CN102130380A - 聚合物基磁性电介质材料及其制造电子器件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物基磁性电介质材料的合成和制造电子器件的工艺，具体是采用低电磁损耗的高密度聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、间规聚苯乙烯等其中一种，添加表面活性剂、增容剂、一定粒径和磁损的软磁材料粉末、一定粒径和介质损耗的电介质材料粉末、左手效应材料或者光子晶体材料等特殊功能材料等，在密炼机中高温熔融密炼、再冷却粉碎、造粒制成改性塑料，再依以下流程和工艺制成电子器件：注射成片式或则棒状形状、再表面选择金属化、紫外光固化或者热熔胶低压注射封装。用本发明材料和工艺制成的器件主要用于微型化天线。具有频段宽、阻抗低、工作频率偏向低频段、具有特殊的频率选择性等系列特征。

Description

聚合物基磁性电介质材料及其制造电子器件的工艺

技术领域

本发明涉及一种电子材料及其制造器件的工艺，制成的电子器件主要是微型天线，该天线应用于无线局域网、短距无线通讯、个人移动通讯、数字移动电视等领域中。

背景技术

天线在无线收发设备里面是一个非常重要器件，其指标直接影响产品性能。现在在用的体积小型的天线，基本都是从如图1所示的四分之一波长单极化天线(monopole antenna)变形而成的，如图2a、2b所示，通过折叠、弯曲等方式缩小线型天线的长度。1984年H.Nakano等于IEEE Trans.antennas Propagat.第AP-32期期刊上发表“Shortening ratios of modified dipoleantennas(改形的双极天线缩减率)一文第385-386页中描述了一种Z型(Zigzagging)和一种方波形(meandering)曲折天线，以缩减空间尺寸。目前这类做法在手机中得到了极大普及，例如以三星电子株式会社专利CN1416194A“折叠式移动电话的天线装置”为代表，从80年代末到2000年初，是移动通讯主流的手机天线形式，

电子通讯制造业对元器件的要求是体积小，能自动上贴片机贴装，因此元器件标准化，片式化成为发展方向，天线也有了再次缩小的要求，专利CN2560106Y公开了台湾泓越科技公司“片状天线”，其实是用金属片折弯后用塑胶支架等支撑与手机电路板弹性接触，专利CN1464588A“一种隐藏式移动电话天线”和林永怡专利CN1355576A，“贴片式天线”和专利CN2755798Y“简便贴片式天线”描述的内置天线是目前手持便携无线终端中天线主流技术：都是再次把折叠天线变形或者依托软性的衬底内置到产品里面去，都没有加载磁性材料。

公知的微波理论表明：电磁波通过加载了磁性材料和电介质材料后波长会缩短 

其中εr是有效的介电系数，μr是有效导磁率，因此相应的天线体积变小。一般的电介质材料其有效的介电系数εr大于1，有效导磁率μr等于1，例如铁电材料、乌青铜陶瓷等；一般的磁性材料，其有效的介电系数εr等于1，导磁率大于1。同时具有磁性和介电系数的材料能发挥电场和磁场互相耦合的作用，拓展电磁波吸收频段和改善降低一些频段的电磁损耗。

但是目前磁性材料和电介质材料都是分别用于天线中，例如：陶瓷天线(一种电介质上金属化天线图案天线)开始在GPS(全球卫星定位接收机)、蓝牙产品上得到应用，专利CN1610988公开了美国高通公司“移动电话集成天线”采用电介质衬底，至少两面印刷铜线来构成天线。

专利CN2736953黄勇、吴克利“一种平衡结构片式天线”

专利CN2784313Y黄勇吴克利“倒F结构片式天线”，

专利CN28886677黄勇吴克利“片式天线”

专利ZL01103747.4公开了一种片式天线结构，是电介质材料的基底内部至少一个层面上构造曲折金属导体。

专利CN1369929台湾工业研究院“片状天线”采用LTCC技术多层走金属线.

