JP4552679B2

JP4552679B2 - 酸化物磁性材料及び積層型インダクタ

Info

Publication number: JP4552679B2
Application number: JP2005031420A
Authority: JP
Inventors: 卓也青木; 孝志鈴木; 篤人松川; 健作朝倉
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: JP2006219306A

Description

本発明は、積層型インダクタに好適に用いられる酸化物磁性材料及び積層型インダクタに関するものであり、特に直流重畳特性を向上させた酸化物磁性材料及び積層型インダクタに関する。

積層型インダクタは、体積が小さいこと、信頼性が高いことなどから、各種電気機器に用いられている。この積層型インダクタは、通常、酸化物磁性材料からなる磁性層用のペーストと内部電極用のペーストとを厚膜積層技術によって積層一体化した後、焼結し、得られた焼結体表面に外部電極用のペーストを印刷または転写した後に焼き付けて製造される。なお、磁性層用のペーストと内部電極用のペーストとを積層一体化した後に焼結することを同時焼結と呼んでいる。内部電極用の材料としてその低抵抗率からＡｇまたはＡｇ合金が用いられているため、磁性層を構成する酸化物磁性材料としては、同時焼結が可能、換言すればＡｇまたはＡｇ合金の融点以下の温度で焼結ができることが絶対条件となる。したがって、高密度、高特性の積層型インダクタを得るためには、ＡｇまたはＡｇ合金の融点以下の温度で酸化物磁性材料を焼結できるかが鍵となる。

積層型インダクタは、一般に閉磁路を形成するが、その内部電極（コイル導体）に直流電流を通電していくと、通電した電流値に従ってインダクタンスが低下してしまう。電子部品としては、大きな電流が流れてもインダクタンスが極力低下しないことが望ましい。そのため、積層型インダクタには、直流電流の通電に対するインダクタンスの変化率が小さいことが要求される。このように直流電流の通電に対するインダクタンスの変化率は、直流重畳特性と呼ばれている。

直流重畳特性が改善されたＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトが特許文献１（特開２００３−２７２９１２号公報）に開示されている。特許文献１は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトにＳｎＯ₂を０．２〜３ｗｔ％添加することにより、直流重畳特性を改善している。

特開２００３−２７２９１２号公報

本発明者等の検討によれば、ＳｎＯ₂を添加することにより直流重畳特性は向上するものの、焼結後の密度が低下して、初透磁率（μｉ）が低くなる傾向にある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、焼結密度の低下を招くことなく直流重畳特性を向上することのできる酸化物磁性材料及びこの酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタを提供することを目的とする。

Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトにおけるＦｅ₂Ｏ₃の化学量論組成は５０ｍｏｌ％であるが、実際に製造されるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトのＦｅ₂Ｏ₃量は４８〜５０ｍｏｌ％の範囲にある。例えば、前述の特許文献１に開示される実施例のＦｅ₂Ｏ₃量は、４５ｍｏｌ％という一部の例外を除いて、４８〜５０ｍｏｌ％の範囲にある。
本発明者らは、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトのＦｅ₂Ｏ₃量を一般的な範囲よりも低く設定するとともに、Ｍｎ₂Ｏ₃を所定量添加し、さらに焼結体の結晶粒径を制御することにより、上記目的を達成できることを確認した。すなわち本発明は、Ｆｅ₂Ｏ₃：４４〜４７ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１５〜２３ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分に対して、副成分としてＭｎ₂Ｏ₃を０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成を有し、平均結晶粒径が０．７〜１．２μｍである焼結体から構成されることを特徴とする酸化物磁性材料である。本発明の酸化物磁性材料は、焼結密度を低下させる要因となる組成物を添加することなく、基本的にはＦｅ₂Ｏ₃量の量を適正化し、さらに副成分としてＭｎ₂Ｏ₃を所定量添加することにより、直流重畳特性を向上することができる。
本発明の酸化物磁性材料において、焼結体は、Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４７．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１６〜２０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分を有することが好ましい。また本発明の酸化物磁性材料において、焼結体の平均結晶粒径は、０．８５〜１．１μｍであることが好ましい。

以上の本発明による酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタは、酸化物磁性層と内部電極とが交互に積層されるとともに、内部電極と電気的に接続された外部電極とを有し、酸化物磁性層は、Ｆｅ₂Ｏ₃：４４〜４７ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１５〜２３ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分に対して、副成分としてＭｎ₂Ｏ₃を０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成を有し、平均結晶粒径が０．７〜１．２μｍである焼結体から構成されることを特徴とする。

