(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型磁気素子の磁性体に使用される微粉状のフェライト粉であって、
前記フェライト粉がＺｎＯ換算で１５〜３５ｍｏｌ％のＺｎを、さらにＮｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｍｇ及びＣｏの内から選ばれる１種又は２種以上を含有し、ＮｉＯ，ＭｎＯ，ＣｕＯ，ＭｇＯ，ＣｏＯに換算した合計含有量が１５〜５０ｍｏ１％であると共に、該フェライト粉の粒子形状がほぼ球形で、且つ比表面積が１〜４０ｍ2／ｇの範囲にあることを特徴とする小型磁気素子用フェライト粉。
【請求項２】
第一鉄塩を含む水溶液とアルカリ溶液とを混合して水酸化第一鉄を含有する水溶液とし、該水酸化第一鉄を含有する水溶液に酸素含有ガスを通気して小型磁気素子用フェライト粉を製造する方法において、
前記第一鉄塩を含む水溶液及び／又は前記水酸化第一鉄を含有する水溶液にＺｎイオンを、さらにＮｉイオン，Ｍｎイオン，Ｃｕイオン，Ｍｇイオン及びＣｏイオンの内から選ばれる１種または２種以上の金属イオンを添加すると共に、該水酸化第一鉄を含有する水溶液のｐＨを８〜９の範囲に維持して通気することを特徴とする小型磁気素子用フェライト粉の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の小型磁気素子用Ｚｎ含有フェライト粉に、さらに樹脂及び／又は溶剤を添加してぺースト状としてなることを特徴とする小型磁気素子用フェライトペースト。
【請求項４】
フェライト層上に導電層を形成してなる小型磁気素子において、
前記フェライト層の充填原料に、請求項１又は２記載の小型磁気素子用フェライト粉又は請求項３に記載の小型磁気素子用フェライトペーストを用いてなることを特徴とする小型磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型磁気素子用フェライト粉及びその製造方法、フェライトペースト、並びに小型磁気素子に係わり、詳しくは、積層チップインダクタ、平面インダクタ等の厚さが１ｍｍ以下程度の小型磁気素子に、従来より優れた電磁気特性を安定して発揮させるための技術である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型・軽量化に伴い、それを構成する部品、例えばチップ抵抗やチップコンデンサ、チップインダクタなどに代表される所謂「表面実装型」の小型チップ部品が多用されている。また、小型磁気素子の分野でも、ノイズフィルタとしての積層チップインダクタや、ＤＣ／ＤＣコンバータ用のパワーインダクタとしての平面インダクタが提案され、実用されているものもある。
【０００３】
その積層チップインダクタ１は、図２に示すように印刷法やドクターブレード法を用いて成形した磁性体部分３０（コア層）と、印刷法で形成した導体部分２０（内部電極）とを積層し、焼結することで製造される。その際、導体間の電気的な導通は、スルーホール５を用いて接続するようにしており、導体部分２０は外部電極６に接続されている。磁性体の材料には、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトが、導体材料には、Ａｇ合金が一般的に用いられている（例えば、特開平４−１８０６１０号公報）。このような積層型のチップインダクタは、小型化に有利であると共に、外鉄構造を取っているので、漏洩磁束が小さく、所謂「高密度実装」にも適している。
【０００４】
