JP4835969B2

JP4835969B2 - 酸化物磁性材料及びそれを用いた積層型インダクタ

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Publication number: JP4835969B2
Application number: JP2005091293A
Authority: JP
Inventors: 多田　　智之; 和寛倉; 康晴三吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006273608A

Description

この発明は、携帯電話などの通信機器に内蔵される積層型インダクタ、積層コイル基板などに用いられる酸化物磁性材料及びそれを用いた積層型インダクタに関する。

今日の小型・軽量化の進んだ各種の通信機器に内蔵される積層型インダクタは、例えば、フェライトからなる磁性体層にAg系合金などの内部導体を印刷形成して、これら磁性体層を複数枚積層して焼結にて一体化し、さらに内部導体に導通する外部電極を焼結体の両端部に形成する構成を有する。

従来、積層型インダクタなどに用いられる酸化物磁性材料には、内部Ag導線と同時焼成を行うため、低温焼成(950℃以下)が可能なNi-Cu-Zn系フェライトが用いられていた。

しかし、Ni-Cu-Zn系フェライトは、製造過程で行われるバレル研磨やメッキ作業による応力、磁性層と内部電極との熱膨張差や樹脂モールド時に加わる圧縮応力などによって、透磁率μが劣化するという問題があった。

一方、Ni-Cu-Zn系フェライトは高価なNiOを多量に含み、自ずと高価な材料となってしまうため、NiOよりも安価なMgOを使用したMg-Cu-Znフェライトが注目されているが、Mg-Cu-Zn系フェライトは焼成温度が高く、内部Ag導線と同時焼成を行うことができないため、積層型インダクタへの応用は困難である。

上記、応力に対する磁気特性の劣化の問題、焼成温度の問題を解決するものとして、特定組成のMg-Cu-Zn系フェライトが提案されている(特許文献1)。
特許第3392792号公報

上記提案によるMg-Cu-Zn系フェライトによれば、応力に対する透磁率μの劣化が少なく、かつ低温焼成可能な材料を低コストにて得ることができるが、応力負荷時のコアロスについては考慮されておらず、それに関する記載はない。

応力に対する透磁率μの劣化を少なくしても、応力負荷時のコアロスが低減されていないと、例えば、当該材料をDC-DCコンバータの電源回路に用いられる積層型インダクタに応用した場合、DC-DCコンバータの変換効率が低下するという問題がある。

この発明は、携帯電話などの通信機器に内蔵される積層型インダクタ、積層コイル基板などに用いられる酸化物磁性材料、特に積層型インダクタに応用した場合、応力負荷時のコアロスを低減することが可能な組成からなる酸化物磁性材料とその酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタの提供を目的とする。

発明者らは、NiO,MgO,CuO,ZnO,Fe₂O₃を主成分とするNi-Mg-Cu-Zn系フェライトにおいて、低温焼成可能な組成、積層型インダクタに応用した際の応力負荷時のコアロスを低減できる組成について種々検討した結果、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライト組成で少量のSnO₂を含有する組成は低温焼成可能で圧縮応力負荷時のコアロスを低減できること、さらに、特定量のSnO₂を含有し、主成分の金属酸化物のうちMgOとNiO+MgOの量比が特定されると、当該作用効果が特に顕著になることを知見し、この発明による酸化物磁性材料及びそれを用いた積層型インダクタを完成した。

すなわち、この発明は、ＮｉＯ、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ _２Ｏ _３を主成分とするフェライトにおいて、０．３質量％〜１．０質量％のＳｎＯ _２を含有し、前記ＭｇＯが、ＮｉＯ＋ＭｇＯの２０ｍｏｌ％以上、６０ｍｏｌ％以下である酸化物磁性材料である。

また、この発明は、前記酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタである。

また、この発明者らは、前記構成の酸化物磁性材料及びそれを用いた積層型インダクタにおいて、SnO₂の含有量が0.7質量%〜1.3質量%であること、MgOがNiO+MgOの20%以上、60%以下(この範囲を20%〜60%と記す。以下同様)であること、をそれぞれ特徴とする構成を併せて提案する。