专利ZL00109333.9公开了一种薄膜集成天线及其制造方法，通过基板上生成金属薄膜和铁电薄膜的交替工艺制成天线。

上述和其它(本文不再枚举)基于LTCC(低温共烧工艺)天线的专利描述了采用陶瓷材料做衬底来金属化天线线条，做成片式天线可以直接被贴片机贴装。其工艺制作的天线见附图3a、3b。

日本古河电气工业株式会社专利CN135162，CN1395340“片状天线及其制造方法”采用有机树脂代替陶瓷材料做电介质，其工艺制作的天线见附图3c所示，改变了陶瓷材料需要烧结成型弊端，且烧结后导电线条微小迁移导致的产品一致性差缺陷，但是古河电气的内埋金属线条不适宜做得很细，否则在注塑时流体状树脂压力冲击下空间几何结构会发生变化，因此缩小体积有限。

以上专利利用了公知的加载电介质和弯曲线条来缩小天线体积的方法，但是遇到共同的难题：采用这类陶瓷天线由于采用高介电系数的陶瓷材料来缩短进入电介质中的工作频率波长，使得频率带宽很窄，且存在边缘辐射，导致天线辐射效率低，增益不高，做成多频段困难。因此并没有在多频段收发手机等产品中做主流应用，适合做单频段的无线应用，例如蓝牙和GPS(一种1575.42Mhz，信号接收机)、RFID(射频识别)中。

也有专利和文献报道，在采用磁性材料制作天线，本文不再赘述。

根据公知理论，为了改善天线性能，可以在天线后面加载光子晶体结构PBG(光子晶体，或称光子带隙)，PBG首先是光学领域使用，但是近年开始扩展到无线电频率段，用于天线等微波器件中，使用以微带线技术制成的光子带隙结构描述见文章“Novel 2-D photonic bandgap structure for microstrip lines”公布期刊IEEE微波和波导学报，Vol.8，No.2，1998年2月。

专利CN1703805法国汤姆森许可贸易公司“采用光子带隙结构的槽型天线”采用周期开槽的图案，蚀刻在微带线背面，使得开启超宽带天线的频率响应中的禁用频段，滤除不必要的频率，实现频率选择。

专利CN171710747A，上海无线电设备研究所“使用光子带隙作为反射墙体的阿基米德螺旋天线”在金属线条后面加载光子晶体后，改善了天线性能。

以上专利和类似专利均对天线指标有所改进，见附图4所示，都是在天线背面加载一层或者多层光子晶体图案，实现对天线工作频率的筛选。但是没有根本改良天线微型化后带来的辐射性能差、频带窄、多频困难等缺陷。

根据公知的理论：介电常数ε和磁导率μ是描述均匀媒质电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料(right-handed materials，RHM)。上述电介质材料和磁性材料属于右手材料，这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1967年前苏联物理学家Veselago首次报道新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(left-handed materials，LHM)，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。英国Pendry等人在1998～1999年提出了一种巧妙的设计结构可以实现负的介电系数与负的磁导率，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。左手材料的研制列入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展。左手材料可以通过一些有规则导电开口谐振环(SRRs)和金属杆定向排列来实现。见附图5所示。

天线金属线条后面有规则放置左手效应材料后能本质提升天线指标，且非对称结构的左手材料可以同时在多个频段内实现左手效应，即左手通带。这意味着天线频带可以实现多频段。

又因为，左手效应材料能把一些照指数规则衰减的信号照指数规则增强，显然能提升天线增益等指标。

专利CN101145634A南京大学“利用简化左手微带结构的全向辐射天线”

专利CN200610104713.8，CN1874059西北工业大学赵晓鹏等“带有非对称结构的左手材料的手机天线介质基板”

专利CN1874067A西北工业大学赵晓鹏等“X波段左手材料微带天线”

专利CN1941503A西北工业大学赵晓鹏等“S波段左手材料微带天线”

