JP2014236112A - Manufacturing method of multilayer coil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層コイル部品の製造方法に関し、特に回路基板への面実装が可能な小型化された積層コイルに適した鉄または鉄系軟磁性合金を用いた積層コイル部品の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a laminated coil component, and more particularly to a method of manufacturing a laminated coil component using iron or an iron-based soft magnetic alloy suitable for a miniaturized laminated coil that can be surface-mounted on a circuit board. is there.
近年、大電流が流れる電源回路やＤＣ／ＤＣコンバータ回路用のインダクタやトランス等として使用されるコイル部品にはコイル状に巻回された巻線の周りを金属磁性体粉末で圧粉成形した金属磁性体で覆われるものがある（例えば、特許文献１を参照。）。 In recent years, coil parts used as inductors and transformers for power supply circuits and DC / DC converter circuits through which a large current flows are formed by metal dusting around the windings wound in a coil shape. Some are covered with a magnetic material (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、このようなコイル部品は巻線を巻回し、この巻線部分を金属磁性体で覆っているため、形状が大型化し、小型の電子機器に用いることができなかった。 However, since such a coil component has a winding wound and the winding portion is covered with a metal magnetic material, the shape is increased in size and cannot be used for a small electronic device.
一方、小型化が進んだコイル部品としては、鉄または鉄系軟磁性合金からなる金属磁性体層と導体パターンを積層し、積層体内にコイルが形成された積層コイル部品として、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。 On the other hand, as a coil component that has been miniaturized, a metal magnetic layer made of iron or an iron-based soft magnetic alloy and a conductor pattern are laminated and a coil is formed in the laminate. For example, Patent Document 2 is known as related prior art document information.
上記従来の特許文献２の積層コイル部品は、鉄粉末または鉄系軟磁性合金粉末からなる金属磁性体層の相対密度が低いため、透磁率が低く単位体積当たりのインダクタンス値は低いものに限定されていた。 The conventional multilayer coil component of Patent Document 2 is limited to a low magnetic permeability and low inductance value per unit volume because the relative density of the metal magnetic layer made of iron powder or iron-based soft magnetic alloy powder is low. It was.
本発明は、小型・低背でありながら、単位体積当たりのインダクタンス値が高く大電流を流すことができる積層コイル部品の製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a laminated coil component that is small and low in profile, and has a high inductance value per unit volume and can flow a large current.
本発明は上記課題を解決するために、絶縁被覆された金属磁性体粉末と、粉末状のガラスと、有機樹脂バインダとを混合してグリーンシートを成形するシート成形工程と、グリーンシートに導体パターンを印刷する印刷工程と、導体パターンを印刷したグリーンシートおよび導体パターンを印刷していないグリーンシートを重ね合わせプレスする積層工程と、これをガラスの軟化点以下の温度に加熱することにより有機樹脂バインダの少なくとも一部を除去する脱バインダ工程と、脱バインダ工程を終えたものを積層工程で加えたプレス圧力よりも大きな圧力で加圧する加圧工程と、加圧工程を終えたものをガラスの軟化点よりも高い温度で焼成することにより金属磁性体粉末の絶縁被覆膜同士をガラスにより結着させるとともに、導体パターンを焼成する焼成工程とを有する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a sheet forming step of forming a green sheet by mixing an insulating coated magnetic metal powder, powdered glass, and an organic resin binder, and a conductive pattern on the green sheet. An organic resin binder by heating to a temperature below the softening point of the glass, a printing process for printing, a laminating process for laminating and pressing a green sheet on which a conductor pattern is printed and a green sheet on which a conductor pattern is not printed The binder removal process for removing at least a part of the glass, the pressurization process for pressurizing at a pressure higher than the press pressure applied in the laminating process after the binder removal process, and the glass softening after the pressurization process By firing at a temperature higher than the point, the insulating coating films of the metal magnetic powder are bound together by glass, and the conductor pattern And a firing step of firing the emissions.
上記構成により、本発明の積層コイル部品は金属磁性体層と導体パターンを積層し、積層体内にコイルが形成されるため、小型・低背でありながら直流重畳特性が良好で大電流を流すことができる。また、絶縁被覆された金属磁性体粉末の充填率が向上した積層体を、金属磁性体の絶縁被覆膜がガラスを介して再結着する温度以上で焼成することにより透磁率が向上し、単位体積当たりのインダクタンス値が高い積層コイル部品を提供することができる。 With the above configuration, the laminated coil component of the present invention laminates a metal magnetic layer and a conductor pattern, and a coil is formed in the laminate. Therefore, the DC superposition characteristic is good and a large current flows while being small and low in profile. Can do. In addition, the magnetic permeability is improved by firing the laminated body in which the filling rate of the insulation-coated metal magnetic powder is improved at a temperature higher than the temperature at which the insulation coating film of the metal magnetic material is rebound through the glass, A laminated coil component having a high inductance value per unit volume can be provided.
以下図面を参照しながら本発明の一実施形態の積層コイル部品の製造方法について説明する。 A method for manufacturing a laminated coil component according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は本発明の一実施の形態における積層コイル部品の分解斜視図、図２は本発明の一実施の形態における積層コイル部品の斜視図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view of a laminated coil component according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the laminated coil component according to an embodiment of the present invention.
