JP2013033966A - 金属磁性粉末、前記金属磁性粉末を含む磁性層材料、及び磁性層材料を用いた磁性層を含む積層型チップ部品 - Google Patents
金属磁性粉末、前記金属磁性粉末を含む磁性層材料、及び磁性層材料を用いた磁性層を含む積層型チップ部品 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】本発明は、金属磁性粉末、前記金属磁性粉末を含む磁性層材料、及び磁性層材料を用いた磁性層を含む積層型チップ部品に関する。
【解決手段】本発明は、コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、前記磁性粉末とガラスを含む磁性層材料、及び前記磁性層材料を用いた磁性層、内部電極及び外部電極を含む積層型チップ部品に関する。
本発明によると、高電流で磁化を抑制して電流印加によるインダクタンスＬ値の変化を改善することができる磁性層材料を提供することができる。本発明による磁性層材料を含む積層型チップ部品はＭＨｚ帯域においても使用することができる。
【選択図】図４
【解決手段】本発明は、コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、前記磁性粉末とガラスを含む磁性層材料、及び前記磁性層材料を用いた磁性層、内部電極及び外部電極を含む積層型チップ部品に関する。
本発明によると、高電流で磁化を抑制して電流印加によるインダクタンスＬ値の変化を改善することができる磁性層材料を提供することができる。本発明による磁性層材料を含む積層型チップ部品はＭＨｚ帯域においても使用することができる。
【選択図】図４
Description
本発明は、金属磁性粉末、前記金属磁性粉末を含む磁性層材料、及び磁性層材料を用いた磁性層を含む積層型チップ部品に関する。
積層型チップ部品の一種である積層型パワーインダクタは、主に携帯器機内のＤＣ−ＤＣコンバータ（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）のような電源回路に使用され、小型化、高電流化、低い直流抵抗などを目的として開発されている。ＤＣ−ＤＣコンバータの高周波化及び小型化に伴い、従来の巻線型チョークコイル（Ｃｈｏｋｅ Ｃｏｉｌ）の代わりに積層型パワーインダクタの使用が増大している。
積層型パワーインダクタは、材料的／構造的にインダクタの磁気飽和を抑制して高電流で使用される。巻線型パワーインダクタに比べて電流印加によるインダクタンスＬ値の変化が大きいという欠点があるが、小型化及び厚さの減少が可能であるという利点がある。また直流抵抗において有利である。
通常、パワーインダクタは、使用する電流に対するインダクタンス変化率値が小さいことが要求されており、特に低温である−５５℃〜高温である＋１２５℃の温度でも動作され、温度に対するインダクタンス値の変化が少ないことが要求されつつある。
図１に積層型パワーインダクタと巻線型パワーインダクタの電流印加によるインダクタンス値の変化を示している。
これを参照すると、巻線型パワーインダクタの電流印加によるインダクタンスＬ値の変化が積層型パワーインダクタより小さいことが分かる。従って、積層型パワーインダクタにおいてもこれを具現するための努力が進められている。
そのためには、材料の組成と微細構造及び構造設計などの要素が重要であるとされている。即ち、積層型パワーインダクタの場合、巻線型パワーインダクタに比べて電流印加によるインダクタンスＬ値の変化が大きいという欠点がある。これは構造的に巻線型パワーインダクタに開磁路の効果が大きく影響を与えるためである。
従って、積層型パワーインダクタではこのような電流印加によるインダクタンスＬ値の変化特性の改善が重要である。現在、部分的に非磁性体ギャップ層（Ｇａｐ ｌａｙｅｒ）を内部構造に含み、磁束を切ることにより電流印加によるインダクタンスＬ値の変化特性を改善している。
一方、図２には、高い飽和磁化（Ｈｉｇｈ Ｍｓ）を有する材料を用いた積層型パワーインダクタと低い飽和磁化（Ｌｏｗ Ｍｓ）を有する材料を用いた積層型パワーインダクタの電流印加によるインダクタンス値の変化を示している。図２のように、電流印加によるインダクタンスＬ値の変化特性を改善するためには、飽和磁化値が大きい材料を使用することが有利であることが分かる。
従って、積層型パワーインダクタのＤＣ−ｂｉａｓ特性を向上させるためには、ギャップ層を形成し、また飽和磁化値が大きい本体（ｂｏｄｙ）材料を使用することが好ましい。現在積層型パワーインダクタに使用されている本体材料は一般的にＮｉＺｎＣｕフェライトであり、ギャップ層は非磁性体材料である。ＮｉＺｎＣｕフェライトにおけるＮｉ、Ｚｎ、Ｃｕの含量を調節して飽和磁化値を調節しているが、飽和磁化値が８０ｅｍｕ／ｇを超えるのは難しい。