本発明によれば、焼結密度を低下させることなく直流重畳特性に優れた酸化物磁性材料及びこの酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタを提供する。

本発明における組成の限定理由を説明する。
本発明の酸化物磁性材料は、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｕＯ及びＺｎＯ、残部実質的にＮｉＯからなる主成分を有している。
Ｆｅ₂Ｏ₃は基本的な構成組成物として本発明の酸化物磁性材料に含有されるが、本発明では通常のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトよりもＦｅ₂Ｏ₃の量が低く設定されている。Ｆｅ₂Ｏ₃が４４ｍｏｌ％より少ないと飽和磁束密度（Ｂｓ）が低くなり、その結果として直流重畳特性が低下する。一方で、Ｆｅ₂Ｏ₃が４７ｍｏｌ％を超えると保磁力（Ｈｃ）が低くなり、その結果として直流重畳特性が低下する。望ましいＦｅ₂Ｏ₃の量は４５.５〜４７．０ｍｏｌ％、さらに望ましいＦｅ₂Ｏ₃の量は４５．８〜４６．８ｍｏｌ％である。

ＣｕＯは、本発明において焼結性に寄与する化合物であり、５ｍｏｌ％未満では焼結密度が低下してしまう。一方で、１３ｍｏｌ％を超えると材料の固有抵抗が低下して品質係数Ｑが劣化する。望ましいＣｕＯ量は５〜１０ｍｏｌ％、さらに望ましいＣｕＯ量は６〜８ｍｏｌ％である。

ＺｎＯは、主に初透磁率（μｉ）を制御するために酸化物磁性材料に含有させる。ＺｎＯの量が１５ｍｏｌ％未満になると品質係数Ｑが劣化する。一方、ＺｎＯの量が２３ｍｏｌを超えると飽和磁束密度（Ｂｓ）が低くなり、その結果として直流重畳特性が低下する。望ましいＺｎＯの量は１５〜２０ｍｏｌ％、さらに望ましいＺｎＯ量は１６．０〜１９．５ｍｏｌ％である。

本発明の酸化物磁性材料は、上記主成分に対して０．１〜０．５ｗｔ％のＭｎ₂Ｏ₃を副成分として含有する。Ｍｎ₂Ｏ₃を副成分として添加することにより、本発明の酸化物磁性材料に比抵抗向上の効果をもたらす。ただし、Ｍｎ₂Ｏ₃の量が０．１ｗｔ％未満では品質係数Ｑが劣り、比抵抗値も十分でない。一方、Ｍｎ₂Ｏ₃の量が０．５ｗｔ％を超えると直流重畳特性が低下する。望ましいＭｎ₂Ｏ₃の量は０．１５〜０．４５ｗｔ％、さらに望ましいＭｎ₂Ｏ₃の量は０．２〜０．４ｗｔ％である。

本発明の酸化物磁性材料は、以上の主成分及び副成分からなる組成を有する焼結体から構成される。この焼結体は、平均結晶粒径を０．７〜１．２μｍとする。平均結晶粒径が０．７μｍ未満になると初透磁率（μｉ）が低くなる一方、１．２μｍを超えると直流重畳特性が劣化する。望ましい焼結体の平均結晶粒径は０．７５〜１．１５μｍ、さらに望ましい平均結晶粒径は０．８〜１．１０μｍである。

本発明において、直流重畳特性は、インダクタンスが初期値より１０％低下した電流値で評価した。この電流値を本明細書中でＩｄｃと表記する。本発明の酸化物磁性材料は、Ｉｄｃを６００ｍＡ以上とすることができる。
また本発明の酸化物磁性材料は、品質係数Ｑが７０以上、飽和磁束密度（Ｂｓ）が３５０ｍＴ以上、保磁力（Ｈｃ）が４００Ａ／ｍ以上の特性を有する。

本発明の酸化物磁性材料は、前述したように積層型インダクタに適用される。積層型インダクタの例を図１〜図２に基づいて説明する。図１〜図２は積層型チップインダクタ１を示す図であり、図１はその断面図、図２は一部破砕平面図である。
図１〜図２に示すように、積層型チップインダクタ１は、酸化物磁性層２と内部電極３とが交に積層一体化されて構成されるチップ体を有する。そして、内部電極３は円周パターン状に形成されると共に、隣接する内部電極３は、図２に示されるように、互いに導通しており、これによりコイルが形成されている。更に、このチップ体の端部には、内部電極３と電気的に導通する外部電極５が設けられている。

