CN101325126B

CN101325126B - 一种复合材料片式感性元件及其制备方法

Info

Publication number: CN101325126B
Application number: CN2008100890879A
Authority: CN
Inventors: 徐芳; 白洋; 乔利杰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: CN101325126A

Abstract

一种复合材料片式感性元件及其制备方法，可用于甚/超高频段的片式感性元件，它采用包含平面六角软磁铁氧体粉末、金属磁性颗粒与耐高温树脂的三相复合材料作为磁介质，可依据三相复合双渗流理论调节材料的电磁特性；具有埋入式的螺旋型内电极和与之直接相连的端电极，可以使用Ni、Cu等贱金属作为内电极材料，大大降低了元件的成本；采用聚合物热压工艺制备而成，避免了传统片式感性元件的叠层共烧技术中存在的异质共烧难题。本发明所述产品具有质量轻、体积小、磁屏蔽效果好、可满足自动化回流焊工艺的要求等优点，而且其生产工艺简单、生产周期短、技术参数易于控制、生产能耗低，可进行大规模工业化生产。

Description

一种复合材料片式感性元件及其制备方法

技术领域

本发明属于电子元件领域，特别涉及一种以三相复合材料为磁介质、采用热压工艺制备的片式感性元件及其制备方法，可用于甚/超高频段的片式感性元件。

背景技术

感性元件作为三大无源元件之一，在各种电子产品中应用非常广泛。随着电子计算机及通信技术的发展，电子电路的工作频率越来越高，已经超过GHz，这就要求相应电子元件的应用频率高于GHz。目前，片式感性元件采用NiZnCu铁氧体作为磁介质，但NiZnCu铁氧体受其立方系晶体结构的限制，截止频率很低，无法用于甚/超高频段。平面六角结构的铁氧体(Y型、Z型、M型)，由于具有平面各向异性，截止频率超过GHz，可用作甚/超高频段片式电感类元件的核心材料。

电感是储能元件，多用于电源滤波回路，侧重于抑止传导性干扰，用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等；而磁珠是能量转换(消耗)器件，多用于信号回路，主要用于抑制电磁干扰(EMI)方面，像一些RF电路、振荡电路、含超高频存储器电路等都需要在电源输入部分加磁珠。当感性元件的核心材料在高频区磁导率高并且损耗低时，元件可用作电感。当感性元件的核心材料在高频区具有高损耗时，元件可用作磁珠。

目前，片式感性元件采用叠层共烧法制备而成，将铁氧体磁介质层与内电极层交叠共烧成多层独石结构片式元件。其中铁氧体与内电极的异质共烧是该工艺的关键和难点，铁氧体的烧结温度一般在1100℃以上，而且需要在氧气气氛中烧结，采用叠层共烧法制备片式感性元件时，需要先用各种办法降低铁氧体的烧结温度至内电极金属的熔点以下，但是这种方法仅能有限降低铁氧体的烧结温度，因此内电极材料仍必须具有高熔点和很好的抗氧化能力。为了满足抗氧化和高熔点的要求，必须选择Ag或Ag-Pd合金等贵金属作为内电极材料，使用贵金属作内电极使片式感性元件的成本大幅度提高。目前，片式元件厂商普遍使用相对廉价的Ag作为片式感性元件的内电极材料，但是内电极材料的成本仍超过整个片式感性元件成本的50％以上。

发明内容

本发明的目的是提供一类采用复合材料的片式感性元件及其制备方法，解决叠层共烧工艺中的异质共烧难题，以贱金属作为内电极大幅降低元件的成本。

一种复合材料片式感性元件及其制备方法，其特征在于：所述的片式感性元件采用三相复合材料作为磁介质，由埋入式的螺旋形内电极和与之直接相连的端电极，采用热压成型工艺制备而成。本发明涉及的片式感性元件采用三相复合材料作为磁介质，复合材料含有平面六角铁氧体粉末、磁性金属颗粒和耐热高分子树脂。三相复合材料中平面六角软磁铁氧体的体积百分比是30～80％，耐热高分子树脂的体积百分比在5～70％，磁性金属颗粒的体积百分比是1～30％。其中Y型平面六角铁氧体分子式为Ba₂Me₂Fe₁₂O₂₂，Me为Co、Zn、CoCu、ZnCu、NiZn、MnZn、CoCuZn、NiZnCo、CoFe。Z型平面六角铁氧体分子式为Ba₃Me₂Fe₂₄O₄₁，Me为Co、Zn、CoCu、ZnCu、NiZn、MnZn、CoCuZn、NiZnCo、CoFe。M型平面六角铁氧体必须具有适量的Ti、Zn、Co取代，才可显示软磁特性，M型平面六角铁氧体分子式为BaFe_12-2xTi_xMe_xO₁₉，其中x＝1.1～1.4，Me为Zn或Co。铁氧体粉末分散于树脂中的复合材料在高达GHz频带时，它的磁导率不会显著降低，而且能够保持高的Q值。在该复合材料中加入磁性金属颗粒，可以提高材料的磁导率，能够获得在GHz频带的高电感量。当复合材料中金属颗粒含量低于渗流阈值时，复合材料的磁导率增加，而损耗不会明显升高，材料可用于片式电感；当复合材料中金属颗粒含量接近或超过渗流阈值时，复合材料的电导特性显著变化，损耗会明显增加，材料即可用于抗电磁干扰的片式磁珠。复合材料中的磁性金属颗粒用于调节材料电磁特性，可以采用Fe、Ni、Co、Fe-Ni合金、Fe-Co合金、Ni-Co合金等高磁导率金属或合金。

