JP2018154508A - フェライト、フェライト基板、及び、これを用いた薄膜インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高温プロセスへの耐性が高く、かつ、１〜２５ＭＨｚの周波数の電気信号を処理する薄膜インダクタに好適な複素透磁率を有するフェライト、フェライト基板、及び、これを用いた薄膜インダクタの提供。
【解決手段】Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜４９．５ｍｏｌ％の酸化鉄、ＺｎＯに換算して１９〜２５ｍｏｌ％未満の酸化亜鉛、ＣｕＯに換算して０〜１．０ｍｏｌ％の酸化銅、及び、残部の酸化ニッケルからなる主成分と、前記主成分の１００質量部に対して、ＴｉＯ_２に換算して０．５〜２重量部の酸化チタン、及び、ＣｏＯに換算して０．３５〜２重量部の酸化コバルトを含み、平均結晶粒子径が６μｍ以上であるフェライト及び該フェライトからなる基板１０、更に基板１０と基板１０上に設けられたコイル２２とを備える薄膜インダクタ１。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライト、フェライト基板、及び、これを用いた薄膜インダクタに関する。

従来より、インダクタとして、積層インダクタ、巻線インダクタ、薄膜インダクタが知られている。近年では、インダクタの小型化、低背化が求められており、これに応えるためにフェライト基板を用いた薄膜インダクタの開発が行われている。

特開２０１５−１１７１７３号公報 特開２００５−３４０７５９号公報

薄膜インダクタにおいては、フェライト基板の複素透磁率の実部（透磁率）が高く、かつ、使用時のコアロスを抑制すべくフェライト基板における複素透磁率の虚部が十分低いことが必要である。

一方、薄膜インダクタの製造においては、フェライト基板の上に形成された層（例えば、コイル用の導電層等）に対してフォトリソグラフィー法によるパターニング工程がなされ、その際にフェライト基板が高温プロセスに供される。複素透磁率の実部が高くかつ複素透磁率の虚部が低いフェライト基板では、パターニング工程を経たフェライト基板に反り又は割れが生じる場合がある。

現在のところ、１〜２５ＭＨｚの周波数の電気信号を処理する薄膜インダクタに好適な複素透磁率を有しつつ、高温プロセスに対する耐性の高いフェライトは知られていない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので有り、高温プロセスへの耐性が高く、かつ、１〜２５ＭＨｚの周波数の電気信号を処理する薄膜インダクタに好適な複素透磁率を有するフェライト、フェライト基板、及び、これを用いた薄膜インダクタを提供することを目的とする。

本発明に掛かるフェライトはＦｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜４９．５ｍｏｌ％の酸化鉄、ＺｎＯに換算して１９ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％未満の酸化亜鉛、ＣｕＯに換算して０〜１．０ｍｏｌ％の酸化銅、及び、残部の酸化ニッケルからなる主成分と、前記主成分の１００質量部に対して、ＴｉＯ_２に換算して０．５〜２重量部の酸化チタン、及び、ＣｏＯに換算して０．３５〜２重量部の酸化コバルトを含み、平均結晶粒子径が６μｍ以上である。

ここで、上記フェライトの平均結晶粒子径が６〜１２μｍであってもよい。これにより、基板の切断時の欠けが低減される。

また、上記フェライトの熱伝導率が６〜１２Ｗ／ｍＫであってもよい。これにより、基板パターニング工程での割れが低減される。

本発明に掛かる基板は、上述のフェライトからなる基板である。

本発明に掛かる基板は、上述の基板と、前記基板上に設けられたコイルと、を備えるインダクタである。

本発明によれば、高温プロセスへの耐性が高く、かつ、１〜２５ＭＨｚの周波数の電気信号を処理する薄膜インダクタに好適な複素透磁率を有するフェライト、フェライト基板、及び、これを用いた薄膜インダクタが提供される。

図１は、本発明の１実施形態にかかる薄膜インダクタの概略断面図である。

（フェライト）
本実施形態に係るフェライトは、ＮｉＺｎ系フェライトである。このフェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜４９．５ｍｏｌ％の酸化鉄、ＺｎＯに換算して１９ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％未満の酸化亜鉛、ＣｕＯに換算して０〜１．０ｍｏｌ％の酸化銅、及び、残部の酸化ニッケルからなる主成分と、前記主成分の１００質量部に対して、ＴｉＯ_２に換算して０．５〜２重量部の酸化チタン、及び、ＣｏＯに換算して０．３５〜２重量部の酸化コバルトを含み、平均結晶粒子径が６μｍ以上の焼結体である。

