JP6574574B6 - 積層インダクタ - Google Patents

Description

本発明は積層インダクタに関する。具体的にはハードフェライトからなる層とソフトフェライトからなる層とを備えた積層インダクタに関する。

周知のごとく積層インダクタは、グリーンシートと呼ばれるペースト状にした磁性体材料のシート上に導体パターンとなるペースト状の金属を印刷したものを順次積層し、その積層したものを焼成してなる積層体に外部電極を設けたものである。そしてこのような積層インダクタでは、各層の導体パターンが順次層間で接続されることで積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、そのコイルの周囲が電気絶縁性の磁性体で囲まれることになる。そのため積層インダクタには外部への磁気漏洩が少なく、比較的少ない巻数で必要なインダクタンスが得られるという特徴があり、小型化、薄型化に適している。

ところで電子機器に内蔵されるＣＰＵやＬＳＩなど集積回路における近年の技術的傾向は高周波数駆動と低電圧駆動にあると言える。そしてそのいずれもが大電流で駆動することを意味する。そのため集積回路の周辺部品であるインダクタには大電流が流れることとなる。したがってインダクタには大電流に対しても磁気飽和しない直流重畳特性の優れたものが求められる。その一方で電子機器に対する小型化への要求から回路部品にはさらなる小型化が求められている。

そこで、コイルが発生する磁束に対して逆向きに磁束を加えてバイアス（逆バイアス）し、Ｂ−Ｈ特性の基点を負側にシフトさせて磁気飽和するまでの磁束を増大させるという技術思想に基づいて、積層体の内部に軟磁性体材料からなる層（以下、ソフトフェライト層）と永久磁石の材料である硬磁性体材料からなる層（以下、ハードフェライト層）とを積層した積層インダクタがある。このような積層インダクタでは、ハードフェライト層は永久磁石として機能し、その永久磁石がコイルの磁束とは逆向きの磁束を発生する。それによって同一寸法であってもより大電流を流すことを可能としている。なおこのような永久磁石を組み込んだ積層インダクタについては、例えば以下の特許文献１などに記載されている。

特開２００６−１９６５９１号公報

積層インダクタでは、普通、導体パターンを銀（Ａｇ）を用いて形成している。周知のごとくＡｇの融点は約９６０℃と低い。そのため積層インダクタを構成する磁性体材料にはＡｇの融点以下で焼成しても十分な焼結密度が得られるという特性が求められる。そのためハードフェライト層の有無によらず、積層インダクタを構成するソフトフェライト層には、焼結性を高めるためのＣｕを含んだニッケル銅亜鉛系フェライト（Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト）が用いられる。なお永久磁石となるハードフェライト層を備えた上記の積層インダクタでは、硬磁性体材料してバリウムフェライト（Ｂａフェライト）やストロンチウムフェライト（Ｓｒフェライト）が用いられる。そして焼結助剤としては低融点ガラスなどがよく用いられる。ところが本発明者が永久磁石となるハードフェライト層を有する積層インダクタの特性向上を目的として研究を重ねた結果、ハードフェライト層とＣｕを含んだソフトフェライト層を積層して同時焼成すると、層間の界面反応により、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト中のＣｕがハードフェライト層側に偏析し、磁気特性が劣化したり抵抗率が低下したりするという問題があることが判明した。

そこで本発明は、永久磁石となるハードフェライト層を設けつつ、低温焼成が可能でかつＣｕの偏析に伴う特性劣化がない積層インダクタを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、磁性体中にＡｇの導体パターンが形成されてなる焼結体を含む積層インダクタであって、
前記焼結体は、軟磁性体材料を含有するソフトフェライト層と硬磁性体材料を含有し永久磁石として機能するハードフェライト層とが積層された状態で一体的に焼成された前記磁性体を含み、
前記ソフトフェライト層は、Ｃｕを含まないＮｉ−Ｚｎフェライトに１．５〜３．０ｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３が添加されてなり、
前記ハードフェライト層は、ＳｉＯ_２を添加剤として含むＢａフェライトにさらに５．０〜１０ｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３が添加されてなる、
ことを特徴とする積層インダクタとしている。

本発明のその他の態様は、Ｎｉ−Ｚｎフェライトと１．５〜３．０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ とを含みＣｕを含まないソフトフェライト層となる第１層と、ＢａフェライトとＳｉＯ _２ と５．０〜１０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ とを含むハードフェライト層となる第２層とが積層された積層体を一体的に焼成し、磁性体を得る工程と、上記の積層体にＡｇの導体パターンを形成する工程と、を有することを特徴とする積層インダクタの製造方法としている。

