JP2008184364A

JP2008184364A - 酸化物磁性材料

Info

Publication number: JP2008184364A
Application number: JP2007019566A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Inagaki; 正幸稲垣; Mitsutsugu Kato; 充次加藤; Yoshio Matsuo; 良夫松尾
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】焼成は上限でも９５０℃以下にでき、高周波帯域でのコアロスを低値にできて少なくとも２５〜８０℃の温度範囲で十分な磁気特性を確保でき、透磁率を高く得られて積層チップ部品等の磁性体材料へ好ましく適用できる酸化物磁性材料を提供すること
【解決手段】主成分はＦｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり残部をＮｉＯとし、副成分はＭｇＯがＮｉの２０％以下，ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換し、上限でも９５０℃以下の温度により焼成する。これによる焼結体は、混合した各材料の特質を相互に作用させたものとなり、材質特性は、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴ，温度２５℃でのコアロスは４００ｋＷ／ｍ^３程度に小さくなり、温度８０℃においてもコアロスは６００ｋＷ／ｍ^３程度に抑え得るものとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎを含むＮｉ系の酸化物磁性材料に関するもので、より具体的には、積層インダクタや積層コモンモードチョークコイル等の積層チップ部品に適用するためコアロスを低減するようにしたものにおける温度特性の改良に関する。

酸化物磁性材料に関して、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライトがよく知られている。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、コアロスが小さく飽和磁束密度が高いことから、スイッチング電源などのコア材料に好んで使われているが、比抵抗が小さいため高周波での渦電流損失が大きくなる欠点があり、高周波帯域での用途には使用しない傾向にある。Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトは、比抵抗が大きいという特徴から高周波帯域での渦電流損失を小さくでき、高周波用のコア材料に用いることが多く、いわゆる通信用の用途など例えば積層インダクタといった積層チップ部品の用途がある。

積層チップ部品の用途では、フェライト材料による磁性体膜と導体材料による導体パターンとを適宜な順に積層し、積層体は同時一体に焼成する製造方法を採っている。これは生産性の向上および小型化のためであるが、この場合、導体膜層の融点よりも低い温度で焼成を行う必要があり、比較的に低温度でも焼成が行えて焼結性が良好であることが求められる。導体材料にはＡｇあるいはＡｇ化合物を用いることから、焼成は上限でも９５０℃以下の温度で行うことになり、これには組成および製造方法において調整，工夫が必要になる。例えば特許文献１などには低温化焼成の観点で技術の提案があり、ＭｇＣｕＺｎフェライトについて組成の開示がある。

また、近年は電子機器の小型化，高性能化の要求から信号をますます高周波数化する傾向があり、このためフェライト材料にあっても、より高い周波数帯域において良好な磁気特性を示すもの、つまり、より高周波側についてコアロスが低値であり透磁率が高いものが求められている。この点の改善については、例えば特許文献２，３などに見られるような技術の提案があり、Ｎｉを含む組成においてＴｉ，Ｃｕ等の添加を適宜に調整することにより磁気特性を改善するようにしている。

特開２００１−１７６７１８号公報特開平１−２１２２３４号公報特開２００５−２２８９２号公報

ところで、積層インダクタ等の積層チップ部品は、当然ながら他の電子部品とともに回路基板へ実装し、それらと同一環境において使用することになる。そして、近年は上述したように小型化，高性能化の要求から回路基板への実装は高密度化してきており、高効率化の動作設定を採るため発熱が大きく比較的に高温環境で働かせる傾向にある。

