CN105321670A

CN105321670A - 复合磁性粉末和使用其的片式线圈组件

Info

Publication number: CN105321670A
Application number: CN201510456698.2A
Authority: CN
Inventors: 金学宽; 李汉; 朴睿浚; 徐正旭
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2016-02-10
Also published as: KR20160014936A

Abstract

本发明涉及一种复合磁性粉末和使用其的片式线圈组件，根据本发明，所述片式线圈组件包括堆叠在陶瓷层上或卷绕在陶瓷芯上的线圈图案，其中，所述陶瓷层或所述陶瓷芯包含具有核壳结构的粉末，所述核壳结构的粉末中的所述核由二氧化硅(SiO₂)粉末制成，所述壳由铁氧体粉末制成。

Description

复合磁性粉末和使用其的片式线圈组件

通过引用要求并包含的国内优先权申请和国外优先权申请如下：本申请要求于2014年7月30日提交的第10-2014-0097141号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用包含于本申请中。

技术领域

本发明涉及一种复合磁性粉末和使用其的片式线圈组件。

背景技术

片式线圈电感器中的电感器已经用于去除噪声或者组成LC谐振电路的组件(作为主要无源装置之一)，以与电阻器和电容器一起构成电子电路。

可通过在铁氧体芯上卷绕或印刷线圈并在铁氧体芯的两端形成电极来制造电感器，也可通过在在磁性材料或介电材料上印刷内电极之后进行堆叠来制造电感器。

电感器可根据其结构分成多层、卷绕式、薄膜式等，这些之中的多层和薄膜式已经随着电子装置的小型化和纤薄化得到广泛应用。

多层电感器通过在多个陶瓷片中形成通孔，在对齐通孔的位置的情况下形成导电图案，堆叠其上形成有导电图案的多个陶瓷片并对它们进行烧结来制造。

近来，根据无源产品的高频，在使用高于几十GHz的频带宽度时，存在产品的性能由于构成所述片的陶瓷粉末的介电常数而导致的寄生电容引起劣化的问题。

因此，需要对磁性材料进行研究以使适合于高于几十GHz的高频带宽的多层电感器的寄生电容最小化。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：第2013-0014848号韩国专利公开

发明内容

已经创造了本发明以解决上述问题，因此，本发明的一个目的在于提供一种片式线圈组件的陶瓷片或用于陶瓷芯的复合磁性粉末，所述陶瓷片能够使高于几十GHz的高频带宽下的寄生电容和磁导率损失最小化，并且使电感最大化。

此外，本发明的另一目的在于提供一种片式线圈组件，所述片式线圈组件通过提供包含复合磁性粉末的陶瓷片或陶瓷芯而由于在几十GHz的高频带宽下在相同的填充密度的情况下增大了磁导率，因此能够改善电感。

为了实现所述目的，根据本发明的第一实施例，提供了一种用于陶瓷片或陶瓷芯的磁-介电复合粉末，其能够使在高于几十GHz的高频带宽下由于形成陶瓷片或陶瓷芯的陶瓷粉末的介电常数引起的寄生电容最小化，并使电感最大化。

在仅由低介电常数的芯构造的情况下，寄生电容减小，但磁导率也减小；而在仅由铁氧体芯构造的情况下，磁导率增大，但却使高频带宽下的性能劣化。

根据本发明的复合磁性粉末能够通过形成核壳结构而减小磁导率损失来增大磁导率，其中，核由作为非磁性材料的低介电常数粉末制成，覆盖核的壳由作为具有高磁导率的磁性材料的铁氧体粉末制成。

此外，本发明的另一目的在于，通过包括陶瓷层或陶瓷芯来提高片式线圈组件在高于几十GHz的高频带宽下的电感值，所述陶瓷层或陶瓷芯包括在高于几十GHz的高频带宽下满足高磁导率和低磁导率损失特性的核壳结构的复合磁性粉末。

根据本发明的一方面，提供一种复合磁性粉末，所述复合磁性粉末包括：核壳结构，其中，所述核可由二氧化硅(SiO₂)粉末制成，所述壳可由铁氧体粉末制成。

根据本发明的另一方面，提供一种片式线圈组件，所述片式线圈组件包括堆叠在陶瓷层上或者卷绕在陶瓷芯上的线圈图案，其中，所述陶瓷层或所述陶瓷芯可包含具有核壳结构的粉末，所述核壳结构的粉末中的所述核可由二氧化硅粉末制成，所述壳可由铁氧体粉末制成。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本总发明构思的这些和/或其它方面和优点将会变得清楚且更容易理解，在附图中：

