JP6907716B2 - 積層型インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、積層型インダクタに関する。

近年、主に電源回路で使用されるパワーインダクタの小型化、低背化および大容量化の要求が高まっている。そして、要求に応えるためにフェライトを用いた従来のインダクタに代わって、飽和磁束密度が高い軟磁性金属粉を用いたインダクタが提案されている。

しかし、軟磁性金属粉は絶縁性が低い。そのため、軟磁性金属粉を特に高周波領域用のインダクタに用いる場合には磁性体の絶縁性が低下し、渦電流損失が増加し、インダクタンスＬおよびＱ値が低下してしまう。そのため、金属粒子間の絶縁性を高め、磁性体の絶縁性を高め、渦電流損失を低下させる方法が検討されてきた。

特許文献１には、周囲に酸化被膜を備える金属粒子を含む積層インダクタが記載されている。しかし、特許文献１に記載の金属粒子は酸化被膜を有するため硬度が上昇する。したがって、軟磁性合金粒子から成形体を作製する際に粒子が変形しにくく高密度化しにくい。また、成形時に必要な圧力も高くなるため、加工ひずみが大きくなってしまう。

特開２０１３−２５４９１７号公報

本発明は、磁性体の絶縁性が高く、高周波領域でのインダクタンスＬおよびＱ値も高い積層型インダクタを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の積層型インダクタは、
磁性体および導体を含む積層型インダクタであって、
前記磁性体はＦｅおよびＮｉを含む軟磁性合金粒子を含み、
前記軟磁性合金粒子が、複数の結晶子と、前記結晶子同士の間にある結晶粒界と、からなり、
前記結晶粒界に高抵抗層が存在することを特徴とする。

本発明に係る積層型インダクタは、上記の特徴を有することで磁性体の比抵抗ρ、高周波領域でのインダクタンスＬおよびＱ値が向上する。

本発明に係る積層型インダクタは、前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉを含んでもよい。

本発明に係る積層型インダクタは、前記高抵抗層がＳｉを含んでもよい。

本発明に係る積層型インダクタは、前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉおよびＭを含み、
前記ＭがＣｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓ，ＮおよびＯから選択される一種以上であってもよい。

本発明に係る積層型インダクタは、前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉおよびＣｏを含んでもよい。

本実施形態に係る積層型インダクタの断面図である。 本実施形態に係る軟磁性合金粒子の概略図である。 本実施形態に係る軟磁性合金粒子の明視野像である。 本実施形態に係る軟磁性合金粒子の暗視野像である。 本実施形態に係る軟磁性合金粒子のＳｉマッピング画像である。 本実施形態に係る軟磁性合金粒子のＦｅマッピング画像である。 結晶粒界に高抵抗層が存在しない軟磁性合金粒子のＳｉマッピング画像である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づき説明するが、本発明の実施形態は下記の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態に係る積層型インダクタ１１は、素子１２と端子電極１３とを有する。素子１２は、磁性体１４を介してコイル導体１５が３次元的かつ螺旋状に形成されたグリーンの積層体を焼成して得られる。磁性体１４は、本実施形態に係る軟磁性合金粒子２を含む。素子１２の両端に端子電極１３を形成し、引出電極１５ａ、１５ｂを介して端子電極１３と接続することで積層型インダクタ１１が得られる。素子１２の形状に特に制限はないが、通常、直方体状とされる。また、その寸法にも特に制限はなく、用途に応じて適当な寸法とすればよい。また、コイル導体１５の材質にも特に制限はない。

磁性体１４に含まれる軟磁性合金粒子２は図２に示すように複数の結晶子４および結晶子４同士の間に存在する結晶粒界４ａからなり、結晶粒界４ａに高抵抗層が存在することを特徴とする。

