CN101208165B - 磁性合成物及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

在此公开了通常包括磁性组分和液体有机组分的磁性糊料。磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者上述二者。磁性元件由磁性糊料构成。并且说明了制造和使用磁性糊料的方法。

Description

磁性合成物及其制造和使用方法
关于联邦政府资助研究的声明
根据国家科学基金授权编号DMI-0512262，美国政府对本发明有特定的权利。
技术领域
本发明公开的内容一般涉及磁性合成物，更具体地涉及高频应用中使用的磁性糊料。
背景技术
电子电路中磁性元件的集成度已经成为减小电子元件尺寸的重要障碍。当前微米级大小的磁性材料只能用于低频。例如，高磁导率块状铁氧体只能用于低于1兆赫兹(MHz)的频率，而可用到约100MHz的块状镍铁氧体不具有最佳初始磁导率。因此，现有的商业变换器设计为运行在低于约2MHz的频率。
将较高频率的磁性元件集成在电路中的一种方法是通过厚膜丝网印刷。厚膜丝网印刷允许以糊料的形式在陶瓷衬底上沉积磁性材料。糊料材料通常包括悬浮在聚合物糊料中的陶瓷或金属粒子。不幸地，这些糊料的磁导率非常低(例如，小于3)，导致了很大涡流损耗。
印刷之后，糊料要经过热处理，这最终蒸发了聚合物，并致密或烧结陶瓷或金属材料。最终产物是由陶瓷或金属材料形成的致密纹理。例如，使用该技术可以在铁氧体层上印刷传导线圈，并用铁氧体的另一层覆盖传导线圈，从而形成感应线圈。印刷连续的多层以提高元件的感应系数。热处理可使磁导率提高，但是也伴随着在较高频率下涡流损耗的提高。此外，热处理的高温(约700-900摄氏度)可使糊料与低温的印刷线路板(PWB)或印刷电路板(PCB)不相容。
因此，在该领域需要新的改进的糊料，其结合了理想的特性，如在所需频率下的感应系数、磁导率和/或介电常数，以及可以用于在低温下处理的元件。
发明内容
磁性糊料包括磁性组分和液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体(assembly)，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
磁性元件包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
功率变换器包括衬底，其中衬底包含印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在功率变换器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
变压器包括衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在变压器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
电感器包括衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在电感器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
用于制造磁性糊料的方法包括结合磁性组分与液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。
用于制造磁性元件的方法包括结合磁性组分与液体有机组分以构成糊料，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者；在衬底上沉积糊料；及固化糊料。
上述以及其他特征通过以下附图和详细说明解释。
附图说明
参考附图，图中为示例性实施例，其中相同的元件以相同的标记表示：
图1是合成组合体(composite assembly)的示意图；
图2是微观的粒子组合体的示意图；
图3是具有多模态磁性组分的磁性糊料的示意图；
图4是凝聚之前的多个(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4晶粒的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像；