主成分１００モル％中のＦｅ_２Ｏ_３換算の酸化鉄の含有量の下限は４５ｍｏｌ％であり、４５．５ｍｏｌ％、４６．０ｍｏｌ％とすることができる。上限は４９．５ｍｏｌ％であり、４９．０ｍｏｌモル％、４８．５ｍｏｌ％とすることができる。酸化鉄の含有量が少なすぎると複素透磁率の実部μ’が低下する傾向があり、多すぎると複素透磁率の虚部μ’’が増大する傾向がある。

主成分１００モル％中のＺｎＯ換算の酸化亜鉛の含有量の下限は１９ｍｏｌ％であり、２０．０ｍｏｌ％、２１．０ｍｏｌ％、２２．０ｍｏｌ％とすることもできる。上限は２５ｍｏｌ％未満であり、２４．５ｍｏｌ％、２４．０ｍｏｌ％とすることができる。酸化亜鉛の含有量が少なすぎると複素透磁率の実部がμ’が低下する傾向があり、多すぎると複素透磁率の虚部μ’’が増大する傾向がある。

主成分１００モル％中のＣｕＯ換算の酸化銅の上限は１．０ｍｏｌ％であり、０．５ｍｏｌ％、０．２ｍｏｌ％、０．１ｍｏｌ％、０．０５ｍｏｌ％、０．０１ｍｏｌ％、０．００５ｍｏｌ％、０．００１ｍｏｌ％とすることができる。酸化銅が多すぎると熱伝導率が低下する傾向がある。酸化銅は添加されていないことも好適である。

主成分の１００質量部に対するＴｉＯ_２換算の酸化チタンの含有量の下限は０．５質量部であり、０．６質量部、０．７質量部、０．８質量部、０．９質量部、１．０質量部、１．１質量部、１．２質量部であってもよい。上限は２質量部であり、１．９質量部、１．８質量部、１．７質量部、１．６質量部、１．５質量部であってもよい。酸化チタンの含有量が少なすぎると複素透磁率の実部μ’が低下する傾向があり、多すぎると複素透磁率の虚部μ’’が増大する傾向がある。

主成分の１００質量部に対するＣｏＯ換算の酸化コバルトの含有量の下限は０．３５質量部であり、０．４質量部、０．５質量部、０．６質量部、０．７質量部、０．８質量部、０．９質量部、１．０質量部であってもよい。また、上限は２質量部であり、１．９質量部、１．８質量部、１．７質量部、１．６質量部、１．５質量部、であってもよい。酸化コバルトの含有量が少なすぎると複素透磁率の実部μ’が低下する傾向があり、多すぎると複素透磁率の虚部がμ’’が増大する傾向がある。

さらに、本実施形態に係るフェライトは、不可避的不純物元素を含んでいてもよい。具体的には、不可避的不純物元素としては、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉ；Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｐｂ等の典型金属元素；Ｓｃ、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は、フェライト組成物中に０．０５重量部以下程度であれば含有されてもよい。

フェライトを構成するフェライト結晶粒子の平均結晶粒子径は６μｍ以上であるが、６〜１２μｍであることが好適である。平均結晶粒子径が小さすぎると、１〜２５ＭＨｚでの複素透磁率の虚部の値が大きくなる傾向がある。また、平均結晶粒子径が大きすぎると、フェライトの強度が低下して基板の個片化などの切断時に欠けが生じる傾向がある。

このようなフェライトの熱伝導率は、６〜１２Ｗ／ｍＫであることができる。

このようなフェライトの３ＭＨｚでの複素透磁率の実部μ’は１００〜３００であることができる。また、３ＭＨｚでの複素透磁率の虚部μ’’は、０．５〜５．０であることができる。

本実施形態に係るフェライト基板は、本実施形態に係るフェライトから構成されている。

このようなフェライトから構成されるフェライト基板の形状は特に限定されず、円板状、矩形板状等が挙げられる。基板の厚みは、例えば、３０μｍ〜３ｍｍとすることができる。円板の場合の外径は、例えば、５０〜３００ｍｍとすることができる。フェライト基板はコイルの中心軸となる突起部を有することができる（詳しくは後述する）。