このため、フェライト材料は、高周波帯域での磁気特性が良好なことなもちろん、それらの温度特性が重要となり、高温でもコアロスが小さく、高温域に達して良好な磁気特性を示すものを必要としている。そこで、温度範囲は他の電子部品と少なくとも同等程度は確保したく、常温２５℃から８０℃程度の温度範囲でコアロスに悪化がなく、透磁率が十分に高く得られることが求められる。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、焼成は上限でも９５０℃以下の温度で行うことができ、高周波帯域においてコアロスを低値にできて少なくとも２５〜８０℃の温度範囲で十分な磁気特性を確保することができ、透磁率を高く得ることができ、積層チップ部品等の磁性体材料へ好ましく適用できる酸化物磁性材料を提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る酸化物磁性材料は、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎを含むＮｉＣｕＺｎ系の酸化物磁性材料であって、主成分は
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり
残部をＮｉＯとし、副成分は
ＭｇＯがＮｉの２０％以下，
ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％
含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換し、上限でも９５０℃以下の温度により焼成する。

また、低温での焼結性を上げる添加剤として、導体材料のＡｇあるいはＡｇ化合物等とは化学反応を比較的に起こしにくい元素であってＬｉ，Ｍｏ，Ｂ，Ｖなどを添加するように構成するとよい。

本発明では、Ｆｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯ，ＣｕＯ，ＮｉＯおよびＭｇＯ，ＴｉＯを上述した所定の配合比とすることにより、得られた焼結体は、高周波でのコアロスが小さくなり、広い温度範囲において透磁率を高く得ることができる。上述した本発明に係る組成は実験から見いだした結果であるが、ＭｇによるＮｉの置換により透磁率を増大でき、Ｔｉの添加によりコアロスの悪化を補正できる作用がある。焼結体の材質特性は、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴ，温度２５℃でのコアロスは４００ｋＷ／ｍ^３程度に小さくなり、温度８０℃においてもコアロスは６００ｋＷ／ｍ^３程度に抑え得ることを確認した。

すなわち、本発明に係る組成にあっては、Ｎｉを含むフェライト組成に対してＭｇ，Ｔｉの添加がきわめて適正値となっており、混合した各材料の特質を相互に作用させることができ、磁気特性を良好に得ることができる。

本発明に係る酸化物磁性材料では、主成分はＦｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり残部をＮｉＯとし、副成分はＭｇＯがＮｉの２０％以下，ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換するので、これによる焼結体（酸化物磁性材料）は、混合した各材料の特質を相互に作用させたものとなる。

焼結体の材質特性は、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴ，温度２５℃でのコアロスは４００ｋＷ／ｍ^３程度に小さくなり、温度８０℃においてもコアロスは６００ｋＷ／ｍ^３程度に抑え得るものとなる。したがって、高周波帯域においてコアロスを低値にできて少なくとも２５〜８０℃の温度範囲で十分な磁気特性を確保することができ、透磁率を高く得ることができる。この場合、焼成は上限でも９５０℃以下の温度で行うことができ、その結果、積層チップ部品等の磁性体材料へ好ましく適用できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。本発明に係る酸化物磁性材料は、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化銅（ＣｕＯ），酸化ニッケル（ＮｉＯ）等を主成分とし、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎを含むＮｉ系フェライトの組成になっている。具体的には、主成分は
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり
残部をＮｉＯとし、副成分は
ＭｇＯがＮｉの２０％以下，
ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％
含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換するようになっている。

焼成は上限でも９５０℃以下の温度により行い、低温での焼結性を上げる添加剤として、導体材料のＡｇあるいはＡｇ化合物等とは化学反応を比較的に起こしにくい元素を選び、例えばＬｉ，Ｍｏ，Ｂ，Ｖなどを添加する。低温化焼成のための添加剤は、ＡｇあるいはＡｇ化合物等とは反応が不活性な元素を選定しても焼成温度が低温では化学反応が進みがちになるので、むやみと量を増すことはできず、適切な添加量に調整することが好ましい。

製造には、まず上述した各原料成分を所定量秤量して湿式混合する。このとき、低温化焼成のための添加剤はまだ添加しない秤量とし、例えばボールミルで粉砕しつつ混ぜて混合紛体を製造し、これを乾燥させて解砕し、次に仮焼きする。仮焼きは、例えば電気炉を使用して大気中で温度を７００℃程度とする。

