JP2010150050A

JP2010150050A - 磁気組成物及びインダクタ並びに電子回路用基板

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Publication number: JP2010150050A
Application number: JP2008327087A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Oba; 佳成大場; Makoto Mitsuda; 信光田; Kiyoto Ono; 清人小野; Yoshio Matsuo; 良夫松尾
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】８００℃から８５０℃程度の低温で焼結が行え、１ＧＨｚ程度にて高周波数帯域においてもでの使用が可能緻密な薄膜を形成でき、配合する各組成の微粉化は比較的に低いレベルでよい低温焼結用電極材料を提供すること
【解決手段】４０〜５０ｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３，１５〜２５ｍｏｌ％のＮｉＯ，５〜２０ｍｏｌ％のＣｕＯ，１５〜２５ｍｏｌ％のＺｎＯからなるフェライト材料に、下記組成のガラスを５０〜８０ｖｏｌ％を混合して形成される組成とした。そして、ガラス成分は、ＳｉＯ_２を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％，Ｂ_２Ｏ_３を１２ｗｔ％〜２５ｗｔ％，Ｋ_２Ｏを１ｗｔ％〜５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３を０〜８ｗｔ％という関係を満たす組成配分とした。ガラスの存在比率が多くなることもあり、低温で焼結が行えるようになり、誘電率も１ＧＨｚ以上の高周波数帯域まで安定した値を保持できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁気組成物及び電子部品に関するもので、より具体的には、特に高周波の電子部品の使用に適したものに関する。

たとえば、積層コンデンサ，積層インダクタ等のチップ部品は、フェライト等で形成される絶縁膜と、導電性ペーストを用いて所定パターンに形成される導体パターンとを適宜の順に積層することにより、内部に所望の導体パターンからなる内部導体を内蔵するチップ体を製造する。その後、そのチップ体を焼成してチップ部品が形成される。

導電性ペーストをＡｇあるいはＡｇ合金から形成した場合、Ａｇの融点（９６１．９３℃）以下で焼成する必要がある。そこで、特許文献１等に開示された発明のように、フェライト材料にガラス材料を添加することで、焼成温度を低温（特許文献１では、９３０℃）にすることができることか報告されている。
特開２００２−２５２１０９４号公報

ところで、近年の電子機器に実装される電子回路における使用周波数帯域が高周波数化するのに伴い、高い周波数帯域で使用可能な材料の開発が望まれている。しかし、従来のフェライト材料を用いたチップ部品では、磁気共鳴ピークが数ＭＨｚ程度となり、それ以上の高い周波数帯での使用に適していない。また、その磁気共鳴ピークに対応して比誘電率μも、低い周波数帯域では、ある程度の高い値となるものの、１００ＭＨｚ程度を超えると急激に低下してしまい、目的のμを得られないという問題もある。

さらに、上記の特許文献１に開示された発明では、焼成温度は９３０℃程度となり、Ａｇの融点よりは低温にすることができる。しかし、焼成温度をさらに低くしたいという要求があり、係る要求には十分に応えることができなかった。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、積層タイプのチップ部品の絶縁層等に使用することができ、１ＧＨｚ付近に磁気共鳴ピークを持ち、１ＧＨｚ近くの高い周波数帯域まで、安定して一定のμを持つ磁気組成物及びインダクタ並びに電子回路用基板を提供することを目的とする。さらに、焼成温度を８５０℃以下にして低温焼結を可能とすることを副次的な目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係る磁気組成物は、(１)４０〜５０ｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３，１５〜２５ｍｏｌ％のＮｉＯ，５〜２０ｍｏｌ％のＣｕＯ，１５〜２５ｍｏｌ％のＺｎＯからなるフェライト材料に、下記組成のガラスを５０〜８０ｖｏｌ％を混合して形成される組成とし、当該ガラス成分は、ＳｉＯ_２を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％，Ｂ_２Ｏ_３を１２ｗｔ％〜２５ｗｔ％，Ｋ_２Ｏを１ｗｔ％〜５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３を０〜８ｗｔ％という関係を満たす組成配分とした。

