JP4868583B2

JP4868583B2 - インダクタ及びその製造方法

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Publication number: JP4868583B2
Application number: JP2006238824A
Authority: JP
Inventors: 照夫安岡; 照彦藤原; 忠夫片平; 裕之松元
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP2008060506A

Description

本発明は、インダクタ及びその製造方法に関し、特に軟磁性金属粉末をエアロゾル化し、エアロゾルデポジション法を用いて形成される磁性体と、導体からなるコイルを有するインダクタ及びその製造方法に関する。

従来、インダクタは軟磁性金属粉末とバインダーを混合し圧縮成形することで磁性体コアを製造し、その磁性体コアとコイルの複合体によりインダクタを形成する手法が多く用いられてきた。さらに、より高性能なインダクタを得るために、磁性粉末やバインダー、コイル、金型、潤滑剤等の組成的、構造的な様々の研究が行われてきた。

また、同じく、フェライトの焼結体も透磁率が高く比抵抗も大きい値を示すため、コイルとの複合体により、インダクタとして用いられており、フェライト焼結体もインダクタ用の磁性体コアの材料として数多く研究されてきた。

しかし、近年のノートパソコンやＰＤＡに使用されるＣＰＵの高速化、小型化に伴いインダクタにも顕著な低背化、大電流化という強い要求があるが、フェライトの焼結体では、これらの用途のインダクタ用の磁性体コアの材料として、要求を満たすことができなくなくなってきた。

軟磁性金属粉末を用いたインダクタについては、飽和磁化の向上などを目的として、なおも検討がなされている。特許文献１には、その一例として、軟磁性金属粉末とバインダーの複合体からなる磁性体コアの中にコイルを内蔵させたインダクタの開発内容が開示されている。

また、近年、微粒子を分散させたエアロゾルを基板に噴射することにより、スパッタ法やＭＯ−ＣＶＤ法では得ることが困難であった１０μｍ以上の厚膜を作製する技術が検討され、実用化されつつある。この技術はエアロゾルデポジション法と称され、例えば、この方法で得られるＰＺＴ厚膜は緻密な構造を有し、優れた圧電特性を示す。

特開２００４−３６３４６６号公報

上記のＣＰＵの高速化、小型化に伴う、インダクタに対する顕著な低背化、大電流化という要求に対して、軟磁性金属粉末とバインダーの複合体からなる磁性体コアの中にコイルを内蔵させたインダクタでも、必ずしも対処することができていない。

例えば、１ｍｍ以下にまで低背化されるインダクタを軟磁性体粉末の圧縮成形により製造し、高特性を得るためには、製品の密度バラツキ管理や寸法精度をうまくコントロールしなければならない。このようなインダクタを製作することは非常に難しい。さらに薄型となると、成形用金型も精密な部分が多くなり、本圧縮成形では高圧力が必要なため、薄型の金型となると金型寿命も短くなり、コスト高になるという問題点がある。

スパッタ技術等で薄膜の磁性体を製造することは可能であるが、単純に薄ければ良いというものではなく、充分な特性とある程度の厚みを備えた磁性体が要求される。スパッタ技術で対応できるのは数μｍであって、１００μｍ単位の要求には対応が難しい。印刷技術においては１００μｍ単位の厚膜の製造にも対応が可能であるが、この場合、密度を上げるのが難しく特性の面で対応できない。

エアロゾルデポジション法は厚膜製造が可能な技術ではあるが、従来行われているＰＺＴ等のセラミックスは脆性材料であり、破砕されやすいことからエアロゾルデポジション法による成膜が行われるものと考えられる。しかしながら、金属のような延性材料は、エアロゾルデポジション法の成膜原理を考慮した場合、ＰＺＴ等のセラミックに比べて破砕されにくいことから、成膜は簡単では無いと考えられる。

本発明の課題は、従来と同等以上の特性を有しながら、従来技術による製造が困難であった低背型のインダクタとその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、金属材料の中でも比較的密度の高い鉄系の金属材料からなる粒径の細かい粉末を原料とすることで、容易に粉末に高い運動エネルギーを持たせることができ、比較的容易に特性の良い磁性金属膜が製作できることを見出した。この鉄系の軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法において、良好な磁性金属膜の製造条件を実験によって確立し、高効率で、低背化した高性能のインダクタを提供することを可能とした。

