CN102067248B - 磁力控制的聚合物纳米复合材料和用于施加和固化此材料的方法以及用于rf应用的纳米磁性复合物 - Google Patents

磁力控制的聚合物纳米复合材料和用于施加和固化此材料的方法以及用于rf应用的纳米磁性复合物 Download PDF

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Abstract

一种材料包括可固化液体聚合物，所述聚合物包括能够显示出磁特性的悬浮的纳米颗粒。所述纳米颗粒以这样的浓度存在，所述浓度足以使所述可固化液体聚合物响应于磁场的施加而流动，所述磁场能使材料被导引进入狭窄的区域以在聚合物被固化之前完全填充此区域。一种方法包括将填充材料施加到至少一个部件，所述填充材料包括包含纳米颗粒的可热固化聚合物，以及将电磁场施加到所述填充材料的至少一部分。所述纳米颗粒包括能够经历局部加热以足以至少部分地固化周围的聚合物的核。还公开了一种用于在射频下使用的组件。所述组件包括基板和被所述基板支撑的至少一个部件。所述基板包括具有能够显示出磁特性的悬浮纳米颗粒的热塑或热固聚合物。所述纳米颗粒具有的类型和在聚合物中的浓度被选择为提供特定的介电常数、磁导率和耗散因数。

Description

磁力控制的聚合物纳米复合材料和用于施加和固化此材料的方法以及用于RF应用的纳米磁性复合物
技术领域
本发明的示例性和非限制性的实施例一般性地涉及纳米技术，材料科学和电子装配和封装技术，并涉及例如天线的射频部件和组件。
背景技术
出现在本说明书和/或附图中的各种缩写定义如下：
COC 环烯烃共聚合物
EMC 电磁兼容
EMI 电磁干扰
FEP 氟化乙烯丙烯共聚物
FM 铁磁性
HDPE 高密度聚乙烯
LDPE 低密度聚乙烯
LLDPE 线型低密度聚乙烯
MNP 磁性纳米颗粒
PP 聚丙烯
PS 聚苯乙烯
PTFE 聚四氟乙烯
PVDF 聚偏二氟乙烯
PWB 印刷布线板
RF 射频
SPM 超顺磁性
SPS 间规聚苯乙烯
TEM 透射电子显微镜
VSWR 电压驻波比
PIFA 平面倒F天线
基于热固聚合物的化合物，例如环氧树脂和聚安酯，广泛用于在例如PWB的基板上支撑或嵌入电子部件。使用非常低粘性的树脂，依靠材料延展通过毛细力(capillary force)填充浅腔，来实施部件的下部填充(在部件和下面的基板之间填充)。为了获得低粘性(充分的材料流动)和快速固化，树脂需要被加热到高温(典型为150-160C约几分钟)。这使得工艺的控制变得复杂而且可能引入损坏部件的风险。
通常，导电的填充材料对塑料的机电性能具有不利的影响，会增加介电损耗并降低主聚合物的机械特性。
使用高温(典型为150-160℃)处理单成分树脂来获得快速固化。此工艺的缺点包括控制材料流动的难度(例如，泄漏和/或不能到达需填充的所有位置)和在固化期间在部件和/或它们的界面中引起的热冲击/引力。
双成分树脂(树脂和固化剂(催化剂))通常更具粘性并在较低温度(一般为从室温到约60℃)下固化。然而，这可能是慢工艺(几个小时)，而且更高的粘性可能导致更难以使树脂流入所有所需的位置。
例如，在2005年5月的技术数据表LOCTITE7 3593TM中发现了一种目前可获得的快速固化单一成分环氧树脂下部填充材料的示例。例如，在2007年1月的技术数据表STYCASTTM1090，低密度、复合泡沫塑料、环氧树脂密封剂、Emerson和Cuming，中发现了一种用于填充/密封电子部件的双成分聚安酯的示例。
目前RF设计者可获得的高导磁率材料，例如铁酸盐(ferrite)和普通金属陶瓷复合物，随着工作频率增加要经受增加的损耗和降低的导磁率。对于1GHz以上的RF部件小型化，例如对于发射链和无线通讯装置的天线，材料的选择受到严格地限制。
高频部件小型化通常基于低损耗的电介质材料。一个示例是小的蓝牙天线，其使用高介电常数陶瓷或电介质滤波器。具有可控的、低损耗的、高导磁率的材料，将大大促进部件小型化，并改善电感的控制。然而，对于极高频率应用而言，这至少由于磁损耗的存在而不能充分实现。
发明内容
通过使用本发明的示例性实施例，解决了上述和其它问题并实现了其它优点。
在其第一方面中，本发明的示例性实施例提供了一种材料，包括可固化基质和具有磁特性的纳米颗粒，所述纳米颗粒以这样的浓度存在，所述浓度足以使所述可固化基质响应于磁场的施加而显示出流动。
