WO2016152460A1

WO2016152460A1 - 金属磁性材料及び電子部品

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Publication number: WO2016152460A1
Application number: PCT/JP2016/056758
Authority: WO
Inventors: 山本　誠
Original assignee: 東光株式会社
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-09-29
Also published as: US11964325B2; CN107430919B; CN107430919A; JP2016178205A; KR20170117567A; KR101898834B1; JP6428416B2; US20180005738A1

Abstract

　樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜で被覆したり場合、絶縁性をより確実にするため、磁性材料以外の絶縁材料の量を多くすることが必要であり、磁性材料以外の体積を増加させることは磁気特性の劣化につながる。材料粒子にＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金を用い、このＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金粒子に形成された原料組成のみに由来する酸化物の絶縁膜を利用した場合、絶縁性が低く、十分な強度が得られない。樹脂含浸した場合には、コストが上昇するばかりか、製品の安定性を欠くため、実用性が低かった。　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加される。この磁性材料を用いて素体が形成される。素体の内部あるいは表面にコイルが形成される。

Description

金属磁性材料及び電子部品

　本発明は、電子回路に用いられるパワーインダクタ等に用いられる金属磁性材料と、それを用いた電子部品に関するものである。

　電源回路で使用されるパワーインダクタは、小型化、低損失化、大電流対応化が要求されており、これらの要求に対応すべく、その磁性材料に飽和磁束密度の高い金属磁性材料を使用することが検討されている。金属磁性材料は、飽和磁束密度が高いという利点があるが、その材料単体の絶縁抵抗は低く、電子部品の磁性体として使用するためには、材料粒子同士の絶縁を確保する必要がある。絶縁が確保できない場合、部品本体が導通する、又は、材料特性が劣化して、製品の損失が増加する。

　従来は、金属磁性材料を電子部品に用いるときに、樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜で被覆したりして、材料粒子同士の絶縁を確保することが行われていた。
　例えば、特開２０１０－６２４２４号公報には、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金の表面をＺｎＯ系ガラスで被覆した材料を真空、無酸素、低酸素分圧下で焼成する電子部品が記載されている。しかし、真空、無酸素、低酸素分圧下では、焼結を防ぐため、材料粒子の被覆を確実にする必要があり、ガラスの添加量を多くする必要があったり、材料粒子の被覆のためコストが上昇したりするといった問題がある。
　この様に、樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜で被覆したりする従来の手法では、絶縁性をより確実にするため、磁性材料以外の絶縁材料の量を多くすることが必要であり、磁性材料以外の体積を増加させることは磁気特性の劣化につながるという問題があった。

　また、材料粒子に原料組成のみに由来する酸化物の層を形成する技術が開示されている（特許第４８６６９７１号公報、特許第５０８２００２号公報）。この手法では、材料粒子にＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金を用い、このＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金粒子に形成された原料組成のみに由来する酸化物の絶縁膜を利用するので、磁気特性の劣化は小さい。しかし、材料粒子にＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ合金を用いているため、形成される絶縁膜の絶縁性が低かったり、十分な強度が得られなかったりする場合があった。

　そこで、粒子に原料組成のみに由来する酸化物の層を形成し、これに樹脂含浸する等の手法も開示されている（特開２０１２－２３８８４１号公報）。しかし、含浸等の手法は、コストが上昇するばかりか、製品の安定性を欠くため、実用性が低かった。

　電子部品用の金属磁性材料は、磁性粒子同士を、最小の絶縁層で絶縁して、高い絶縁性を確保する必要がある。また、絶縁膜は電気的、機械的にも強固である必要がある。さらに、材料粒子内の組成を均一に保つ必要がある。しかしながら、前述の様に、いずれの従来技術であっても、何らかの未解決な問題点を有していた。

　本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、絶縁を確実に行え、かつ、飽和磁束密度の高い金属磁性材料と、この金属磁性材料を用いた低損失、かつ、直流重畳特性の良好な電子部品を提供する。

　本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加されている。
　また、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加され、熱処理により亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成されている。
　さらに、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加され、熱処理により亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成され、反応物による金属磁性合金粉末との酸化物が存在している。
　またさらに、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加され、熱処理により亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成され、反応物が金属磁性合金粉末の表面近傍に形成されている。

　本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、素体内に亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成され、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されている。
　また、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、金属磁性合金粉末の表面近傍に、亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が析出し、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されている。
　さらに、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、素体を熱処理することにより、素体内に亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成され、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されている。
　またさらに、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、素体を熱処理することにより、金属磁性合金粉末の表面近傍に、亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が析出され、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されている。

　本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加されているので、簡便な方法で、絶縁を確実に行え、かつ、飽和磁束密度を高くすることができる。
　また、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、素体内に亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成され、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されているので、低損失、かつ、直流重畳特性の良好な、高い強度を有するものとすることができる。

