JP2015078088A - フェライト組成物および電子部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】低温焼結した場合に、数十〜数百Ａ／ｍの高磁界下でもＱ値が高いフェライト組成物および該組成物で構成される焼結体を持つ電子部品と、を提供すること。【解決手段】主成分が、酸化鉄をＦｅ２Ｏ３換算で４０．０〜４９．８モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で５．０〜１４．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜３２．０モル％含有し、残部が酸化ニッケルで構成されており、主成分に対して、副成分として、酸化スズをＳｎＯ２換算で０．５〜４．０重量％、酸化ビスマスをＢｉ２Ｏ３換算で０．１０〜１．００重量％、酸化コバルトをＣｏ３Ｏ４換算で０．２１〜３．００重量％、含有することを特徴とするフェライト組成物。【選択図】図５

Description

本発明は、積層型インダクタなどの製造に好適なフェライト組成物と、該組成物で構成されるフェライト焼結体を有する電子部品とに関する。
一般に、インダクタンス素子は、小型化をすると損失が増加しやすくなり、Ｑ値が低下する。したがって、小型化しても高いＱ値を得られる磁心材料とそれを用いたインダクタンス素子が求められている。
さらに、積層型インダクタでは、コイル導体とフェライト層とが一体焼成されることが求められる。そのため、積層型インダクタ用のフェライト組成物は、焼結温度をコイル導体の融点以下にすることが求められる。
特許文献１では、ＮｉＣｕＺｎ系フェライトにＳｎＯ２ 、Ｍｎ３Ｏ４を添加する磁性材料が開示されている。特許文献１に記載された発明は、低温焼結可能で、応力下でも広い温度範囲で特性変動が少ない低損失フェライトを用いてインダクタを構成した電子部品等に関する。
ところで、近年ではスマートフォンなどの携帯機器の高性能化の進展が著しい。最近では、NFC（Near field communication）や非接触給電などの採用が進み、従来に比べ高い交流電流が流れる回路が増加している。また、電子部品の高密度化への対応により、部品の小型化の要求が依然として強い。
このような状況のために、交流電流値が増加したり、小型化をしたりしても高いＱ値を得られる磁心材料とそれを用いたインダクタンス素子が求められている。
特開２０１１−０１８９１３号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、低温焼結が可能であり、かつ、高磁界下、高振幅電流下でもＱ値が高いフェライト組成物と、小型化が可能な電子部品を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明に係るフェライト組成物は、
主成分が、酸化鉄をＦｅ２ Ｏ３ 換算で４０．０〜４９．８モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で５．０〜１４．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜３２．０モル％、残部が酸化ニッケルで構成されており、
前記主成分１００重量％に対して、副成分として、酸化スズをＳｎＯ２ 換算で０．５〜４．０重量％、酸化ビスマスをＢｉ２ Ｏ３ 換算で０．１０〜１．００重量％、酸化コバルトをＣｏ３ Ｏ４ 換算で０．２１〜３．００重量％、含有することを特徴とする。
本発明に係る電子部品は、上記のフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体を有する。
本発明に係るフェライト組成物は、主成分を構成する酸化物の含有量を上記の範囲とし、さらに副成分として酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトを上記の範囲で含有させることにより、低温焼結が可能であり、かつ、高磁界下、高振幅電流下でもＱ値が高くなる。たとえば内部電極として用いられることが可能なＡｇの融点以下の９００℃程度でフェライト組成物を焼結することが可能となる。また、本発明に係るフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、Ｑ値が従来品と比較して大きい。