在其另一方面中，本发明的示例性实施例提供了一种方法，包括：将填充材料施加到至少一个部件，所述填充材料包括可热固化基质和纳米颗粒；以及将电磁场施加到所述填充材料的至少一部分，其中所述纳米颗粒由这样的核构成，所述核能够被所述电磁场加热到足以至少部分固化周围的基质的温度。
在其另一方面中，本发明的示例性实施例提供了一种方法，包括：将填充材料施加到至少一个部件，所述填充材料包括含纳米颗粒的基质，所述纳米颗粒具有磁特性并以这样的浓度存在，所述浓度足以使所述基质响应于磁场的施加而流动；以及产生磁场以导引所述基质进入要被填充的空间。
在其另一方面中，本发明的示例性实施例提供了一种设备，包括基板和被所述基板支撑的至少一个部件，所述基板包括含纳米颗粒的聚合物，所述含纳米颗粒的聚合物形成具有预定电磁特性的纳米复合材料，所述预定电磁特性包括感兴趣的射频下的介电常数、磁导率和耗散因数。
还在其另一方面中，本发明的示例性实施例提供了一种设备，包括由聚合物基质中的纳米颗粒构成的纳米复合材料，所述纳米复合材料被设置并电磁耦合到至少一个射频天线元件并在感兴趣的射频下显示出至少1.5的相对磁导率实部Re(μr)、不大于约0.1的相对磁导率的损耗角正切、大于约1.2的相对电容率(介电常数)和不大于约0.1的相对电容率的损耗角正切。
附图说明
图1A示出了由分散在聚合物基质中的由MNP构成的磁性聚合物纳米复合材料的放大视图。
图1B示出了图1A的MNP中的一个。
图2为TEM显微照片图，该图示出了合成的Co纳米颗粒的基本上均匀(homogenous)尺寸的分布。
图3描绘了使用外部磁场导引图1A的磁性聚合物纳米复合材料进入要被填充的空隙中。
图4描绘了使用外部交变电磁场，通过MNP的感应加热和将热耗散导入可热固化的聚合物基质，来固化图1A的磁性聚合物纳米复合材料。
图5示出使用这些具有包括EMI护罩(壳)的组件的示例性实施例的示例。
图6示出了包括按照本发明的示例性实施例构建的基板的贴片(平面)天线组件的放大横截面示意图。
图7示出了包括支撑天线元件的基板的示例性天线结构的放大正面视图，其中基板按照示例性实施例构建。
图8为示出了图7中所示天线结构的模拟的阻抗响应的图。
具体实施方式
本发明的示例性实施例提出了一种新颖的纳米复合材料，包括被有利的用作例如用于电子部件的填充物或下部填充的化合物的，具有受控的机电特性的热固聚合物和MNP。例如，为了保护印刷布线板(PWB)上的部件，以及为了制造可以很容易地通过例如内嵌模制(insert molding)与器件机械集成的坚固模块，示例性实施例提出了新颖的技术，用于提供纳米复合材料和固化纳米复合材料中的至少一种。
示例性实施例使用MNP导引和控制热固可热固化树脂的流动。流动控制可用于容纳狭窄的腔和流动通路。此外，通过感应加热周围的其中包含MNP的热固聚合物基质，MNP可被用于固化热固树脂。
本发明的示例性实施例，通过使用可以很好分散在聚合物树脂或环氧树脂或其它能够固化为固态或半固态的材料中的非常小的(纳米级)含磁性金属的颗粒，解决了上述问题，由此产生可控的电磁特性。
示例性实施例还通过提供一种聚合物纳米复合材料来解决上述问题，该材料显示出能够使RF天线和其它RF处理(handling)部件和电路实现高性能和小型化的特定并高度可控的电磁特性。
参考图1A、1B和2，本发明的示例性实施例提供了具有可控制的和可调整的(tailorable)电磁特性以及最佳加工性能的磁性聚合物纳米复合材料1。聚合物材料本来就是具有可调整的磁特性的良好介质。当通常需要用于元件的下部填充和封装时，耗散因数和体电阻率可以调节到较低水平。磁性聚合物纳米复合材料1包括纳米级磁性颗粒(磁性纳米颗粒MNP(例如，具有例如约100nm或更小的最大直径的颗粒))2，颗粒2可以均匀分散在热固聚合物基质3中。可以认为每个MNP 2包括MNP核2A和可能的表面活性剂2B，表面活性剂用以更加紧密地将MNP核2A耦合到周围的聚合物基质3。磁性聚合物纳米复合材料1的特性类似塑料，而且根据一个示例性实施例，磁性聚合物纳米复合材料1的流动和凝固(固化)可以通过施加外部磁场加以导引。
