JPWO2016072428A1 - 積層コイル部品 - Google Patents

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Abstract

本発明は、Fe、Zn、VおよびNiを含み、さらにMnおよび/またはCuを含んでいてもよい磁性体部と、銅を含むコイル状の導体部とを有する積層コイル部品であって、磁性体部において、Fe2O3に換算したFe含有量、ZnOに換算したZn含有量、V2O5に換算したV含有量、およびNiOに換算したNi含有量、ならびに存在する場合、CuOに換算したCu含有量およびMn2O3に換算したMn含有量の合計に対して、Feの含有量が、Fe2O3に換算して、34.0〜48.5mol%であり、Znの含有量が、ZnOに換算して、6.0〜45.0mol%であり、Mnの含有量が、Mn2O3に換算して、0〜7.5mol%でありCuの含有量が、CuOに換算して、0〜5.0mol%であり、Vの含有量が、V2O5に換算して、0.5〜5.0mol%であることを特徴とする、積層コイル部品を提供する。本発明の積層コイル部品は、内部導体として銅を用いることができ、工業規模で大量に生産した場合であっても比抵抗のばらつきが少ない。

Description

本発明は、積層コイル部品に関し、より詳細には、銅を主成分とする導体部を有して成る積層コイル部品に関する。
積層コイル部品の内部導体として銅を用いる場合、銅が酸化しないような還元雰囲気で銅導体とフェライト材料(磁性体材料)とを同時焼成する必要があるが、このような条件下で焼成すると、フェライト材料のFeが3価から2価に還元され、積層コイル部品の比抵抗が低下する等の問題がある。したがって、一般的に、銀を主成分とする導体が用いられてきた。しかしながら、低抵抗であることや、銀よりも安価であること、マイグレーションを起こしにくいことを考慮すると、銅を主成分とする導体を用いることが好ましい。
特許文献1には、少なくともFe、Mn、Ni、及びZnを含有したフェライト磁器組成物であって、Cuの含有モル量がCuOに換算して0〜5mol%であり、かつ、FeをFeに換算したときの含有モル量xmol%、及びMnをMnに換算したときの含有モル量ymol%を(x,y)で表したときに、(x,y)が、A(25,1)、B(47,1)、C(47,7.5)、D(45,7.5)、E(45,10)、F(35,10)、G(35,7.5)、及びH(25,7.5)で囲まれる領域にあることを特徴とするフェライト磁器組成物が開示されている。このような構成のフェライト磁器組成物によれば、Cu系材料と同時焼成しても、Cuが酸化されたりFeが還元されたりすることを抑制することができ、これにより比抵抗ρの低下を招くこともなく、所望の絶縁性を確保することができる、とされている。
特開2013−53042号公報
本発明者らの研究により、特許文献1に記載のフェライト磁器組成物(積層コイル部品)においては、研究室規模では内部導体として銅を使用した場合であっても、良好な性能が得られるが、工業規模にスケールアップすると、比抵抗にばらつきが生じ、例えば外部電極にめっき処理を行う際に、磁性体部にまでめっきが成長するという問題が生じ得ることが分かった。
本発明の目的は、内部導体として銅を用いることができ、工業規模で大量に生産した場合であっても比抵抗のばらつきが少ない積層コイル部品を提供することにある。
本発明者らは、上記の比抵抗のばらつきの原因について検討した結果、内部導体として銅を用いる場合、積層体の焼成は低酸素雰囲気下(具体的には、Cu−CuO平衡酸素分圧下)で行われるが、大量に積層コイル部品を製造する場合には、焼成炉内での酸素分圧にばらつきが生じ、その結果、積層コイル部品の比抵抗にばらつきが生じることに気づいた。このように比抵抗にばらつきが生じると、比抵抗が小さな積層コイル部品において、外部電極のめっき処理を行う際に、磁性体部にまでめっきが成長するという問題が生じ得る。
