JP4281858B2 - Magnetic film - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性膜に関し、特に通信機器などの動作時に発生する不要電磁波を吸収するための磁性膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電磁環境の悪化に伴い、高性能な電磁波吸収材料が要望されている。また、高周波を扱う電子機器の発達に伴い、高周波回路基板に搭載されるインダクタ、トランスあるいは磁気ヘッドといった各種磁気デバイス分野においても、高性能な電磁波吸収材料が要望されている。
【0003】
このような電磁波吸収材料としては、高い透磁率を有する軟磁性材料を用いることができる。この軟磁性材料には、(1)飽和磁化が大きいこと、(2)結晶磁気異方性定数Kおよび磁歪λが小さく、異方性分散が小さいこと、(3)電気抵抗が高いこと、などの特性が要求される。
【0004】
これらの条件を満たす電磁波吸収材料を得るため、特開平8−250330号公報、特開平10−270246号公報、特開平10−241938号公報では、ナノグラニュラー構造を有する磁性膜が提案されている。これは、金属軟磁性体の結晶粒径を1nm〜10nm程度とし、この粒子同士を電気的に絶縁するため、粒界に非磁性体であるアルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)といった高電気抵抗相を析出させる。これにより、磁性膜として、高透磁率かつ高電気抵抗を達成するものである。
【0005】
しかしながら、これら既存のナノグラニュラー構造の磁性膜は、主相が金属軟磁性体で、粒界が非磁性相であるため、粒界の非磁性相が、磁性膜としての磁気特性を低下させていた。また、この磁性膜の電気抵抗は通常の金属軟磁性体より1桁高い値をとるが、主相が金属軟磁性体であるため、基本的に電気抵抗は低い。
【0006】
一般に、電気抵抗の小さい金属軟磁性材料は、1MHz以上の高周波数帯域になると、渦電流損失が大きくなり、その使用が困難になる。そのため、従来の金属軟磁性体を含んだ磁性膜を高周波数帯域で使用する場合には、高電気抵抗化を目的として、例えば、軟磁性体であるFeにSiやAlを添加したり、電気抵抗の高いアモルファス磁性体を使用したりするなどしていた。しかし、それでもなお、高周波数帯域では、所望の電気抵抗が得られず、これらの磁性材料に代わり、軟磁性かつ高電気抵抗の酸化物磁性体であるフェライトが専ら利用されてきた。例えばNiZnフェライトの電気抵抗率は1010Ω・cmにもなり、金属の電気抵抗率が10-6Ω・cm程度であることを考えると、その電気抵抗はきわめて大きく、高周波数帯域における渦電流損失の発生が少なくなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年は携帯電話が爆発的に普及し、同時に人体への電磁波の局所入力(Specific Absorption Rate,SAR)が懸念されている。これを防ぐ方法としては、特開平2001−339496号公報、特開平2001−352382号公報から特開平2001−352388号公報まで、および特開平2001−320457号公報などで提案されている。この方法は、軟磁性体を樹脂に分散させたシート状の部品を携帯電話のホットスポット(SARが最大になるポイント)近傍に配置するものである。これにより、ホットスポット近傍の磁界分布を強制的に変化させ、人体への磁束の侵入が抑制される。これに用いられる軟磁性体には、透磁率が高いことが要求される。また、磁気損失によってエネルギを損失させるためにも、軟磁性体には高い透磁率が必要とされる。このような軟磁性体にフェライトを用いる場合には、電気抵抗は高いものの、目的の透磁率を実現することは難しいという問題点があった。
【0008】
また、高周波回路基板にあっては、CPUクロック信号が2GHzを超え、これに伴うノイズはさらに高い周波数である。このノイズの除去に対しては、従来、フェライトビーズが広く用いられている。フェライトビーズは、高周波数帯域でインピーダンス(主に抵抗成分)が高くなり、発生したノイズを熱変換して除去する。しかし、GHz帯域という高周波数帯域では、そのインピーダンスが不足し、ノイズを充分に除去することはできなかった。そのため、フェライトの更なる高透磁率化が求められていた。
【0009】
マイクロ磁気デバイスの分野では、特に高周波数帯域で高い電気抵抗を有し、かつ、透磁率の高い軟磁性材料が求められていた。高電気抵抗という点からすれば、フェライトは酸化物であるため理想的であるが、金属系材料に比べて透磁率が低いという欠点があった。
【0010】
通信の分野では、携帯電話(800MHz,900MHz,1.5GHz,2GHz)、Bluetooth(2.45GHz)、無線LAN(5GHz)、GPS(1.5GHz)など、ますます高周波数化が進んでいる。この帯域では、電波干渉を防ぐためのインピーダンス整合型電波吸収体をスピネル型フェライトで形成すると、スネークの限界により透磁率が低下してしまう。そのため、インピーダンス整合型電波吸収体の厚さを非常に厚くしなければならなくなるという欠点があった。
【0011】
スネークの限界を超えるとされている六方晶フェライトは、特許2717815号公報および特開平9−110432号公報に開示されているが、やはり透磁率が低いため、その分、電波吸収体の厚さは厚くなる。六方晶フェライトの中でも特開平10−162675号公報、電子情報通信学会総合大会,B−4−65,p350(1998)、特開平11−354972号公報で開示されているM型フェライトは、高周波数帯域でのインピーダンス整合型電波吸収体として応用が試みられているが、透磁率はμ”=5程度と低い。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高周波数帯域における使用環境下にあっても高い電磁波吸収能を有する高透磁率かつ高電気抵抗の磁性膜を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電磁波吸収能を有する磁性膜において、複数種の酸化物磁性体のそれぞれの結晶粒からなる第1の磁性相と、前記第1の磁性相の周囲に前記複数種の酸化物磁性体で形成された粒界である第2の磁性相と、からなるナノグラニュラー構造を有し、前記第1の磁性相における前記複数種の酸化物磁性体の組成比と前記第2の磁性相における前記複数種の酸化物磁性体の組成比とが等しいことを特徴とする磁性膜が提供される。
