JP7336980B2 - 磁性合金粉及びその製造方法、並びに磁性合金粉から作られるコイル部品及びそれを載せた回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、磁性合金粉及びその製造方法、並びに磁性合金粉をから作られるコイル部品
及びそれを載せた回路基板に関する。

近年、電気電子機器の高性能化に伴い、インダクタ等のコイル部品には、性能の向上と小型化とが求められている。コイル部品の性能は、含有する磁性材料の量に影響されるため、含有する磁性材料の量の減少につながる部品の小型化を、高性能化と両立するためには、磁性材料の高性能化が必要である。

コイル部品のうち、比較的大きな電流が流れるものでは、電流によるインダクタンスの変化を小さくすることが求められる。該要求に応えるために、磁性材料としてＦｅを主成分とする金属を採用する動きが広がっている。

Ｆｅを主成分とする金属材料は、導電性を有するため、その粉末を成形して磁性体とする際には、該粉末を構成する粒子同士を電気的に絶縁する必要がある。このため、金属材料粉末を構成する各粒子の表面に絶縁性の皮膜を形成することが行われている。
例えば、特許文献１には、組成が重量％で９．４Ｓｉ５．２Ａｌｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉末を、酸素濃度が体積％で２％の酸素－窒素混合ガス雰囲気中にて８５０℃で１時間の条件で酸化処理して、絶縁性酸化皮膜を形成したこと等が報告されている。
また、特許文献２には、純鉄粉末の粒子表面にシリコーン樹脂層を形成し、成形した後、６００～６５０℃の温度で、非酸化雰囲気中で熱処理を行って、該粒子表面に絶縁皮膜を形成する技術思想が開示されている。
さらに、特許文献３には、Ｆｅ－１％Ｓｉアトマイズ合金粒子を、窒素ガスに水蒸気を混入して相対湿度１００％（常温）となるよう非常に低い酸素濃度の雰囲気中で４５０℃にて２時間酸化反応させて、結果として粒子表面に膜厚５ｎｍのＳｉＯ_２酸化膜からなる絶縁性ナノ薄膜を形成することが報告されている。

特開２００７－２９９８７１号公報 特開２０１５－７０２２２号公報 特開２００６－４９６２５号公報

特許文献１のように、金属磁性粉末を酸化雰囲気中で熱処理することにより絶縁性皮膜を形成する場合には、Ａｌ等のＦｅ以外の元素をある程度の量で金属中に含有する必要がある。このため、金属中のＦｅの含有量が相対的に少なくなり、十分な磁気特性が得られない問題があった。

他方、特許文献２のように、純鉄等のＦｅの含有量が多い金属磁性粉末を採用する場合には、金属中の成分の酸化により絶縁性皮膜を形成することが困難であるため、金属粒子表面の被覆等により別途絶縁性皮膜を形成する必要がある。このため、絶縁性皮膜が厚く形成されてしまい、成形した際に、絶縁性皮膜の厚みにより金属粒子間の距離が大きくなり、磁気特性が低下してしまう問題があった。また、金属粒子と絶縁性皮膜との接着強度が低いことに起因して、成形時に絶縁性皮膜の剥離や欠損等が起こる問題、及び被覆処理のコストが嵩む問題等もあった。

また、特許文献３のように、金属中に少量含まれるＦｅ以外の成分であるＳｉを弱酸化性雰囲気中で酸化させて絶縁膜を形成する場合には、ＳｉＯ_２酸化膜が薄くて脆いため、ハンドリング時に剥離や亀裂が発生し、金属部分が露出することにより、絶縁性が低下することがあった。また、金属部分が大気に曝されることにより、酸素と反応して酸化し易く、これも磁気特性が低下する原因となっていた。このため、成形体を作る場合のプレス圧力に制約が生じ、絶縁性と充填率との両立が困難となっていた。

そこで本発明は、前述の問題点を解決し、Ｆｅの含有量が多く、かつ絶縁性に優れる磁性合金粉、及びその簡便な製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、前述の問題点を解決するために種々の検討を行ったところ、Ｆｅの含有量が非常に多く、かつＳｉ及びＦｅよりも酸化し易いＳｉ以外の元素を含む磁性合金粉を、酸素の存在下で熱処理し、該磁性合金粉を構成する各粒子の表面に、Ｓｉに富む酸化物の膜を形成することで、該問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、前記課題を解決するための本発明の第１の実施形態は、合金相が酸化膜により被覆された磁性粒子で構成される磁性合金粉であって、前記合金相は、Ｆｅの含有量が９８質量％以上であるとともに、Ｓｉと、Ｆｅより酸化し易いＳｉ以外の元素（Ｍ元素）を少なくとも１種含み、前記酸化膜は、膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及び前記Ｍ元素の含有量のそれぞれよりも多いことを特徴とする、磁性合金粉である。

