JP2015176972A - 電波吸収体、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波回路を収容するケースでは、内部共振防止、外部への不要電波放射防止のため、ケース内に損失性磁性粉を分散させた樹脂からなる焼成物を電波吸収体として設けており、損失性磁性粉が露出し酸化する問題と、樹脂からの水分発生による回路腐食の問題があった。【解決手段】 軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉の焼結体をガラス膜で被覆することにより、損失性磁性粉の酸化を防止し、水分発生が無い電波吸収体を得る。【選択図】 図１

Description

この発明は、高周波回路に収容される電波吸収体、及びその製造方法に関する。

電子機器の分野では、小型化及び高性能化を図るため、高周波化と高密度実装化が進行している。特に、高周波機器は、回路の機能ブロック毎に素子、回路導体を金属ケースに収容し、実装された素子、回路導体を外部環境から保護すると共に、外部回路との相互電波干渉を防止している。

高周波回路を金属ケースで覆えば金属ケース外部との相互電波干渉を防げるが、金属ケース内で発生した不要電波の自己干渉は防止できない。増幅器を含む高周波回路は、金属ケース内に構成された高周波伝送線路から生じた輻射電波が金属ケース内で反射し、増幅器に帰還して発信する。高周波回路の使用周波数と金属ケース内空間の寸法によっては、輻射電波が空洞共振を起こす場合がある。空洞共振を抑制するためには、空間寸法で決まる遮断周波数を考慮した設計を行うが、回路規模、機能、大きさ、重量等、同時に満足させなければならない制約が多いため、遮断周波数を優先した設計を行うことは実質的に不可能である。

金属ケース内におけるこれら不要電波の自己干渉、共振を抑制するには、金属ケース内で発生した不要電波を吸収する電波吸収体を設けることが有効であり、主に損失性磁性材料（軟磁性金属、フェライト等）を用いた電波吸収体を、金属ケース内に設ける方法が採られてきた。ここで言う損失とは磁気損失を指す。

電波吸収体は、特に高周波回路直上または近傍に設けることが有効であるが、十分広い面積に設けることができるため、高周波回路と対向するカバー（ケースの蓋面）の広い領域に貼り付ける構成が一般的である。

しかし、高周波磁界用の磁性材料として広く用いられているフェライトペレットは、高温下で焼結させた物であるため、物質として安定であるがフェライト自体は脆く、設置面積が大きい場合ほど変形応力が加わった際に破損する問題があった。このため樹脂材料に損失性磁性粉末を混合、分散させたシート状の電波吸収体（以下、樹脂シート）が考案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、一般の樹脂材料は温度上昇と共に塩素、臭素、アンモニア、水素、炭化水素等、半導体素子にとっては腐食性となるガスが発生する。このため、これら腐食性元素を含まない樹脂材料を用いて樹脂シートを形成している。樹脂シートに樹脂材料を使用する限り、特に高温の使用環境下では樹脂材料から蒸発する水分発生は避けられず、温度上昇と共に発生した水蒸気は、温度低下と共に金属ケース内で結露し、短絡や高周波回路導体、半導体素子を腐食する要因となる。

特に気密封止を必要とする電子デバイスは、内部に半導体ベアチップを収納するため、樹脂シートから発生する微量の水蒸気が致命的となる。ここで樹脂シートから発生する水分の除去には、高温、長時間のベーキングが有効である。ベーキングは長時間のバッチ処理となるため製造能力を圧迫することとなり、樹脂シートが高価となる要因になっている。また、樹脂シート中に均等に損失性磁性粉末を分散させるため、樹脂シート表面に損失性磁性粉末が露出し、樹脂シートを電子デバイスに実装する前に、露出した損失性磁性粉末が酸化する問題があった。

また、十分な電波吸収性能を有し、腐食ガスや水分の発生がほぼ無い焼結体を、電波吸収体に用いる方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、この電波吸収体は材料粉末をスラリー化した上で造粒、粉末化し、成型、焼成、さらに焼成後に研削、研磨工程があり、製造工程が長いため高価になる問題があった。

