JP2014179570A - コモンモードチョークコイル - Google Patents

Abstract

【課題】耐湿負荷に対する信頼性がより高いコモンモードチョークコイルを提供する。
【解決手段】ガラスからなる非磁性層１３と、前記非磁性層を挟むように配置される磁性層１４〜１６と、非磁性層および磁性層からなる素体中に埋設されている２つ以上のコイル導体１１，１２と、を有し、非磁性層中にＭｇ偏析が存在し、非磁性層の断面の電子顕微鏡観察像において０．５〜１６％の面積を占める程度に存在し、Ｍｇ偏析の大きさが、好ましくは０．２〜１０μｍである、コモンモードチョークコイル。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器において使用することができるコモンモードチョークコイルに関する。

コモンモードチョークコイルは２つの巻線状の導体を絶縁体に形成してなる電子部品であり、特に、積層タイプのコモンモードチョークコイルは絶縁体層を介して２つのスパイラル状（渦巻き状）の導体が向かい合っている構造を有する。２つの導体間の絶縁体層として、ガラス材料が好適に用いられ、この場合、絶縁体層としてのガラス層はフェライトなどからなる磁性体層で挟まれることが好ましい。

特許文献１の発明では、磁性体シートとガラスシートとを組み合わせた積層部品として、磁性材料はＮｉ−Ｚｎ、ガラス材料はＳｉ系を用い、ガラス材料中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇを含ませることで絶縁性を高めている。しかし、ここでのシートは５０μｍもの厚みがあり、薄型化を進めるには十分であるとはいいがたい。

特開２００５−３１０９５９号公報

Ａｇなどの電極との同時焼成を前提とした電子部品用ガラス材料においては、フェライト材と同時に焼成できるように、焼成温度を制御することが重要である。ガラス材料からなるガラス層の内部には、焼成時の緻密化において微小な気孔が残ってしまい、この気孔を介して水分が混入することで絶縁信頼性が低下するという問題がある。小型化、薄型化がますます進む状況では、これまで以上に高い信頼性の確保が求められており、この問題に対応が不可欠な課題となっており、特に、耐湿負荷に対する信頼性がより高いコモンモードチョークコイルを提供することが本発明の課題である。

本発明者らが鋭意検討した結果、特定の形態のＭｇ偏析をガラス層に存在させることでガラス層中の微小な気孔（気泡）が少なくなることを見出し、以下の発明を完成した。
本発明のコモンモードチョークコイルは、ガラスからなる非磁性層と、前記非磁性層を挟むように配置される磁性層と、前記非磁性層および磁性層からなる素体中に埋設されている２つ以上のコイル導体と、を有する。そして、非磁性層中にＭｇ偏析が存在し、非磁性層の断面の電子顕微鏡観察像において、当該Ｍｇ偏析が好ましくは０．５〜１６％の面積を占め、Ｍｇ偏析の大きさは好ましくは０．２〜１０μｍである。

本発明者らの知見によれば、２つ以上のコイル導体の間にガラスからなる非磁性層（以下、単にガラス層ともよぶ。）の中にＭｇ偏析が存在することにより、ガラス層の中の気泡が少なくなり、高い絶縁性が得られる。より具体的には、ガラス層中の気泡を減少させることにより、素体内部への水の浸透が減じられ、耐湿性を改善することができる。
これにより、コイル間を狭くできることから、薄型化に対応できるようになる。ガラス層におけるＭｇ偏析の存在が上記所定比率であること、より好ましくは、Ｍｇ偏析の大きさが上記所定値であることで、絶縁性と耐湿性とが高度に兼ね備えられる。

一般的な構造のコモンモードチョークコイルの模式分解図を示す。

図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。

本発明のコモンモードチョークコイルでは、２つ以上のコイル導体が素体に埋設されており、通常は、２つのコイル導体がガラス層を挟んで対向して設けられている。素体はガラス層と磁性層とからなる。図１は一般的な構造のコモンモードチョークコイルの模式分解図を示し、コイル導体は符号１１、１２で表される。コイル導体は渦が巻くように、旋回するにつれ中心から遠ざかる（あるいは逆向きにたどれば近づく）曲線、あるいはそのような曲線に近似した折れ線などが好ましい。個々のコイル導体はそれぞれ略同一平面上に形成されていてもよい。コイル導体の具体的な形状はコモンモードチョークコイルの従来技術を適宜参照することができる。コイル導体は導電材料から形成され、一般的には金属製であり、より具体的にはＣｕ、Ａｇやそれらを含む合金が挙げられ、酸化雰囲気中で焼成可能であることから好ましくはＡｇを含有する導体材料からなり、さらに好ましくはＡｇを９０ｗｔ％以上含有する導体材料からなる。