【0014】
このような磁性膜では、結晶粒である第1の磁性相およびその粒界である第2の磁性相がともに、例えばフェライトなど複数種の酸化物磁性体で形成される。すなわち、磁性膜を構成する相が、すべて電気抵抗の高い酸化物磁性体で形成される。これにより、従来のように金属磁性体を含む場合に比べ、より高電気抵抗化が図られるようになるとともに、高い透磁率を得ることが可能になる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図2は磁性膜形成装置の概略模式図である。
【0016】
本発明の磁性膜の形成には、形成する磁性膜の原料となる微粒子粉末をエアロゾル化して基板などの被成膜物に衝突させ、厚膜を形成するエアロゾル・デポジション(AD)法を用いる。このAD法では、目的とする磁性膜の組成に等しい割合で混合した原料粉末をエアロゾル化して被成膜物に噴射することで、所望の組成および膜厚の磁性膜を効率的に形成することができる。
【0017】
このAD法を行うための磁性膜形成装置10は、ミキサ11、チャンバ12、ロータリーポンプ13を有している。
ミキサ11には、原料粉末14が仕込まれるようになっていて、ミキサ11の振動により、中に仕込まれた原料粉末14が混合されるようになっている。これにより、原料粉末14を均一に混合し、その粒度分布の偏りをなくすことができる。
【0018】
チャンバ12には、その内部に、ミキサ11に接続されたノズル15が配置され、このノズル15の先端から原料粉末14がエアロゾル化されて噴射されるようになっている。ノズル15の先端側には、マスク16を装着した基板20が配置されるようになっている。ノズル15先端から原料粉末14が噴射されると、原料粉末14の粒子14aが基板20表面に積層し、膜が形成されていく。
【0019】
ロータリーポンプ13は、チャンバ12内の圧力調整に用いられる。ここでは、チャンバ12内の圧力を、10-2Torrに設定する。
また、磁性膜の形成は、室温から温度200℃程度の低温下で行うことができ、さらに、基板20への磁性膜形成後には、従来スパッタ法で最適組織を発現させる目的で行う熱処理は行わない。
【0020】
AD法によりナノグラニュラー状の磁性膜を形成する際には、主相である結晶粒および結晶粒同士の境界である粒界を構成する粉末を原料粉末14としてミキサ11内に仕込み、ノズル15からエアロゾル化して基板20に噴射する。
【0021】
ここで形成される磁性膜の結晶粒と粒界との組成比は、磁性膜形成前にミキサ11に仕込む原料粉末14の混合割合にほぼ一致するようになる。これに対し、従来のスパッタ法では、形成する磁性膜の組成は、用いるターゲット(FeとAl2O3など)の面積割合で組成比を決定し、かつ、熱処理によって最適組織を発現させる必要があり、その制御が困難であった。この点で、磁性膜の形成にAD法を用いると、形成できる磁性膜の組成の自由度を格段に向上させることができる。
【0022】
さらに、AD法によれば、熱処理を行わないため、熱により原料粉末14の結晶構造を変化させることがなく、目的の結晶構造組織を有する磁性膜を形成することができる。また、従来のスパッタ法のように、ターゲットを必要としないため、磁性膜を安価に形成することができる。
【0023】
また、このAD法は、成膜速度が速く、原料粉末14の噴射時間を調整することにより、任意の膜厚で磁性膜を形成することができる。さらに、被成膜物への膜付きが良好で、かつ、強固に付着させることができる。したがって、種々の材質の被成膜物(基板、筐体、部品など)に対し、それぞれに適当な膜厚の磁性膜を、所望の組成で形成することができる。
【0024】
ここで、磁性膜の形成方法を具体例を挙げて説明する。
まず、原料粉末14として、Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉末(平均粒径200nm)を70g、Mn0.4Zn0.6Fe2O4粉末(平均粒径200nm)を30g、総量100となるように秤量して混合する。そして、これらの原料粉末14を、ミキサ11に投入し、ミキサ11および原料粉末14に振動を与える。チャンバ12は、ロータリーポンプ13により、10-2Torrまで減圧する。次いで、チャンバ12内に、マスク16を装着した基板20であるSiO2基板をセットする。その後、室温にて、ノズル15を開放すると、チャンバ12内部とミキサ11との圧力差により原料粉末14がノズル15よりエアロゾル化して噴射される。形成する磁性膜の膜厚は、このときの噴射時間により調整する。
【0025】
図1は磁性膜組織の一部の模式図である。
上記AD法で、Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉末およびMn0.4Zn0.6Fe2O4粉末の2種を用いて形成した磁性膜30は、NiZnフェライト31およびMnZnフェライト32を第1の酸化物磁性体とする結晶粒を、第1の磁性相として有する。さらに、磁性膜30は、NiZn/MnZnフェライト33を第2の酸化物磁性体とする薄い粒界を、第2の磁性相として有する。第1の磁性相および第2の磁性相は、ともにフェライト材料で形成され、磁性膜30は、ナノグラニュラー構造になっている。
【0026】
この磁性膜30の形成において、結晶粒ひとつひとつの径は、1nmから50nm程度、望ましくは2nmから20nm程度であることが、軟磁性を発現させるために必要である。結晶粒が小さすぎると超常磁性的な挙動を示すため軟磁性が低下し、結晶粒が大きすぎるとフェライト結晶としての特性が強くなるため好ましくない。高透磁率を実現するためには、ナノグラニュラー構造により磁気的に粒子が結合し、かつ微結晶であるために結晶磁気異方性が小さく、さらに、磁気モーメントが熱揺らぎにより小さくならないようにする必要がある。そのため、磁性膜30の結晶粒径は2nmから20nm程度であることが好ましい。
【0027】
なお、結晶粒径は、原料として用いる粉末の粒径に大きく依存する。したがって、磁性膜30を形成する際には、原料となる粉末の粒径をコントロールすることで、結晶粒径を上記のようなナノレベルでコントロールすることが可能になる。
【0028】
