CN103474200A - 小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法 - Google Patents

Abstract

小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法，属于电感器技术领域，本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感包括外壳磁芯、内核磁芯和线圈，线圈围绕内核磁芯设置，外壳磁芯的内部设置有限位机构，内核磁芯和线圈通过限位机构设置于外壳磁芯中。本发明的有益效果是：第一，电感体积小，安装高度低；第二，采用金属磁粉芯作为内核磁芯，因其强的抗饱和磁化能力，电感能承载大的电流；第三，采用大小不同的内核磁芯和匝数不一的线圈实现了电感值的系列化；第四，采用表面贴装设计，易于安装。

Description

小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法

技术领域

本发明属于电感器技术领域，特别涉及小型表面贴装、大电流磁屏蔽功率电感器设计及制作。

背景技术

世界电子元器件向小型、高效、表面贴片安装、低表面安装高度、低重量、低电磁干扰方向发展，功率电感也必然要跟随其发展步伐。功率电感广泛应用于开关电源中，在电路中起滤波作用，其性能直接影响到开关电源的性能。例如，低的安装高度、小的体积会很大程度上缩小开关电源的体积，提高其功率密度；高的电感值会减小开关电源的纹波大小；低的漏磁场不会干扰到其他电子元器件的正常工作；耐大电流的能力使其能传输更大的功率。因此，功率电感必将朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的方向迈进。

现有的功率电感，要满足小型、高电感值、耐大电流其中的两者是容易实现的。如需满足小型、高电感值的要求，则采用线径较细的漆包线绕制较多的匝数即可实现，但其额定电流值很小；如需满足小型、耐大电流的要求，则采用较粗线径的漆包线绕制较少的匝数即可实现，但其电感值小；如需满足高电感值、耐大电流的要求，则可采用线径较粗的漆包线绕制较多的匝数即可实现，但其体积将严重变大。除以上三大特性外，低电磁干扰及表面贴装的设计也是发展潮流。因此，兼具以上五种性能的小型、大电流表面贴装电感必将成为元器件市场争夺的热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对电感器件朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的发展，本发明提供一种兼具以上五种特性的电感，并提供一种制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，包括外壳磁芯、内核磁芯和线圈，线圈围绕内核磁芯设置，外壳磁芯的内部设置有限位机构，内核磁芯和线圈通过限位机构设置于外壳磁芯中。

内核磁芯和线圈为圆柱形；或者内核磁芯和线圈为长方体形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2。

内核磁芯限位机构为设置于外壳磁芯内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构为外壳磁芯内腔的凹槽，内核磁芯限位机构和线圈限位机构的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。

所述线圈为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片。

所述外壳磁芯材料为NiZn、MnZn或MgZn铁氧体材料，外壳磁芯材料的起始磁导率μ_i大于900，居里温度T_c高于170℃，饱和磁感应强度B_s高于340mT。

所述外壳磁芯材料选用NiZn铁氧体材料，其成分包括主成分和掺杂剂，主成分按摩尔百分比计算为：49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO和6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃。

内核磁芯材料为铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯或高磁通磁粉芯。

本发明还提供小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1、外壳磁芯的配方：采用49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO，6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；

2、一次球磨：将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2～4小时；

3、预烧：将步骤2所得球磨料烘干，并在850～950℃炉内预烧2～4小时；

4、掺杂：将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃；

5、二次球磨：将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3～6小时；

6、成型：将步骤5所得料粉按重量比加入12～16wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；

7、烧结：将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050～1120℃保温3～5小时，得到外壳磁芯；

8、绕制线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片；

9、内核磁芯穿过线圈，固定在外壳磁芯内。

本发明的有益效果：第一，电感体积小，安装高度低；第二，采用金属磁粉芯作为内核磁芯，因其强的抗饱和磁化能力，电感能承载大的电流；第三，采用大小不同的内核磁芯和匝数不一的线圈实现了电感值的系列化；第四，采用表面贴装设计，易于安装。

以下结合附图和具体实施方式对本发明和制备方法作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的实施例1的外壳磁芯结构示意图。