さらに、本発明に係るフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、従来よりも高い磁界下でもＱ値を高くできる。すなわち、たとえば従来の外部磁界（１〜２Ａ／ｍ）に比べて高い外部磁界（数十〜数百Ａ／ｍ）下でも、十分に高いＱ値を維持している。したがって、本発明に係る電子部品は、従来のフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体を持つ電子部品と比較して、大きな振幅の信号にも対応可能である。
また、さらに本発明に係るフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、従来よりも高い交流電流を印加しても低損失であり、高いＱ値をもつ。よって、本発明に係るフェライト組成物を用いることでフェライト層の薄層化が可能になり、電子部品の小型化が可能となる。
このような効果が得られる理由は、主成分を所定範囲とし、さらに各成分の含有量を特定の範囲とすることで得られる複合的な効果と考えられる。
なお、本発明に係るフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、積層型インダクタ、積層型Ｌ―Ｃフィルタ、積層型コモンモードフィルタ、その他の積層工法による複合電子部品等に好適である。たとえばＬＣ複合電子部品、ＮＦＣコイルにも好適に使用される。特に、μが８０以下の場合には、たとえば高周波数帯において用いられるＮＦＣコイル（たとえば１３．５６ＭＨｚ）、高周波用積層パワーインダクタ（たとえば、２０〜２００ＭＨｚ）あるいは積層型ビーズなどの用途に好適に用いられる。また、μが８０を超える場合には、積層型パワーインダクタ（たとえば、１〜２０ＭＨｚ）、小型の信号系インダクタなどの用途に好適に用いられる。
本発明に係るフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、数十〜数百Ａ／ｍの外部磁界下でＱ値が大きい。このフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体は、高電流下でもＱ値が大きいため、電子部品の小型化を図ることができる。さらに、大きな振幅の信号にも対応可能となる。
図１は本発明の一実施形態に係る積層型インダクタの断面図である。 図２は本発明の一実施形態に係るＬＣ複合電子部品の断面図である。 図３は外部磁界Ｈ＝１００Ａ／ｍにおける各試料のμとＱとの関係を示すグラフである。 図４は外部磁界Ｈ＝２００Ａ／ｍにおける各試料のμとＱとの関係を示すグラフである。 図５は外部磁界Ｈを変化させた場合における各試料のＱの変化を示すグラフである。
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る積層型インダクタ１は、素子２と端子電極３とを有する。素子２は、フェライト層４を介してコイル導体５が３次元的かつ螺旋状に形成されたグリーンの積層体を焼成して得られる。フェライト層４は、本発明の一実施形態に係るフェライト組成物で構成してある。素子２の両端に端子電極３を形成し、引出電極５ａ、５ｂを介して端子電極３と接続することで積層型インダクタ１が得られる。素子２の形状に特に制限はないが、通常、直方体状とされる。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよい。
コイル導体５および引出電極５ａ、５ｂの材質としては、特に限定はなく、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｇ合金などが用いられる。なお、Ｔｉ化合物、Ｚｒ化合物、Ｓｉ化合物などを添加しても良い。
本実施形態に係るフェライト組成物は、Ｎｉ−Ｃｕ系フェライトまたはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトであり、主成分として、酸化鉄、酸化銅および酸化ニッケルを含有し、さらに酸化亜鉛を含有してもよい。
主成分１００モル％中、酸化鉄の含有量は、Ｆｅ２ Ｏ３ 換算で、４０．０〜４９．８モル％、好ましくは４２．０〜４９．０モル％、さらに好ましくは４３．０〜４９．０モル％である。酸化鉄の含有量が少なすぎると、Ｑ値が低下する傾向にある。多すぎると、焼結性が劣化し、特に低温焼結時の焼結密度が低下する傾向にある。
主成分１００モル％中、酸化銅の含有量は、ＣｕＯ換算で、５．０〜１４．０モル％である。酸化銅の含有量が少なすぎると、焼結性が劣化し、特に低温焼結時の焼結密度が低下する傾向にある。多すぎると、Ｑ値が低下する傾向にある。
