JP2007227426A

JP2007227426A - 磁性混和物及びそれを用いたインダクタ

Info

Publication number: JP2007227426A
Application number: JP2006043466A
Authority: JP
Inventors: Tadao Katahira; 忠夫片平; Hitoshi Sato; 斉佐藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】キャビティ内に配置された部品に対する負荷が小さい、封止成形用の磁性混和物と、巻線を施した磁気コアを、この磁性混和物で封止した構造のインダクタを提供すること。
【解決手段】磁性粉末をエポキシ樹脂などの熱硬化性高分子に混合分散した磁性混和物に曲げ弾性率が４００ＭＰａ以下の第二の高分子を混合する。これによって磁性混和物の流動性を向上し、併せて冷却過程や硬化反応に伴って起こる体積の収縮による、磁気コアへの負荷を低減できる。具体的には第二の高分子としてミラブル型シリコーンゴムや、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが好適に用いられる。
【選択図】なし

Description

本発明は、巻線を施した磁気コアを封止するのに好適な、高分子材料を主成分とする結合材に磁性粉末を分散させた磁性混和物、及びそれを用いたインダクタに関するものである。

携帯電話やノート型パーソナルコンピュータに代表される携帯型通信端末、ディジタルビデオカメラなどの携帯型電子機器の普及が著しく、これらの機器の可搬性を向上するために、小型化の傾向が近年一層顕著になってきている。これに伴い、用いられる部品の小型化、低背化への要求も厳しくなっている。

これらの部品は、当然のことながら、小型化、低背化の要求に対応するとともに、所要の特性を確保する必要がある。また、回路への接続自動化のため、端子は表面実装構造とする必要があり、このような要求は、各種のインダクタにも課せられている。

小型の表面実装型インダクタの代表的な構造の一つとして、巻芯の両端に鍔を設けたドラム型のフェライトコアに巻線を施し、巻線の端末を金属フレームに、巻き付けや溶接などの方法で接続して端子を構成するものがある。このようなインダクタにおいては、巻線によって形成される磁束が外部に漏れないように、ドラム型コアの鍔に適合した形状の磁気コアのスリーブを嵌合させたり、ドラム型コアの周囲を磁性粉末が含まれる材料で封止したりして、閉磁路を構成した構造が採用されることが多い。

そして、インダクタが小型化されるに従い、ドラム型コア及びスリーブの精度の確保が困難になることや、製造工程の簡略化のために、封止成形の有用性が高まっている。封止成形は、金型のキャビティ内に予め所要の部品を配置した状態で、高分子材料を主成分とする封止用材料を充填するもので、液状の熱硬化性高分子材料を注入する方法、常温で固体の熱硬化性または熱可塑性の高分子材料を溶融状態で圧入する方法とに大別される。

これらの製造方法を比較すると、生産性の観点では、前者よりも後者の方が有利であり、後者の製造方法は、さらに射出成形法とトランスファー成形法とに分別される。射出成形法は主に熱可塑性高分子に適用され、トランスファー成形法は主に熱硬化性高分子に適用されているが、表面実装型の電子部品は、ハンダのリフローで実装が行われるため、リフローの熱で溶融したり軟化したりしないことが必要である。従って、前記構造の小型インダクタの封止成形にはトランスファー成形法が適用されることになる。

しかしながら、この方法では、成形工程でドラム型コアに亀裂などが生じることがあり、新たな問題となる。前記のようにトランスファー成形法では、溶融した封止用材料を一定以上の圧力でキャビティ内に圧入することから、ドラム型コアを始めとして、キャビティ内の部品に外力が加わるので、脆弱な材料で構成される部品の損傷を皆無にするのは困難である。

一方で、従来トランスファー成形法は、主に半導体の封止成形に適用されていて、封止用材料には、エポキシ樹脂にシリカなどの無機物の粉末を分散した混和物が多用されている。そして、この場合も混和物の溶融体をキャビティ内に圧入する際に、キャビティ内に配置された半導体チップの位置ずれや、半導体チップと外部電極を接続する金線の変形が問題となっている。この対策の一つとして、特許文献１には、封止用材料の溶融粘度を低下することにより、前記の問題点を低減し得ることが開示されている。