また、平面インダクタは、特開平１１−２６２３９号公報で提案されているように、Ｓｉ基板上にフェライトを印刷して焼成し、その上にさらに平面コイルをフォトリソ技術（露光法）及びめっき技術を併用して形成するものである。この素子も、積層チップインダクタと同様に、薄型化と高密度実装化に優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記積層型チップインダクタでは、インダクタンスを大きくしようとすると、内部電極層の積層数（巻き数）を増す必要がある。その場合、内部電極層間のフェライト層の厚さをインダクタンスの小さな素子と同じにして積層すると、積層数が増え、素子全体の厚みが大きくなり、小型化の上で好ましくない。したがって、インダクタンスの小さい素子と同じ厚みにするには、各内部電極層間のフェライト層の厚みを積層数の増加に比例して薄くする必要がある。ところが、フェライト層の厚みを薄くすると、所望のインダクタ特性を安定して得られ難くなるという問題があり、小型素子の出現を阻害していた。また、平面インダクタでは、Ｓｉ基板上のフェライト焼成面にフォトリソ技術及びめっき技術で平面コイルを形成させるが、そのフェライト焼成面を平坦にしないと、コイルの電気特性が劣化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、磁性体と内部電極、平面コイルとの界面を従来より平坦化可能なフェライト粉及びその製造方法、フェライトペースト、並びにそれを用いて電磁気特性を安定化した小型磁気素子を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、種々の性状を有するフェライト微粉末の充填層とＡｇ合金からなる導電体とを積層して焼成し、両者の界面を従来より平坦化することについて鋭意検討し、その結果、使用すべきフェライト微粉末の適切な性状を見出し、該フェライト微粉末の製造を確立すると共に、その適切なフェライト粉を用いることで、種々の電磁気特性を従来より安定して発揮できる小型磁気素子の製造に成功した。
【０００８】
すなわち、本発明は、小型磁気素子の磁性体に使用される微粉状のフェライト粉であって、前記フェライト粉がＺｎＯ換算で１５〜３５ｍｏｌ％のＺｎを、さらにＮｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｍｇ及びＣｏの内から選ばれる１種又は２種以上を含有し、ＮｉＯ，ＭｎＯ，ＣｕＯ，ＭｇＯ，ＣｏＯに換算した合計含有量が１５〜５０ｍｏ１％であると共に、該フェライト粉の粒子形状がほぼ球形で、且つ比表面積が１〜４０ｍ2／ｇの範囲にあることを特徴とする小型磁気素子用フェライト粉である。
【００１０】
また、本発明は、第一鉄塩を含む水溶液とアルカリ溶液とを混合して水酸化第一鉄を含有する水溶液とし、該水酸化第一鉄を含有する水溶液に酸素含有ガスを通気して小型磁気素子用フェライト粉を製造する方法において、前記第一鉄塩を含む水溶液及び／又は前記水酸化第一鉄を含有する水溶液にＺｎイオンを、さらにＮｉイオン，Ｍｎイオン，Ｃｕイオン，Ｍｇイオン及びＣｏイオンの内から選ばれる１種または２種以上の金属イオンを添加すると共に、該水酸化第一鉄を含有する水溶液のｐＨを８〜９の範囲に維持して通気することを特徴とする小型磁気素子用フェライト粉の製造方法である。
【００１１】
さらに、本発明は、上記の小型磁気素子用フェライト粉に、さらに樹脂及び／又は溶剤を添加してぺースト状としてなることを特徴とする小型磁気素子用フェライトペーストである。
【００１２】
加えて、本発明は、フェライト層上に導電層を形成してなる小型磁気素子において、前記フェライト層の充填原料に、上記の小型磁気素子用フェライト粉又はフェライトペーストを用いてなることを特徴とする小型磁気素子である。
【００１３】
本発明によれば、フェライトからなる磁性体と内部電極、平面コイルとの焼結後の界面が、従来に比べて格段と平滑にできるようになる。また、適切な形状のフェライト粉が安定して製造できるようになる。その結果、積層チップインダクタや平面インダクタに形成した内部電極、平面コイル等の導電体の電磁気特性が従来に比べて安定し、理想的な小型磁気素子が製造できるようになった。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯を交え、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