軟磁性合金粒子の平均粒子径には特に制限はないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下である。

軟磁性合金粒子２はＦｅおよびＮｉを含む。具体的には、本実施形態に係る軟磁性合金粒子２（特に結晶子４）は、Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍ系等のＦｅおよびＮｉを含む軟磁性合金からなる。なお、前記ＭはＣｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓ，ＮおよびＯから選択される一種以上である。軟磁性合金はＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍ系の軟磁性合金からなることが好ましい。特にＭがＣｏのみであるＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｏ系の軟磁性合金からなることが最も好ましい。

なお、本願明細書では、例えばＦｅ−Ｎｉ系の軟磁性合金という場合には、ＦｅおよびＮｉのそれぞれの含有割合が軟磁性合金全体に対して１．０質量％以上であり、ＦｅおよびＮｉの他に単独で１．０質量％以上含有している元素がない場合を指す。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍ系の軟磁性合金という場合には、Ｆｅ，Ｎｉおよび特定の種類のＭのそれぞれの含有割合が軟磁性合金全体に対して１．０質量％以上であり、Ｆｅ，Ｎｉおよび前記特定の種類のＭの他に単独で１．０質量％以上含有している元素がない場合を指す。その他の種類の軟磁性合金についても同様である。

高抵抗層とは、結晶子４と比較して抵抗が高い層のことである。高抵抗層に含まれる元素の種類には特に制限はない。例えば、Ｓｉ，Ｂ，Ｎｂが挙げられる。特に高抵抗層にＳｉが含まれることが好ましい。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２におけるＦｅの含有割合には特に制限はない。好ましくは３９．５質量％以上６１．５質量％以下、さらに好ましくは４０．０質量％以上５３．５質量％以下である。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２におけるＮｉの含有割合には特に制限はない。好ましくは３８．０質量％以上６０．０質量％以下、さらに好ましくは４０．０質量％以上５５．０質量％以下である。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２におけるＳｉの含有割合には特に制限はない。高抵抗層にＳｉが含まれる場合、好ましくは０．５質量％以上１０．０質量％以下、さらに好ましくは１．５質量％以上５．０質量％以下である。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２におけるＢの含有割合には特に制限はない。例えば１．０質量％以下である。高抵抗層にＳｉおよびＢが含まれる場合、ＳｉおよびＢの含有割合の合計が好ましくは０．５質量％以上１０．０質量％以下、さらに好ましくは１．５質量％以上５．０質量％以下である。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２におけるＮｂの含有割合には特に制限はない。例えば５．０質量％以下である。また、高抵抗層にＮｂが含まれる場合には、Ｎｂの含有割合が０．５質量％以上３．０質量％以下であることが好ましい。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２における前記特定の種類のＭの含有割合には特に制限はない。好ましくは、１．０質量％以上１０．０質量％以下、さらに好ましくは１．０質量％以上５．０質量％以下である。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２が複数の結晶子４および結晶子４同士の間に存在する結晶粒界４ａからなることはＴＥＭにより明視野像（ＢＦ像）および／または暗視野像（ＤＦ像）を観察することで確認することができる。図３に本実施形態に係る軟磁性合金粒子２の明視野像を示す。図４に本実施形態に係る軟磁性合金粒子２の暗視野像を示す。

さらに、結晶粒界４ａが高抵抗層を含むことはＴＥＭ−ＥＤＳを用いて元素マッピングを行うことで確認することができる。図５に本実施形態に係る軟磁性合金粒子２のＳｉマッピング画像を示す。図６に本実施形態に係る軟磁性合金粒子２のＦｅマッピング画像を示す。図３〜図６から結晶粒界４ａにおいてＳｉ濃度が高くＦｅの濃度が低い高抵抗層が存在することが確認できる。なお、図３〜図６は後述する実施例１５の写真である。