图1是示出根据本发明的具有核壳结构的复合磁性粉末的截面图；

图2是示出根据本发明的在复合磁性粉末中使用的SiO₂粉末的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3是示出根据本发明的设置有包含核壳结构的复合磁性粉末的陶瓷片的多层电感器的截面图。

具体实施方式

通过下面参照附图对实施例进行的详细描述，本发明的优点和特征以及实现本发明的优点和特征的方法将会被清楚地理解。在本发明的下面的详细描述中，对附图进行描述，其中，附图以图解的方式示出了可实践本发明的具体实施例。充分详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践该实施例。将理解的是，各种实施例虽然不同，但不必互相排斥。因此，下面的详细描述不应该被解释为限制性含义，实施例的范围仅由权利要求(被合适地解释)及其等同物的全部范围来限定。在附图中，相同的标号在整个几个示图中表示相同或相似的功能。

在下文中，将参照图1至图3详细描述根据本发明的片式线圈组件的陶瓷片或者用于陶瓷芯的复合磁性粉末以及使用复合磁性粉末的片式线圈组件。

图1是示出根据本发明的具有核壳结构的复合磁性粉末的截面图，图2是示出根据本发明的在复合磁性粉末中使用的SiO₂粉末的扫描电子显微镜(SEM)照片。

用于陶瓷片或陶瓷芯的复合磁性粉末

根据本发明的复合磁性粉末被用作适合于高于几十GHz的高频带宽的电感器中的陶瓷片或陶瓷芯的材料，复合磁性粉末的特征在于具有核壳结构。

如图1所示，根据本发明的复合磁性粉末100包括由核110以及涂覆在核110的表面上的壳120构成的核壳结构。

优选地，复合磁性粉末100的特征在于：通过使核壳结构由非磁性材料-磁性材料制成而使高于几十GHz的高频带宽下的电感最大化而使磁损耗最小化。

在片式电感器中，寄生电容与含粉末的陶瓷层的介电常数(ε)成比例，电感与寄生电容成反比。

在传统的几十GHz区域的高频下使用的片式电感器主要使用Al₂O₃粉末，这是因为Al₂O₃粉末强度优异，并且Al₂O₃粉末由于在高频区域介电损耗值相对较低而稳定。然而，由于Al₂O₃粉末具有9～10的高的介电常数，因此随着使用的频率持续增大到GHz区域，其性能由于寄生电容而劣化。

此外，如果使用磁性粉末(诸如铁氧体)来改善电感，则公知的是，效率由于在几十GHz区域的高频下的磁损耗而降低。

为了改善该问题，优选的是，复合磁性粉末100的核110使用满足非磁性以及在GHz区域的高频下的介电常数低的特性的粉末形成。

具体地讲，为了使高于几十GHz的高频带宽下的寄生电容最小化，优选的是，核110由具有5或更小的低介电常数(ε)的粉末制成。

例如，核110可由公知的介电常数低的非磁性材料的材料二氧化硅(SiO₂，ε＝3.8～5)制成。

但是，二氧化硅的介电常数可根据粒径的分布、粉末的缺陷以及杂质的含量而改变。

此外，如图2所示，优选的是，核110由均匀致密的球形的二氧化硅粉末112形成，从而具有片强度(chipstrength)以及低介电特性。

这样的二氧化硅粉末112没有孔形成，是具有范围为1.8g/cm³至2.1g/cm³的密度的致密粉末。

在上面的描述中，如果二氧化硅粉末112的密度低于1.8g/cm³，则难以提供期望的片强度，然而如果密度超过2.1g/cm³，则电感会由于因介电常数增加导致寄生电容增大而减小至临界值或更小。

此外，二氧化硅粉末112可以是纳米级高纯粉末，其平均粒径的范围为400nm至500nm。如果二氧化硅粉末112的平均粒径小于400nm，则在用于制造陶瓷片的布置工艺过程中难以分散，并且制造粉末的产量相对降低，从而增加了制造成本。然而如果平均粒径超过500nm，则介电常数会增大，从而在陶瓷片的纤薄化以及制造的片的小型化方面出现问题。