特開２００４−８７６８６号公報 特開２００５−７２２８８号公報

特許文献１に示すように、樹脂に軟磁性金属粉を分散させてなる従来の電波吸収体は、樹脂からの水分発生が避けられず、金属ケース内に電波吸収体を設けた場合の高周波回路の腐食要因を完全には無くせないという問題があった。また、この電波吸収体の水分を除去するために長時間のベーキング工程が必要となり、電波吸収体が高価となるという問題、及び電波吸収体の表面に損失性磁性粉末が露出し、表面が酸化するという問題があった。

特許文献２に示すように、焼結体により電波吸収体を構成した場合は、樹脂使用時の水分発生は防止されるが、その製造工程が長いため高価となり、また表面に金属粉が露出するため酸化の問題も解決されない。

なお、出願人等は損失性磁性粉をガラスで固めた電波吸収体を考案した。この電波吸収体を構成するガラスは、磁気特性を維持できる範囲が４００〜９００℃となってその選択肢は広いものの、軟磁性金属、フェライト自体の焼結温度より軟化点がかなり低い。この電波吸収体は、市販の損失性磁性粉の磁気特性を元に、所望の周波数帯に応じた磁性粉を選択することができるので、安価に水分、腐食ガスを発生しない電波吸収体を得ることができる。

しかし損失性磁性粉を固体化させるために、電波吸収体の２０〜４０重量％のガラス粉を損失性磁性粉と混合し、焼成する必要があり、ガラス組成比が多いため損失性磁性粉の持つ本来の電波吸収性能を疎外する。また、損失性磁性粉とガラスの混合体であるため、電波吸収体の表面には磁性粉が露出し、酸化する問題は解決されないという問題がある。

この発明は、腐食ガス、水分を発生せず、高周波回路を収容する気密ケースに用いることができると共に、表面酸化の問題も無く、所望の周波数帯に効果の高い電波吸収体を安価に得ることを目的とする。

この発明による電波吸収体は、軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉に樹脂バインダ粉末を混入させ、さらに周囲を未焼成ガラスシートで被い、同時に焼成して固体化し、周囲をガラス膜で被覆して形成されたものである。

また、この発明による電波吸収体の製造方法は、軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉と樹脂バインダ粉末の混合粉を加圧し、未焼成磁性体ペレットを形成する工程と、ガラス粉末を固めてガラスシートを形成する工程と、未焼成磁性体ペレットをガラスシートで挟んだ状態で加圧し、焼成することにより、磁性体をガラス膜で被覆した電波吸収体を形成する工程と、を備えたものである。

この発明によれば、損失性磁性粉（軟磁性金属、フェライト等）に樹脂バインダ粉末を混入させて固体化し、周囲をガラスで被覆することにより、電波吸収体として機能する損失性磁性粉の中には、電波吸収性能を疎外するガラス材料を混入せずに、周囲を厚さ１００μm以下のガラスで被覆することができる。これによって、損失性磁性粉が有する本来の電波吸収性能をほとんど低下させることのない、電波吸収体を得ることができる。

実施の形態１による高周波回路用電波吸収体の構成を示す断面図である。 実施の形態１による磁性体ペレットの製造工程を示す模式図である。 実施の形態１によるガラスシートの製造工程を示す模式図である。 実施の形態１による高周波回路用電波吸収体の製造工程を示す模式図である。 実施の形態１による高周波回路デバイスの構成を示す断面図である。 実施の形態１による高周波回路用電波吸収体の周波数特性を示す図である。 高周波回路用電波吸収体の周波数特性の比較例を示す図である。 実施の形態２による磁性体ペレットの製造工程を示す模式図である。

以下、この発明に係る実施の形態１、２を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による高周波回路用電波吸収体（以下、電波吸収体と称する）の構成を示す断面図である。図１において、実施の形態１による電波吸収体３は、磁性体ペレット１と、磁性体ペレット１の周囲を覆うガラス膜２から構成されている。