图5是表示多个实质上是球形的、喷雾干燥的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4团块的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图6是硬化之后多模态糊料的典型横截面图像；
图7是糊料的振实密度示图，糊料具有不同比率的10和35微米的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4团；
图8是具有一、二和三组团块群的糊料的振实密度示图；
图9是使用多模态糊料形成的电感的典型光学显微镜图像；
图10是具有不同的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4填充量的四种样品的磁导率作为频率的函数的示图；
图11是裸铜线圈和电感的感应系数作为频率的函数的示图；
图12是(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4涂覆的铜线圈的感应系数作为薄膜厚度的函数的示图；
图13是在铜线圈上沉积1毫米和1.5毫米厚的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4薄膜，感应系数作为直径的函数的示图；
图14是分散在苯并环丁烷(亮区)中的离散的10纳米钴粒子(暗区)的TEM图像；
图15是使用离散纳米粒子糊料构成的电感的典型光学显微镜图像；
图16是使用钴纳米粒子的重量百分比约为90％的糊料制造的电感的磁导率作为频率的函数的示图。
具体实施方式
以下说明了磁性纳米粒子糊料、糊料的制造和使用方法和包含磁性纳米粒子糊料的元件。与现有技术相比，在此公开的糊料、方法和元件利用了离散的纳米粒子和/或纳米粒子组合体(assembly)以构成糊料。有优点的是，在糊料沉积到衬底上之后，没有必要使用高温热处理去除有机组分和烧结(即致密)糊料，因此糊料与印刷线路板(PWB)/印刷电路板(PCB)处理相容，或可以使用在其中。在此所用术语“纳米粒子”是指晶粒大小小于约250纳米(nm)的粒子。在此所用术语“糊料”是指具有一定程度粘性的非固体合成物，并包括浓稠的粘性合成物以及易流动合成物。
而且，在此所用术语“第一”、“第二”和类似的用语不代表顺序和重要性，而是用于分辨一个和另一个要素，并且术语“一个”、“这个”不代表限定数量，而是代表至少一个引用项目的出现。此外，指向给定组分或测量结果的同一数量的所有范围不包括端点且可独立结合。
磁性糊料通常包括液体有机组分和磁性组分，磁性组分包括多个离散的纳米粒子和/或包含纳米粒子的组合体(assembly)。液体有机组分可以是有机树脂合成物，其与磁性组分和糊料将沉积其上的衬底都相容(也就是说，实质上不会对在此所述的合成物和物品的制造和处理有负面影响)。液体有机组分还具有足够低的粘性，以使磁性组分能够分散，根据所需的方法分散，并且当沉积到衬底上时可以流动(如果需要)。因此，合适的液体有机组分合成物可以包括热塑树脂、热固树脂或其组合。通常，使用热固合成物有益，因为其在固化之前可流动，且在固化之后为固态。合适的树脂合成物包括热塑塑料，如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚亚苯基氧化物、聚砜、聚酰亚胺及类似物质，还包括热固材料，如环氧树脂、聚亚氨酯、醇酸树脂、己二烯酞酸脂、三聚琴氰胺、酚醛塑料、聚酯、及硅酮乙基纤维素、苯并环丁烯(BCB)和类似物质。也可以使用不同热塑和/或热固合成物的组合。液体有机组分可以进一步包括催化剂、引发剂、促进剂、交联剂、稳定剂、表面活性剂、分散剂、粘度调节剂和其他添加剂，或添加剂的组合。
纳米粒子通常包括磁性金属(例如，铁、镍、铜、钼、钴、锰、铬、锌，包含上述至少一种金属的合金，以及类似物质)。例如，纳米粒子可以包括金属本身。也可以使用氧化物、氮化物或包含其结合的其他多元磁性金属，例如铁氧化物基的合成物(例如铁氧体)、氮化物基的合成物(例如，Fe3N、Fe4N、Fe16N2和类似物质)，或者包含上述物质中至少一种的组合(例如，镍铁氧体、钴铁氧体、锌铁氧体、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、YIG铁氧体和类似的物质)。可选地，包含纳米粒子的磁性金属可以用绝缘体单独涂覆，绝缘体可以或不能具有与液体有机组分相同的合成物。
当使用离散的纳米粒子时，其可以是任何几何形状。理想地，其是球形或实质上是球形，以便于在糊料中获得高填充密度的磁性组分。在示例性实施例中，糊料中纳米粒子间的间隔是约1-100nm。
