JP2005317785A - フェライト材料およびそれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

【目的】 低温焼結できるフェライト材料およびそれを用いた電子部品を提供する。
【構成】 Ｙ型六方晶フェライト（Ｂａ₂Ｍ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂＝Ｍ₂Ｙ）の組成において、２価の金属イオンとしてＮｉ，Ｚｎ，Ｃｕを組み合わせた（Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｕ）₂Ｙ型六方晶フェライトとする。これにより、六方晶フェライト粉体に焼結助剤を添加しなくても、９００〜１０００℃程度の低温合成や低温焼結が可能となり、高周波数帯域で使用可能な積層電子部品へも応用できるフェライト材料が得られる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、小型の通信機器や電子機器等に用いるフェライト材料およびそれを用いた電子部品に関するものである。

デジタル機器の高性能化に伴い、その動作周波数が高速化し、ＧＨｚ帯域で使用できるフェライトインダクタやフェライトビーズ、およびそれらの複合製品が求められている。また、従来より、積層型チップ部品用の磁性材料としてＮｉ-Ｃｕ-Ｚｎフェライトが用いられている。フェライトは酸化物であるため、電気抵抗が金属よりもはるかに大きく、また、金属と異なり渦電流損失の影響がほとんどないため、安定した磁気特性を高い周波領域まで保持する。

しかし、Ｎｉ-Ｃｕ-ＺｎフェライトのＧＨｚ帯域における複素透磁率（μ＝μ’−ｊμ’’）は、スピネルフェライトの「スヌークの限界則」により制約され、ＧＨｚ帯域に対応した積層電子部品への応用が難しいという問題がある。

スピネルフェライトのスヌーク限界則を越える高周波磁性材料として、六方晶フェライトが知られている。その中でも、Ｚ型六方晶フェライト（Ｂａ₃Ｃｏ₂Ｆｅ₂₄Ｏ₄₁＝Ｃｏ₂Ｚ）は、高いスヌーク積を示す。また、Ｚ型六方晶フェライトは、透磁率の周波数分散を示すＱ値が高く、かつ絶対値も比較的大きいため電子部品に使用するのに好適である。その一方で、Ｚ型六方晶フェライトは高温安定相であることから、１２００℃程度での焼結が必要であり、材料合成が困難であるという問題もある。そのため、電子部品として用いるのに好適な機械的強度を備え、低い吸水性を有する焼結体を低温で得ることは非常に難しい。

Ｙ型六方晶フェライト（Ｂａ₂Ｍ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂＝Ｍ₂Ｙ）は、六方晶フェライトの中でも比較的結晶構造が簡単であり、Ｚ型六方晶フェライトに比べて低温合成が可能である。このようなＹ型六方晶フェライトを用いて、低温で焼結体を得る技術として、例えば、特許文献１、および特許文献２に記載のものがある。

特開２００２−２６０９１１号公報 特開２００２−２６０９１２号公報

上記の特許文献に開示された技術において、フェライトの焼結助剤として、非磁性体である酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）や同じく非磁性体であるガラスを用いている。しかし、このような焼結助剤は、フェライトの透磁率の低下を招くという問題がある。従って、このようなフェライトを使用してインダクタ等の電子部品を製造しても所望の電気的性能が得られない結果となる。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、焼結助剤を不要とし、低温焼結が可能なフェライト材料およびそれを用いた電子部品を提供することである。

かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係るフェライト材料は、一般式（Ｂａ_1-αＳｒ_α）₂（Ｎｉ_xＺｎ_yＣｕ_z）₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂（０．００≦ｘ≦０．７０，０．００≦ｙ≦０．８０，０．２０≦ｚ≦０．８０，０．００≦α≦０．７０であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００）で表される組成を有するＹ型六方晶フェライトからなることを特徴とする。