焼成炉内での酸素分圧にばらつきは、以下のような原因によるものであると考えられる。積層コイル部品を大量に製造する場合、積層体を焼成するための焼成炉はその規模に応じて大きくなる。大きな焼成炉を用いる場合には、焼成炉内を均一な雰囲気とすることが難しく、排風の影響などにより焼成炉内の酸素分圧にばらつきが生じ得る。また、積層コイル部品の製造においては、上記の焼成前に、積層体中の有機バインダーを、300〜400℃の温度で加熱することにより燃焼させて除去する。内部導体として銅を用いる場合、この燃焼は、銅の酸化を防止するために低酸素雰囲気下で行われるので、有機バインダーが完全には燃焼せずに、積層体中に残留することがある。この残留有機バインダーが、焼成炉内で燃焼し、有機バインダーが酸素を奪うことから、局所的に酸素分圧が低い箇所が生じ得る。そして、酸素分圧が設定値よりも低くなった場所では、磁性体中の鉄が還元され、比抵抗が低下すると考えられる。
本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意検討した結果、磁性体に所定量のバナジウムを含有させ、鉄、亜鉛、マンガン、銅などの他の成分の量を調整することにより、積層コイル部品を大量生産し、焼成炉内に低酸素分圧である箇所が生じた場合であっても、めっき伸びの不良を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の1つの要旨によれば、Fe、Zn、VおよびNiを含み、さらにMnおよび/またはCuを含んでいてもよい磁性体部と、銅を含むコイル状の導体部とを有する積層コイル部品であって、
磁性体部において、Feに換算したFe含有量、ZnOに換算したZn含有量、Vに換算したV含有量、およびNiOに換算したNi含有量、ならびに存在する場合、CuOに換算したCu含有量およびMnに換算したMn含有量の合計に対して、
Feの含有量が、Feに換算して、34.0〜48.5mol%であり、
Znの含有量が、ZnOに換算して、6.0〜45.0mol%であり、
Mnの含有量が、Mnに換算して、0〜7.5mol%であり
Cuの含有量が、CuOに換算して、0〜5.0mol%であり、
Vの含有量が、Vに換算して、0.5〜5.0mol%である
ことを特徴とする、積層コイル部品が提供される。
本発明によれば、磁性体部におけるFeの含有量をFeに換算して34.0〜48.5mol%とし、Znの含有量をZnOに換算して6.0〜45.0mol%とし、Mnの含有量をMnに換算して0〜7.5mol%とし、Cuの含有量をCuOに換算して0〜5.0mol%とし、Vの含有量をVに換算して0.5〜5.0mol%とすることにより、内部導体として銅を用い、大量生産した場合であっても、めっき伸び不良が生じにくく、大量生産が可能な積層コイル部品が提供される。
図1は、本発明の1つの実施形態におけるコモンモードチョークコイルの概略斜視図である。 図2は、図1の実施形態におけるコモンモードチョークコイルの概略分解平面図であって、外部電極を省略した図である。
本発明の積層コイル部品(本実施形態においては、コモンモードチョークコイル)およびその製造方法について、以下、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明の積層コイル部品の構成、形状、巻回数および配置等は、図示する例に限定されないことに留意されたい。
図1および図2に示すように、本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、概略的には、磁性体部と、磁性体部に埋設された2つのコイル状の導体部とを有する積層体2を含んで成り、外部電極4a,4b,4c,4dが積層体2の外面に設けられている。
より詳細には、図2に示すように、磁性体部は、磁性体層6a〜6iが積層されて成る。導体部は、磁性体層上に形成された導体層8a〜8dおよび8a’〜8d’が、それぞれ、磁性体層に貫通して設けられたビアホール10a〜10eおよび10a’〜10f’を通って、コイル状に接続されている。
磁性体部は、Fe、Zn、VおよびNi、所望によりMnおよび/またはCuを含む焼結フェライトから成る。
