JP2019065382A - Ｆｅ系ナノ結晶粒合金及びこれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はＦｅ系ナノ結晶粒合金及びこれを用いた電子部品に関する。【解決手段】本発明は、一実施形態は、（Ｆｅ（１−ａ）Ｍ１ａ）１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇＭ２ｂＢｃＰｄＣｕｅＭ３ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有するＦｅ系ナノ結晶粒合金を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金及びこれを用いた電子部品に関するものである。

最近、インダクタ、トランス、モータ磁心、無線電力伝送装置などの技術分野では、小型化及び高周波数特性が向上した軟磁性材料が開発されており、特に、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金が注目されている。

Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、透磁率が高く、既存のフェライトと対比して２倍以上の飽和磁束密度を有し、既存の金属に比べて高周波数で作動されるという長所がある。

しかしながら、近年では、その性能に限界が見えつつあり、飽和磁束密度の向上のために、新たなナノ結晶粒合金組成の開発が進められている。特に、磁気誘導方式の無線電力送信装備の場合は、周辺金属物から受けたＥＭＩ／ＥＭＣ影響の減少及び無線電力送信効率の向上のために、磁性体を使用している。

このような磁性体としては、効率の向上及び装置の軽薄短小化、特に高速充電のために、高い飽和磁束密度を有する磁性体が用いられている。しかしながら、高飽和磁束密度を有する磁性体は、損失が高く、熱が発生するため、その適用には限界がある。

本発明の目的のうちの一つは、高い飽和磁束密度を有しながらも、損失が低いＦｅ系ナノ結晶粒合金及びこれを用いた電子部品を提供することである。かかるＦｅ系ナノ結晶粒合金であると、粉末の形態であってもナノ結晶粒の生成が容易であり、飽和磁束密度などのような磁気的特性に優れている。

上述した課題を解決するための方法として、本発明は、一実施形態を通じて新規なＦｅ系ナノ結晶粒合金を提案する。具体的には、（Ｆｅ_{（１−ａ）}Ｍ^１ _ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇ}Ｍ^２ _ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ^３ _ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ^１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ^２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ^３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有する。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおける１次ピークがバイモーダル（ｂｉｍｏｄａｌ）形態であることができる。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、Ｄ_５０が２０μｍ以上である多数の粒子形態であることができる。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、母相が非晶質単相構造であることができる。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度を有することができる。

一方、本発明の他の側面は、コイル部と、上記コイル部をシールし、絶縁体と該絶縁体に分散された多数の磁性粒子を含むシール材と、を含み、上記磁性粒子は、（Ｆｅ_{（１−ａ）}Ｍ^１ _ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇ}Ｍ^２ _ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ^３ _ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ^１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ^２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ^３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有するＦｅ系ナノ結晶粒合金を含む電子部品を提供する。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおける１次ピークがバイモーダル形態であることができる。

一実施例において、上記多数の磁性粒子は、Ｄ_５０が２０μｍ以上であることができる。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、母相が非晶質単相構造であることができる。

一実施例において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度を有することができる。

本発明の一実施形態によると、高い飽和磁束密度を有しながらも、損失が低いＦｅ系ナノ結晶粒合金及びこれを用いた電子部品を実現することができる。かかるＦｅ系ナノ結晶粒合金であると、粉末の形態であってもナノ結晶粒の生成が容易であり、飽和磁束密度などのような磁気的特性に優れている。

本発明の一実施形態によるコイル部品を示す概略的な斜視図である。 図１のＩ−Ｉ'線に沿った断面図である。 図２のコイル部品におけるシール材領域を拡大して示したものである。 実施例による合金の示差走査熱量（ＤＴＡ）グラフを示したものである。 実施例による合金の母相の結晶性を分析して得られたＸＲＤパターンを示したものである。 比較例による合金の母相の結晶性を分析して得られたＸＲＤパターンを示したものである。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示（又は強調表示や簡略化表示）がされることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素である。

なお、本発明を明確に説明すべく、図面において説明と関係ない部分は省略し、様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示し、同一思想の範囲内において機能が同一である構成要素に対しては同一の参照符号を用いて説明する。さらに、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対である記載がない限り、他の構成要素を除去するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。

本発明の一実施形態によるＦｅ系ナノ結晶粒合金の使用が可能な例として、無線充電システムについて説明する。図１は一般的な無線充電システムを概略的に示した外観斜視図であり、図２は図１の主要内部構成を分解して示した断面図である。