ガラス層は、後述する磁性層に挟まれるように形成され、好ましくは２つ以上のコイル導体で挟まれる領域はガラス層からなる。好適には、ガラス層は、ガラス材料（以下、「フリット」または「ガラスフリット」ともいう。）とガラス材料中に分散したクォーツ（結晶質のＳｉＯ_２）とを有し、ガラス層におけるクォーツの量は好ましくは１０〜３５ｖｏｌ％である。

本発明では、ガラス層中にＭｇ偏析が含まれ、そのことにより、ガラス層中の気泡が少なくなり、素体中へ水が浸透しにくくなり、結果として、耐湿性が向上する。Ｍｇはガラスのアモルファス構造の一部として取り込まれ得るが、Ｍｇ偏析はそのように取り込まれずにガラスとは別個に酸化物等を形成してなる元素としてのＭｇが寄り集まったものである。より詳細には、加熱したガラス材料を冷却するとき、軟化した状態から急激に収縮して緻密化が早く進むほど内部に気泡を抱え込みやすく、最終的にガラス層内の気孔として残ってしまいがちである。これを抑える方法として、本発明者らはガラス材料の緻密化を遅らせる検討を行ったところ、ガラス層の材料としてのＭｇＯの添加量と粒子径を調整することにより、材料中にＭｇ偏析が形成され、気泡・気孔を減少させ得ることを見出した。さらに、Ｍｇ偏析の大きさとその占有比率とが、ガラス層中に生じる気泡の大きさ及び数と相関関係をもつことがわかった。これは、Ｍｇ偏析が有る部分と無い部分とを適度に分散させた状態とすることで、無い部分が先に緻密化し、有る部分が遅れて緻密化するよう差を生じさせることができたためと考察される。これにより、緻密化過程において気泡はガラスから押し出され、気泡を減少させることが可能となったと評価することができる。

Ｍｇ偏析が存在することは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）のマッピングにより特定することができる。測定対象のコモンモードチョークコイルについて、ガラス層の領域を露出させるために切断し、露出した断面を研磨して、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）の手法により０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域内にＭｇが存在することを確認する。次に、Ｍｇが存在した領域から更に５μｍ×５μｍの領域に絞り、ＴＥＭによりＭｇをマップピングする。ここでＭｇとして検出されたピクセルを画像処理により、Ｍｇの存在する面積と大きさを求める。まず、Ｍｇの面積は、画像処理により連続していると認識されるピクセル数により面積として求められる。ここで得られたＭｇ面積の分析領域面積に対する割合をＭｇ偏析の占める面積比率として求めることができる。また、大きさは、連続していると認識されるピクセル数から得られた面積を元に円勘算し、円とした場合の直径から求められ、この求められた直径の最大値をＭｇ偏析の大きさと定義している。なお、ＴＥＭのマッピングはＭｇの存在が確認された０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域内で、任意に４回以上繰り返すことが望ましい。また、Ｍｇ偏析については、ＴＥＭの制限視野電子回折により結晶質であることも確認できる。

上記測定におけるＭｇ偏析の占める面積比率は好ましくは０．５〜１６％である。前記面積比率を高めるための手段としては、原料として用いるＭｇＯの添加量を増やすこと、原料として用いるＭｇＯの粒径を大きくすることなどが挙げられ、逆の手段を採用することは、前記面積比率を低下させる傾向をもたらす。上記範囲の面積比率であれば、上述した、ガラスの緻密化過程における気泡の押し出しがより効率的に進行する。更に好ましくは、Ｍｇ偏析の占める面積比率は１〜１５％である。これにより、気泡の大きさをより小さくでき、ガラス層を薄くすることができる。

上記測定におけるＭｇ偏析の大きさは好ましくは０．２〜１０μｍである。Ｍｇ偏析を大きくするための手段としては、原料として用いるＭｇＯの粒径を大きくすることが挙げられ、逆の手段を採用することは、Ｍｇ偏析を小さくする傾向をもたらす。Ｍｇ偏析の大きさが上記範囲であれば、上述した、ガラスの緻密化を妨げることなく、緻密化過程における気泡の押し出しがより効率的に進行する。

ガラス層におけるガラスの材料としては、ＳｉＯ_２を主成分とするホウ珪酸ガラスや無ホウ珪酸ガラスなどが例示される。ガラス層には、例えば、主な構成要素である、ケイ素、ホウ素に加え、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇなどが含まれていてもよい。

ガラス層にホウ素が含まれる場合は、ガラスの材料中に占めるホウ素の含有量は、Ｂ_２Ｏ_３の量として、好ましくは、１０〜３０ｗｔ％である。ガラス層にアルカリ金属が含まれる場合は、ガラスの材料中に占めるアルカリ金属の含有量は、当該アルカリ金属の酸化物の量として、好ましくは、０．５〜４ｗｔ％である。ガラス層にアルミニウムが含まれる場合は、ガラスの材料中に占めるアルミニウムの量は、Ａｌ_２Ｏ_３の量として、好ましくは０．０５〜５ｗｔ％である。