導体部は、銅を含む導体から成るものであればよいが、銅を主成分として含む導体から成ることが好ましい。尚、導体における主成分とは、導体中において最も多く存在する成分を意味し、例えば、導体全体に対して、50質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、例えば95質量%以上、98質量%以上または99質量%以上である成分であり得る。好ましい態様において、上記導体部を構成する導体は、実質的に銅から成る。
外部電極4a〜4dは、特に限定されないが、通常、銅または銀を主成分として含む導体から成り、ニッケルおよび/またはスズなどがメッキされ得る。
上記した本実施形態のコモンモードチョークコイル1は、以下のようにして製造される。
まず、Fe、Zn、NiおよびVを含み、所望によりMnおよび/またはCuを含んでいてもよいフェライト材料を準備する。
フェライト材料は、Fe、Zn、NiおよびVを主成分として含み、必要に応じて他の主成分、例えばMnおよび/またはCuを含んでいてもよい。また、さらに添加成分を含んでいてもよい。通常、フェライト材料は、これらの主成分の素原料として、Fe、ZnO、NiO、V、MnおよびCuOの粉末を所望の割合で混合および仮焼して調製され得るが、これに限定されるものではない。
フェライト材料におけるFe(Fe換算)含有量は、34.0〜48.5mol%(主成分合計基準)である。Fe(Fe換算)含有量を48.5mol%以下とすることによって、Feの3価から2価への還元を抑制し、比抵抗の低下を抑制することができる。また、Fe(Fe換算)含有量を34.0mol%未満とすると、却って比抵抗の低下を招き、絶縁性を確保できなくなることから、34.0mol%以上であることが好ましい。
フェライト材料におけるZn(ZnO換算)含有量は、6.0〜45.0mol%(主成分合計基準)である。Zn(ZnO換算)含有量を6.0mol%以上とすることによって、高い透磁率を得ることができ、大きなインダクタンスを取得できる。また、Zn(ZnO換算)含有量を45.0mol%以下とすることによって、キュリー点の低下を回避でき、積層コイル部品の動作温度の低下を回避できる。
フェライト材料におけるV(V換算)含有量は、0.5〜5.0mol%(主成分合計基準)とする。V(V換算)含有量を0.5〜5.0mol%として積層体を焼成することによって、比抵抗を向上させることができ、さらに積層コイル部品間での比抵抗のばらつきを低減することができる。
本発明において、フェライト材料は、さらにCuを含んでいてもよい。フェライト材料におけるCu(CuO換算)含有量は、0〜5.0mol%(主成分合計基準)である。尚、Cuは必須成分ではなく、Cuの含有量は0であってもよい。一の態様において、フェライト材料におけるCu(CuO換算)含有量は、0.1〜5.0mol%である。Cuを含ませて積層体を焼成することによって、直流重畳特性を向上させることができる。
本発明において、フェライト材料は、さらにMnを含んでいてもよい。フェライト材料におけるMn(Mn換算)含有量は、0〜7.5mol%(主成分合計基準)である。尚、Mnは必須成分ではなく、Mnの含有量は0であってもよい。一の態様において、フェライト材料におけるMn(Mn換算)含有量は、0.1〜7.5mol%である。Mnを含有させることにより、磁性体の保持力が低減し、磁束密度が大きくなることから、透磁率を向上させることができ、さらに、MnはFeよりも優先的に還元されることから、Feの還元に起因する比抵抗の低下を回避することができる。
フェライト材料におけるNi(NiO換算)含有量は、特に限定されず、上述した他の主成分であるFe、Zn、V、CuおよびMnの残部とし得る。
フェライト材料における添加成分としては、例えばBiが挙げられるが、これに限定されるものではない。Bi含有量(添加量)は、主成分(Fe(Fe換算)、Zn(ZnO換算)、V(V換算)、Cu(CuO換算)、Mn(Mn換算)、Ni(NiO換算))の合計100重量部に対して、Biに換算して0.1〜1重量部とすることが好ましい。Bi(Bi換算)含有量を0.1〜1重量部とすることによって、低温焼成がより促進されると共に、異常粒成長を回避することができる。Bi(Bi換算)含有量が高すぎると、異常粒成長が起こり易く、異常粒成長部位にて比抵抗が低下し、外部電極形成時のめっき処理の際に、異常粒成長部位にめっきが付着するので好ましくない。