また、本発明の第２の実施形態は、合金相が酸化膜により被覆された磁性粒子で構成される磁性合金粉の製造方法であって、Ｆｅの含有量が９６．５質量％～９９質量％であるとともに、Ｓｉと、Ｆｅより酸化し易いＳｉ以外の元素（Ｍ元素）を少なくとも１種含む磁性合金の原料粉を準備すること、及び該原料粉を熱処理し、該原料粉を構成する各粒子の表面に酸化膜を形成して磁性合金粉を得ることを含み、前記磁性合金粉は、前記合金相におけるＦｅの含有割合が前記原料粉より高く、かつ前記酸化膜における膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及びＭ元素の含有量のそれぞれよりも多いことを特徴とする、磁性合金粉の製造方法である。

本発明によれば、合金中のＦｅの含有量が多く、かつ絶縁性に優れる磁性合金粉を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る磁性合金粉を構成する磁性粒子の構造を示す模式図 本発明の実施形態に係るコンポジットコイル部品の構造例の説明図 本発明の実施形態に係る巻線コイル部品の構造例の説明図（（ａ）：全体斜視図、（ｂ）：（ａ）におけるＡ－Ａ断面図） 本発明の実施形態に係る積層コイル部品の構造例の説明図（（ａ）：全体斜視図、（ｂ）：（ａ）におけるＢ－Ｂ断面図） 本発明の実施形態に係る薄膜コイル部品の構造例の説明図 実施例６に係る磁性合金粉及び原料粉における、酸化膜の膜厚方向の元素分布の測定結果（実線：磁性合金粉、点線：原料粉）

以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、数値範囲の記載（２つの数値を「～」でつないだ記載）については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。

［磁性合金粉］
本発明の第１の実施形態に係る磁性合金粉（以下、単に「第１実施形態」と記載することがある。）は、図１に示すように、合金相１が酸化膜２により被覆された磁性粒子１００で構成され、前記合金相１は、Ｆｅの含有量が９８質量％以上であるとともに、Ｓｉと、Ｆｅより酸化し易いＳｉ以外の元素（以下、「Ｍ元素」と記載することがある。）を少なくとも１種含み、前記酸化膜２は、膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及び前記Ｍ元素の含有量のそれぞれよりも多いことを特徴とする。

第１実施形態における合金相１は、構成元素としてＦｅを９８質量％以上含む。合金相部分のＦｅの含有量が多いことで、磁性体を形成した際に、透磁率等の磁気特性に優れたものとなる。合金相１におけるＦｅの含有量は、９９質量％以上とすることが好ましい。

前記合金相１は、Ｆｅに加えて、Ｍ元素を少なくとも１種含む。合金相１がＳｉを含むことで、磁性粒子の表面に電気的絶縁性が高く滑らかな表面を有する酸化膜２を形成できる。また、Ｍ元素を含むことで、合金相１の主成分であるＦｅの酸化を抑制し、磁性体を形成した際に、透磁率等の磁気特性が安定したものとなる。
Ｍ元素としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ又はＭｇ等が挙げられる。これらのうち、Ｆｅの酸化抑制効果が高い点で、Ｃｒ又はＡｌが好ましく、Ｃｒが特に好ましい。
Ｍ元素は、合金相１中に１種のみ含まれてもよく、２種以上が含まれていてもよい。

第１実施形態は、前記合金相１が酸化膜２により被覆された磁性粒子１００で構成される。
磁性粒子１００表面の酸化膜２は、膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及びＭ元素の含有量のそれぞれよりも多い。このことは、酸化膜２が、構成元素としてＳｉを最も多く含む薄層を有することを意味する。このような薄層は絶縁性に優れるため、これを有する酸化膜２及び磁性粒子１００は、高い絶縁性を示す。
磁性粒子１００表面の酸化膜２は、好ましくは、Ｓｉの総含有量が、Ｆｅの総含有量及び前記Ｍ元素の総含有量のそれぞれより多い。酸化膜２が、Ｓｉに富むことで、より高い絶縁性が得られる。
また、酸化膜２は、Ｍ元素を含むことが好ましい。酸化膜２がＭ元素を含むことで、その内部に位置する合金相１中のＦｅの酸化を抑制し、磁性体を形成した際に、透磁率等の磁気特性が安定したものとなる。

ここで、合金相１及び酸化膜２における各元素の質量割合は、以下の方法で測定する。Ｘ線光電子分光分析装置（アルバック・ファイ株式会社製 ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ ＩＩ）を用いて、磁性合金粉を構成する磁性粒子表面における鉄（Ｆｅ）を始めとする各元素の含有割合（原子％）の測定と、該粒子表面のスパッタリングとを繰り返すことで、粒子の深さ方向（径方向）における各元素の分布を得る。各元素の含有割合の測定は、Ｘ線源として単色化したＡｌＫα線を用い、検出領域を１００μｍφとして、５ｎｍ毎に行う。また、スパッタリングの条件は、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用い、印加電圧を２．０ｋＶとし、スパッタ速度を約５ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ_２に換算した値）とする。測定により得られたＦｅの濃度分布（原子％）において、粒子の表面側から見た際に、測定点間の濃度差が初めて１原子％未満となった該測定点間を、合金相１と酸化膜２との境界とする。そして、該境界より浅い領域である酸化膜２及びこれより深い領域である合金相１について、元素の質量割合（ｍａｓｓ％）を算出する。