すなわち、本発明によれば、コイル全体が磁性金属膜で覆われてなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタが得られる。

また、本発明によれば、磁性金属膜が基板上に成膜され、コイルを挟んでさらに前記磁性金属膜が成膜されてなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタが得られる。

また、本発明によれば、磁性金属膜にコイルを巻き廻してなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタが得られる。

また、本発明によれば、前記軟磁性金属粉末として表面がＳｉＯ₂層で被覆された軟磁性金属粉末を用いたことを特徴とするインダクタが得られる。

また、本発明によれば、前記磁性金属膜が磁気異方性を有することを特徴とするインダクタが得られる。

また、本発明は、コイル全体が磁性金属膜で覆われてなるインダクタの製造方法において、前記磁性金属膜を基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成し、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタの製造方法である。

また、本発明は、磁性金属膜にコイルを巻き廻してなるインダクタの製造方法において、前記磁性金属膜を基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成し、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタの製造方法である。

また、本発明は、前記軟磁性金属粉末は、表面がＳｉＯ₂層で被覆されていることを特徴とするインダクタの製造方法である。

また、本発明は、前記磁性金属膜が形状磁気異方性を有することを特徴とするインダクタの製造方法である。

本発明は、エアロゾルデポジション法を用いて、高い飽和磁化を有するカルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金粉末等を原料粉末とし、高磁気特性の軟磁性金属膜を形成することにより、厚膜磁性体を用いたインダクタが高効率で製造可能である。しかも、圧粉成形体と同程度に特性が高く低背化されたインダクタを得ることができ、金型を用いた圧縮成形に依らないで磁性膜が形成できることから、金型寿命の低下が起こりえず、低コスト化を図ることが可能である。

エアロゾルデポジション法を磁性膜に適用すると、短時間で厚膜が得られ、特性の良い磁性金属膜が製作できる。この軟磁性金属粉末を用いたエアロゾルデポジション法により製作した磁性金属膜とコイルを組み合わせてインダクタを形成する。

図１に、本発明の第１の実施の形態に係るインダクタの説明図を示し、図２に、そのインダクタの製作工程の説明図を示す。第１の実施の形態に係るインダクタは、次の２つの例が考えられる。第１の例としては、エアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により、基板３上に成膜された磁性金属膜上にコイル１４を乗せ、さらにその上にエアロゾルデポジション法により軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂを成膜することで、基板３上にインダクタが形成される。第２の例としては、同じくエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により、基板３上に成膜された軟磁性金属膜１３ｂ上にコイル１４を乗せ、同じく、エアロゾルデポジション法により基板３（図２では省略）上に成膜した軟磁性金属膜１３ａを重ねて貼り合わせることによりインダクタが形成される。

次いで、図３に、本発明の第２の実施の形態に係るインダクタの説明図を示す。第２の実施の形態の例としては、軟磁性粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により、基板３上に軟磁性金属膜１３ａを成膜し、基板３と軟軟磁性膜１３ａの周りにコイル１４を巻き廻し、最後に基板３の下部両端に端子１５を付けてインダクタが形成される。

エアロゾルデポジション法による成膜の説明として、まず、本発明の実施の形態で使用するエアロゾルデポジション装置から説明する。図４は、軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂの成膜を行うエアロゾルデポジション装置を示す模式図である。成膜チャンバー１には、ノズル２が取り付けられ、ノズル２の先には基板３を固定するフレーム４が取り付けられている。

流量コントローラ８によって、流量をコントロールされた搬送ガス９および軟磁性金属粉末が、エアロゾル発生装置７に注入される。成膜チャンバー１は減圧されており、生成されたエアロゾルはノズル２まで進み、軟磁性金属膜粉末のエアロゾルがノズル２を通して減圧された成膜チャンバー１に吹き出される。エアロゾル化された軟磁性金属粉末は、基板へ衝突し、堆積することにより成膜される。

軟磁性金属粉末としては、具体的に、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、及びＦｅ−Ｓｉ合金粉を用いて成膜するのが良い。Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末の場合はＳｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％のものが、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末の場合はＳｉ３重量％のものが磁気特性が良好なので、磁気インダクタ用として望ましい。

