt.
Magnetischer Ferritfilm nach Anspruch 1, wobei das Flächenverhältnis der Si-Cu-reichen Phase an der Grenzfläche zwischen dem magnetischen Film und dem Si-Substrat höchstens 50% ist.
Magnetischer Ferritfilm nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der gebildet wird, indem eine ferritpulverhaltige Paste auf ein Si-Substrat aufgetragen und dieses in der Folge gesintert wird.
Magnetischer Ferritfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sintern bei einer Temperatur zwischen 920 und 1250°C durchgeführt wird.
Magnetischer Ferritfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der durchschnittlich auf dem gesamten Film bezogen von 40 bis 50 Mol-% Fe₂O₃, von 15 bis 35 Mol-% ZnO, bis zu 20 Mol-% CuO und von 0 bis 10 Mol-% Bi₂O₃ mit NiO und unvermeidbaren Verunreinungen als ausgleichenden Rest umfasst.
Magnetische Vorrichtung, umfassend den magnetischen Ferritfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Elektrisches Gerät, umfassend die magnetische Vorrichtung aus Anspruch 6.
Verfahren zur Bildung eines magnetischen Ferritfilms auf einem Silikonsubstrat, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Auftragen einer ersten Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von nicht mehr als 5 Mol-% auf das Substrat; und b) Auftragen von mindestens einer anderen Ferritschicht mit einem CuO-Gehalt von mehr als 5 Mol-% bis zu 20 Mol-% über diese erste Schicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Stufe b) das Sintern umfasst, um auf dem Si-Substrat einem magnetischen Ferritfilm mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung, die 40 bis 50 Mol-% Fe₂O₃, bis zu 20 Mol-% CuO und von 0 bis 10 Mol-% Si₂O₃ mit NiO und unvermeidbaren Verunreinungen als ausgleichenden Rest umfasst, zu bilden.