図3および図4に、上記磁性膜30についての特性評価の結果を示す。なお、ここでは、成膜速度約5μm/minで10分間成膜した膜厚50μmの磁性膜30について特性評価を行った。このとき、試料サイズは、5mm×8mmとした。
【0029】
図3は磁気特性測定結果を示す図である。図3では、横軸は磁界(Oe)、縦軸は磁化の大きさ(kG)をそれぞれ表している。
AD法を用いて形成した磁性膜30の磁気特性は、理研電子製のVSM(Vibrating sample magnetometer,BHV35)により測定した。
【0030】
測定の結果、磁性膜30の飽和磁化は3.7kG、保持力は0.01Oeであった。この飽和磁化の値は、NiZnフェライト31,MnZnフェライト32がそれぞれ67vol%,33vol%含まれている値に等しい。また、保持力の値は、MnZnフェライト単体の約10分の1程度の値である。したがって、磁性膜30は、優れた軟磁気特性を示すということができる。
【0031】
図4は透磁率測定結果を示す図である。図4では、横軸は周波数(GHz)、縦軸は透磁率(μ’,μ”)を表している。
磁性膜30の透磁率測定は、凌和電子製の薄膜透磁率測定装置(PMF3000)により、3GHzまでの周波数帯域で測定した。
【0032】
透磁率μ”の最大値は周波数4GHzにおいて70を超え、μ’についてもその最大値は70を超えており、磁性膜30は、高周波数帯域で優れた軟磁気特性を示すということができる。
【0033】
また、この磁性膜30の電気抵抗は約104Ωで、NiZnフェライト単体に匹敵する非常に高い値を示した。このように、結晶粒がNiZnフェライト31およびMnZnフェライト32、粒界がNiZn/MnZnフェライト33である磁性膜30は、高周波特性に非常に優れているといえる。
【0034】
なお、上記の例では、原料粉末14として、Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉末およびMn0.4Zn0.6Fe2O4粉末の2種類のフェライト粉末を用いた場合について述べたが、1種類のフェライト粉末により磁性膜を形成することもできる。
【0035】
図5はNiZnフェライト粉末を用いて形成した磁性膜組織の模式図である。
磁性膜30aは、結晶粒およびその粒界をともにNiZnフェライト31a,32aとするナノグラニュラー状に形成される。この磁性膜30aにおいても、前述したように、結晶粒径は、1nmから50nm程度で、2nmから20nm程度であることが好ましい。このような構成によっても、良好な高周波特性が発現される。
【0036】
上記の例に示したように、磁性膜は、第1の磁性相が酸化物磁性体の結晶粒で、第2の磁性相が酸化物磁性体の粒界であるナノグラニュラー構造になっている。第1の磁性相および第2の磁性相を形成するための酸化物磁性体材料には、高電気抵抗のフェライトであって、特に、MHzからGHzの高周波数帯域で高い透磁率を有しているものが好適に用いられる。すなわち、結晶磁気異方性および磁歪が小さく、かつ、飽和磁化が高いことが望まれる。このようなフェライト材料としては、スピネル系磁性酸化物MeFe2O4(Meは2価の金属イオン)、または六方晶系磁性酸化物(BaFe12O19,SrFe12O19,Ba2Me2Fe22O22,BaMe2Fe16O27若しくはBa3Me2Fe24O41、Meは2価の金属イオン)が好適に用いられる。
【0037】
ここで、MeFe2O4においては、Me=Niとしたもののほか、上記の例に示したようなNixZn1-xのように複合して置換したスピネル型フェライトとした方が、透磁率が高くなるのでより好ましい。
【0038】
また、MeFe2O4は、MeO・Fe2O3で表されるように金属酸化物と酸化鉄の化合物であるが、Fe2+イオンの発生を抑えるため、その組成を、MeO:Fe2O3=51:49あるいはMeO:Fe2O3=52:48のように制御することもできる。
【0039】
また、六方晶系磁性酸化物としては、MeO・6Fe2O3(あるいはMeFe12O19)の構造をとるM型フェライト(Me=Ba,Sr,Pb)、Ba2Me2Fe12O19の構造をとるY型フェライト(Me=Mg2+,Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+)、BaMe2Fe16O27の構造をとるW型フェライト(Me=Mg2+,Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+)、およびBa3Me2Fe24O41の構造をとるZ型フェライト(Me=Mg2+,Mn2+,Fe2+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+)などを用いることができる。
【0040】
これらのうち、W,Z,Y型フェライトについては、Ba2+イオンの代わりにSr2+イオンを用いても、同様の結晶構造で、磁気特性もほぼ同等である。さらにM,W型フェライトについては、特開平11−354972号公報に開示されているように、Fe3+イオンを、例えばTi4+Mn2+あるいはZr4+Zn2+のように複合置換することで共鳴周波数を変化させて高周波数帯域での透磁率低下を抑えることが可能である。さらに、共鳴周波数を変化させて望ましい周波数特性を得るためには、原料粉末としてBaFe10Sn1.5Ni0.5O19組成の六方晶フェライトを用いることもできる。
【0041】
これらのフェライト材料を1種類または2種類以上選択し、その粉末を用いたAD法により、結晶粒および粒界がともにフェライトで構成された磁性膜を形成することができる。すなわち、複数種のフェライト結晶粒あるいは複数種のフェライトが混じり合った状態の粒界を有した磁性膜であっても形成することが可能である。
【0042】
以下に、磁性膜を種々のアプリケーションに適用する場合について例示する。
磁性膜の膜厚は、アプリケーションにより若干の相違があり、チップビーズでは、部品の大きさが、いわゆる1608(1.6mm×0.8mm×0.8mm)タイプ、1005(1.0mm×0.5mm×0.5mm)タイプ、0603(0.6mm×0.3mm×0,3mm)と小型化してきているため、その商品の規格に合わせた膜厚で、磁性膜を形成することが好ましい。近年では、膜厚500μm以下の材料を利用することが多くなってきており、本発明の磁性膜は、これより薄い膜厚でかつ優れた高周波特性を発現する。
