JP4827719B2 - 薄型磁気部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄型磁気部品の製造方法に関する。作製された薄型磁気部品は、スイッチング電源などに搭載されるトランスやリアクトルなどとして有用である。

近年各種電子機器は、小型・軽量化されてきており、なおかつ低消費電力化が求められている。
これに伴い、電子機器に搭載される電源として高効率かつ小型のスイッチング電源に対する要求が高まっている。特にノート型パソコンや携帯電話等の小型情報機器、薄型ＣＲＴ、フラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源では、小型・薄型化が強く求められている。
従来のスイッチング電源では、その主要な構成部品であるトランスやリアクトルなどの磁気部品が大きな体積を占めており、スイッチング電源を小型・薄型化するためには、これらの磁気部品の体積を縮小することが必要不可欠となっていた。

従来、このような磁気部品の磁芯は、センダストやパーマロイ等の金属磁性材料や、フェライト等の酸化物磁性材料が使用されていた。
金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有するが、電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では、渦電流損失が大きくなってしまう。スイッチング電源では、回路を高周波駆動することにより、高効率化および小型化する傾向にあるが、上記の渦電流損失の影響から金属磁性材料をスイッチング電源用の磁気部品の磁芯として使用することは困難である。

一方、フェライトに代表される酸化物磁性材料は、金属磁性材料に比べ電気抵抗率が高いため、高周波数領域でも発生する渦電流損失が小さい。例えば、特許文献１、２には軟磁性フェライト粉末とバインダを混合して作成したペーストを用いたグリーンシートが記載されている。一般的なフェライト基板の製造方法では、フェライト原料粉末と、樹脂バインダなどの成形助剤と溶剤からなるグリーンシートを充分に加熱して多量の成形助剤や溶剤を蒸発させるとともに１０００℃程度の高温で焼成処理して高い密度のシート基板を得ている。特許文献１では９００℃の焼成処理を行っている。
しかしながら、トランスやリアクトルを小型化した場合、コイルに流す電流は同じでも磁芯にかかる磁場は強くなってしまう。一般に、フェライトの飽和磁束密度は金属磁性材料に比べて小さく、スイッチング電源の磁気部品の磁芯として使用した場合、上記の理由によりその小型化には限界がある。

特開２０００−１８８２１７号公報 特開２０００−２２３３５３号公報

そこで、フェライト粉末に替えて軟磁性粒子の表面に珪酸等の非磁性膜を成膜した軟磁性粒子を圧粉成形した軟磁性成形体が考えられている。軟磁性成形体の磁気特性は、高周波数領域での透磁率が高く、相対損失係数(μ″／μ′^２)が小さい(透磁率の実部μ′が大きく、透磁率の虚部μ″が小さい)。また、直流重畳磁場による透磁率の低下も小さい。このため、スイッチング電源の磁気部品に対して要求される高周波化と小型化が両立可能となる。

この軟磁性成形体は、理論密度が９０％程度の高密度になるように成形して、且つ焼成処理を短時間で行った場合に優れた磁気特性が発揮される。すなわち、前記の軟磁性成形体を６００℃以上の高温で、且つ２０００秒を越えて長時間焼成処理して高密度を得ようとすると、透磁率が低く、相対損失係数（μ″／μ′^２）が大きく、直流重畳磁場による透磁率の低下が大きくなってしまうなどの磁気特性の低下を招いてしまう。このように、前記の軟磁性成形体に対しては、６００℃を超える高温で長時間の焼成処理により高密度を得る方法は採れない。

また、理論密度が９０％程度の高密度を得るためには、数ｔｏｎ／ｃｍ^２以上もの高い圧力で圧縮成形する必要があり、成形金型は超硬合金製などの強靭な材料が必要で高価で大型となり、圧縮成形機も大型のものが必要である。また、数ｔｏｎ／ｃｍ^２以上もの高い圧力で圧縮成形すると、粉体自身の流動性が悪いために成形体はラミネーションなどのクラックが発生しやすい。このクラックは、成形圧力が高く、成形体シートの厚さに対して面積の大きいものほど発生しやすい。成形性を改善するため、樹脂バインダなどの成形助剤を原料粉末に添加することは、成形体密度の低下を招いてしまうので、元の木阿弥である。圧縮成形による方法では厚さが０．５ｍｍのときに２５ｍｍ角程度のシートの作製が限界であった。以上のように、表面に非磁性膜を成膜した軟磁性粒子を原料とする薄型磁気部品を量産性よく製造するために必要な、より大面積のシート状成形体を製造することは困難であった。