特開２００４−１５５８５７号公報

しかしながら、前記のインダクタの場合では、半導体の封止用材料に含まれるシリカよりも、密度の大きい磁性粉末を用いることから、キャビティに圧入する際に、ドラム型コアに加わる衝撃エネルギーが大きくなり、封止用材料の溶融粘度を低くするだけでは不十分である。

また、溶融した高分子材料の冷却過程では、他の材料と同様に体積の収縮が起こるが、さらに熱硬化性高分子では、硬化反応に伴う体積の収縮も起こる。これによってドラム型コアに加わる外力にも無視できないものがある。

従って、本発明の課題は、熱硬化性高分子を主成分とする結合材に磁性粉末を充填させた磁性混和物で、キャビティ内に配置された部品に対する負荷が小さいものを提供し、この磁性混和物で、巻線を施した磁気コアを封止した構造のインダクタを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、磁性混和物の溶融粘度を低下することで、キャビティ内に配置された部品へ負荷される衝撃エネルギーを低減することを検討するとともに、併せて、冷却や硬化反応に伴う磁性混和物の体積の収縮によって、部品へ負荷される外力を低減するには、磁性混和物の剛性を低下させることが有効であることが見出された結果なされたものである。

即ち、本発明は、磁性粉末または磁性粉末と無機充填材の混合物を２０〜６０容量％、熱硬化性の第一の高分子と曲げ弾性率が４００ＭＰａ以下の第二の高分子を含む結合材を４０〜８０容量％含むことを特徴とする磁性混和物である。

また、本発明は、前記第一の高分子として、エポキシ樹脂を含み、前記第二の高分子として、シリコーンゴムを含むことを特徴とする、前記の磁性混和物であり、前記第二の高分子は、架橋して用いることも可能である。

また、本発明は、磁気コアに巻線を施してなるコイルを、前記の磁性混和物で封止して得られることを特徴とするインダクタである。

本発明の磁性混和物は、溶融粘度が低く、しかも剛性が低いことから、冷却過程や硬化反応に伴う体積の収縮によって、キャビティ内に配置された部品に付加される外力が小さいので、この磁性混和物によって、磁気コアを封止成形して得られるインダクタは、磁気コアの損傷などがなく、優れた特性や信頼性を発現することができる。

本発明では、磁性粉末または磁性粉末と無機充填材の混合物を２０〜６０容量％、熱硬化性の第一の高分子と曲げ弾性率が４００ＭＰａ以下の第二の高分子を含む結合材を４０〜８０容量％含む磁性混和物とする。

また、本発明では、磁気コアに巻線を施してなるコイルを、上記の磁性混和物で封止してインダクタとする。本発明で用いられるコイルとしては特に制限はないが、ドラム型磁気コアに巻線を施したコイル等を用いると、磁性混和物で封止成型することによりインダクタの磁気特性が向上するので、好適である。

本発明で用いられる第一の高分子は、熱硬化性であれば特に限定されないが、トランスファー成形法の生産性を考慮すると、硬化時間を適宜調整できることが必要である。また、インダクタとして具備すべき耐熱性を考慮すると、少なくとも他の電子部品と同等以上であることが必要である。具体的には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ポリウレタンなどが挙げられるが、硬化時間の制御の容易性や耐熱性により、エポキシ樹脂が好適である。

また、第二の高分子は、曲げ弾性率が４００ＭＰａ以下であれば、特に限定されないが、これを用いたインダクタは、機器への組込工程で、短時間ではあるがリフローにより高温になるので、その際の溶融や変形を防止するために、架橋して用いることが望ましい。また、架橋可能であれば、適宜架橋剤を選択することにより、低い剛性率を維持したままで成形を行い、後架橋で硬化後の磁性混和物の機械的な強度を増加することもできるので、インダクタの信頼性確保という観点で有用である。