【0043】
また、インダクタおよびトランスは、マイクロ磁気デバイスとして用いる場合には、数μmの膜厚が好適である。
このように、本発明の磁性膜を用いることにより、ビーズ、インダクタおよびトランスを、高周波特性良く、小型に形成することができる。
【0044】
次に、インピーダンス整合型電波吸収体として用いる場合について述べる。この場合には、例えば図4に示したような最大70程度という高い透磁率μ’,μ”を発現させることができるので、インピーダンス整合型電波吸収体を薄型化することができる。
【0045】
図6はインピーダンス整合型電波吸収体の厚み設計曲線を示す図であって、(a)は厚みを150μmとした場合、(b)は厚みを200μmとした場合について、それぞれ示している。図6では、横軸に周波数(GHz)を表し、縦軸に透磁率(μ’,μ”)を表している。
【0046】
図6(a),(b)より、例えば5GHzでμ=30−45jを得ることが可能であり、インピーダンス整合型電波吸収体を、厚み150μm〜200μm程度で形成することができる。したがって、従来に比べて、より厚さの薄いインピーダンス整合型電波吸収体を形成することができる。
【0047】
次に、電子機器筐体に用いる場合について述べる。電子機器筐体は、通常のプラスチック成型品であれば1mm程度の厚みがあり、最薄部では0.5mm程度になっている。このような筐体内面に磁性膜を形成し、電磁干渉などを抑える。このとき、プラスチック成型品の肉厚と磁性膜の膜厚との和は、筐体内部の部品配置スペースの確保あるいは電子機器の小型化の点から、できるだけ薄くなるようにすることが望ましい。
【0048】
筐体内側に通常用いられる電磁波吸収シートの場合、その厚さ(d)は0.5mm程度であり、μ”=5程度である。ここで、電磁波吸収特性(電磁波吸収エネルギ)を、簡単のためμ”×dで評価すれば、電磁波吸収シートの場合、μ”×d=2.5となる。一方、本発明の磁性膜では、μ”=50程度発現させることも可能であり、この場合、筐体内面に形成する厚さdを電磁波吸収シートの10分の1である50μm程度まで薄くしても、μ”×d=2.5であり、性能低下はない。したがって、筐体内面に磁性膜を薄く形成することができ、部品配置スペースの確保、電子機器の小型化が可能になる。
【0049】
次に、高周波回路基板に用いる場合について述べる。高周波回路基板では、発生するノーマルモード・ノイズやコモンモード・ノイズのうち、高周波ノイズの発生源であるコモンモード・ノイズの発生を抑制するために、本発明の磁性膜を用いることができる。
【0050】
図7は高周波回路基板の断面模式図である。
高周波回路基板40は、配線層41a,41b,41cがそれぞれ形成されたガラスエポキシ基板42a,42b,42cを有し、ガラスエポキシ基板42b,42c間に、磁性膜44を挟んだ電源層45およびグランド層46が形成されている。各配線層41a,41b,41c同士は、ガラスエポキシ基板42a,42b,42cおよび磁性膜44に形成された複数のビアホール43で電気的に接続されている。そして、配線層41a,41c上に、ICや各種デバイスなどの電子部品47が実装されている。
【0051】
この高周波回路基板40においては、これを構成している層のうちの一層に磁性膜44を用いている。磁性膜44は、透磁率の周波数依存性がMHz〜GHz帯域でμ”が高くなるため、磁性膜44を高周波回路基板40の電源層45とグランド層46との間に形成することにより、そのインピーダンスが高くなる。したがって、グランド層46を介するようなコモンモード・ノイズを効果的に低減することができる。
【0052】
通常、高周波回路基板40の厚さは、50μmから70μmであり、磁性膜44は、これを構成する一層として容易に形成可能である。したがって、従来用いられているような不要輻射対策部品が不要になる。
【0053】
なお、ここでは、電源層45とグランド層46との間に磁性膜44を形成した構造を示したが、ノイズ駆動源であるICなどの電子部品47と配線層41a,41cとの間に磁性膜44を形成することもできる。これにより、電子部品47で発生したノイズが、配線層41a,41cにカップリングするのを防ぐことができるようになる。
【0054】
次に、携帯電話のSAR抑制体として用いる場合について述べる。
図8は携帯電話におけるSAR抑制方法を説明する図であって、(a)はホルダに磁性膜を形成した場合、(b)は高周波ブロックシールド部に磁性膜を形成した場合、(c)は基板上に磁性膜を形成した場合の携帯電話の側面図である。
【0055】
携帯電話50は、筐体51と、携帯電話50の操作面側に取り付けられた表示パネル52、キー操作部53を有し、表示パネル52の背面側には、ホルダ54が設けられている。筐体51内部には、メイン基板55が配置され、ICや各種デバイスなどの電子部品56が実装されている。さらに、操作面側には、スピーカ57およびマイク58が設けられている。また、携帯電話50の背面側には、バッテリ59および高周波ブロックシールド部60が設けられ、携帯電話50上部にアンテナ61が設けられている。
【0056】
このような携帯電話50において、磁性膜を、図8(a)に示したようにホルダ54表面に形成したり、あるいは、図8(b)に示したように、高周波ブロックシールド部60表面に形成したりすることができる。さらに、図8(c)に示したように、メイン基板55に実装された特定の電子部品56に対して形成することもできる。また、携帯電話50の筐体51の内面に磁性膜を形成してSARを抑制することも可能である。
【0057】
このように、携帯電話50の内部に磁性膜を形成することにより、携帯電話50内部から放射される電磁波が低減され、また、外部からの電磁波の侵入も抑制される。したがって、スペースをとらずにSARを抑制することができるようになる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、磁性膜の結晶粒である第1の磁性相およびその粒界である第2の磁性相を、ともに酸化物磁性体で形成する構成にした。磁性膜が電気抵抗の高い酸化物磁性体で形成されることにより、透磁率が高く、良好な高周波特性の磁性膜を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁性膜組織の一部の模式図である。
