JP7281319B2 - 積層コイル部品及びその製造方法、並びに積層コイル部品を載せた回路基板 - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施形態に係る積層コイル部品(以下、単に「第1実施形態」と記載することがある。)は、一軸方向に積層された複数の磁性層と、該磁性層内に形成された内部導体と、該内部導体に電気的に接続された一対の外部電極とを備え、前記磁性層が、構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含有する軟磁性合金粒子と、該軟磁性合金粒子の周囲に形成されて該軟磁性合金粒子同士を結合する、構成元素としてSiに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、かつ質量基準のSiの含有量が、Cr及びAlの合計よりも多い酸化物層とで構成される。
第1実施形態に係る積層コイル部品100は、図1に示すように、一軸方向に積層された複数の磁性層2、2、・・・と、該磁性層間及び該磁性層中を通って、前記一軸周りに巻回されるコイルを形成する内部導体3と、該内部導体に電気的に接続される一対の外部電極4、4とを備える。
内部導体3は、図2に示すように、各磁性層2、2、・・・上に形成され、前記一軸方向(積層方向)に隣接する2つの磁性層2、2に挟み込まれる導体パターン31、31、・・・と、磁性層2、2、・・・中を前記一軸方向に貫通して前記導体パターン31、31、・・・同士を電気的に接続する接続導体32、32、・・・とで構成される。前記導体パターン31、31、・・・は、各磁性層2、2、・・・毎にほぼ環状ないし半環状に形成される。
なお、第1実施形態に係る積層コイル部品100の形状は、これを構成する磁性層2の厚み及び積層数、内部導体3の形状等を含め、前述したものに限定されず、要求される特性に応じて適宜設定すればよい。例えば、前記導体パターン31を1層のみ有し、その内部導体3の形状が、平面コイル状であってもよい。また、本明細書のコイル部品は、ミアンダー状、直線状などの内部導体を有するものも含み、第1実施形態においてもそのような形状とすることができる。
磁性層2、2、・・・は、構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含有する軟磁性合金粒子21を含む。
軟磁性合金粒子21がSiを含有することで、電気抵抗が高くなり、渦電流による磁気特性の低下を抑制することができる。Siは、軟磁性合金粒子21の表面側に、その内部よりも多く存在することが好ましい。具体的には軟磁性合金粒子21の金属部分の表面から内側に向かった距離が0から50nmまでの範囲におけるSi量の最大値が、軟磁性合金粒子21の金属部分の表面から内側に向かった距離が100nmから150nmまでの範囲におけるSi量の最大値よりも、大きいことを意味する。また、軟磁性合金粒子21がCr又はAlの少なくとも一方を含有することで、耐酸化性に優れたものとなる。軟磁性合金粒子21中のCr及びAlは、該粒子の表面側に、その内部よりも多く存在することが好ましい。
なお、合金部分が前記した以外の元素を含むものであってもよいことは言うまでもない。
酸化物層22が、Siに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有することで、該層内の酸素の移動速度を低減し、積層コイル部品100の表面近傍で、軟磁性合金粒子21に酸素が到達してFeが酸化することによる、酸化物層22の厚みの増加を抑制できる。
また、酸化物層22における質量基準のSiの含有量が、Cr及びAlの合計よりも多いことで、電気的絶縁性に優れたものとなる。これに加えて、酸化物層22中のCr及びAlの含有量がSiよりも少ないことは、積層コイル部品100製造時の酸素存在下での熱処理において、Siに比べて酸化物層22に拡散し易いCr及びAlの拡散が抑えられ、軟磁性合金粒子21から酸化物層22への拡散流束が小さくなることで、厚みの小さい酸化物層22が得られたことを意味する点からも好ましい。
このように、第1実施形態は、磁性層2中の軟磁性合金粒子21同士が、酸素の移動速度が小さく、絶縁性に優れた酸化物層22で隔てられていることにより、積層コイル部品100の表面と内部とで酸化物層22の厚みの差が小さく、絶縁性に優れる磁性層2を備えるものとなるため、磁性層2の厚みを抑えて厚みの薄い積層コイル部品100とすることができる。
