(57)【要約】【課題】  樹脂等でボンド化したり、粒子を絶縁膜で被覆する場合には、絶縁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必要があり、磁気特性が劣化する。金属磁性材料粒子に酸化物の膜を形成する場合には、金属磁性材料粒子にＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粒子を用いると、絶縁性が低かったり、充分な強度が得られなかったりする。【解決手段】  金属磁性合金粒子と、その金属磁性合金粒子間に粒界層を有している。金属磁性合金粒子は、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成されている。該粒界層には、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在する。 【選択図】  図１
2016143700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属磁性合金粒子と、その金属磁性合金粒子間に粒界層を有しており、
該金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、該粒界層には、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在することを特徴とする金属磁性材料。
【請求項２】
前記Ｓｉを含有する層は、Ｓｉの酸化物の層あるいはＳｉと他の元素の酸化物の層である請求項１に記載の金属磁性材料。
【請求項３】
前記Ｓｉを含有する層が前記金属磁性合金粒子の表面に形成された請求項１又は請求項２に記載の金属磁性材料。
【請求項４】
金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、該金属磁性合金粒子間に粒界層を持ち、該粒界層に、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在する金属磁性材料を用いて素体が形成され、
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。
【請求項５】
前記Ｓｉを含有する層は、Ｓｉの酸化物の層あるいはＳｉと他の元素の酸化物の層である請求項４に記載の電子部品。
【請求項６】
前記Ｓｉを含有する層が前記金属磁性合金粒子の表面に形成された請求項４又は請求項５に記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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と、部品本体が導通してしまったり、材料特性が劣化して、製品の損失が増加してしまったりする。
【０００３】
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、特許文献１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。
【０００４】
また、材料粒子に原料組成のみに由来する酸化物の膜を形成する技術が開示されている（特許文献２、特許文献３）。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６２４２４号公報
【特許文献２】特許第４８６６９７１号公報
【特許文献３】特許第５０８２００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子部品用の金属磁性材料は、磁性粒子同士を、最小の絶縁膜で絶縁して、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。
【０００７】
本発明の課題は、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、高い強度を有する電子部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属磁性材料は、金属磁性合金粒子と、その金属磁性合金粒子間に粒界層を有しており、金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、粒界層には粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在する。
また、本発明の電子部品は、金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、金属磁性合金粒子間に粒界層を持ち、粒界層に、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在する金属磁性材料を用いて素体が形成され、素体の内部あるいは表面にコイルが形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の金属磁性材料は、金属磁性合金粒子と、その金属磁性合金粒子間に粒界層を有しており、金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、粒界層には粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在するので、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、本発明の電子部品は、金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、金属磁性合金粒子間に粒界層を持ち、粒界層に、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在する金属磁性材料を用いて素体が形成され、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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】図１の分解斜視図である。
【図３】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。
【図４】実施例３と比較例３の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の金属磁性材料は、複数の金属磁性合金粒子と、これらの金属磁性合金粒子間に粒界層を有している。金属磁性合金粒子は、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成されたものが用いられる。これらの金属磁性合金粒子間には、粒界層を有している。この粒界層には、６００℃以上、好ましくは６００〜８００℃の熱処理により、粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層を存在させることができる。この熱処理の温度は、６００℃未満であるとＳｉを含有する層を充分に形成することができず、８００℃を超えると酸化等の問題が発生する。また、Ｓｉ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する。
従って、本発明の金属磁性材料は、金属磁性合金粒子に従来のものに比較して強固な絶縁膜が形成されるので、絶縁抵抗と耐電圧を従来のものよりも大きくでき、強度も従来のものよりも強くできる。