本実施形態に係るフェライト及び基板によれば、１〜２５ＭＨｚにおける複素透磁率の実部μ’（透磁率）が高くかつ複素透磁率の虚部μ’’が低いので、インダクタの小型化が可能であると共にインダクタとして用いたときのコアロスを低減できて省エネルギー化に資する。また、本実施形態のフェライト及び基板によれば、インダクタ等の製造プロセスにおいて当該フェライト基板が受けるパターニングなどの高温プロセスにおける反りや割れに対する耐性が高くなり、歩留まりが向上する。その一因として、熱伝導率が高く、熱膨張率が小さいことが考えられる。

（フェライト及びフェライト基板の製造方法）
次に、本実施形態に係るフェライト及びフェライト基板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、上述の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０．１〜３μｍ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−Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、あるいはこれらを含む複合酸化物などを用いることができる。副成分の原料としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、および酸化コバルト、例えば、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＣｏＯ等を用いることができる。

主成分及び／又は副成分の原料として、焼成により上記した酸化物を生成する各種化合物等を用いることもできる。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、金属炭酸塩、金属シュウ酸塩、金属硝酸塩、金属水酸化物、金属ハロゲン化物、有機金属化合物等が挙げられる。

また、主成分及び／又は副成分の原料として、上述の金属元素を複数含む金属複合化合物を用いても良く、例えば、複合酸化物としてはコバルトフェライト（ＣｏＦｅ_２Ｏ_４）が挙げられる。

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促し、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８００〜１１００℃の温度で、通常１〜３時間程度行う。仮焼きは、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気や純酸素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ｄ５０が、好ましくは０．５〜２μｍ程度となるまで行う。

つぎに得られた粉砕材料を所望の形態に成形した後、１１００〜１４００℃の温度で焼成（焼結）すると、上記のフェライトが得られる。焼成雰囲気は、大気中等の酸素雰囲気とする。大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気で行っても良い。焼成時間は、２〜５時間程度とすることができる。

具体的には、例えば、シート法によりフェライト基板を製造する場合には、まず、得られた粉砕材料を、溶媒、バインダ、分散剤、可塑剤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５０〜３５０μｍの厚みを有するグリーンシートを形成する。なお、得られたグリーンシートを複数枚積層してもよい。

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、機械加工を経て、本実施形態に係る３０μｍ〜３００μｍの厚みを有するフェライト基板が得られる。

なお、フェライト基板の製造方法は、シート法に限定されず、例えば、フェライト粉末とバインダとを混合した後、粉末圧縮成形法、射出成形法、カレンダー法、押し出し法等の公知の方法により製造してもよい。いずれにしろ、所望の形状のグリーンの成形後に、脱脂及び焼成を行うことが好適である。
また、１００μｍ〜３ｍｍの厚みを有するフェライト基板は、バインダを混合しないＣＩＰ成形法で製造することもできる。バルクフェライトを焼成した後、切削等の機械加工により基板を形成してもよい。

（薄膜インダクタ）
次にこのようなフェライト基板を有する薄膜インダクタ１の例を図１に示す。

図１は、薄膜インダクタの一例の構成を示す概略断面図（厚み方向に沿った断面図）である。薄膜インダクタ１は、フェライト基板１０、コイル２２、絶縁層２０、絶縁層４０、上部磁性層５０、保護層６０、リード３０、外部端子８０を有する。

フェライト基板１０は上面を有し、その上面の中央部には磁心として機能する突起部１１が、上面における突起部１１の周りには平らな環状部１２が設けられている。

環状部１２上には、突起部１１の周囲を巻回するようにコイル２２が設けられている。コイルの材料は例えば、銅などの金属である。

突起部１１の上には、絶縁層４０が設けられている。絶縁層４０の材料は、ポリイミド、等の耐熱性樹脂、及び、アルミナ等の酸化物である。絶縁層４０は、突起部１１と後述する上部磁性層５０とのギャップ距離を設け、上部磁性層５０とフェライト基板１０とを電気的に絶縁する。

絶縁層２０は、環状部１２上に設けられていて薄膜状のコイル２２を埋めている。絶縁層２０内には、コイル２２の内側端２２ｉｎと一方の外部端子８０とを電気的に接続するリード３０が設けられている。絶縁層２０は、熱可塑性樹脂、硬化性樹脂等の樹脂組成物からなることができる。当該樹脂組成物は、樹脂以外にフェライトセラミック粒子を含んでいてもよい。

絶縁層２０、リード３０、及び、絶縁層４０上には、上部磁性層５０、及び保護層６０がこの順に積層形成されている。

上部磁性層５０は、パーマロイ等のＦｅ／Ｎｉ系合金、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ系合金などの強磁性金属材料から構成されることができる。上部磁性層５０は、外部端子８０と接触しないように、パターニングされている。