【図2】磁性膜形成装置の概略模式図である。
【図3】磁気特性測定結果を示す図である。
【図4】透磁率測定結果を示す図である。
【図5】NiZnフェライト粉末を用いて形成した磁性膜組織の模式図である。
【図6】インピーダンス整合型電波吸収体の厚み設計曲線を示す図であって、(a)は厚みを150μmとした場合、(b)は厚みを200μmとした場合について、それぞれ示している。
【図7】高周波回路基板の断面模式図である。
【図8】携帯電話におけるSAR抑制方法を説明する図であって、(a)はホルダに磁性膜を形成した場合、(b)は高周波ブロックシールド部に磁性膜を形成した場合、(c)は基板上に磁性膜を形成した場合の携帯電話の側面図である。
【符号の説明】
10……磁性膜形成装置、11……ミキサ、12……チャンバ、13……ロータリーポンプ、14……原料粉末、14a……粒子、15……ノズル、16……マスク、20……基板、30,30a……磁性膜、31,31a,32a……NiZnフェライト、32……MnZnフェライト、33……NiZn/MnZnフェライト、40……高周波回路基板、41a,41b,41c……配線層、42a,42b,42c……ガラスエポキシ基板、43……ビアホール、44……磁性膜、45……電源層、46……グランド層、47……電子部品、50……携帯電話、51……筐体、52……表示パネル、53……キー操作部、54……ホルダ、55……メイン基板、56……電子部品、57……スピーカ、58……マイク、59……バッテリ、60……高周波ブロックシールド部、61……アンテナ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic film, and more particularly to a magnetic film for absorbing unnecessary electromagnetic waves generated during operation of a communication device or the like.
[0002]
[Prior art]
With the recent deterioration of the electromagnetic environment, a high-performance electromagnetic wave absorbing material is desired. In addition, with the development of high frequency electronic equipment, high performance electromagnetic wave absorbing materials are also demanded in various magnetic device fields such as inductors, transformers and magnetic heads mounted on high frequency circuit boards.
[0003]
As such an electromagnetic wave absorbing material, a soft magnetic material having a high magnetic permeability can be used. This soft magnetic material has (1) a large saturation magnetization, (2) a small magnetocrystalline anisotropy constant K and magnetostriction λ, a small anisotropic dispersion, and (3) a high electric resistance. Characteristics are required.
[0004]
In order to obtain an electromagnetic wave absorbing material that satisfies these conditions, JP-A-8-250330, JP-A-10-270246, and JP-A-10-241938 propose magnetic films having a nanogranular structure. This is because the crystal grain size of the metal soft magnetic material is about 1 nm to 10 nm, and the particles are electrically insulated from each other, so that alumina (Al 2 O Three ) And silica (SiO 2 ) Is deposited. As a result, the magnetic film achieves high magnetic permeability and high electrical resistance.
[0005]
However, these existing magnetic films with a nano-granular structure have a metal soft magnetic material as the main phase and a non-magnetic phase at the grain boundary, so the non-magnetic phase at the grain boundary has deteriorated the magnetic properties of the magnetic film. . Further, the electric resistance of this magnetic film is an order of magnitude higher than that of a normal metal soft magnetic material, but the electric resistance is basically low because the main phase is a metal soft magnetic material.