尚、磁性体部の焼結前後において、焼結前のフェライト材料の各種成分、例えば、CuO、Feは焼成によりその一部がそれぞれCuO、Feに変化することが起り得る。しかし、かかる焼結後の磁性体部における各主成分、例えばCuO換算含有量、Fe換算含有量は、それぞれ、焼結前のフェライト材料における各主成分、CuO含有量、Fe含有量と実質的に相違ないと考えて差し支えない。
上記のフェライト材料を用いて磁性体シートを準備する。例えば、フェライト材料を、バインダー樹脂および有機溶剤を含む有機ビヒクルと混合/混練し、シート状に成形することにより磁性体シートを得てよいが、これに限定されるものではない。
別途、銅を含む導体ペーストを準備する。市販で入手可能な、銅を粉末の形態で含む一般的な銅ペーストを使用できるが、これに限定されない。導体ペースト中の銅粉末の平均粒径D50(レーザー回折散乱法で求めた体積基準の累積百分率50%相当径)は、0.5〜10μmの範囲であることが好ましく、0.5〜5μmにすることがより好ましい。銅粉末の平均粒径D50をかかる範囲とすることにより、内部導体から磁性体への銅の拡散が促進され、好適な状態となり、磁性体の特定の領域において所定のCu含有量比を得ることができる。
そして、上記磁性体シート(磁性体層6a〜6iに対応する)を、銅を含む導体ペースト層(導体層8a〜8dおよび8a’〜8d’に対応する)を介して積層し、導体ペースト層が磁性体シートに貫通して設けられたビアホール(ビアホール10a〜10eおよび10a’〜10f’に対応する)を通ってコイル状に相互接続されている積層体(未焼成積層体であり、積層体2に対応する)を得る。
積層体の形成方法は、特に限定されず、シート積層法および印刷積層法などを利用して積層体を形成してよい。シート積層法による場合、磁性体シートに、適宜ビアホールを設けて、導体ペーストを所定のパターンで(ビアホールが設けられている場合には、ビアホールに充填しつつ)印刷して導体ペースト層を形成し、導体ペースト層が適宜形成された磁性体シートを積層および圧着し、所定の寸法に切断して、積層体を得ることができる。印刷積層法による場合、上記磁性フェライト材料をペーストとし、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムなどの基材の上に、磁性フェライトペースト、および導体ペーストを所定の順番で印刷し、磁性体ペースト層、導体ペースト層を形成することを適宜繰り返し、最後に所定の寸法に切断して、積層体を得ることができる。この積層体は、複数個をマトリクス状に一度に作製した後に、ダイシング等により個々に切断して(素子分離して)個片化したものであってよいが、予め個々に作製したものであってもよい。
次に、上記で得られた未焼成積層体を、所定の酸素分圧下で熱処理することにより、磁性体シートおよび銅を含む導体ペースト層を焼成して、それぞれ磁性体層6a〜6iおよび導体層8a〜8dおよび8a’〜8d’とする。これにより得られた積層体2において、磁性体層6a〜6iは磁性体部を形成し、導体層8a〜8dが1つのコイル状の導体部を形成し、導体層8a’〜8d’が、もう1つのコイル状の導体部を形成する。
上記焼成を行う際の酸素分圧は、好ましくはCu−CuO平衡酸素分圧以下(還元雰囲気)、より好ましくはCu−CuO平衡酸素分圧である。このような酸素分圧で未焼成積層体を熱処理することにより、導体部のCuが酸化するのを回避することができる。また、空気中で熱処理する場合よりも低温で未焼成積層体を焼結でき、例えば、焼成温度を950〜1100℃とし得る。本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、低酸素濃度雰囲気で焼成した場合、結晶構造中に酸素欠陥が形成され、かかる酸素欠陥を介してFe、Zn、V、Cu、Mn、Niの相互拡散が促進され、低温焼結性を高めることができるものと考えられる。