主成分１００モル％中、酸化亜鉛の含有量は、ＺｎＯ換算で、０〜３２．０モル％である。すなわち、主成分として酸化亜鉛を含有してもしなくてもよい。主成分として酸化亜鉛を含有する場合、好ましくは０．５〜３０．０モル％、さらに好ましくは０．５〜２６．０モル％である。酸化亜鉛の含有量が多すぎると、キュリー温度が低下する傾向にある。
主成分の残部は、酸化ニッケルから構成されている。
本実施形態に係るフェライト組成物は、上記の主成分に加え、副成分として、酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトを含有している。
酸化スズの含有量は、主成分１００重量％に対して、ＳｎＯ２ 換算で、０．５〜４．０重量％、好ましくは０．５〜２．５重量％である。酸化スズの含有量が少なすぎると、Ｑ値が低下する傾向にある。多すぎると、焼結性が劣化し、特に低温焼結時の焼結密度が低下する傾向にある。
酸化ビスマスの含有量は、主成分１００重量％に対して、Ｂｉ２ Ｏ３ 換算で、０．１０〜１．００重量％、好ましくは０．２０〜０．７０重量％、さらに好ましくは０．２０〜０．５０重量％である。酸化ビスマスの含有量が少なすぎると、焼結性が劣化し、特に低温焼結時の焼結密度が低下する傾向にある。多すぎると、Ｑ値が低下する傾向にある。
酸化コバルトの含有量は、主成分１００重量％に対して、Ｃｏ３ Ｏ４ 換算で、０．２１〜３．００重量％、好ましくは０．２３〜２．００重量％である。酸化コバルトの含有量が少なすぎると、Ｑ値が低下する傾向にある。多すぎると、焼結性が劣化し、特に低温焼結時の焼結密度が低下する傾向にある。
本実施形態に係るフェライト組成物においては、主成分の組成範囲が上記の範囲に制御されていることに加え、副成分として、上記の酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトが全て含有されている。その結果、焼結温度を低下させることができ、一体焼成される内部導体として、たとえばＡｇなどの比較的低融点な金属を用いることができる。さらに、低温での焼結後のフェライト焼結体は、Ｑ値が高い状態を維持する。
なお、酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトのうち、いずれかが一つ以上が含有されていない場合には、上記の効果は十分に得られない。すなわち、上記の効果は、酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトが同時に特定量含有された場合に初めて得られる複合的な効果であると考えられる。
また、本実施形態に係るフェライト組成物は、上記副成分とは別に、さらにＭｎ３Ｏ４などのマンガン酸化物、酸化ジルコニウム、ガラス化合物などの付加的成分を本発明の効果を阻害しない範囲で含有してもよい。これらの付加的成分の含有量は、特に限定されないが、例えば０．０５〜１．０重量％程度である。
さらに、本実施形態に係るフェライト組成物には、不可避的不純物元素の酸化物が含まれ得る。
具体的には、不可避的不純物元素としては、Ｃ、Ｓ、Ｓｉ、Ｃｌ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉや、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｐｂ等の典型金属元素や、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ等の遷移金属元素が挙げられる。また、不可避的不純物元素の酸化物は、フェライト組成物中に０．０５重量％以下程度であれば含有されてもよい。
本実施形態に係るフェライト組成物は、フェライト粒子と、隣り合う結晶粒子間に存在する結晶粒界とを有している。結晶粒子の平均結晶粒子径は、好ましくは０．２〜１．５μｍである。
次に、本実施形態に係るフェライト組成物の製造方法の一例を説明する。まず、出発原料（主成分の原料および副成分の原料）を、所定の組成比となるように秤量して混合し、原料混合物を得る。混合する方法としては、たとえば、ボールミルを用いて行う湿式混合や、乾式ミキサーを用いて行う乾式混合が挙げられる。なお、平均粒径が０．０５〜１．０μｍの出発原料を用いることが好ましい。
主成分の原料としては、酸化鉄（α−Ｆｅ２ Ｏ３ ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、必要に応じて酸化亜鉛（ＺｎＯ）、あるいは複合酸化物などを用いることができる。さらに、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物等を用いることができる。焼成により上記した酸化物になるものとしては、たとえば、金属単体、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、ハロゲン化物、有機金属化合物等が挙げられる。
