JP2007266175A

JP2007266175A - 磁器構造体および表面実装型インダクタ

Info

Publication number: JP2007266175A
Application number: JP2006087286A
Authority: JP
Inventors: Minoru Omori; 実大森; Chisato Ishida; 千里石田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】基板に半田を介して実装した場合に、半田や電極にクラックが生じにくい磁器構造体および表面実装型インダクタを提供する。
【解決手段】柱状の胴部１と該胴部１の両端より略垂直方向に伸びる脚部３とによって断面がコの字型またはＨ型の形状を有する磁器５の前記脚部３の端面３ａと側面３ｂとを覆うように電極７が形成されるとともに、前記電極７の縁部７ａがソルダレジスト性膜９で覆われ、少なくとも前記端面３ａにおいて前記電極７が露出していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライトに代表される磁性材料、若しくは誘電体材料などの磁器組成物からなる磁器を用いた磁器構造体およびこれを用いた表面実装型インダクタに関する。

磁器組成物からなる磁器を用いた磁器構造体を半田によって基板表面に実装する場合、磁器は半田と濡れない為に、磁器の脚部にＡｇ等の導電性の金属ペーストを塗布したあと焼き付けて、電極を形成している。その後、必要に応じ、例えば電極の酸化や硫化を防ぐ目的で、電解めっき等によりＮｉ、Ａｕ、Ｓｎ等の層を電極の表面に形成することも行われている。

上記金属ペーストの焼き付けは、例えば磁器がフェライトであれば原料粉末に所望のバインダーを添加混合して成型し、得られた成型体を９５０〜１２００℃の範囲で約２時間焼成した後、得られた焼結体にＡｇペースト等を印刷し、約８６０℃で１０分程度焼き付けて行う。

しかしながら、Ａｇペーストを高温で焼き付けた後、冷却する際に磁器とＡｇの熱膨張率が異なる為に、両者の収縮の差によって磁器に応力が発生する。この応力はＡｇ電極を焼き付けた領域の縁部に集中し、残留応力となる。

このように残留応力を持ったままで、磁器構造体を半田によって実装した場合には、半田はＡｇ（或いはＡｇを覆っているめっき層）を覆う形で濡れるので、半田の縁部と上記の残留応力が集中した箇所が一致してしまう。

半田を溶融させる温度は１８０〜２２０℃前後であり、その後、冷却して室温に戻す際に半田の収縮が起こるが、半田の熱膨張率は磁器やＡｇに比べて大きく、その収縮差によって更に半田の縁部に応力が集中する。したがって、Ａｇ電極焼付けの際の残留応力と、半田接合の際の残留応力が同じ箇所に集中することになる。

なお、各部材の熱膨張率は、半田が２０〜２５×１０^−６／℃、フェライトが８〜１２×１０^−６／℃、銀電極が１５〜２０×１０^−６／℃程度である。

このように、半田によって基板に実装された磁器構造体は、その脚部に塗られた電極、半田の縁部付近に常時応力が発生している状態となっている。

このような状態で、磁器構造体を実装した基板が何らかの外力によりたわむと、磁器構造体と基板との接合部分である半田、特にその接合縁部に大きな応力が発生する。この基板のたわみによる応力と、上記の実装時の残留応力の集中箇所が重なり合う為、大きな応力となり、磁器構造体にクラックが発生してしまう。

具体的例として基板に実装したフェライトコアを用いた構造体に生じる問題を挙げる。

フェライトコアはＮｉ−Ｚｎ系フェライトを主成分とした磁性材料からなり、胴部の両端に脚部を備えている。脚部にはＡｇペーストを焼付け処理した後、電解めっきによりＮｉ層を形成し、さらにその上層に同じく電解めっきによりＳｎ層を形成することによって電極を作製している。胴部には導線を巻回し、その両終端はヒーターによって脚部の底面に形成された電極に熱圧着されている。