第１実施形態では、Ｓｉ及びＭ元素のうち、合金相１に含まれる全元素が、酸化膜２全体に含有されることが好ましい。これらの元素が酸化膜２全体に含有されることは、合金相１中の成分の拡散により酸化膜２が形成されたことを示すものといえる。該過程を経て酸化膜２が形成された磁性合金粉は、これを構成する粒子内で、各元素の分布が粒子内部から粒子の外周面に掛けて連続しているため、粒子内部に生じる応力を小さくできる。これにより、粒子自体の透磁率の低下を抑制できる。

ここで、Ｓｉ及びＭ元素のうち、合金相１に含まれる全元素が、酸化膜２全体に含有されることは、上述した合金相１及び酸化膜２における各元素の質量割合の測定によって得られる深さ方向（径方向）の各元素の分布において、酸化膜２とされた領域に位置する全測定点で、該各元素が全て検出されることで確認できる。

Ｓｉ及びＭ元素のうち、合金相１に含まれる全元素が、酸化膜２全体に含有される磁性粒子１００を得るためには、後述するように、磁性合金の原料粉を低酸素雰囲気中（概ね５ｐｐｍ～５００ｐｐｍ以下）で熱処理することが有効である。このような酸化雰囲気とすることで、急激な酸化反応は抑制される。これにより、Ｆｅより酸化し易い元素を選択的に酸化させることができる。特に、Ｆｅより酸化し易い元素として、Ｓｉの酸化を進めることができる。また、これ以上低い酸素雰囲気とした場合には、同じような酸化反応は得られるものの、熱処理の時間が長時間必要となり、また酸素の供給される範囲が限定的となり易く、粒子同士の接触の有無による酸化反応のバラツキの原因となってしまう。このためにも、前述のような低酸素雰囲気とすることが好ましい。

第１実施形態では、酸化膜２は１０ｎｍ以上の厚みを有することが好ましい。酸化膜２の厚みを１０ｎｍ以上とすることで、磁性粒子１００間の電気的絶縁性をより高めることができる。これに加えて、ハンドリング時に酸化膜２が損傷しても合金相１が大気に接することを防止するとともに、大気中の酸素の拡散による金属部分への到達を抑制することで、Ｆｅの酸化による磁気特性の低下を抑制できる。酸化膜２の厚みは、２０ｎｍ以上がより好ましい。
酸化膜２の厚みの上限は特に限定されないが、５００ｎｍ以下とすることが好ましい。酸化膜２の厚みを５００ｎｍ以下とすれば、酸化膜２の表面の平滑性を維持できる。５００ｎｍより厚くなると、Ｓｉ以外の成分の割合が多くなり、これに伴い表面に凹凸ができ易くなる。酸化膜２の厚みは、２００ｎｍ以下とすることがより好ましい。酸化膜２の厚みを２００ｎｍ以下とすることで、ハンドリング時に、粒子の衝突等による酸化膜２の割れや欠けの発生を抑制できる。また、磁性体を形成した際に、高い透磁率が得られる。酸化膜２の厚みは、１００ｎｍ以下がより好ましい。さらに、磁性粒子１００表面の平滑性を高めて流動性に優れる磁性合金粉とする点からは、酸化膜２の厚みを５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

ここで、酸化膜２の厚みは、磁性合金粉を構成する磁性粒子１００の断面を走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）（日本電子株式会社製 ＪＥＭ－２１００Ｆ）にて観察し、粒子内部の合金相１とのコントラスト（明度）の差異により認識される酸化膜２について、その厚みを、異なる粒子の１０箇所で、倍率５００，０００倍で測定し、平均値を求めることで算出する。

第１実施形態の粒径は特に限定されず、例えば、体積基準で測定した粒度分布から算出される平均粒径（メジアン径（Ｄ_５０））を０．５μｍ～３０μｍとすることができる。平均粒径は、１μｍ～１０μｍとすることが好ましい。この平均粒径は、例えば、レーザー回折／散乱法を利用した粒度分布測定装置を用いて測定することができる。

また、第１実施形態においては、比表面積Ｓ（ｍ^２／ｇ）と平均粒径Ｄ_５０（μｍ）との関係が下記式（１）を満たすことが好ましい。

この式は、比表面積Ｓ（ｍ^２／ｇ）の常用対数と平均粒径Ｄ_５０（μｍ）の常用対数とが直線関係になるという経験則に基づいて導出されたものである。粉末の比表面積の値は、これを構成する粒子表面の凹凸に加えて、該粒子の粒径の影響も受けるため、比表面積の値が小さい粉末であれば表面の凹凸の少ない滑らかな粒子で構成されているとは言えない。そこで、前記式（１）により、比表面積に対する粒子の表面状態の影響と粒径の影響とを分離し、前者の影響で小さな比表面積を有する磁性合金粉を、凹凸の少ない滑らかな表面を有するものとしたのである。ＳとＤ_５０との関係が前記式（１）を満たすことで、より流動性に優れる粉末となる。
比表面積Ｓ（ｍ^２／ｇ）と平均粒径Ｄ_５０（μｍ）との関係は、下記式（２）を満たすことがより好ましく、下記式（３）を満たすことがさらに好ましい。