图3为本发明的实施例1的内核磁芯结构示意图。

图4为本发明的实施例1的线圈结构示意图。

图5为本发明的实施例2的外壳磁芯结构示意图。

图6为本发明的实施例2的内核磁芯结构示意图。

图7为本发明的实施例2的线圈结构示意图。

图中：1、圆弧凹槽外壳磁芯，2、外壳磁芯大圆弧凹槽，3、外壳磁芯小圆弧凹槽，4、矩形凹槽外壳磁芯，5、圆形柱状内核磁芯，6、矩形柱状内核磁芯，7、圆形线圈，8、金属贴片，9、矩形线圈。

具体实施方式

本发明的核心思想是：第一，材料研发方面。增加磁性离子浓度以增强A、B次晶格间的超交换作用，实现铁氧体材料高的居里温度；控制Fe³⁺、Zn²⁺等离子的浓度，调控离子在A、B位的占位情况使其具有大的分子磁矩，以实现铁氧体材料高的饱和磁感应强度；调控材料的磁晶各向异性和磁致伸缩特性，实现铁氧体材料较高的磁导率。第二，电感器件制作方面。将磁芯设计为由小体积的外壳磁芯和内核磁芯构成，且两者之间开有一定大小的气隙，因此内核磁芯、气隙和外壳磁芯串联形成了闭合的磁路。外壳磁芯为高居里温度、高饱和磁感应强度和较高磁导率的铁氧体材料，内核磁芯为抗饱和磁化能力强的金属磁粉芯。磁阻公式为R_m=L_e/(μ₀×μ_e×A_e)，其中，L_e、μ₀、μ_e和A_e分别代表有效长度、真空磁导率、有效磁导率和有效面积。由于空气、金属磁粉芯的磁导率远小于铁氧体，从可知两者各自的磁阻要远大于外壳磁芯。因此，绝大部分的磁势F降落在两者之上，而外壳磁芯上承载的磁势F很小，由公式F=H×L_e可知施加于外壳磁芯上的磁场强度H较小，从而铁氧体磁芯保持了较高的磁导率。因此，实现了电感具有小的体积、较高的电感值和强的耐大电流的能力这三种特点。根据电感值计算公式L=μ₀×μ_e×A_e×N²/L_e，可知采用不同大小的内核磁芯和不同匝数的线圈，可以实现电感值的可调特性。此外，外壳磁芯包覆内核磁芯而形成闭合的磁路，实现了磁屏蔽的功效；采用在线圈两端焊接金属贴片的方法，实现了表面贴装的功能。

一、材料方面

外壳磁芯材料选用具有较高起始磁导率μ_i、高居里温度T_c、高饱和磁感应强度B_s的NiZn、MnZn或者MgZn铁氧体材料。优选的主配方经一次球磨、预烧、掺杂、二次球磨工艺获得二磨料，然后使用外壳磁芯模具，在合适的成型压力下获得外壳磁芯生坯，最后在适宜的烧结温度下进行烧结，从而制备得到起始磁导率μ_i大于900、居里温度T_c高于170℃、饱和磁感应强度B_s高于340mT的外壳磁芯。在高温、大电流的情况下，高居里温度T_c、高饱和磁感应强度B_s的材料依然具有相对较大的磁导率μ_i，因此电感器的电感量不会出现大的衰减。

优选具有较高的电阻率NiZn铁氧体，材料制备采用的技术方案如下：NiZn铁氧体材料组分包括49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO，6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃。

本发明的NiZn铁氧体材料制备方法，包括以下步骤：

1、配方：采用49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO，6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；2、一次球磨：将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2～4小时；3、预烧：将步骤2所得球磨料烘干，并在850～950℃炉内预烧2～4小时；4、掺杂：将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃；5、二次球磨：将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3～6小时；6、成型：将步骤5所得料粉按重量比加入12～16wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；7、烧结：将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050～1120℃保温3～5小时。