このフェライトコアを用いた構造体を実装した基板が工程内でたわみ、半田とフェライトコアの接合縁部にクラックが発生するという問題が起こっている。

磁器構造体の衝撃強度を向上させる方法として、例えば胴部の導線の巻回部を樹脂で封止することが提案されている（例えば、特許文献１参照のこと）。

また、実装時の熱ストレスや、実装側の基板の撓み等の機械的ストレスへの耐久性を向上させるために金属板電極を用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照のこと）。
特開１９９９−０６７５２０号公報特開２００５−７２０３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、胴部に配置された導線に関して衝撃強度を向上させることはできても、磁器構造体と基板との接続信頼性を十分に改善することは見込めない。

また、特許文献２に記載の方法では、別途、微細な金属板を準備しなくてはならない上に、金属板の厚みの分だけ製品の厚みが厚くなるという表面実装部品としては望ましくない欠点がある。

本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、電極の焼付け時の残留応力と、半田実装時に生じる残留応力とが重なり合うことを防ぐことで、クラックが生じにくい磁器構造体および表面実装型インダクタを提供することを目的とする。

本発明の磁器構造体は、水平方向に伸びる柱状の胴部と該胴部の両端より略垂直方向に伸びる脚部とによって断面がコの字型またはＨ型の形状を有する磁器の前記脚部の端面と側面とを覆うように電極が形成されるとともに、前記脚部の側面において前記電極の縁部がソルダレジスト性膜で覆われ、前記端面においては前記電極が前記ソルダレジスト性膜から露出していることを特徴とする。

また、本発明の磁器構造体は、前記ソルダレジスト性膜が、樹脂であることが望ましい。

また、本発明の磁器構造体は、前記ソルダレジスト性膜が、ガラスであることが望ましい。

本発明の表面実装型インダクタは、以上説明した磁器構造体の前記胴部に導線を巻回したことを特徴とする。

本発明の磁器構造体によれば、電極の縁部において電極をソルダレジスト性膜で覆うことにより、電極の焼付けにより形成された電極の縁部と、基板との接合を担う半田の縁部とがずれるようにすることで、磁器に電極を形成した際の残留応力が集中する箇所と、はんだを実装する際の残留応力及び実装後の基板のたわみによって半田との接合縁部に現れる応力集中の場所をずらすことができる。その結果、磁器構造体に発生する最大応力を低減することができ、クラックが生じにくい磁器構造体となる。

また、本発明の磁器構造体によれば、ソルダレジスト性膜を樹脂により形成することで、安価で、容易にソルダレジスト性膜を形成することができる。

また、本発明の磁器構造体によれば、ソルダレジスト性膜をガラスにより形成することで、インダクタの電気特性を低下させることなく電極と磁器の接合強度を向上させることができる。これにより、小さな電極であってもフェライトコアと電極の接合強度を保つことができる。

本発明の表面実装型インダクタによれば、以上説明した構成の磁器構造体を用いることでクラックが生じにくい表面実装型インダクタとなる。

本発明の磁器構造体に用いられる磁器としては、例えば図１（ａ）に示すように、水平方向に伸びた胴部１の両端より胴部１の長手方向に対して略垂直方向に伸びる脚部３とを備え、断面がＨ型あるいはコの字型の磁器５であるフェライトコアを例に挙げることができる。代表的なフェライトコアはＦｅ_２Ｏ_３：４７〜５１ｍｏｌ％、ＮｉＯ：１０〜１４ｍｏｌ％、ＺｎＯ：３１〜３５ｍｏｌ％を必須成分とし、さらにＣｕＯを０〜４ｍｏｌ％、その他微量成分を含有してなる原料粉末に、所望のバインダーを添加混合した後、金型に充填して加圧することによって所望の形状に成型し、得られた成形体を９５０〜１２００℃の範囲にて２時間程度焼成することで作製することができる。

そして、例えば図１（ｂ）に示すように、磁器５の脚部３の端面３ａと側面３ｂとを覆うように電極７が形成されるとともに、この電極７の縁部７ａにおいて電極７がソルダレジスト性膜９で覆われ、少なくとも脚部３の端面３ａに形成された電極７が露出していることが重要である。また、電極７と磁器５とがともにソルダレジスト性膜９によって一体的に覆われていてもよいことはもちろんである。