[0006]
In general, when a metal soft magnetic material having a low electric resistance is used in a high frequency band of 1 MHz or more, eddy current loss increases and its use becomes difficult. Therefore, when a magnetic film containing a conventional metal soft magnetic material is used in a high frequency band, for example, Si or Al is added to Fe, which is a soft magnetic material, For example, an amorphous magnetic material with high resistance was used. However, in the high frequency band, a desired electric resistance cannot be obtained, and instead of these magnetic materials, ferrite, which is a soft magnetic and high electric resistance oxide magnetic body, has been used exclusively. For example, the electrical resistivity of NiZn ferrite is 10 Ten Ω · cm, metal electrical resistivity is 10 -6 Considering that it is about Ω · cm, the electrical resistance is extremely large, and the occurrence of eddy current loss in the high frequency band is reduced.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in recent years, mobile phones have exploded in popularity, and at the same time, there is a concern about local input of electromagnetic waves (Specific Absorption Rate, SAR) to the human body. Methods for preventing this have been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-339496, 2001-352382 to 2001-352388, and in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-320457. In this method, a sheet-like component in which a soft magnetic material is dispersed in a resin is arranged in the vicinity of a hot spot (point where SAR is maximized) of a mobile phone. Thereby, the magnetic field distribution in the vicinity of the hot spot is forcibly changed, and the penetration of the magnetic flux into the human body is suppressed. The soft magnetic material used for this is required to have a high magnetic permeability. Moreover, in order to lose energy by magnetic loss, a high magnetic permeability is required for the soft magnetic material. When ferrite is used for such a soft magnetic material, although electric resistance is high, there is a problem that it is difficult to achieve a desired magnetic permeability.
[0008]
In the high frequency circuit board, the CPU clock signal exceeds 2 GHz, and the noise accompanying this is a higher frequency. Conventionally, ferrite beads have been widely used to remove this noise. Ferrite beads have high impedance (mainly resistance components) in a high frequency band, and the generated noise is removed by heat conversion. However, in the high frequency band such as the GHz band, the impedance is insufficient, and noise cannot be sufficiently removed. Therefore, further increase in magnetic permeability of ferrite has been demanded.
[0009]
In the field of micro magnetic devices, there has been a demand for soft magnetic materials having high electrical resistance and high magnetic permeability, particularly in a high frequency band. From the viewpoint of high electrical resistance, ferrite is ideal because it is an oxide, but it has the disadvantage of low magnetic permeability compared to metallic materials.
[0010]
In the field of communications, higher frequencies are being developed for mobile phones (800 MHz, 900 MHz, 1.5 GHz, 2 GHz), Bluetooth (2.45 GHz), wireless LAN (5 GHz), GPS (1.5 GHz), and the like. In this band, if the impedance matching type radio wave absorber for preventing radio wave interference is formed of spinel ferrite, the magnetic permeability is lowered due to the limit of the snake. Therefore, there has been a drawback that the thickness of the impedance matching type radio wave absorber has to be made very thick.
[0011]
Hexagonal ferrite, which is said to exceed the snake limit, is disclosed in Japanese Patent No. 2717815 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-110432. However, since the magnetic permeability is also low, the thickness of the radio wave absorber is accordingly reduced. Become thicker. Among hexagonal ferrites, the M-type ferrite disclosed in JP-A-10-162675, the IEICE General Conference, B-4-65, p350 (1998), and JP-A-11-354972 is a high-frequency ferrite. Application has been attempted as an impedance matching type electromagnetic wave absorber in a band, but the magnetic permeability is as low as about μ ″ = 5.
[0012]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a magnetic film with high magnetic permeability and high electrical resistance that has high electromagnetic wave absorption ability even under a use environment in a high frequency band. To do.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in the magnetic film having electromagnetic wave absorbing ability, the first magnetic phase composed of the crystal grains of the plurality of types of oxide magnetic materials and the plurality of types of oxidation around the first magnetic phase. And a second magnetic phase that is a grain boundary formed of a magnetic material. It has a nanogranular structure, and the composition ratio of the plurality of types of oxide magnetic materials in the first magnetic phase is equal to the composition ratio of the plurality of types of oxide magnetic materials in the second magnetic phase. A magnetic film is provided.
[0014]
In such a magnetic film, the first magnetic phase that is a crystal grain and the second magnetic phase that is the grain boundary both have a ferrite, for example. Multiple species It is made of an oxide magnetic material. That is, the phases constituting the magnetic film are all formed of an oxide magnetic material having a high electrical resistance. Thereby, compared with the case where a metal magnetic body is included conventionally, higher electrical resistance can be achieved, and high magnetic permeability can be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic diagram of a magnetic film forming apparatus.
[0016]
For the formation of the magnetic film of the present invention, an aerosol deposition (AD) method is used in which the fine particle powder, which is a raw material of the magnetic film to be formed, is aerosolized and collides with a deposition object such as a substrate to form a thick film. . In this AD method, the raw material powder mixed at a ratio equal to the composition of the target magnetic film is aerosolized and sprayed onto the film formation object, thereby efficiently forming a magnetic film having a desired composition and film thickness. Can do.