ここで、比表面積Ｓは、全自動比表面積測定装置（株式会社マウンテック製 Ｍａｃｓｏｒｂ）により、窒素ガス吸着法を用いて測定・算出する。まず、ヒーター内で測定試料を脱気した後、測定試料に窒素ガスを吸着・脱離させることにより吸着窒素量を測定する。次いで、得られた吸着窒素量から、ＢＥＴ１点法を用いて単分子層吸着量を算出し、この値から、１個の窒素分子が占める面積及びアボガドロ数の値を用いて試料の表面積を導出する。最後に、得られた試料の表面積を該試料の質量で除すことで、粉末の比表面積Ｓを得る。

また、平均粒径Ｄ_５０は、レーザー回折／散乱法を利用した粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製 ＬＡ－９５０）により測定・算出する。まず、湿式フローセル中に分散媒としての水を入れ、事前に十分に解砕した粉末を、適切な検出信号が得られる濃度で該セル中に投入して粒度分布を測定する。次いで、得られた粒度分布におけるメジアン径を算出し、この値を平均粒径Ｄ_５０とする。

［磁性合金粉の製造方法］
本発明の第２実施形態に係る磁性合金粉の製造方法（以下、単に「第２実施形態」と記載することがある。）は、Ｆｅの含有量が９６．５質量％～９９質量％であるとともに、Ｓｉと、少なくとも１種のＭ元素とを含む磁性合金の原料粉を準備し、該原料粉を熱処理して、合金相が酸化膜により被覆された磁性粒子で構成される磁性合金粉を得るものである。そして、前記磁性合金粉を、前記合金相におけるＦｅの含有割合が前記原料粉より高く、かつ前記酸化膜における膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及びＭ元素の含有量のそれぞれよりも多いものとする。

第２実施形態で使用する磁性合金の原料粉は、構成元素としてＦｅを９６．５質量％～９９質量％含む。Ｆｅの含有量を９６．５質量％以上とすることで、後述する熱処理によりＦｅ含有量の高い合金相を備える磁性合金粉が得られ、磁性体を形成した際に、透磁率等の磁気特性に優れたものとなる。Ｆｅの含有量は、９７質量％以上とすることが好ましい。他方、Ｆｅの含有量を９９質量％以下とすることで、後述する熱処理によるＦｅの酸化を抑制し、透磁率等の磁気特性の低下を抑制できる。合金相におけるＦｅの含有量は、９８質量％以下とすることが好ましい。

前記原料粉は、Ｆｅに加えて、Ｓｉを含む。原料粉がＳｉを含むことで、後述する熱処理によって、磁性粒子の表面にＳｉに富む酸化膜を形成することができ、高い電気的絶縁性が得られる。
また、前記原料粉は、Ｍ元素を少なくとも１種含む。原料粉が、Ｍ元素を含むことで、後述する熱処理によってＭ元素が磁性粒子の表面に拡散し、Ｍ元素を含む酸化膜が形成される。これにより、Ｆｅの酸化を抑制し、透磁率等の磁気特性の低下を抑制できる。Ｍ元素の含有量は特に限定されないが、Ｆｅの酸化を効果的に抑制する点からは、０．２質量％以上とすることが好ましく、０．５質量％以上とすることがより好ましい。
Ｍ元素としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ又はＭｇ等が挙げられる。これらのうち、Ｆｅの酸化抑制効果が高い点で、Ｃｒ又はＡｌが好ましく、Ｃｒが特に好ましい。
Ｍ元素は、合金相中に１種のみ含まれてもよく、２種以上が含まれていてもよい。

原料粉の粒径は特に限定されず、例えば、体積基準で測定した粒度分布から算出される平均粒径（メジアン径（Ｄ_５０））を０．５μｍ～３０μｍとすることができる。平均粒径は、１μｍ～１０μｍとすることが好ましい。この平均粒径は、例えば、レーザー回折／散乱法を利用した粒度分布測定装置を用いて測定することができる。

第２実施形態では、原料粉を、酸素濃度が５ｐｐｍ～５００ｐｐｍの雰囲気中で熱処理することが好ましい。酸素濃度をこの範囲とすることで、Ｓｉの酸化を進めつつ、Ｓｉ以外の酸化を抑制することになる。これにより、Ｓｉを多く含む酸化膜を作ることができ、凹凸の少ない表面状態とすることができる。これに加えて、熱処理雰囲気中の酸素濃度を５ｐｐｍ以上とすることで、Ｓｉの磁性粒子表面への拡散を促進し、Ｓｉに富む、電気的絶縁性に優れた酸化膜を形成することができる。また、同時に、Ｍ元素の拡散も促進され、Ｍ元素を含む酸化膜となることで、合金中のＦｅの酸化を効果的に抑制できる。熱処理雰囲気中の酸素濃度は、５０ｐｐｍ以上とすることがより好ましく、１００ｐｐｍ以上とすることがさらに好ましい。また、熱処理を低酸素雰囲気下で行うことで、磁性粒子表面に、微細な凹凸の少ない滑らかな表面を有する酸化膜を形成できるため、熱処理雰囲気中の酸素濃度は５００ｐｐｍ以下とすることが好ましく、４００ｐｐｍ以下とすることがより好ましく、３００ｐｐｍ以下とすることがさらに好ましい。