例えば、上記ｘ，ｙのうち少なくとも一方を組成として含むことを特徴とする。また、例えば、上記Ｙ型六方晶フェライトは、Ｆｅ₂Ｏ₃，ＢａＣＯ₃，ＳｒＣＯ₃，ＮｉＯ，ＺｎＯ、およびＣｕＯを混合してなることを特徴とする。

また、本発明に係るフェライト材料は、Ｙ型六方晶フェライト（Ｂａ₂Ｍ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂＝Ｍ₂Ｙ）の組成において、２価の金属イオンとしてＮｉ，ＺｎおよびＣｕを組み合わせた（Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｕ）₂Ｙ型六方晶フェライトからなることを特徴とする。

本発明に係るフェライト材料は、例えば、透磁率の自然共鳴周波数がスピネル型フェライトよりも高周波側にあることを特徴とする。

さらに、上述した課題を解決する他の手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係る電子部品は、グリーンシートに上述の発明に係るフェライト材料を含有してなることを特徴とする。

本発明によれば、低温焼成型の高周波特性に優れた磁性体としてのフェライト材料を作製することができる。また、本発明によれば、内部導体との同時焼成が可能となるため、部品の小型化に適した積層部品へ適用した場合に特に有用である。

以下、添付図面および表を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。ここでは、以下に詳述する工程によって六方晶フェライト粉体を作製し、そのフェライト粉体の成形品を作製して、かかる成形品の特性を評価した結果を具体的に説明する。

図１は、本実施の形態例に係る磁性体材料としての六方晶フェライト粉体の製造工程を示すフローチャートである。図１のステップＳ１１において、酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、および酸化銅（ＣｕＯ）を、表１、および表２に示すような一般式（１）で表される組成となるように秤量する。式（１）における、ｘ，ｙ，ｚ，αの値については、後述する。

（Ｂａ_1-αＳｒ_α）₂（Ｎｉ_xＺｎ_yＣｕ_z）₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂ （１）

続くステップＳ１２においてボールミル混合、すなわち、秤量した組成物を鉄メディアとともに鉄製ボールミルに入れ、一定条件の下（例えば、毎分１３０回転で２４時間）、純水媒液で混合してスラリーを得る。

ステップＳ１３では、ボールミル混合された材料（スラリー）を乾燥し、次のステップＳ１４において、メッシュによる整粒を行い、それをコウ鉢に入れて、９００℃（Ｔ）で５時間（ｔ）、仮焼する。この整粒は、例えば、目開き３００μｍの篩を通すことで行う。ステップＳ１５において、仮焼成粉を鉄球メディアとともに鉄製ボールミルに入れ、一定条件の下（例えば、毎分１３０回転で３６時間）、純水媒液で粉砕してスラリーを得る。そして、ステップＳ１６で、粉砕したスラリーを乾燥後、例えば、目開き３００μｍの篩を通して整粒し、一次粒子径２〜３μｍの顆粒（六方晶フェライト粉体）を得た。

次に、本実施の形態例に係るフェライト粉体を使用した成形品の製造方法について説明する。図２は、本実施の形態例に係る成形品の製造工程を示すフローチャートである。図２のステップＳ３１では、上述した図１に示す工程で得られたフェライト粉体にＰＶＡ水溶液を加えて造粒し、続くステップＳ３２において所定の圧力で成形して、ペレット型の成形品を得た。なお、ここでの成形圧は、例えば、１０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力を使用した。

ステップＳ３３では、成形体を脱脂炉で脱脂した後、ステップＳ３４で、その成形品を所定の昇降温において所定の温度で本焼成する。すなわち、成形品を一定の割合で昇温させ（例えば、２００℃／時間）、表１、および表２に示す焼成温度（最高温度）で５時間保持（本焼成）した後、一定の割合で降温（例えば、２００℃／時間）して、焼成品を得た。このようにして得られた焼結体を、ステップＳ３５で加工機によって所定の形状（例えば、外形７ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ１ｍｍのトロイダル形状）に切削して成形品を得た。

