JP6205149B2 - 非磁性材料および非磁性磁器組成物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層インダクタに用いられる非磁性材料とその非磁性材料を焼結させてなる非磁性磁器組成物の製造方法に関する。

周知のごとく、積層インダクタでは、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層されるとともに、各層の導体パターンが順次層間で接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成される。このような積層インダクタは、コイルの周囲が磁性体で囲まれているため、外部への磁気漏洩が少なく、比較的少ない巻数で必要なインダクタンスが得られる特徴があり、小型化、薄型化に適している。しかしながら、小さなコイル電流（励磁電流）でも磁性体の磁気飽和が生じるため、直流重畳電流が低電流領域にあってもインダクタンスが大きく変動する。つまり、直流重畳特性が悪いという問題があった。

そこで、以下の特許文献１に記載されている積層インダクタでは、一部の磁性層全体を電気絶縁性の非磁性層で置き換えることにより、積層インダクタ中に磁気的なギャップを介在させ、これによって磁気飽和レベルを高めて、トランスやチョークコイルなどとして大きな定格電流が得られるようにしている。そして、このような積層インダクタは、厚膜技術によって磁性層非磁性層のそれぞれに対応するペースト状のシートを電極パターンを形成する電極層を介して積層した積層体を焼成して得られた焼結体の表面に外部電極用ペーストを形成することで製造される。なお電極層は、融点が９６２℃の銀を導電体として用いるのが一般的であることから、磁性層や非磁性層にはＦｅを主体として９００℃以下での低温焼成が可能な材料が用いられる。例えば、磁性層を構成する磁性材料としては、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライトが用いられ、非磁性層を構成する非磁性材料としては、Ｚｎ系フェライトが用いられる。なお以下の特許文献２、３などには、積層インダクタに用いられる非磁性材料の組成について記載されている。

特開２００５−４５１０８号公報 特開２００７−９１５３８号公報 特開平０６−７７０２２号公報

積層インダクタを構成する磁性層と非磁性層は、それぞれ磁性材料からなるシート状のセラミックス（磁器組成物）と非磁性材料からなるシート状の磁器組成物である。そのため、磁性材料と非磁性材料の熱収縮特性が乖離していると焼成時に磁性層と非磁性層との界面にずれが生じ、焼結密度が低下する。もちろん電子部品としての寸法精度も劣化し製品としての品質の均一性を確保できない。

そのため、磁性層を構成する磁性材料が基本的にスピネル型のフェライトであることから、非磁性層を構成する非磁性材料についても組成中のＦｅ_２Ｏ_３の割合が５０ｍｏｌ％程度のスピネル型のフェライトを用いて磁性材料の熱収縮特性と大きく乖離しないようにしている。また、積層インダクタでは、磁性層と非磁性層との層間に電極パターンを形成しているため、その電極パターンにおいて短絡が発生しないように非磁性材料には十分に高い絶縁特性も要求されている。そして上記特許文献２や３には、積層インダクタの用途に適した非磁性材料の組成について記載されていた。

ところが、積層インダクタは、磁性層と非磁性層を含む積層体を磁器組成物として焼結させることで製造される電子部品であり、特許文献２や３に記載の非磁性材料を含め、従来の非磁性材料では、その焼成によって積層インダクタの直流重畳特性が劣化するという問題があることが判明した。具体的には、焼結時に磁性層に含まれるＮｉやＣｕなどの磁性体を含む物質が非磁性層のＦｅ_２Ｏ_３内に拡散し、非磁性層の物理的な厚さが同じでも磁気ギャップとして機能する非磁性層の厚さが実質的に減少し、期待されたほどの直流重畳特性が得られないという問題がある。また、磁性体の拡散も一様でないため、磁気ギャップとして機能する厚さも不均一となる。それによって積層インダクタの直流重畳特性が劣化するとともに、積層インダクタの特性が固体間で不均一になる。

そこで非磁性材料であるフェライトの組成において、Ｆｅ_２Ｏ_３以外の主要な成分であるＺｎの割合を増やすことが考えられるが、Ｚｎの割合を増やすと焼結温度が高くなり、焼結体として十分な密度を確保しようとすれば焼結温度が電極パターンを形成するＡｇの融点を超えてしまう。Ａｇの融点以下で低温焼成すると十分な密度が維持できず、磁性層と非磁性層との界面で熱収縮特性の不一致に起因する「ずれ」が発生し、電子部品としての寸法精度が劣化する。

