JP2006319020A

JP2006319020A - インダクタンス部品

Info

Publication number: JP2006319020A
Application number: JP2005138141A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsumoto; 裕之松元; Teruhiko Fujiwara; 照彦藤原; Tadao Katahira; 忠夫片平
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】インダクタンス部品の高温アニールにより、大電流に対応した直流重畳特性の優れた、且つ、高い電力効率を有するインダクタンス部品を提供すること。
【解決手段】軟磁性粉末とバインダーを含む混和物により構成される粉末磁性体内に、巻線コイル３が封じ込められて加圧成形されて一体化されるインダクタンス部品１であり、巻線コイル３の端子部５が３００℃以上の液相線を有する金属を含む被覆により端子処理されていることを特徴とすることで、インダクタンス部品１の高温アニールを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョークコイル、トランス、インダクタなどの磁気素子であるインダクタンス部品に関し、主として軟磁性材料を用いた高周波用磁芯と巻線コイルを一体化してなるインダクタンス部品に関するものである。

従来、高周波用インダクタンス部品の磁芯としては、主にソフトフェライト、高珪素鋼、あるいは純鉄粉、アモルファス鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末などの軟磁性粉末を用いた圧紛磁芯が使用されている。

これらの材料が使用される理由として、ソフトフェライトの場合は材料自体の比抵抗が高いこと、また高珪素鋼などの金属材料の場合は薄板化が容易なこと、圧粉磁芯の場合は軟磁性粉末材料を粉末化し高分子絶縁材料などの樹脂と混練して複合化することで、材料自体の比抵抗が低くても渦電流を小さくできるためである。

ところで、最近の各種電子機器の急激な小型化と高機能化に伴い、コイル、トランスなどのインダクタンス部品には、小型化と同時に大きな直流電流下における高いインダクタンスが求められている。

これを達成するには、磁芯の飽和磁束密度と高周波での損失特性を同時に向上させることが必要である。また、大電流化において巻線コイルの電気抵抗に起因する銅損によってコイル、トランスなどのインダクタス部品の発熱も増大しており、この温度上昇を抑制するための方法も求められている。

しかしながら、ソフトフェライトの場合、飽和磁束密度を向上させることは検討されてはいるものの、理論的な上限に近づいていて、殆ど改善されてないのが実情である。

また、高珪素鋼やアモルファスなどの金属材料薄板の場合、材料自体の飽和磁束密度は高いものの、高周波帯域用に対応させるためには、高周波になればなるほど材料自体を薄板化し、その積層磁芯は金属材料薄板の積層枚数を多くしなければならないため、絶縁層が増加することにより積層体磁芯の占積率が低下し、飽和磁束密度の低下を招くという問題がある。

一方、圧粉磁芯は微細な軟磁性粉末の粒子間に、高分子材料などの樹脂を絶縁材料として介在することによって高比抵抗化の実現が可能であり、Ｆｅ系の軟磁性粉末を使用した圧粉磁芯では、高い飽和磁束密度を確保できる。

このことから、Ｆｅ系の軟磁性粉末を使用した圧粉磁芯は、近年、大きな要求がでてきている高周波で、且つ、大電流を必要とするチョーク、トランスなどのインダクタンス部品用の圧粉磁芯として非常に適した材料となり得る。実際、巻線コイルと軟磁性金属粉末を用いた圧粉磁芯を一体成形した構造で直流重畳特性を改善する旨を開示（特許文献１、特許文献２）したものもあり実用化も進んでいる。

特開平０４−２８６３０５号公報特開２００２−３０５１０８号公報

しかしながら、軟磁性圧粉磁芯の内部に、巻線コイルが封じ込まれた構造の磁芯一体型のインダクタンス部品においては、成形により生じた内部応力歪みを解放する必要があり、一般的に２００℃前後での熱処理を施し、圧粉磁芯の磁気特性の回復を図っている。この熱処理の際、２００℃以上で熱処理を行うと巻線コイルの端子部に施した半田めっきが溶融や酸化することによりインダクタンス部品としての機能が大幅に劣化するといった問題がある。

また、圧粉磁芯に用いる磁性材料の熱処理温度は材料固有の値であり、熱処理温度を低下させることは、圧粉磁芯に用いる軟磁性粉末材自体の特性低下を意味し、それに伴いインダクタンス部品における磁気的な特性や効率が低下することから出来る限り２００℃以上の温度での熱処理が必要な状況にある。