注意，在图2中，只在图的一半中示出MNP2，而且MNP密度是示例性的。通常，在聚合物材料3中悬浮的MNP2的浓度将足以使可固化的液体聚合物响应于磁场的施加而流动。注意，对于至少一些公开的实施例，任何在此对可固化“液体”聚合物的任何引用旨在包括聚合物，或更一般而言，基质材料，其处于可以流动(在适当的时间周期内)的状态，包括液态和半液态(或半固态)，包括凝胶。
注意，尽管最初在文中所述基质3为或包括聚合物，但在一些示例性实施例中，可以采用包括一种或多种陶瓷的非聚合基质材料。
这些示例性实施例的使用使得可以在PWB或其它适合的基板上的电子部件周围/下面的狭窄腔中有效地施加磁性聚合物纳米复合材料1，并可以利用传统热源(或通过UV固化，如果需要)、或通过使用在施加到部件/PWB之前与基质材料/MNP混合的硬化剂化合物(固化剂/催化剂)来迅速凝固容易流动的材料。
此外，作为可选的固化技术，磁性纳米颗粒2提供了使用感应加热以固化聚合物基质3。这对于在制造期间和/或在例如通过内嵌模制将电子部件集成到结构的其它处理步骤期间的此类部件的保护来说十分有利。
本发明的示例性实施例可被用在包括热固聚合物的任何应用中，其中调整的材料特性，材料的导引流动和有效固化是希望的。
一个示例性应用领域是保护装配在PWB上的电子(和/或光电)部件。当构建用于例如将电子和/或光学部件通过内嵌模制结合到结构的坚固模块结构时，磁性聚合物纳米复合材料1可用作填充材料，用以支撑和/或嵌入此类部件。
图3描绘了使用外部磁场将磁性聚合物纳米复合材料1导入要被填充的空隙。在此示例中，磁性聚合物纳米复合材料1容纳在贮存器10中，贮存器10具有磁性聚合物纳米复合材料1可以通过其流动的通道12(例如，磁性聚合物纳米复合材料1可以容纳在注射器中)。在此非限制性示例中，要被填充的空隙15处在例如集成电路芯片的部件14和例如PWB的基板16之间。下部填充工艺包括施加磁性聚合物纳米复合材料1，以填充或基本上填充空隙15，并在此工艺期间，要从例如连接到电源(为了简化起见，示为电池20)的电磁体18施加磁场。注意，也可以使用永磁体。MNP2被磁场吸引并由此产生周围的树脂基质3可控的流过空隙15。
图5示出了另一个实施例其中EMI护罩(shield)30置于PWB 16之上并包括至少一个部件，例如集成电路14。如上所述，在此实施例中，磁性聚合物纳米复合材料1可以流过护罩30中的开口30A，并接着被固化以在电介质材料中嵌入IC 14。
在图3和图5的实施例中，应该理解，磁性聚合物纳米复合材料1可以用于在部件之上提供涂层(保护性外涂层)，也可用于密封部件。
这些示例性实施例也可以提供可控的电磁特性，包括但不局限于介电常数、磁导率和耗散因数。
除了这一点，磁性聚合物纳米复合材料1的特性可以基于关注的应用的具体需求而调整。MNP 2的小尺寸、良好的分散和电磁特性，以及电介质聚合物树脂3的流动性、柔软度/硬度和低的耗散因数，形成了纳米复合物特性的基础。基本上，磁性聚合物纳米复合材料1具有与塑料(其中硬度可以通过交联密度和聚合物的类型进行改变)类似的性质。环氧树脂聚合物或聚亚安酯可以用于提供树脂基质3。小的MNP 2具有充足的磁特性，以在导引树脂3的流动和固化树脂3时被利用，而不用牺牲电和机械特性。
MNP 2可以由任何磁性材料(例如，例如Fe、Co、Ni的金属，和例如FePt的合金，以及例如Fe3O4的某些氧化物)构成。铁磁性MNP 2可以容易地用于导引流动和固化，然而它们也倾向于修改复合物特性(永久磁化)。相反，超顺磁性材料只在外部磁场存在时被磁化，并由此可以在需要最优化的介电特性时被更加有利地利用(如下面将于详细讨论的)。如同下面将要更加详细讨论的，材料的磁特性由其量子力学行为决定，而对于这些特性，磁各向异性能量是我们最感兴趣的。
在一个示例性而且非限制性的实施例中，钴纳米颗粒2悬浮在环氧树脂基质3中。可以使用适当的表面活性剂2B产生具有均匀尺寸分布的小的Co MNP 2。注意，在此可以通过改变尺寸、颗粒间距离和与聚合物基质3的亲合性来调整纳米复合物的特性。对于钴，要特别注意地是，具有小于约10nm的平均直径(最大尺度，如果MNP 2不是球形)的MNP 2是超顺磁性的，而具有几十纳米直径的MNP 2是铁磁性。
如上所述，这些示例性实施例的一个方面是使用外部磁场导引淀积(填充)。