原料粉の熱処理温度は、６００℃以上とすることが好ましい。熱処理温度を６００℃以上とすることで、原料粉を構成する個々の粒子の表面に、Ｓｉが十分に拡散し、電気的絶縁性の高い酸化膜を形成するとともに、合金相中のＦｅの含有割合が増加し、透磁率等の磁気特性が向上する。また、同時に、Ｍ元素も十分に拡散して該元素を含む酸化膜となることで、合金中のＦｅの酸化を効果的に抑制できる。熱処理温度は、６５０℃以上がより好ましく、７００℃以上がさらに好ましい。熱処理温度の上限は特に限定されないが、Ｆｅの過度の酸化を抑制して磁気特性に優れた磁性体を得る点で、８５０℃以下とすることが好ましく、８００℃以下とすることがより好ましく、７５０℃以下とすることがさらに好ましい。

原料粉の熱処理時間は、４時間以上とすることが好ましい。このような熱処理とすることで、Ｆｅの酸化を抑制しつつ、Ｆｅ以外の成分の酸化を進め、原料粉に対しＦｅの含有割合を高めることができる。このため、合金相の内部のＦｅの含有割合は増加することになり、磁気飽和特性を高めることができる。また、Ｓｉの酸化はさせつつも、合金相中にＳｉを残存させることで、透磁率と損失の特性を維持することができる。これは、微視的には、長時間の熱処理によって、原料粉に含まれるＳｉ及びＭ元素が磁性粒子表面に十分に拡散し、合金相中のＦｅの含有割合が増加して、透磁率等の磁気特性が向上することとして説明される。熱処理時間は、５時間以上とすることが好ましく、１０時間以上とすることがより好ましい。熱処理時間の上限については特に限定されないが、熱処理を短時間で終わらせて生産性を向上する点からは、熱処理時間を２４時間以下とすることが好ましく、１２時間以下とすることがより好ましい。

第２実施形態における熱処理は、バッチ処理であってもフロー処理であってもよい。フロー処理の例としては、磁性合金の原料粉を入れた複数の耐熱容器をトンネル炉中に断続的ないし連続的に投入し、所定の雰囲気及び温度に保持した領域を所定の時間で通過させる方法が挙げられる。

上述した第１実施形態及び第２実施形態によれば、Ｆｅの含有量が多く、かつ絶縁性に優れる磁性合金粉が得られる。該磁性合金粉によれば、高性能のコイル部品を得ることが可能となる。磁性合金粉から製造されるコイル部品のうち、いわゆるコンポジットコイル部品、すなわちコイル部と、該コイル部が埋設されたコア部とを有し、該コア部が磁性合金粉と樹脂とを含むものは、第１実施形態及び第２実施形態による前述のメリットが大きいため、磁気特性、耐久性及び信頼性に優れた部品となり、部品の小型化も可能である。また、このようなコイル部品を載せた回路基板の高性能化及び小型化も可能である。そこで、本発明の好ましい態様としてのコンポジットコイル部品及び回路基板について、第３実施形態及び第４実施形態として以下にそれぞれ説明する。

［コイル部品］
本発明の第３実施形態に係るコイル部品（以下、単に「第３実施形態」と記載することがある。）は、金属導体で構成されたコイル部と、軟磁性合金粒子を含む磁性基体とを含むコイル部品であって、前記軟磁性合金粒子が、第１実施形態に係る軟磁性合金粉を構成する軟磁性合金粒子であることを特徴とする。

コイル部の配置については、磁性基体中に埋設されていてもよい。また、磁性基体の周囲に巻回されていてもよい。

磁性基体は、第１実施形態に係る軟磁性合金粉を構成する軟磁性合金粒子を含有する。
磁性基体の構造については、軟磁性合金粒子に加えて樹脂を含有し、当該樹脂の作用で保形されるものでもよい。また、軟磁性合金粒子同士の前記酸化膜を介した結合により保形されるものでもよい。

第３実施形態としては、図２に示すようなコンポジットコイル部品、図３に示すような巻線コイル部品、図４に示すような積層コイル部品及び図５に示すような薄膜コイル部品などが例示される。