本発明は以上のような問題に鑑みなされたもので、その主たる目的は、積層インダクタにおいて、磁性層からの磁性物質の拡散に起因する直流重畳特性の劣化を防止しつつ、低温焼成が可能な非磁性材料を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、積層インダクタにおいて磁気ギャップとして機能する非磁性層を構成する非磁性材料であって、
ａｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３とｂｍｏｌ％のＺｎＯとｃｍｏｌ％のＣｕＯからなる非磁性フェライト材料に、ｄｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３ を添加成分として含有し、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ≦４０、５≦ｃ≦１０、０＜ｄ≦１．５である、
ことを特徴とする非磁性材料としている。

本発明は、非磁性磁器組成物の製造方法にも及んでおり、当該製造方法に係る発明は、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ≦４０、５≦ｃ≦１０として、
ａｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３とｂｍｏｌ％のＺｎＯとｃｍｏｌ％のＣｕＯを混合して得た混合物を９００℃よりも低い温度で仮焼成するステップと、
前記仮焼成によって得た所定の粒度以下の粉末にさらに解砕するステップと、
０＜ｄ≦１．５として、前記所定の粒度以下の粉末に対してｄｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３を添加したものにバインダーを加えて造粒物を得るステップと、
前記造粒物を所定の形状の成形体に成形するステップと、
前記成形体を銀の融点以下の温度で焼成して焼結体を得るステップと、
を含むことを特徴とする非磁性磁器組成物の製造方法としている。

本発明の非磁性材料によれば、積層インダクタの非磁性層に適用した際に、低温焼成を可能としつつ、磁性層からの磁性体の拡散に起因する直流重畳特性の劣化を防止することができる。

非磁性材料を用いた焼結体の製造方法の一例を示す図である。 非磁性材料と磁性材料が含まれる焼結体の製造方法の一例を示す図である。 シート状の非磁材料とシート状の磁性材料とを積層してなる焼結体の製造方法の一例を示す図である。

＝＝＝本発明の技術思想＝＝＝
上述したように、従来の積層インダクタの非磁性層に用いられている非磁性材料では、磁性層からのＮｉやＣｕなどの磁性体が拡散するという現象により、期待された直流重畳特性が得られず、特性も不均一になるという問題があった。しかしこの現象は、積層インダクタが磁性層と非磁性層からなる焼結体である以上原理的に抑制することは不可能である。そこで本発明者は、磁性体の拡散自体を抑制するのではなく、拡散できる磁性体の量を制限することで直流重畳特性の劣化を最小限に抑制するという発想の転換を試みた。

概略的には、磁性材料も非磁性材料も主要な組成としてＦｅ_２Ｏ_３を含んでおり、磁性層からの磁性体が非磁性層のＦｅ_２Ｏ_３中に拡散することは不可避な現象であると判断し、その代わり、非磁性材料中のＦｅ_２Ｏ_３の割合を少なくして拡散できる磁性体の量を制限するという技術思想に想到した。もちろん、Ｆｅ_２Ｏ_３の割合を単純に少なくしただけでは十分な密度が得られない可能性がある。焼結性を確保するために非磁性材料の組成を安易に変えれば絶縁抵抗が増大することも考えられる。焼結させるための焼成温度がＡｇの融点を超えてしまう場合もある。本発明は、上記技術思想を出発点としつつ、想定される様々な問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果なされたものである。

そして本発明の実施例に係る非磁性材料では、焼結性を確保するための焼結助剤の種類や添加量が最適化されて、Ａｇの融点以下である９００℃での低温焼成でも従来と同等かそれ以上の密度が確保され、積層インダクタにおける非磁性層として十分に高い絶縁性能も有している。以下では、本発明の実施例に係る非磁性材料の組成について説明する。

＝＝＝非磁性材料の組成の最適化＝＝＝
本発明の実施例に係る非磁性材料の組成を規定するために、組成が異なる各種非磁性材料からなる焼結体、磁性材料と組成が異なる各種磁性材料との混合材料の焼結体、あるいは積層インダクタと同様に磁性層と組成が異なる各種磁性材料からなる非磁性層との積層体を焼成した焼結体をサンプルとして作製し、各種サンプルについて種々の特性を評価した。