本发明中所述的三相复合材料采用耐高温高分子树脂，因此本发明所述片式感性元件适应回流焊的要求，可进行自动化表面贴装。耐高温树脂可在以下选择：聚砜、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、耐热酚醛树脂、耐热环氧树脂、聚芳砜、聚苯硫醚、聚二烯丙基邻苯二甲酸酯、可熔性聚酰亚胺、四氟乙烯、六氟丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚苯基喹噁啉等。

本发明所述片式感性元件采用聚合物热压工艺制备而成，其工艺过程简单，成型温度低，避免了叠层共烧工艺中异质共烧难题，因此可以采用Ni、Cu、Zn、Al、Sn等贱金属作为内电极材料，使电子元件的成本大幅降低。当然，如果不考虑成本的限制，也可以选择Ag、Au、Pd、Pt、Rh、Ag-Pd合金等贵金属做为内电极材料。端电极的材料为Cu或Ni或Al或Zn或Sn，或者是Rh或Ag或Au或Pt或Pd或Ag-Pd合金。内电极线圈完全埋入磁介质之中，有效避免了漏磁现象，电磁屏蔽效果好。

本发明所述的片式感性元件的的生产工艺如下步骤：

(1)将平面六角铁氧体和金属磁性颗粒分别研磨成均匀的颗粒；平面六角铁氧体的颗粒尺寸范围是500nm～500μm，金属颗粒的尺寸范围是10nm～20μm；

(2)将步骤(1)所得的平面六角铁氧体颗粒、金属磁性颗粒与树脂粉末按比例均匀混合，得到三相复合材料；

(3)将金属丝按符合设计要求制成一定尺寸的螺旋形内电极；

(4)将步骤(3)制得的内电极与端电极直接相连；

(5)将步骤(4)所得电极放入模具内，并固定位置；

(6)将步骤(2)所制得复合材料填入热压模具之中，完全没过内电极线圈；

(7)将热压模具升温至树脂的软化点温度以上10℃；

(8)施加压力4～7MPa；

(9)保持压力15～20分钟；

(10)降温；

(11)卸除压力；

(12)脱模；

(13)后期表面打磨处理。即制备出本发明的片式电感类元件。

因此，本发明提供了一种可以适用于甚/超高频带的片式感性元件及其制备方法。该类电子元件具有质量轻、体积小、磁屏蔽效果好、可满足自动化回流焊工艺的要求等优点；而且其生产工艺简单、生产周期短、技术参数易于控制、生产能耗低，可进行大规模工业化生产，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。

附图说明：

图1为本发明的片式感性元件的结构示意图。图1中1是磁性材料介质，填充在电子元件内；2和3分别是端电极和内电极，内电极3埋在磁介质内部，端电极2直接连接在内电极3的两端。

图2为本发明的片式感性元件的制备装置示意图。图2中4和7分别是装置的上下压头，用以给模具内的复合材料提供足够的压力；5是制备的感性元件，元件在模具内成型；6是模具的热压模套，紧帖在模具的周围，用于提供热压需要的温度；8和10分别是元件的端电极和内电极线圈，内电极线圈埋在磁性介质内，端电极直接连接在内电极线圈的两端；9是作为元件磁介质的三相复合材料，填充在模具内。

具体实施方式

实施例一：片式Co₂Y-Ni-PPS电感的制备

将体积比为60％、颗粒直径为8微米左右的Co₂Y(Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂)，体积比为8％、颗粒直径为0.5微米的Ni粉和体积比为32％的聚苯硫醚。按照上述比例分别称取6.54克Co₂Y、1.42克镍粉和0.86克PPS，然后充分混合均匀。

取一根细铜线做成螺旋形内电极，与端电极连接，放入模具并固定位置。取适量混合均匀的复合材料粉末填入模具中，完全没过内电极线圈。

将装有复合材料粉末和内电极的热压模具放到自动压机上，升温至290℃，加4MPa的压力，并保持15min，然后降温，降至室温后脱模即得到Co₂Y-Ni-PPS复合片式电感。