酸化物磁性層２に本発明による酸化物磁性材料を用いる。つまり、所定組成の原料粉末を、バインダ及び溶剤とともに混練して酸化物磁性層形成用のペーストを得る。このペーストと内部電極３及び引出し電極形成用のペーストとを交互に印刷、積層した後に焼結して一体のチップ体を得る。
前記バインダとしては、エチルセルロース、アクリル樹脂、ブチラール樹脂等の公知のバインダを用いることができる。また、溶剤も、ターピネオール、ブチルカルビトール、ケロシン等の公知の溶剤を用いることができる。バインダ及び溶剤の添加量には制限はない。ただし、バインダについては１〜５質量部、溶剤については１０〜５０質量部の範囲とすることが推奨される。
バインダ及び溶剤の他に、分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等を１０質量部以下の範囲で添加することもできる。分散剤としては、ソルビタン脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステルを添加することができる。また、可塑剤としては、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレート、ブチルフタリルグリコール酸ブチルを添加することができる。

酸化物磁性層２は、酸化物磁性層用シートを用いて形成することもできる。すなわち、本発明による所定組成の粉末を、ポリビニルブチラールを主成分とするバインダと、トルエン、キシレン等の溶媒とともにボールミル中で混練してスラリを得る。このスラリを、ポリエステルフィルム等のフィルム上に、例えばドクターブレード法により塗布、乾燥して酸化物磁性層用シートを得ることができる。この酸化物磁性層用シートを、内部電極３用のペーストと交互に積層した後に、焼結すれば多層構造のチップ体を得ることができる。なお、バインダの量に制限はないが、１〜５質量部の範囲とすることが推奨される。また、分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等を１０質量部以下の範囲で添加することもできる。

内部電極３は、インダクタとして実用的な品質係数Ｑを得るために抵抗率の小さいＡｇまたはＡｇ合金、例えばＡｇ−Ｐｄ合金を用いることが望ましい。しかし、これに限るものではなく、Ｃｕ、Ｐｄまたはこれらの合金を用いることもできる。内部電極３を得るためのペーストは、ＡｇまたはＡｇ合金の粉末、若しくはこれらの酸化物粉末と、バインダ及び溶剤とを混合、混練して得ることができる。バインダ及び溶剤としては、酸化物磁性層２を形成するためのペーストに用いられていたものと同様のものを適用することができる。内部電極３は、各層が長円形状をなし、厚さ方向に隣接する内部電極３の各層はスパイラル状になって導通が確保されるので、閉磁路コイル（巻線パターン）を構成する。
外部電極５の材質としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｐｄ合金といった公知の材料を用いることができる。外部電極５は、これら材料を印刷法、メッキ法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法等の各種の方法により形成することができる。

積層型チップインダクタ１のチップ体の寸法には特に制限はない。用途に応じて適宜設定することができる。一般的には、外形はほぼ直方体形状であり、寸法としては１．０〜４．５ｍｍ×０．５〜３．２ｍｍ×０．６〜１．９ｍｍの範囲のものが多い。また、酸化物磁性層２の電極間厚さ及びベース厚さにも特に制限はなく、電極間厚さとしては１０〜１００μｍ、ベース厚さとしては２５０〜５００μｍ程度で設定できる。さらに内部電極３自体の厚さとしては、通常、５〜３０μｍの範囲で設定でき、また、巻線パターンのピッチは１０〜１００μｍ、巻数は１．５〜２０．５ターン程度とすることができる。

酸化物磁性層２用のペーストまたはシートと内部電極３用のペーストとを交互に積層した後の焼結温度は、９４０℃以下とする。９４０℃を超えると、酸化物磁性層２中に内部電極３を構成する材料が拡散して、磁気特性を著しく低下させるおそれがあるからである。本発明の酸化物磁性材料は低温焼結に適しているが、８００℃未満の温度では焼結が不十分となる。したがって、焼結は８００℃以上とすることが望ましい。望ましい焼結温度は８２０〜９３０℃、さらに望ましくは８５０〜９００８７５〜９２０℃である。なお、焼結時間は、０．０５〜５時間、望ましくは０．１〜３時間の範囲で設定すればよい。

ここで、本発明の酸化物磁性材料は、平均結晶粒径を０．７〜１．２μｍの範囲とするが、この平均結晶粒径に焼結温度が関与する。よって、８００〜９４０℃の温度範囲内であっても、焼結体の平均結晶粒径が０．７〜１．２μｍの範囲から外れる条件での焼結は行うべきではない。具体的な焼結条件は、組成によっても変動するため、本発明を実施する場合には予め焼結条件を確認しておくべきである。