本発明の積層インダクタによれば、永久磁石となるハードフェライト層を設けつつ、低温焼成が可能でかつＣｕの偏析がなく、優れた磁性特性や高い焼結密度を有している。

ハードフェライト層とソフトフェライト層とからなる積層焼結体の元素マッピングを示す図である。

＝＝＝積層インダクタ＝＝＝
上述したように、永久磁石層を有する積層インダクタでは軟磁性体層に従来のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトを用いるとＣｕが偏析するという問題があった。そこで本発明の実施例に係る積層インダクタでは、Ｃｕを含まないニッケル亜鉛系フェライト（Ｎｉ−Ｚｎフェライト）を主成分とした軟磁性材料を用いてソフトフェライト層を形成している。具体的にはソフトフェライト層とハードフェライト層の双方に酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）が副成分として含まれている。

＝＝＝ソフトフェライト層＝＝＝
本発明の実施例に係る積層インダクタについて、まずソフトフェライト層の特性を評価するためにＣｕを含まないＮｉ−Ｚｎフェライトを主成分とするとともに、副成分となるＢｉ_２Ｏ_３の添加量が異なる８種類の軟磁性材料の焼結体をサンプルとして作製した。

＜サンプルの作製手順＞
サンプルの作製手順としては、まず主成分であるＮｉ−Ｚｎフェライトの原料となるＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、およびＮｉＯをそれぞれ４９．０ｍｏｌ％、２３．０ｍｏｌ％、および２８．０ｍｏｌ％の割合で混合し、その混合物を９５０℃で仮焼成した。この仮焼成によって得られた粉体をさらに粉砕して得られた粉末に対し、Ｂｉ２Ｏ３を種類が異なるそれぞれのサンプルに応じた量だけ添加した。次にこの混合物にバインダー（例えば、ＰＶＡ水溶液）を加えて混合し、適宜な大きさの粒子径（例えば１μｍ）の粉末となるように造粒する。その後、この造粒された粉末を目的とする形状に成形し、Ａｇの融点よりも低い約９００℃で３時間焼成して、Ｂｉ_２Ｏ_３を副成分として含むＮｉ−Ｚｎフェライトを得た。

＜特性評価＞
上述した手順によって作製した各種サンプルについて、３０００Ａ／ｍでの最大磁束密度Ｂｍと焼結密度ｄを測定した。

以下の表１に積層インダクタにおけるソフトフェライト層に対応する各種サンプルの特性を示した。

表１に示したように、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が異なる８種類のサンプルＡ〜Ｇにおいて、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が１．０ｗｔ％で最も少ないサンプルＡでは、最大磁束密度Ｂｍ＝３１１（ｍＴ）、焼結密度ｄ＝５．０６（ｇ／ｃｍ^３）であった。またサンプルＡ〜Ｇの最大磁束密度Ｂｍを見ると、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が１．０ｗｔ％のサンプルＡに対し、１．５ｗｔ％の添加量のサンプルＢでは急激に増加し、２．０ｗｔ％のサンプルＣで最大磁束密度Ｂｍが極大値（３９６ｍＴ）となり、以後はＢｉ_２Ｏ_３の添加量の増加に伴って最大磁束密度Ｂｍが漸減していく。しかし添加量が７．０ｗｔ％のサンプルＧにおいても最大磁束密度Ｂｍ＝３５２ｍＴであり、十分に大きな値を維持している。なおサンプルＡ〜Ｇの焼結密度ｄを見ると、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が多いほど焼結密度ｄが高くなることがわかる。以上より、ソフトフェライト層にＣｕが含まれていなくてもＢｉ_２Ｏ_３を添加することで必要な焼結密度ｄが得られることが確認できた。そしてＢｉ_２Ｏ_３を１．５ｗｔ％以上添加すると最大磁束密度Ｂｍが急激に増加し添加量が７．０ｗｔ％まではある程度大きな値を維持できた。したがってより好ましいＢｉ_２Ｏ_３の添加量の下限については１．５ｗｔ％以上とすればよい。上限については表１に示したＢｉ_２Ｏ_３の添加量が５．０ｗｔ％と７．０ｗｔ％のそれぞれに対する最大磁束密度Ｂｍの増減傾向や、Ｂｉがレアメタルであることなどを考慮して７．０ｗｔ％以下とすればよい。