磁性体ペレット１の大きさは任意であるが、厚さは０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲で形成する。薄過ぎると形成過程及び取扱いにおいて割れ易いこと、及び充分な電波吸収性能を得られない。また、厚過ぎると電波吸収性能としては過剰であり、鉄主成分であることから重量増となり、また電波吸収体３を搭載する電子デバイス自体の厚さも増加することとなる。このため電波吸収性能と重量の双方が適度な範囲として、０．５〜２ｍｍとするのが好適である。

図２は、実施の形態１による磁性体ペレット１の製造工程を示す模式図である。図２（ａ）において、混合粉黛４は、軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉と、樹脂バインダ粉末とを混合している。損失性磁性粉だけでは固体形状を形成することはできないため、混合粉黛４は樹脂バインダ粉末を混合している。図２（ｂ）においてこの混合粉黛４を金型５に充填し、１００MPa程度で乾式プレスを行い、図２（ｃ）に示す未焼成磁性体ペレット６を形成する。

磁性体ペレット１は接合、融合している訳ではないので、非常に脆い状態ではあるが、高加圧により樹脂バインダ粉末と損失性磁性粉とが密着し、固型化することができる。磁性体ペレット１の取扱いには注意を要するが、中間形態としては充分な固体状態が得られる。磁性体ペレット１の形成には高圧プレス工程を要するが、混合粉黛４の粉末の混練→型入れ→プレスと、その形成に要する工程は少なく、また溶剤類を用いない乾式であることに利点がある。

図３は、実施の形態１によるガラスシートの製造工程を示す模式図であり、ドクターブレード法による製造工程のイメージを示す図である。ドクターブレード装置８は、バケット９と、ベルト１０と、ブレード１１を備えている。ブレード１１の下端は、ベルト１０の上面から所定の間隔を開けて配置される。ガラス粉末、樹脂バインダ、溶剤を混練したガラススラリー７を、ドクターブレード装置８のバケット９に投入する。バケット９から排出されたガラススラリー7は、ベルト１０の回転と共にブレード１１により圧延されて均一な厚さのシート状となり、溶剤を揮発乾燥させて、ガラスシート１２が形成される。

図４は、実施の形態１による高周波回路用電波吸収体の製造工程を示す模式図である。図４（ａ）において未焼成磁性体ペレット６の上下両面をガラスシート１２で挟み、図４（ｂ）に示すように金型１３で形状崩れを防ぎながら数十ＭＰa（３０〜４０ＭＰa程度が望ましい）で圧着させた上で、焼成し、図４（ｃ）に示すようにガラス膜２で被覆された電波吸収体３が形成される。

ガラス膜２の形状崩れが許容できる場合は、金型を用いずに加圧及び圧着しても良い。ガラスシート１２は樹脂バインダと溶剤を含んでシート状とされたものであるため、粉黛の圧着物に比べて強度は遥かに高いため、未焼成磁性体ペレット６とガラスシート１２との圧着物の強度は取り扱いに十分な強度が得られる。

未焼成磁性体ペレット６とガラスシート１２の焼成温度は、用いるガラスの種類によって決まるが、一般に電子材料用として市販されている４００〜９００℃のガラスを用いることができる。ここで言うガラスはガラス状物質ではなく、Ｓｉ系、Ｂｉ系、Ｚｎ系、Ｐｂ系等、純粋にガラスと称されるものである。これらガラスは融点が９００℃以下であり、磁性体ペレット１に用いられている磁性材料の磁気特性を維持できる温度範囲であることから用いている。ただし磁性材料には磁気特性を失うキュリー温度があり、用いる磁性材料のキュリー温度未満での焼成を行う必要があるので、ガラスも磁性材料のキュリー温度未満で焼成できるものを選定する。磁性体ペレット１自体は焼成しても磁性粉は９００℃程度でそれ自体が焼結する物質ではないため、焼成しても一時的に固体形状を保っているだけで脆い。