ガラス層には、副成分としてＺｒＯ_２を入れてもよく、緻密化時にＺｒＯ_２偏析として観測できる程度に添加することで、Ｍｇ偏析が多い場合でも緻密性の低下を抑制することができ、ＭｇＯ添加量の範囲を更に広げることが可能になる。また、ＺｒＯ_２は結晶質であることが確認できる。

ガラス層の厚さはコモンモードチョークコイルの大きさの設計などに応じて適宜設定することができ、非限定的に５〜２５μｍ程度を例示することができる。

本発明のコモンモードチョークコイルは、ガラス層を挟むように磁性層を有する。磁性層はガラス層よりも磁性が強ければよく、例えば、各種フェライトを焼成したもので構成してもよい。磁性層の材質や構成等はコモンモードチョークコイルの従来技術を適宜参照することができる。例えば、コイル導体に直接接触する層の材料を、上述のガラス層と同じ材質のガラス材料で構成してさらにその外側に磁性層を設けてもよい。図１ではコイル導体１１、１２の外側に符号１４、１５、１６を付した複数の層を描写している。これらは例えば、ガラス層と磁性層とを、磁性層がガラス層を挟むように存在する限りにおいて、適宜組み合わせてもよいことなどを想定したものであり、層の数や磁性層の材質や厚さによって本発明の範囲を限定する趣旨ではない。

上述のほか、従来技術を適宜援用して、本発明のコモンモードチョークコイル１０は種々の構成をさらに備えていてもよい。例えば、図１では省略されているが、外部端子や外部端子とコイル導体１１、１２との導通のための配線が備えられていてもよい。

コモンモードチョークコイルの製造方法については、ガラス層の中にＭｇ偏析を存在させることのほかは従来技術を適宜援用することができる。以下、非限定的な製造方法の一例を示す。図１に示すような各層について、それぞれの原材料である磁性材料、ガラス材料等を樹脂（バインダ）と混合しスラリー又はペーストを作製し、各層に相当するシート１３〜１６を製造する。

コイル導体１１、１２に挟まれるガラス層１３の製造に際しては、粉砕したガラス材料を溶剤の存在下でバインダと混錬してスラリーを得る方法が一般的である。ガラス材料の粉砕手段は、ビーズミルなどの公知の粉砕機を適用することができる。粉砕後のガラス材料のｄ５０値は好ましくは３μｍ以下、より好ましくは１．５μｍ以下であり、下限については特に限定は無く、下限の好適値は０．５μｍである。得られたスラリーからドクターブレード法などによってグリーンシートを得ることができる。

次に、グリーンシート上にコイル導体パターンを形成する。コイル導体の材料となる銀粉等を含有するペースト等を上記グリーンシートに印刷することなどによりコイル導体パターンを形成することができる。

対向するコイル導体１１、１２のうち少なくとも一方（図１ではコイル導体１１）は上述したガラス層１３のためのグリーンシート上に形成することが好ましい。他方のコイル導体１２が形成されるグリーンシート１４はガラス層であってもよいし磁性層であってもよいし、さらに異なる材質の磁性体または非磁性体からなるものであってもよい。

コイル導体１１、１２の形成の際には、適宜、ビアホール１１ａ、２１ａ、１２ａ、２２ａや、外部端子１１ｂ、２１ｂ、１２ｂ、２４ｂを形成することができ、それらの形成方法については従来技術を適宜援用することができる。

さらに外側の磁性層１５、１６等のためのグリーンシートをそれぞれ所定の材料で製造し、それらを積層して焼成を行う。焼成において、昇温速度は３００〜１２００℃／ｈに制御することが望ましい。焼成温度は材料に応じて適宜変更することができ、例えば９００℃前後が挙げられる。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に記載された態様に限定されるわけではない。

（ガラス層の材料）
酸化物換算でＳｉＯ_２：７５．４ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３：１８．１ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ：１．８ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：２．６ｗｔ％、ＭｇＯ２．０ｗｔ％に調整したガラスフリット８０ｖｏｌ％およびクォーツ２０ｖｏｌ％をガラス層の材料として用いた。これらをビーズミルにより１．５μｍ（ｄ５０値）に粉砕した。粉砕媒体はＺｒＯ_２ボール、Ａｌ_２Ｏ_３ボールなどを用いることができ、この実施例ではＺｒＯ_２ボールを用いた。必要に応じて分散剤を添加した。分散のための溶剤としては、例えばエタノール、トルエン、メチルエチルケトン等を使用することができ、この実施例ではエタノールを用いた。なお、各実施例・比較例において原料であるＭｇＯの量と大きさを表１のように変え、ＭｇＯ以外の成分についてはそれらの相対的な配合比率を全実施例・比較例において維持した。
なお、ＭｇＯ添加量１７ｗｔ％より多い添加量の場合においては、Ｍｇ偏析量も増え、ガラス全体は緻密化を抑制してしまい、強度不足等が発生し始める。