まず、本発明に係るフェライト粉の組成は、特に限定しないが、以下に示す組成を主成分とした系が好ましい。
【００１６】
Ｆｅ２Ｏ３：４０〜５０ｍｏｌ％
Ｆｅ２Ｏ３が５０ｍｏｌ％を超えると、Ｆｅ２＋イオンの存在によりフェライト焼結体の電気抵抗値を急激に低下させる。この電気抵抗の低下は、小型磁気素子を高周波領域で使用する際にフェライトコアの渦電流損失を急増させてしまう。また、４０ｍｏｌ％未満では，フェライト層の透磁率低下に伴い、磁気素子のインダクタンスが著しく劣化するので、４０ｍｏｌ％を下限とするのが好ましい。
【００１７】
ＺｎＯ：３〜３５ｍｏｌ％
ＺｎＯは、磁気素子のインダクタンスとキュリー温度に大きな影響を与える。このキュリー温度は、磁気素子の耐熱性を決める重要なパラメータであるが、３ｍｏｌ％未満では、該キュリー温度は高いもののインダクタンスが低下する。一方、３５ｍｏｌ％を超えると、インダクタンスは高いものの、キュリー温度が低下する。従って、ＺｎＯは、１５〜３０ｍｏｌ％の範囲にあることが好適である。さらに好ましくは１５〜３５ｍｏｌ％である。
【００１８】
また、本発明では、上記した主成分のＦｅ，Ｚｎに加えて、必要に応じて、Ｎｉイオン，Ｍｎイオン，Ｃｕイオン，Ｍｇイオン及びＣｏイオンの内から選ばれる１種または２種以上の金属イオンを含むのが好ましい。その方が、磁気素子の特性を良好にできるからである。その含有量は、ＮｉＯ，ＭｎＯ，ＣｕＯ，ＭｇＯ，ＣｏＯに換算した合計含有量が１５〜５０ｍｏ１％とする。より好ましくは２０〜４７ｍｏｌ％である。１５ｍｏｌ％未満では、キュリー温度が低下し、５０ｍｏｌ％超えでは、スピネル単相にならないため、透磁率の劣化をまねきやすい。
【００１９】
なお、ＣｕＯは、フェライト微粉末の充填層上に導電体を形成させ、それらを焼結する際の温度を低下させるのに役立つ。しかし、多量に添加すると焼結温度は低下できるが、磁気素子としてのインダクタンスを劣化するので、０〜２０ｍｏｌ％、さらに好ましくは０．５〜１５ｍｏｌ％である。
【００２０】
次に、発明者は、上記した組成のフェライト粉を用いて、小型磁気素子の電磁気特性について検討した。その結果、積層チップインダクタでは、前記各層の厚みを薄くしていった時のインダクタ特性の不安定さの原因は、内部電極層２１の電磁気特性にあることをつきとめた。すなわち、従来の粉砕法（フェライトの組成になるようにした原料を、ボールミルにて混合・仮焼・粉砕によって作製する）で製造したフェライト微粉末を原料に使用したのでは、焼結後のフェライト層３１と内部電極層２１との界面に図１に示すような大きな凹凸４（つまり、凹凸差が平均２μｍ超のでこぼこ）になり、内部電極層２１やフェライト層３１の形状が変化し、内部電極自体の直流抵抗が変化したり、はなはだしい場合には、断線や短絡を生じていることがわかった。また、図示していないが、平面インダクタでは、フェライト層表面の凹凸差が大きいと、フェライトとレジスト（感光膜）との界面に空隙ができたり、レジストフレーム内に気泡が残存し、その上にめっきで形成するコイルの形状を損なう。つまり、積層チップインダクタでの場合と同じく、コイル自体の直流抵抗が変化したり、はなはだしい場合には、断線や短絡を生じている。
【００２１】
このような知見から、発明者は、いずれの場合もフェライト層３１と、内部電極２１あるいはコイル（以下、両者を導電体と総称する）との界面の凹凸を減らして従来より平坦にすれば、該導電体の構造変化が小さくなり、その電磁気特性への影響も小さいと判断した。そして、そのような界面状態を達成するには、焼結される磁性体の原料である微粉状のフェライトについてさらなる検討が必要と考え、研究を重ねた。本発明は、その研究成果を具現化したものであり、以下に詳述する。
【００２２】