第３実施形態の製法としては、例えばコンポジットコイル部品の場合、典型的には、磁性合金粉と樹脂とを混合して混合物を調製した後、予め空心コイルを配置した金型等の成形型に該混合物を投入し、プレス成形した後、樹脂を硬化させて得られる。
使用する磁性合金粉については、上述したため説明を省略する。
使用する樹脂は、磁性合金粉の粒子同士を接着して成形及び保形できるものであれば、その種類に制限はなく、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の各種樹脂が使用できる。樹脂の使用量も制限されず、例えば磁性合金粉１００質量部に対して１～１０質量部とすることができる。第２実施形態のうち、原料粉を低酸素雰囲気中で熱処理する形態で得られた磁性合金粉を使用する場合は、該磁性合金粉末有する優れた流動性により、樹脂の使用量を低減して磁性合金粉の割合を多くすることができるため、樹脂の使用量は磁性合金粉１００質量部に対して３質量部以下とすることが好ましい。

磁性合金粉と樹脂との混合及び成形型への混合物の投入方法についても制限はなく、両者を混練した流動状態の混合物を成形型に投入する方法の他、表面に樹脂をコーティングした磁性合金粉の造粒粉を成形型に投入する方法等を採用できる。また、前記混合物の成形型の投入と後述するプレス成形とを合わせて行う方法として、シート状に成形した前記混合物をプレスにより成形型中に導入する方法を採用してもよい。

プレス成形の温度及び圧力についても制限されず、型内に配置された空心コイルの材質及び形状、投入された磁性合金粉の流動性、並びに投入された樹脂の種類及び量等に応じて適宜決定すればよい。
樹脂の硬化温度についても、使用する樹脂に応じて適宜決定すればよい。

第３実施形態に係る磁性基体は、軟磁性合金粉と樹脂との混合物をプレス成形した後、得られた成形体を樹脂の硬化温度より高い温度で熱処理して形成してもよい。この場合、熱処理によって樹脂が分解すると共に、軟磁性合金粒子表面の酸化膜が成長し、当該酸化膜により軟磁性合金粒子同士が結合する。なお、熱処理により樹脂成分はほぼ分解されるが、部分的に炭素は残っていてもよい。

このようにして得られた磁性基体に巻線を行えば、巻線コイル部品を得ることができる。巻線コイル部品も第３実施形態のコイル部品の１つの例である。

また、コイル部品が積層コイル部品である場合には、シート法を利用して製造することができる。シート法の手順としては、まず、軟磁性合金粉と樹脂とを混合して混合物を調製した後、これをドクターブレード法などでシート状に塗工し、これを裁断した後、レーザーなどで所定の位置にヴィアホールを作成し、所定の位置に内部パターンを印刷する。次いで、これらシートを所定の順序で積層し、熱圧着して積層体を得る。次いで、必要に応じ、当該積層体を、ダイシング機やレーザー切断機等の切断機を用いて、個々の部品のサイズに切断する。最後に、当該積層体を熱処理し、積層コイル部品を得る。積層コイル部品も第３実施形態のコイル部品の１つの例である。

さらに、コイル部品が薄膜コイル部品である場合には、フォトリソグラフィが採用できる。薄膜コイル部品も第３実施形態の１つの例である。

以上例示した製法の他、コイル部品の形状等に応じた公知の製法が採用できることは言うまでもない。

第３実施形態は、磁性合金粉として、Ｆｅの含有量が多く、かつ絶縁性に優れるものを用いているため、高性能のコイル部品となる。これにより、同じインダクタンスを得るのに必要な素子体積を小さくできるため、コイル部品を小型化することもできる。

［回路基板］
本発明の第４実施形態に係る回路基板（以下、単に「第４実施形態」と記載することがある。）は、第３実施形態に係るコイル部品を載せた回路基板である。
回路基板の構造等は限定されず、目的に応じたものを採用すればよい。
第４実施形態は、第３実施形態に係るコイル部品を使用することで、高性能化及び小型化が可能である。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
Ｆｅ９６質量％、Ｓｉ２質量％、Ｃｒ１質量％、Ａｌ１質量％の組成を有し、平均粒径が４．０μｍである磁性合金の原料粉を、ジルコニア製の容器に入れ、真空熱処理炉内に配置した。
次に、炉内を排気して酸素濃度を５ｐｐｍとした後、昇温速度５℃／ｍｉｎで６５０℃まで昇温し、５時間保持して熱処理を行った後、室温まで炉冷し、実施例１に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、上述した方法で測定したところ、Ｆｅ９８．０質量％、Ｓｉ１．０質量％、Ｃｒ０．８質量％及びＡｌ０．２質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、上述の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＳｉであり、また当該測定位置においてＣｒ及びＡｌを含有することが確認された。
さらに、得られた磁性合金粉について、磁性粒子の表面に形成された酸化膜の厚みを、上述の方法で測定したところ、２０ｎｍであった。

［実施例２］
熱処理時雰囲気の酸素濃度を１００ｐｐｍとした以外は実施例１と同様にして、実施例２に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｆｅ９８．１質量％、Ｓｉ０．８質量％、Ｃｒ０．７質量％及びＡｌ０．４質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＳｉであり、また当該測定位置においてＣｒ及びＡｌを含有することが確認された。
さらに、得られた磁性合金粉について、磁性粒子の表面に形成された酸化膜の厚みを、実施例１と同様の方法で測定したところ、４５ｎｍであった。