一方、図３は通常の積層型パワーインダクタの構造を示すものであり、フェライトシート（ｓｈｅｅｔ）で製作され、内部電極１０が形成された本体２０材料はフェリ磁性を有するＮｉＺｎＣｕフェライトが使用される。
ギャップ層３０の材料としては、フェリ磁性を有する非磁性体フェライト（通常、ＺｎＣｕフェライト）が使用され、前面シートギャップあるいはオープンシートギャップが使用される。前記ギャップ層３０は本体２０の内部に挿入されて、磁束を遮断し、電流印加によるインダクタンス変化値を減少させる機能をしている。これを約９００℃前後の温度で焼成させた後、外部電極４０を形成し、Ｎｉ及びＳｎなどを用いてメッキ層５０を形成することにより最終的に積層型パワーインダクタを製造することができる。
しかし、前記図３のような積層型パワーインダクタは、次のような問題点を有する。
（１）現在使用しているＮｉＺｎＣｕフェライトの飽和磁化値が小さいため、外部電流を印加した後のインダクタンス変化率値が急激に減少する傾向がある。それを解消するためには飽和磁化値が大きい材料を使用することが好ましい。しかし、ＮｉＺｎＣｕフェライトにおけるＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３の組成を少しずつ変更しても飽和磁化値は無限に大きくなるものではないため、理論上限界が存在する。
（２）現在使用しているＮｉＺｎＣｕフェライトには部分的に非磁性ギャップ層（Ｇａｐ ｌａｙｅｒ）を内部構造に含み、磁束を切ることで電流印加によるインダクタンスＬ値の変化特性を改善しているため、工程が複雑でありギャップ層の挿入に伴う他の問題も発生している。
（２）現在使用しているＮｉＺｎＣｕフェライトには部分的に非磁性ギャップ層（Ｇａｐ ｌａｙｅｒ）を内部構造に含み、磁束を切ることで電流印加によるインダクタンスＬ値の変化特性を改善しているため、工程が複雑でありギャップ層の挿入に伴う他の問題も発生している。
本発明は、前記従来技術の様々な問題を解決するためのものであり、本発明の目的は、積層型チップ部品の磁性層材料として使用されることができる磁性粉末を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、前記磁性粉末を含み、外部電流を印加した後のインダクタンス変化率を減少させることができる飽和磁化値が大きい磁性層材料を提供することにある。
また、本発明のまた他の目的は、前記磁性層材料と絶縁ガラスをギャップ層として含む積層型チップ部品を提供することにある。
本発明の課題を解決するための磁性粉末は、コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなることを特徴とする。
前記金属酸化物は、Ｔｉｏ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＣｏＯ、ＭｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、及びＢｉ２Ｏ３からなる群から選択される１種以上であることができるが、これに限定されるものではない。
前記磁性粉末は、コアにおいて、Ｆｅ金属の含量が９５モル％であり、残りはシェルであることが好ましい。
本発明の他の課題を解決するための磁性層材料は、コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末と、ガラスと、を含むことを特徴とする。
前記ガラスは軟化温度（Ｔｓ）が４００〜９００℃であることが好ましい。
前記磁性層材料は、磁性粉末１００重量部に対し、ガラスを５〜２５重量部含むことが好ましい。
本発明のまた他の課題を解決するための積層型チップ部品は、コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、及びガラスを含む磁性層材料を用いた磁性層と、内部電極と、外部電極と、を含むことを特徴とする。
前記ガラスはギャップ層として作用することを特徴とする。
前記内部電極及び外部電極はＡｇを使用することが好ましい。
前記磁性層は１ＭＨｚでの透磁率が１０〜５０であることが好ましい。
前記磁性層は飽和磁化値が１００ｅｍｕ〜２５０ｅｍｕ／ｇであることが好ましい。
前記積層型チップ部品は、積層型チップインダクタ、積層型チップビード及び積層型チップパワーインダクタからなる群から選択される１種以上であることができるが、これに限定されるものではない。