外周のガラスシート１２が焼成されてガラス膜２が形成されることによって、未焼成磁性体ペレット６とガラスシート１２からなる電波吸収体３はガラス固体状となる。磁性体ペレット１表面付近では磁性粉の隙間にもガラスが溶融侵入して、ガラス膜２は磁性体ペレット１表面に強固な膜を形成し、磁性粉の保護層ともなる。また、この焼成により、磁性体ペレット１の磁性粉を固形化していたバインダ成分は焼失するので、ガラスはもとより磁性体の性能を阻害したり、ガスや水の元になる樹脂成分も残らない。

ガラス膜２の厚さは、ガラスの種類に因らず磁性体ペレット１の保護と固体化に必要な程度として１００μm程度で充分である。また、磁性体ペレット１の磁性材料による電波吸収は、磁性材料に入射した電波が磁性体ペレット１の中に磁場を発生させ、その磁場が電波のエネルギーに変換される際に、一部のエネルギーが失われることにより電波吸収される。このため電波吸収体３の表面は、電波を容易には反射しない薄いガラスであれば、電波吸収体３の機能を損なうことは無い。

図５は、高周波回路デバイスの構成を示す断面図であり、電波吸収体３の共振抑制効果を測定する特性測定用モデルの一例である。高周波回路デバイスは、金属パッケージ１４と、カバー２０から構成される。金属パッケージ１４は、上面が開口し、底面に複数の入出力端子１５が設けられている。金属パッケージ１４の底面は高周波回路の取り付け面が形成されている。カバー２０は、金属パッケージ１４の上面に開口を塞ぐように取り付けられる。カバー２０は、裏面に電波吸収体３が設けられている。

金属パッケージ１４は特性測定用モデルであるため、実際には高周波回路を設置せず、高周波電波の入出力端子１５のみ設けている。この入出力端子１５と対向する位置に電波吸収体３を設置し、金属パッケージ１４内の空間共振抑制効果を測定した。

図６は、実施の形態１による電波吸収体３を用いた場合の、図５に示す高周波回路デバイスの周波数特性を示している。電波吸収体３の一例として、磁性材料にFｅ（90％以上）−Ｓｉ系金属粉を用いている。この磁性金属は、７００℃以上に温度が上がると金属結晶が生成され、本来の磁性体組成と異なってしまう。このため、ガラスシート１２には７００℃未満で焼成できるガラスを用いている。図６中のＡは、金属パッケージ１４に電波吸収体を装着しない場合の周波数特性を示しており、入射した電波はほとんど減衰しない。対して図６中のＢは、電波吸収体３を装着した場合の周波数特性を示している。このＢの周波数特性によれば、１２ＧＨｚで−５０dbまで減衰し、電波吸収効果が非常に高いことを示している。

図７は比較例であり、Ｃに磁性粉と２０重量％のガラス粉を混合し、焼成した電波吸収体を用いた場合の周波数特性を示している。図６のＢと図７のＣとを比較すれば明らかなように、Ｂの方が電波吸収効果ははるかに大きいことが分る。

以上説明した通り、実施の形態１による高周波回路用電波吸収体は、電波吸収体３として機能する損失性磁性粉に電波吸収性能を疎外するガラス材料、樹脂は含まれず、周囲を厚さ１００μm以下のガラス膜２で被覆する。このため損失性磁性粉が有する本来の電波吸収性能をほとんど低下させることが無い、電波吸収体３の構成を実現することができる。

また、実施の形態１による高周波回路用電波吸収体（電波吸収体３）は、周囲をガラス膜２で被覆されるため磁性粉が表面に露出して錆びる心配は無く、環境的に安定した電波吸収体が得られる。また、使用する損失性磁性粉に特に制約は無いため、市販材料として安価で入手可能な鉄系磁性粉を選択すれば、非常に安価な電波吸収体３を得ることができる。さらに、電波吸収体３は４００〜９００℃の温度で焼結させるものであり、水分、腐食ガスの元になる樹脂類が表面に混入されていないので、腐食し易い半導体素子が使われた気密デバイスにとって、最適な電波吸収体を得ることができる。