具体的には、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体などの各種ポリオレフィン、またはオレフィン共重合体や、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴムなどの各種エラストマーが使用可能であるが、耐熱性などを考慮すると、シリコーンゴム、特に側鎖にビニル基を有し、過酸化物などの架橋剤で架橋可能な、ミラブル型シリコーンゴムを用いることが望ましい。

また、磁性粉末は特に限定されないが、各種の鉄系合金粉末などを用いることが可能であり、インダクタとして要求される特性によって適宜選択される。

また、磁性粉末または磁性粉末と無機充填材の混合物の、磁性混和物における混合比率を２０〜６０容量％に限定したのは、これ以下の比率ではインダクタとして必要な特性を発現できないからであり、これ以上の比率では、磁性混和物の流動性が低下して、封止成形ができなくなるばかりでなく、磁気コアの損傷が増加するからである。

なお、磁性混和物に所要の磁気特性を付与するには、同一または複数の材質の磁性粉末を一定比率で混合する必要があるが、磁性粉末の比率を固定した状態で、磁性混和物の流動性を低下させる必要が生じた場合、非磁性の無機充填材の添加が効果的である。無機充填材としては、半導体の封止成形に用いられているシリカ粉末などが挙げられる。

次に、具体的な例を挙げながら、本発明の実施例について説明する。

原料の磁性粉末として、粒子形状がほぼ球形で、平均粒径が１２μｍの鉄系アモルファス合金粉末を、ガスアトマイズ法により調製した。第一の高分子としては、主剤がエポキシ当量；２１０のノボラック型エポキシ樹脂、硬化剤が活性水素当量；１１０のノボッラク樹脂からなるエポキシ樹脂を、第二の高分子としては、曲げ弾性率が２８０ＭＰａのミラブル型シリコーンゴムを準備した。

また、前記の主成分の他に、離型剤として、パラフィンワックスを、無機充填材として、平均粒径が約６μｍの溶融シリカ粉末を準備した。なお、ここではエポキシ樹脂の硬化促進剤として、トリフェニルホスフィンを、シリコーンゴムの架橋剤として、ジクミルパーオキサイドを準備した。

これらの他に、比較のため、第二の高分子として、曲げ弾性率が約５２０ＭＰａのポリプロピレン（以下、ＰＰと記す）と、曲げ弾性率が約１３００ＭＰａのポリメタクリル酸メチル（以下、ＰＭＭＡと記す）を準備した。これらの材料を表１に記した混合比率となるように秤量して、双ロールを用いて均一になるまで混練して、磁性混和物を調製した。引き続き、得られた混和物を粉砕してプレス成形し、トランスファー成形用のタブレットを調製した。

これらの磁性混和物について、まず流動性と曲げ弾性率を評価した。ここでは流動性を評価するために、トランスファー成形用の材料の評価方法として、一般的に採用されているスパイラルフロー長さを用い、１５０℃で測定した。また、曲げ弾性率は、これらの磁性混和物を幅が１０ｍｍ、高さが５ｍｍ、長さが４０ｍｍの形状に成形し、１５０℃で２０分間、硬化処理した試料を用いて、３点曲げ試験を行って求めた。表２は、これらの結果をまとめて示したものである。

表２に示した結果から、第二の高分子として曲げ弾性率が最低であるシリコーンゴムを用いた磁性混和物は、最も高い流動性と、最も低い曲げ弾性率を具備していることが明らかである。

次に、これらの磁性混和物を用いて、巻線を施した磁気コアを封止成形した結果について説明する。

まず、磁気コアとして直径が１．１０ｍｍ、長さが０．３０ｍｍの巻芯と、厚さが０．２５ｍｍ、直径が２．５０ｍｍの鍔を、巻芯の両端に設けた形状で、Ｎｉ−Ｚｎフェライトからなるドラム型コアを準備した。このドラム型コアの巻芯部分に、直径が０．０８ｍｍでポリアミドイミドの絶縁層を有する銅線を用い、１２ターンの巻線を施した。