図１において、１１Ａ〜１１Ｆは金属磁性体層、１２Ａ〜１２Ｅは導体パターンである。金属磁性体層１１Ａ〜１１Ｆは鉄、ステンレス、パーマロイ、センダスト、Ｃｒを含有する金属磁性体等の金属磁性体粉末を主成分とし、金属磁性体粉末の表面にはテトラエトキシシラン、シランカップリング材等のアルコキシシランによるＳｉＯ2系ゲルコーテイング膜、シリコーン樹脂膜等による表面絶縁被覆処理が施され、金属磁性体粉末粒子間を高温焼成工程において結着する機能を有するＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系あるいはＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスや水ガラス等のガラス系の結着材料と、酢酸ブチル、２−２−４トリメチルペンタンジオールモノイン酪酸エステル（ＭＩＢＥ）等の溶剤と、金属磁性体粉末粒子間およびガラス等の結着材料粒子間をそれぞれ結着させ、グリーンシート成形工程においてグリーンシートの強度と粘性を発現する機能を有するブチラール樹脂、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂から成る結着材料と、フェニルメチル系シリコーン樹脂等の結着材料を混合分散して塗料状にした後、ドクターブレード法等によるスリップキャステイング工法を用いてグリーンシート化された材料である。 In FIG. 1, 11A to 11F are metal magnetic layers, and 12A to 12E are conductor patterns. The metal magnetic layers 11A to 11F are mainly composed of a metal magnetic powder such as iron, stainless steel, permalloy, sendust, and a metal magnetic substance containing Cr, and tetraethoxysilane, a silane coupling material on the surface of the metal magnetic powder. Bi 2 O 3 —B 2 O having a function of binding between metal magnetic powder particles in a high-temperature firing step, which is subjected to surface insulating coating treatment with a SiO 2 -based gel coating film such as alkoxysilane such as silicone resin film A glass-based binder such as 3- SiO 2 or ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 glass or water glass, and butyl acetate, 2-2-4 trimethylpentanediol monoinbutyrate (MIBE), etc. The solvent is bonded between the metal magnetic powder particles and the binding material particles such as glass, respectively. After mixing and dispersing a binder material composed of a thermoplastic resin such as butyral resin and acrylic resin having a function of developing the strength and viscosity of a salt and a binder material such as phenylmethyl silicone resin into a paint, It is a material made into a green sheet using a slip casting method such as a doctor blade method.
また、導体パターン１２Ａ〜１２Ｅは、銅、銅−銀合金、銀、銀−白金、銀−パラジウム等の金属材料にターピネオール、ブチルカルビトール、２−２−４トリメチルペンタンジオールモノイン酪酸エステル（ＭＩＢＥ）等の溶剤とエチルセルロース樹脂、ブチラール樹脂、アクリル樹脂等の樹脂バインダを混合分散して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、導体パターン１２Ａが形成される。この導体パターン１２Ａは１ターン未満分が形成され、一端が金属磁性体層１１Ａの端面に引き出される。
A
金属磁性体層１１Ｂの表面には、導体パターン１２Ｂが形成される。この導体パターン１２Ｂは３／４ターン分が形成される。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導体パターン１２Ａの他端に接続される。
A
金属磁性体層１１Ｃの表面には、導体パターン１２Ｃが形成される。導体パターン１２Ｃは３／４ターン分が形成され、その一端が金属磁性体層１１Ｃのスルーホール内の導体を介して導体パターン１２Ｂの他端に接続される。
A conductor pattern 12C is formed on the surface of the metal magnetic layer 11C. The conductor pattern 12C is formed for 3/4 turns, and one end thereof is connected to the other end of the
金属磁性体層１１Ｄの表面には、３／４ターン分の導体パターン１２Ｄが形成される。この導体パターン１２Ｄの一端は金属磁性体層１１Ｄのスルーホール内の導体を介して導体パターン１２Ｃの他端に接続される。
A
金属磁性体層１１Ｅの表面には、１ターン未満の導体パターン１２Ｅが形成され、一端が金属磁性体層１１Ｅのスルーホール内の導体を介して導体パターン１２Ｄの他端に接続される。導体パターン１２Ｅの他端は金属磁性体層１１Ｅの端面に引き出される。
A
この導体パターン１２Ｅが形成された金属磁性体層１１Ｅの上には導体パターン１２Ｅを保護し積層コイルの磁気回路を構成するための１枚あるいは複数枚の金属磁性体層１１Ｆが形成される。
On the metal magnetic layer 11E on which the
この様にして導体パターン１２Ａ〜１２Ｅによって積層体内にコイルパターンが形成され、積層体の両端面に形成された外部端子２１、２２間に接続される。
In this way, a coil pattern is formed in the multilayer body by the
図３は本発明の一実施の形態における積層コイル部品の製造工程図である。 FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the laminated coil component according to the embodiment of the present invention.