除了这一点，当外部磁场可以用于吸引磁性聚合物纳米复合材料1进入狭窄的/较浅的腔时，由此导引材料进入所需位置时，磁性聚合物纳米复合材料1为制造提供了明显优点。当MNP 2在基质3中的分散可以非常均匀而MNP 2被表面活性剂2B很好地吸引到聚合物基质3时，导引MNP 2的移动同样导引和控制了聚合物树脂基质3的流动。不像仅依靠毛细力和非常低粘性的树脂(这很容易泄漏，而且仍然很难流进所有腔)的传统的部件的下部填充，本发明的示例性实施例提供了一种用于伸展填充材料的快速而又可靠的技术。此外，磁性聚合物纳米复合材料1的粘性水平可以被调节或调整已满足特殊应用的具体。
此外，同样在这些示例性实施例的范围内提供了MNP 2，以使它们缺乏良好的MNP/聚合物的粘附(例如，没有表面活性剂2B的MNP核2A)。给这样的磁性聚合物纳米复合材料1施加磁场可以用于将MNP 2吸引到希望的位置，例如，在屏蔽壳壁下面，如此以完成壳壁的下边缘和下面的基板材料(例如，参见图5中的区域32)之间的EMI屏蔽。此技术由此可以用于产生相同材料的高介电性而小导电性的区域。
也就是，磁场的应用可以使MNP 2在基质3内沿特定方向移动，由此在基质3的体积内形成MNP 2的浓度梯度。此浓度梯度的存在可以使材料在整个材料体内显示出非均匀的电和/或机械特性，这对于特定的应用十分有利。例如，如果假设MNP 2通过施加磁场被吸引到液体基质3的右上部分，而且聚合物基质3接着被固化(硬化)以将MNP 2固定在其合适的位置上，可以认为图2示出了这样的MNP浓度梯度。
同样如上面简述的，本发明的示例性实施例的另一方面涉及利用交变电磁场进行基质3的局部固化。
对于这一点，同样如上所述，传统的填充材料可以通过高温(加热整个组件)或通过使用两种成分的材料(树脂加硬化剂)进行固化。使用前一程序可能导致施加到组件、部件和/或它们的表面的热应力，而后一程序通常需要相当长的时间来完成(例如，数小时)。
参考图4，通过应用本发明的该方面，磁性聚合物纳米复合材料1可以在不使用传统热处理的情况下，通过使用交变电磁场发生器24进行固化，电磁场发生器24用以产生感应场，该感应场在MNP 2(例如，Co MNP)中导致局部加热，致使每个MNP 2向周围的聚合物基质3散热。该温度的增加激活了聚合物树脂3中的交联催化剂，由此固化聚合物基质3。此类局部固化可以快速地将高流动性材料转化为固态或半固态(例如，类凝胶体)(如果对于预期的应用是足够的)，从而避免了在整个结构的常规高温处理中的固有问题，由此最小化了促使部件损坏的潜在可能，并由此增加了可靠性。如图4中所示，示例性下部填充的可热固化树脂/MNP材料22(如图3中所施加的)可以通过穿过基板16局部化施加感应场来进行固化。可以通过选择可在宽范围内变化的频率来控制加热。在大规模工业设备中，50Hz(或60Hz，电源电压频率)被广泛使用。然而，如果只有表面被直接加热，也可以使用几十MHz。场发生器24的示例性工作频率可以在ISM带内，例如，在约13.56MHz处。
可以理解，该技术的使用提供了以下可能性，即，只在PWB(或任何其它基板)上选择的区域内通过局部施加电磁场来固化磁性聚合物纳米复合材料1。
这些示例性实施例的使用提供了用于处理热固聚合物树脂的新颖技术。包含纳米级MNP 2的纳米复合材料的使用有益于通过感应加热导引流动和固化材料而不会牺牲热固聚合物树脂的电和机械特性。此外，这些示例性实施例的使用，通过使填充材料能够进入/注入例如在狭窄腔中的困难位置中而提供了改善的可制造性。这些示例性实施例的使用，通过感应加热MNP 2将聚合物树脂快速固化为类凝胶体或固态而没有引起对部件/基板的热冲击，还提供了改善的可靠性。这些示例性实施例的使用还提供了新颖的基于热固聚合物的磁性纳米复合材料，该材料的特性可以通过MNP2(例如，尺寸、量、颗粒间距离、表面活性剂、到聚合物的粘合力)和通过选择的聚合物树脂(例如，软到硬、交联密度、1-成分或2-成分)来调整。
此外，用于极高射频(RF)部件的磁性材料的使用能够使移动电话中的天线、RF滤波器、电磁兼容(EMC)护罩和使用RF技术的类似装置的小型化成为可能。为了满足提供能够提供高磁导率和在1GHz以上的频率下的低损耗的材料的需求，在聚合物基质3中使用MNP 2组合了相对高的磁导率与低磁损耗。这至少是因为当颗粒尺寸接近几纳米时材料的磁特性发生改变的这一事实。