以上に説明したごとく、圧粉磁芯を用いたインダクタンス部品において、巻線コイルの端子部に施した半田めっきが、２００℃以上での熱処理で溶融や酸化する問題から２００℃以上での熱処理ができず、圧粉磁芯の内部応力歪みの解放による磁気特性の十分な回復が困難である。従って、現状では、今後の更なる要望がある大電流化に対応した高効率なインダクタンス部品の提供が難しい。

本発明の技術的課題は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、インダクタンス部品における端子被覆処理の最適化により、インダクタンス部品の高温熱処理の実施により、直流重畳特性の改善を図ることで大電流に対応した、高電力効率を有するインダクタンス部品を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明者らは、巻線コイルの端子部に圧粉磁芯の高温熱処理においても溶融或いは酸化によるぬれ性の低下が無いめっき、或いは半田による被覆処理を施すことを検討した結果、２００℃以上の歪み取り高温熱処理を可能とし、圧粉磁芯の成形歪みを除去することで圧粉磁芯の特性劣化を改善できることを見出した。

また、本発明は、巻線コイルの端子部の被覆として３００℃以上のめっきで被覆を行うことで５００℃までの圧粉磁芯の歪み取り高温熱処理を可能とした端子部被覆を有するインダクタンス部品である。

また、上記端子部の被覆は、Ｎｉ−Ｓｎめっき、或いは高温対応半田めっきのいずれか１種類以上が被覆されていることが望ましい。高温対応半田めっきとしては、Ｓｎ−１.０〜４.０Ａｇ−１.０〜６.０Ｃｕ、あるいはＳｎ−０.１〜１.０Ｎｉ−１.０〜６.０Ｃｕの組成からなる半田めっきなどを被覆するのが望ましい。更に、Ｎｉ−Ｓｎめっき、或いは高温対応半田めっきは、融点が２５０℃以上を有することが望ましい。

即ち、本発明によれば、軟磁性粉末とバインダーを含む混和物により構成される粉末磁性体内に、巻線コイルが封じ込められて加圧成形されて一体化されるインダクタンス部品において、前記巻線コイルの端子部が融点３００℃以上のＮｉ−Ｓｎめっき及び高温対応はんだめっきの少なくとも１種類以上の処理がなされているインダクタンス部品が得られる。

また、本発明によれば、前記高温対応半田めっきは、Ｓｎ−１.０〜４.０Ａｇ−１.０〜６.０Ｃａ、あるいはＳｎ−０.１〜１.０Ｎｉ−１.０〜６.０Ｃｕからなる組成の少なくとも一種類であるインダクタンス部品が得られる。

本発明によるインダクタンス部品は、端子部に高温熱処理にも劣化しない被覆を施して最適化したことで、圧粉磁芯の高温熱処理が可能となり、圧粉磁芯の歪み取り熱処理を高温で実施することにより、加圧成形における圧粉磁芯内部の残留歪みが除去され、圧粉磁芯の特性が改善される。即ち、より高いインダクタンスと実装効率が実現でき、高電力効率のインダクタンス部品を供給することができる。また、磁性体内に巻線コイルを封じ込めた状態で一体化成形されるため製造コストが低減され、安価で高い電力効率のインダクタンス部品が供給できる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の高周波用インダクタンス部品の基本構成に係る一例を示した斜視図である。図１において、１はインダクタンス部品、２は（軟磁性）圧粉磁芯、３は巻線コイル、４は巻線部、５は端子部を示している。

まず、軟磁性圧粉磁芯について説明する。軟磁性圧粉磁芯は純鉄粉、アモルファス鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末などの軟磁性粉末にエポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いはシリコーン樹脂を０.１％〜５.０％添加した粉末を用いることが好ましい。

次に、巻線コイルの端子部への被覆について説明する。端子部への被覆は軟磁性圧粉磁芯の直近より施すことが望ましく、被覆にはＮｉ−Ｓｎめっき、あるいは高温対応半田めっきのいずれか１種類以上が被覆されていることが望ましい。

具体的にはＮｉおよびＳｎにより構成されるめっき、もしくはＳｎ−１.０〜４.０Ａｇ−１.０〜６.０Ｃｕ，Ｓｎ−０.１〜１.０Ｎｉ−１.０〜６.０Ｃｕの組成からなる半田めっきなどを被覆するのが望ましい。これにより高温熱処理下においても酸化せず、端子部のぬれ性も確保できることを見出した。