電子部品
以下、本発明の一実施形態による電子部品について説明する。代表的な例としてコイル部品を選定したが、後述するＦｅ系ナノ結晶粒合金は、コイル部品以外にも、他の電子部品、例えば、無線充電装置、フィルタなどにも適用されることができるのは明白である。

図１は本発明の一実施形態のコイル部品の外形を概略的に示した斜視図である。また、図２は図１のＩ−Ｉ'線に沿った断面図である。図３は図２のコイル部品におけるシール材領域を拡大して示したものである。

図１及び図２を参照すると、本発明の一実施形態によるコイル部品１００は、主に、コイル部１０３と、シール材１０１と、外部電極１２０、１３０と、を含む構造である。

シール材１０１は、コイル部１０３をシールして保護し、図３に示すように、多数の磁性粒子１１１を含むことができる。具体的には、磁性粒子１１１が樹脂などからなる絶縁体１１２に分散された形態であることができる。その場合、磁性粒子１１１はＦｅ系ナノ結晶粒合金を含んで成ることができ、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ−Ｃｕ系合金からなることができるが、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金の組成については後述する。本実施形態で提案する組成のＦｅ系ナノ結晶粒合金を用いると、粉末の形態で製造される場合であっても、ナノ結晶粒の大きさと相（ｐｈａｓｅ）などが適宜制御され、インダクタとして使用されるのに適した磁気的特性を示した。

コイル部１０３は、コイル部品１００のコイルから発現される特性から、電子機器内で様々な機能を行う役割を果たす。例えば、コイル部品１００は、パワーインダクタであることができ、この際、コイル部１０３は電気を磁場の形態で貯蔵し出力電圧を維持して電源を安定させる役割などを果たすことができる。この場合、コイル部１０３をなすコイルパターンは、支持部材１０２の両面上にそれぞれ積層された形態であってもよく、支持部材１０２を貫通する導電性ビアを介して電気的に連結されてもよい。コイル部１０３は螺旋（ｓｐｉｒａｌ）状に形成されてもよいが、このような螺旋状の最外側には、外部電極１２０、１３０との電気的な連結のために、シール材１０１の外部に露出する引き出し部Ｔを含むことができる。ここで、コイル部１０３をなすコイルパターンは、当該技術分野において使用されるめっき工程、例えば、パターンめっき、異方めっき、等方めっきなどの方法を用いて形成されてもよく、これらの工程のうち、複数の工程を用いて多層構造に形成されてもよい。

コイル部１０３を支持する支持部材１０２は、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）基板、フェライト基板、又は金属系軟磁性基板などによって形成されることができる。その場合、支持部材１０２の中央領域には貫通孔が形成されることができ、該貫通孔には磁性材料が充填されてコア領域Ｃを形成することができるが、このようなコア領域Ｃはシール材１０１の一部を構成する。このように、磁性材料により充填された形態でコア領域Ｃを形成することによって、コイル部品１００の性能を向上させることができる。

外部電極１２０、１３０は、シール材１０１に形成され、引き出し部Ｔとそれぞれ接続される。外部電極１２０、１３０は、電気伝導性に優れた金属を含むペーストを使用して形成することができ、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、又は銀（Ａｇ）などの単独又はこれらの合金などを含む伝導性ペーストであることができる。また、外部電極１２０、１３０上にめっき層（図示せず）をさらに形成することができる。この場合、上記めっき層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択されたいずれか一つ以上を含むことができ、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層とスズ（Ｓｎ）層が順次に形成されることができる。

上述した本実施形態によると、磁性粒子１１１は、粉末の形態で製造される際に磁気的特性に優れたＦｅ系ナノ結晶粒合金を含む。以下、上記合金に関する特徴について詳細に説明する。

Ｆｅ系ナノ結晶粒合金
本発明の発明者らの研究によると、特定の組成のＦｅ系ナノ結晶粒合金では、相対的に大粒径の粒子や厚さの大きい金属リボンの形態に製造する際に、母相の非晶質性が高いことが確認できた。また、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金の非晶質性に大きな影響を及ぼす成分がリン（Ｐ）であることが確認された。ここで、相対的に大粒径の粒子とは、Ｄ_５０が約２０μｍである場合として定義され、例えば、磁性粒子１１１のＤ_５０が約２０〜４０μｍである場合に該当する。また、金属リボンの形態に製造される場合には、約２０μｍ以上の厚さを有する場合に該当するが、直径や厚さの基準は絶対的なものではなく、状況によって変更されることができる。