従来の、フェライト材料に対して焼結助剤としてガラスを少量添加といった技術思想を転換し、ガラスの混合比率を多くした。これにより、磁気共鳴ピークを１ＧＨｚ付近の高い周波数帯に移動することができる。係る効果を得るためには、少なくともガラスが半分以上、つまり、５０ｖｏｌ％以上存在する必要がある。これは、フェライト材料にガラスを混合して焼成すると、ガラスの軟化点付近で融解し、焼結化する。このとき、ガラスが５０ｖｏｌ％以上になると、ガラスの表面張力により緻密化が促進されるので、上記の効果が発揮する。一方、８０ｖｏｌ％を超えると、表面張力によりチップ体等を形成した場合に角部が丸みを帯びてしまい、矩形状等の所望の形状に形成することができなくなると共に、内部に発泡が生じてしまう。そのため、上限は８０ｖｏｌ％となる。よって、ガラスの成分量は、５０ｖｏｌ％以上、８０ｖｏｌ％以下となる。なお、発泡すると密度が低下するので、理想状態の密度に対する実際の密度の比である相対密度を求め、相対密度が一定値(たとえば９０％)以上のものが、効果があると判断することができる。さらに、ガラスの存在比率が増すことも相まって、焼成温度を低くすることができ、８００〜８５０℃程度にすることもできる。もちろん、焼成温度は、上記の温度範囲以上で焼成することを妨げない。

そして、ガラス並びにフェライト材料の組成比を適宜変更して製造した磁気組成物を実際に焼成した結果、上記の範囲が有効であることが確認できた。さらに、各組成についての上下限値の臨界的な意味は、以下の通りと思われる。

（２）また、（１）に記載の磁気組成物に対し、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料を、５〜１０ｖｏｌ％添加するとよい。このように、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系のガラス材料をさらに添加することで、ガラス材料の存在比率がさらに増す。そして、（１）のガラスと異なるガラス材料を添加するので、１種類のガラス材料を多量に（８０ｖｏｌ％を超えて）に混合する場合と相違し、角部が丸くなることがない。このことは、実験によっても確認されている。

（３）本発明に係るインダクタ並びに電子回路用基板は、上記の（１）または（２）に記載の磁気組成物を用いて構成される。ここでインダクタは、積層インダクタ（積層チップインダクタ）であり、導体パターンからなるコイルを内蔵するチップ体に用いられる。このチップ体は、シート状の磁気組成物を積層して構成される。また、電子回路用基板は、たとえば、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic)多機能性基板等として実現することができる。

本発明では、１ＧＨｚ付近に磁気共鳴ピークを持ち、１ＧＨｚ近くの高い周波数帯域まで、安定して一定の透磁率を持たせることができる。さらに、焼成温度を８８０℃以下、好ましくは８５０℃以下にすることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。本発明に係る磁気組成物は、所定のフェライト材料と、を５０〜８０ｖｏｌ％のガラスを混合して形成される。フェライト材料は、４０〜５０ｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３，１５〜２５ｍｏｌ％のＮｉＯ，５〜２０ｍｏｌ％のＣｕＯ，１５〜２５ｍｏｌ％のＺｎＯの組成範囲内のものを用いる。また、ガラスは、ＳｉＯ_２を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％，Ｂ_２Ｏ_３を１２ｗｔ％〜２５ｗｔ％，Ｋ_２Ｏを１ｗｔ％〜５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３を０〜８ｗｔ％という関係を満たす組成配分とする。

この磁気組成物は、たとえば以下に示す工程により製造することができる。すなわち、上記のフェライト材料の各原料成分を所定量秤量し、公知のフェライト材料の製造工程に従い仮焼きする。この仮焼き後のフェライト材料（上記の組成範囲内となっている）と、上記の組成範囲で形成されたガラスをボールミルポットに混合する。このとき、ガラスが５０〜８０ｖｏｌ％となるように秤量する。

次いで、エタノール等のアルコールを所定量秤量し、上記のフェライト材料とガラスを混合投入したボールミルポット内に投入する。そして、そのボールミルにて、２０時間程度混合粉砕する。粉砕後の粉体の粒径（Ｄ５０)は、０．８μｍ程度となる。この粉体を乳鉢等でさらに解砕する。この解砕した粉体と、エチルセルロース等のバインダを混ぜ、シート成形を行うことで、シート状の磁気組成物が製造される。