本発明による電子部品の実施形態を示す斜視図である。図１の分解斜視図である。比較実験を行った実施例と比較例の組成と比較実験結果をまとめて示した表である。実施例２と比較例２の特性を示すグラフである。

　本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加される。これを熱処理することにより、亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成される。この反応物は、金属磁性合金粉末を構成する元素との酸化物として存在し、金属磁性合金粉末の表面近傍に形成される。
　従って、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、亜鉛を添加し、その量を調整することにより、材料粒子の原料組成由来以外の物質を生成させることができ、材料粒子に原料組成由来の酸化物で絶縁膜を形成する従来のものよりも効率よく絶縁できる。
　また、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成される。この素体を熱処理することにより、素体内に、添加された亜鉛と、金属磁性合金粉末の反応物が生成される。この反応物は、金属磁性合金粉末を構成する元素との酸化物として存在し、金属磁性合金粉末の表面近傍に形成される。素体の内部あるいは表面にはコイルが形成される。
　従って、本発明の一又はそれ以上の実施の形態は、亜鉛を添加し、その量を調整することにより、材料粒子の原料組成由来以外の物質を生成させることができ、材料粒子に原料組成由来の酸化物で絶縁膜を形成する従来のものよりも効率よく金属磁性粒子同士を絶縁できると共に、金属磁性粒子同士を強固に結合できる。

　以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
　図１は本発明による電子部品の実施形態を示す斜視図、図２は図１の分解斜視図である。
　図１、図２において、１０は電子部品、１１は素体、１３、１４は外部端子である。
　電子部品１０は、素体１１と、外部端子１３、１４とを備えた積層型のインダクタである。
　素体１１は、金属磁性体層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄと、コイル用導体パターン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを有している。
　金属磁性体層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄは、金属磁性合金粉末に、亜鉛が添加された金属磁性材料により形成されている。金属磁性合金粉末は、鉄とケイ素からなる金属磁性合金（いわゆる、Ｆｅ－Ｓｉ系金属磁性合金）の粉末が用いられる。素体１１（金属磁性体層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）中では、金属磁性合金粉末と添加された亜鉛の反応物が生成され、この反応物が金属磁性合金粉末を構成している元素との酸化物として、金属磁性合金粉末の表面近傍に形成される。そして、金属磁性合金粉末は、金属磁性合金粒子間に粒界を有した状態で金属磁性合金粒子同士が結合されており、この粒界には亜鉛を含有する層が存在している。この亜鉛を含有する層は、２つの粒子間に形成される粒界又は３つ以上の粒子間に存在する粒界に存在しており、好ましくは亜鉛の酸化物の層あるいは亜鉛と他の元素の酸化物の層によって構成される。また、亜鉛を含有する層は、さらに金属磁性合金粒子の表面に存在しても良い。この場合、金属磁性合金粒子の表面の全体を覆う様に形成されている必要はなく、金属磁性合金粒子の表面の一部に形成されていたり、厚みが不均一であったり、その組成も不均質であったりしても良い。
　コイル用導体パターン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、銀、銀系、金、金系、銅、銅系等の金属材料をペースト状にした導体ペーストを用いて形成される。
　金属磁性体層１１Ａの表面には、コイル用導体パターン１２Ａが形成されている。このコイル用導体パターン１２Ａは、１ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン１２Ａの一端は、金属磁性体層１１Ａの端面に引き出される。
　金属磁性体層１１Ｂの表面には、コイル用導体パターン１２Ｂが形成されている。このコイル用導体パターン１２Ｂは、１ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン１２Ｂの一端は金属磁性体層１１Ｂのスルーホール内の導体を介してコイル用導体パターン１２Ａの他端に接続されている。
　金属磁性体層１１Ｃの表面には、コイル用導体パターン１２Ｃが形成されている。このコイル用導体パターン１２Ｃは、１ターン未満分が形成されている。コイル用導体パターン１２Ｃの一端は、金属磁性体層１１Ｃのスルーホール内の導体を介してコイル用導体パターン１２Ｂの他端に接続される。また、コイル用導体パターン１２Ｃの他端は、金属磁性体層１１Ｃの端面に引き出される。
　このコイル用導体パターン１２Ｃが形成された金属磁性体層１１Ｃの上には、コイル用導体パターンを保護するための金属磁性体層１１Ｄが形成されている。
　このように、金属磁性体層間のコイル用導体パターン１２Ａから１２Ｃによって素体１１内にコイルパターンが形成される。この素体１１の両端面には、図２に示す様に外部端子１３、１４が形成される。そして、コイル用導体パターン１２Ａの一端が外部端子１３に、コイル用導体パターン１２Ｃの他端が外部端子１４にそれぞれ接続されることにより、コイルパターンが外部端子１３と外部端子１４間に接続される。