本発明は、非磁性膜を成膜した軟磁性粒子を用い、理論密度が９０％程度の高密度で、磁気特性に優れた薄型磁気部品を量産性よく製造する方法を提供することにある。

即ち、本発明の薄型磁気部品の製造方法は、電気絶縁膜により軟磁性粒子を被覆してなる複合軟磁性粒子をシート化するグリーンシート製造工程と、得られたグリーンシートをホットプレスする工程と、ホットプレス後のグリーンシートを急速熱処理する熱処理工程を少なくとも有する薄型磁気部品の製造方法であって、ホットプレス時の最高温度が６００℃未満であり、熱処理時の最高温度が６００℃以下であることを特徴とする。

本発明によれば、μ′が大きくμ″が小さく相対損失係数が５×１０^−４未満の磁気特性に優れた薄型磁気部品を製造することができる。また、圧縮成形法と異なり、大面積のシートを製造できるので量産性に優れる。さらに、本発明の製造方法により得られる薄型磁気部品は直流重畳磁場下においてもμ′の低下が少ないので、この薄型磁気部品に電源ＩＣ、さらには，コンデンサを直接面実装することで、電力変換装置を超小型で超薄型化することができる。

本発明において、複合軟磁性粒子は、電気絶縁膜により軟磁性粒子を被覆してなる。この軟磁性粒子としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ合金などの透磁率が高い金属材料からなる粒子を用いることができる。

軟磁性粒子を被覆する電気絶縁膜は、無機電気絶縁膜であることが好ましく、このような絶縁膜として珪酸膜を挙げることができる。この珪酸膜で軟磁性粒子表面を被覆した複合軟磁性粒子は、軟磁性粒子表面に水ガラス水溶液中に入れ、水ガラスを加水分解してゲル状の珪酸（Ｈ_２ＳｉＯ_３）を軟磁性粒子表面に析出、付着させ、表面にゲル状珪酸が付着した軟磁性粒子を乾燥することによって得られる。この方法によれば、例えば、１〜２０ｎｍというような２０ｎｍ以下の膜厚にすることができる。珪酸膜の膜厚は、水ガラス水溶液の濃度で制御可能である。

複合軟磁性粒子をシート化するグリーンシート製造工程においては、複合軟磁性粒子に樹脂バインダや溶剤を加えてスラリーとし、このスラリーを用いてグリーンシートを製造する。樹脂バインダとしては、ポリビニルアルコール、ブチラール系、セルロース系、アクリル系のバインダ樹脂を挙げることができる。溶剤としては、鉱油系溶剤、アルコール類、アセトン、トルエンのような有機溶剤、及び水を挙げることができる。スラリーにおける複合軟磁性粒子と樹脂バインダの混合比率は、グリーンシート製造時、グリーンシートの取り扱い時にシート形態を維持できる範囲で、樹脂バインダ量を軽減させることが好ましい。

このスラリーを用いてグリーンシートを製造するにあたっては、いずれのシート化技術も用いることができるが、大面積化が容易であることからドクターブレード法でシート化することが好ましい。

ホットプレス工程では上記で得られたグリーンシートをホットプレスする。ホットプレスは、前記のグリーンシートを型枠なしの平板で両面から挟んで行なう。ホットプレスの温度を徐々に上げると同時に、これと平行して加圧圧力も徐々に上げて行く。こうしてシート側面から樹脂バインダや溶剤を蒸発させ、同時に蒸発後にできた空孔を潰していく。

約３００℃に達するまでは、到達加圧圧力５０〜５００ＭＰａでホットプレスすることが好ましい。その後も温度と加圧圧力を平行して徐々に上げていくが、最高到達圧力２００〜３００ＭＰａ、最高温度は６００℃未満、より好ましくは４５０℃〜５００℃とする。ホットプレスではバインダ樹脂や溶剤を十分に蒸発させるとともにできた空孔を潰す必要があり、比較的長時間加圧下で保持する必要がある。最高到達温度が６００℃以上だと２０００秒を越えて長時間保持すると磁気特性が低下する。長時間保持した場合でも磁気特性が低下しない温度である６００℃未満の４５０℃〜５００℃程度で、加圧圧力が所定圧力に達したら、温度、加圧圧力を保持してバインダ樹脂や溶剤を十分に蒸発させるとともにできた空孔を潰す。