当使用纳米粒子组合体时，组合体也可以是任意几何形状，但是也需要其是球形或实质上是球形，以便于在糊料中获得高填充密度的磁性组分。组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米(μm)。
在一实施例中，组合体本身是包含多个分散在绝缘基体中的单独磁性纳米粒子的固体合成物。该类示例性组合体10表示在图1中，并在普通转让的美国专利第6,720,074号中进行了充分的说明，在此引用结合其全部内容。分散单个的纳米粒子12，从而纳米粒子间隔为约1-约100nm。当直接相邻的单个金属纳米粒子12之间的晶粒间相互作用提供所需的磁特性时，绝缘基体14的材料提供高电阻率，其极大地降低了任何涡流损耗。合成物组合体10的粒子大小为约10-约50微米(μm)。具体的，合成物组合体的平均粒子大小为约30μm。
适合于合成物组合体10的绝缘基体14的材料包括高电介质材料(即，介电常数大于等于约3)，包括非晶体或晶体陶瓷，如氧化铝、二氧化硅、氧化锆和类似物质，以及高电介质聚合物和聚合合成物。绝缘基体材料既可以是非磁性也可以是磁性(如高阻铁氧体)材料。重要的是应当注意，组合体10的这一类型的绝缘基体材料可以具有与糊料的液体有机组分相同的材料，除了在将合成物组合体10放置到液体有机组分以形成糊料之前，其已经聚合为固体。这些合成物组合体10的示例包括Co/SiO2、Fe-Ni/SiO2、Fe/SiO2、Co/聚合物和Fe/NiFe2O4。
在一实施例中，在磁性纳米粒子分散到绝缘基体14之前，用绝缘合成物(未示出)涂覆磁性纳米粒子的至少一部分。绝缘涂层合成物可以不同于绝缘基体14的合成物。
制造合成物组合体10的方法包括：由初级粒子合成物制造预合成物；形成由来自于预合成物的基体层包围或涂覆的磁性纳米结构粒子；及钝化所包围的纳米结构粒子的表面。
在另一实施例中，组合体是包含多个凝聚的纳米粒子的微观粒子。例如，可以烧结多个纳米粒子以形成微观粒子。示例性微观粒子组合体15如图2所示。用于形成微观粒子组合体15的纳米粒子12可以是高阻磁性材料或高导磁性材料。此外，纳米粒子12可以是相同的或不同的合成物。微观粒子组合体1 5的粒子大小是约0.5-约150微米(μm)。
在一实施例中，微观粒子组合体15(例如，微观粒子包括多个烧结的纳米粒子)的形成通过：在溶液中混合磁性纳米粒子和/或具有聚合粘合剂的纳米合成物，球磨研磨溶液混和物以形成均匀的浆液，从浆液凝聚纳米粒子以形成微观粒子，及等离子致密微观粒子。该过程可以进一步包括在等离子致密化之前根据大小分离微观粒子。制造糊料包括混合致密的微观粒子与液体有机组分。
适合于混合原材料(即，纳米粒子和/或纳米合成物)的有机粘合剂包括可购买到的聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羧甲基纤维素(CMC)或其他水溶聚合粘合剂。粘合剂占总溶液的重量百分比(wt％)的约0.5％-10％。更具体地，粘合剂占总溶液的重量百分比(wt％)的约1％-约10％。溶液的配重是理想的去离子蒸馏水(DD水)。
在充分混合之后，在例如高能盘磨机中球磨研磨混和物，从而对粒子进行“去凝聚”并形成均匀的浆液。在球磨研磨期间可以优化的参数包括球磨研磨能量、时间和球对粉末对润滑剂的加载比率。根据公开的内容，本领域的技术人员不需要过多的实验可以容易地确定这些参数。
根据最终的凝聚或重构微观粒子所需的特性，可以在球磨研磨期间向溶液中加入表面活性剂，从而使分散在浆液中的纳米粒子均匀。涉及相对于表面活性剂的优化的参数包括固体比率、溶剂装填和浆液的流变。类似地，根据公开的内容，本领域的技术人员不需要过多的实验可以容易地确定这些参数。
一旦形成了合适的浆液，下一步是在微观粒子中凝聚或重构单个的纳米粒子，其中每一个微观粒子是由有机粘合剂粘连的单个纳米粒子的组合体。可以使用喷雾干燥过程完成该步骤。涉及优化凝聚过程的参数包括浆液浓度、浆液给料速度、干燥温度和物化速度。根据公开的内容，本领域的技术人员不需要过多的实验可以容易地确定这些参数。
在喷雾干燥过程期间，不同的凝聚粉末可以根据尺寸范围隔离。在一实施例中，使用室式收集器和气旋收集器完成该步骤。室式收集器通过重力降落收集大于约15微米的粒子。气旋收集器收集细微的粒子(例如，小于约15微米)，这些粒子由干燥浆液的热气携带。
重构的微观粉末通过放电烧结过程致密化。放电烧结过程蒸发有机粘合剂，烧结和/或熔化微观粒子以形成致密的主体，及冷却用于粉末收集的烧结和/或熔化的液滴，所有步骤非常迅速。致密化应当允许其后紧随快速冷却的快速烧结，从而不允许任何粒子生长。