積層コイル部品をシート積層法によって形成する場合には、金属磁性体粉末として例えば平均粒径５μｍの鉄粉の表面に、１０ｎｍ〜２００ｎｍの絶縁被覆膜を形成する第１の表面絶縁処理工程を有する。絶縁被覆膜材料としては、テトラエトキシシラン、シランカップリング材等のアルコキシシランを水溶性有機溶媒として例えばイソプロピルアルコールで希釈した後次いで加水分解に供される水を添加し必要に応じて加水分解・縮合反応を促進させるアルカリ触媒、例えばアンモニア水を添加するのが良い。金属磁性体粉末に接触させた後、過熱乾燥させることにより、そのアルコキシシランが金属磁性体粉末表面で脱水縮合反応して均一なＳｉＯ2系ゲルコーテイング膜が形成される。アルコキシシランよりも、被膜厚みを厚めに制御する場合としては、例えばフェニルメチル系シリコーン樹脂をトルエン等の溶媒で希釈した後、金属磁性体粉末に接触させた後、乾燥硬化させたシリコーン樹脂絶縁膜を用いてもよく、アルコキシシランによるＳｉＯ2系ゲルコーテイング膜とシリコーン樹脂絶縁膜を組み合わせて使用してもよい。あるいはこれらのアルコキシシランによるＳｉＯ2系ゲルコーテイング膜やシリコーン樹脂絶縁膜を有機系官能基が分解する温度で高温熱処理して生成するＳｉＯ2被膜であってもよい。 When the laminated coil component is formed by the sheet lamination method, for example, a first surface insulation treatment step of forming an insulating coating film of 10 nm to 200 nm on the surface of iron powder having an average particle diameter of 5 μm as the metal magnetic material powder is performed. Have. Insulating coating film materials include tetraethoxysilane, alkoxysilanes such as silane coupling materials, etc. as water-soluble organic solvents, then diluted with isopropyl alcohol, for example, and then added to water for hydrolysis and hydrolyzed as necessary An alkali catalyst that promotes the condensation reaction, such as aqueous ammonia, is preferably added. After contacting with the metal magnetic material powder and drying by heating, the alkoxysilane undergoes a dehydration condensation reaction on the surface of the metal magnetic material powder to form a uniform SiO 2 -based gel coating film. In the case where the film thickness is controlled to be thicker than that of alkoxysilane, for example, a silicone resin insulating film obtained by diluting a phenylmethyl silicone resin with a solvent such as toluene, bringing it into contact with a metal magnetic powder, and then drying and curing it May be used, and a combination of an alkoxysilane-based SiO 2 gel coating film and a silicone resin insulating film may be used. Alternatively, it may be a SiO 2 coating produced by high-temperature heat treatment of these alkoxysilane-based SiO 2 gel coating film or silicone resin insulating film at a temperature at which the organic functional group is decomposed.
次に表面絶縁処理を施した純鉄粉末７５〜９０ｗｔ％と、第１の結着材料として平均粒径０．０５μｍ〜２μｍのガラス軟化点５６０℃を有するＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラス粉末０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、溶剤として酢酸ブチル２０ｗｔ％以下、第２の結着材料としてブチラール樹脂が４．０ｗｔ％〜２０ｗｔ％、第３の結着材料としてフェニルメチル系シリコーン樹脂０．２ｗｔ％〜１ｗｔ％、分散剤が０．５ｗｔ％になるように配合された塗料をドクターブレード法によりシート化する第２の金属磁性体グリーンシート成形工程を経る。 Next, Bi 2 O 3 —B 2 O 3 — having a glass softening point of 560 ° C. having an average particle diameter of 0.05 μm to 2 μm as a first binding material and 75 to 90 wt% of pure iron powder subjected to surface insulation treatment. SiO 2 glass powder 0.5 wt% to 10 wt%, butyl acetate 20 wt% or less as a solvent, butyral resin 4.0 wt% to 20 wt% as a second binder, and phenylmethyl silicone as a third binder A second metal magnetic green sheet forming step is performed in which a paint blended so that the resin is 0.2 wt% to 1 wt% and the dispersant is 0.5 wt% is formed into a sheet by the doctor blade method.
次に金属磁性体グリーンシートの表面側からＹＡＧレーザあるいはＣＯ2レーザ等のレーザ光を照射し、φ３０μｍ〜φ２００μｍのスルーホール穴を形成する第３のグリーンシート穴加工工程を経る。 Next, laser light such as YAG laser or CO 2 laser is irradiated from the surface side of the metal magnetic green sheet, and a third green sheet hole processing step is performed to form a through hole hole of φ30 μm to φ200 μm.
次に金属磁性体グリーンシートの裏面に位置するキャリアフイルム側から、導体ペーストを充填する第４のスルーホール導体印刷工程を経る。 Next, a fourth through-hole conductor printing step for filling a conductor paste is performed from the carrier film side located on the back surface of the metal magnetic green sheet.
次に金属磁性体グリーンシートの表面側のスルーホール穴位置に接続されるように導体パターンを印刷する第５のコイル導体印刷工程を経る。第４工程および第５工程で使用される導体ペーストは、例えば化学還元銅粉末が８７ｗｔ％、エチルセルロースが２ｗｔ％、分散剤が０．５ｗｔ％、ブチルカルビトールが１０．５ｗｔ％になるように配合され、ペースト状にされた銅系導体ペーストを用いる。 Next, a fifth coil conductor printing process for printing a conductor pattern so as to be connected to a through hole hole position on the surface side of the metal magnetic green sheet is performed. The conductive paste used in the fourth and fifth steps is formulated so that, for example, 87% by weight of chemically reduced copper powder, 2% by weight of ethyl cellulose, 0.5% by weight of dispersant, and 10.5% by weight of butyl carbitol Then, a paste made of copper-based conductor is used.