此外，在片式电感器中，电感与材料的磁导率成比例。因此，优选的是，壳120由具有高电阻的磁性材料制成，磁性材料的磁导率为1或更大。

例如，壳120由具有磁性质的铁氧体粉末制成，铁氧体粉末用于范围为几GHz至几十GHz的高频，可优选使用六角晶系铁氧体材料。

通常，由于六角晶系铁氧体粉末在与晶体的c轴垂直的平面上具有易磁化方向，因此磁各向异性特性变得更大，公知的是，六角晶系铁氧体粉末对超过尖晶石铁氧体的频率限制的频率范围保持预定的磁导率。因此，在范围为几GHz至几十GHz的高频频带下可使用六角晶系铁氧体粉末。

六角晶系铁氧体粉末可由下面的化学式1来表示。

[化学式1]

Ba_1-xSr_xCo_1-y[Me]_yFe_mO_n

这里，[Me]是从Zn、Mn和Cu之中选择的一种，0<x<1，0<y<1，12<m<36，19<n<60。

六角晶系铁氧体粉末的晶体结构分为M型、U型、W型、X型、Y型、Z型等，优选的是，壳120是这些结构中的M型。

由于M型六角晶系铁氧体粉末在高频带宽下表现出磁各向异性高且谐振频率高的特性，因此，在几十GHz的频率带宽下有效降低磁损耗。

M型六角晶系铁氧体粉末可由下面的化学式2来表示。

[化学式2]

Ba_1-xSr_xZn_yMn_zFe₁₂O₁₉

这里，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。

优选的是，壳120以范围为10nm至50nm的厚度形成。如果壳120的厚度低于10nm，则难以获得期望的磁导率；然而如果壳120的厚度超过50nm，则在制造陶瓷片、陶瓷芯等的过程中填充率会减小，并且由于铁氧体比率的增加，磁导率损失(magneticpermeabilityloss，即，损耗因子)的危险将增大。

虽然在通过作为液相法的还原、过滤、清洗和干燥工艺制造构成核的材料之后，可在核的表面上利用添加壳形成材料涂覆壳来制造复合磁性粉末100，但不限于此。

根据本发明的实施例的复合磁性粉末100通过在具有低介电常数的核的表面上涂覆具有高磁导率的铁氧体作为壳120而形成，根据核110和壳120的组成比通过控制介电常数和磁导率能够增大磁导率，并降低磁导率损失。

结果，复合磁性粉末100能够使几十GHz以上的高频带宽下的寄生电容和磁损耗最小化，使电感最大化，并且能够满足以下特性：在1～10GHz的频带宽度下，磁导率(μ)高于1.5，介电常数(ε)低于5，磁导率损失(tanδ)低于0.03。

优选的是，在1-10GHz的频率带宽下，复合磁性粉末具有范围为1.5至2的磁导率、范围为3.5至5.0的介电常数以及范围为0.01至0.03的磁导率损失。

由于这样的特性，当复合磁性粉末100应用到片式电感器的陶瓷层时，在施加外电流之后具有能够改善电感值的效果。

另一方面，在片式电感中，电感与线圈材料的磁导率以及线圈匝数的数量成比例，此时，增加线圈匝数的数量导致电阻增加。

然而，与通过增大磁导率来增大电感的仅由介电材料形成的电感器相比，根据本发明的实施例的复合磁性粉末100不需要增大线圈匝数的数量以增大电感。结果，复合磁性粉末100在实际的大规模生产过程中具有以下优势：不出现由于线圈匝数的数量的增加而导致的缺陷(诸如电阻增大、生产成本增加、产量降低等)。

用于片式电感器的陶瓷片

作为根据本发明的实施例的陶瓷片是包含作为填充剂的上述的核110壳120结构的复合磁性粉末100(参照图1)的片，由于复合磁性粉末100与上面的描述相同，因此将省略对其的描述。