上述した工程で得られた試料（焼結体）の特性は、以下のように測定する。すなわち、試料の複素透磁率（μ）は、インピーダンスアナライザ（測定可能周波数：１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚ）、およびネットワークアナライザ（測定可能周波数：５０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚ）を使用して測定した。また、試料の焼結密度は、アルキメデス法で測定し、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定から得られる格子定数より算出した真密度との相対密度を計算した。

次に、本実施の形態例に係る磁性体材料の材料組成（化学組成）と、得られた焼結体の特性について説明する。表1、および表２は、本実施の形態例に係る磁性体材料の具体的な材料組成と、それにより得られた焼結体の特性を示している。

表１、および表２は、上記の一般式（Ｂａ_1-αＳｒ_α）₂（Ｎｉ_xＺｎ_yＣｕ_z）₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂で表される組成比と焼成温度を変えて得られた試料（Ｙ型六方晶フェライト）の初透磁率、相対密度、および判定結果を示している。表１、表２より、式（１）について、０．００≦ｘ≦０．７０，０．００≦ｙ≦０．８０，０．２０≦ｚ≦０．８０（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００）、０．００≦α≦０．７０の範囲において、１０００℃以下の焼成温度で８０％以上の相対密度を発生していることが判明した。これは、積層部品において機械的強度が十分であると考えられる密度である。

すなわち、本発明に係る実施の形態例では、上述した一般式（１）で表される組成の試料について、ＣｕおよびＳｒを固溶させることで、低温での緻密化を実現し、ＮｉおよびＺｎを固溶させて透磁率の絶対値および自然共鳴周波数を制御している。例えば、非磁性体である三酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）やガラス等の焼結助剤を添加しなくても、表１、および表２より、焼結温度が１０００℃以下でも、十分な機械的強度を実現できる磁性材料が得られることが分かる。

この結果より、Ｙ型六方晶フェライトの積層電子部品への応用という観点からは、銀（Ａｇ）の融点以下で焼結するフェライトは、Ａｇ内部電極を用いることができ、Ａｇの融点以上で焼結するフェライトについては、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等を混合したＡｇ内部電極を用いることができる。

表1、および表２に示す試料番号８，１１，１６，１７の試料に着目すると、ｘ，ｙ，ｚの比率を同一にして（ｘ＝０．０８，ｙ＝０．３２，ｚ＝０．６０）、その焼成温度を変えた場合、試料番号８，１１については、その相対密度は９９％であるが、焼成温度を９００℃とした試料番号１６の相対密度は８１％となった。また、ストロンチウム（Ｓｒ）を０．５０添加した試料番号１７については、その焼成温度は試料番号１６と同じ９００℃であるが、相対密度は８９％に上昇した。

このことから、Ｓｒの添加、あるいはＢａの一部をＳｒで置換した試料の焼結温度は低下し、その効果は、０．００≦α≦０．７０の範囲で発揮されることが判明した。一方、αが上記の範囲外である場合には、透磁率が急激に低下するため、不要な過剰添加であると考えられる。

なお、表1、および表２において、試料番号に＊印を付したものは焼結しにくく、高い相対密度が発生しなかったものである。また、＊印が付されていない試料については、８０％以上の相対密度を発生し、透磁率が１以上の強磁性体が得られた。

図３は、表1における試料（試料番号１７）の複素透磁率（μ＝μ’−ｊμ’’）の周波数スペクトルを示している。図３に示すように、この試料は、その複素透磁率の絶対値が１以上であり、かつ、典型的な透磁率の周波数分散を示していることから、強磁性体であることが明らかである。