［実施例３］
熱処理における保持時間を１０時間とした以外は実施例１と同様にして、実施例３に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｆｅ９８．３質量％、Ｓｉ１．７質量％、Ｃｒ０．６質量％及びＡｌ０．４質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＳｉであり、また当該測定位置においてＣｒ及びＡｌを含有することが確認された。

［比較例１］
Ｆｅ９６質量％、Ｓｉ２質量％、Ｃｒ２質量％の組成を有し、平均粒径が４．０μｍである磁性合金の原料粉を、ジルコニア製の容器に入れ、熱処理炉内に配置した。
次に、大気雰囲気で昇温速度５℃／ｍｉｎで６５０℃まで昇温し、５時間保持して熱処理を行った後、室温まで炉冷し、比較例１に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、上述した方法で測定したところ、Ｆｅ９７．３質量％、Ｓｉ１．８質量％及びＣｒ０．９質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＣｒであり、また当該測定位置においてＳｉを含有することが確認された。

［比較例２］
磁性合金の原料粉として、Ｆｅ９８質量％及びＳｉ２質量％の組成を有し、平均粒径が４．０μｍであるものを使用した以外は実施例３と同様にして、比較例２に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、磁性粒子の表面に形成された酸化膜の厚みを、実施例１と同様の方法で測定したところ、３２０ｎｍであった。本比較例では、Ｍ元素が原料粉中に含まれないことにより、熱処理中にＳｉの酸化が進行し、酸化膜が厚く形成されたものと解される。

実施例１、２、３における原料粉と磁性合金粉との組成の対比から、熱処理によって合金相におけるＦｅの質量割合が増加し、逆にＳｉ、ＣｒないしＡｌの質量割合が減少したことが判る。磁性合金粉を構成する磁性粒子の表面に形成された酸化膜では、Ｓｉ、ＣｒないしＡｌの質量割合が合金相よりも高かったことから、熱処理によって合金相中のＳｉ、ＣｒないしＡｌが磁性粒子表面に拡散して酸化物を形成したといえる。
本実施例に係る磁性合金粉は、磁性粒子の合金相におけるＦｅの質量割合が高いため、電流に対してインダクタンスの変化が小さいコイル部品を形成可能なものといえる。これに加えて、磁性粒子の表面に、Ｓｉに富む酸化膜が形成されていることから、本実施例に係る磁性合金粉は、絶縁性に優れたものといえる。さらに、本実施例に係る磁性合金粉は、酸化膜中に、Ｍ元素であるＣｒ又はＡｌが含まれることで、耐酸化性に優れたものといえる。実際、本実施例に係る磁性合金粉を大気中で数日間放置した後、磁性粒子の組成及び酸化膜の厚みを測定したところ、変化は確認されなかった。

［実施例４］（コイル部品における評価）
実施例１に係る磁性合金粉を樹脂と混練した混合物を、空心コイルを配置した成形型中に充填し、プレス成形した後、加熱により樹脂を硬化して磁性体を得た。磁性体の表面に電極を形成し、コイルと導通させることでコイル部品とした。
得られたコイル部品は、磁性合金粉を構成する磁性粒子の構造、すなわち合金相におけるＦｅの質量割合が高く、粒子表面にＳｉに富む酸化膜が形成された構造から予想されたとおり、高い比透磁率及び飽和磁束密度、並びに優れた絶縁性を有していた。

［実施例５］
熱処理温度が磁性粒子の元素分布に及ぼす影響を検討するため、実施例５、６では、原料粉の熱処理温度を変更して磁性合金粉を製造した。
熱処理温度を７００℃とした以外は実施例１と同様にして、実施例５に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｆｅ９８．１質量％、Ｓｉ１．０質量％、Ｃｒ０．７質量％及びＡｌ０．２質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＳｉであり、また当該測定位置においてＣｒ及びＡｌを含有することが確認された。

［実施例６］
熱処理温度を７５０℃とした以外は実施例１と同様にして、実施例６に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｆｅ９８．３質量％、Ｓｉ１．１質量％、Ｃｒ０．４質量％及びＡｌ０．２質量％であった。
また、得られた磁性合金粉及び使用した原料粉のそれぞれについて、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定した。結果を図２に示す。図中では、実施例６に係る磁性合金粉の結果を実線で、使用した原料粉の結果を点線で、それぞれ示している。この結果から、膜厚方向の元素分布において、Ｓｉの含有量が最大となった測定位置（表面から６ｎｍ付近）での当該Ｓｉの含有量が、Ｆｅ及びＭ元素（ＣｒとＡｌの合量）より多いこと、及び当該測定位置においてＭ元素を含有することが確認された。

実施例１、５、６の対比から、熱処理温度が高温になるにつれて、磁性粒子の合金相中のＦｅの含有割合が増加することが確認された。この結果から、Ｆｅが過度に酸化しない範囲で熱処理温度を高くすることで、合金相中のＦｅの含有割合を高めて磁気飽和特性を改善できるといえる。