この発明による酸化物磁性材料を、積層型インダクタに適用した場合、内部Ag配線やAg電極からフェライトに受ける応力に対して、コアロス(1MHz、ΔB=100mT)を低減することができる。特に、好ましい態様においては、35MPaの圧縮応力時のコアロス(1MHz、ΔB=100mT)を、4500kW/m³以下に低減することができる。

この発明による酸化物磁性材料を、DC-DCコンバータの電源回路用の積層型インダクタに用いることにより、高い変換効率を実現することができる。

この発明において、SnO₂を添加する基本のNi-Mg-Cu-Zn系フェライトには、公知のいずれの組成をも採用することができる。好ましい組成として、下記の組成が採用でき、この組成はこの発明の効果をより有効に発揮することができる。
NiO+MgO 10mol%〜35.0mol%、CuO 3.0mol%〜17.0mol%、ZnO 5.0mol%〜36.0mol%、Fe₂O₃ 45.0mol%〜50.0mol%。

この発明は、上記Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトに、特定量のSnO₂を含有させることを特徴とする。SnO₂の含有量は、1.5質量%以下(0を含まず)が好ましい。1.5質量%を超えると応力負荷時のコアロスが増加するため好ましくない。より好ましい含有量は、0.7質量%〜1.3質量%であり、当該範囲を選定することにより、コアロス低減効果が顕著となる。なお、SnO₂の含有量は、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトを100とした場合の外枠量である。

上記SnO₂を含有するNi-Mg-Cu-Zn系フェライトにおいて、MgOの含有量を、NiO+MgOの含有量の20%〜60%の範囲にすることにより、さらに、この発明の作用効果を有効に発揮することができる。

また、好ましい態様として、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトにおけるMgOを、NiO+MgOの20%〜60%の範囲とし、SnO₂の含有量を好ましい含有量である0.7質量%〜1.3質量%の範囲とすることにより、より顕著なコアロス低減効果を得ることができる。

この発明による酸化物磁性材料は、例えば以下のような製造方法によって得ることができる。
(1)出発原料となるNiO、MgO、CuO、ZnO、Fe₂O₃を所定の割合で配合し、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライト全体に対して、所定量のSnO₂を添加し、混合する。なお、SnO₂は、上記のように原料配合に添加してもよいし、後述する仮焼後の微粉砕工程前あるいは微粉砕工程後に添加してもよい。

(2)混合粉末を仮焼する。仮焼温度は700℃〜850℃が好ましい。仮焼時間は2時間〜5時間が好ましい。仮焼雰囲気は大気中あるいは酸素中が好ましい。

(3)仮焼後の仮焼粉を微粉砕する。微粉砕は湿式中で行うことが好ましい。また、微粉砕後の粉砕粉の平均粒径は0.5μm〜1.5μmが好ましい。

(4)微粉砕後の粉砕粉を所望の成形手段によって成形する。成形前に必要に応じて粉砕粉を造粒装置によって造粒してもよい。成形圧力は70〜150MPaが好ましい。

(5)成形体を焼結する。焼結雰囲気は、大気中あるいは酸素雰囲気中が好ましく、焼結温度は850℃〜930℃が好ましく、焼結時間は2時間〜6時間が好ましい。

この発明による積層インダクタの構成例について説明する。Ni-Mg-Cu-Zn系フェライト全体に対して、所定量のSnO₂を添加したフェライトを含む磁性体層は、その表面に内部導体が形成され、かかる磁性体層の複数層が積層され、焼結にて一体化され、磁性体が構成される。磁性体層の積層方向に隣接する内部導体は、Ag系合金等が充填されたスルーホールを介して互いに導通することでコイルを形成する。さらに、端部には内部導体と電気的に導通するAg系合金などからなる外部電極が設けられている。

積層型インダクタの製造方法について説明すると、まず、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトの原料粉末をボールミル等で各原料粉末が均一に分散するように湿式混合する。得られた混合粉末は、乾燥工程を経て、仮焼および粉砕され、その結果、平均粒径0.5〜1.5μmの仮焼粉末が得られる。