本発明に係る電子部品(積層インダクタ）の一実施形態としては、上記のようにして形成されたシート状の磁気組成物を用い、製造することができる。すなわち、上記のシート状の磁気組成物を所定枚数積層する。この積層工程の途中で、そのとき露出しているシート状の磁気組成物の表面に対してコイルを構成するための導体パターンを印刷する。これにより、内部に所定の巻数からなるコイルを有する積層体が形成される。

この積層体を、所望温度（たとえば、５０℃程度）の温度で加熱しながら、所望の圧力（たとえば、１ｔ／ｃｍ^２）で加圧し、積層した磁気組成物からなるシートを圧着する。その後、所定の形状に切断することで、チップ体を製造する。このチップ体を所定温度で焼成し、得られた焼結体の表面をバレル研磨し、所定部位に外部の端子電極を付け、焼き付けを行うことで、積層インダクタが製造される。もちろん、他の製造方法によって製造することも可能である。また、チップ体を焼成する際の焼成温度であるが、８００から８５０℃とすることができる。もちろん、それよりも高い温度（８８０℃等)で焼成することも問題ない。

また、本発明による磁気組成物の用途としては、この積層インダクタに限ることはなく、使用する高周波数域での誘電率が使用に満たせば、他のものに適用することができるのはもちろんである。さらには、この磁気組成物は、焼成温度が低く、また、高周波数域まで安定した比誘電率を有することから、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic)多機能性基板の材料として使用することもできる。つまり、電子部品として、いわゆるインダクタやコンデンサ等の電子回路を構成するための素子のみならず、このような電子回路を構成するための基板等に適用できる。

また、磁気組成物は、上記の構成（組成比）からなるフェライト材料と、ガラスに加え、さらに、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料を、５〜１０ｖｏｌ％添加するとよい。ここで、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料としては、たとえば、ＳｉＯ２，ＺｎＯ，Ｂ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３を適宜の組成比で混合することができる。もちろん、これ以外の原料を含んでいたり、一部の原料（ＺｎＯ−ＳｉＯ_２以外）が無くたりしても良い。

次に、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透磁率μと、相対密度を求めた。各試料は、上述した磁気組成物の製造プロセスに従ってシート状に成形した後、そのシートを所定枚数積層して、積層体を形成する。この実験では、磁気組成物自体の評価を行うため、上述した電子部品のように導体パターンの印刷は行わない。そして、この積層体を、所望温度（たとえば、５０℃程度）の温度で加熱しながら、所望の圧力（たとえば、１ｔ／ｃｍ^２）で加圧し、積層した磁気組成物からなるシートを圧着する。次いで、その圧着した積層体をリング状に切り出した後、所定温度で焼成した。この焼成温度は、８００℃とした。リング状の磁気組成物の焼結体に対し、巻線を１０ターン施し、μ′やμ″等を測定した。

試料は、表１に示すＡ〜Ｌの１２種類のフェライト材料と、表２に示すＡ〜Ｍの１３種類のガラスを適宜組み合わせて作成した。

（実施例１〜１０）
試料は表３に示すように、組成を適宜変更した１０種類の試料を用意した。この１０種類の試料は、各原料の少なくとも１つが、本発明の組成比の範囲を規定する境界点（境界点付近)をとるものとしたが、いずれの場合も、相対密度は９０％以上となった。もちろん、試料であるリング状の焼結体のエッジ（角部）にも丸みは生じていない。また、透磁率μは、初期透磁率である。この測定は、巻線を施したリング状の磁気組成物のインダクタンス値と直列抵抗値をインピーダンスアナライザにて測定し、その測定値からμ′，μ″を算出して求めた。

また、後述するように、本発明を構成する組成比の範囲内の磁気組成物は、磁気共鳴ピークが１ＧＨｚ程度となり、その透磁率の周波数特性は、１ＧＨｚ程度の高周波帯域まで初期透磁率の値をほぼ維持するので、表３に記載した初期透磁率の値は、そのまま高周波数域における実際の使用環境下における透磁率と推定することができる。

（比較例１〜１９）
一方、比較例として、各原料の少なくとも１つが、本発明の組成比の範囲を規定する境界点を外れた値（境界点付近)をとるものを用意した。本発明の範囲を外れた試料（比較例）は、相対密度が９０％未満となり、試料のエッジに丸みを生じてしまう。よって、電子部品としての使用に適さないことが確認できた。