次にボールミル等によりそれを再び粉砕し、粉砕は所定時間行う。この粉体に対して、上述した低温化焼成のための添加剤を所定に添加し、そしてボリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加えてスラリを形成し、スプレードライにより造粒して所定粒径の粉体を得る。

次に、造粒した紛体に成形のための圧力を加えて、例えばリング形状に成形し、この後、ガス炉等で焼成を行う。焼成は、例えば大気中で温度を上限でも９５０℃以下とし、所定時間の焼成により焼結体を製造する。得られた焼結体にバレル研磨等の仕上げ加工を施し、形状，寸法を所定に加工した酸化物磁性材料を得る。

この焼結体は、平均結晶粒子径が所定値となるように製造しており、これは各原料の均一化および高精度な秤量制御、焼成工程における高精度制御など、製造工程の全般についての精緻化により実現している。

Ｎｉを含むフェライト組成において、結晶粒子の多くはＮｉＺｎによるものとなるが、Ｍｇを加えて置換することでは、粒界の一部にＭｇＺｎによる結晶粒子が存在する構造となる。ＭｇＺｎ結晶粒子は磁歪定数がＮｉＺｎ結晶粒子よりも小さく透磁率が高くなり、このため焼結体の全体において透磁率を増大させることができる。このＭｇ置換にあってはコアロスは増大する特性を示すことから補正が必要になり、補正のためにＴｉを添加している。

Ｔｉを添加することでは、磁歪が正へ移動するのでコアロスを低減させることができる。しかし、Ｔｉの添加量が増すと、より高温側でのコアロスが大きくなり、焼結性を悪化させる問題を起こす。焼結性を上げるためＬｉ，Ｍｏ，Ｂ，Ｖ等の添加剤を添加するが、上述した理由からむやみと量を増すことはできなく、適切な添加量に調整することになる。

ここに本発明に係る組成にあっては、Ｎｉを含むフェライト組成に対してＭｇ，Ｔｉの添加がきわめて適正値となっており、混合した各材料の特質を相互に作用させることができ、磁気特性を良好に得ることができる。

具体的には後述する実施例に示すように、本発明に係る組成による焼結体は、材質特性が、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴ，温度２５℃でのコアロスは４００ｋＷ／ｍ^３程度に小さくなり、温度８０℃においてもコアロスは６００ｋＷ／ｍ^３程度に抑え得るようになっている。したがって、高周波帯域においてコアロスを低値にできて少なくとも２５〜８０℃の温度範囲で十分な磁気特性を確保することができ、透磁率を高く得ることができる。この場合、焼成は上限でも９５０℃以下の温度で行うことができ、その結果、積層チップ部品等の磁性体材料へ好ましく適用できる。

上述した製造手順により試料を製造した。つまり、本発明の効果を実証するため、組成を変更して複数の試料を製造し、それら各試料についてコアロス，透磁率μ，密度，最大磁束密度（Ｂｓ）等の評価を行った。

試料は表１に示すように、組成を変更した２２の試料とし、外形をリング形状（外径２５ｍｍ，内径１５ｍｍ，高さ５ｍｍ）のものとした。主成分の配合は、Ｆｅ_２Ｏ_３は４５〜５０ｍｏｌ％，ＺｎＯは１０〜３２ｍｏｌ％，ＣｕＯは５〜１５ｍｏｌ％の範囲内として残部はＮｉＯとし、副成分にはＭｇＯ，ＴｉＯ_２を加えており、ＭｇＯはＮｉＯに対して０〜２５％の範囲で変更し、ＴｉＯ_２は０〜０．６ｗｔ％の範囲で変更し、そして、焼成温度を低温化するための添加剤として、リチウム（Ｌｉ），バナジウム（Ｖ），モリブデン（Ｍｏ），ホウ素（Ｂ），ビスマス（Ｂｉ）をそれぞれ０．１５ｗｔ％添加する設定とし、これらの組み合わせから少なくとも２２以上の試料を用意した。