これに加えて、酸化物層22は、図4にあるように、その全体にわたって質量基準でSiを最も多く含むことが好ましい。酸化物層22がこのような構造を有することで、より電気的絶縁性に優れたものとなり、膜の厚さも薄くすることができる。
まず、積層コイル部品100の中央部から、集束イオンビーム装置(FIB)を用いて、厚さ50nm~100nmの薄片試料を積層方向に沿って取り出した後、直ちに環状暗視野検出器及びエネルギー分散型X線分光(EDS)検出器を搭載した走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて、STEM―EDS法にて酸化物層22近傍の組成マッピング像を取得する。STEM―EDSの測定条件は、加速電圧を200kV、電子ビーム径を1.0nmとし、軟磁性合金粒子21内の各点における6.22keV~6.58keVの範囲の信号強度の積算値が25カウント以上となるように測定時間を設定する。そして、FeKα線の信号強度(IFeKα)、CrKα線の信号強度(ICrKα)及びAlKα線の信号強度(IAlKα)の合計に対するOKα線の信号強度の比(IOKα/(IFeKα+ICrKα+IAlKα))が0.5以上である領域を酸化物層22とし、該値が0.5未満である領域を軟磁性合金粒子21とする。
軟磁性合金粒子21の組成は、前記信号強度比に基づいて軟磁性合金粒子21とした領域について、STEM―EDS法にて酸化物層22側から径方向に線分析を行って、Fe、Si、Cr及びAlの分布を測定し、該各元素の含有量の変動が±1質量%以内となる最初の3測定点について、各元素の含有量の平均値を算出し、これに基づいて決定する。なお、積層コイル部品100の製造に用いた軟磁性合金粉末の組成が既知である場合には、当該既知の組成を軟磁性合金粒子21の組成としてもよい。
酸化物層22の構造は、前記信号強度比に基づいて酸化物層22とした領域のうち、軟磁性合金粒子21同士を結合している任意の部分について、一方の軟磁性合金粒子21から酸化物層22を経て他方の軟磁性合金粒子21へと至る線分に沿ってSTEM―EDS法にて線分析を行い、各元素の分布を測定することで確認する。
積層コイル部品100の積層方向最表面を走査型電子顕微鏡(SEM)(日立ハイテクノロジーズ社製 S-4300)にて観察し、コントラストの差異により認識される軟磁性合金粒子21同士の結合部を形成する酸化物層22について、その厚み(粒子間距離)を、20,000倍~50,000倍の倍率にて、20箇所で計測して平均値を算出し、該平均値の1/2を積層方向最表面に位置する磁性層2中の酸化物層22の厚み(tsurface)とする。また、積層コイル部品100を積層方向に平行な面で切断し、該切断面の積層方向中央部に位置する磁性層2をSEMにて観察し、同様の方法で中央部に位置する磁性層中の酸化物層22の厚み(tcenter)を決定する。
本発明の第2実施形態に係る積層コイル部品の製造方法(以下、単に「第2実施形態」と記載することがある。)は、軟磁性合金粉末を含むグリーンシートを調製すること、該グリーンシートに導体パターンを形成すること、該導体パターンが形成されたグリーンシートを積層、圧着、及び熱処理して、前記導体パターンが形成する内部導体と、前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末の粒子が形成する、軟磁性合金粒子同士が酸化物層を介して結合した磁性層とを備える積層体を得ること、及び前記内部導体と導通する外部電極を前記積層体の表面に形成することを含む。そして、前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末は、構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含むとともに、Siの含有量がCr及びAlの合計よりも多いものである。また、前記熱処理は、前記グリーンシート及び導体パターン中のバインダを除去する第1の熱処理と、該第1の熱処理後に、酸素濃度が5ppm~800ppmの雰囲気中にて、500℃~900℃の温度で行う第2の熱処理とを含む。
使用するバインダとしては、軟磁性合金粉末をシート状に成形し、その形状を保持できるとともに、加熱により炭素分等を残存させることなく除去できるものであれば特に限定されない。一例として、ポリビニルブチラールをはじめとするポリビニルアセタール樹脂等が挙げられる。
前記スラリーを調製するための溶媒も特に限定されず、ブチルカルビトールをはじめとするグリコールエーテル等を用いることができる。
前記スラリー中の各成分の含有量は、採用するグリーンシートの成形方法や調製するグリーンシートの厚み等に応じて適宜調節すればよい。