また、図３において点線３１は、一般的な多結晶スピネルフェライトが示す、複素透磁率の実数部μ’の高周波限界であり、点線３３は、一般的な多結晶スピネルフェライトが示す、複素透磁率の虚数部μ’’の高周波限界である。試料番号１７の試料については、そのμ’のピーク（自然共鳴周波数）が、点線３１で示す高周波限界よりも右側（高周波側）に位置するため、その高周波限界が一般的なスピネルフェライトよりも高く高周波材料であることが分かる。

すなわち、試料番号１７の試料の透磁率は、スピネルフェライトよりも高い自然共鳴周波数で、低温焼結させたＺ型フェライトよりも大きい絶対値を示している。それにより、低温焼成型の高周波磁性体材料を作製することができる。

次に、表1における試料番号１１〜１４の試料に関し、その複素透磁率の周波数特性について説明する。図４は、これらの試料の複素透磁率の実数部の周波数スペクトルであり、図５は、それらの試料の複素透磁率の虚数部の周波数スペクトルである。試料番号１１〜１４の試料は、表１に示すように、Ｃｕの含有量および焼成温度を一定にして、ＮｉとＺｎの比率を変化させたものである。

その結果、ＮｉとＺｎの比率を変えることで、透磁率の絶対値と自然共鳴周波数を制御できることが判明した。また、これらの試料は、低温焼成型のＺ型に比べて、大きな透磁率の絶対値を発生しているものもある。

図６は、本実施の形態例に係るフェライトを材料として作製したチップインダクタの構造を示す透視図である。図６に示すチップインダクタ６０は、上述した試料番号１７の試料を使用して作製した積層コイル６１を内蔵しており（コイルのターン数は４）、そのチップサイズは１×０．５×０．５ｍｍで、外部電極６３，６５が配された構造を有する。

図６に示すチップインダクタは、以下の手順で作製する。最初に、上述したフェライト粉末（試料番号１７）を、結合剤、可塑剤、溶剤等を含む一般的な有機ビヒクルを混合してスラリーを得る。このスラリーを用いて、ドクターブレード装置によって、例えば、厚さ１５μｍのグリーンシートに製膜した。

次に、かかるグリーンシートに、内部に４ターンのコイルを内蔵するように内部電極パターンを印刷し、積層する。そして、ダイシングにより切断してチップ化したものを脱脂した後、９００℃で焼成した。最終的には、焼成したチップに外部電極６３，６５を形成して、図６に示す構造を有する積層電子部品にした。

図７、および図８は、図６に示すチップインダクタのコイル特性を示しており、これらのうち図７は、複素インピーダンスの周波数特性、図８は、インダクタンスの周波数特性を示している。なお、複素インピーダンスは、インピーダンスアナライザを用いて測定した。図７、および図８より、これらの特性は、ＧＨｚ帯に適した典型的なコイル特性であることが分かる。また、このようなチップインダクタと同サイズの空芯コイルと比較した場合、透磁率の絶対値の分、増幅されたインダクタンスを示し、さらには、内部導体からの応力による逆磁歪効果の影響もないことが確認された。よって、かかるフェライトは、図６に示すチップインダクタのみならず、他の積層フェライト部品にも適用できることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、Ｙ型六方晶フェライト（Ｂａ₂Ｍ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂＝Ｍ₂Ｙ）の組成において、２価の金属イオンとしてＮｉ，ＺｎおよびＣｕを組み合わせた（Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｕ）₂Ｙ型六方晶フェライトとすることで、六方晶フェライト粉体に焼結助剤を添加しなくても、９００〜１０００℃程度の低温合成、低温焼結が可能となる。そのため、かかるフェライト材料は、低コストであり、積層技術に必要な、例えばＡｇ内部導体との同時焼成ができ、ＧＨｚ帯での使用も可能な性能を持つ積層フェライトチップ部品等の積層電子部品へも応用できる。

また、従来必要とされた焼結助剤の多くが非磁性体であることから、そのような焼結助剤の添加が不要であるということがバルク内での反磁界係数の大幅な減少に寄与し、フェライトの透磁率が向上することになる。