また、表には記載していないが、さらに別の組み合わせからなる試料についても作成し、評価したところ、同様の傾向が見られた。

図１は、透磁率μについての周波数特性を示し、図２は、ロスとなるμ″についての周波数特性を示している。図１において、実線は、実施例５についての周波数特性であり、点線はガラス無添加のものについての周波数特性である。同様に、図２において、三角形でプロットして示される特性は、実施例５についての周波数特性であり、点線はガラス無添加についての周波数特性である。図１から明らかなように、実施例のものは、比較例に比べて初期透磁率は低いものの、高周波数帯域に至るまで、初期透磁率に近い値を維持する。これに対し、比較例では、１００ＭＨｚ程度を過ぎると周波数が高くなるにつれて透磁率は低下していき、１ＧＨｚ程度を越えた高周波になると、初期透磁率が小さかった実施例のもの以下になる。換言すると、本実施例のものは、初期透磁率は低いものの、１ＧＨｚ以上になってもその値をほぼ維持するので、周波数により透磁率があまり変化せず、安定している。よって、１ＧＨｚ以上の高い周波数まで所望の透磁率を保証することができ、係る要求がある電子部品に好ましく使用できる。

このように高い周波数に至るまで透磁率が低下しないのは、図２に示すμ″の周波数特性からも理解できる。すなわち、μ′のピークが過ぎて低下し始める領域でμ″のピークが現れる。これは、波線で示す比較例における周波数特性に現れている。一方、図２中実線で示すように、実施例のμ″は、１ＧＨｚでは徐々に増加していく途中であり、ピークを迎える予兆もないことからも、μ′のピークひいてはその後に低下していく周波数領域は、１ＧＨｚよりもさらに充分に高い周波数であると推察できる。

（実施例２１〜３０）
次に、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料をさらに添加する組成についての試料を製造した。試料は表４に示すように、組成を変更した１０種類の試料とし、添加量や組成比が本発明の範囲内のものとした。実施例１から１０と同様に、いずれの場合も、相対密度は９０％以上となった。もちろん、試料であるリング状の焼結体のエッジ（角部）にも丸みは生じていない。さらに、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料を添加することにより、磁気組成物におけるガラスの比率がさらに増すので、μ″をより高周波数域に移動することができ、より高い周波数まで初期透磁率の状態を維持できるようになる。

（比較例１〜１９）
一方、比較例として、各原料の少なくとも１つが、本発明の組成比の範囲を規定する境界点を外れた値（境界点付近)をとるか、及びまたは添加量が範囲外（境界点付近)になるものを用意した。本発明の範囲を外れた試料（比較例）は、相対密度が９０％未満となり、試料のエッジに丸みを生じてしまう。よって、電子部品としての使用に適さないことが確認できた。

また、表には記載していないが、このＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料を添加するこうせいにおいても、さらに別の組み合わせからなる試料について作成し、評価したところ、同様の傾向が見られた。

本発明品並びに比較例におけるμ′についての周波数特性を示すグラフである。本発明品並びに比較例におけるμ″についての周波数特性を示すグラフである。

Claims

４０〜５０ｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３，１５〜２５ｍｏｌ％のＮｉＯ，５〜２０ｍｏｌ％のＣｕＯ，１５〜２５ｍｏｌ％のＺｎＯからなるフェライト材料に、下記組成のガラスを５０〜８０ｖｏｌ％を混合して形成される組成とし、
当該ガラス成分は、ＳｉＯ_２を７０ｗｔ％〜８５ｗｔ％，Ｂ_２Ｏ_３を１２ｗｔ％〜２５ｗｔ％，Ｋ_２Ｏを１ｗｔ％〜５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３を０〜８ｗｔ％という関係を満たす組成配分であることを特徴とする磁気組成物。
ＺｎＯ−ＳｉＯ_２系ガラス材料を、５〜１０ｖｏｌ％添加したことを特徴とする請求項１に記載の磁気組成物。
請求項１または２に記載の磁気組成物を用いて構成されるインダクタ。
請求項１または２に記載の磁気組成物を用いて構成される電子回路用基板。