本发明的示例性实施例由此也包括具有特定的并高度可控的电磁特性的聚合物纳米复合材料，其能使RF天线和其它RF部件和电路的高性能和小型化成为可能。
示例性实施例包括制造方法，材料选择和材料的形态，以及通过进行特定选择而获得的材料的有益的磁特性。在例如1GHz、2GHz和5GHz处获得的有益特性包括但不局限于下面的内容。
第一，相对磁导率实部Re(μr)至少为1.5。
第二，相对磁导率的损耗角正切不大于约0.1。
第三，相对电容率(介电常数)对于天线应用可以在约1和4之间，而对于其它应用则大于例如约4。
第四，相对电容率的损耗角正切不大于约0.1。
示例性实施例的使用可以生产在高频处(例如，1-5GHz(109Hz)或更高)具有高磁导率和低介电常数和损耗因数的聚合物复合材料。
具有可控电磁特性的磁性纳米复合物采用具有可控尺寸和类型的纳米级磁性颗粒(MNP)2，其可以均匀嵌入在具有低的固有介电损耗的复合材料基质3内。MNP 2的小尺寸和其在基质3中的基本上均匀的分散降低了介电损耗，从而优化了磁导率。
如上所述，MNP 2可以为铁磁性(FM)或超顺磁性(SPM)。对于多数磁性材料，例如钴和铁，颗粒尺寸确定了磁力的类型，具有较小颗粒(对于约15nm以下的Co)的是超顺磁性，而具有较大颗粒(大于约15nm)的是铁磁性。临界的颗粒尺寸取决于材料或者还可能取决于晶体结构：例如，HCP(六方密堆积的)Co具有15nm的临界尺寸，而FCC(面心立方的)Co具有仅7nm的临界尺寸。对于其它金属和含金属的化合物，尺寸可以在宽范围内变化，例如，Ni的临界尺寸为约55nm，而Fe3O4的临界尺寸为约128nm。
同样如上所述，MNP 2可以由任何磁性材料形成(例如，例如Fe、Co、Ni的金属，和例如FePt的任何合金，以及例如Fe3O4的特定氧化物)。当希望最小化损耗时，仅在外部磁场存在时才被磁化的超顺磁性MNP 2更具吸引力。在示例性实施例中，优选使用具有窄尺寸分布的超顺磁性MNP 2。
如图1B中所示，在合成相中，MNP核2A典型地被有机表面活性剂分子的壳层2B所覆盖，该壳层可以稳定分散并导致MNP 2的更加均匀的尺寸分布。此外，通过使用适合的表面活性剂2B，可以控制MNP 2和聚合物基质3之间的相互作用。表面活性剂2B通过化学键和/或通过物理混合(通过范德华力)与聚合物基质3相互作用，由此在聚合物基质3中形成稳定的MNP 2的阵列。这就形成了用于良好控制的电磁特性(高电容率和低损耗)和平衡的机械特性(强度和弹性)两者的基础。
在一些实施例中，例如这些与射频(RF)应用相关的描述，选择聚合物以具有充分低的介电常数，而尤其是在高频处具有低的耗散因数。可以使用各种不同的聚合物。通常，例如聚苯乙烯(PS)、间规聚苯乙烯(SPS)、聚乙烯(LDPE、LLDPE或HDPE)、聚丙烯(PP)、环烯烃共聚合物(COC)、聚异丁烯、聚异戊二烯、聚丁二烯或含氟聚合物(PTEE、FEP、PVDF)的非极性聚合物是极具吸引力的候选材料，这是因为它们所固有的低的介电常数和耗散因数。此外，可以使用任何包括与上述那些聚合物类似的化学部分(moiety)(单体)的共聚物或它们的混合物。至少出于环境因素，含氟聚合物以外的聚合物更加有用。在一些情况下，可以使用例如聚碳酸酯的极性高聚物或例如环氧树脂、聚亚安酯和硅氧烷(silicone)的热固聚合物形成基质3。
为了进一步降低介电常数，聚合物纳米复合材料1也可以使用标准的物理发泡(例如，添加氮气或二氧化碳气体)或化学发泡(例如，在工艺温度下使用发泡剂分解)技术发泡。利用被分散在键联聚合物3的松散网络中的被表面活性剂2B覆盖的MNP核2A形成凝胶体或气凝胶在这些示例性实施例的范围之内，由此在聚合物纳米复合材料内提供了空隙。
注意，最终的复合物特性至少取决于MNP 2的类型、电磁特征、尺寸和浓度，聚合物基质3的介电特征(介电常数、耗散因数)以及，某种程度上还取决于MNP 2和聚合物基质3之间的相互作用。结果，为了获得具有预期的RF和物理特性的材料，很多变量都可以调整。
另外，可以通过使用没有附接到聚合物基质3的MNP 2(如上所述，没有表面活性剂2B的MNP核2A)调节介电常数，当在此情况下，可以通过使用外部电磁场动态改变颗粒间的距离。