可以使用任何局部化高能热源完成放电烧结过程，如等离子体喷枪(空气等离子体、微波等离子体、感应等离子体)，或高速火焰(HVOF)喷枪。由室式或气旋收集器收集的大于约1μm的凝聚粒子可以直接馈送到工业等离体或HVOF进料器。但是，小于约1微米的粒子要求额外的给料技术。在一实施例中，约0.5-1μm的凝聚粒子分散在DD水中以形成另一种浆液，其可以通过液体进料器直接馈送给等离体或HVOF喷枪。按照这种方式，水分子快速蒸发，且进一步加热固体导致快速烧结和/或熔化进入到经过快速冷却的液滴中的粒子。如前所述，微观粒子的粒子大小是约0.5-约150μm。
在另一实施例中，构成微观粒子组合体15通过加工初级粒子合成物，由初级粒子合成物形成球形氢氧化物，将球形氢氧化物转化成磁性纳米粒子，及烧结密集填充在微观粒子中的多个纳米粒子。随后制造糊料包括混合致密的微观粒子与液体有机组分。该过程在普通转让的美国专利第6,162,530号中进行了说明，在此引用结合其全部内容。
加工初级粒子合成物包括在DD水中溶解所需化学计算量比率的原材料。形成球形氢氧化物包括雾化初级粒子合成物和稀释的氢氧化物(即NH4OH)溶液。添加可控量的固体种子材料将导致形成温度提高后球形粒子生长的晶核中心。该步骤后紧随  烧结步骤以形成所需的最终微观产物。然后清洗和过滤这些紧密填充的氢氧化物微观粒子以获得干燥的粉末。根据热处理中所使用的气体环境，可以形成金属的、金属/绝缘体纳米合成物或者铁氧体。涉及优化的参数是加热速度、停留时间和冷却时间。根据公开的内容，本领域的技术人员不需要过多的实验可以容易地确定这些参数。
当离散的纳米粒子和/或纳米粒子组合体形成时，糊料形成。在一实施例中，糊料的形成包括在液体有机组分中分散磁性组分(即，多个离散的纳米粒子和/或多个纳米粒子组合体)，随后混合充分的时间段以形成均匀的合成物。
由于单个纳米粒子的磁各向异性高，隔离的单个纳米粒子具有的磁特性不理想。但是，将相邻纳米粒子之间的间距减小到纳米范围导致新颖的磁连接现象，产生较高的磁导率和较低的磁各向异性。无需理论制约，磁导率的提高是由于粒子间的交换耦合效应。晶粒或组合体中的磁排序的交换作用向外延伸到特性距离内的相邻环境(通过旋转极化或超级交换作用机制)。组合体中的交换作用也引起单个粒子的磁各向异性和去磁作用的消除，导致极优良的磁特性。通过选择具有高隧道激励能量的系统，利用在添加到液体有机组分中形成糊料之前形成纳米粒子组合体的技术，可以实现电阻率的大幅提高。因为纳米范围的粒子，在组合体中产生的涡流电流可以忽略不计，导致紧密填充的离散纳米粒子和/或纳米粒子组合体与现有的纳米材料相比，涡流电流损耗相当小。
在此公开糊料包括体积百分比(vol％)大于或等于40％的磁性组分。具体地，糊料包括体积百分比约40％-约92％的磁性组分和体积百分比约8％-约60％的液体有机组分。此外，磁性组分的每一个组合体的填充密度大于或等于90％的理论密度。
在一实施例中，磁性组分是多模态的(即，磁性组分包括两个或多个不同大小的团块或离散的纳米粒子)。在液体有机组分24中具有多模态磁性组分22的示例性磁性糊料20如图3所示。磁性组分包括三种不同大小的微观组合体26、28和30。这三种大小的粒子群排列方式为包括最大粒子的第一粒子群26将形成磁性组分的主体，第二粒子群28将填充紧密装填第一粒子群26的粒子的留下的空白或空隙，最后，第三粒子群30将填充紧密装填第一粒子群26的粒子和第二粒子群28的粒子的留下的空白或空隙。第三粒子群30的粒子大小与第二粒子群28的的粒子大小比率是约0.1∶1-约0.8∶1。相似地，第二粒子群28的粒子大小与第一粒子群26的粒子大小的比率是约0.1∶1-约0.8∶1。与包含统一大小的组合体10的糊料相比，以这种方式形成的磁性组分可以实现相当大的体积百分比和/或填充密度。
一旦糊料形成，使用已知的沉积或平面印刷技术其可以容易的沉积到衬底上。例如，在一实施例中，糊料丝网印刷到衬底上。在另一实施例中，糊料作为细小的液滴喷射到衬底上。
将糊料沉积到衬底上之后，可以固化糊料的液体有机组分，例如交联，从而形成磁性元件。在有催化剂、加热或辐射参与的情况下，使用适合于所选的树脂的方法完成固化，辐射如红外、紫外或e射线辐射。也可以结合使用上述固化机制。如果使用加热，特别注意温度不要超过实质上会对沉底造成有害影响(例如，熔化、分解、裂解及类似现象)的温度。