＝＝＝ハードフェライト層＝＝＝
次に本発明の実施例に係る積層インダクタにおけるハードフェライト層の特性を評価するために代表的な硬磁性材料に対し、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が異なる各種硬磁性材料の焼結体をサンプルとして作製した。概略的にはＢａフェライトに一般的な添加剤であるＳｉＯ_２が含まれている一般的な硬磁性材料に対し、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量を調整した各種硬磁性材料を焼結させてサンプルとした。

＜サンプルの作製手順＞
ハードフェライト層に相当するサンプルの作製手順は原材料が異なるだけで上記のソフトフェライト層に相当するサンプルとほぼ同じである。ここではハードフェライト層の主成分であるＢａフェライトの原料の内、フェライトそのものの原料であるＦｅ_２Ｏ_３とＢａＣＯ_３をそれぞれ８５．０ｍｏｌ％と１５．０ｍｏｌ％の割合で混合し、その混合物を９００℃で仮焼成した。この仮焼成によって得た粉体をさらに粉砕して得られた粉末に対しＳｉＯ_２とＢｉ_２Ｏ_３を添加した。ＳｉＯ_２は一般的なＢａフェライトでは周知の添加剤でありここでは０．４ｗｔ％とした。すなわちここまでの混合物を造粒して焼成すれば一般的なＢａフェライトとなる。しかし本実施例に係る積層インダクタを構成するハードフェライト層にはソフトフェライト層と同じ添加物であるＢｉ_２Ｏ_３が含まれている。そのため仮焼成後のフェライト材料からなる粉末に０．４ｗｔ％のＳｉＯ_２とともにサンプルに応じた量のＢｉ_２Ｏ_３を添加した。次に仮焼成を経たフェライトの原材料と、添加剤であるＳｉＯ_２およびＢｉ_２Ｏ_３の混合物にバインダーを加えて混合したものを造粒して成形する。そしてその成形物を約９００℃で３時間焼成して、Ｂｉ_２Ｏ_３を副成分として含むＢａフェライトを得た。

＜特性評価＞
上述した手順によって作製したサンプルについて、残留磁束密度Ｂｒ、保持力Ｈｃ、および焼結密度ｄを測定した。

以下の表２にハードフェライト層に対応するサンプルの特性を示した。

表２に示したように、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量が異なる８種類のサンプルＨ〜Ｎにおいて、保持力Ｈｃについては、Ｂｉ_２Ｏ_３の添加量に対して明確な傾向がなく、多少の増減があるものの１．０ｗｔ％〜７．０ｗｔ％の範囲でほぼ一定であると言える。焼結密度ｄについてはＢｉ_２Ｏ_３の添加量が１．０ｗｔ％で最も少ないサンプルＨで３．６２ｇ／ｃｍ^３であり、添加量が多いほど焼結密度ｄが増加する傾向が認められた。残留磁束密度Ｂｒについては５．０ｗｔ％の添加量までは添加量が多いほど増加する傾向にある。５．０ｗｔ％を越えると飽和する傾向にある。そして添加量が１．５ｗｔ％以上で焼結密度ｄが４ｇ／ｃｍ^３を越え、残留磁束密度Ｂｒの増加傾向が顕著なることから、Ｂｉ_２Ｏ_３添加量は１．５ｗｔ％であることが望ましい。上限については焼成時の収縮率がソフトフェライト層を構成する軟磁性材料の収縮率と大きく乖離しない程度となるように調整すればよく、敢えて上限の最適値を設定する必要はないと思われる。しかし一般的な添加剤の上限添加量を考慮すれば１０ｗｔ％程度とするのが妥当であると思われる。いずれにしても７．０ｗｔ％の添加量ではまったく問題が無かった。

＝＝＝積層界面での特性＝＝＝
実際の積層インダクタでは、上述したソフトフェライト層とハードフェライト層とが一体的な焼結体（以下、積層焼結体）として同時に焼成される。そこでソフトフェライトの組成が異なる２種類の積層焼結体を作製した。一方の種類はサンプルＣを作製する際に用いた軟磁性材料とサンプルＪを作製する際に用いた硬磁性材料とを互いに積層したものを９００℃で３時間焼成してなる積層焼結体である。他方の種類はサンプルＣにおけるＢｉ_２Ｏ_３に代えてＣｕＯを２．０ｗｔ％添加したＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトからなる軟磁性材料と、サンプルＪを作製する際に用いた硬磁性材料とを互いに積層したものを９００℃で３時間焼成してなる積層焼結体である。そして各種類の積層焼結体の積層界面付近の元素の分散状態を蛍光Ｘ線分光分析法など用いて調べた。そしてその分散状態を元素マッピングによって可視化した。