专利CN1874067A西北工业大学赵晓鹏等“X波段左手材料微带天线”

专利CN1941505A西北工业大学赵晓鹏等“C波段左手材料微带天线”

以上左手材料用于天线中提升天线性能的性能。但是都没有考虑如何把左右手材料结合起来，制成磁性和介电性双参数都具备的聚合物材料及其相应的器件；左手和右手材料结合才能满足电子器件诸多指标的要求。

事实上左手效应的材料可以采用微纳结构，例如核壳结构来实现，制成粉体状物质，添 加到右手材料(本发明指磁性材料和电介质)之聚合物基材中。但是左右手结合制作聚合物基的磁性电介质材料并制成器件应用未见报道；

发明内容

本发明目的是综合采用天线领域材料成果和先进设计理念、制造领域成熟工艺技术，克服前述问题：

(1)同时具备磁性(导磁率大于1)和介电性(介电系数大于1)的聚合物基材料制成的器件也未见规模应用；

(2)左手效应材料和光子晶体材料添加到聚合物基材中，实现左右手材料同时运用到器件设计中去并解决相关的制作工艺问题。

具体是：

发明一种聚合物基的具有磁性和介电系数双参数(复合材料之等效ε和μ都大于1)且可以添加左手效应材料和光子晶体材料的材料及其制作工艺。

本发明的另外一个目的是把天线这一器件象阻容元件一样标准化，用传统的注塑而非象LTCC(低温共烧结工艺)制造，降低环境污染和能耗，实现器件低成本化批量、环保制造。

本发明概述

本为了实现上述目的，从结构设计上入手，做成天线外壳、选择性金属层、聚合物基磁性电介质内胎等结构。

为了实现添加左手效应和光子晶体材料，天线基材采用聚合物(又称为塑胶、塑料、高分子，本文都是指同一类物质，称谓不同而已，以下同)材料注塑工艺，克服了陶瓷基需要烧结，且不便于定向排列左手效应和光子晶体材料的缺陷。

为了实现双参数，聚合物基材中加入一定粒径和磁损耗的磁性软磁材料粉末和一定粒径和电磁损耗的电介质材料粉末，利用导磁率和介电系数双参数来调整天线的工作频率和带宽；

为了实现左手效应和特殊的频率选择性，可以在聚合物基材密炼过程中加入一定量的左手效应材料粉体和光子晶体粉体，并在注射成天线内胎过程中外加定向磁场。利用磁场来定向排列天线基材内胎中左手单元之方向。利用添加的物质含量来调整左手效应或者光子晶体材料的空间间距。