[0017]
A magnetic
The
[0018]
Inside the
[0019]
The
In addition, the magnetic film can be formed at a low temperature of room temperature to about 200 ° C. Further, after the magnetic film is formed on the
[0020]
When forming a nano-granular magnetic film by the AD method, the powder constituting the crystal grain as the main phase and the grain boundary as the boundary between the crystal grains is charged into the
[0021]
The composition ratio between the crystal grains and the grain boundaries of the magnetic film formed here substantially coincides with the mixing ratio of the
[0022]
Furthermore, according to the AD method, since no heat treatment is performed, the crystal structure of the
[0023]
Further, this AD method has a high film forming speed, and can adjust the spraying time of the
[0024]
Here, a method for forming the magnetic film will be described with a specific example.
First, as the
[0025]
FIG. 1 is a schematic diagram of a part of a magnetic film structure.
In the above AD method, Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O Four Powder and Mn 0.4 Zn 0.6 Fe 2 O Four The
[0026]
In the formation of the
[0027]
Note that the crystal grain size greatly depends on the particle size of the powder used as a raw material. Therefore, when the
[0028]
FIG. 3 and FIG. 4 show the result of the characteristic evaluation for the
[0029]
FIG. 3 is a diagram showing the measurement results of magnetic characteristics. In FIG. 3, the horizontal axis represents the magnetic field (Oe), and the vertical axis represents the magnitude of magnetization (kG).
The magnetic properties of the
[0030]
As a result of the measurement, the saturation magnetization of the
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing the results of permeability measurement. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency (GHz), and the vertical axis represents magnetic permeability (μ ′, μ ″).
The magnetic permeability of the
[0032]
The maximum value of the magnetic permeability μ ″ exceeds 70 at a frequency of 4 GHz, and the maximum value of μ ′ also exceeds 70. It can be said that the
[0033]
The electric resistance of the
[0034]
In the above example, the
[0035]
FIG. 5 is a schematic view of a magnetic film structure formed using NiZn ferrite powder.
The
[0036]
As shown in the above example, the magnetic film has a nanogranular structure in which the first magnetic phase is a crystal grain of an oxide magnetic material and the second magnetic phase is a grain boundary of the oxide magnetic material. The oxide magnetic material for forming the first magnetic phase and the second magnetic phase is a high electrical resistance ferrite, and particularly has a high magnetic permeability in a high frequency band from MHz to GHz. Are preferably used. That is, it is desired that the magnetocrystalline anisotropy and magnetostriction are small and the saturation magnetization is high. As such a ferrite material, spinel magnetic oxide MeFe 2 O Four (Me is a divalent metal ion) or hexagonal magnetic oxide (BaFe 12 O 19 , SrFe 12 O 19 , Ba 2 Me 2 Fe twenty two O twenty two , BaMe 2 Fe 16 O 27 Or Ba Three Me 2 Fe twenty four O 41 , Me is preferably a divalent metal ion).
[0037]
Where MeFe 2 O Four In addition to Me = Ni, Ni as shown in the above example x Zn 1-x It is more preferable to use a composite and substituted spinel type ferrite as described above because the magnetic permeability increases.
[0038]
MeFe 2 O Four Is MeO · Fe 2 O Three It is a compound of metal oxide and iron oxide as represented by Fe 2+ In order to suppress the generation of ions, the composition was changed to MeO: Fe 2 O Three = 51: 49 or MeO: Fe 2 O Three = 52: 48 can also be controlled.
[0039]
As the hexagonal magnetic oxide, MeO.6Fe 2 O Three (Or MeFe 12 O 19 ) Type M ferrite (Me = Ba, Sr, Pb), Ba 2 Me 2 Fe 12 O 19 Y-type ferrite (Me = Mg) 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ ), BaMe 2 Fe 16 O 27 W-type ferrite (Me = Mg) 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ ), And Ba Three Me 2 Fe twenty four O 41 Z-type ferrite (Me = Mg) 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ ) Etc. can be used.
[0040]
Among these, Ba, Z, and Y type ferrites are Ba. 2+ Sr instead of ions 2+ Even if ions are used, they have the same crystal structure and substantially the same magnetic characteristics. Further, regarding M and W type ferrite, as disclosed in JP-A-11-354972, Fe 3+ Ions, for example Ti 4+ Mn 2+ Or Zr 4+ Zn 2+ By performing the composite replacement as described above, it is possible to change the resonance frequency and suppress the decrease in the permeability in the high frequency band. Furthermore, in order to obtain a desired frequency characteristic by changing the resonance frequency, as a raw material powder, BaFe Ten Sn 1.5 Ni 0.5 O 19 A hexagonal ferrite having a composition can also be used.
[0041]
One or two or more of these ferrite materials are selected, and a magnetic film in which both crystal grains and grain boundaries are composed of ferrite can be formed by an AD method using the powder. That is, even a magnetic film having a grain boundary in a state where a plurality of types of ferrite crystal grains or a plurality of types of ferrite are mixed can be formed.
[0042]
Examples of applying the magnetic film to various applications will be described below.
The film thickness of the magnetic film varies slightly depending on the application. In the case of chip beads, the component size is a so-called 1608 (1.6 mm × 0.8 mm × 0.8 mm) type, 1005 (1.0 mm × 0.00 mm). 5mm × 0.5mm) type and 0603 (0.6mm × 0.3mm × 0, 3mm) have been miniaturized, and it is preferable to form a magnetic film with a film thickness that matches the standard of the product. In recent years, a material having a film thickness of 500 μm or less has been increasingly used, and the magnetic film of the present invention has a thinner film thickness and exhibits excellent high frequency characteristics.
[0043]
In addition, when the inductor and the transformer are used as a micro magnetic device, a film thickness of several μm is preferable.