在众多需要磁性元件的应用中可以采用糊料。糊料可以沉积在PWB/PCB、硅晶片、陶瓷衬底材料或类似材料上。合适的应用包括天线、功率变流器或开关电源(例如，DC-DC变换器)、电感、磁性滤波器或噪音滤波器、射频(RF)元件(例如，射频识别标签或无线电发射机应答器)、微波和毫米波循环器、宽带元件、电子传感器、便携电话、有线电视(CATV)、雷达元件、传感器、遥感元件、可植入医学元件和类似元件。固化或硬化的糊料可以代替在现有高频应用中使用的大体积圆形和/或E形电感。
有优点地，由在此公开的磁性糊料形成的元件的磁导率在频率大于约1兆赫兹时大于或等于约3，甚至可以大于或等于10。由磁性糊料形成的元件的介电常数大于或等于3，甚至可以大于或等于10，和/或感应系数在频率大于约1兆赫兹时大于或等于0.4微亨(μH)，甚至可以大于或等于1μH。此外，由磁性糊料形成的元件感应系数比不具有磁性组分元件，如裸电感(例如，裸铜线圈)，高至少二倍，甚至高达至少五倍。
公开的内容通过以下非限定性示例进一步说明。
例1.形成微观粒子组合体
10磅(lbs)结晶粒度小于100nm的镍锌铁氧体(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4与45.4克(g)的在去离子蒸馏水(DD水)中重量百分比(wt％)为10％的PVA溶液混合，并分散在DD水中以形成混合物，球磨研磨混合物以获得均匀的浆液。球磨研磨使用18型的Union ProcessStegvari Attritor系统，球/粉末装填比率为约4∶1，球磨研磨速度为每分钟300转(rpm)，时间为1小时。
形成的浆液随后喷雾干燥以形成凝聚的、实质上球形的粒子。喷雾干燥参数包括600g/min的给料速率，475华氏度(
Figure 2006800162086_0
)的入口温度，和1258摄氏度(℃)的出口温度。粉末使用室式和气旋口收集。在室式口收集的粉末总重约6.5lbs，在气旋口收集的粉末约2.5lbs。
下一步，这些粉末送入等离子体喷枪(镍-铝粉状复合材料9MB的热喷射装置)，用于烧结成为致密组合体。等离子体喷射过程参数包括作为主要的等离子体工作气体使用的氩气的流速约每小时80-120标准立方英尺(SCFH)，等离子体功率为25-45千瓦，以及粉末送料速率约2-5lbs/hr。在等离子体致密化过程中，通过粉末喷射口将粉末送入等离子体喷枪，随后加热以消除任何有机粘合剂，然后在几毫秒内从超过2000℃到室温快速熔化/烧结/冷却这些液滴。由从气旋口(小于约20μm)和室式口(约20-约80μm)收集的喷雾干燥粉末形成的最终组合体如表1所列。
表1.组合体的致密化粉末等级和振实密度
Figure 2006800162086A00800011
Figure 2006800162086A00800021
例2.加工磁性糊料
约26克的、振实密度为2.94的、气旋收集的等离子体致密(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末与4.27克的环氧树脂(由环氧树脂获得的ETC30-3019R CLR，ETC)在烧杯中使用压舌板手动混合约0.5小时，直到形成均匀的糊料。糊料混合物中环氧树脂的重量百分比为14.1％，(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4的重量百分比为85.9％。
类似地，约20克的、振实密度为2.94的、气旋收集的等离子体致密(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末与23.5克的Cat 105(环氧树脂，ETC)在烧杯中使用压舌板手动混合。应当注意，通过混合重量百分比为约16份的在Cat 105中形成的糊料与重量百分比为100份的用ETC30-3019R CLR树脂形成的糊料，从而在上述元件制造期间加热的情况下使用Cat 105来使环氧树脂(ETC 30-3019R CLR)开始硬化。
试用不同的环氧树脂与铁氧体的比率，由各种糊料形成的薄膜的最终特性如表2所列。
表2.由磁性糊料形成的薄膜的特性
Figure 2006800162086A00800022
应当注意装填较多铁氧体的糊料与粉末的振实密度增大有关联，且导致了所制造的薄膜的感应系数值升高，如下进一步所示。
例3.制造多模态磁性糊料