このような磁器構造体１１を、例えば図２に示すように、半田１３を介して基板１５に実装した場合には、ソルダレジスト性膜９で覆われた部分は半田が濡れることがないため、磁器構造体において応力が大きくなる電極７の縁部７ａと半田１３の縁部１３ａとが重なり合うことがなく、離れて形成されるため、応力の過度な集中を抑制することができ、信頼性に優れた磁器構造体１１となる。

また、図３に示すように本発明の磁器構造体１１の胴部１に導線１７を巻回した場合には、信頼性に優れた表面実装型インダクタ１９となる。なお、この表面実装型インダクタ１９の導線１７は、電極７とともに他の基板に接続されるか、電極７とは別に他の基板に接続されるなどするものである。

以上説明した磁器構造体１１並びに表面実装型インダクタ１９に用いられるソルダレジスト性膜９は、例えば配線基板の表面に形成される従来周知のソルダレジスト性樹脂が好適に用いられる。樹脂の種類としては必要に応じ適宜選択することができ、光硬化性のものや熱硬化性のものが安価で膜の形成も容易であることから好適に用いられる。

このソルダレジスト性膜９は、樹脂以外にも例えばガラスなどのような無機質の材料により形成してもよい。ガラスであれば、ガラスは磁場を遮断しないためインダクタの電気特性を低下させることなく電極とフェライトコアの接続強度を向上させることができ、特に電極が小さい場合に好適である。また、ソルダレジスト性膜９は電極７の表面を部分的に酸化、硫化するなどして半田濡れ性を低くして形成してもよい。

このようなソルダレジスト性膜９の利点は、単に応力の集中を抑制するだけではなく、仮に半田の量が増加しすぎた場合であっても、磁器構造体１０と基板との接続信頼性におよぼす影響が小さくなり、製品の品質のばらつきを小さくすることができる。また、同じ理由により、実装工程にかかる時間も短くすることができる。

また、ソルダレジスト性膜９の形成範囲は、応力の集中する位置を遠ざけるという観点から電極７の縁部７ａから０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。また、特に０．３ｍｍ以上とすることが望ましい。

また、ソルダレジスト性膜９の厚みは、半田が濡れないようにすればよいため、特に限定はなく、製造方法、材質によって最適な値を適宜選択すればよい。

なお、樹脂製のソルダレジスト性膜９を形成する場合には、例えば、液状の樹脂を電極７の縁部７ａを覆うように塗布し、熱硬化するか、光硬化するなどして硬化させればよい。

また、露出させるべき電極７の領域にマスキングした後で、液状の樹脂に磁器を投入し、樹脂を硬化させる前あるいは樹脂を硬化させた後にマスキングと、マスキングの上に形成された樹脂を除去してもよい。このようにソルダレジスト性膜９は、露出させるべき電極７の領域以外であれば磁器全体を覆うように形成してもかまわない。

なお、本発明において電極７は、従来周知のディッピングやスクリーン印刷、転写などの方法を使用してＡｇやＣｕ、ＡｇＰｄなどの金属粉末を含有する金属ペーストを脚部３に塗布し、約８６０℃で１０分程度焼成を行うことで形成することができる。また、他の金属や、他の形成法によっても電極を形成することができるのは言うまでもない。

また、電極７の表面には必要に応じてＮｉやＡｕなどの金属膜（図示せず）を形成してもよい。この金属膜は、半田濡れ性を向上させるため、あるいは電極７の酸化や硫化等を防止するために形成されるもので、容易に形成できることからめっき法により形成することができる。

まず、Ｆｅ_２Ｏ_３：４７〜５１ｍｏｌ％、ＮｉＯ：１０〜１４ｍｏｌ％、ＺｎＯ：３１〜３５ｍｏｌ％にＣｕＯを０〜４ｍｏｌ％、その他微量成分を含有してなる原料粉末に、所望のバインダーを添加混合した後、金型に充填して加圧することによって所望の形状に成型し、得られた成形体を９５０〜１２００℃の範囲にて約２時間焼成して３点曲げ強度が１７０ＭＰａのコの字型のフェライトコアを作製した。なお、３点曲げ試験の測定は別途作製した寸法が３×４×４０ｍｍの磁器を用いて行った。なお、作製したフェライトコアを用いた磁器構造体の形状及び寸法は図４に記載した通りである。