表１に示す組成になるようにＦｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ及びＭｎ₂Ｏ₃原料をそれぞれ秤量し、これらを鋼鉄製ボールミルにて１６時間湿式混合した。得られた混合物を乾燥した後、７００℃で４時間保持し、仮焼粉を得た。この仮焼粉を鋼鉄製ボールミルで４０時間粉砕し、粉砕粉を得た。この粉砕粉にポリビニルアルコールを加えて混合した後、スプレードライヤを用いて造粒粉を得た。こうして得られた顆粒を用いて、成形密度３．１０Ｍｇ／ｍ³、１３×６×３ｍｍのトロイダル形状の成形体を作製した。次にこの成形体を９００℃で２時間焼結した。得られたトロイダル状試料の焼結密度及び平均結晶粒径を測定した。
また得られたトロイダル状試料に銅線で２０ターンの巻き線を施し、初透磁率（μi，１００ｋＨｚ）、飽和磁束密度（Ｂｓ，４ｋＡ/ｍ）、Ｉｄｃ（インダクタンス値が初期値より１０％低下した電流値）を測定した。その結果を表１に示す。また、測定結果を図３〜図１１のグラフに示した。

表１及び図３に示すように、Ｆｅ₂Ｏ₃量によってＩｄｃが変動することがわかる。特に、Ｆｅ₂Ｏ₃が４４〜４７ｍｏｌ％の範囲では６００ｍＡ以上のＩｄｃを得ることができる。そこで本発明は、Ｆｅ₂Ｏ₃量を４４〜４７ｍｏｌ％とする。

表１及び図４に示すように、ＣｕＯ量によって焼結密度が変動し、ＣｕＯ量が５ｍｏｌ％未満になると焼結密度が５．０Ｍｇ／ｍ³未満と低くなる。また、表１及び図５に示すように、ＣｕＯ量によってＱが変動し、ＣｕＯ量が５ｍｏｌ％未満又は１３ｍｏｌ％を超えるとＱが低くなる。また、ＣｕＯの含有量が１３ｍｏｌ％を超えると焼結体の平均結晶粒径が１．２μｍを超えることが表１よりわかる。以上の結果より、本発明はＣｕＯ量を５〜１３ｍｏｌ％とする。

表１及び図６に示すように、ＺｎＯ量が多くなるにつれてＱが高くなり、ＺｎＯを１５ｍｏｌ％以上含有することにより、１００以上のＱを得ることができる。ただし、表１及び図７に示すように、ＺｎＯ量が多くなるにつれてＩｄｃが低下し、ＺｎＯ量が２３．５ｍｏｌ％になるとＩｄｃは６００ｍＡ未満となる。以上の結果より、本発明はＺｎＯ量を１５〜２３ｍｏｌ％とする。

表１及び図８に示すように、Ｍｎ₂Ｏ₃量が多くなるにつれて比抵抗及びＱが高くなり、Ｍｎ₂Ｏ₃量を０．１ｗｔ％以上にすることにより、１×１０⁵Ω・ｃｍ以上の比抵抗、１００以上の品質係数Ｑを得ることができる。ただし、表１及び図９に示すように、Ｍｎ₂Ｏ₃量が多くなるにつれてＩｄｃが低下する傾向にあり、Ｍｎ₂Ｏ₃量が０．５ｗｔ％を超えると６００ｍＡ以上のＩｄｃを得ることが困難になる。以上の結果より、本発明は、Ｍｎ₂Ｏ₃量を０．１〜０．５ｗｔ％とする。

表２に示す組成になるようにＦｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ及びＭｎ₂Ｏ₃原料をそれぞれ秤量し、これらを鋼鉄製ボールミルにて１６時間湿式混合した。得られた混合物を乾燥した後、７００℃で４時間保持し、仮焼粉を得た。この仮焼粉を鋼鉄製ボールミルで４０時間粉砕し、粉砕粉を得た。この粉砕粉にポリビニルアルコールを加えて混合した後、スプレードライヤを用いて造粒粉を得た。こうして得られた顆粒を用いて、成形密度３．１０Ｍｇ／ｍ³、１３×６×３ｍｍのトロイダル形状の成形体を作製した。次にこの成形体を表２に示す各温度で２時間焼結した。得られた焼結体について焼結密度、初透磁率（μｉ）、Ｉｄｃ及び焼結体の平均結晶粒径を測定した。その結果を表２に示す。また、図１０に平均結晶粒径と初透磁率（μｉ）の関係を、図１１に平均結晶粒径とＩｄｃの関係を示す。