また、本発明の電子部品は、複数の金属磁性合金粒子と、これらの金属磁性合金粒子間に粒界層を有する金属磁性材料を用いて素体が形成される。金属磁性合金粒子は、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成されたものが用いられる。これらの金属磁性合金粒子間には、粒界層を有している。この粒界層には、６００℃以上、好ましくは６００〜８００℃の熱処理により、Ｓｉを含有する層を存在させることができる。この熱処理の温度は、６００℃未満であるとＳｉを含有する層を充分に形成することができず、８００℃を超えると酸化等の問題が発生する。また、Ｓｉ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する。この様に構成された素体の内部あるいは表面にコイルが形成される。
従って、本発明の電子部品は、素体を構成する金属磁性合金粒子間を結合する粒界層を従来よりも強固なものとすることができるので、素体の強度を従来のものよりも向上させることができ、絶縁抵抗と耐電圧も従来のものよりも大きくできる。
【００１２】
以下、本発明の金属磁性材料及び電子部品の実施形態を図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、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）の粒子により形成される。この鉄とケイ素からなる金属磁性合金粒子は、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成されたものが用いられる。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、この粒界には粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在している。このＳｉ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Ｓｉの酸化物の層あるいはＳｉと他の元素の酸化物の層によって構成される。Ｓｉの酸化物の層及びＳｉと他の元素の酸化物の層は、アモルファス、結晶、これらの混合等様々な状態によって構成できる。また、Ｓｉ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。
【００１３】
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系金属磁性合金の粒子に所定量のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダを添加し、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、６００℃以上、好ましくは６００〜８００℃で熱処理が行われて、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。
【００１４】
本実施形態では、素体１１を構成する金属磁性体層１１Ａから１１Ｄに用いられる金属磁性材料に、金属磁性合金粒子と、その金属磁性合金粒子間に粒界層を有しており、金属磁性合金粒子が、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成され、粒界層に粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層が存在するものを用いることにより、磁気特性と絶縁特性と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結果を挙げて説明する。
【００１５】
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、平均粒径が１０μｍの図３に示す所定組成のＦｅ−Ｓｉ合金の粒子又は所定組成のＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金の粒子に所定量のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダを添加し、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。
【００１６】
図３に示した比較実験において、１０ＭＨｚでの複素透磁率μ’が１５以上、抗折強度が３０Ｍｐａ以上のものを○、それ以外を×として判定した結果を判定欄に示した。この条件は、インダクタとして利用可能な最低限の条件として設定してある。
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金の粒子を用いた比較例１乃至３は、透磁率と抗折強度の両方の条件を満たすものがなかった。それに対し、本発明の金属磁性材料は、Ｓｉを１．５〜６．５ｗｔ％含有し、残部がＦｅで構成されたＦｅ−Ｓｉ合金の粒子を用いることにより、いずれも透磁率と抗折強度の両方の条件を満たすことができた。
また、本発明の金属磁性材料を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粒子内よりも高濃度のＳｉを含有する層を有することが確認できた。
【００１７】
透磁率がほぼ同じ実施例３と比較例３について、内部に９．５ターンのコイルパターンが形成され、縦、横、高さがそれぞれ１．６ｍｍ、０．８ｍｍ、０．８ｍｍになる様に素体を形成し、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ところ、図４に示す様な特性が得られた。
実施例３と比較例３は、いずれも１ＭＨｚにおけるインダクタンス値が約１μＨ、直流抵抗値が約２１０ｍΩとなった。
実施例３は、図４（Ａ）に示す様に、インダクタンス特性３１が比較例４のインダクタンス特性３２よりも高い周波数までインダクタンス値を維持することができた。
また、実施例３は、比較例３の抵抗率が１．４６×１０６Ω・ｃｍであるのに対して抵抗率が２．５５×１０８Ω・ｃｍと材料の絶縁性が従来のものよりも高いため、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示す様に、Ｑの周波数特性３３及び直流重畳特性３５を、比較例３のＱの周波数特性３４及び直流重畳特性３６よりも良くすることができた。
さらに、実施例３は、比較例３の耐電圧が１５５Ｖ／ｍｍなのに対して耐電圧が３０９Ｖ／ｍｍと材料の耐電圧が比較例３よりも高いため、実施例３の製品の耐電圧も比較例３が２０．１Ｖなのに対して５３．２Ｖと高くすることができた。これにより、電位差のより大きな回路へ適用することが可能になったり、信頼性の高い電子部品を提供することが可能になったりする。
【００１８】
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、磁性材料の組成、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）実施形態において示した金属磁性材料にガラスを添加しても良い。この場合の添加量は磁性材料の粒子径や所望の磁気特性等に応じて調整することができる。
（３）金属磁性合金は、Ｆｅ−Ｓｉ系金属磁性合金であれば良く、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可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。
（４）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。
【符号の説明】
【００１９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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