なお、結晶粒界に高抵抗層が存在しない軟磁性合金粒子のＳｉマッピング画像を図７に示す。

高抵抗層の存在割合には特に制限はない。軟磁性合金粒子２の断面において、高抵抗層の面積が、結晶粒界４ａの面積に対して７０％以上であることが好ましい。

また、軟磁性合金粒子２の粒子表面２ａにおける酸化被膜の存在割合は少ないことが好ましい。具体的には、断面を観察した場合において粒子表面２ａの酸化被膜の厚さが５．０ｎｍ以下であることが好ましく、３．０ｎｍ以下であることが特に好ましい。

本実施形態に係る軟磁性合金粒子２は、結晶粒界４ａに高抵抗層を含むことにより、粒子表面２ａの酸化被膜が薄くても高い絶縁性を有し、比抵抗ρを向上させることができる。そして、粒子表面２ａの酸化被膜が薄いことで軟磁性合金粒子２の硬度を低下させ、加工性を向上させることができる。その結果、軟磁性合金粒子２を含む磁性体１４の密度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る軟磁性合金粒子２の結晶粒界４ａに高抵抗層が存在することにより、磁性体１４は渦電流損失が小さくなるため周波数特性も良好となる。その結果、軟磁性合金粒子２を磁性体１４に含む積層型インダクタ１１の高周波領域でのインダクタンスＬおよびＱ値も向上する。さらに、軟磁性合金粒子２を磁性体１４等に加工する場合、結晶粒界４ａに高抵抗層を含むことにより、加熱処理を行う工程で応力ひずみを緩和しつつ、結晶粒界４ａ内部の高抵抗層に含まれるＳｉ等を残留させることができる。その結果、軟磁性合金粒子２を磁性体１４に含む積層型インダクタ１１において高周波領域におけるインダクタンスＬおよびＱ値を向上させやすくなる。

さらに、結晶粒界４ａ内部に高抵抗層を構成するＳｉ等を残留させることができるため、加熱処理を行う工程で粒子表面２ａにＳｉ等の酸化被膜が形成されにくくなる。その結果、軟磁性合金粒子２を磁性体１４に加工する場合に密度を向上させることができる。そして、インダクタンスＬをさらに向上させることができる。

本実施形態に係る軟磁性合金粉は、本実施形態に係る軟磁性合金粒子２を含む。本実施形態に係る軟磁性合金粉は本実施形態に係る軟磁性合金粒子２のみからなる必要はなく、結晶粒界に高抵抗層が含まれない軟磁性合金粒子が含まれていてもよい。本実施形態に係る軟磁性合金粉における軟磁性合金粒子２の含有割合は粒子数基準で９０％以上であることが好ましい。

以下、本実施形態に係る軟磁性合金粒子からなる軟磁性合金粉、および積層型インダクタの製造方法の一例について説明するが、本実施形態に係る軟磁性合金粉、および積層型インダクタの製造方法は下記の方法に限定されない。

まず、軟磁性合金粉の原料を準備する。準備する原料は金属等の単体でもよく、合金でもよい。原料の形態にも特に制限はない。例えば、インゴット、チャンク（塊）、またはショット（粒子）が挙げられる。

次に準備した原料を秤量して混合する。この際、最終的に目的とする組成の軟磁性合金粉が得られるように秤量する。そして、混合した原料を溶融、混合して融液を得る。溶融、混合に用いる器具に特に制限はない。例えばルツボ等が用いられる。

そして、融液から軟磁性合金粉を作製する。融液から軟磁性合金粉を作製する方法には特に制限はないが、例えば水アトマイズ法を用いることができる。具体的には、融液をノズル等で噴出させ、噴出した融液に高圧水流を衝突させて急冷することにより、軟磁性合金粉を作製することができる。

次に、得られた軟磁性合金粉に熱処理を行う。この際に適切な熱処理条件で熱処理を行うことにより、結晶粒界に高抵抗層を偏析させることができる。

好ましい熱処理条件は目的とする軟磁性合金粉の組成により変化するが、通常は熱処理温度を３００℃以上８００℃未満、好ましくは５００℃以上６００℃以下とする。熱処理時間を１０分以上３時間以下、好ましくは３０分以上２時間以下とする。さらに、熱処理後の徐冷速度を通常は３０℃／時間以上３００℃／時間以下、好ましくは５０℃／時間以上１００℃／時間以下とする。また、熱処理雰囲気には特に制限はないが、通常は窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とする。