表２に示すように、焼結温度が高くなるにつれて焼結密度が高くなる。また、焼結温度が高くなるにつれて平均結晶粒径が大きくなり、焼結温度が８６０℃のときに平均結晶粒径は０．６３μｍであるのに対し、焼結温度が９２０℃になると平均結晶粒径が１．２μｍを超える。
次に、図１０に示すように、平均結晶粒径が大きくなるにつれて初透磁率（μｉ）が大きくなる傾向にあるが、平均結晶粒径が０．６３μｍでは７０程度の初透磁率（μｉ）しか得ることができない。一方で、図１１に示すように、平均結晶粒径が大きくなるにつれてＩｄｃが低下し、平均結晶粒径が１．２μｍを超えると６００ｍＡ以上のＩｄｃを得ることが難しくなる。以上の結果より、本発明は平均結晶粒径を０．７〜１．２μｍとする。

下記の混合〜粉砕条件にしたがって表１の試料Ｎｏ．７及び２０の組成を有する粉砕粉末を得た。なお、各試料の組成を表３に示しておく。
混合及び粉砕用ポット：ステンレスボールミルポット
混合及び粉砕用メディア：スチールボール
混合時間：１６時間
仮焼条件：７００℃×４時間
粉砕時間：４０時間

得られた粉砕粉末を用いて以下に示す条件により積層型チップインダクタを作製し、インダクタンス（Ｌ）及びＩｄｃを測定した。結果を表３に示す。表３に示すように、本発明による積層型チップインダクタ（試料Ｎｏ．２０）のＩｄｃが向上していることがわかる。

［積層型チップインダクタの仕様］
表３の組成を有する各粉末１００質量部に対して、エチルセルロース２.５質量部、ターピネオール４０質量部を加え、３本ロールにて混練して酸化物磁性層用ペーストを調整した。一方、平均粒径０．８μｍのＡｇ１００質量部に対して、エチルセルロース２．５質量部、ターピネオール４０質量部を加え、３本ロールにて混練して内部電極用ペーストを得た。

以上で得られた酸化物磁性層用ペーストと内部電極用ペーストとを交互に印刷積層した後、８９０℃で２時間の焼結を行なって図１〜図２に示す形態の積層型チップインダクタを得た。この積層型チップインダクタの寸法は、２．０ｍｍ×１．２ｍｍ ×０．８５ｍｍである。また、外部電極はＡｇを６００℃で焼き付けて形成した。

本実施の形態に係る積層型チップインダクタの断面図である。本実施の形態に係る積層型チップインダクタの一部破砕平面図である。Ｆｅ₂Ｏ₃量とＩｄｃの関係を示すグラフである。ＣｕＯ量と焼結密度の関係を示すグラフである。ＣｕＯ量と品質係数Ｑの関係を示すグラフである。ＺｎＯ量と品質係数Ｑの関係を示すグラフである。ＺｎＯ量とＩｄｃの関係を示すグラフである。Ｍｎ₂Ｏ₃量と品質係数Ｑの関係を示すグラフである。Ｍｎ₂Ｏ₃量とＩｄｃの関係を示すグラフである。平均結晶粒径と初透磁率（μｉ）の関係を示すグラフである。平均結晶粒径とＩｄｃの関係を示すグラフである。

符号の説明

１… 積層型チップインダクタ、２…酸化物磁性層、３…内部電極、５…外部電極

Claims

Ｆｅ₂Ｏ₃：４４〜４７ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１５〜２３ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分に対して、副成分としてＭｎ₂Ｏ₃を０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成を有し、平均結晶粒径が０．７〜１．２μｍである焼結体から構成されることを特徴とする酸化物磁性材料。
前記焼結体は、Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４７．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１６〜２０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物磁性材料。
前記焼結体の平均結晶粒径が０．８５〜１．１μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物磁性材料。
酸化物磁性層と内部電極とが交互に積層されるとともに、前記内部電極と電気的に接続された外部電極とを有する積層型インダクタであって、
前記酸化物磁性層は、Ｆｅ₂Ｏ₃：４４〜４７ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１５〜２３ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯからなる主成分に対して、副成分としてＭｎ₂Ｏ₃を０．１〜０．５ｗｔ％含有する組成を有し、平均結晶粒径が０．７〜１．２μｍである焼結体から構成されることを特徴とする積層型インダクタ。