二、功率电感器方面

外壳磁芯呈长方体凹槽状，其外部呈长方体状，而内部具有一大圆弧凹槽及两小圆弧凹槽。外壳磁芯结构的设计具有以下作用：其一，外壳磁芯内部的两个小圆弧凹槽设计用于固定内核磁芯，而且减小了外壳磁芯与内核磁芯之间的气隙，因此具有增加电感量的作用；其二，外壳磁芯内部的大圆弧凹槽设计，一方面满足了线圈放置的空间需要，另一方面，内核磁芯与外壳磁芯基本形成了闭合的磁路，减小了漏磁场。

内核磁芯为圆形柱状或矩形柱状的金属磁粉芯。金属磁粉芯可以是铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯及高磁通粉芯。由于它们具有强的抗饱和磁化能力，因此电感在承载大电流的情况下而不至于失效。线圈采用漆包线绕制一层或多层而形成，漆包线为扁平线或者圆形线。多层线圈虽有适度增加占用体积的不足，但可极大地提高电感量。在线圈两端的接线端上，用高温焊锡丝焊接有金属贴片。高温焊锡丝有较高的熔点，因此，在将电感焊锡安装到电路板上时，贴片不会出现移位或者脱落现象。

针对电感器件朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的发展，本发明提供一种兼具以上五种特性的电感，并提供一种制备方法。其指导思想是：材料研发方面，增加磁性离子Fe³⁺、Ni²⁺的浓度以增强A、B次晶格间的超交换作用，控制离子的浓度调控离子在A、B位的占位情况使其具有大的分子磁矩，调控材料的磁晶各向异性和磁致伸缩特性，实现铁氧体材料较高的磁导率。电感器件制作方面，将磁芯设计为由小体积的外壳磁芯和内核磁芯构成，且两者之间开有一定大小的气隙，因此内核磁芯、气隙和外壳磁芯串联形成了闭合的磁路。外壳磁芯为高居里温度、高饱和磁感应强度和较高磁导率的铁氧体材料，内核磁芯为抗饱和磁化能力强的金属磁粉芯。采用不同大小的内核磁芯和不同匝数的线圈，实现电感值的可调特性。

参见图1～7。

本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感包括外壳磁芯1、内核磁芯5和线圈7，线圈7围绕内核磁芯5设置，外壳磁芯1的内部设置有限位机构，内核磁芯5和线圈7通过限位机构设置于外壳磁芯1中。

作为实施例1，如图2～4，内核磁芯5和线圈7为圆柱形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2。所述内核磁芯限位机构3为设置于外壳磁芯1内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构2为外壳磁芯1内腔的凹槽，内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。所述线圈7为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片8。

作为实施例2，内核磁芯5和线圈7为长方体形；对应的，内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2的凹槽形状为矩形。如图5～7。

本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制作方法和步骤如下：

一、外壳磁芯

1、配方：采用49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO，6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；

2、一次球磨：将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2～4小时；

3、预烧：将步骤2所得球磨料烘干，并在850～950℃炉内预烧2～4小时；

4、掺杂：将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃；

5、二次球磨：将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3～6小时；

6、成型：将步骤5所得料粉按重量比加入12～16wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；

7、烧结：将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050～1120℃保温3～5小时。

二、内核磁芯

采用圆形柱状铁粉芯。

三、线圈

采用一定匝数N的线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片。

四、组装

将外壳磁芯、内核磁芯及线圈进行组装。组装完毕后，将电感放入烘箱中烘烤一定的时间，电感制备完毕。

实施例3～8：

一、外壳磁芯

1、配方

组分Fe₂O₃、ZnO和CuO的含量分别为49.4、29.0和6.5mol%，余量为NiO；

2、一次球磨

将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间3小时；

3、预烧

将步骤2所得球磨料烘干，并在930℃炉内预烧3小时；

4、掺杂

将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂：0.15wt%Bi₂O₃、0.080wt%MoO₃、0.040wt%CaCO₃；

5、二次球磨

将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨4小时；

6、成型

将步骤5所得料粉按重量比加入15wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，用40目的筛子过筛，取粒径大小为40目与200目之间的粉粒料。往选取的粉粒料中加入0.5%的硬脂酸锌，采用外壳磁芯模具，在压机上将粒状粉料压制成外壳磁芯生坯；