軟磁性合金粉末がCr又はAlの少なくとも一方を含むことで、後述する熱処理において、酸化物層の厚みが過剰となることを抑制できる。これにより酸化物層の厚みを安定化することが可能になる。
また、軟磁性合金粉末がCr及びAlの合計よりもSiを多く含むことで、後述する熱処理時のCr及びAlの酸化を抑制できるため、酸化物層の厚みの増加を抑えることができる。これに加えて、該熱処理によって形成される酸化物層を、Cr及びAlの合計に対するSiの質量割合が高いものとすることができ、酸化膜の厚みが薄くても絶縁を確保できる。
なお、軟磁性合金粉末が前記した以外の元素を含むものであってもよいことは言うまでもない。
前記熱処理温度の上限は特に限定されないが、Feの酸化、並びにCr及びAlの過度の酸化を抑制する点で、900℃以下とすることが好ましく、850℃以下とすることがより好ましく、800℃以下とすることがさらに好ましい。
比表面積S(m2/g)は、粒子表面の酸化膜に存在するSiの割合を増やし、酸化膜表面の凹凸を少なくすることで、より小さくすることができる。表面凹凸の少ない酸化膜によれば、薄い膜厚で絶縁を維持することができるため好ましい。粒子表面の酸化膜に存在するSiの割合は、軟磁性合金粉末のSiの組成比率を高めたり、熱処理温度を低くしたりすることで、高めることができる。具体的には比表面積S(m2/g)と平均粒径D50(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。
スルーホールの形成には、打抜き加工機やレーザー加工機等の穿孔機を使用できる。形成するスルーホールの配列及びサイズは、製造しようとする積層コイル部品の内部導体形状に応じて決定される。
導体パターンは、例えば、スクリーン印刷機やグラビア印刷機等の印刷機を用いて、導体ペーストをグリーンシート表面に印刷し、これを熱風乾燥機等の乾燥機で乾燥することで形成できる。導体パターンの形成前にグリーンシートにスルーホールを形成した場合には、印刷の際に該スルーホール中にも導体ペーストが充填され、グリーンシート表面に印刷された導体パターンとともに、内部導体の形状を構成することとなる。
印刷に使用する導体ペーストとしては、導体粉末と有機ビヒクルとを含むものが挙げられる。導体粉末としては、銀若しくは銅又はこれらの合金等の粉末が用いられる。導体粉末の粒径は特に限定されないが、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(D50))が1μm~10μmのものが用いられる。有機ビヒクルの組成は、グリーンシートに含まれるバインダとの相性を考慮して決定すればよい。一例として、ポリビニルブチラール(PVB)等のポリビニルアセタール樹脂を、ブチルカルビトール等のグリコールエーテル系溶剤に溶解ないし膨潤させたものが挙げられる。導体ペーストにおける導体粉末及び有機ビヒクルの配合比率は、使用する印刷機に好適なペーストの粘度や形成しようとする導体パターンの膜厚等に応じて適宜調節することができる。
グリーンシートを積み重ねる際には、吸着搬送機等を用いてこれを搬送することができる。また、積み重ねたグリーンシートを圧着する際には、プレス機を用いて熱圧着する方法が採用できる。
圧着された積層体から複数の積層コイル部品を得る場合には、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、個々の積層コイル部品のサイズに切断してもよい。
熱処理雰囲気中の酸素濃度を前記範囲とすることで、軟磁性合金粒子の表面に、Siに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、かつSiに富む酸化物層を適度かつ均一な厚みで形成することができる。前記酸素濃度は、100ppm以上とすることが好ましく、200ppm以上とすることがより好ましい。
熱処理雰囲気中の酸素濃度が低すぎると、短時間の熱処理では酸化物層の形成が不十分となることで絶縁性が低下し、長時間の熱処理では、酸化物層へのFe又はCr若しくはAlの拡散によって酸化物層が厚くなりすぎ、透磁率が低下する。他方、熱処理雰囲気中の酸素濃度が高すぎると、積層コイル部品の表面と内部とで酸化物層の厚みの差が大きくなりすぎるとともに、酸化物層中のFe又はCr若しくはAlの含有量が多くなりすぎ、酸化物層の絶縁性が低下する。