次にスルーホール導体およびコイル導体パターンが形成された金属磁性体グリーンシートを所定の順序で所定の枚数を積層して積層体を形成する第６の積層工程を経る。この積層工程としては、３ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力と常温〜５０℃の加熱加圧等により、金属磁性体グリーンシート間および内蔵する導体パターンを接着させた後２０ＭＰａ〜１００ＭＰａの予備加圧を施し、欠陥の少ない緻密なグリーンシート積層体を得る。 Next, a sixth lamination process is performed in which a predetermined number of metal magnetic green sheets on which through-hole conductors and coil conductor patterns are formed are stacked in a predetermined order to form a stacked body. As this lamination process, after applying the pre-pressurization of 20MPa to 100MPa after attaching the conductive pattern between the metal magnetic green sheets and the built-in conductor pattern by a pressure of 3MPa to 10MPa and heating and pressurization at normal temperature to 50 ° C, the defect A dense green sheet laminate with a low content is obtained.
次にコイル導体パターンのひとつひとつが連結されて構成されるコイル積層体をトムソン刃あるいはダイシングブレード等により分離切断する第７の個片切断工程を経る。 Next, a seventh individual piece cutting process is performed in which the coil laminate formed by connecting each of the coil conductor patterns is separated and cut by a Thomson blade or a dicing blade.
次に個片に分割されたコイル積層体を、窒素雰囲気中において３００℃〜５００℃の焼成温度で保持することにより、金属磁性体グリーンシート中の第２の結着材料の成分であるブチラール樹脂とスルーホール導体およびコイル導体中のエチルセルロースを分解除去する第８の脱バインダ工程を経る。この脱バインダ工程の焼成温度は第１の結着材料のＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスのガラス軟化点５６０℃を越えない焼成温度が選択され、第１の結着材料は未溶融のガラスフリット状の無機粉末として残存する。第３の結着材料のフェニルメチル系シリコーン樹脂は、脱バインダ工程の３００℃〜５００℃の温度において、第１の結着材料のブチラール樹脂が脱離した空隙の一部に残存することにより、表面絶縁被覆された金属磁性体粉末と第１の結着材料のＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスフリットとを部分的に結着し、脱バインダ後の積層体の形状を保持し次の加圧工程で、金属磁性体粉末あるいはＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスフリットが遊離することを防止する。 Next, the coil laminate divided into individual pieces is held at a firing temperature of 300 ° C. to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere, so that a butyral resin that is a component of the second binding material in the metal magnetic green sheet And an eighth binder removal step of decomposing and removing ethyl cellulose in the through-hole conductor and the coil conductor. The firing temperature of the binder removal step is selected so that the firing temperature does not exceed the glass softening point 560 ° C. of Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass of the first binder material. Remains as an unmelted glass frit-like inorganic powder. The phenylmethyl-based silicone resin of the third binder material remains in a part of the void from which the butyral resin of the first binder material is detached at a temperature of 300 ° C. to 500 ° C. in the binder removal step. The metallic magnetic powder coated with the surface insulation and the first binding material Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass frit are partially bound, and the shape of the laminate after the binder removal is determined. In the subsequent pressurizing step, the metal magnetic powder or Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass frit is prevented from being liberated.
次にブチラール樹脂を分解除去して生成されたコイル積層体の金属磁性体粉末間の空隙に対して、コイル積層体個片の少なくとも上下２方向、望ましくは立方体６面全方向から２００ＭＰａ〜１５００ＭＰａの圧力で加圧することにより、金属磁性体の充填率を向上させる第９の加圧工程を経る。この加圧工程に用いる設備としては、油圧式の単動式プレス機や材料供給から加圧成形、取り出しを一連の順送金型で行うロータリープレス機などが用いられる。 Next, with respect to the gaps between the metal magnetic powders of the coil laminate produced by decomposing and removing the butyral resin, the coil laminate pieces are at least 200 MPa to 1500 MPa from all directions in the upper and lower directions, preferably all six directions of the cube. By pressurizing with pressure, a ninth pressurizing step for improving the filling rate of the metal magnetic material is performed. As the equipment used for this pressurization process, a hydraulic single-acting press machine, a rotary press machine that performs pressure molding and removal from a material supply by a series of progressive molds, or the like is used.
次に金属磁性体の充填率が向上したコイル積層体を窒素雰囲気中において６００℃〜９００℃の焼成温度で焼成する第１０の焼成工程を経る。この焼成工程の昇温プロファイル過程および焼成ピーク温度において第１の結着材料のＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスフリットがガラス軟化点を越えて溶融することにより、金属磁性体粉末の表面に形成されたＳｉＯ2絶縁被覆膜と濡れることにより、金属磁性体粉末間を結着させるとともに、コイル導体パターン材料の主成分である銅粉末が焼結し、体積固有抵抗が低く機械的強度を有する内部コイル導体が生成される。 Next, a 10th baking process which bakes the coil laminated body which the filling rate of the metal magnetic body improved in the nitrogen atmosphere at the baking temperature of 600 to 900 degreeC is passed. The Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 -based glass frit of the first binder material melts beyond the glass softening point in the temperature rise profile process and firing peak temperature of this firing step, so that the metal magnetic body By wetting with the SiO 2 insulation coating film formed on the surface of the powder, the metal magnetic powder is bound, and the copper powder that is the main component of the coil conductor pattern material is sintered, resulting in low volume resistivity. An internal coil conductor having mechanical strength is generated.