选择MNP 2的尺寸至少部分取决于形成MNP核2A的磁性材料。如上所述，材料的磁特性由其量子力学特性确定，而对于这些特性，我们最关注磁各向异性能量。磁各向异性能量限定了磁畴的最小尺寸。如果磁畴的最小尺寸大于颗粒尺寸，那么磁性纳米颗粒将(甚至当没有暴露到外部磁场时)只包括单个磁畴，在其中所有磁性原子的外部壳层电子自旋都将指向同一方向。这一现象就是公知的超顺磁性，与铁磁性相反。在铁磁性中，在零外部磁场时，不同取向的自旋的若干畴(通常沿材料的表面定向)占据着材料。当铁磁性材料被加载交变磁场时，它以非线性方式磁化，并形成所谓的滞后回线。在超顺磁性颗粒中，当在交变磁场下时，在用相反的磁场方向加载时磁化曲线遵循相同的路径，而滞后回线区域崩溃。由此，最小化了由滞后回线产生的耗散(其转换为热能)。然而，不只是颗粒的尺寸确定颗粒是否为铁磁性的或顺磁性的，而且温度和其它因素也会影响。对于这些其它因素，颗粒的相(例如，面心立方或六方密堆积结构)，以及纯度，例如，位错的量/存在、间隙、空位、和晶界(颗粒是否为多晶或单晶)限定所给磁性材料在什么尺寸下能够显示出超顺磁或铁磁特性。
磁性材料的相对介电常数同样基于材料的量子力学特性并从一种磁性材料变化到另一种磁性材料。由此，对于预期的介电常数值，除了通过使用超顺磁性颗粒获得耗散的最小化，也要关注对磁性材料的选择。
参考图6，图中示出了贴片(平面)天线组件4的实施例的横截面。天线组件40包括置于基板44的第一表面上的贴片天线元件42。地平面46被置于基板44的相反的第二表面上。穿通基板44并与贴片元件42电耦合的是针状(probe)馈电导体48，它与馈线50连接。电场存在于贴片元件42和地平面46之间的基板46内，而边缘场存在于贴片元件42的边缘处。
在天线组件40中按以下方式使用磁性和介质材料。认为典型贴片天线如图6中所示，电场在地平面46和贴片元件42之间并与它们垂直。磁场与地平面46(指示为X)和天线元件42平行，并同时存在于天线组件40内外。如果贴片元件42和地平面46之间的材料具有高的磁导率μ或具有高的介电常数ε，那么对天线共振频率的感性或容性的贡献会增加，这会降低天线共振频率。换句话说，物理上更小的天线可以提供所需的共振频率。天线共振频率与1/Sqrt(με)成比例。此外，天线的带宽与μ/ε成比例。这意味着工程师同时需要μ和ε，如果可能的话，这是因为利用μ和ε的不同的组合可以获得相同的天线尺寸，但是带宽将会不同。介电和磁性损耗直接推动天线损耗并相应地降低天线增益。
由此，基板44中的MNP聚合物材料1的使用，由于它能使天线组件40显示出磁导率μ和介电常数ε的所需的值，因此是有益的。可获得的产生的高磁导率和低耗散至少在以下领域内是有好处的。在天线小型化中，磁性聚合物纳米复合材料1的使用允许尺寸按比例缩放而没有使天线的VSWR带宽变窄。示例还表明，RF阻抗匹配网络、滤波器和扼流器中的感性元件可以被制造得更小，而不会因为损耗降低性能。示例还表明，低损耗的磁性和介电特性的结合允许在RF元件中(例如在滤波器谐振器中)磁和电同时产生贡献的设计。
除类似塑料或弹性体特性的存在以及模制为任何想要的形状之外，磁性聚合物纳米复合材料1的使用能使人们在高频处实现高磁导率、低介电常数和低耗散因数的意外的特性结合。磁性聚合物纳米复合材料1的使用还能使人们制作出柔韧的基板用于薄的微带或印刷的天线结构，由此形成柔韧的高性能天线结构。磁性聚合物纳米复合材料1的使用也能使人们实现天线设计的可调性和灵活性，这至少是因为形成的天线组件的尺寸越小，可用于放置天线结构40的地方就越多，而且至少因为可以通过控制复合物特性的可调性，天线可被优化用于在不同频率下工作。
图7示出了可以使用本发明的示例性实施例制造的天线结构60(例如，PIFA天线结构)。在此非限制性实施例中，存在地平面62、通过介质基板65支撑于地平面62之上的PIFA元件64、短接引脚66和馈电68。整个结构可以具有约40mm乘100mm的尺寸，PIFA元件64可以具有约10-15mm(平方)之间的尺寸，而基板65的厚度可以大于2mm，例如，约2.3-2.4mm。基板65根据文中示例性实施例构建，并且可以具有约10×10mm2的面积并对称地置于PIFA元件64的下面。堆叠例如三层(可最强烈极化)以提供约2.4mm的总基板65的厚度在这些实施例的范围之内。基板65的每个单独的层具有不同的ε和μ值，可以使用单轴磁介电公式确定有效介电常数和磁导率。介电常数εeff的正常分量为约3.7，而磁导率μeff的正向分量可以为约1.2。图8示出了在约1.5-2.2GHz范围内对应于此结构的模拟的阻抗响应。