そして、得られた仮焼粉末にSnO₂を秤量後、添加し、さらにバインダー、可塑剤及び溶剤を加え、再度ボールミル等でSnO₂が原料粉末に均一に分散するように湿式混合し、磁性体層用のスラリーを得る。このようにして得られたスラリーはシート成形機を用いて厚み20〜100μm程度のグリーンシートに成形される。

得られたグリーンシートにスルーホール加工を施し、内部導体をスクリーン印刷する。この際、内部電極の巻線パターンは任意のパターンとすることができ、また、その巻数および巻線ピッチなども用途に応じて適宜選択することができる。内部導体が印刷されたグリーンシートは熱圧着され、積層一体化される。

得られた積層体は、所定の寸法に切断され、大気中で焼結される。焼結条件は磁性体や導電性粒子の材質等に応じて適宜決定すればよいが、焼結温度は850〜930℃程度が好ましい。850℃未満では主成分の反応が進まず、インダクタンスなど特性が得られないため好ましくなく、930℃を超えると内部導体の溶解や拡散が進むため好ましくない。また、焼結時間は2〜6時間程度が好ましい。

次に、得られた焼結体に外部電極を形成する。外部電極の材質については特に限定はなく、例えば、Ag、Ni、CuおよびAg-Pd等を用いることができる。外部電極の形成方法もまた、特に限定されず、例えば、印刷法、めっき法および蒸着法等、公知の種々の方法を採用することができる。

NiO、MgO、CuO、ZnO、Fe₂O₃を表1に示す割合(5種類の組成)で配合した後、各組成のNi-Mg-Cu-Znフェライト全体に対して、SnO₂を0、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0質量%添加し、湿式混合した後、大気中で800℃×3時間仮焼した。

得られた仮焼粉を平均粒径1.5μmまで湿式粉砕し、乾燥した後、1質量%のポリビニルアルコールを添加して造粒を行った。得られた造粒粉を成形圧力150MPaで成形し、成形体を大気中で930℃で2時間焼結した。

得られた焼結体から8mm×4mm×厚み2mmの試料を切り出し、該試料に巻き線を施して、角型トロイダルコイルを作製し、該角型トロイダルコイルに一軸で35MPaの圧縮応力を印加し、コアロス(1MHz、ΔB=100mT)を測定した。

測定結果を表1及び図1に示す。表1において、試料番号の横に*印を付したものは比較例である。また、図1は表1をグラフ化したものであり、横軸がSnO₂を添加量、縦軸がコアロスを示す。なお、上記測定における圧縮応力35MPaは、積層型インダクタにおいて内部導体からフェライトが受ける応力値に相当する。

表1及び図1から明らかなように、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトに対するSnO₂の添加量が1.5質量%以下でコアロスが低減されており、特に、1.0質量%を中心として±0.3質量%、すなわち0.7質量%〜1.3質量でコアロス低減効果が顕著であることがわかる。

また、Ni-Mg-Cu-Zn系フェライトにおけるMgOの含有量がNiO+MgOの20%〜60%の範囲で、コアロス低減効果が顕著であり、SnO₂の好ましい添加量(0.7質量%〜1.3質量)との相乗効果により、コアロスは4500kW/m³以下となり、より一層のコアロス低減効果が得られていることが分かる。

この発明による酸化物磁性材料は、携帯電話などの通信機器に内蔵される積層型インダクタ、積層コイル基板などの材料として好適な特性を有している。また、この発明による酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタを、DC-DCコンバータの電源回路用として用いた場合、高い変換効率を実現することができる。

この発明による酸化物磁性材料のSnO₂添加量とコアロスの関係を示すグラフである。

Claims

ＮｉＯ、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３を主成分とするフェライトにおいて、０．３質量％〜１．０質量％のＳｎＯ _２を含有し、前記ＭｇＯが、ＮｉＯ＋ＭｇＯの２０ｍｏｌ％以上、６０ｍｏｌ％以下である酸化物磁性材料。
請求項１に記載の酸化物磁性材料を用いた積層型インダクタ。