实施例二：片式BaM-Ni-PPS电感的制备

将体积比为60％、颗粒直径为8微米左右的Ti取代的BaM(BaFe_10.9Ti_1.1O₂₂)，体积比为8％、颗粒直径为0.5微米的Ni粉和体积比为32％的聚苯硫醚。按照上述比例分别称取6.36克BaM、1.42克镍粉和0.86克PPS，然后充分混合均匀。

将装有复合材料粉末和内电极的热压模具放到自动压机上，升温至290℃，加4MPa的压力，并保持15min，然后降温，降至室温后脱模即得到BaM-Ni-PPS复合片式电感。

实施例三：片式Co₂Z-Fe-PPS磁珠的制备

将体积比为58％、颗粒直径为8微米左右的Co₂Z(Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁)，体积比为12％、颗粒直径为0.5微米的Fe粉和体积比为30％的聚苯硫醚。按照上述比例分别称取6..22克Co₂Z、1.77克铁粉和0.8克PPS，充分混合均匀。

取一根细铜线做成螺旋形内电极，与端电极电连接，放入模具并固定位置。取适量混合均匀的复合材料粉末填入模具中，完全没过内电极线圈。

将装有复合材料粉末和内电极的热压模具放到自动压机上，升温至290℃，加以4MPa的压力，并保持15min，然后降温，降至室温后脱模即得到Co₂Z-Fe-PPS复合片式磁珠。

Claims

1.一种复合材料片式感性元件，其特征在于片式感性元件采用三相复合材料作为磁介质(1)，由埋入式的螺旋形内电极(2)和与之直接相连的端电极(3)采用热压成型工艺制备而成；其中所述的三相复合材料是由平面六角软磁铁氧体、耐热高分子树脂和磁性金属颗粒组成；平面六角软磁铁氧体的体积百分比是60～80％，耐热高分子树脂的体积百分比在5～32％，磁性金属颗粒的体积百分比是1～30％。

2.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于三相复合材料中所述的平面六角软磁铁氧体是Y型平面六角铁氧体：Ba₂Me₂Fe₁₂O₂₂，Me为Co或Zn或CoCu或ZnCu或NiZn或MnZn或CoCuZn或NiZnCo或CoFe。

3.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于三相复合材料中所述的平面六角软磁铁氧体是Z型平面六角铁氧体：Ba₃Me₂Fe₂₄O₄₁，Me为Co或Zn或CoCu或ZnCu或NiZn或MnZn或CoCuZn或NiZnCo或CoFe。

4.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于三相复合材料中所述的平面六角软磁铁氧体是M型平面六角铁氧体：BaFe_12-2xTi_xMe_xO₁₉，其中x＝1.1～1.4，Me为Zn或Co。

5.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于三相复合材料中所述的耐热高分子树脂为聚砜或聚酯酰亚胺或聚酰胺酰亚胺或耐热酚醛树脂或耐热环氧树脂或聚芳砜或聚苯硫醚或聚二烯丙基邻苯二甲酸酯或四氟乙烯或六氟丙烯共聚物或聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚苯基喹噁啉。

6.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于所述的磁性金属颗粒为Ni或Fe或Co或Fe-Ni合金或Ni-Co合金或Fe-Co合金。

7.如权利要求1所述的一种复合材料片式感性元件，其特征在于所述的螺旋形内电极和端电极的材料为Cu或Ni或Al或Zn或Sn或者是Rh或Ag或Au或Pt或Pd或Ag-Pd合金。

8.一种复合材料片式感性元件的制备方法，其工艺过程如下：

(1)将平面六角铁氧体和磁性金属颗粒分别研磨成粒度尺寸均匀的颗粒；平面六角铁氧体的颗粒尺寸范围是500nm～500μm，磁性金属颗粒的尺寸范围是10nm～20μm；

(2)将步骤(1)所得的平面六角铁氧体颗粒、磁性金属颗粒与树脂粉末按比例均匀混合得到三相复合材料；

(3)将金属丝制成符合设计要求的螺旋形内电极；

(4)将步骤(3)制得的内电极与端电极直接相连；

(5)将步骤(4)所得的直接相连的内电极与端电极放入模具内，并固定位置；

(6)将步骤(2)所制得三相复合材料填入热压模具之中，完全没过内电极线圈；

(7)将热压模具升温至耐热高分子树脂的软化点温度以上10℃；

(8)施加压力4～7MPa；

(9)保持压力15～20分钟；

(10)降温；

(11)卸除压力；

(12)脱模；

(13)后期表面打磨处理，即制备出本发明的片式电感类元件。