次に、上記で得られた積層体2の端面に、外部電極4a〜4dを形成する。外部電極4a〜4dの形成は、例えば、銅または銀の粉末をガラスなどと一緒にペースト状にしたものを所定の領域に塗布し、得られた構造体を、銅が酸化しない雰囲気下、例えば700〜850℃で熱処理して銅または銀を焼き付けることによって実施し得る。
以上のようにして、本実施形態のコモンモードチョークコイル1が製造される。
本発明の積層コイル部品は、バナジウムを含まない従来の積層コイル部品と比較して、比抵抗が向上し、さらに大量生産時に生じ得る酸素分圧のばらつきの影響を受けにくく、比抵抗のばらつきが低減され得る。本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、磁性体部にバナジウムを加えることによって、比抵抗が向上し、ばらつきが低減される理由は以下のように考えられる。比抵抗の低下は、Feが3価から2価に還元し、Bサイト間でホッピング伝導を起こすことが原因であると考えられる。ここにV(V)が存在すると、Vが5価から4価または3価に還元され、このVがBサイトに入ることによりホッピング伝導を抑制し、比抵抗が改善すると考えられる。
本発明の積層コイル部品の磁性体部の比抵抗(logρ)は、好ましくは7Ωcm以上であり得る。
好ましい態様において、本発明の積層コイル部品は、Cu−CuO平衡酸素分圧以下(還元雰囲気)で、磁性体部および導体部が同時に焼成される。Cu−CuO平衡酸素分圧以下で焼成されていることから、導体部の銅の酸化が防止される。また、上記したように磁性体部が特定の組成を有することにより、還元雰囲気下で同時焼成した場合であっても、磁性体部は高い比抵抗を維持することができる。
以上、本発明の1つの実施形態について説明したが、本発明は当該実施形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。例えば、積層体の一部に非磁性体層を設け、開磁路型とすることができる。非磁性体層は、コイルが形成する磁路を横切るように設置されればよく、コイル間またはコイル外のいずれに設置してもよい。非磁性体層としては、特に限定されないが、磁性体部と熱膨張係数が類似する材料、例えば、磁性体材料中のNiをZnで全量置換した材料を使用することができる。このような開磁路型の積層コイル部品によれば、より一層の直流重畳特性の向上を図ることができる。
実施例1
Fe、ZnO、V、NiO、MnおよびCuO粉末を組成が表1の試料No.1〜29に示す割合となるように秤量した。なお、試料No.2〜5、No.9〜14、No.17〜22およびNo.24〜30が本発明の実施例であり、試料No.1、6〜8、15、16、23および31(表中、記号「*」を付して示す)は比較例である。
Figure 2016072428
次いで、試料No.1〜31の各秤量物を、純水およびPSZ(Partial Stabilized Zirconia;部分安定化ジルコニア)ボールと共に、塩化ビニル製のポットミルに入れ、湿式で十分に混合粉砕した。粉砕処理物を蒸発乾燥させた後、750℃の温度で2時間仮焼した。これにより得られた仮焼粉を、エタノール(有機溶剤)およびPSZボールと共に、再び塩化ビニル製のポットミルに入れ、十分に混合粉砕し、さらにポリビニルブチラール系バインダ(有機バインダ)を加えて十分に混合して、セラミックスラリーを得た。次に、ドクターブレード法により、上記で得たセラミックスラリーを厚さ25μmのシート状に成形した。得られた成形体を縦50mm、横50mmの大きさに打ち抜いて、フェライト材料の磁性体シートを作製した。
次いで、磁性体シートを焼成後の厚みが0.5mmになるように積層し、60℃の温度、100MPaの圧力で1分間圧着し、圧着ブロックを作製した。得られた圧着ブロックから外径が20mm、内径が12mmのリング状の試料を金型で打ち抜いた。
これらの試料を焼成炉に入れ、窒素中400℃に加熱して十分に脱脂し、次に、N−H−HOの混合ガスにより酸素分圧をCu−CuO平衡酸素分圧に調整して、1000℃で2〜5時間保持して焼成した。
実施例2