このように非晶質性の高い合金を熱処理すると、ナノ結晶粒の大きさを効果的に制御することができた。具体的には、本発明で提案するＦｅ系ナノ結晶粒合金は、（Ｆｅ_{（１−ａ）}Ｍ^１ _ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇ}Ｍ^２ _ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ^３ _ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ^１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ^２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ^３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有する。また、かかるＦｅ系ナノ結晶粒合金を熱分析した結果、２つの１次ピークを有するバイモーダル特性が得られた。即ち、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおける１次ピークがバイモーダル形態であることができる。

下記表は、本発明の実施例と比較例によって組成を変えながら熱分析した結果と、母相の結晶性を分析して示したものである。それぞれの組成を有する合金を粉末に製造し、粉末の粒度分布は、Ｄ_５０が２０〜４０μｍとなるように調整した。具体的には、本実験では粉末を約５３μｍ以下に分級して、Ｄ_５０を３０μｍ水準とした。

下記表１と関連して、図４は実施例による合金の示差走査熱量グラフを示す。また、図５及び図６のそれぞれは、実施例及び比較例による合金の母相の結晶性を分析して得られたＸＲＤパターンを示す。

表１の結果から分かるように、比較例と実施例では、いずれも、熱分析時にバイモーダル形態の結晶化ピークが観察され、母相は非晶質特性を有していた。特に、実施例による合金組成では、母相が非晶質のみからなる一方で、結晶粒は観察されなかった。このような非晶質特性はＰの含量によって変わることが確認できた。本発明者らの実験結果、上述した組成範囲においてＰの含量を、原子％で１〜２水準に調整した場合、母相の非晶質特性に優れており、これを熱処理することで微細な構造を有するナノ結晶粒が得られることが確認された。

上記実験で得られた合金粉末を熱処理することでナノ結晶粒を析出させた。下記表は、熱処理後の特性（結晶粒の大きさ、透磁率、損失、Ｂｓ）を測定して示したものである。熱処理工程は、約５５０℃の不活性雰囲気下で１時間行った。そして、磁気的特性に対する実験では、熱処理された上記合金粉末は約８０％の割合で、約１μｍサイズのＦｅ粉末は約２０％の割合で、バインダー（約２〜３％）とともに混合及び成形して製作した。

上記表２の結果から分かるように、比較例１、２では、Ｆｅ含量の増加によって高水準のＢｓが得られたが、損失が６００ｋＷ／ｍ^３以上と、チップとして製作する際に効率が低減するという問題がある。これに対して、実施例では、損失が５００ｋＷ／ｍ^３以下の水準であるため、高水準のＢｓと低水準の損失を同時に実現することができた。これは、実施例のようにＰが約１〜２原子％添加されると、母相が非晶質相で調製され、熱処理時に微細構造が均一に得られるためであると考えられ、比較例の場合は、母相に一部存在する結晶相によって熱処理時にナノ結晶粒の大きさが均一でないために損失が大きくなるものと考えられる。

このように、表１及び表２の結果から、Ｐを特定の含量で添加した上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金の場合、２０μｍ以上の大きさを有する粉末の形態であっても透磁率、Ｂｓ（約１．４Ｔ以上）、及びコア損失特性に優れていることが確認できた。以下、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金をなす元素のうち、Ｆｅ以外の主要元素について説明する。

ホウ素（Ｂｏｒｏｎ，Ｂ）は、非晶質を形成するための主要元素であり、非晶質相の形成を安定化させる元素である。Ｂは、Ｆｅなどがナノ結晶に結晶化される温度を増加させるが、磁気的特性を決定するＦｅなどと合金化されるエネルギーが高いために、ナノ結晶が形成される過程において合金化されないという特徴がある。よって、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金にはＢの添加が必要となる。しかしながら、Ｂ含量が過度に多くなると、ナノ結晶化ができなくなり、Ｂｓ（ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）が低くなるという問題点がある。

シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ，Ｓｉ）は、Ｂと類似した機能を有し、非晶質を形成するための主要元素で、非晶質相の形成を安定化させる元素である。Ｓｉは、Ｂとは異なり、ナノ結晶が形成される温度でもＦｅのような強磁性体と合金化されて磁気的損失を減少させることもある一方で、ナノ結晶化時に発生する熱が多くなる。特に、Ｆｅ含量が高い組成では、ナノ結晶の大きさを制御し難いことが、本発明者らの研究結果から確認された。

ニオブ（Ｎｉｏｂｉｕｍ，Ｎｂ）は、ナノ結晶粒の大きさを制御する元素であり、Ｆｅなどのようなナノサイズに形成された結晶粒が、拡散によって成長しないように限定する役割を果たす。一般的にＮｂ含量は約３ａｔ％と最適化されたが、本発明者らが行った実験では、Ｆｅ含量の増加によって既存のＮｂ含量よりは低い状態でナノ結晶粒合金の形成を試みており、その結果、３ａｔ％よりも低い状態でもナノ結晶粒が形成され、特に、Ｆｅ含量が増加するにつれて、Ｎｂ含量も増加する必要があるという一般的な技術とは異なり、かえってＦｅ含量が高く、ナノ結晶粒の結晶化エネルギーがバイモーダル形状に形成される組成範囲では、既存のＮｂ含量よりも低いと、磁気的特性が向上したことが確認できた。一方、Ｎｂ含量が高いと、磁気的特性である透磁率が減少し、損失が増加したことが確認できた。

リン（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ，Ｐ）は、非晶質及びナノ結晶粒合金において非晶質性を向上させる元素であり、既存のＳｉ及びＢとともに準金属（ｍｅｔａｌｌｏｉｄ）として知られている。しかしながら、ＦｅはＢに比べて強磁性元素であるが、ＰはＦｅとの結合エネルギーが高いため、Ｆｅ＋Ｐ化合物の形成時に磁気的特性の劣化が大きくなる。このような問題から、非晶質及びナノ結晶粒合金においてＰが制限的に使用されていたが、最近では、Ｈｉｇｈ Ｂｓ組成の開発に対する要求が高まり、Ｐ添加組成に対する研究も活発に行われている。

一方、銅（Ｃｏｐｐｅｒ，Ｃｕ）は、ナノ結晶粒が形成されるための核生成エネルギーを低下させるシードの役割を果たすものであり、既存のナノ結晶粒を形成する場合との大きな有意差は認められなかった。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。

１００ コイル部品
１０１ シール材
１０２ 支持部材
１０３ コイル部
１１１ 磁性粒子
１１２ 絶縁体
１２０、１３０ 外部電極
Ｃ コア領域

Claims (10)

1. （Ｆｅ_{（１−ａ）}Ｍ^１ _ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇ}Ｍ^２ _ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ^３ _ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ^１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ^２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ^３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有するＦｅ系ナノ結晶粒合金。
2. 示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおける１次ピークがバイモーダル形態である、請求項１に記載のＦｅ系ナノ結晶粒合金。
3. Ｄ_５０が２０μｍ以上である多数の粒子形態である、請求項１又は２に記載のＦｅ系ナノ結晶粒合金。
4. 母相が非晶質単相構造である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＦｅ系ナノ結晶粒合金。
5. １．４Ｔ以上の飽和磁束密度を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のＦｅ系ナノ結晶粒合金。
6. コイル部と、
   前記コイル部をシールし、絶縁体と該絶縁体に分散された多数の磁性粒子を含むシール材と、を含み、
   前記磁性粒子は、（Ｆｅ_{（１−ａ）}Ｍ^１ _ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｇ}Ｍ^２ _ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ^３ _ｇの組成式で表され、ここで、Ｍ^１はＣｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｍ^２はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ^３はＣ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素で、かつａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇは、原子％で、それぞれ、０≦ａ≦０．５、２≦ｂ≦３、９≦ｃ≦１１、１≦ｄ≦２、０．６≦ｅ≦１．５、９≦ｇ≦１１の含量条件を有するＦｅ系ナノ結晶粒合金を含む電子部品。
7. 前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおける１次ピークがバイモーダル形態である、請求項６に記載の電子部品。
8. 前記多数の磁性粒子は、Ｄ_５０が２０μｍ以上である、請求項６又は７に記載の電子部品。
9. 前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、母相が非晶質単相構造である、請求項６から８のいずれか一項に記載の電子部品。
10. 前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度を有する、請求項６から９のいずれか一項に記載の電子部品。