熱処理温度が高く熱処理時間が長いほど結晶粒界に高抵抗層を偏析させやすくなる。しかし、熱処理温度が高すぎ、熱処理時間が長すぎる場合には高抵抗層を構成する元素が固溶しやすくなり、高抵抗層が偏析しにくくなる傾向にある。また、徐冷速度が遅いほど結晶粒界に高抵抗層が偏析しやすくなる傾向がある。しかし、徐冷速度が遅すぎる場合には高抵抗層を構成する元素が固溶しやすくなり、高抵抗層が偏析しにくくなる傾向にある。

以上の方法により本実施形態に係る軟磁性合金粒子からなる軟磁性合金粉を得ることができる。また、本実施形態に係る軟磁性合金粉に対して通常用いられる方法により圧粉磁芯および積層型インダクタを得ることができる。圧粉磁芯および積層型インダクタを得る方法には特に制限はない。

以下、本実施形態に係る積層型インダクタの製造方法の一例としてシート法について説明する。

本実施形態に係る軟磁性合金粉を、溶媒やバインダ等の添加剤とともにスラリー化し、ペーストを作製する。そして、このペーストを用いて、焼成後に磁性体となるグリーンシートを形成する。次いで、形成されたグリーンシートの上に、コイル導体となる銀（Ａｇ）等を所定のパターンで形成する。続いて、コイル導体パターンが形成されたグリーンシートを複数積層した後に、スルーホールを介して各コイル導体パターンを接合することで、コイル導体が３次元的かつ螺旋状に形成されたグリーンの積層体が得られる。

得られた積層体に対し、熱処理（脱バインダ工程および焼成工程）を行うことにより、バインダを除去し、軟磁性金属粉末に含まれる軟磁性金属粒子が軟磁性金属焼成粒子となり、互いに接続されて固定された（一体化した）焼成体としての積層体を得る。脱バインダ工程における保持温度は、バインダが分解してガスとして除去できる温度であれば、特に制限されないが、本実施形態では、３００℃以上４５０℃以下であることが好ましい。また、脱バインダ工程における保持時間も特に制限されないが、本実施形態では、３０分以上２．０時間以下であることが好ましい。

焼成工程における保持温度は、軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子が互いに接続される温度であれば、特に制限されないが、本実施形態では、５５０℃以上８００℃未満であることが好ましい。また、焼成工程における保持時間も特に制限されないが、本実施形態では、３０分以上３．０時間以下であることが好ましい。

続いて、焼成体としての積層体に端子電極１３を形成することにより、図１に示す積層型インダクタ１１が得られる。

以下、本発明を実施例および比較例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、以下に示す実施例では、軟磁性合金粉から圧粉磁芯および積層型インダクタを作製し、圧粉磁芯および積層型インダクタの特性を測定している。

［軟磁性合金粉の調製］
まず、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ単体、Ｎｉ単体、Ｃｏ単体、Ｃｒ単体、Ｍｎ単体およびＳｉ単体のインゴット、チャンク、またはショットを準備した。次にそれらを、表１に示す組成となるよう混合して、水アトマイズ装置内に配置されたルツボに収容した。次いで、不活性雰囲気中、ルツボ外部に設けたワークコイルを用いて、ルツボを高周波誘導により１５００℃以上まで加熱し、ルツボ中のインゴット、チャンク又はショットを溶融、混合して融液を得た。

次いで、ルツボに設けられたノズルから、ルツボ内の融液を噴出すると同時に、噴出した融液に１００ＭＰａの高圧水流を衝突させて急冷することにより、表１に示す各実施例および比較例の元素からなる軟磁性合金粉を作製した。なお、全ての実施例および比較例で軟磁性合金粒子の平均粒子径は４．７μｍとなった。