次に焼成されたコイル積層体の端面に、外部端子を形成する第１１の外部端子形成工程を経て積層コイル部品を製造した。 Next, the laminated coil component was manufactured through the 11th external terminal formation process which forms an external terminal in the end surface of the baked coil laminated body.
図４は比較例１として従来の技術による積層コイル部品の製造方法を示す図である。第１の金属磁性体の表面絶縁処理工程、第２の金属磁性体のグリーンシート成形工程、第３のグリーンシート穴加工工程、第４のスルーホール導体印刷工程、第５のコイル導体印刷工程、第６の積層工程までは、本発明の実施の形態（図３）と同一の製造方法である。第７の加圧工程を経て、第８の個片切断工程の後、第９の脱バインダ・焼成を同一の焼成炉で一括して処理をするか、あるいは脱バインダと焼成をそれぞれ別々の専用炉で処理する方法が選択できるが、いずれの場合も、脱バインダにより生成した空隙は焼成工程を経ても残存するため、金属磁性体の充填率および透磁率は第２の金属磁性体のグリーンシート成形工程で決定される結着材料１のガラス材料含有率と、結着材料２のブチラール樹脂の含有率の総和に依存するため、透磁率と飽和磁束密度を十分に高めることができなかった。比較として特許文献１で開示された巻線状コイル素子を圧粉体成形による金属磁性体で被覆したコイル型電子部品に比べて小型低背化は可能であるものの、単位体積当たりのインダクタンス値は非常に低いものに限られ限定的な用途しか対応できなかった。 FIG. 4 is a view showing a method of manufacturing a laminated coil component according to a conventional technique as Comparative Example 1. Surface insulation treatment process of first metal magnetic body, green sheet molding process of second metal magnetic body, third green sheet hole drilling process, fourth through-hole conductor printing process, fifth coil conductor printing process, Up to the sixth lamination step, the manufacturing method is the same as that of the embodiment (FIG. 3) of the present invention. After the seventh pressurizing step, after the eighth individual piece cutting step, the ninth debinder and firing are collectively processed in the same firing furnace, or the binder and firing are separately dedicated to each. The method of treating in the furnace can be selected, but in any case, since the void generated by the binder removal remains even after the firing step, the filling rate and magnetic permeability of the metal magnetic material are the second metal magnetic material green sheets. Since it depends on the sum of the glass material content of the binder material 1 and the butyral resin content of the binder material 2 determined in the molding step, the permeability and saturation magnetic flux density could not be sufficiently increased. As a comparison, although the coil-shaped electronic component disclosed in Patent Document 1 can be reduced in size and height as compared with a coil-type electronic component coated with a metal magnetic material by compacting, the inductance value per unit volume is It was limited to very low ones and could only handle limited applications.
図５は本発明の一実施の形態における積層コイル部品の金属磁性体の充填率を示す図である。図６は本発明の一実施の形態における積層コイル部品の金属磁性体の透磁率を示す図である。図３で示した本発明の一実施形態における積層コイル部品の磁気特性の良し悪しを判断するために、図３中の第１工程から第６の積層工程まで経た金属磁性体を第７工程の個片切断工程において外径１４ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ３ｍｍのトロイダル状に形成し、第８の脱バインダ工程で発生した空隙に対して第９の加圧工程で２００ＭＰａ〜１２００ＭＰａまで圧力を変化させ、第１０の焼成工程を窒素雰囲気中７５０℃で処理したときの各金属磁性体素体に対し、直径０．３ｍｍのウレタン被覆線からなるコイルを２０ターン巻回して試験試料とした。透磁率μの測定はＬクロムメーター（アジレントテクノロジー社製：４２８５Ａ）を用いて測定周波数１００ｋＨｚで測定した。 FIG. 5 is a diagram showing a filling rate of the metal magnetic body of the laminated coil component according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the magnetic permeability of the metal magnetic body of the laminated coil component according to the embodiment of the present invention. In order to judge whether the magnetic properties of the laminated coil component in the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 are good or bad, the metal magnetic material that has passed through the first to sixth lamination steps in FIG. It is formed in a toroidal shape with an outer diameter of 14 mm, an inner diameter of 8 mm, and a thickness of 3 mm in the piece cutting step, and the pressure is changed from 200 MPa to 1200 MPa in the ninth pressurizing step with respect to the void generated in the eighth binder removal step. A coil made of a urethane-coated wire having a diameter of 0.3 mm was wound around the metal magnetic body when the tenth firing step was processed at 750 ° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a test sample. The permeability μ was measured at a measurement frequency of 100 kHz using an L chrome meter (manufactured by Agilent Technologies: 4285A).
