CN103474200B - 小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法 - Google Patents
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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
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μi大于900,居里温度Tc高于170℃,饱和磁感应强度Bs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Rm=Le/(μ0×μe×Ae),其中,Le、μ0、μe和Ae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×Le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×μe×Ae×N2/Le,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μi、高居里温度Tc、高饱和磁感应强度Bs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μi大于900、居里温度Tc高于170℃、饱和磁感应强度Bs高于340mT的外壳磁芯。在高温、大电流的情况下,高居里温度Tc、高饱和磁感应强度Bs的材料依然具有相对较大的磁导率μi,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Tc、高的饱和磁感应强度Bs和较高的起始磁导率μi。
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、IDC和T分别代表频率、直流叠加电流和温度,Lf、LI、LT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 (3)
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,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),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),所述外壳磁芯材料为NiZn铁氧体材料,外壳磁芯材料的起始磁导率μi大于900,居里温度Tc高于170℃,饱和磁感应强度Bs高于340mT,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。
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,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。
3.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。
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