约29克的、平均粒子大小为约30微米的、室式收集的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末与9.45克的、平均粒子大小为约3微米的、气旋收集的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末混合。粉末混合物与2.8克的环氧树脂(由环氧树脂获得的ETC 30-3019R CLR，ETC)在烧杯中使用压舌板手动混合约0.5小时，直到形成均匀的糊料。糊料合成物环氧树脂的重量百分比为11.8％，(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4装填的重量百分比为88.2％。
类似地，约10克的、平均粒子大小为约30微米的、室式收集的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末与3.75克的、平均粒子大小为约3微米的、气旋收集的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4粉末混合。粉末混合物随后与1.9克的Cat105(环氧树脂，ETC)在烧杯中使用压舌板手动混合。糊料合成物中Cat105的重量百分比为12％，(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4装填的重量百分比为88％。再一次，通过混合重量百分比为约16份的在Cat 105中形成的糊料与重量百分比为100份的用ETC 30-3019R CLR形成的糊料，从而在薄膜制造期间加热的情况下使用Cat 105来使环氧树脂(ETC30-3019R CLR)开始硬化。
例4.表征多模态磁性糊料
制造和表征各种(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4的多模态磁性糊料。图4是在凝聚之前原始镍锌铁氧体的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像。如显微图所示，平均结晶粒度小于10nm，为了说明的目的，箭头指向两相邻晶粒的晶界。喷雾干燥(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4浆液产生的实质上球形的团块，如图5的扫描电子显微镜(SEM)图像所示。不同大小的团块与如上所述的环氧树脂结合，从而形成紧密填充的糊料，每一个团块由多个单个的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4晶粒构成。固化环氧树脂之后多模态糊料的典型横截面图像如图6所示。
糊料的质量和/或磁性能可以通过变化磁性粒子的装填量调整。例如，通过使用不同的团块混合物观测到约2g/cc-约4g/cc的振实密度。
图7突出显示称为多模态糊料的振实密度的差异，多模态糊料由不同比率的大小为35微米和2微米的团块构成。如图所示，获得最高振实密度的是35微米的团块的重量百分比占40％-60％的样本，更具体地，重量百分比占55％的样本。
类似地，当三种不同大小的团块用于制造糊料时，观测到了振实密度的提高。图8表示了观察到的单模态、双模态和三模态的糊料的振实密度的变化。如图所示，三模态糊料的振实密度达到了4g/cc，实现了理论密度的约80％。
通过扩展图7和8中的数据，应当理解使用附加的团块群和/或不同比率的团块群可以用于提高振实密度，正如具体应用所需。不同(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4团块的振实密度如表3所示。
表3.不同(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4团块的振实密度
  团块(μm)     2     10     35     40
  振实密度(g/cc)     2.157     2.948     2.946     2.897
例5.使用多模态糊料形成电感
在FR-4(即耐火、玻璃布加强环氧树脂)印刷电路板上丝网印刷(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4多模态糊料形成电感。所用糊料的铁氧体装填为重量百分比的约80％-约90％，配重为环氧粘合剂。图9是电感的典型光学显微镜图像，并说明了衬底、(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4厚膜和铜线圈之间的位置关系。在所制造的电感中，薄膜与纹理结构之间的粘接极好，没有观察到薄膜与衬底之间的分层。