さらに、得られた軟磁性合金粉に対して熱処理を施した。表１の全実施例および比較例１〜５では３００℃以上８００℃未満で１０分間以上３時間以下、熱処理し、熱処理後の徐冷速度は３０℃／時間以上３００℃／時間以下とした。具体的な熱処理条件は各軟磁性合金粉の組成により異なる。なお、比較例６では、９００℃で６０分、熱処理を行い、熱処理後の徐冷速度は２０℃／時間とした。

［圧粉磁芯の作製］
熱処理後の軟磁性合金粉に対し、バインダとしてのアクリル樹脂を添加し造粒粉を作製した。なお、各実施例および比較例の軟磁性合金成分に応じてアクリル樹脂の種類および添加量を適宜決定した。この造粒粉を用いて、外径１３ｍｍ×内径６ｍｍ×高さ３ｍｍであるトロイダル形状となるように、成形圧６ｔｏｎ／ｃｍ^２で成形した。 次に、大気雰囲気下で、成形体を４００℃に保持して脱バインダした後、大気雰囲気下で、脱バインダ後の成形体を焼成温度７００℃、焼成時間１時間の条件で焼成し、トロイダル形状の圧粉磁芯を得た。

［積層型インダクタの作製］
熱処理後の軟磁性合金粉を、溶媒、バインダ等の添加物と共にスラリー化し、ペーストを作製してグリーンシートを形成した。このグリーンシート上に所定パターンのＡｇ導体（コイル導体）を形成し、積層することにより、２．０ｍｍ×１．６ｍｍ×１．０ｍｍ形状のグリーンの積層インダクタを作製した。

次に、大気雰囲気下または不活性雰囲気下で、グリーンの積層インダクタを４００℃で脱バインダした後、大気雰囲気下または不活性雰囲気下で、脱バインダ後の積層インダクタを、焼成温度７００℃、焼成時間１時間の条件で焼成し、軟磁性金属焼成体を磁性体層として有する積層型インダクタを得た。

［各種評価］
（高抵抗層観察）
結晶粒界に高抵抗層が存在するか否か、および、高抵抗層に含まれる元素の種類は、ＴＥＭ（日本電子製：ＪＥＭ−２１００Ｆ）を用いて圧粉磁芯を切断して得られる断面を観察し、かつ、ＥＤＳを用いて元素マッピング分析することで特定した。結果を表１に示す。なお、本実施例では、圧粉磁芯を切断して得られる断面において、少なくとも１０個の軟磁性合金粒子を観察した。そして、結晶粒界に高抵抗層が存在する軟磁性合金粒子の個数を数え、結晶粒界に高抵抗層が存在する軟磁性合金粒子の割合が個数ベースで８０％以上である場合に、当該軟磁性合金粒子に高抵抗層が存在するとした。

（粒子表面観察）
粒子表面に酸化被膜が形成されているか否かについて観察した。

（密度測定）
密度はアルキメデス法により測定した。６．００ｇ／ｃｍ^３以上を良好とした。

（比抵抗測定）
各実施例および比較例の圧粉磁芯における比抵抗は、圧粉磁芯の両面にＩｎ−Ｇａ電極を塗布した後、ウルトラハイレジスタンスメーター（ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社製：Ｒ８３４０）を用いて測定した。結果を表１に示す。なお、本実施例では比抵抗１．０×１０^３Ωｍ以上を良好とし、１．０×１０^４Ωｍ以上をさらに良好とした。