また、上記で使用するめっき、あるいは半田の融点を２５０℃以上のものとする事で、高温熱処理下においても溶融による表面張力発生に伴う被膜の凝集も無く、コア材（軟磁性圧粉磁芯）の歪み除去熱処理を実施することができることを見出した。

以上の軟磁性圧粉磁芯と巻線コイルを組み合わせることで、インダクタス部品を高温で熱処理ができるため、軟磁性圧粉磁芯本来の特性を十分に活用することが可能となり、同じ形状で有れば、より高いインダクタンスを有し、且つ電力効率の優れたインダクタス部品の提供が可能になる。

以下、幾つかの実施例並びに比較例を挙げて、本発明の高周波用インダクタンス部品について、製造工程を含めて具体的に説明する。本発明は下記実施例に制限されるものではない。

図１において、軟磁性圧粉磁芯２は、軟磁性磁性粉末である鉄粉或いは鉄アモルファス粉（Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒを含む）にシリコーン樹脂をバインダーとし３.０％添加した粉末とポリアミド或いはポリアミドイミドにより絶縁処理が施された巻き回数３.５Ｔの平角導線を１０ton／ｃｍ²の成形圧力にて一体成形した。

図２に、軟磁性圧粉磁芯２のコア材として使用したＦｅ系アモルファス磁性粉末の歪み取り熱処理温度と磁性体の高周波特性を示す材料特性である１ＭＨｚにおける初透磁率μｉ（at１ｍＡ）の関係を示す。また、図３にコア材として使用したＦｅ系アモルファス磁性粉末の歪み取り熱処理温度と、磁性体の材料特性である保磁力ｉＨｃの関係を示す。

なお、図２、図３における材料特性評価には、Ｆｅ−６.０mass％Ｓｉ−３.０mass％Ｂ−２.０mass％Ｃｒの組成から成るＦｅ系アモルファス非晶質粉末を用い、φ１３×φ８×ｔの金型にて４.５ton/ｃｍ²，７.５ton／ｃｍ²，１０.０ton／ｃｍ²の成形圧にて作製したコアに、φ０.３５の銅線にて１０Ｔの巻線を施したトロイダルコアを使用して評価した。

その結果、図２から明らかなように、４.５〜１０.０ton／ｃｍ²において程度の差はあるが、どの成形圧においてもコア材として使用する磁性体の透磁率μｉは、歪み取り熱処理温度に依存し、５００℃において最も高い透磁率μｉを示すことが確認できる。

また、熱処理温度の上限は、図３の熱処理温度と保磁力変化のデータから、５００℃以上では急激に保磁力ｉＨｃが増大し、μ（Ｂ／ｉＨｃ）の低下を引き起こすことが判明していることから、最適な熱処理温度は５００℃とした。

図４に、インダクタ１の端子部５の被覆に用いる被覆材質とぬれ性の関係を示す。

ぬれ性の評価については、各種被覆材を３ｍｍ×１ｍｍ×３０ｍｍの平角銅線に被覆し、７５℃、１５０℃、２００℃、２７０℃、３５０℃、４００℃、５００℃の各温度にて１時間熱処理後、一般的に表面実装用半田として用いられるＳｎ−３.０Ａｇ−０.５Ｃｕ半田に対してのぬれ性を、ぬれバランス法を用いて評価温度２４５±３℃、浸漬深さ０.２ｍｍ、浸漬時間１０〜６０秒にて評価し、ゼロクロス時間（秒）を半田ぬれ時間として半田とのぬれ性を定量評価した。尚、熱処理時の雰囲気は、２７０℃までが大気中、３５０℃以上はＡｒ不活性雰囲気中で処理を行った。

その結果、図４から明らかなように、一般的に半田めっきとして用いられているＳｎ−０.７５ＣｕやＳｎ−０.４Ａｇ−０.９Ｃｕ等は、１５０℃まではぬれ時間が３秒以下と表面実装上の問題は無かったが、２００℃以上の熱処理条件下では急激にぬれ時間が長くなり、著しく端子部被覆のぬれ性が悪化するため、実装基盤上へのリフローによる半田接合が実行上不可能な状況になる。