これにより、圧縮成形によるシートと同等以上の高い密度のシートを得ることができる。また、圧縮成形によるシートよりも単位面積当たりの加圧圧力を小さくすることができる。出来上がったシートは型枠なしでホットプレスするので、４辺は低密度となりクラックが発生している場合もある。このため４辺の部分はカットすることが好ましい。圧縮成形による方法では厚さが０．５ｍｍのときに２５ｍｍ角程度のシートの作製が限界であるが、本発明による方法では、シートの大きさはホットプレス機の能力（加圧圧力、容積）により制限されるのみであり、大面積のシートを製造できるので量産性が良い。また、従来の圧縮成形によるシート作製方法に対して、大型で高価な成形金型および大型の成形機を必要としない。

次いで、熱処理工程においてホットプレス後のグリーンシートを最高到達温度６００℃以下で熱処理する。最高到達温度の保持時間は最高到達温度が高いほど短くすることが好ましい。したがって、この熱処理は急速加熱熱処理であることが好ましい。急速加熱熱処理することにより透磁率が高く損失が小さい磁気部品を得ることができる。
急速加熱熱処理とは、最高到達温度を５５０℃以上、６００℃以下、好ましくは５８０〜６００℃とし、少なくとも５５０℃以上における昇温速度及び降温速度を１００℃／ｍｉｎ以上、好ましくは２００℃／ｍｉｎ以上の速度で行い、最高到達温度での保持時間を２０００秒以下とする熱処理である。昇温速度及び降温速度の上限は用いる熱処理装置の装置特性で決まる値である。

以下に、実施例を用いて本発明を更に説明する。

＜実施例１＞
粒子径８μｍのＮｉ７８ＦｅＭｏ５パーマロイ（Ｎｉが７８重量％、Ｍｏが５重量％、残りがＦｅからなるパーマロイ）粉末表面に珪酸膜を形成した。即ち、パーマロイ粉末を水ガラス水溶液に投入した。水ガラスは組成がＮａ_２０・ｘＳｉＯ_２・ｎＨ_２０（ｘ＝２〜４）で、これを水に溶かした溶液はアルカリ性を示す。この水溶液に液のｐＨが８．５になるまで塩酸を滴下した。塩酸滴下により水ガラスが加水分解してゲル状の珪酸（Ｈ_２ＳｉＯ_３）がパーマロイ粉末表面に析出した。次に、パーマロイ粉末を水で洗浄した後、乾燥させて、珪酸膜被覆パーマロイ粉末を得た。珪酸膜の膜厚は１０ｎｍであった。

このように珪酸をコートした軟磁性の原料粉末にバインダとしてブチラール系の樹脂を混合し、溶剤としてトルエンを混合して調整し、脱泡させてスラリーを作製した。樹脂に対する軟磁性原料比率は約５０ｖｏｌ％とした。

次に、ドクターブレード法により、１２０ｍｍ幅でシート成形を行った。ホットプレス後のグリーンシートの厚さが０．５ｍｍになるようにドクターブレードのブレード間隔、シート引きスピードを調整した。そのまま、６０℃でシートを乾燥させグリーンシートを作製した。

５０ｍｍ角のシートを得るために、これより大きい６０ｍｍ角に裁断しホットプレスした。ホットプレスは次の条件で行った。ホットプレスは、前記の６０ｍｍ角のグリーンシートを型枠なしの平板で両面から挟んで行った。ホットプレスの温度を徐々に上げると同時にこれと平行して加圧圧力も徐々に上げていった。温度３００℃までは加圧圧力が９８ＭＰａ（１トン重/ｃｍ^２）に達するように加圧していった。こうしてシート側面から樹脂バインダや溶剤を蒸発させ、同時に蒸発後にできた空孔を潰していった。その後も徐々に温度と加圧圧力をいき、温度５００℃、加圧圧力１９６ＭＰａ（２トン重/ｃｍ^２）後、この温度と加圧圧力を保持し、バインダ樹脂や溶剤を十分に蒸発させるとともにできた空孔を潰した。炉冷して出来上がったシートの４辺の低密度部分をカットし５０ｍｍ角で０．５ｍｍ厚さのシート基板を作製した。