さらには、フェライト粉体が、Ｙ型六方晶フェライトに一般的に用いられている２価金属Ｃｏを含まないため、内部導体からの応力に強いフェライト材料を得ることができる。しかも、１０００℃以下の低温で十分な相対密度を発生し、１以上の初透磁率を発生する強磁性体が得られることから、内部導体を持つ積層フェライトチップ部品への応用が可能となる。

なお、本発明は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、式（１）におけるｘ，ｙ，ｚ，αの値について、上記実施の形態例では、組成の比率αが０．００≦α≦０．７０の範囲で、焼結温度の低下の効果を発揮するとしている。しかし、表１等からαが０．００でも焼結する組成がある（例えば、試料番号１等）が、Ｓｒを添加することで、より低温での焼結が可能となることと、αが０．６０以上では透磁率が低下し始める傾向にあることから、０．００を除外して、αの範囲を０．００＜α≦０．６０としてもよい。

また、組成の比率ｘの範囲については、０．００≦ｘ≦０．６０とすることで、かかる範囲が、Ｓｒを組成として含有させた場合に相対密度を８０％以上とするのに、より好適な範囲であるとしてもよい。

一方、式（１）におけるｘ，ｙ，ｚ，αにおいて、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００という条件を満たす限り、例えば、ｚ成分を必須として、ｚ以外のｘ，ｙについては、少なくともいずれかが成分として含まれていればよい、とすることも可能である。また、αについても含まれていればよい、とすることも可能である。

本発明の実施の形態例に係る磁性体の組成材としての六方晶フェライト粉体の製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態例に係る成形品の製造工程を示すフローチャートである。 試料番号１７の複素透磁率の周波数スペクトルを示す図である。 試料番号１１〜１４の複素透磁率の実数部の周波数スペクトルを示す図である。 試料番号１１〜１４の複素透磁率の虚数部の周波数スペクトルで示す図である。 実施の形態例に係るフェライトを用いて作製したチップインダクタの構造を示す透視図である。 実施の形態例に係るチップインダクタの複素インピーダンスの周波数特性を示す図である。 実施の形態例に係るチップインダクタのインダクタンスの周波数特性を示す図である。

符号の説明

３１ スピネルフェライトの複素透磁率の実数部の高周波限界
３３ スピネルフェライトの複素透磁率の虚数部の高周波限界
６０ チップインダクタ
６１ 積層コイル
６３，６５ 外部電極

Claims (6)

1. 一般式（Ｂａ_1-αＳｒ_α）₂（Ｎｉ_xＺｎ_yＣｕ_z）₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂（０．００≦ｘ≦０．７０，０．００≦ｙ≦０．８０，０．２０≦ｚ≦０．８０，０．００≦α≦０．７０であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００）で表される組成を有するＹ型六方晶フェライトからなることを特徴とするフェライト材料。
2. 前記ｘ，ｙのうち少なくとも一方を組成として含むことを特徴とする請求項１記載のフェライト材料。
3. 前記Ｙ型六方晶フェライトは、Ｆｅ₂Ｏ₃，ＢａＣＯ₃，ＳｒＣＯ₃，ＮｉＯ，ＺｎＯ、およびＣｕＯを混合してなることを特徴とする請求項１記載のフェライト材料。
4. Ｙ型六方晶フェライト（Ｂａ₂Ｍ₂Ｆｅ₁₂Ｏ₂₂＝Ｍ₂Ｙ）の組成において、２価の金属イオンとしてＮｉ，ＺｎおよびＣｕを組み合わせた（Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｕ）₂Ｙ型六方晶フェライトからなることを特徴とするフェライト材料。
5. 透磁率の自然共鳴周波数がスピネル型フェライトよりも高周波側にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフェライト材料。
6. グリーンシートに請求項１乃至５のいずれかに記載のフェライト材料を含有してなることを特徴とする電子部品。

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