保護層６０は、上部磁性層５０を保護するとともに外部端子８０と上部磁性層５０とを絶縁するための絶縁性材料、例えば、樹脂やセラミクスで形成されている。

一方の外部端子８０はリード３０と接続され、他方の外部端子８０はコイル２２の外側端２２ｏｕｔと接続されている。

このような薄膜インダクタ１は、１〜２５ＭＨｚの信号を処理する薄膜インダクタとして好適である。１〜２０ＭＨ、１〜１５ＭＨｚの信号を処理する薄膜インダクタとして特に好適である。

このような薄膜インダクタ１を製造するにあたり、コイル２２、リード３０、上部磁性層５０の形成時の金属膜のパターニング等において、レジストのベーキングなどの加熱処理工程が行われる。例えば、フェライト基板１０は２００℃程度にまで加熱されその後冷却される場合がある。このとき従来のフェライト基板では、フェライト基板に反りが発生したりクラックが発生したりする場合があった。本実施形態にかかるフェライト基板では、μ’が高くμ’’が低いにもかかわらず、反りや割れが少なく、パターニング工程における歩留まりを高めることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。

例えば、本発明によって製造される薄膜インダクタの形状は上記実施形態に限られず、フェライト基板上にコイルを有するものであればよい。

（実施例１〜実施例５）
平均粒径ｄ５０が０．１〜１．０μｍのα−Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、ＴｉＯ_２、及び、ＣｏＯの各粒子を表１の組成となるように混合した。大気中で９００℃で１０時間仮焼きした後、ｄ５０が０．３〜０．７μｍとなるまで粉砕した。その後、粉砕粉に、溶剤（水）を添加してバルクフェライトを成形し、表１の温度で大気中で１０時間焼成して、φ３００ｍｍ×厚み２ｍｍの円板状のフェライト基板を得た。

（平均結晶粒子径の測定方法）
濃塩酸でエッチング後のフェライト試料表面を走査型電子顕微鏡にて観察し、Ｎ＝１５０個の平均から求めた。その際に各粒子に対して面積が最小となる、外接する四角形の長辺の長さにπ／２を乗じて結晶粒子径とした。

（熱伝導率の測定方法）
レーザーフラッシュ法によりＲＴ（室温）で測定
測定装置：熱定数測定装置
試験片 ：φ１０ｍｍ×厚み２ｍｍ

（複素透磁率の測定方法）
インピーダンス法によりＲＴ（室温）で測定
測定装置：ハイラスタ
試験片 ：４１０×φ６×２個

（薄膜パターニング工程による歩留まりの確認）
フェライト基板上でパーマロイ層のパターニング工程の工程を行った。具体的には、まず、フェライト基板上にスパッタリングによりパーマロイ層を形成した。パーマロイ層上にレジスト層を形成し、マスクを用いてレジスト層を露光し、その後、レジスト層を現像し、さらに、現像レジスト層を２００℃でベークした。その後、現像レジスト層を用いて、エッチングによりパーマロイ層をパターニングした。その後、基板割れを目視で観察して歩留まりを確認した。

（個片化工程における欠けの確認）
上述のパターニング後の基板をダイシングソーで１．６ｍｍ×０．８ｍｍに個片化した。その後金属顕微鏡で欠けの有無を確認した。

なお、比較例１では、焼成時にクラックが多数生じて基板の製造ができなかった。

１…薄膜インダクタ、１０…フェライト基板、２２…コイル。

Claims (5)

1. Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜４９．５ｍｏｌ％の酸化鉄、ＺｎＯに換算して１９ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％未満の酸化亜鉛、ＣｕＯに換算して０〜１．０ｍｏｌ％の酸化銅、及び、残部の酸化ニッケルからなる主成分と、前記主成分の１００質量部に対して、ＴｉＯ_２に換算して０．５〜２重量部の酸化チタン、及び、ＣｏＯに換算して０．３５〜２重量部の酸化コバルトを含み、平均結晶粒子径が６μｍ以上である、フェライト。
2. 平均結晶粒子径が６〜１２μｍである、請求項１記載のフェライト。
3. 熱伝導率が６〜１２Ｗ／ｍＫである、請求項１又は２記載のフェライト。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のフェライトからなる基板。
5. 請求項４に記載の基板と、前記基板上に設けられたコイルと、を備えるインダクタ。

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