本发明的陶瓷片的特征在于，其密度的范围为1.5g/m³至2.0g/m³。

在用于多层电感器的陶瓷片的情况下，由于Ag金属电极的熔点(960℃)低，因此针对用于烧结所述片的工艺，烧结温度不应超过920℃，所以除了以上总体上描述的复合磁性粉末外通过添加玻璃来控制烧结温度。因此，根据玻璃的添加量，密度具有恒量范围。

此外，本发明的陶瓷片满足以下特征：在1～10GHz的频带宽度下，磁导率(μ)高于1.5，介电常数(ε)低于5，磁导率损失(tanδ)低于0.03。

优选地，本发明的陶瓷片满足以下特征：在1-10GHz的频率带宽下，磁导率(μ)的范围为1.5至2，介电常数(ε)的范围为3.5至5.0，磁导率损失(tanδ)的范围为0.01至0.03。

陶瓷片可由烧结的陶瓷片形成，烧结的陶瓷片通过以下方法获得：将上述的核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)在混合有用于烧结的玻璃和粘结剂等的膏状状态下使用丝网印刷方法、刮刀法等按照板状进行涂覆，并通过烧结工艺在预定温度和预定时间期间对其进行烧结。

使用根据本发明的核壳结构的复合磁性粉末100的用于多层电感器的陶瓷片的制造工艺的一个示例如下。

首先，图1的核壳结构的复合磁性粉末100与玻璃之间的含量比从7:3至5:5改变，在将焙烧粉末以93～95wt％之间的组成比与余量粘结剂结合之后，然后通过混合这些材料来制造膏。

粘结剂可以是有机粘结剂，从而为膏提供液体特性，并且还可包括有机溶剂。有机粘结剂和有机溶剂可以是有机载体。粘结剂和有机溶剂不受具体限制，可使用传统已知的材料。

在下文中，在通过丝网印刷方法等将膏涂覆在将被处理的对象上之后，通过在范围为900℃至920℃的温度下烧结来完成烧结的陶瓷片。

此时，包含在陶瓷片中的核壳复合磁性粉末的含量可根据片的电感/频率和Q因子进行改变，优选地，其范围为50wt％至70wt％。如果核壳复合磁性粉末的含量低于50wt％，则难以确保电感；然而如果含量超过70wt％，则难以使烧结温度匹配920℃或更低。

通过包含核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)制造的陶瓷片由于诸如磁导率、介电常数、磁导率损失等的特性而适合于用作适合于高于几十GHz的高频带宽的电感器的陶瓷层。

片式电感器

片式线圈组件之中的片式电感器可包括含有上述壳核结构的复合磁性粉末100(参照图1)的陶瓷片。

在下文中，将解释片式电感器之中的多层电感器，由于核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)和陶瓷片彼此等同，因此将省略重复的部件的描述。

如图3所示，根据本发明的实施例的多层电感器300使用通过堆叠多个陶瓷层310获得的层压件来形成，多个线圈图案320可夹在多个陶瓷层310之间。

多个陶瓷层310可通过使用上述的核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)以板状来制造。

由陶瓷片构成的每个陶瓷层310可由烧结的陶瓷片形成，烧结的陶瓷片通过以下方法获得：将上述的核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)在混合有用于烧结的玻璃和粘结剂等的膏状状态下使用丝网印刷方法、刮刀法等按照板状进行涂覆，并通过烧结工艺在预定温度和预定时间期间对其进行烧结。陶瓷层310通过堆叠多个烧结的陶瓷片形成。

线圈图案320可通过丝网印刷技术形成在构成陶瓷层310的陶瓷片上。这样的线圈图案320可按照在一个陶瓷片上卷绕至少一匝的形状形成。

每个层的线圈图案320通过形成在陶瓷层310上的过孔330电连接，形成在最上层和最下层上的线圈图案320可形成为电连接到外电极340。

过孔330通过在形成在多个陶瓷片上的通孔(未示出)中填充导电材料来形成。

线圈图案320、过孔330和外电极340的材料不受限制，如果它们的材料是传统导电材料，则，例如，线圈图案320、过孔330和外电极340可以由从Ag、Ni、Cu、Pt、Pd、Al、Fe、Ti、Cr等中选择的一种或者它们的合金形成。

另一方面，多层电感器300还可包括位于陶瓷层310内用于改善DC偏置特性的间隙层350。间隙层350通过插入到陶瓷层310的内部阻挡磁通量，起到减小电感根据施加的电流而改变的作用。