最初に、フェライト層と導電体との界面の適正な平坦度を見出すため、その平坦度を焼結された磁気素子の断面を観察し、フェライト層と導電体の界面の平均凹凸差で評価することにして、種々の条件で製造した積層チップインダクタや平面コイルでこの平均凹凸差と磁気素子の電磁気特性との関係を調査した。その結果、界面の平均凹凸差が２μｍを超えると、チップインダクタの内部電極や平面インダクタのコイルの形状不良が生じて、電磁気特性が損なわれていることがわかった。なお、このフェライト層／導電体界面の凹凸差は、顕微鏡でそれら磁気素子断面を多数個所にわたって観察し、隣り合う凹凸の距離差を測定することで求めた。
【００２３】
上記した平均凹凸差２μｍ以下を達成するには、磁性体の焼結前原料であるフェライト微粉末（通常、１μｍ以下）の性状が重要と考えた。そして、種々の組成及び粒子形状を有するフェライト微粉末を製造し、充填層を形成させて焼結し、焼結体（磁気素子）の断面を観察した。フェライト層と導電体との界面の凹凸差を前記同様に顕微鏡で測定した。その結果、フェライト層と導電体との界面の平均凹凸差を平均２μｍ以下にするフェライトの微粉末は、粒子の形状がほぼ球形で、且つ比表面積が１〜４０ｍ２／ｇの範囲、好ましくは１〜２０ｍ２／ｇの範囲を満足するものと知り、そのようなフェライト微粉末を本発明としたのである。なお、本発明の比表面積はＢＥＴ法（液体Ｎ２使用、多点法）で測定したものである。
【００２４】
ここで、粒子形状がほぼ球形とは、完全な球状かあるいは１２面体以上の多面体を意味する。一般に、フェライトの粒子形状は、その製造過程で結晶粒の成長状況によって、単結晶に近い多面体になったり、多結晶の球形になったりする。本発明は、単結晶でも多結晶でも有効であるが、８面体や４面体のような面数の少ない多面体では、凹凸差を減らす効果が小さいので、１２面体以上のものが好ましい。さらに好ましくは２０面体以上である。また、表面積が４０ｍ２／ｇを超えると、焼結前フェライト層（グリーンシートともいう）を成形する原料のペースト化が困難となる。つまり、フェライト微粉末の溶剤への分散が不十分で、且つその上に印刷する導電体の形状不良を起し易く、焼結後に素子の電磁気特性が劣化する。したがって、本発明では、フェライト微粉末の比表面積を４０ｍ２／ｇ以下とした。また、１ｍ２／ｇ未満になると、フェライト層と導電体との界面で平均凹凸差が大きくなって、電磁気特性の劣化を招き易くなるので、１ｍ２／ｇ以上を比表面積の下限とした。
【００２５】
そして、発明者は、このような条件を満足するフェライト微粉末の製法についても研究し、以下に述べるような製造方法を確立した。
【００２６】
従来、フェライト粉は、第一鉄塩を含む水溶液とアルカリ溶液とを混合して得られる水酸化第一鉄を含有する水溶液を加熱しながら、酸素含有ガス（例えば、空気）を通気して析出させることで製造していた。この場合、第一鉄塩を含む水溶液には、硫酸第一鉄水溶液や塩化第一鉄水溶液が、アルカリ溶液には、水酸化アルカリや炭酸アルカリ等が用いられる。
【００２７】
発明者は、かかる従来の製造方法に対して鋭意検討を加え、水酸化第一鉄を含む水溶液に酸素含有ガスを通気させる際に、その水溶液のｐＨを８〜９という狭い範囲に維持すれば、粒子形状がほぼ球形のフェライト粉が安定して析出することを見出し、この方法を本発明としたのである。
【００２８】
この場合、亜鉛の添加は、第一鉄塩水溶液あるいは水酸化第一水溶液のいずれの段階でも良いが、通気時の水溶液温度は、１００℃以下が好ましい。１００℃超えでは、大がかりな設備が必要になり、経済的に問題が生じるので、上記範囲を好適とする。また、ｐＨが８未満では、不定形粒子の析出が多くなり、９超えでは、六面体粒子または八面体粒子が生成し好ましくない。つまり、これらの粒子を用いてフェライト層（膜）を形成すると、層表面の凹凸が大きくなる。そのため、本発明では、通気時の水溶液のｐＨを、特に８〜９という狭い範囲に限定したのである。