レーザー加工機を使用し、実施例1で作製した磁性体シートの所定位置(図2に示した位置)にビアホールを形成した後、Cu粉末、ワニス、及び有機溶剤を含有したCuペーストをフェライトシートの表面にスクリーン印刷し、かつ前記Cuペーストをビアホールに充填し、コイルパターンを形成した。
このようにして作製したコイルパターンが形成されたフェライトシートとコイルパターンが形成されていないフェライトシートを図2のように積層し、60℃の温度、100MPaの圧力で1分間圧着し、圧着ブロックを作製した。そして、この圧着ブロックを所定のサイズに切断し、セラミック積層体を作製した。
このようにして作製したセラミック積層体を、200mm×200mmのZrO質のプレートにほぼ隙間なく並べ、このプレートを50枚準備し、焼成炉で窒素中400℃に加熱して十分に脱脂した。次に、量産時の酸素分圧のばらつきを想定して、N−H−HOの混合ガスにより酸素分圧をCu−CuO平衡酸素分圧の0.1倍の酸素分圧に調整し、1000℃で2〜5時間保持して焼成した。
次に、焼成したセラミック積層体の所定の位置にCu粉末、ガラスフリット、ワニス、及び有機溶剤を含有した銅ペーストを塗布し、これを銅が酸化しない雰囲気下、800℃で5分焼き付け、さらに電解めっきでNi、Snめっきを順に行い、外部電極を形成し、これにより磁性体部にコイル導体が埋設された図1に示す積層コイル部品(コモンモードチョークコイル)を作製した。作製した積層コイル部品は、長さ2.1mm、幅1.2mm、厚さ1.0mmであった。
(評価)
・透磁率μ
実施例1で作製したリング状の試料について、アジレント・テクノロジー社製の磁性体測定冶具(型番16454A−s)に入れて、アジレント・テクノロジー社製のインピーダンスアナライザ(型番E4991A)を用いて1MHzでの透磁率μの測定を行った。結果を表2に示す。
・めっき特性
実施例2で作製した各試料番号の試料について、各100個の試料表面を光学顕微鏡で観察し、外部電極の端の位置を始点として、めっきが最も伸びた位置までの距離を測定した。めっき伸びの長さが100μmを超える場合をめっき伸び不良とし、不良率を求めた。結果を表2に併せて示す。
Figure 2016072428
上記の結果から、フェライト材料において、Fe、Zn、Mn、CuおよびVの含有量を本発明の範囲とすることにより、実施例2のように量産時の酸素分圧のばらつきを想定してCu−CuO平衡酸素分圧の0.1倍の酸素分圧で焼成した場合であっても、めっき伸び不良が抑制されることが確認された。これにより、安定した量産が可能になると考えられる。
本発明によって得られる積層コイル部品は、例えば種々の電子機器において幅広く様々な用途に使用され得る。
1 コモンモードチョークコイル
2 積層体
4a〜4d 外部電極
6a〜6i 磁性体層
8a〜8d 導体層
8a’〜8d’ 導体層
10a〜10e ビアホール
10a’〜10f’ ビアホール

Claims (3)

  1. Fe、Zn、VおよびNiを含み、さらにMnおよび/またはCuを含んでいてもよい磁性体部と、銅を含むコイル状の導体部とを有する積層コイル部品であって、
    磁性体部において、Feに換算したFe含有量、ZnOに換算したZn含有量、Vに換算したV含有量、およびNiOに換算したNi含有量、ならびに存在する場合、CuOに換算したCu含有量およびMnに換算したMn含有量の合計に対して、
    Feの含有量が、Feに換算して、34.0〜48.5mol%であり、
    Znの含有量が、ZnOに換算して、6.0〜45.0mol%であり、
    Mnの含有量が、Mnに換算して、0〜7.5mol%であり
    Cuの含有量が、CuOに換算して、0〜5.0mol%であり、
    Vの含有量が、Vに換算して、0.5〜5.0mol%である
    ことを特徴とする、積層コイル部品。
  2. Mnの含有量が、Mnに換算して、0.1〜7.5mol%である、請求項1に記載の積層コイル部品。
  3. Cuの含有量が、CuOに換算して、0.1〜5.0mol%である、請求項1または2に記載の積層コイル部品。
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