为了实现产品美观和标准化，采用紫外光固化涂料或者低压注射热熔胶封装，采用内埋五金端子方式注塑。

附图说明

图1四分之一波长单极化天线(monopole antenna)示意图

图2a、2b、2c、2d传统的折叠、弯曲等方式缩小线型的天线示意图

图3a、3b陶瓷电介质窄带片状天线示意图

图3c有机电介质包覆的片状天线示意图

图4加载了光子晶体PBG的天线示意图

图5左手谐振环节图案

图6本发明实例片式天线一实例结构分解图

其中6-1所示天线内胎；6-2所示金属绕组；6-3所示包封树脂；6-4所示五金端子

图7本发明实例一种棒状天线外观示意图

其中7-1所示天线从一端引出金属端子；7-2所示天线从侧面引出金属端子

图8是本发明实例双金属绕组之平衡天线示意图

图9本发明实例宽带片式FM频段(76Mhz-108Mhz)天线电特性测量图

具体实施方式

本发明从天线空间结构设计、材料选择、制造工艺、器件性能保障等诸多方面达到发明目的，具体实施方式是：

结构设计：

采用聚合物基材表面绕线或者选择性金属化技术，再包覆盖树脂工艺；具体结构顺序是：

步骤一：采用密炼好的聚合物磁性电介质材料注塑成形状规则的片式或者棒状天线内胎，在注塑过程中可以内埋金属端子；

步骤二：在天线内胎上面绕制金属线或者印制导电油墨、涂料，或者激光诱导进行金属化布线；金属化导线与内埋的金属端子接触良好。

步骤三：在上述步骤二基础上用树脂封装器件。

材料设计：

采用低电磁损耗的聚合物原料，例如高密度聚乙烯等作为母胶，再添加软磁材料电介质、左手材料等等构成有介电系数、导磁率的复合材料，满足器件的要求。

采用聚合物路线相比传统的LTCC片式陶瓷制造路线成本便宜、能耗低、更环保。

在本发明中，从不加到加入的添加比例可以根据天线具体频段要求来调整，首先要判断天线不加软磁磁性粉体和电介质粉体能否达到指标要求？若到不到则考虑添加。调整原则是：天线工作频段低，体积要求小，则可以考虑添加磁性和微波粉的比例到30％(重量比)，使 得天线等效的εrX μr(有效的介电系数乘以有效导磁率)为如下优选范围：

10M-150Mhz    εrXμr在30-10之间

13.5Mhz       εrXμr在70-120之间

300Mhz以上    εrXμr在8-10左右

制造工艺：

解决聚合物与添加的材料相容问题、聚合物磁性电介质的金属化问题、器件包覆树脂问题。其中，聚合物与无机磁性粉体、电介质粉体和左手效应粉体、光子晶体粉体的共混，若选用高密度聚乙烯作母胶，则采用添加马来酸酐接枝聚乙烯之类增容剂。其它聚合物母胶，采用公知的其它增容剂；聚合物磁性电介质表面金属化采用传统的绕线或者印刷导电金属涂料、导电金属油墨、或者激光诱导能分解金属的技术；器件包覆树脂采用低压注射热熔胶或者紫外光固化树脂的工艺实现。

器件指标保障：

采用电磁透波率及低电磁损耗的聚合物材料作母胶，例如高密度基乙烯、聚丙烯、间规聚苯乙烯、聚四氟乙烯等等；

采用金属绕线工艺为主结构，克服了平面微带结构辐射效率低、边缘辐射大的弊端、天线的方向图好；设计的金属线条等效电长度L值是 $L=\mathrm{\λ}/4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\γ}}},$ 保障谐振点落在工作频段范围，公式中的介电系数和导磁率是聚合物基磁性电介质的复合有效介电系数和有效磁导率。

添加光子晶体材料，实现对频率的筛选；

添加左手效应材料，并在注射聚合物基材时，加磁场定向，使得左手效应材料空间定向且规则间距排列，使得天线增益得以提升。

尤其是，本发明是一个良好的可加载各种先进天线材料实验的结构，使得性能不断优化。下面结合附图来描述本发明优选实施例：

实施例1

图6所示是本发明实施实例片式天线结构图，采用本发明所述之聚合物磁性电介质材料和注塑工艺制成天线内胎(6-1)；注塑时内埋金属端子(6-4)；再在天线内胎表面绕制金属线(6-2)，金属线(6-2)一端与金属端子(6-4)焊接在一起；再封装树脂(6-3)

实施例2

图7是本发明实例之棒状天线外观示意图，

其中7-1是底部出金属端子，7-2是侧部出金属端子图；

实施例3

采用本发明实施之措施，在聚合物磁性电介质内胎上绕制双金属平衡绕组，制作宽带的天线。

图8是双金属绕组之平衡天线示意图，双绕组绕制后再树脂封装。

实施例4

一种内置的调频FM频段(76Mhz-108Mhz)片式天线，其制作流程是：

按照比例称量高密度聚乙烯50％、磁性材料粉体10％、钛酸钡陶瓷粉体35％、马来酸酐接枝聚乙烯5％；以上复合组份放入密炼机密炼成聚合物磁性电介质；再注塑成片状形状天线内胎；绕线后，调整线条长度使得天线工作频段在FM频段，测试的指标见附图9所示。