次に、ドラム型コアを金属フレームの上に配置し、巻線の端末を金属フレームに接続した。引き続き、ドラム型コアを金属フレームとともに、トランスファー成形用金型の所要の位置に固定し、封止成形を行った。その後、金属フレームに切断加工とフォーミング加工を施して、表面実装用の端子として、インダクタを得た。

図１は、このようにして得られたインダクタの中央部の断面図である。図１において、１はインダクタ、２はドラム型コア、３は巻線、４は磁性混和物、５は端子である。このインダクタを各磁性混和物について１０箇作製し、図１における上側の表面を、ドラム型コアの表面が現れるまで研削、研磨し、ドラム型コアの表面状態を顕微鏡で観察したところ、Ｎｏ．１の試料では、ドラム型コア表面に、割れなどの不具合がまったく観察されなかったのに対し、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の試料では、それぞれ、３箇、６箇、８箇の試料のドラム型コア表面に割れが認められた。表３にはその結果をまとめて示した。

以上の結果から、曲げ弾性率の低い第二の高分子を磁性混和物に混合することが、ドラム型コアの損傷防止に有効であり、その曲げ弾性率は、概ね４００ＭＰａ以下が望ましいことが明らかである。また、Ｎｏ．１とＮｏ．４の試料では、スパイラルフロー長さが同等で、高い流動性、言い換えれば低い溶融粘度を有しながら、ドラム型コアの割れの発生数に明らか違いがあり、磁性混和物の溶融粘度の低下のみでは、ドラム型コアの損傷防止に対して不十分なことを示唆している。

次に、第二の高分子の混合比率の適正値について検討した結果について説明する。ここでは、前記と同様の材料を用いて、シリコーンゴムの混合比率を１０容量％、３０容量％として磁性混和物を調製した。これらの磁性混和物について、前記と同様の評価を行った。表４は磁性混和物の各材料の混合比率と評価結果をまとめて示したものである。

表４に示した結果によると、シリコーンゴムを１０容量％混合したＮｏ．５の磁性混和物では、流動性の低下が顕著ではないが、曲げ弾性率の向上が見られる。しかし、ドラム型コアに割れが見られ、この混合比率では、ドラム型コアの損傷防止には不十分であることが分かる。

また、Ｎｏ．６の磁性混和物では、ドラム型コアの割れが見られないものの、曲げ弾性率の低下が大きく、インダクタとしての信頼性に問題が起こる可能性がある。従って、シリコーンゴムの適正な混合比率は、概ね１５〜２５容量％である。

また、ここでは、特に数値を示さないが、第二の高分子として、曲げ弾性率が１６０ＭＰａのエチレン−酢酸ビニル共重合体と、曲げ弾性率が２１０ＭＰａのエチレンプロピレンゴムを、それぞれ２０容量％混合した磁性混和物を調製して、前記と同様に評価したところ、ドラム型コアの割れはまったく認められず、曲げ弾性率も同等であった。

以上に説明したように、本発明によれば、封止成形でキャビティ内に配置された部品に損傷を与えることのない磁性混和物と、それを用いたインダクタを得ることができ、インダクタ並びに同様構造の電子部品の小型化に寄与するところは極めて大きい。

また、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、当業者であればなし得るであろう各種変形、修正が本発明に含まれることは勿論である

インダクタの中央部の断面図。

符号の説明

１インダクタ
２ドラム型コア
３巻線
４磁性混和物
５端子

Claims

磁性粉末または磁性粉末と無機充填材の混合物を２０〜６０容量％、熱硬化性の第一の高分子と曲げ弾性率が４００ＭＰａ以下の第二の高分子を含む結合材を４０〜８０容量％含むことを特徴とする磁性混和物。
前記第一の高分子はエポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性混和物。
前記第二の高分子はシリコーンゴムを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性混和物。
前記第二の高分子は架橋してなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁性混和物。
磁気コアに巻線を施してなるコイルを、請求項１ないし請求項４のいずれかに１項に記載の磁性混和物で封止してなることを特徴とするインダクタ。