ところが、端子部における被覆層をＮｉ−Ｓｎめっき層、あるはＳｎ−２.０Ａｇ−６.０Ｃｕ合金層、Ｓｎ−０.２５Ｎｉ−５.０Ｃｕ系合金層においては、５００℃においても、ぬれ時間が２.５〜３.０秒と実行上、問題の無いレベルのぬれ性が確保されている。

従って、一般に電気回路用実装部品における半田ぬれ性の合否判断基準である、ぬれ時間＝３秒を５００℃近辺でも維持しており、コアへの高温熱処理後もインダクタ部品の端子用被覆材としてのぬれ性が確保できることから、一体成形型インダクタの端子部の被覆としての有用性が確認できる。

図５に、本実施例による一体成形型インダクタの歪み取り熱処理温度とインダクタンスの関係を示す。図５から明らかなように、歪み取り熱処理温度が５００℃近辺までの上昇に伴いインダクタンスが向上し、より高い熱処理温度にて歪み取りを実施することで、形状が一定の条件下でもより高いインダクタンスが得られることが確認される。

表１に、インダクタの端子部に各種被覆を実施し、各々最適歪み取り温度にて熱処理を施した時のインダクタの実装効率を示す。

表１から明らかなように、実装効率において、端子部へ従来の被覆材であるＳｎ−０.７５ＣｕやＳｎ−０.４Ａｇ−０.９Ｃｕを被覆した場合は、被覆材の劣化により１５０℃が歪み取り熱処理温度の限界であるのに対し、本発明によるＮｉ−Ｓｎめっき層、或いはＳｎ−２.０Ａｇ−６.０Ｃｕ合金層、Ｓｎ−０.２５Ｎｉ−５.０Ｃｕ系合金層を被覆したインダクタは、コアの歪み取り熱処理温度を５００℃まで上げることが可能となると同時に、実装効率も大幅に向上している。

なお、実装効率についてはＭＡＸＩＭ１７１７型評価ボートを使用し、０.１Ａ〜１０Ａまでの負荷電流に対する入力電力と出力電力の比を実装効率とし，そのときの最大効率値を示した。

これらのことから、実施例記載の内容にならい本発明によるインダクタとすることで、同一形状でもより高いインダクタを有し、且つ、電力効率にも優れたインダクタの提供が可能となる。また、一体成形メタルコアの使用により、今後のクロック周波数の増加に伴う大電流型ＣＰＵ（〜１００Ａ）にも対応できると共に、次世代インダクタのトレンドである小型化や省電力化にも対応可能なインダクタンス部品を提供することができる。

本発明によるインダクタンス部品は、融点３００℃以上の合金被覆を実施したことで、５００℃までのコア高温歪み取りが可能となりより、高いインダクタンスと電力効率を有していることから、各種電子機器の電源用部品であるチョークコイル、トランス等への適用が好適である。

また微細な粒径の粉末で成形された高周波用磁芯で、且つ、巻線コイルが磁性体内に封じ込まれているとともに加圧成形を施されて一体化された状態でのコア熱処理が可能となったことで、より小型で大電流に対応したインダクタンス部品を作製することができ、より高い電力効率を必要とする次世代電子機器への応用も可能である。

本発明の実施の形態に係わるインダクタンス部品の斜視図。歪み取り熱処理温度と初透磁率（μｉ）の関係を示す図。歪み取り熱処理温度と保持力（ｉＨｃ）の変化を示す図。熱処理温度とぬれ性の変化を示す図。熱処理温度とインダクタンス（Ｌ）の変化を示す図。

符号の説明

１インダクタンス部品（インダクタ）
２軟磁性圧粉磁芯（コア）
３巻線コイル
４巻線部
５端子部

Claims

軟磁性粉末とバインダーを含む混和物により構成される粉末磁性体内に、巻線コイルが封じ込められて加圧成形されて一体化されるインダクタンス部品において、前記巻線コイルの端子部が融点３００℃以上のＮｉ−Ｓｎめっき及び高温対応はんだめっきの少なくとも１種類以上の処理がなされていることを特徴とするインダクタンス部品。
前記高温対応はんだめっきは、Ｓｎ−１.０〜４.０Ａｇ−１.０〜６.０Ｃａ、あるいはＳｎ−０.１〜１.０Ｎｉ−１.０〜６.０Ｃｕからなる組成の少なくとも１種類であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタンス部品。