＜サンプルの製造方法＞
本発明の実施例に係る非磁性材料の組成を規定するのにあたり、まずＦｅ_２Ｏ_３の割合を少なくしつつ、焼結体として十分に高い密度と絶縁体として十分に高い抵抗値が得られる条件を求めた。図１に当該条件を求めるためのサンプルの作製手順を示した。まず、Ｚｎ系フェライトの原料としてＦｅ_２Ｏ_３とＺｎＯ、およびサンプルに応じて焼結助剤となるＣｕＯを秤量した上で混合し（ｓ１→ｓ２→ｓ４またはｓ１→ｓ３→ｓ４）、その混合物（以下、非磁性フェライト材料）を７００〜８５０℃で仮焼成する（ｓ５）。その仮焼成によって得られた粉体をボールミルにて２０時間以上解砕し、最終的に１μｍ以下の粉体にする（ｓ６）。ここでサンプルに応じて解砕後の粉末に焼結助剤であるＢｉ_２Ｏ_３を混合する（ｓ７→ｓ８）。なお、Ｂｉ_２Ｏ_３はＣｕＯよりも焼結性を高める効果が高いため、非磁性フェライト材料とともに添加して仮焼成すると、その仮焼成時の温度で焼結してしまう可能性がある。そこでＢｉ_２Ｏ_３は仮焼成工程（ｓ５）の後に添加している。

そして解砕した粉体、あるいはその粉体と必要に応じて添加したＢｉ_２Ｏ_３との混合物にバインダーとしてＰＶＡ水溶液を加えて混合し、適宜な大きさの粒子径となるように造粒する（ｓ８→ｓ９またはｓ６→ｓ７→ｓ９）。さらにその造粒物を目的とする形状に成形する（ｓ１０）。ここではリング状に成形した。そして、その成形体をＡｇの融点以下である９００℃で焼成し、サンプルとなる焼結体を得た（ｓ１１）。

＜絶縁抵抗と密度＞
以下の表１に、各サンプルの組成と絶縁抵抗と密度を示した。

表１に示したように、作製したサンプルは、Ｚｎ系フェライトの主要な組成であるＦｅ_２Ｏ_３とＺｎＯに焼結助剤としてＣｕＯとＢｉ_２Ｏ_３のいずれか、あるいは両方が添加されたものである。ここでは、組成が異なる９種類のサンプル（サンプル１〜９）を作製した。

表１に示した各種サンプルにおいて、サンプル９は従来の非磁性材料に相当し、Ｆｅ_２Ｏ_３の割合が４９ｍｏｌ％で、残りの５１ｍｏｌ％が当該Ｆｅ_２Ｏ_３とともにＺｎ系フェライトの主成分であるＺｎＯと焼結助剤であるＣｕＯである。そして、ＣｕＯの含有量は、焼結体として十分軟密度である５．０ｇ/ｃｍ^２と１．０×１０^１０Ω（１．０×１０^４ＭΩ）以上の絶縁抵抗が得られるように１１ｍｏｌ％に調整されている。

一方、本発明の実施例に係る非磁性材料は、積層インダクタにおいて磁性層から非磁性層に拡散してくる磁性体の量を制限することで直流重畳特性の劣化を抑制するという技術思想に基づく組成が条件となることから、従来の非磁性材料に相当するサンプル９（以下、比較例１とも言う）以外のサンプル１〜８は、比較例１におけるＦｅ_２Ｏ_３の割合（４９ｍｏｌ％）よりも２０％程度低い４０ｍｏｌ％以下に設定した。ＺｎＯの割合については、ＺｎＯが焼成温度の上昇、すなわち低温焼成では密度が低下する要因であることを鑑み、敢えて比較例１に対して相対的に故意に増加させて一律に６０ｍｏｌ％に設定している。すなわち、ここでは不利な条件でも低温焼成によって十分に高い密度が得られる組成を見出すことを目的とした。ＣｕＯについては、Ｆｅ_２Ｏ_３の割合に応じてその割合を変えた。したがって、仮焼成の前に混合される原料であるＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯについては、各原料の割合を合計すると１００ｍｏｌ％となる。

表１に示した結果より、比較例１の絶縁抵抗と密度を基準として、その基準と同等以上となる条件について検討した。その結果、サンプルＣｕＯの割合が相対的に多かった４、５において絶縁抵抗が比較例１よりも２桁〜３桁程度低下した。また、サンプル２では、ＣｕＯの割合がサンプル９の１１ｍｏｌ％よりも低い１０ｍｏｌ％であったが、絶縁抵抗がサンプル９と同じであった。以上の結果から、ＣｕＯの割合が多いほどは絶縁抵抗が低下し、Ｆｅ_２Ｏ_３を４０ｍｏｌ％以下とした場合ではＣｕＯの割合を１０ｍｏｌ％以下にすれば比較例１と同等以上の十分な絶縁抵抗が得られることが分かった。