在图7中所示的示例性实施例中，基板65的聚合物的适合的示例(基质3)可以是聚苯乙烯(介电常数约2.7)，而MNP 2的适宜示例可以为具有小于约5％的浓度的80nm钴颗粒，对应于约1.2的磁导率。
在上述内容应该理解，本发明的示例性实施例提供了具有特定的而且高度可控制的电磁特性的纳米复合材料(例如，聚合物纳米复合材料)，该材料能使包括RF天线的RF元件实现高性能和小型化。示例性实施例至少包括材料的两个方面：制造方法、材料选择、材料的形态以及通过进行某些选择获得的材料的有利的磁特性。在感兴趣的射频处，例如，在1GHz、2GHz、或5GHz处，获得的有利的特性包括但不局限于至少1.5的相对磁导率实部Re(μr)、不大于约0.1的相对磁导率的损耗角正切，大于约1.2的相对电容率(介电常数)和不大于约0.1的相对电容率的损耗角正切。
应该注意，尽管上述与RF相关的实施例已经在上下文中大体描述了用于制作基板65的热塑性聚合物，但是也可以使用例如环氧树脂、聚亚安酯和硅氧烷。
注意，在一些感兴趣的应用中，希望挠性而且甚至能可伸展的基板材料。如此，聚合物可以是弹性体的类型，而使用的热塑性的聚合物可以由此选择为弹性体。包括基于苯乙烯的共聚物的很多种聚合物可以用于提供基板的挠性和/或可伸展性，例如支撑或包括例如RF天线元件的RF元件的基板。
同样要注意，磁性聚合物纳米颗粒复合材料1可以用作基板(例如，基板65)，或者用作腔填充物，或以其它方式，例如包围在天线元件64周围。通常，然而提供的磁性聚合物纳米复合材料1理想地电磁连接到发射天线元件，并可以位于元件下方、或上方、或周围。注意，天线元件64可以用于接收射频信号，或传输射频信号，或同时用于接收和传输射频信号。
纵观上面的描述，当结合附图阅读时，对本发明的上述示例性实施例的各种修改和改动对于相关领域内的技术人员来说显而易见。然而，任何和所有修改将仍然落在本发明的非限制但是示例性的实施例的范围之内。
例如，尽管示例性实施例在上文中描述了某些金属、合金、氧化物、聚合物、树脂等，但是应该明白，本发明的示例性实施例并不局限于仅使用具体提及的示例。
此外，可以按任何适合的方式制备MNP 2，例如通过沉淀或机械研磨。此外，使用的表面活性剂可以是选择为用于稳定MNP 2在液体或半液体基质3(在它固化/变硬之前)的材料中的分散的任何适合材料。由此，应该选择表面活性剂2B以通过范德华力或静电力或共价键合与共聚物相互作用，而头基团可以为吸附在颗粒核2A上的官能团(functionality)，例如，诸如胺、羧酸或硅烷的官能团。
此外，应该注意，用于加热MNP 2和固化聚合物基质3的树脂的感应场可以单独使用，或者可以与常规加热或光学固化过程结合起来使用。在后面的情况下，两种加热程序一起使用有利于减少固化时间，或者可能降低需要通过常规加热源施加给电子组件的最大温度。
此外，应该注意，这些示例性实施例并不局限于使用成分和/或尺寸一致的MNP 2，如在一些感兴趣的应用中，希望提供由相同近似尺寸或不同尺寸的不同金属/合金/氧化物构成的MNP的混合物，由此能使进一步控制所得的磁性聚合物纳米复合材料1的所得物理和/或电磁特性成为可能。除了这点，不同类型的颗粒可以在磁性聚合物纳米复合材料1内均匀地混合在一起，或者在磁性聚合物纳米复合材料1内物理偏析，或者可以采用两种或多种类型的MNP 2的递变成分(作为一个非限制性示例，钴MNP 2在基质3的一部分体积内，铁MNP 2在基质3的另一部分体积内，以及居间部分的基质3的体积包括钴和铁MNP 2)。此外，应该理解，可以提供具有多个尺寸的MNP 2，以使某部分的MNP群组显示出铁磁性，而另一部分的MNP群组显示出超顺磁性。此外，在给定的磁性聚合物纳米复合材料1中，可以存在一些包括表面活性剂2B的MNP 2，而其它MNP 2不包括表面活性剂2B，或者包括提供与周围的基质3的材料发生不同类型相互作用的不同类型的表面活性剂。此外，如上所述，包括磁性聚合物纳米复合材料1的结构可以是整体结构，或者它可以是多层结构，该多层结构中的每层可以在基质和/或MNP成分上与其它层不同。此外，应该注意，这些示例性实施例并非局限于在磁性聚合物纳米复合材料1的给定实例中仅使用一种类型的聚合物的情况。