　この様な構成を有する本発明の電子部品は以下のようにして製造される。
　まず、所定組成のＦｅ－Ｓｉ合金の粉末に所定量の亜鉛を添加した後、混合してＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダをさらに添加する。そして、これを混練してペースト状にして金属磁性材料ペーストを得る。また、コイル用導体パターン１２Ａ～１２Ｃを形成する導体ペーストを別途用意する。この金属磁性材料ペーストと導体ペーストとを交互に層状に印刷することにより、素体（成形体）１１が得られる。得られた素体１１は、大気中において所定温度で脱バインダ処理、及び、熱処理が行われて、電子部品１０が得られる。なお、外部端子１３、１４については、例えば、熱処理後に形成することができる。この場合、例えば、熱処理後の素体１１の両端に、外部端子用の導体ペーストを塗布した後、加熱処理を行うことにより、外部端子１３、１４を設けることができる。また、この外部端子１３、１４は、熱処理後の素体１１の両端に、外部端子用の導体ペーストを塗布した後、焼付け処理を行い、焼付けられた導体にめっきを施すことによっても設けることができる。この場合、素体１１に存在する空隙にめっき液が侵入するのを防止するために素体１１に存在する空隙に樹脂を含浸してもよい。

　本実施形態では、素体１１を構成する金属磁性体層１１Ａ～１１Ｄに用いられる金属磁性材料に、金属磁性合金粉末に対して亜鉛を添加したものを用いることにより、磁気特性と絶縁特性の両立を図っている。以下この金属磁性材料について、より具体的な実施例を、比較例を含めた比較実験を挙げて説明する。

　図３は、比較実験を行った実施例と比較例の組成と比較実験結果とをまとめて示した表である。
　この比較実験では、所定組成のＦｅ－Ｓｉ合金の粉末に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を図３に示す所定量を添加した後、混合して、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダをさらに添加し、造粒し、これを混練した金属磁性材料ペーストを用い、３４３Ｍｐａの圧力で加圧して素体（成形体）を形成し、大気中において４００℃で脱バインダ（脱脂）処理を行った後、大気中において６５０℃で熱処理してインダクタを形成した。なお、Ｆｅ－Ｓｉ合金の粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等のアトマイズ法、還元法、カルボニル法、粉砕法等の各種粉末化法によって製造できるが、その表面に金属酸化物を形成するための処理が行われていないものを用いている。すなわち、粉末表面に特別な処理が行われていない、Ｆｅ－Ｓｉ合金の粉末そのものを用いている。

　Ｆｅ－Ｓｉ合金の粉末に何も添加しない金属磁性材料（比較例１）は、１０ＭＨｚにおける透磁率と体積抵抗率が低かった。また、Ｆｅ－Ｓｉ合金の粉末に炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）を０．５ｗｔ％添加した金属磁性材料（比較例２）は、比較例１よりも透磁率を良くすることができるが、体積抵抗率と耐電圧が比較例１よりも低下した。さらに、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ合金に何も添加しない金属磁性材料（比較例３）は、体積抵抗率と耐電圧が比較例１よりも低下した。
　それに対して、本発明の金属磁性材料は、Ｆｅ－Ｓｉ合金の粉末に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を０．２５～１ｗｔ％添加することにより、透磁率を確保しつつ、体積抵抗率と耐電圧を高くすることができた。

　透磁率がほぼ同じ実施例２と比較例２について、トロイダルコアを作成し、このトロイダルコアに２００ターンの巻線を施し、１００ＫＨｚにおける直流重畳特性を測定した。図４は、実施例２と比較例２について、測定されたインダクタンス値とトロイダルコアの寸法により微分透磁率を算出し、印加磁界と微分透磁率の関係を示したグラフである。
　実線で示した実施例２は、点線で示した比較例２よりも磁界による透磁率の低下を小さくすることができた。
　また、実施例２をＳＥＭ－ＥＤＸで観察したところ、金属磁性合金粒子の表面及び金属磁性合金粒子間に存在する粒界層にＺｎを含有することが確認できた。これにより、従来のものよりも強固な絶縁膜が形成されることとなり、強度を向上させることができる。
　従って、本発明の電子部品は、金属磁性材料の透磁率と体積抵抗率と耐電圧が従来のものよりも高いため、コイルのインダクタンス値を高くできると共に、高い耐電圧を確保しつつコイルの抵抗を低くすることができ、直流重畳特性にも優れたコイルを得ることができる。