Thus, by using the magnetic film of the present invention, beads, inductors and transformers can be formed in a small size with good high frequency characteristics.
[0044]
Next, the case where it uses as an impedance matching type electromagnetic wave absorber is described. In this case, for example, a high magnetic permeability μ ′, μ ″ as shown in FIG. 4 of about 70 at the maximum can be expressed, so that the impedance matching type electromagnetic wave absorber can be thinned.
[0045]
6A and 6B are diagrams showing thickness design curves of the impedance matching type electromagnetic wave absorber, wherein FIG. 6A shows a case where the thickness is 150 μm, and FIG. 6B shows a case where the thickness is 200 μm. In FIG. 6, the horizontal axis represents frequency (GHz) and the vertical axis represents magnetic permeability (μ ′, μ ″).
[0046]
6 (a) and 6 (b), for example, μ = 30−45j can be obtained at 5 GHz, and the impedance matching type radio wave absorber can be formed with a thickness of about 150 μm to 200 μm. Therefore, it is possible to form an impedance matching type radio wave absorber having a thinner thickness than the conventional one.
[0047]
Next, the case where it uses for an electronic device housing | casing is described. The electronic device casing has a thickness of about 1 mm if it is a normal plastic molded product, and is about 0.5 mm in the thinnest part. A magnetic film is formed on the inner surface of such a case to suppress electromagnetic interference. At this time, it is desirable to make the sum of the thickness of the plastic molded product and the thickness of the magnetic film as thin as possible from the viewpoint of securing the component arrangement space inside the housing or miniaturizing the electronic device.
[0048]
In the case of the electromagnetic wave absorbing sheet normally used inside the casing, the thickness (d) is about 0.5 mm, and μ ″ = 5. Here, the electromagnetic wave absorption characteristic (electromagnetic wave absorption energy) is simplified. Therefore, if evaluated by μ ″ × d, in the case of the electromagnetic wave absorbing sheet, μ ″ × d = 2.5. On the other hand, in the magnetic film of the present invention, it is possible to express about μ ″ = 50. In this case, even if the thickness d formed on the inner surface of the casing is reduced to about 50 μm, which is one tenth of the electromagnetic wave absorbing sheet, μ ″ × d = 2.5 and there is no performance degradation. A magnetic film can be thinly formed on the surface, so that a space for arranging components can be secured and the electronic device can be downsized.
[0049]
Next, the case where it uses for a high frequency circuit board is described. In the high frequency circuit board, the magnetic film of the present invention can be used in order to suppress the generation of common mode noise, which is a source of high frequency noise, among normal mode noise and common mode noise.
[0050]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a high-frequency circuit board.
The high-
[0051]
In the high-
[0052]
Usually, the thickness of the high-
[0053]
Here, the structure in which the
[0054]
Next, the case where it uses as a SAR suppression body of a mobile telephone is described.
8A and 8B are diagrams for explaining a SAR suppression method in a mobile phone. FIG. 8A shows a case where a magnetic film is formed on the holder, FIG. 8B shows a case where a magnetic film is formed on the high-frequency block shield part, and FIG. It is a side view of a mobile phone when a magnetic film is formed on a substrate.
[0055]
The
[0056]
In such a
[0057]
Thus, by forming a magnetic film inside the
[0058]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the first magnetic phase that is the crystal grains of the magnetic film and the second magnetic phase that is the grain boundary are both formed of an oxide magnetic material. By forming the magnetic film from an oxide magnetic material having a high electric resistance, a magnetic film having high magnetic permeability and good high frequency characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a part of a magnetic film structure.
FIG. 2 is a schematic diagram of a magnetic film forming apparatus.
FIG. 3 is a diagram showing the measurement results of magnetic characteristics.
FIG. 4 is a diagram showing the results of magnetic permeability measurement.
FIG. 5 is a schematic diagram of a magnetic film structure formed using NiZn ferrite powder.
6A and 6B are diagrams showing thickness design curves of an impedance matching type electromagnetic wave absorber, wherein FIG. 6A shows a case where the thickness is 150 μm and FIG. 6B shows a case where the thickness is 200 μm.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a high-frequency circuit board.
8A and 8B are diagrams for explaining a SAR suppression method in a mobile phone, in which FIG. 8A shows a case where a magnetic film is formed on a holder, FIG. 8B shows a case where a magnetic film is formed on a high-frequency block shield part, and FIG. FIG. 3 is a side view of a mobile phone when a magnetic film is formed on a substrate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
複数種の酸化物磁性体のそれぞれの結晶粒からなる第1の磁性相と、
前記第1の磁性相の周囲に前記複数種の酸化物磁性体で形成された粒界である第2の磁性相と、
からなるナノグラニュラー構造を有し、
前記第1の磁性相における前記複数種の酸化物磁性体の組成比と前記第2の磁性相における前記複数種の酸化物磁性体の組成比とが等しいことを特徴とする磁性膜。In the magnetic film having electromagnetic wave absorbing ability,
A first magnetic phase comprising crystal grains of a plurality of types of oxide magnetic materials;
A second magnetic phase that is a grain boundary formed of the plurality of types of oxide magnetic bodies around the first magnetic phase;
Having a nano-granular structure consisting of
A magnetic film , wherein a composition ratio of the plurality of types of oxide magnetic materials in the first magnetic phase is equal to a composition ratio of the plurality of types of oxide magnetic materials in the second magnetic phase .
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