应该注意，术语“连接”、“耦合”或任何其变体都意味着任何连接或耦合，直接的或间接地，两个或多个元件之间的，而且可以包括“连接”或“耦合”到一起的两个元件之间存在一个或多个中间元件。元件之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的、或其结合。正如在此采用的，作为几个非限制的和非穷举的示例，两个元件可以认为是通过使用一个或多个连线、电缆和/或印刷电连接，以及通过使用电磁能量，例如具有射频区域、微波区域和光学(可见和不可见)区域内的波长的电磁能量，“连接”或“耦合”到一起。
此外，可以使用本发明的各种非限制的和示例性的实施例的一些特征以获得在不存在其他特征的相应的使用情况下的好处。
例如，在一些其中需要常规聚合物固化工艺的实施例中，可以选择MNP 2而不用关注它们响应于电磁(感应)场的施加而产生热的能力。作为选择，在其中使用常规施加方法(没有使用导引磁场)施加聚合物树脂的其它实施例中，可以选择MNP 2只关注它们响应于电磁(感应)场的施加而产生热的能力。
如此，应该认为上述内容仅显示出了本发明的原理、教导和示例性实施例，而并不受限制。

Claims (17)

1.一种装置，包括基板和被所述基板支撑的至少一个部件，所述基板包括含纳米颗粒的聚合物，所述含纳米颗粒的聚合物形成具有预定电磁特性的纳米复合材料，所述预定电磁特性包括感兴趣的射频下的介电常数、磁导率和耗散因数，所述基板被配置为是挠性的并还包括设置在所述纳米复合材料的至少一个表面上的天线结构，所述纳米复合材料具有在1.2和4之间的相对电容率。
2.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒具有铁磁或超顺磁特性中的一种。
3.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒显示出至少部分地依赖于所述纳米颗粒的尺寸的铁磁性或超顺磁性的一种。
4.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒由金属、金属合金和含金属的氧化物中的至少一种构成。
5.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒由Fe、Co、Ni、FePt和Fe3O4中的至少一种构成。
6.根据权利要求1的装置，其中所述聚合物由非极性聚合物构成。
7.根据权利要求1的装置，其中所述聚合物由热固聚合物构成。
8.根据权利要求1的装置，其中所述聚合物由热塑性聚合物构成。
9.根据权利要求1的装置，其中所述聚合物由聚苯乙烯、间规聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环烯烃共聚合物、聚异丁烯、聚异戊二烯和含氟聚合物中的至少一种构成。
10.根据权利要求1的装置，其中所述聚合物由弹性体构成。
11.根据权利要求1的装置，其中所述基板包含空隙。
12.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒具有100nm或更小的直径。
13.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒由含金属的核和表面活性剂构成。
14.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒包括被选择为降低所述纳米颗粒在被固化之前的所述基质中的活动性的表面活性剂。
15.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒在所述基板的体积内显示出均匀的浓度。
16.根据权利要求1的装置，其中所述纳米颗粒在所述基板的体积内显示出浓度梯度。
17.根据权利要求1的装置，其中所述感兴趣的射频为109Hz或更大。
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