図１に作製した２種類の積層焼結体（１ａ、１ｂ）における元素マッピングの結果を示した。図１（Ａ）および（Ｃ）はソフトフェライト層にＣｕを含まない積層焼結体（以下、焼結体１ａとも言う）におけるＢｉおよびＣｕについての元素マッピングであり、図１（Ｂ）および（Ｄ）はＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトをソフトフェライト層とした積層焼結体（以下、焼結体１ｂとも言う）におけるＢｉおよびＣｕの元素マッピングである。そして図中では元素の分布度合いが濃淡によって表現されており、特定の元素が多いほど濃度が低く（淡く）なっている。なお図１（Ａ）〜（Ｄ）において図中の白点線が積層界面２であり、その積層界面２に対して紙面上側がハードフェライト層３であり下側がソフトフェライト層４である。

まず図１（Ａ）より、本発明の実施例に対応する焼結体１ａではハードフェライト層３とソフトフェライト層４の双方にＢｉ_２Ｏ_３が添加されていることから、ハードフェライト層３とソフトフェライト層４の双方にＢｉが分布しており、かつその分布の度合いに大きな差がない。一方比較例となる焼結体１ｂではハードフェライト層３にのみＢｉが含まれており、図１（Ｂ）を見ると積層境界２の近傍ではＢｉを含まないソフトフェライト側４にも若干のＢｉが分布していることがわかる。

そしてＣｕについての分布を見てみると、まず図１（Ｃ）に示した焼結体１ａではハードフェライト層３にはもちろん、ソフトフェライト層４にもＣｕが含まれていないことから、当然のごとくＣｕの分布がまったく認められない。一方ソフトフェライト層４が従来のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトからなる焼結体１ｂでは、図１（Ｄ）に示したように、多量のＣｕが積層境界２に偏析しており、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト層内のＣｕ濃度が不均一になっていることが確認できる。すなわち単体のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトの磁気特性、電気特性が得られていないと予想される。以上より、本発明の実施例に係る積層インダクタでは、ソフトフェライト層３にＣｕを含まない焼結体１ａと同様の構成を備えていることから、実質的に界面反応が無く、磁気特性が劣化したり抵抗率が低下したりするという問題が発生しない。

１ａ，１ｂ 積層焼結体、２ 積層界面、３ ハードフェライト層、
４ ソフトフェライト層

Claims (3)

1. 磁性体中にＡｇの導体パターンが形成されてなる焼結体を含む積層インダクタであって、
   前記焼結体は、軟磁性体材料を含有するソフトフェライト層と硬磁性体材料を含有し永久磁石として機能するハードフェライト層とが積層された状態で一体的に焼成された前記磁性体を含み、
   前記ソフトフェライト層は、Ｃｕを含まないＮｉ−Ｚｎフェライトに１．５〜３．０ｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３が添加されてなり、
   前記ハードフェライト層は、ＳｉＯ_２を添加剤として含むＢａフェライトにさらに５．０〜１０ｗｔ％のＢｉ_２Ｏ_３が添加されてなる、
   ことを特徴とする積層インダクタ。
2. Ｎｉ−Ｚｎフェライトと１．５〜３．０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ とを含みＣｕを含まないソフトフェライト層となる第１層と、ＢａフェライトとＳｉＯ _２ と５．０〜１０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ とを含むハードフェライト層となる第２層とが積層された積層体を一体的に焼成し、磁性体を得る工程と、
   前記積層体にＡｇの導体パターンを形成する工程と、
   を有することを特徴とする積層インダクタの製造方法。
3. 請求項２に記載の積層インダクタの製造方法であって、
   前記第１層は、Ｆｅ _２ Ｏ _３ 、ＺｎＯ、およびＮｉＯをそれぞれ４９．０ｍｏｌ％、２３．０ｍｏｌ％、および２８．０ｍｏｌ％の割合で混合され仮焼成された前記Ｎｉ−Ｚｎフェライトの原料に１．５〜３．０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ が添加されてなり、
   前記第２層は、Ｆｅ _２ Ｏ _３ とＢａＣＯ _３ をそれぞれ８５．０ｍｏｌ％と１５．０ｍｏｌ％の割合で混合され仮焼成されたＢａフェライトの原料に、ＳｉＯ _２ と５．０〜１０ｗｔ％のＢｉ _２ Ｏ _３ とが添加されてなる、
   ことを特徴とする積層インダクタの製造方法。