（インダクタンスＬおよびＱ値の測定）
各実施例および比較例の積層型インダクタについて、周波数２ＭＨｚでのインダクタンスＬおよびＱ値を測定した。インダクタンスＬおよびＱ値の測定にはＬＣＲメーター（ＨＥＷＬＥＴＴ ＰＡＣＫＡＲＤ社製：４２８５Ａ）を用いた。結果を表１に示す。なお、本実施例ではインダクタンスＬが０．７０μＨ以上である場合を良好とし、１．００μＨ以上である場合をさらに良好とした。また、Ｑ値が４０以上である場合を良好とし、５０以上である場合をさらに良好とした。

（ビッカース硬度の測定）
各実施例および比較例の圧粉磁芯について、超微小押し込み硬さ試験機（エリオニクス社製：ＥＮＴ１１００ａ）を用いてビッカース硬度を測定した。結果を表１に示す。圧粉磁芯の成形容易性の観点から、ビッカース硬度は低いほど好ましい。本実施例では、ビッカース硬度が２５０ＨＶ以下である場合を良好とし、１８０ＨＶ以下である場合をさらに良好とした。ただし、ビッカース硬度は２５０ＨＶ超であってもよい。

ＦｅおよびＮｉを含む軟磁性合金粒子を用い、高抵抗層が軟磁性合金粒子の結晶粒界に存在する実施例では、比抵抗ρ、インダクタンスＬおよびＱ値が良好であった。さらに、粒子表面の酸化被膜が薄い実施例ではビッカース硬度および密度も良好であった。

これに対し、高抵抗層が結晶粒界に存在しない比較例（比較例１〜６）では、比抵抗ρ、インダクタンスＬおよび／またはＱ値が悪化した。また、比較例のうち軟磁性合金成分としてＳｉを含む比較例１〜３および６では粒子表面にＳｉを含む厚い酸化被膜が存在した。

粒子表面にＳｉを含む厚い酸化被膜が存在する比較例のうち、軟磁性合金粒子がＮｉを含むか、Ｓｉの含有量が比較的多い比較例２、３および６では比抵抗ρ、インダクタンスＬおよび／またはＱ値に加えて、ビッカース硬度および／または密度が劣る結果となった。軟磁性合金粒子がＮｉを含まず、Ｓｉの含有量も比較的少ない比較例１では、ビッカース硬度および密度は良好であったが比抵抗ρ、インダクタンスＬおよびＱ値が劣る結果となった。

軟磁性合金成分としてＦｅおよびＮｉ以外の成分を含有しない比較例４では、高抵抗層が結晶粒界に存在しなかった。軟磁性合金成分としてＳｉを含まずＣｕを含む点以外は実施例２と同条件である比較例５では、高抵抗層が結晶粒界に存在しない代わりにＣｕからなる層が結晶粒界に存在していた。

２・・・軟磁性合金粒子
２ａ・・・（軟磁性合金）粒子表面
４・・・結晶子
４ａ・・・結晶粒界
１１・・・積層型インダクタ
１２・・・素子
１３・・・端子電極
１４・・・磁性体
１５・・・コイル導体
１５ａ，１５ｂ・・・引出電極

Claims (5)

1. 磁性体および導体を含む積層型インダクタであって、
   前記磁性体はＦｅおよびＮｉを含む軟磁性合金粒子を含み、
   前記軟磁性合金粒子におけるＦｅの含有割合が３９．５質量％以上６１．５質量％以下であり、
   前記軟磁性合金粒子が、複数の結晶子と、前記結晶子同士の間にある結晶粒界と、からなり、
   前記結晶粒界に高抵抗層が存在することを特徴とする積層型インダクタ。
2. 前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉを含む請求項１に記載の積層型インダクタ。
3. 前記高抵抗層がＳｉを含む請求項１または２に記載の積層型インダクタ。
4. 前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉおよびＭを含み、
   前記ＭがＣｏ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓ，ＮおよびＯから選択される一種以上である請求項１〜３のいずれかに記載の積層型インダクタ。
5. 前記軟磁性合金粒子がさらにＳｉおよびＣｏを含む請求項１〜４のいずれかに記載の積層型インダクタ。

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