　以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
（１）実施形態において、熱処理を行う温度について、具体例を挙げて説明したが、これに限らず、熱処理を行う温度は、金属磁性材料の組成、金属磁性材料の粒子径、所望の磁気特性等に応じて適宜変更しても良い。
（２）実施形態において、熱処理により亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が生成される事を説明したが、亜鉛の一部が未反応のまま単独の酸化物（酸化亜鉛）として残留していても同様の効果が得られる。
（３）実施形態において、金属磁性材料に添加する亜鉛の量は、金属磁性材料の粒子径や所望の磁気特性等に応じて適宜変更しても良い。
（４）実施形態において、金属磁性合金粉末は、その表面に酸化物が形成されていないものとして説明を行った。これに限らず、例えば、金属磁性合金粉末の表面には、酸化物が形成されていても良い。金属磁性合金粉末は、自然に酸化が進んだり、高温の熱処理において酸化が進んだりして、その表面に、金属磁性合金粉末に由来する金属酸化物が例えば部分的に、又は、全体的に、自然に形成されてしまうこともある。本発明では、この金属磁性合金粉末に由来する金属酸化物による絶縁性について期待するものではないが、この金属酸化物が金属磁性合金粉末の表面に形成されていても、何ら支障は無い。
（５）実施形態において、素体中の隣接する金属磁性合金粉末同士が、金属磁性合金粉末を構成している元素と亜鉛の反応物を介して結合されている場合を示したが、素体中の隣接する金属磁性合金粉末同士が、亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物を介して結合されるだけでなく、亜鉛と金属磁性合金粉末の反応物が存在しない部分で金属磁性合金粉末同士が結合されても良い。
（６）金属磁性合金粉末は、Ｆｅ－Ｓｉ系金属磁性合金粉末であれば良く、組成が異なるもの、粒子径が異なるものを混合しても同様な効果が得られる。また、金属磁性合金に製造上不回避的に混入する微量成分が含まれていても同様な効果が得られる。
（７）素体が棒状、ドラム状、Ｈ状等のコアとして形成され、コイルがこのコアの外周に巻回して構成されても良い。
　なお、実施形態及び変形実施形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１０　電子部品
１１　素体
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ　金属磁性体層
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ　コイル用導体パターン
１３、１４　外部端子

Claims

　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加されていることを特徴とする金属磁性材料。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加され、
　熱処理により該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が生成されていることを特徴とする金属磁性材料。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に、亜鉛が添加され、
　熱処理により該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が生成され、該反応物による該金属磁性合金粉末との酸化物が存在していることを特徴とする金属磁性材料。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に、亜鉛が添加され、
　熱処理により該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が生成され、該反応物が該金属磁性合金粉末の表面近傍に形成されていることを特徴とする金属磁性材料。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、
　該素体内に該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が生成され、
　該素体の内部あるいは表面にコイルが形成されていることを特徴とする電子部品。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、
　該金属磁性合金粉末の表面近傍に、該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が析出し、
　該素体の内部あるいは表面にコイルが形成されていることを特徴とする電子部品。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、
　該素体を熱処理することにより、該素体内に該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が生成され、
　該素体の内部あるいは表面にコイルが形成されていることを特徴とする電子部品。
　鉄と、ケイ素からなる金属磁性合金粉末に亜鉛が添加された金属磁性材料を用いて素体が形成され、
　該素体を熱処理することにより、該金属磁性合金粉末の表面近傍に、該亜鉛と該金属磁性合金粉末の反応物が析出され、
　該素体の内部あるいは表面にコイルが形成されていることを特徴とする電子部品。
　前記素体中の隣接する金属磁性合金間に粒界層を有しており、該粒界層には亜鉛を含有する層が存在する請求項５に記載の電子部品。
　前記素体中の隣接する金属磁性合金間に粒界層を有しており、該粒界層には亜鉛を含有する層が存在する請求項６に記載の電子部品。
　前記素体中の隣接する金属磁性合金間に粒界層を有しており、該粒界層には亜鉛を含有する層が存在する請求項７に記載の電子部品。
　前記素体中の隣接する金属磁性合金間に粒界層を有しており、該粒界層には亜鉛を含有する層が存在する請求項８に記載の電子部品。
　前記亜鉛を含有する層は、亜鉛の酸化物層あるいは亜鉛と他の元素の酸化物の層である請求項９に記載の電子部品。
　前記亜鉛を含有する層は、亜鉛の酸化物層あるいは亜鉛と他の元素の酸化物の層である請求項１０に記載の電子部品。
　前記亜鉛を含有する層は、亜鉛の酸化物層あるいは亜鉛と他の元素の酸化物の層である請求項１１に記載の電子部品。
　前記亜鉛を含有する層は、亜鉛の酸化物層あるいは亜鉛と他の元素の酸化物の層である請求項１２に記載の電子部品。