次に、このフェライトコアの脚部にガラス成分を含むＡｇペーストをディッピングして、約８６０℃で１０分程度焼成して電極を形成した。なお、図４（ｂ）に示すように、この電極の形成領域はフェライトコアの脚部の端面から電極７の縁部７ａまでの距離が約０．４ｍｍ、電極の厚みは約１５μｍであった。そして、電極上にＮｉ、Ｓｎ層を順にめっき処理にて作製した。

さらに、この電極７の縁部７ａに樹脂を塗布して１２０℃で、１時間保持して硬化させ、厚み１００μｍのソルダレジスト性膜９を形成した。なお、樹脂の塗布に際しては屈曲したディスペンサーを使用し、磁器構造体１１の側面に樹脂を塗布した。また塗布してから硬化するまでは、樹脂が電極部に垂れることを防ぐため、電極３の端面３ａが鉛直上方向に来るように磁器構造体１１を保持した。なお、樹脂はエポキシ系樹脂のチバガイギー社のＸＮＲ３６１４を用いた。また、比較例としてソルダレジスト性膜を設けない従来形状の試料も用意した。

そして表１に示すようにソルダレジスト性膜９の幅を３通りに変化させた磁器構造体をそれぞれ２０個作製した。なお、表中においてＬは、図４（ｂ）に示すように、電極７の縁部７ａから電極を覆っているソルダレジスト性膜９の幅のことである。

そして、これらの試料を厚みが１．０ｍｍの基板に半田を介して接合し、その後、図５に示すように基板に８０ｍｍの間隔で支点となる治具２１を設け、基板の磁器構造体が実装されていない側から曲率半径１．８ｍｍの治具２３を用いて５ｍｍ／分の速度で１．５ｍｍ押し、基板を上方向に凸に反らせる試験を行った。表１に試験結果を示す。

表１に示すように、本発明の範囲外であるソルダレジスト性膜のない試料Ｎｏ．１は２０個のうち１７個に破壊が認められた。一方、本発明の試料Ｎｏ．２〜４では、破壊確率が低くなり、特にソルダレジスト性膜９の幅Ｌが０．３ｍｍの試料Ｎｏ．４では全く破壊が確認されなかった。

（ａ）は、本発明の磁器構造体に用いる磁器を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の磁器構造体を示す断面図である。本発明の磁器構造体を半田を介して基板へ実装した状態を表す断面図である。本発明のインダクタを半田を介して基板へ実装した状態を表す断面図である。（ａ）は、本発明の実施例における磁器構造体の寸法を示す断面図であり、（ｂ）は、図４（ａ）における磁器構造体の脚部の部分の縦断面図である。本発明の実施例における破壊試験を説明する断面図である。

符号の説明

１・・・胴部
３・・・脚部
３ａ・・・脚部の端面
３ｂ・・・脚部の側面
５・・・磁器
７・・・電極
７ａ・・・電極の縁部
９・・・ソルダレジスト性膜
１１・・・磁器構造体
１３・・・半田
１３ａ・・・半田の縁部
１７・・・導線
１９・・・表面実装型インダクタ
２１・・・破壊試験における基板の支点となる治具
２３・・・破壊試験において基板にたわみを印加する治具

Claims

水平方向に伸びる柱状の胴部と該胴部の両端より略垂直方向に伸びる脚部とによって断面がコの字型またはＨ型の形状を有する磁器の前記脚部の端面と側面とを覆うように電極が形成されるとともに、前記脚部の側面において前記電極の縁部がソルダレジスト性膜で覆われ、前記端面においては前記電極が前記ソルダレジスト性膜から露出していることを特徴とする磁器構造体。
前記ソルダレジスト性膜が、樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の磁器構造体。
前記ソルダレジスト性膜が、ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の磁器構造体。
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁器構造体の前記胴部に導線を巻回したことを特徴とする表面実装型インダクタ。