【００２９】
また、本発明では、Ｚｎイオンを添加することにより、得られるフェライト粉の形状がより球状に近くなり、また、残留磁化が小さくなるため，磁気的な引張り合いが小さくなり、凝集が少なくなる。さらに、本発明では、製造するフェライト粉の組成に応じて、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｍｇ及びＣｏの金属イオンから１種又は２種以上を選び、水溶液に添加することも本発明とした。これらのＺｎイオン、Ｎｉイオン、Ｍｎイオン、Ｃｕイオン、Ｍｇイオン、Ｃｏイオンは、塩化物、硫化物の形で添加することができ、第一鉄塩を含む水溶液及び／又は水酸化第一鉄を含有する水溶液に添加することができる。
【００３０】
さらに加えて、小型磁気素子を製造するに当たっては、フェライトをペースト状にして使用するのが好ましい。そこで、本発明では、このペーストを、本発明に係る上記フェライト粉に、例えばテルピオネールとＤＢＰ（ｄｉｂｕｔｙｌ  ｐｈｔｈａｌａｔｅ）等を溶媒、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、エチルセルロース等を樹脂分として混合することで製造した。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
フェライト微粉末の組成が、Ｆｅ２Ｏ３／ＺｎＯ／ＣｕＯ／ＮｉＯ＝４９／２３／１２／１６（ｍｏｌ％）となるように原料物質を配合した硫酸化合物を苛性ソーダで中和して水酸化物溶液とした。そして、これを加熱して空気を吹き込み、フェライトの微粒子を析出させた。その際、加熱温度、空気吹込み量、溶液のｐＨなどを変更して、フェライト微粉末の形状及び比表面積が種々異なるように調整した。使用した原料及び製造条件を表１に示す。引き続き、製造された形状及び比表面積が異なる各フェライト微粉末に、樹脂分としてエチルセルロース、溶剤としてテルビオネールとＤＢＰを加えてペースト状とした。このペーストでフェライトの薄層を形成した後、その上に別途用意した導電体（内部電極）としてのＡｇペーストを印刷し、さらにこれらの層を順次交互に５０層分（所謂「巻き数」）重ねた後、全体を９００℃で焼成して、小型磁気素子としての積層チップインダクタを作製した。得られた積層チップインダクタは、内部電極間のフェライト（磁性体）厚みが約５μｍ、電極厚みが約８μｍで、全体が８００μｍの厚みであった。得られた磁気素子のインダクタンス、直流抵抗を測定した。また、断面観察を行い、フェライト層と内部電極との界面の平面凹凸差を測定した。
【００３２】
これらの結果を一括して表２に示す。なお、表２で粉砕法とあるのは、同一の原料をボールミルにて混合・仮焼・粉砕によって作製されたフェライト微粉末を使用した場合である。表２より、本発明に係るフェライト微粉末を使用すると、小型磁気素子としての積層チップインダクタの電磁気特性が従来の粉砕法や多面体の面数の小さい比較例によるものに比べ、格段に優れていることが明らかである。この結果は、本発明に係るフェライト微粉末を用いることで、フェライト層と内部電極層との界面の凹凸が小さくなったことを示している。
【００３３】
【表１】
0003602412.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003602412.tif 000003
【００３５】
（実施例２）
実施例１と同じ方法で合成したフェライトペーストをＳｉ基板上に印刷法で下部フェライト層として成膜し、９００℃で焼成した。焼成後の膜厚は約４０μｍである。次に、この焼結層の上にめっき下地としてＣｕ０．５μｍをスバッタ法で成膜し、さらにその上に、フォトリソ技術でスパイラル状のレジストフレームを形成した後、電気めっきによるＣｕ析出、レジスト剥離、湿式エッチングで平面コイルを形成した。このコイル上に、上部フェライト層として、下部フェライト層と同じ組成のフェライト微粉末をエポキシ樹脂でペースト化したものを印刷成形して硬化させた。この場合、平面コイルのライン／スペースは４０μｍ／４０μｍで、コイルの厚みは５０μｍ、巻き数は１４ターンである。得られた磁気素子のインダクタンス、直流抵抗を測定した。また、断面観察を行い、フェライト層／平面コイル界面の平均凹凸差を測定した。