（ガラス層用のグリーンシート製造）
上記材料１００重量部と、溶剤３００重量部と、バインダ２００重量部と分散剤、可塑剤を混錬してスラリーを得て、これをドクターブレード法に供してグリーンシートを得た。混合の媒体としてＺｒＯ_２ボール、Ａｌ_２Ｏ_３ボールなどを用いることができ、この実施例ではＺｒＯ_２ボールを用いた。バインダとしては、例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等を用いることができ、可塑剤としては、例えばフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等を用いることができ、溶剤としては、例えばエタノール、トルエン、メチルエチルケトン等を使用することができ、必要に応じて分散剤を添加してもよく、この実施例では、バインダとしてポリビニルブチラール樹脂を用い、可塑剤としてフタル酸ジブチルを用い、溶剤としてエタノールを用いた。

（コイル導体パターンの形成）
次いで、得られたグリーンシート上に、Ａｇの導体金属を含む導体ペーストを、スクリーン印刷法等により印刷し、スパイラル状の導体、外部端子と接続される導体を形成した。スパイラル状の導体、外部端子と接続される導体はグリーンシートにあけられた孔を通し接続した。

（磁性層の形成）
磁性材（フェライト）２００重量部と、溶剤３００重量部と、バインダ２００重量部と分散剤と、可塑剤とを混錬してスラリーを得て、これをドクターブレード法によってグリーンシート化した。混合の媒体としてＺｒＯ_２ボール、Ａｌ_２Ｏ_３ボールなどを用いることができ、この実施例ではＺｒＯ_２ボールを用いた。バインダとしては、例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等を用いることができ、この実施例ではポリビニルブチラール樹脂を用いた。可塑剤としては、例えばフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等を用いることができ、この実施例ではフタル酸ジブチルを用いた。溶剤としては、例えばエタノール、トルエン、メチルエチルケトン等を使用することができ、この実施例ではエタノールを用いた。

（積層及び焼成）
以下の積層構造を構成し、これらを圧着して、空気雰囲気下で脱脂処理をおこなったあと、空気雰囲気下で昇温速度６００℃／ｈで、９００℃まで加熱し、その温度で２時間保持した後、冷却することにより、焼成した積層体（０．６ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍ）を形成した。
−フェライトシート厚み：５４μｍ×４枚
−ガラスシート厚み：１４．５μｍ×２枚
−平面コイルの巻数：一層当たり５ｔ×２層×２回路
−製品の導体間：１５μm（焼成後の焼結シート２枚分）
焼成後に、端部にＡｇペーストを塗布して焼き付け、さらに、Ｎｉ、Ｓｎのめっきを施してコモンモードチョークコイルを得た。

（Ｍｇ偏析の評価）
得られたコモンモードチョークコイルのガラス層の領域の断面を電子顕微鏡で観察した。具体的には上述したＥＰＭＡで、Ｍｇ偏析の存否を確認し、ＴＥＭの分析結果を画像処理することでＭｇ偏析の占める面積比率、Ｍｇ偏析の大きさを確認・算出した。

（気泡の評価）
前記ＥＰＭＡによるガラス層の評価の際に、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域内に観測される、長辺が１μｍ以上である気泡を数えた。ガラス層の断面のＳＥＭ観察により、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域内に観測される気泡の長辺を最大径として測定した。

（耐湿性の評価）
得られたコモンモードチョークコイルの耐湿負荷試験のために、測定対象の製品２０個を８５℃、湿度８５％の条件で電圧を１０Ｖ、１０００時間かけたときの抵抗値を測定し、その値が１００ＭΩを下回った製品が１つでも存在する場合に、「ＮＧ」であると評価した。

製造条件と評価結果を表１に記載する。

１１，１２：コイル導体、１３：ガラス層、１４〜１６：磁性層

Claims (2)

1. ガラスからなる非磁性層と、前記非磁性層を挟むように配置される磁性層と、前記非磁性層および磁性層からなる素体中に埋設されている２つ以上のコイル導体と、を有し、前記非磁性層中にＭｇ偏析が存在し、前記非磁性層の断面の電子顕微鏡観察像において、前記Ｍｇ偏析が０．５〜１６％の面積を占めるコモンモードチョークコイル。
2. 前記Ｍｇ偏析の大きさが０．２〜１０μｍである請求項１記載のコモンモードチョークコイル。

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