副成分の原料としては、酸化スズ、酸化ビスマスおよび酸化コバルトを用いることができる。副成分の原料となる酸化物については特に限定はなく、複合酸化物などを用いることができる。さらに、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物等を用いることができる。焼成により上記した酸化物になるものとしては、たとえば、金属単体、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、ハロゲン化物、有機金属化合物等が挙げられる。
なお、酸化コバルトの一形態であるＣｏ３ Ｏ４ は、保管や取り扱いが容易であり、空気中でも価数が安定していることから、酸化コバルトの原料として好ましい。
次に、原料混合物の仮焼きを行い、仮焼き材料を得る。仮焼きは、原料の熱分解、成分の均質化、フェライトの生成、焼結による超微粉の消失と適度の粒子サイズへの粒成長を起こさせ、原料混合物を後工程に適した形態に変換するために行われる。こうした仮焼きは、好ましくは６５０〜７５０℃の温度で、通常２〜１５時間程度行う。仮焼きは、通常、大気（空気）中で行うが、大気中よりも酸素分圧が低い雰囲気で行っても良い。なお、主成分の原料と副成分の原料との混合は、仮焼きの前に行なってもよく、仮焼き後に行なってもよい。
次に、仮焼き材料の粉砕を行い、粉砕材料を得る。粉砕は、仮焼き材料の凝集をくずして適度の焼結性を有する粉体とするために行われる。仮焼き材料が大きい塊を形成しているときには、粗粉砕を行ってからボールミルやアトライターなどを用いて湿式粉砕を行う。湿式粉砕は、粉砕材料の平均粒径が、好ましくは０．１〜１．０μｍ程度となるまで行う。
得られた粉砕材料を用いて、本実施形態に係る積層型インダクタを製造する。該積層型インダクタを製造する方法については制限されないが、以下では、シート法を用いる。
まず、得られた粉砕材料を、溶媒やバインダ等の添加剤とともにスラリー化し、ペーストを作製する。そして、このペーストを用いてグリーンシートを形成する。次いで、形成されたグリーンシートを所定の形状に加工し、脱バインダ工程、焼成工程を経て、本実施形態に係る積層型インダクタが得られる。焼成は、コイル導体５および引出電極５ａ，５ｂの融点以下の温度で行う。例えば、コイル導体５および引出電極５ａ，５ｂがＡｇ（融点９６２℃）の場合、好ましくは８５０〜９２０℃の温度で行う。焼成時間は、通常１〜５時間程度行う。また、焼成は、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が低い雰囲気で行っても良い。このようにして得られる積層型インダクタは本実施形態に係るフェライト組成物から構成されている。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。たとえば、図２に示すＬＣ複合電子部品１０におけるフェライト層４として、本発明のフェライト組成物を用いてもよい。なお、図２において、符号１２に示す部分がインダクタ部であり、符号１４に示す部分がコンデンサ部である。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例１
まず、主成分の原料として、Ｆｅ２ Ｏ３ 、ＮｉＯ、ＣｕＯ、そして酸化亜鉛を含有する場合にはＺｎＯを準備した。副成分の原料として、ＳｎＯ２ 、Ｂｉ２ Ｏ３ 、Ｃｏ３ Ｏ４ を準備した。
次に、準備した主成分および副成分の原料の粉末を、焼結体として表１および２に記載の組成になるように秤量した後、ボールミルで１６時間湿式混合して原料混合物を得た。
次に、得られた原料混合物を乾燥した後に、空気中において７２０℃で４時間仮焼して仮焼き粉とした。仮焼き粉を鋼鉄製ボールミルで１６時間湿式粉砕して粉砕粉を得た。
次に、この粉砕粉を乾燥した後、粉砕粉１００重量％に、バインダとしての６ｗｔ％濃度のポリビニルアルコール水溶液を１０．０重量％添加して造粒して顆粒とした。この顆粒を、加圧成形して、成形密度３．２０Ｍｇ／ｍ3 となるようにトロイダル形状（寸法＝外径１３ｍｍ×内径６ｍｍ×高さ３ｍｍ）の成形体を得た。
次に、これら各成形体を、空気中において、Ａｇの融点（９６２℃）以下である９００℃で２時間焼成して、焼結体としてのトロイダルコアサンプルを得た。さらにサンプルに対し以下の特性評価を行った。
焼結密度