从约10kHz-约13MHz测量每一个电感的磁导率。图10表示了由铁氧体的重量百分比为约87％-约90％的糊料制造的四个样品的磁导率。实现了约19的磁导率。应当强调，对于每一个样品涡流电流的损耗相当小，且在整个频率范围内品质因数Q大于约70。
同样测量每一个样品的感应系数。对于直径5毫米、100微米厚的线圈，未涂覆(即，在丝网印刷和硬化(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4磁性糊料之前)纹理的铜线圈的感应系数在测量频率下为0.183μH。在将约1毫米厚的磁性糊料丝网印刷和硬化到铜线圈上之后，感应系数提高到大于1μH。
图11表示了约0.9毫米厚的(Ni0.5Zn0.5)Fe2O4薄膜沉积到线圈上，作为频率的函数的感应系数。如图所示，沉积铁氧体涂层后观察到感应系数4倍的增长，从约200纳亨增长到约800-1000纳亨。图12表示给定线圈的作为薄膜厚度的函数的感应系数。如图所示，薄膜厚度增加到约1毫米，感应系数显著增大。图13表示在铜线圈上沉积1毫米和1.5毫米的厚膜，作为整体电感直径的函数的感应系数。
在如移动电话的开关电源的应用中，所需的感应系数在5MHz下为约1微亨。因此，从图11-13中的数据可知，使用在此公开的糊料的、厚度为1mm的薄膜将足以达到所需的感应系数。
例6.由离散的纳米粒子制造磁性糊料
羰基钴在110℃的甲苯中分解为钴纳米粒子分散系。钴纳米粒子的平均粒子尺寸约10nm。在钴/甲苯混合物中添加苯并环丁烯(BCB)导致BCB涂覆钴粒子。在氩气中蒸发甲苯之后，获得浓稠的糊料。图14是在氮气中用1℃/min的加热速率在250℃加热1小时固化BCB之后，糊料的TEM图像。
例7.使用离散纳米粒子糊料制造电感
例6的离散钴纳米粒子糊料通过丝网印刷或绘制沉积在FR-4印刷电路板上，随后固化PCB。图15是电感的典型光学显微镜图像，说明了衬底、厚膜、钴和铜线圈之间的位置关系。在所制造的电感中，薄膜与纹理结构之间的粘接极好，没有观察到薄膜与衬底之间的分层。
从约10MHz-约600MHz测量电感的磁导率。电感显示出磁导率的增加是钴装填量的函数。达到90％的钴装填时，在600MHz观测到的磁导率为6，如图16所示。图中顶部的线代表μ′，或者复数磁导率的实数部分，指示在交变磁场中磁化过程的柔和度。图中底部的线代表μ″，或者复数磁导率的虚数部分，指示在磁化过程中能量的损失。应当强调，对于每一个样品涡流电流的损耗相当小，且在整个频率范围内品质因数Q(由μ′除以μ″的商代表)大于约50。
虽然在此参考示例性实施例说明了公开内容，本领域的技术人员应当理解不脱离公开的范围可以做出多种变化和要素的等效替代。此外，不脱离本发明的实质范围可以对公开的教导做出修改以适应具体的情况和材料。因此，公开的范围不限于作为实施本发明的最佳实施方式而公开的具体实施例，但是公开的范围包括所有落入权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (35)

1.一种磁性糊料，包括：
磁性组分和液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时磁性糊料的磁导率大于或等于3。
2.如权利要求1所述的磁性糊料，其中多个包含纳米粒子的组合体中的一个组合体是包括多个分散在绝缘基体中的分离的导电纳米粒子的固体合成物。
3.如权利要求2所述的磁性糊料，其中离散的纳米粒子间的距离是1-100纳米。
4.如权利要求2所述的磁性糊料，其中绝缘基体包括介电常数大于或者等于3的材料。
5.如权利要求2-4任一所述的磁性糊料，其中至少一部分分离的导电纳米粒子由绝缘合成物涂覆。
6.如权利要求1所述的磁性糊料，其中多个包含纳米粒子的组合体中的一个组合体是包含多个凝聚的纳米粒子的微观粒子。
7.如权利要求1、2或6所述的磁性糊料，其中液体有机组分是环氧树脂、聚酰亚胺、聚苯乙烯、乙基纤维素或苯并环丁烯。
8.如权利要求1所述的磁性糊料，其中磁性组分包括体积百分比大于或等于40%的磁性糊料。
9.如权利要求1所述的磁性糊料，其中磁性组分包括体积百分比为40%-92%的磁性糊料。
10.如权利要求1所述的磁性糊料，其中多个组合体的每一个组合体的填充密度大于或等于理论密度的75%。
11.如权利要求1或10所述的磁性糊料，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体与另一种多个包含纳米粒子的组合体直接接触。