熱処理温度を前記範囲とすることで、軟磁性合金の粒子表面に、Siに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、かつSiに富む酸化物層を適度かつ均一な厚みで形成することができる。前記熱処理の温度は、550℃以上とすることが好ましく、600℃以上とすることがより好ましい。また、前記熱処理の温度は、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い。
第3の熱処理を行う場合、第2の熱処理と同一の装置を用い、第2の熱処理と連続して行うことが、製造の効率性の点から好ましい。
外部電極を形成する際には、予め用意した導体ペーストを、ディップ塗布機やローラー塗布機等の塗布機を用いて積層体の表面に塗布した後、焼成炉等の加熱装置を用いて焼付け処理を行う方法が採用できる。前記導体ペーストとしては、上述した導体パターン形成用のペースト等を適宜用いればよい。
本発明の第3の実施形態に係る回路基板(以下、単に「第3実施形態」と記載することがある。)は、第1実施形態に係る積層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3実施形態は、第1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、特に低背化が可能となる。
本実施例及び後述する比較例では、低酸素雰囲気での熱処理により、所期の構造及び元素分布を有する磁性体が得られ、かつ該磁性体の表面と内部とで酸化物層の厚みの差が小さくなることを、試験片を用いて確認した。
まず、Fe-3.5Si-1.5Cr(数値は質量百分率を示す)の組成を有する、平均粒径4.0μmの軟磁性合金粉末を準備した。次いで、この軟磁性合金粉を、1.2質量%のアクリル系バインダとともに撹拌混合し、成形用材料を調製した。次いで、この成形用材料を、四角柱状の成形空間を有する金型に投入し、8t/cm2の圧力で一軸加圧成形して、1辺が10mmの立方体形状の成形体を得た。次いで、得られた成形体を150℃の恒温槽中に1時間入れてバインダを硬化させた後、過熱水蒸気炉により300℃に加熱して第1の熱処理を行い、熱分解によりバインダを除去した。最後に、石英炉にて、酸素濃度800ppmの雰囲気中、800℃で1時間の条件で第2の熱処理を行い、立方体形状の試験片を得た。
得られた試験片について、軟磁性合金粒子同士を結合する酸化物層の構造を上述した方法で確認した。STEMにより観察された酸化物層の構造の模式図を図3に、図3中の線分A-A’に沿った線分析結果を図4に、それぞれ示す。
図4によれば、酸化物層22は、Siに加えてFe及びCrを含有することが判る。また、酸化物層22のほぼ全幅に亘って、Crの含有量よりもSiの含有量が多くなっていることから、該酸化物層22は、質量基準のSi含有量がCr及びAlの合計よりも多いことが判る。さらに、酸化物層22中には、軟磁性合金粒子21との境界部分にSi含有量が特に多いSi濃化領域221領域が確認された。該領域中には、Si含有量が、2番目に多く含まれるFeの約5倍である箇所が見られた。
また、図3では、酸化物層22の軟磁性合金粒子21と接していない側に、Fe含有量が特に多いFe富化層23の存在も確認された。
得られた試験片について、表面及び中央部にそれぞれ位置する磁性層中の酸化物層の厚みを、上述した方法で決定したところ、表面で30nm、中央部で27nmとなった。
得られた試験片の表面及び中央部の体積抵抗率を、以下の方法により測定した。
得られた試験片の表面及び中央部から、0.2mm×0.2mm×0.1mmの評価用試験片をそれぞれ切り出し、対向する1対の面全体にスパッタリングによりAu膜を形成して評価用試料とした。得られた評価用試料について、試料の両面に形成されたAu膜を電極とし、該電極間に、電界強度が60V/cmとなるように電圧を印加して抵抗値を測定し、該抵抗値から体積抵抗率を算出した。
体積抵抗率は、表面側試験片で100MΩ・cm、中央部側試験片で92MΩ・cmであった。
第2の熱処理における熱処理雰囲気を大気とした以外は実施例と同様にして、比較例に係る試験片を得た。
2 磁性層
21 軟磁性合金粒子
22 酸化物層
221 Si濃化領域
222 Si富化領域
23 Fe富化層
3 内部導体
31 導体パターン
32 接続導体
4 外部電極
Claims (9)
- 一軸方向に積層された複数の磁性層と、
該磁性層内に形成された内部導体と、
該内部導体に電気的に接続された一対の外部電極と
を備える積層コイル部品であって、
前記磁性層が、
構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含有する
軟磁性合金粒子と、