【００３６】
これらの結果を表３に一括して示す。表３より、本発明に係るフェライト微粉末を使用すると、小型磁気素子としての平面インダクタの電磁気特性が従来の粉砕法や多面体の面数の小さい比較例によるものに比べ、格段に優れていることが明らかである。この結果も、積層チップインダクタの場合と同様、本発明に係るフェライト微粉末を用いることで、フェライト層と内部電極層との界面の凹凸が小さくなったことを示している。
【００３７】
【表３】
0003602412.tif 000004
【００３８】
（実施例３）
所定の組成になるようにフェライト粉を構成する元素からなる硫酸化合物、あるいは塩化物溶液をアルカリ溶液で中和して水酸化第一鉄溶液とし、これを５０〜１００℃に加熱し、所定のｐＨを維持しながら空気を通気してフェライト粉の微粒子を合成した。合成されたフェライト粉の組成、製造条件を表４に示した。
【００３９】
【表４】
0003602412.tif 000005
【００４０】
得られたフェライト粉に、樹脂分としてエチルセルロース、溶剤としてテルビオネールとＤＢＰを加えてペーストとした。
【００４１】
チップインダクタについては、該フェライトペーストと別途用意したＡｇペーストとを交互に積層印刷した後、９００℃で焼成して積層チップインダクタを作製した。このときの内部電極間のフェライト厚みは約５μｍ、電極厚みは約８μｍで、積層数（巻き数）は５０、チップインダクタ総厚みは８００μｍとなるようにした。評価結果を表５にまとめた。
【００４２】
平面インダクタについては、フェライトペーストをＳｉ基板上に印刷法で下部フェライト層として成膜し、引き続き９００℃で焼成した。焼成後の膜厚は約４０μｍである。次に、この上にめっき下地としてＣｕ０．５μｍをスパッタ法で成膜した。さらに、その上にフォトリソ技術でスパイラル状のレジストフレームを形成、電気めっきによるＣｕ析出、レジスト剥離、湿式エッチングを施し、平面コイルを形成した。コイル上に上部フェライト層として、下部フェライト層と同じ組成のフェライト粉をエポキシ樹脂でペースト化したものを印刷成形して硬化させた。このとき、平面コイルのライン／スペースは４０μｍ／４０μｍで、コイル厚みは５０μｍ、巻き数は１４ターンである。
【００４３】
【表５】
0003602412.tif 000006
【００４４】
表５より、本発明からなるフェライト粉を用いることで、フェライト層／内部電極界面の凹凸が小さくなり、その結果、電磁気特性が向上していることがわかる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、磁性体と導電体との界面を従来より平坦化可能な小型磁気素子用のフェライト微粉末が供給できるようになると共に、それを用いて電磁気特性に優れる小型磁気素子が作製できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層チップインダクタにおけるフェライト層（磁性体）と内部電極層との界面に生じる凹凸を示す模式図である。
【図２】積層チップインダクタの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    積層チップインダクタ
２０    導体部分（内部電極）
２１    内部電極層
３０    磁性体部（コア層）
３１    フェライト層
４    凹凸
５    スルーホール
６    外部電極
【図１】
0003602412.tif 000007
【図２】
0003602412.tif 000008