本発明によると、高電流で磁化を抑制して電流印加によるインダクタンスＬ値の変化を改善することができる磁性層材料を提供することができる。本発明による前記磁性層材料はコアシェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造の磁性粉末を含み、コア金属の酸化を防止することができる効果を有する。
また、本発明による磁性層材料は、前記コアシェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造の磁性粉末とともにガラスを含むことにより前記ガラスがギャップ層の機能を行うため、別のギャップ層を追加する必要がなく、ガラスとの混合だけでもギャップ層の効果が十分期待できる。前記磁性層材料を含む積層型チップ部品はＭＨｚ帯域においても使用することができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
本明細書で用いられる用語は、特定の実施例を説明するために用いられ、本発明を限定しようとするものではない。本明細書に用いられたように、単数型は文脈上異なる場合を明白に指摘するものでない限り、複数型を含むことができる。また、本明細書で用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は言及された形状、数字、段階、動作、部材、要素、及び／またはこれらの組み合わせが存在することを特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、段階、動作、部材、要素、及び／またはこれらの組み合わせの存在または付加を排除するものではない。
本発明は、積層型チップ部品の本体を構成する磁性層材料として使用するための磁性粉末、これを含む磁性層材料及び前記磁性層、内部電極及び外部電極を含む積層型チップ部品に関する。
１．磁性粉末
本発明による磁性粉末はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）金属または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなることを特徴とする。
本発明による磁性粉末はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）金属または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなることを特徴とする。
本発明による磁性粉末は図４に示した構造を有する。これを参照すると、コア１１−シェル２２構造を有し、前記コア１１はＦｅ金属または鉄を含む鉄系化合物を使用することが好ましい。前記鉄系化合物としてはＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
また、前記シェル２２は金属酸化物である。
また、図５は本発明のコアシェル構造を有する磁性粉末の一例として、Ｆｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属粉末のＸ−線回折の結果を示すものであり、コアを構成するＦｅ金属とシェルを構成するＦｅ３Ｏ４金属酸化物のピークを全て確認することができる。
本発明のコアシェル構造を有する磁性粉末の前記シェル２２を構成する金属酸化物は、Ｔｉｏ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＣｏＯ、ＭｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、及びＢｉ２Ｏ３からなる群から選択される１種以上であることがあるが、これに限定されるものではない。
前記磁性粉末は、コアにおいて、Ｆｅ金属の含量が９５モル％であり、残りはシェルであることが好ましい。
前記コアシェル構造の磁性粉末は、コアを構成する材料を液相法を用いて還元、濾過、洗浄、及び乾燥過程を経て製造し、これにシェル形成材料を添加してコーティングさせることにより製造することができる。
また、コア金属を液相法で還元させて製造することができるが、これに限定されず、電気爆発法あるいはプラズマ溶射法を用いてコア金属を製造した後、酸化被膜を若干形成させる方法もある。
金属磁性粉末をそのまま使用すると材料が酸化される問題点があるが、本発明ではこれを防止するために金属酸化物で鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物の外部をコーティングすることにより、金属の酸化を防止することができる。従って、安定した積層型チップ部品の材料として使用されることができる。
２．磁性層材料