一方、密度については、Ｂｉ_２Ｏ_３が添加されていないサンプル４でのみがサンプル９の密度を下回った。またサンプル６〜８は、組成中にＣｕＯが含まれていなかったが密度はサンプル９の特性を上回った。したがって、Ｆｅ_２Ｏ_３とＺｎＯとＣｕＯからなる組成を１００ｍｏｌ％としたときにその組成中でＣｕＯは１０ｍｏｌ％以下であることが条件となり、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加は必要であってもＣｕＯは必要条件ではなく、Ｆｅ_２Ｏ_３とＺｎＯとＣｕＯからなる非磁性フェライト材料において０ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下が条件となる。

＜透磁率＞
つぎに、積層インダクタにおける磁性層から非磁性層へのＮｉなどの磁性体の拡散にともなう直流重畳特性の劣化を抑制するための条件を求めるために、非磁性材料の原料と磁性材料の原料とを含む一体的な焼結体をサンプルとして作製し、各サンプルの透磁率を測定した。図２はサンプルの作製手順を示す図であり、図１に示したサンプルの作製手順を基本としつつ、図１における非磁性フェライト材料を秤量する工程（ｓ１）とその非磁性フェライト材料の原料を混合する工程（ｓ４）が、非磁性フェライト材料とともにＮｉ−Ｚｎフェライト磁性材料（以下、磁性材料）の原料を秤量する工程（ｓ２１）と非磁性フェライト材料と磁性材料のそれぞれの原料を混合する工程（ｓ２２）に置換されている。また、ここでは全てのサンプルにおいて非磁性フェライト材料中にＣｕＯを含ませている。そして、図１における仮焼成工程（ｓ５）から焼成工程（ｓ１１）までは同じ手順（ｓ２３〜ｓ２９）となっている。なお、磁性材料の原料には「フェライト磁性粉末」などと呼ばれる市販品を用いることができる。

表２に各サンプルの組成と透磁率との関係を示した。

表２において、サンプル１６（以下、比較例２とも言う）は比較例１の組成に磁性材料の原料を加えて焼成したものであり、この比較例２の透磁率が表２に示した他のサンプル１０〜１５の透磁率を評価する上での基準となる。そして、磁性層から非磁性層への磁性体の拡散にともなう直流重畳特性の劣化が非磁性層におけるＦｅ_２Ｏ_３の量に依存すると考えられることから、サンプル１０〜１５ではＺｎフェライトにおけるＦｅ_２Ｏ_３の割合を変えている。またサンプル１０〜１５におけるＺｎフェライト中のＣｕＯについては、表１に示した結果から１０ｍｏｌ％以下としている。ここでは５ｍｏｌ％あるいは１０ｍｏｌ％としている。なお、サンプル１０〜１５におけるＢｉ_２Ｏ_３の添加量については、比較例２と同等の密度となるように調整した。磁性材料の原料の混合量については、比較例２における透磁率が６５となるように調整し、他のサンプル１０〜１５もこの比較例２と同じ量を混合している。

そして表２に示した各サンプルの透磁率から、ＺｎフェライトにおけるＦｅ_２Ｏ_３の割合が４０ｍｏｌ％より多いサンプル１０、１３、１４では、透磁率が比較例と同等以上であった。したがって、ＺｎフェライトにおけるＦｅ_２Ｏ_３の割合は４０ｍｏｌ％以下であることが条件となる。そして、表１に示した結果からＣｕＯの割合の上限が１０ｍｏｌ％であったことから、このときのＦｅ_２Ｏ_３の割合である３０ｍｏｌ％をＦｅ_２Ｏ_３の割合の上限として規定した。すなわち、仮焼成前の非磁性フェライト材料におけるＦｅ_２Ｏ_３の割合を３０ｍｏｌ％以上４０ｍｏｌ％以下、ＣｕＯの割合を０ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下、残りをＺｎＯとするとともに、仮焼成後にＢｉ_２Ｏ_３を添加して焼成すれば、比較例１と同等以上の絶縁抵抗と密度が確保できる。そして、非磁性フェライト材料にさらに磁性材料を混合して焼成して得た焼結体では透磁率が比較例２よりも減少していることから、上記組成を有する非磁性材料を積層インダクタの非磁性層として採用すれば直流重畳特性の劣化を防止することができる。