製造時の条件としては、仮焼きは大気中で７００℃のトップ温度で行い、仮焼き後の粉砕はボールミルにより３０時間の粉砕を行った。そして、リング形状の成形物に対して焼成は、大気中で９００℃のトップ温度で行い、焼結体を得た。

コアロス（Ｐｃｖ）の測定にはＢ−Ｈアナライザを使用し、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴの正弦波交流磁界を加えて励磁し、２５℃から１００℃の温度範囲について測定を行った。図１，２は、各試料についてコアロス（Ｐｃｖ）の温度特性を示すグラフ図であり、図１はＭｇ，Ｔｉをパラメータにして成分調整した特性を示し、図２はＬｉをパラメータにして成分調整した特性を示している。

各試料についてコアロスを測定したところ、本発明に係る組成においては、各原料成分の特質を相互に作用させて好適な磁気特性を発現させることができ、良好な磁気特性が得られることを確認した。すなわち、主成分は
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり
残部をＮｉＯとし、副成分は
ＭｇＯがＮｉの２０％以下，
ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％
含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換し、トップ温度が９００℃での焼成により得た焼結体では、周波数１０００ｋＨｚ，飽和磁束密度３０ｍＴ，温度２５℃でのコアロスは４００ｋＷ／ｍ^３程度に小さくでき、温度８０℃においてもコアロスは６００ｋＷ／ｍ^３程度に抑えて良好な磁気特性が得られることを確認した。

Ｍｇ置換量に対して透磁率μの変化特性は、表２に示す結果となっており、表２にはかさ密度，最大磁束密度（Ｂｓ）の測定結果も示している。

表２から明らかなように、Ｍｇによる置換は量を増すほど透磁率μは高値を得ることができる。ただし、焼結体の密度，最大磁束密度ＢｍはＭｇ置換量を増すことに伴って低減し、密度が５．１×１０^３ｋｇ／ｍ^３を下回るようでは強度不足となり、コア材料等へは使用が不可能になる。このため、Ｍｇ置換量は２０％以下に設定することが好ましい。

Ｔｉ添加量に対して透磁率μの変化特性は、表３に示す結果となっている。図３はＴｉ添加量と透磁率μとの関係を示すグラフ図であり、（ａ）はＭｇ置換量が２０％での特性、（ｂ）はＭｇ置換なしでの特性をそれぞれ示している。

表３，図３から明らかなように、Ｔｉの添加では透磁率μは高くすることができ、しかし、添加量を増すことに伴い低下していく特性になっている。このため、Ｔｉ添加量は０．１〜０．５ｗｔ％に設定することが好ましい。

各試料についてコアロス（Ｐｃｖ）の温度特性を示すグラフ図であり、Ｍｇ，Ｔｉをパラメータにして成分調整した特性を示している。各試料についてコアロス（Ｐｃｖ）の温度特性を示すグラフ図であり、Ｌｉをパラメータにして成分調整した特性を示している。Ｔｉ添加量と透磁率μとの関係を示すグラフ図であり、（ａ）はＭｇ置換量が２０％での特性、（ｂ）はＭｇ置換なしでの特性をそれぞれ示している。

Claims

Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎを含むＮｉ系の酸化物磁性材料であって、主成分は
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５〜５０ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０〜３２ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり
残部をＮｉＯとし、副成分は
ＭｇＯがＮｉの２０％以下，
ＴｉＯ_２が０．１〜０．５ｗｔ％
含有する組成としてＮｉの一部をＭｇＯ，ＴｉＯ_２により置換したことを特徴とする酸化物磁性材料。
Ｌｉ，Ｍｏ，Ｂ，Ｖ等の低温焼成材料を添加したことを特徴とする請求項１に記載の酸化物磁性材料。