電波吸収体３の表面を被覆するガラス膜２は任意に選択可能であり、取扱い、工程、コスト、損失性磁性粉との焼結性等の面から、最適なものを選択すれば良い。

かくして、実施の形態１によれば、軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉に樹脂バインダ粉末を混入させた磁性体ペレット１の周囲を、未焼成のガラスシート１２で被い、同時に焼成して固体化し、周囲をガラス膜２で被覆して形成することで、腐食ガスや水分発生が無く、電波吸収体の基本組成である損失性磁性体の持つ電波吸収特性を最高度に活かせる構成の電波吸収体を得られる。このため、特に気密封止する構成の高周波回路デバイスに適用すると有効性が高い。また電波吸収体表面はガラスで被覆されているため、幅広い設置環境で安定した高周波電波吸収性能を発揮することができ、また大きさの自由度も広いので高周波回路デバイスに限らず、高周波電波を抑制したい用途の全般に適用できる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２による未焼成磁性体ペレット６の製造工程を示す模式図である。図８において、スラリー１６は磁性粉とバインダ及び溶剤を混合して構成される。スラリー１６は、金型１７に充填され、乾燥させた後、型から外して未焼成磁性体ペレット６が形成される。この方法の場合、１００ＭＰaの高圧プレスを要しない利点がある。また、バインダと溶剤を含んで乾燥物とされているため、実施の形態１の圧着物に比べて固体強度が高く、取扱いがより容易になる利点がある。

実施の形態３．
実施の形態２と同様に磁性粉とバインダ、溶剤を混合した磁性体スラリーを形成し、図３で説明したドクターブレード法のようなシート生成の方法を用いて、未焼成磁性体のシート状磁性体シートを製作する。磁性体シートは所望の厚さで形成しておき、所望の大きさに切断あるいは型抜きした後、未焼成磁性体ペレット６を形成する。この方法の場合、１００ＭＰaもの高圧プレスを要しない利点、及びシート状の未焼成磁性体は巻き取って保存可能となる利点がある。

１ 磁性体ペレット、２ ガラス膜、３ 電波吸収体、４ 混合粉黛、５ 金型、６ 未焼成磁性体ペレット、７ ガラススラリー、８ ドクターブレード装置、９ バケット、１０ ベルト、１１ ブレード、１２ ガラスシート、１３ 金型、１４ 金属パッケージ、１５ 入出力端子、１６ 磁性体スラリー、１７ 金型。

Claims (5)

1. 軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉に樹脂バインダ粉末を混入させ、さらに周囲を未焼成ガラスシートで被い、同時に焼成して固体化し、周囲をガラス膜で被覆して形成された電波吸収体。
2. 軟磁性金属、フェライト等の損失性磁性粉と樹脂バインダ粉末の混合粉を加圧し、未焼成磁性体ペレットを形成する工程と、
   ガラス粉末を固めてガラスシートを形成する工程と、
   未焼成磁性体ペレットをガラスシートで挟んだ状態で加圧し、焼成することにより、磁性体をガラス膜で被覆した電波吸収体を形成する工程と、
   を備えた電波吸収体の製造方法。
3. 上記未焼成磁性体ペレットは、損失性磁性粉と樹脂バインダ粉末の混合粉黛を、乾式プレス成型して形成されることを特徴とする請求項２に記載の電波吸収体の製造方法。
4. 上記未焼成磁性体ペレットは、損失性磁性粉と樹脂バインダと溶剤とを混合したスラリーを型に充填し、乾燥させた損失性磁性粉と樹脂バインダ粉末の混合粉黛を、乾式プレス成型して形成されることを特徴とする請求項２に記載の電波吸収体の製造方法。
5. 上記未焼成磁性体ペレットは、損失性磁性粉と樹脂バインダと溶剤とを混合したスラリーをシート状に成型、乾燥し、所望の大きさに切断して形成されることを特徴とする請求項２に記載の電波吸収体の製造方法。

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