このシート基板の密度は、理論密度約９０％と高密度であった。またクラックもなかった。このシート基板からカットした外径８ｍｍ、内径３ｍｍのリング状成形体を急速加熱熱処理し磁気特性を測定した。

急速加熱熱処理は、大気中で温度６００℃、保持時間１０００秒、加熱速度３００℃／ｍｉｎ、冷却速度熱３００℃／ｍｉｎの条件で行った。Ｂ−Ｈアナライザを用いて透磁率を、周波数を変えながら測定した。測定時の交流磁場振幅は４０Ａ／ｍである。２ＭＨｚでμ′が１３５、μ″が６の成形体を得た。このときの相対損失係数（μ″／μ′^２）は３．３×１０^−４であった。直流重畳磁場が５００Ａ／ｍの時のμ′は１３０であった。

＜比較例１＞
実施例１と同様にして、粒子径８μｍのＮｉ７８ＦｅＭｏ５パーマロイ粉末表面に珪酸膜を形成した。珪酸膜の膜厚は１０ｎｍであった。この珪酸膜被覆パーマロイ粉末をプレスで圧縮成形し、外径８ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのリング状成形体を作製した。プレス圧力は７８４ＭＰａ（８トン重/ｃｍ^２）とした。成形体の理論密度は約９０％であった。この成形体を実施例１と同様に大気中で温度６００℃、保持時間１０００秒、加熱速度３００℃／ｍｉｎ、冷却速度熱３００℃／ｍｉｎの条件で急速加熱熱処理を行った。Ｂ−Ｈアナライザを用いて透磁率を、周波数を変えながら測定した。測定時の交流磁場振幅は４０Ａ／ｍであった。２ＭＨｚでμ′が１３６、μ″が６の成形体を得た。このときの相対損失係数（μ″／μ′^２）は３．２×１０^−４であった。直流重畳磁場が５００Ａ／ｍの時のμ′は１３２であった。圧縮成形機の制約から、成形体の大きさは、厚さ０．５ｍｍの成形体の場合、最大２５ｍｍ角が限界であり、それを超える大きさのものは作成できず、１回の成形で得られる外径８ｍｍのリング状成形体は最高９個までであり、生産性に優れるとはいえないものであり、成形体の面積が大きくなればなるほど、用いる成形機は高価なものとなり、生産コストが高くならざるを得ないものであった。

本発明による方法では、シートの大きさはホットプレス機の能力（加圧圧力と試料容積）により制限されるのみであり、大面積のシートを製造できるので量産性が良い。また、従来の圧縮成形によるシート作製方法に対して、大型で高価な成形金型および大型の成形機を必要としない。磁気特性も、圧縮成形による方法と全く遜色がなく、μ′が大きくμ″が小さく相対損失係数が５×１０^−４未満の軟磁性成形体を得ることができる。さらに、直流重畳磁場下においてもμ′の低下が少ないので、薄型磁気部品に電源ＩＣ、さらには、コンデンサを直接面実装することで、電力変換装置を超小型で超薄型化することができる。

Claims (4)

1. 電気絶縁膜により軟磁性粒子を被覆してなる複合軟磁性粒子をシート化するグリーンシート製造工程と、得られたグリーンシートをホットプレスする工程と、ホットプレス後のグリーンシートを熱処理する熱処理工程を少なくとも有する薄型磁気部品の製造方法であって、ホットプレス時の最高温度が４５０℃〜５００℃であり、熱処理時の最高温度が５５０℃以上６００℃以下であることを特徴とする薄型磁気部品の製造方法。
2. グリーンシート製造工程が、前記複合軟磁性粒子をドクターブレード法によりシート化するものであることを特徴とする請求項１記載の薄型磁気部品の製造方法。
3. 前記熱処理工程における熱処理が、少なくとも５５０℃以上における昇温速度及び降温速度を１００℃／ｍｉｎ以上の速度で行い、最高到達温度での保持時間を２０００秒以下とする熱処理であることを特徴とする請求項１または２記載の薄型磁気部品の製造方法。
4. 前記電気絶縁膜が水ガラスの加水分解により析出した珪酸を軟磁性粒子に付着させて表面に成膜された珪酸膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄型磁気部品の製造方法。