［実施例７］
本実施例では、原料粉に含まれるＭ元素が１種類のみでも、所期の微細構造を有する磁性合金粉が得られることを確認した。
原料粉として、Ｆｅ９６．５質量％、Ｓｉ２質量％、Ｃｒ１．５質量％の組成を有する磁性合金を使用した以外は実施例１と同様にして、実施例７に係る磁性合金粉を得た。
得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の合金相における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｆｅ９８．３質量％、Ｓｉ１．０質量％及びＣｒ０．７質量％であった。
また、得られた磁性合金粉について、これを構成する磁性粒子の酸化膜における各元素の質量割合を、実施例１と同様の方法で測定したところ、Ｓｉ含有量が最大となった測定位置において、最も多く含まれる元素はＳｉであり、また当該測定位置においてＣｒを含有することが確認された。

本発明は、合金相中のＦｅの含有量が多く、かつ絶縁性に優れる磁性合金粉が提供される。該磁性合金粉は、磁気特性に優れた磁性体及び高性能なコイル部品が形成できる点で、有用なものである。また、酸化膜がＭ元素を含む本発明の好ましい形態は、合金相中のＦｅが酸化しにくいため、安定した磁気特性が得られる点でも、有用なものである。

１００ 磁性粒子
１ 合金相
２ 酸化膜

Claims (16)

1. 合金相が酸化膜により被覆された磁性粒子で構成される磁性合金粉であって、
   前記合金相は、Ｆｅの含有量が９８質量％以上であるとともに、Ｓｉと、Ｆｅより酸化し易いＳｉ以外の元素（Ｍ元素）を少なくとも１種含み、
   前記酸化膜は、膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及び前記Ｍ元素の含有量のそれぞれよりも多い
   ことを特徴とする、磁性合金粉。
2. 前記酸化膜は、Ｓｉの総含有量が、Ｆｅの総含有量及び前記Ｍ元素の総含有量のそれぞれよりも多い、請求項１に記載の磁性合金粉。
3. 前記酸化膜は、前記Ｍ元素を含む、請求項１又は２に記載の磁性合金粉。
4. 前記酸化膜は、Ｓｉ及び前記合金相に含まれる全ての前記Ｍ元素を膜全体に含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁性合金粉。
5. 前記Ｍ元素が、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ又はＭｇである、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁性合金粉。
6. 前記Ｍ元素がＣｒを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁性合金粉。
7. 合金相が酸化膜により被覆された磁性粒子で構成される磁性合金粉の製造方法であって、
   Ｆｅの含有量が９６．５質量％～９９質量％であるとともに、Ｓｉと、Ｆｅより酸化し易いＳｉ以外の元素（Ｍ元素）を少なくとも１種含む磁性合金の原料粉を準備すること、及び
   該原料粉を熱処理し、該原料粉を構成する各粒子の表面に酸化膜を形成して磁性合金粉を得ること
   を含み、
   前記磁性合金粉は、
   前記合金相におけるＦｅの含有割合が前記原料粉より高く、かつ
   前記酸化膜における膜厚方向の元素分布において、質量割合で表したＳｉの含有量が最大となる箇所での当該Ｓｉの含有量が、当該箇所におけるＦｅの含有量及び前記Ｍ元素の含有量のそれぞれよりも多い
   ことを特徴とする、磁性合金粉の製造方法。
8. 前記軟磁性合金粉における前記酸化膜は、Ｓｉの総含有量が、Ｆｅの総含有量及び前記Ｍ元素の総含有量のそれぞれよりも多い、請求項７に記載の磁性合金粉の製造方法。
9. 前記合金相におけるＦｅの含有量が９８質量％以上である、請求項７又は８に記載の製造方法。
10. 前記熱処理を、酸素濃度が５ｐｐｍ～５００ｐｐｍの雰囲気中にて、６００℃～８５０℃の温度で４時間以上行う、請求項７～９のいずれか１項に記載の磁性合金粉の製造方法。
11. 前記熱処理を、前記酸化膜が前記Ｍ元素を含むように行う、請求項７～１０のいずれか１項に記載の磁性合金粉の製造方法。
12. 前記熱処理を、前記酸化膜がＳｉ及び前記合金相に含まれる全ての前記Ｍ元素を膜全体に含むように行う、請求項７～１１のいずれか１項に記載の磁性合金粉の製造方法。
13. 前記Ｍ元素が、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ又はＭｇである、請求項７～１２のいずれか１項に記載の磁性合金粉の製造方法。
14. 前記Ｍ元素がＣｒを含む、請求項７～１３のいずれか１項に記載の磁性合金粉の製造方法。
15. 金属導体で構成されたコイル部と、軟磁性合金粒子を含む磁性基体とを含むコイル部品であって、
    前記軟磁性合金粒子が、請求項１～６のいずれか１項に記載の磁性合金粉を構成する軟磁性合金粒子であることを特徴とする、
    コイル部品。
16. 請求項１５に記載のコイル部品を載せた回路基板。