＜Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量＞
表１の結果から、Ｂｉ_２Ｏ_３を添加することは必須の条件であった。すなわち、Ｚｎフェライトに対して０ｗｔ％よりも多い量を添加する必要があった。しかし、Ｂｉ_２Ｏ_３は焼結性の向上効果が極めて高いため添加量が多すぎると、積層インダクタにおける磁性層の結晶性を阻害する可能性もある。具体的には、積層インダクタはシート状の磁性材料と非磁性材料とを電極パターンとなる電極層を介して積層した積層体を焼結させることで製造されるため、非磁性材料に多量のＢｉ_２Ｏ_３が添加されていると、磁性層や電極層に異常な粒成長が発生し、磁性層や電極層の強度や焼結性が変化してしまう可能性がある。Ａｇの焼結性が損なわれれば電極層の配線に短絡が発生する場合もある。そこでＢｉ_２Ｏ_３の最適添加量を求めるために、シート状の磁性材料とＢｉ_２Ｏ_３の添加量が異なるシート状の各種非磁性材料を積層した上で焼成した焼結体をサンプルとして作製した。図３に当該焼結体の製造方法を示した。基本的には図１に示した製造手順と同じであるが、ここでは非磁性材料と磁性材料を個別にシート状に成形し（ｓ３１〜ｓ３８、ｓ３９〜ｓ４１）、それらのシートを積層した上で焼結体に焼成している（ｓ４２、ｓ４３）。そして、その焼結体をＳＥＭなどを用いて観察し、磁性層における焼結性（結晶成長の状態）を評価した。

表３に各サンプルの組成と磁性層の焼結性との関係を示した。

表３に示したように、作製したサンプルは、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量の影響のみを発現させるためにＢｉ_２Ｏ_３以外の組成を全て同じにしている。またＢｉ_２Ｏ_３と同じ焼結助剤であるＣｕＯも含ませていない。そして表３に示したように、Ｂｉ_２Ｏ_３を２．０ｗｔ％および３．０ｗｔ％添加したサンプル１７および１８では磁性層の焼結性に異常が見られなかったが、４．０ｗｔ％添加したサンプル１９で異常があることが観察された。したがってＢｉ_２Ｏ_３の添加量の上限を３．０ｍｏｌ％以下と規定することができる。すなわち、本発明の実施例に係る非磁性材料におけるＢｉ_２Ｏ_３の最適添加量は非磁性フェライト材料に対して０ｗｔ％より多く３．０ｗｔ％以下なる。

＜ＣｕＯとＢｉ_２Ｏ_３＞
以上より、本発明の実施例に係る非磁性材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３とＺｎＯを主成分としつつ必要に応じてＣｕＯを含む非磁性フェライト材料にＢｉ_２Ｏ_３が添加されたものである。そして非磁性フェライト材料の組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３とＺｎＯとＣｕＯの割合の合計を１００ｍｏｌ％として、Ｆｅ_２Ｏ_３が３０ｍｏｌ％以上４０ｍｏｌ％以下、ＣｕＯが０ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下で、残りがＺｎＯであり、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量は非磁性フェライト材料に対して０ｗｔ％より多く３．０ｗｔ％以下である。

ところで、Ｂｉは高価なレアメタルであるため、非磁性材料中のＢｉ_２Ｏ_３の量は少ない方がより好ましい。そこで、焼結助剤であるＢｉ_２Ｏ_３を減量するともに非磁性フェライト材料の組成において同じ焼結助剤であるＣｕＯを可能な限り多くすることが考えられる。そして、表２のサンプル１１、２３，１５の組成からＣｕＯの割合を５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下とすると、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量の上限を１．５ｗｔ％まで少なくできることがわかる。

ｓ４ 原料混合工程、ｓ５ 仮焼成工程、ｓ６ 解砕工程、ｓ９ 造粒工程、ｓ１０ 成形工程、ｓ１１ 焼成工程

Claims (2)

1. 積層インダクタにおいて磁気ギャップとして機能する非磁性層を構成する非磁性材料であって、
   ａｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３とｂｍｏｌ％のＺｎＯとｃｍｏｌ％のＣｕＯからなる非磁性フェライト材料に、ｄｗｔ％のＢｉ_２Ｏ _３ を添加成分として含有し、
   ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ≦４０、５≦ｃ≦１０、０＜ｄ≦１．５である、
   ことを特徴とする非磁性材料。
2. 非磁性磁器組成物の製造方法であって、
   ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ≦４０、５≦ｃ≦１０として、
   ａｍｏｌ％のＦｅ_２Ｏ_３とｂｍｏｌ％のＺｎＯとｃｍｏｌ％のＣｕＯを混合して得た混合物を９００℃よりも低い温度で仮焼成するステップと、
   前記仮焼成によって得た所定の粒度以下の粉末にさらに解砕するステップと、
   ０＜ｄ≦１．５として、前記所定の粒度以下の粉末に対してｄｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３を添加したものにバインダーを加えて造粒物を得るステップと、
   前記造粒物を所定の形状の成形体に成形するステップと、
   前記成形体を銀の融点以下の温度で焼成して焼結体を得るステップと、
   を含むことを特徴とする非磁性磁器組成物の製造方法。

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