まず、平均粒径４．１μｍを有するカルボニル鉄粉をエアロゾル発生装置７に投入し、エアロゾルデポジション法を用い、表１の条件に従い６０ｍｉｎで成膜を行った場合について説明する。

図５に得られた膜の走査型電子顕微鏡による表面写真を、図６に走査型電子顕微鏡による断面写真をそれぞれ示す。図５と図６に示されるように、エアロゾルデポジション法を用いた軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂにおいては、ＳｉＯ₂基板上にカルボニル鉄粉の緻密な磁性金属膜を形成できている。

さらに、４．１μｍの平均粒径を有するカルボニル鉄粉と、このカルボニル鉄粉にＳｉＯ₂被覆を形成した粉末を用意し、各々の粉末を母粉末として、表１の条件に従い成膜を行った場合について説明する。図７に、成膜時間変化に対するカルボニル鉄粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化を示す。

図７によると、カルボニル鉄粉及びＳｉＯ₂被覆を施されたカルボニル鉄粉それぞれにおいて成膜時間の増加と共に膜厚が増加していることがわかる。このことから、磁性金属粉末にバインダーを混合し圧縮成形により磁性体合金を得るという従来の方法に加えて、エアロゾルデポジション法を用いても成膜時間を制御することで厚みのある磁性体合金を得ることが可能であり、さらにＳｉＯ₂被覆により絶縁性を高めた磁性体合金の作製が可能となる。

次いで、平均粒径５μｍを有するＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金、Ｆｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金粉末についても前記同様の場合について説明する。図８に成膜時間の変化に対するＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化を、図９に成膜時間の変化に対するＦｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化を示す。

図８によると、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末、及びＳｉＯ₂被覆を施したＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末において、成膜時間の増加に従い膜厚が増加しており、前記のカルボニル鉄粉だけでなく、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金においてもエアロゾルデポジション法を用いた厚みのある磁性体合金の作製が可能となる。

また、図９によると、Ｆｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金及びＳｉＯ₂被覆を施したＦｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金粉末においても、前記のカルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末同様に厚膜の作製が可能であることがわかる。

次に、平均粒径の異なる粉末を用いて成膜を行ったときの膜厚の違いを検討するために、平均粒径Ｄ₅₀＝０．５，１．０，２．０，４．１，８．０，１０，１２μｍを有するカルボニル鉄粉、平均粒径Ｄ₅₀＝２．０，５．０，８．３，１０．０，１２．５μｍを有するＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末及び平均粒径Ｄ₅₀＝２．５，５．１，８．２，９．６，１１．８μｍを有するＦｅ−Ｓｉ（Ｓｉ３重量％）合金粉末について表１の条件にて６０ｍｉｎの成膜を行った場合について説明する。図１０に平均粒径変化に対する膜厚変化を示す。

図１０によると、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）合金粉末及びＦｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)合金粉末において、５μｍ以下の平均粒径を有する軟磁性金属粉末では６０ｍｉｎの成膜時間で１０×３ｍｍの範囲に１５μｍ以上の軟磁性金属膜が得られていることがわかる。それに対して、１０μｍを超える平均粒径を有する軟磁性金属粉末になると１μｍ以下の軟磁性金属膜しか得られていないため軟磁性金属粉末の平均粒径の上限値は１０μｍであると判断できる。一方で、現時点では、平均粒径が０．５μｍ以下の軟磁性金属粉末を得るのが実質的に不可能であることから、平均粒径の最適範囲は０．５〜１０μｍであると判断できる。

エアロゾルデポジション法を用いたインダクタの試作を行った場合について説明する。一例として、コイルには線径０．１ｍｍの銅線を７．５ｔｕｒｎに成形したものを使用し、エアロゾルデポジション法を用いてカルボニル鉄粉からなる磁性合金膜をコイル１４全体に覆うように形成し、３×３×１ｍｍのインダクタを製作した。また、上記同様の方法にてＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（Ｓｉ９．５重量％、Ａｌ５．５重量％）磁性金属膜、Ｆｅ−Ｓｉ(Ｓｉ３重量％)磁性金属膜からなる３×３×１ｍｍのインダクタを製作した。製作したインダクタについてそれぞれの密度を測定し、その密度の真密度に対する割合を粉末充填率として算出する。続いて、１ＭＨｚにおけるインダクタンスの値を測定した。表３に得られた結果を示す。また、特性の比較を行うために、圧縮成形により得られたインダクタの特性も表３に記載する。