本発明による磁性層材料はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末と、ガラスと、を含んで構成される。
本発明による磁性層材料はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末と、ガラスと、を含んで構成される。
従来、本体材料として使用される磁性層材料としてはＮｉＺｎＣｕフェライトが挙げられるが、本発明ではコアシェル構造を有するＦｅ磁性粉末を用いる。本発明の磁性粉末は前記で詳細に説明したとおりである。
また、焼結性と絶縁性を改善するためにガラス粉末を添加物として使用する。
本発明の磁性層材料に含まれる前記ガラス粉末は軟化温度（Ｔｓ）が４００〜９００℃であることが、積層型チップ部品の本体材料の焼結性を改善し、ガラスが金属を包む形態で絶縁層を形成するために好ましい。
前記磁性層材料は、磁性粉末１００重量部に対し、ガラスを５〜２５重量部含むことが好ましい。前記ガラス粉末が５重量部未満である場合には金属粉末同士が付着される可能性があるため、金属粉末同士を孤立（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）させるために、５重量部以上を含むことが好ましい。しかし、前記ガラス粉末が２５重量部を超えると透磁率が１０未満に減少されてインダクタンスを具現することが困難であるため好ましくない。
３．積層型チップ部品
本発明の積層型チップ部品はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、及びガラスを含む磁性層材料を用いた磁性層と、内部電極と、外部電極と、を含むことを特徴とする。
本発明の積層型チップ部品はコアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、及びガラスを含む磁性層材料を用いた磁性層と、内部電極と、外部電極と、を含むことを特徴とする。
本発明ではコアシェル構造の磁性粉末を磁性層（本体）として用い、前記磁性粉末を絶縁することができるガラスを使用して非磁性体ギャップ層の機能に代えることができる。
本発明による積層型チップ部品は、前記内部電極及び外部電極としてＡｇを使用することが温度安定性の面において好ましい。しかし、前記内部及び外部電極はＡｇにのみ限定されるものではない。
本発明による前記磁性層は１ＭＨｚでの透磁率が１０〜５０であることが好ましい。金属Ｆｅ磁性粉末はｋＨｚ帯域において大きい透磁率を有し、ＭＨｚ帯域では使用するのが難しい。しかし、本発明ではガラスと混合することによりＭＨｚ帯域でも使用することができる。
また、前記磁性層は飽和磁化値が１００ｅｍｕ〜２５０ｅｍｕ／ｇであることが好ましい。これは従来使用された磁性層材料に比べて２倍以上飽和磁化値が大きいため、外部電流を印加した後のインダクタンス変化率を減少させることができるという効果を有する。
本発明による前記積層型チップ部品は、積層型チップインダクタ、積層型チップビード及び積層型チップパワーインダクタからなる群から選択される１種以上であることができるが、これに限定されるものではない。
以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。以下の実施例は本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明の範囲がこれら実施例によって限定されると解釈してはならない。また、以下の実施例では特定化合物を用いて例示したが、これらの均等物を使用した場合においても同等、類似した程度の効果を発揮することができることは当業者にとって自明である。
実施例１：コアシェル構造の金属磁性粉末の製造
コアを構成する鉄金属を液相法で還元させた後、フィルタリング、洗浄、及び乾燥過程を経てＦｅコア金属を製造した。これに金属酸化物の出発物質を添加してコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末を製造した。
コアを構成する鉄金属を液相法で還元させた後、フィルタリング、洗浄、及び乾燥過程を経てＦｅコア金属を製造した。これに金属酸化物の出発物質を添加してコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末を製造した。
前記金属磁性粉末は、コアであるＦｅの含量は９５重量％以上であり、残りはＦｅ３Ｏ４からなる。
実施例２：磁性層材料の製造