図５において、本発明の一実施の形態における金属磁性体のトロイダル状成形体は、例えば１０００ＭＰａの成形圧力で加圧成形した時の充填率は８６．５Ｖｏｌ％を示し、図６の透磁率μは４８．６を示した。一方、比較例１の従来の技術による金属磁性体のトロイダル状成形体は、１０００ＭＰａの成形圧力において充填率７５．８％を示し、透磁率は３２．５を示した。本実施の形態における図５、図６に供した試験試料は、金属磁性体中の第２の結着材料（ブチラール樹脂）の固形分比が１１．５Ｖｏｌ％としていたが、この成分比は第８の脱バインダ工程で生成する空隙率とほぼ等価と考えられる。試験試料による本発明の一実施の形態と比較例１（従来の技術）の１０００ＭＰａにおける充填率の差（８６．５Ｖｏｌ％−７５．８Ｖｏｌ％）＝１０．７Ｖｏｌ％の上昇分を生成する空隙率（第２の結着材料の固形分比）で除した比率が９０％を超えることから、脱バインダ工程後の加圧による充填率向上効果を得る上で１０００ＭＰａは適切な加圧力と考えられるが、従来の技術と比較して、金属磁性体の充填率と透磁率の向上は、２００ＭＰａ〜１２００ＭＰａのすべての水準で効果が見られた。 In FIG. 5, the toroidal shaped metal magnetic body in one embodiment of the present invention has a filling rate of 86.5 Vol% when pressed with a molding pressure of 1000 MPa, for example, and the permeability μ shown in FIG. Showed 48.6. On the other hand, the toroidal shaped body of metal magnetic material according to the prior art of Comparative Example 1 showed a filling rate of 75.8% at a molding pressure of 1000 MPa and a magnetic permeability of 32.5. 5 and 6 in the present embodiment, the solid content ratio of the second binder material (butyral resin) in the metal magnetic material was 11.5% by volume. 8 is considered to be almost equivalent to the porosity generated in the binder removal step. Difference in filling rate at 1000 MPa between one embodiment of the present invention and Comparative Example 1 (conventional technology) by a test sample (86.5 Vol% -75.8 Vol%) = porosity that generates an increase of 10.7 Vol% Since the ratio divided by (solid content ratio of the second binder material) exceeds 90%, 1000 MPa is considered to be an appropriate applied pressure in order to obtain the effect of improving the filling rate by pressurization after the binder removal step. Compared with the prior art, the improvement of the filling rate and magnetic permeability of the metal magnetic material was effective at all levels of 200 MPa to 1200 MPa.
本発明の一実施の形態における積層コイル部品として図１、図２に示す製品構造として、外形寸法２．０ｍｍ（Ｌ）×１．６ｍｍ（Ｗ）×０．５ｍｍ（Ｈ）とし、コイル導体パターン６．５ターン分を積層体内部に巻回し、銅ペーストをスクリーン印刷法により塗布した後、乾燥膜厚４０μｍの導体パターンを金属磁性体グリーンシート表面に形成した後、焼成後膜厚３０μｍの積層コイルパターンを内蔵した。この積層インダクタの電気特性を測定した結果、１ＭＨｚでのインダクタンス値１．０μＨ、直流電流を重畳させた場合のインダクタンス値が３０％低下する許容直流電流値は２．７Ａ、直流抵抗は８０ｍΩと小型低背ながら、従来の巻線コイルの外周に金属磁性体を覆った先行技術（特許文献１）による外形寸法２．０ｍｍ（Ｌ）×１．６ｍｍ（Ｗ）×１．０ｍｍ（Ｈ）の一般的な製品に比べて体積比でほぼ半減の小型低背化を実現した。一方、先行技術（特許文献２）で示された従来の積層コイル部品の製造方法による同一外形寸法２．０ｍｍ（Ｌ）×１．６ｍｍ（Ｗ）×０．５ｍｍ（Ｈ）でかつ、同一のコイル導体パターンの巻回数６．５ターンでのインダクタの電気特性を測定したところ、１ＭＨｚでのインダクタンス値は０．６７μＨであり、本発明の一実施の形態のインダクタンス値のほうが同一体積・同一コイル線積率において約５０％のインダクタンス値の向上が認められた。 As the laminated coil component in one embodiment of the present invention, the product structure shown in FIGS. 1 and 2 has an outer dimension of 2.0 mm (L) × 1.6 mm (W) × 0.5 mm (H), and a coil conductor pattern. After winding 6.5 turns around the inside of the laminate and applying copper paste by screen printing, a conductor pattern with a dry film thickness of 40 μm was formed on the surface of the metal magnetic green sheet, and after firing, the laminate with a film thickness of 30 μm Built-in coil pattern. As a result of measuring the electrical characteristics of this multilayer inductor, the inductance value is 1.0 μH at 1 MHz, the allowable DC current value is 2.7 A, and the DC resistance is 80 mΩ, which is 30% lower when the DC current is superimposed. Although the profile is low, the general dimensions of the outer dimensions of 2.0 mm (L) × 1.6 mm (W) × 1.0 mm (H) according to the prior art (Patent Document 1) in which a metal magnetic body is covered on the outer periphery of a conventional winding coil Compared to conventional products, the size and height have been reduced by about half of the volume ratio. On the other hand, the same outer dimensions of 2.0 mm (L) × 1.6 mm (W) × 0.5 mm (H) and the same by the conventional method of manufacturing a laminated coil component shown in the prior art (Patent Document 2) When the electrical characteristics of the inductor were measured at the number of turns of the coil conductor pattern of 6.5 turns, the inductance value at 1 MHz was 0.67 μH, and the inductance value of one embodiment of the present invention had the same volume and the same coil. An improvement in inductance value of about 50% was recognized in the line product ratio.