表２に示すように、エアロゾルデポジション法を用いて得られたインダクタは圧縮成形により得られたインダクタと比較しても、非常に高い粉末充填率を示す緻密な構造を有し、高いインダクタンスが得られていることは明らかである。このような低背型のインダクタを圧縮成形により作るのは工業的には限界であるため、本発明により得られるインダクタ及びその製造方法は非常に有益である。

次に、エアロゾルデポジション法に使用するガス流量を３〜９（Ｌ／ｍｉｎ）まで変化させて、前記同様にインダクタ製作を行った場合について説明する。表３に得られたインダクタの特性を示す。

表３の結果よると、ガス流量が増加しても粉末充填率の増加傾向は見られないにも関わらず、インダクタンスＬの値はガス流量の増加に伴って改善される傾向にある。また、図６のエアロゾルデポジション膜の走査型電子顕微鏡による断面写真からも分かるように、軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂは、ある程度成膜方向に垂直な方向へ層状の膜を形成しており、エアロゾルデポジション法を用いて形成された軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂは、ある程度の異方性を有していると考えられる。

また、前述と同様に、コイル１４全体をエアロゾルデポジション法を用いて形成された軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂで挟んで作製したインダクタや、同じく、エアロゾルデポジション法を用いて形成された軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂにコイル１４を巻き廻したインダクタを製作して、圧縮成形により作製した磁性金属膜を用いたインダクタと比較したが、同程度のインダクタの特性を得ることができた。

以上の項目に説明したように、本発明により得られる軟磁性金属膜１３ａ，１３ｂは非常に緻密な構造を有し、高い特性を有すことから、本発明がインダクタの低背化に資するところは極めて大きく、工業上有益である。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。

本発明の第１の実施の形態に係るインダクタの説明図。本発明の第１の実施の形態に係るインダクタの製作工程の説明図。本発明の第２の実施の形態に係るインダクタの説明図。磁性金属膜が基板上に成膜され、コイルを挟んでさらに前記磁性金属膜が成膜されてなるインダクタを示す図。磁性体厚膜の成膜を行うエアロゾルデポジション装置を示す模式図。走査型電子顕微鏡による表面写真。走査型電子顕微鏡による断面写真。成膜時間変化に対するカルボニル鉄粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化の図。成膜時間の変化に対するＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化の図。成膜時間の変化に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉を用いた場合の磁性合金膜厚変化の図。平均粒径変化に対する膜厚変化の図。

符号の説明

１成膜チャンバー
２ノズル
３基板
４フレーム
５真空配管
６真空ポンプ
７エアロゾル発生装置
８流量コントローラ
９搬送ガス
１０カルボニル鉄合金膜の表面
１１カルボニル鉄合金膜の断面
１２ＳｉＯ₂基板
１３ａ，１３ｂ軟磁性金属膜
１４コイル
１５端子

Claims

コイル全体が磁性金属膜で覆われてなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタ。
磁性金属膜が基板上に成膜され、コイルを挟んでさらに前記磁性金属膜が成膜されてなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタ。
磁性金属膜にコイルを巻き廻してなるインダクタにおいて、前記磁性金属膜が基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成されてなり、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタ。
前記軟磁性金属粉末として表面がＳｉＯ_２層で被覆された軟磁性金属粉末を用いたことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のインダクタ。
前記磁性金属膜が形状磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のインダクタ。
コイル全体が磁性金属膜で覆われてなるインダクタの製造方法において、前記磁性金属膜を基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成し、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタの製造方法。
磁性金属膜にコイルを巻き廻してなるインダクタの製造方法において、前記磁性金属膜を基板上に軟磁性金属粉末のエアロゾルを用いたエアロゾルデポジション法により形成し、前記軟磁性金属粉末が、カルボニル鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末から選ばれる少なくとも１種であり、前記軟磁性金属粉末の平均粒径が、２〜１０μｍであることを特徴とするインダクタの製造方法。
前記軟磁性金属粉末は、表面がＳｉＯ_２層で被覆されていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載のインダクタの製造方法。
前記磁性金属膜が形状磁気異方性を有することを特徴とする、請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載のインダクタの製造方法。