該軟磁性合金粒子の周囲に形成されて該軟磁性合金粒子同士を結合し、
構成元素としてSiに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、
質量基準のSiの含有量が、Cr及びAlの合計よりも多く、
質量基準のSiの含有量が、Fe、Cr及びAlのうち、質量基準でSiの次に含有
量の多い元素の3倍以上であるSi濃化領域を有し、かつ
該Si濃化領域で前記軟磁性合金粒子と接している
酸化物層と
で構成されることを特徴とする、積層コイル部品。 - 一軸方向に積層された複数の磁性層と、
該磁性層内に形成された内部導体と、
該内部導体に電気的に接続された一対の外部電極と
を備える積層コイル部品であって、
前記磁性層が、
構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含有する軟磁性合金粒子と、
該軟磁性合金粒子の周囲に形成されて該軟磁性合金粒子同士を結合する、構成元素としてSiに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、かつ質量基準のSiの含有量が、Cr及びAlの合計よりも多い酸化物層と
で構成され、
前記酸化物層の前記軟磁性合金粒子と接していない側に、Fe、Si、Cr及びAlのうち、質量基準でFeを最も多く含むFe富化領域をさらに備える積層コイル部品。 - 前記軟磁性合金粒子の組成が、Siを1~10質量%、Cr又はAlを合計で0.2~2質量%含有し、残部がFe及び不可避不純物である、請求項1又は2に記載の積層コイル部品。
- 一軸方向に積層された複数の磁性層と、
該磁性層内に形成された内部導体と、
該内部導体に電気的に接続された一対の外部電極と
を備える積層コイル部品であって、
前記磁性層が、
構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含有する軟磁性合金粒子と、
該軟磁性合金粒子の周囲に形成されて該軟磁性合金粒子同士を結合する、構成元素としてSiに加えてCr又はAlの少なくとも一方を含有し、かつ質量基準のSiの含有量が、Cr及びAlの合計よりも多い酸化物層と
で構成され、
前記軟磁性合金粒子の組成が、Siを1~10質量%、Cr又はAlを合計で0.2~2質量%含有し、残部がFe及び不可避不純物であり、
前記軟磁性合金粒子におけるAlの含有量が0.2~1質量%である積層コイル部品。 - 軟磁性合金粉末を含むグリーンシートを調製すること、
該グリーンシートに導体パターンを形成すること、
該導体パターンが形成されたグリーンシートを積層、圧着、及び熱処理して、
前記導体パターンが形成する内部導体と、
前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末の粒子が形成する、軟磁性合金粒子同士が酸化物層を介して結合した磁性層と
を備える積層体を得ること、及び
前記内部導体と導通する外部電極を前記積層体の表面に形成すること、
を含む積層コイル部品の製造方法であって、
前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末が、構成元素としてFe及びSi、並びにCr又はAlの少なくとも一方を含むとともに、Siの含有量がCr及びAlの合計よりも多い
ものであり、かつ
前記熱処理が、前記グリーンシート及び前記導体パターン中のバインダを除去する第1の熱処理と、該第1の熱処理後に、酸素濃度が5ppm~800ppmの雰囲気中にて、500℃~900℃の温度で行う第2の熱処理とを含む
ことを特徴とする、積層コイル部品の製造方法。 - 前記熱処理が、前記第2の熱処理後に、酸素濃度が5ppm~800ppmの雰囲気中にて、500℃~600℃で、かつ第2の熱処理温度より低い温度で行う第3の熱処理をさらに含む、請求項5に記載の積層コイル部品の製造方法。
- 前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末の組成が、Siを1~10質量%、Cr又はAlを合計で0.2~2質量%含有し、残部がFe及び不可避不純物である、請求項5又は6に記載の積層コイル部品の製造方法。
- 前記グリーンシート中の軟磁性合金粉末におけるAlの含有量が0.2~1質量%である、請求項7に記載の積層コイル部品の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の積層コイル部品を載せた回路基板。
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