12.如权利要求1所述的磁性糊料，其中多个离散的纳米粒子中的每一个的纳米粒子间距为1-100纳米。
13.一种磁性元件，包括：
磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时磁性元件的磁导率大于或等于3。
14.如权利要求13所述的磁性元件，其中磁性元件是功率变换器、天线、电感、磁性滤波器、射频元件、波循环器、移动电话、宽带元件、有线电视、雷达元件、传感器、遥感元件或可植入医学元件。
15.如权利要求13所述的磁性元件，进一步包括磁性组分和固体有机组分沉积其上的衬底。
16.如权利要求15所述的磁性元件，其中衬底是印刷电路板、硅晶片或陶瓷材料。
17.如权利要求13-16任一所述的磁性元件，其中在频率大于或等于1兆赫兹时磁性元件的磁导率大于或等于10。
18.如权利要求13-16任一所述的磁性元件，其中磁性元件的介电常数大于或等于3。
19.如权利要求13-16任一所述的磁性元件，其中磁性元件的感应系数大于或等于0.4微亨。
20.如权利要求13-16任一所述的磁性元件，其中磁性元件的感应系数大于或等于1微亨。
21.如权利要求13-16任一所述的磁性元件，其中磁性元件的感应系数比不具有磁性组分的磁性元件大至少二倍。
22.如权利要求13所述的磁性元件，其中多个包含纳米粒子的组合体中的一个组合体是包括多个分散在绝缘基体中的分离的导电纳米粒子的固体合成物。
23.如权利要求13所述的磁性元件，其中多个包含纳米粒子的组合体中的一个组合体是包含多个凝聚的纳米粒子的微观粒子。
24.如权利要求13所述的磁性元件，其中多个离散的纳米粒子中的每一个的纳米粒子间距为1-100纳米。
25.一种功率变换器，包括：
衬底，其中衬底包含印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料；及
在功率变换器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时功率变换器的磁导率大于或等于3。
26.如权利要求25所述的功率变换器，其中在频率大于或等于1兆赫兹时功率变换器的感应系数大于或等于0.4微亨。
27.如权利要求25所述的功率变换器，其中功率变换器的感应系数比没有薄膜的功率变换器大至少二倍。
28.一种变压器，包括：
衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料；及
在变压器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时变压器的磁导率大于或等于3。
29.如权利要求28所述的变压器，其中在频率大于或等于1兆赫兹时变压器的感应系数大于或等于0.4微亨。
30.如权利要求28所述的变压器，其中变压器的感应系数比没有薄膜的变压器大至少二倍。
31.一种电感器，包括：
衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料；及
在电感器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时电感器的磁导率大于或等于3。
32.如权利要求31所述的电感器，其中电感器的感应系数比没有薄膜的电感器大至少二倍。
33.如权利要求31所述的电感器，其中在频率大于或等于1兆赫兹时电感器的感应系数大于或等于0.4微亨。
34.一种用于制造磁性糊料的方法，该方法包括：
结合磁性组分与液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群，其中在频率大于或等于1兆赫兹时磁性糊料的磁导率大于或等于3。
35.一种用于制造磁性元件的方法，该方法包括：
结合磁性组分与液体有机组分以形成糊料，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，或者磁性组分包括上述二者，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是0.5-150微米，其中磁性组分包括两个或更多个不同大小的组合体群或离散纳米粒子群；
在衬底上沉积糊料；及
固化糊料，
其中在频率大于或等于1兆赫兹时磁性元件的磁导率大于或等于3。
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