以上所述，仅为本发明优选实施例而已，不能以此限定本发明实施范围，即凡依本发明权利要求及发明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆仍属于本发明专利覆盖范围。

Claims (10)

1.聚合物基磁性电介质材料及其制造器件的工艺，其特征是包含如下配方、制造流程和工艺参数：

步骤一：合成一种含软磁物质和电介质的改性塑胶原料；

其复合组份是：在选定的载体母胶里，添加：表面活性剂、无机软磁材料、无机电介质材料，其含量为：每1000克制成的塑胶原料中添加：

表面活性剂1-10克；无机软磁材料粉末1-500克；无机电介质材料粉末1-500克；

增容剂1-100克；特殊功能添加剂0-500克；其余为载体母胶；合成份总和均需满足100％；

可选的载体母胶是常用的低电磁损耗的热塑性塑料(或称塑胶、聚合物等，以下同)，包括含不同种类塑胶的共聚物。称量选定的载体母胶，照上述比例的表面活性剂、增容剂、无机软磁材料粉体、无机电介质粉体、特殊功能添加剂、放入密炼机内，加温到载体母胶熔融，并搅拌至混合均匀为止，再冷却取出后粉碎、造粒成为可热塑性塑胶原料。

步骤二：采用上述所述步骤一合成的塑胶原料注塑或者压铸成一定形状的塑胶件，例如片状、棒状等；

步骤三：在上述片状和棒状的塑胶上绕制金属线或者喷涂激光诱导下能分解出金属的涂料、或者印刷导电金属油墨，而形成金属化层，构成电子器件。

步骤四：上述制成的电子器件，采用紫外光固化粉体材料包装；或者采用热熔胶，用低压注射机进行封装。

2.如权利要求1述，其中所述激光塑胶原料选用的载体母胶可以是：高密度聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、间规聚苯乙烯(SPS)、聚四氟乙烯(PTEF)等所述高分子化合物(或者称为聚合物、塑料)一种或者多种的共聚物。

所述的表面活性剂为具有分散作用的表面活性剂。

所述的增容剂作用是增强无机材料与有机材料结合力，对于载体母胶选聚乙烯材料，可添加接枝或者嵌段共聚物：PE-g-MAH，对于其它载体母胶，可选公知增容剂或称相溶剂。

3.如权利要求1所述，塑胶原料中无机磁性物质可以是粉状的纳米铁、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体等具有磁导率的软磁材料。不同粒径和含量影响器件的使用频段和带宽。

4.如权利要求1所述，塑胶原料中无机电介质物质可以是乌青铜陶瓷粉、铁电陶瓷粉等具有介电系数的电子级微粉。 

5.如权利要求1所述之特殊功能添加计可以是左手效应的材料粉体、光子晶体等具有频率选择作用、信号增强作用的粉体。

6.如权利要求1所述之制程的聚合物基磁性电介质材料可以采用注塑工艺、内埋五金端子注塑工艺制造片式和棒状的材料。

7.如权利要求4所述之片式和棒状的材料上绕制金属线或者喷涂激光诱导下可以分解出金属涂料或者印刷导电金属油墨，均采用公知的普及的工艺。

8.如权利要求5所述，若添加左手效应粉体或者光子晶体粉体时候，在注射成片状和棒状材料工艺中，需要在模具中添加外磁场：利用外加磁场来定向排列左手效应粉体，利用混合的质量(0-500克)来调整左手效应材料或者光子晶体材料的间距。

9.如权利要求1所述，封装电子器件的紫外光固化粉体涂料包覆的厚度在0.05mm-0.25mm之间；低压注射包覆的最薄厚度为0.5mm。

10.如权利要求1所述，添加了左手效应材料制成的电子器件是左右手复合材料器件，在一些频段具有特殊的频率选择性和极低的电磁损耗。 

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