得られたトロイダルコアサンプルについて、焼成後の焼結体の寸法および重量から、焼結密度を算出した。本実施例では、焼結密度５．０Ｍｇ／ｍ3 以上を良好とした。また、焼結密度が５．０Ｍｇ／ｍ3 に満たないサンプルについては、他の特性評価を行うに値しないと判断し、以下の特性評価を省略した。
キュリー温度
キュリー温度の測定は、ＪＩＳ―Ｃ―２５６０―１に基づき行った。本実施例では、キュリー温度が１２５℃以上であるか否かで評価した。キュリー温度が１２５℃未満のサンプルについては、インダクタの使用温度において不都合があるという理由から、他の特性評価を行うに値しないと判断し、以下の特性評価を省略した。
透磁率μ、Ｑ値
焼結密度およびキュリー温度が良好なサンプルに、銅線ワイヤを１次側を２０ターン、２次側を７ターン巻きつけ、Ｂ―Ｈアナライザ（岩通計測株式会社 Ｂ―Ｈ ＡＮＡＬＹＺＥＲ ＳＹ―８２１８）およびアンプ（株式会社エヌエフ回路設計ブロック ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＢＩＰＯＲＬＡＲ ＡＭＰＬＩＦＩＥＲ ＨＳＡ ４１０１―ＩＷ）を使用して、透磁率μおよびＱ値を測定した。測定条件としては、測定周波数１ＭＨｚ、測定温度２５℃、外部磁界１００Ａ／ｍ、２００Ａ／ｍ印加とした。
本実施例では、外部磁界１００Ａ／ｍでＱ値が１１０以上であることが好ましい。さらに、外部磁界２００Ａ／ｍでＱ値が５５以上であることが好ましい。以上の結果を表１（実施例）、表２（比較例）に示す。また、キュリー温度の欄が○の試料はキュリー温度が１２５℃以上であり、×の試料はキュリー温度が１２５℃未満である。
Figure 2015078088
Figure 2015078088
表１および表２より、副成分であるＳｎＯ２ 、Ｂｉ２ Ｏ３ およびＣｏ３ Ｏ４ の３種が含有され、かつ主成分および副成分の含有量が本発明の範囲内である場合（試料番号１〜３０）にＱ値が良好となることが確認できた。これに対し、主成分および副成分のいずれかが本発明の範囲外となる場合（試料番号３１〜５５）には、焼結密度、キュリー温度、Ｑ値のいずれか１つ以上が良好範囲を外れる焼結体が得られた。
さらに、表１および表２の結果を、外部磁界別にグラフ化したのが図３（Ｈ＝１００Ａ／ｍ）および図４（Ｈ＝２００Ａ／ｍ）である。図３および図４より、μが近い実施例と比較例とを比較した場合には、実施例の方が比較例よりもＱ値が高くなることが明確である。
実施例２
表１の試料番号１２と表２の試料番号３１、３２、３３について、Ｈ＝１００Ａ／ｍ、２００Ａ／ｍ以外の外部磁界（Ｈ＝２０〜４００Ａ／ｍ）でＱ値を測定した結果を図５にまとめた。外部磁界以外は実施例１と同様にして測定した。なお、試料番号３１は従来型の無添加材、試料番号３２は従来型のＣｏ添加材、試料番号３３は従来型のＳｎＢｉ添加材に対応する。また、従来型の無添加材およびＣｏ添加材では、Ｈ＝３５０、４００Ａ／ｍでＱ値が測定不能となった。
図５より、本発明に係るＳｎＣｏＢｉ添加材は、２０〜４００Ａ／ｍの高磁界下で、従来型の無添加材、Ｃｏ添加材、ＳｎＢｉ添加材と比較してＱ値を高く維持できることが分かる。
以上より、本発明に係るフェライト材料は、Ａｇの融点（９６２℃）以下での低温焼結が可能である。さらに、本発明に係るフェライト材料を低温焼結して得られる焼結体は、高電流下においても高特性を有する。したがって、本発明に係るフェライト材料を用いることで、電子部品の小型化が可能であり、さらに、大振幅の信号に対しても有効な電子部品を得ることができる。
１… 積層型インダクタ
２… 素子
３… 端子電極
４… 積層体
５… コイル導体
５ａ、５ｂ… 引出電極
１０… ＬＣ複合電子部品
１２… インダクタ部
１４… コンデンサ部

Claims (2)

  1. 主成分が、酸化鉄をＦｅ２ Ｏ３ 換算で４０．０〜４９．８モル％、酸化銅をＣｕＯ換算で５．０〜１４．０モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜３２．０モル％、残部が酸化ニッケルで構成されており、
    前記主成分１００重量％に対して、副成分として、酸化スズをＳｎＯ２ 換算で０．５〜４．０重量％、酸化ビスマスをＢｉ２ Ｏ３ 換算で０．１０〜１．００重量％、酸化コバルトをＣｏ３ Ｏ４ 換算で０．２１〜３．００重量％、含有するフェライト組成物。
  2. 請求項１に記載のフェライト組成物で構成されるフェライト焼結体を有する電子部品。
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