前記実施例１で製造されたコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末１００重量部に対し、ガラス粉末（２５モル％ＳｉＯ２−３０モル％Ｂ２Ｏ３−２モル％ＢａＯ−２５モル％Ｌｉ２Ｏ−１０モル％ＴｉＯ２−３モル％Ａｌ２Ｏ３−５モル％ＺｒＯ２）を２０重量部混合して磁性層材料を製造した。
前記実施例１で製造されたコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末１００重量部に対し、ガラス粉末（２５モル％ＳｉＯ２−３０モル％Ｂ２Ｏ３−２モル％ＢａＯ−２５モル％Ｌｉ２Ｏ−１０モル％ＴｉＯ２−３モル％Ａｌ２Ｏ３−５モル％ＺｒＯ２）を２０重量部混合して磁性層材料を製造した。
比較例１
従来ＮｉＺｎＣｕフェライト粉末を磁性層材料として用いた。
従来ＮｉＺｎＣｕフェライト粉末を磁性層材料として用いた。
実験例１：飽和磁化値の測定
前記実施例１と比較例１による金属粉末の飽和磁化値を測定し、その結果を図６に示した。
前記実施例１と比較例１による金属粉末の飽和磁化値を測定し、その結果を図６に示した。
図６の結果のように、本発明の実施例１によるコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末の飽和磁化値は約２００ｅｍｕ／ｇであり、比較例１によるＮｉＺｎＣｕフェライト粉末の飽和磁化値は約６５ｅｍｕ／ｇと測定された。即ち、本発明によるコアシェル構造を有するＦｅ−Ｆｅ３Ｏ４金属磁性粉末の飽和磁化値が約３倍程度大きいことが分かる。これにより、高い飽和磁化値を有するため、外部電流を印加した後のインダクタンス変化率を減少させることができることを類推することができる。
実験例２：透磁率の測定
本発明の実施例２による磁性層材料を用いてトロイダルコアを製造し、その周波数に対するインダクタンス値を測定し、その結果を図７に示した。
本発明の実施例２による磁性層材料を用いてトロイダルコアを製造し、その周波数に対するインダクタンス値を測定し、その結果を図７に示した。
図７の結果のように、初透磁率は１ＭＨｚで約１４程度の値を有すると測定された。また、自己共振周波数（ｓｅｌｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ；ＳＲＦ）が２００ＭＨｚ以上であり、ＭＨｚ帯域において使用可能な特性値を有することが確認できた。
１０ 内部電極
２０ 本体（ｂｏｄｙ）
３０ ギャップ層
４０ 外部電極
５０ メッキ層
１１ コア
２２ シェル
２０ 本体（ｂｏｄｙ）
３０ ギャップ層
４０ 外部電極
５０ メッキ層
１１ コア
２２ シェル
Claims (12)
- コアシェル構造を有し、
前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、
前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末。 - 前記金属酸化物は、Ｔｉｏ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＣｏＯ、ＭｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、及びＢｉ２Ｏ３からなる群から選択される１種以上である請求項１に記載の磁性粉末。
- 前記コアにおいて、Ｆｅ金属の含量が９５モル％であり、残りはシェルである請求項１に記載の磁性粉末。
- コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末と、
ガラスと、
を含む磁性層材料。 - 前記ガラスは軟化温度（Ｔｓ）が４００〜９００℃である請求項４に記載の磁性層材料。
- 磁性粉末１００重量部に対し、ガラスを５〜２５重量部含む請求項４に記載の磁性層材料。
- コアシェル構造を有し、前記コアは鉄（Ｆｅ）または鉄（Ｆｅ）を含む鉄系化合物であり、前記シェルは金属酸化物からなる磁性粉末、及びガラスを含む磁性層材料を用いた磁性層と、
内部電極と、
外部電極と、
を含む積層型チップ部品。 - 前記ガラスはギャップ層として作用する請求項７に記載の積層型チップ部品。
- 前記内部電極及び外部電極はＡｇである請求項７に記載の積層型チップ部品。
- 前記磁性層は１ＭＨｚでの透磁率が１０〜５０である請求項７に記載の積層型チップ部品。
- 前記磁性層は飽和磁化値が１００ｅｍｕ〜２５０ｅｍｕ／ｇである請求項７に記載の積層型チップ部品。
- 前記積層型チップ部品は、積層型チップインダクタ、積層型チップビード及び積層型チップパワーインダクタからなる群から選択される１種以上である請求項７に記載の積層型チップ部品。
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