なお、本実施の形態では図３の積層コイル部品の製造方法において第８の個片切断工程を経て、第９の脱バインダ工程の後に第１０の加圧工程を施す順番で金属磁性体の充填率を向上させる工程順としたが、個片切断を施さずに、平板上の積層体を一括して脱バインダ処理を施した後、加圧を行った後に個片切断を行ってもよい。また、本実施の形態では、金属磁性体グリーンシート中の結着材料として、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラス等の第１の結着材料とブチラール樹脂等の熱可塑性樹脂による第２の結着材料と、脱バインダ工程後の積層体の形状保持を目的としたフェニルメチル系シリコーン樹脂から成る第３の結着材料という３種の結着材料を含有したグリーンシート組成としているが、金属磁性体粉末の粉末形状として、一部の粉末を鱗片状とすることにより脱バインダ工程後の形状保持効果を確保したり、第２の結着材料の熱可塑性樹脂の一部が残存するような脱バインダ工程のピーク温度・ピーク保持時間を選択することにより、脱バインダ工程後に金属磁性体粉末および第１の結着材料のガラスフリットとの粒子間を機械的に結合する第２の結着材料の残存物を活用することにより、第３の結着材料の添加を省略することができる。 In the present embodiment, in the method of manufacturing the laminated coil component shown in FIG. 3, the metal magnetic material is filled in the order of performing the tenth pressing step after the ninth debinding step after the eighth individual piece cutting step. Although the order of the steps is to improve the rate, the individual pieces may be cut after performing the binder removal treatment on the laminated body on the flat plate at once without performing the piece cutting, and then applying the pressure. In the present embodiment, the first binder material such as Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass and a thermoplastic resin such as butyral resin are used as the binder material in the metal magnetic green sheet. As a green sheet composition containing three types of binding materials, a second binding material by the above and a third binding material made of phenylmethyl silicone resin for the purpose of maintaining the shape of the laminate after the binder removal step However, as the powder shape of the metal magnetic powder, a part of the powder is scaled to ensure the shape retention effect after the binder removal process, or a part of the thermoplastic resin of the second binder material is By selecting the peak temperature and the peak holding time of the binder removal process that remains, the second is to mechanically bond the particles between the metal magnetic powder and the glass frit of the first binder material after the binder removal process. of By leveraging the residue of Chakuzairyo can be omitted the addition of a third binder material.
また、本実施の形態の図３における第１０の焼成工程は６００℃〜９００℃の温度における窒素雰囲気中としたが、真空中あるいは、金属磁性体の表面絶縁被覆膜が劣化しない範囲で酸素濃度が制御された酸化性雰囲気であってもよい。 Further, although the tenth baking step in FIG. 3 of the present embodiment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 600 ° C. to 900 ° C., oxygen is used in a vacuum or within a range where the surface insulating coating film of the metal magnetic material does not deteriorate. An oxidizing atmosphere in which the concentration is controlled may be used.
また、本実施の形態の金属磁性体粉末は平均粒径５μｍの鉄粉を使用したが、特に導体パターン層間に配置される金属磁性体層（図１中の１１Ｂ〜１１Ｅ）に配置される金属磁性体粉末は、隣接するコイル導体パターンの層間膜厚により、０．５μｍ〜１０μｍの範囲で平均粒径を適切に選択することが好ましい。例えばコイル導体パターンの層間膜厚が１０μｍの場合に、金属磁性体粉末の平均粒径を１０μｍとした場合、金属磁性体層のコイル導体層間絶縁部は厚み方向に１個分の金属磁性体粉末しか充填できなくなり、絶縁耐圧が不十分となりやすい。このようにコイル導体パターンの層間膜厚が薄い構造においては、０．５μｍ〜５μｍの比較的微粒子の金属磁性体粉末が好ましい。平均粒径１０μｍ以上の粗い平均粒径の金属磁性体粉末を使用する場合には、コイル導体パターンの層間膜厚を大きく設計する必要性が生じる。このため、本発明の小型低背の積層コイル部品の効果を最大化するためには、コイル導体層間厚みの設計寸法に応じて、０．５μｍ〜１０μｍの範囲で要求される絶縁性能に応じて適当な金属磁性体粉末の平均粒径を選択する。 Moreover, although the metal magnetic substance powder of this Embodiment used the iron powder with an average particle diameter of 5 micrometers, especially the metal arrange | positioned at the metal magnetic substance layer (11B-11E in FIG. 1) arrange | positioned between conductor pattern layers. The magnetic powder preferably has an average particle size appropriately selected in the range of 0.5 μm to 10 μm depending on the interlayer film thickness of adjacent coil conductor patterns. For example, when the interlayer film thickness of the coil conductor pattern is 10 μm and the average particle diameter of the metal magnetic material powder is 10 μm, the coil conductor interlayer insulating portion of the metal magnetic material layer has one metal magnetic material powder in the thickness direction. However, the insulation withstand voltage tends to be insufficient. In such a structure in which the coil conductor pattern has a thin interlayer film thickness, a relatively fine metal magnetic powder of 0.5 μm to 5 μm is preferable. In the case of using a metal magnetic material powder having a coarse average particle diameter of 10 μm or more, there is a need to design a large interlayer film thickness of the coil conductor pattern. For this reason, in order to maximize the effect of the small and low-profile laminated coil component of the present invention, according to the insulation performance required in the range of 0.5 μm to 10 μm, depending on the design dimension of the coil conductor interlayer thickness. A suitable average particle size of the metal magnetic powder is selected.