7、烧结

将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在生坯样品的各个侧面施加适当的压力，1100℃保温3小时。升温过程中，300℃～360℃区间升温速率设为0.5℃/min；而降温过程中，起初的降温速率设为1.3℃/min

样品取出后，去除其边角处的毛刺，得到最终的外壳磁芯。

二、内核磁芯

采用直径D₁为2.16mm、长度l₁为12.00mm的圆形柱状铁粉芯。

三、线圈

用直径为0.25mm规格的无氧铜圆形漆包线，分别绕制成匝数N为90、80、60、50、36和12的线圈，具体见下表：

用剪刀将0.2mm厚的铜片裁剪成金属贴片7，随后用熔化温度高达300℃的高温焊锡丝将贴片焊接于线圈两接线端上。最终制成的线圈6，内孔直径d为2.35mm，外围直径D₂为4.10mm，长度l₂为9.0mm。

四、组装

将外壳磁芯、内核磁芯及线圈进行组装。将内核磁芯插入线圈内孔中，内核磁芯在线圈两端露出相同的长度。在外壳磁芯大、小圆弧凹槽表面涂覆一定量的硅胶，将插入有内核磁芯的线圈放入其中。随后将电感放入50℃的烘箱中烘烤10小时，电感制备完毕。最终，电感样品的规格为：长14.8mm×宽7.00mm×高5.2mm×质量2.2g，如图1所示。

表1所示为外壳磁芯材料的磁性能。由表可知，材料具有的高的居里温度T_c、高的饱和磁感应强度B_s和较高的起始磁导率μ_i。

表1外壳磁芯材料的磁性能

表格2～6分别为实施例3～8的初始电感值、频率特性、直流叠加特性、温度特性和温升特性，详情见下表。其中，符号f、I_DC和T分别代表频率、直流叠加电流和温度，L_f、L_I、L_T和ΔT分别代表一定频率、叠加直流、温度下的电感值和温升。

表2实施例3～8的初始电感值

实施例	3	4	5	6	7	8
							L0（μH）	133.2	102.0	49.0	37.5	19.5	2.0

表3实施例3～8的频率特性

表4实施例3～8的直流叠加特性

表5实施例的温度特性

表6实施例的温升特性

Claims (8)

1.小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，包括外壳磁芯（1）、内核磁芯（5）和线圈（7），线圈（7）围绕内核磁芯（5）设置，外壳磁芯（1）的内部设置有限位机构，内核磁芯（5）和线圈（7）通过限位机构设置于外壳磁芯（1）中。

2.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，内核磁芯（5）和线圈（7）为圆柱形；或者内核磁芯和线圈为长方体形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构（3）和线圈限位机构（2）。

3.如权利要求2所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述内核磁芯限位机构（3）为设置于外壳磁芯（1）内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构（2）为外壳磁芯（1）内腔的凹槽，内核磁芯限位机构（3）和线圈限位机构（2）的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。

4.如权利要求2所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述线圈（7）为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片（8）。

5.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述外壳磁芯材料为NiZn、MnZn或MgZn铁氧体材料，外壳磁芯材料的起始磁导率μ_i大于900，居里温度T_c高于170℃，饱和磁感应强度B_s高于340mT。

6.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述外壳磁芯材料选用NiZn铁氧体材料，其成分包括主成分和掺杂剂，主成分按摩尔百分比计算为：49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO和6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃。

7.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述内核磁芯材料为铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯或高磁通磁粉芯。

8.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1）外壳磁芯的配方：采用49.0～50.8mol%Fe₂O₃，28.0～30.0mol%ZnO，6.0～8.0mol%CuO，余量为NiO；

2）一次球磨：将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2～4小时；

3）预烧：将步骤2所得球磨料烘干，并在850～950℃炉内预烧2～4小时；

4）掺杂：将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂：0.10～0.25wt%Bi₂O₃、0.065～0.125wt%MoO₃、0.02～0.075wt%CaCO₃；

5）二次球磨：将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3～6小时；

6）成型：将步骤5所得料粉按重量比加入12～16wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；

7）烧结：将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050～1120℃保温3～5小时，得到外壳磁芯；

8）绕制线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片；

9）内核磁芯穿过线圈，固定在外壳磁芯内。

Images