また、第１の結着材料としては本実施の形態においては平均粒径０．０５μｍ〜２μｍのガラス軟化点５６０℃を有するＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスとしたが、特に導体パターン層間に配置される金属磁性体層（図１中の１１Ｂ〜１１Ｅ）においては、金属磁性体粉末の平均粒径をＤとし、第１の結着材料のガラス粉末の平均粒径をｄとした場合、１／１００≦ｄ／Ｄ≦１／５とすることが好ましい。例えばガラス粉末の平均粒径ｄが０．０５μｍより小さく、金属磁性体粉末の平均粒径Ｄが５μｍの場合、ｄ／Ｄは１／１００より小さくなるが、ガラス粉末の平均粒径が小さいためにガラス粉末同士が凝集しやすくなり、均一分散されたグリーンシート用の塗料を作製することが著しく困難となる。逆にｄ／Ｄが１／５より大きいと、図３の積層コイル部品の製造方法において第９の加圧工程で、金属磁性体粉末の周囲に存在するガラスフリットによる金属磁性体粉末の高圧プレス下における圧縮と変形が大きくなり、金属磁性体粉末表面に形成された絶縁被覆膜が剥離したり、クラック等が発生し、絶縁耐圧が低下したり、渦電流損が増加しインダクタ素子としての電気的な性能劣化の原因となるためである。 In the present embodiment, the first binding material is Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass having an average particle size of 0.05 μm to 2 μm and a glass softening point of 560 ° C. In particular, in the metal magnetic layer (11B to 11E in FIG. 1) disposed between the conductor pattern layers, the average particle size of the metal magnetic powder is D, and the average particle size of the glass powder of the first binder material is When d, 1/100 ≦ d / D ≦ 1/5 is preferable. For example, when the average particle diameter d of the glass powder is smaller than 0.05 μm and the average particle diameter D of the metal magnetic powder is 5 μm, d / D is smaller than 1/100, but the average particle diameter of the glass powder is small. In addition, the glass powder easily aggregates, and it becomes extremely difficult to produce a uniformly dispersed green sheet paint. On the other hand, if d / D is greater than 1/5, in the ninth pressurizing step in the method of manufacturing the laminated coil component of FIG. 3, high-pressure pressing of the metal magnetic powder with the glass frit existing around the metal magnetic powder is performed. The compression and deformation below increases, the insulation coating film formed on the surface of the metal magnetic powder peels off, cracks, etc. occur, the withstand voltage decreases, the eddy current loss increases, and the inductor element This is because it causes electrical performance deterioration.
なお、本実施の形態において、ガラス粉末はＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスとしたが、ガラス軟化点５００℃以上のＢｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラス、ＢａＯ−Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＢａＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラス、ＰｂＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラス、ＰｂＯ−ＳｉＯ2系ガラス、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−ＳｉＯ2系ガラスのうち少なくとも一種あるいは二種以上のガラス組成であってもよい。 In this embodiment, the glass powder is Bi 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass, but Bi 2 O 3 —B 2 O 3 glass having a glass softening point of 500 ° C. or higher, ZnO— B 2 O 3 glass, ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 glass, BaO—B 2 O 3 glass, BaO—B 2 O 3 —SiO 2 glass, PbO—B 2 O 3 —SiO 2 glass The glass composition may be at least one or two or more of glass, PbO—SiO 2 glass, and Bi 2 O 3 —ZnO—SiO 2 glass.
また、本実施の形態において金属磁性体層はグリーンシート積層法を用いたが、金属磁性体粉末をペースト状にした混練物をスクリーン印刷法等により成膜し、金属磁性体層と導体パターンを交互に順次印刷積層する印刷積層法を用いてもよい。 In the present embodiment, the metal magnetic layer uses a green sheet lamination method, but a kneaded material obtained by pasting metal magnetic powder into a paste is formed by screen printing or the like, and the metal magnetic layer and the conductor pattern are formed. You may use the printing lamination method which carries out printing lamination | stacking one by one alternately.
本発明に係る積層コイル部品の製造方法は、回路基板上への面実装が可能で電源回路やＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれる昇圧回路あるいは降圧回路に好適である。特に大電流を流すパワーインダクタあるいはトランスに適用した場合、部品の大幅な小型低背化が図れるため、産業上有用である。 The method of manufacturing a laminated coil component according to the present invention can be surface-mounted on a circuit board and is suitable for a booster circuit or a step-down circuit called a power supply circuit or a DC / DC converter. In particular, when applied to a power inductor or a transformer that allows a large current to flow, the parts can be significantly reduced in size and height, which is industrially useful.
１１Ａ〜１１Ｆ 金属磁性体層
１２Ａ〜１２Ｅ 導体パターン
２１、２２ 外部端子
11A to 11F Metal
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