间隙层350可采用具有顺磁性的非磁性铁氧体(通常，ZnCu铁氧体)。

本发明的实施例的多层电感器300由于包括由含有上述核壳复合磁性粉末100(参照图1)的陶瓷片制成的陶瓷层310，因此在几十GHz以上的高频带宽下施加外部电流之后，通过使寄生电容和损耗因子最小化并使电感最大化，能够改善电感值。也就是说，多层电感器300具有以下优势：在相同的填充率下，增加了磁导率，从而改善了电感。

结果，根据本发明的实施例的多层电感器300满足以下特征：在1～10GHz的频带宽度下，磁导率(μ)高于1.5，介电常数(ε)低于5，磁导率损失(tanδ)低于0.03。

另一方面，虽然为了便于本发明的描述，仅说明了片式线圈组件之中的多层电感器，但不限于此。

本发明的核壳结构的复合磁性粉末100(参照图1)能够应用于通过使用薄膜或芯制造的薄膜电感器和卷绕式电感器，此时，它能够发挥多层电感器的相同的效果。

在薄膜电感器中，线圈图案和陶瓷层交替地形成在绝缘基板上，多个线圈图案通过通孔进行连接，并可包括电连接到片式电感器的两侧的线圈图案的外电极，其中，薄膜电感器的结构与多层电感器的结构非常相似。

这里，绝缘基板可由绝缘陶瓷基板、绝缘聚合物基板以及混合有陶瓷和聚合物的复合基板中的至少一种形成。并且，薄膜电感器的线圈图案可通过使用另外的工艺等形成。

卷绕式电感器具有线圈图案卷绕在陶瓷芯上的无芯结构。

实施例

将通过本发明的优选实施例详细描述本发明的构造和操作。但是，它仅被提出作为本发明的优选示例，而并不能解释为限制本发明。

由于本领域技术人员可充分地且在技术上推断得出这里未描述的内容，因此将省略对其的描述。

1.制造样品

实施例1

制造用于测量的样品，在将3g具有500nm的平均粒径的核壳结构的复合磁性粉末(SiO₂-BaFe₁₂O₁₉)与0.3g的环氧粘合剂混合之后，通过保持在150℃温度的炉中进行干燥，以适合于网络分析仪测量的标准环形的形状进行制造。

此时，通过传统的液相法制造复合磁性粉末(SiO₂-BaFe₁₂O₁₉)；将具有10nm的平均粒径的铁氧体粉末(BaFe₁₂O₁₉)以50nm的厚度涂覆在SiO₂粉末的表面上。

实施例2

除了平均粒径为400nm之外，其余与实施例1相同。

实施例3

除了铁氧体涂层厚度为10nm之外，其余与实施例1相同。

对比示例1

制造用于测量的样品，在将3g具有500nm的平均粒径的核壳结构的复合磁性粉末(Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂-BaFe₁₂O₁₉)与0.3g的环氧粘合剂混合之后，通过保持在150℃温度的炉中干燥，以用于网络分析仪测量的标准环形的形状进行制造。

此时，通过传统的液相法制造复合磁性粉末(Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂-BaFe₁₂O₁₉)；将具有10nm的平均粒径的铁氧体粉末(BaFe₁₂O₁₉)以50nm的厚度涂覆在Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂粉末的表面上。

对比示例2

除了以100nm的厚度将BaFe₁₂O₁₉涂覆在SiO₂粉末的表面上之外，其余与实施例1相同。

2.物理性质的评价

评价了根据实施例1～3以及对比示例1和2的样品根据频率的磁导率、介电常数和磁导率损失，这些结果与样品的条件一起表示在表1中。

通过使用安捷伦(Agilient)的测量设备E5071CENA测量每一项；样品被制造为具有7mm外径/3.04mm内径的环形。

所述测量通过使用同轴线法(coaxialairlinemethod)测量环形样品的参数S，通过使用换算公式将该参数进行换算来计算磁导率和介电常数。测量频率从500MHz至8GHz改变，如表1所示，表1中示出的磁导率、介电常数和磁导率损失是1GHz的频率下的值。

[表1]

参照表1，与不满足本发明的条件的对比示例1和2相比，满足本发明的条件的所有实施例1～3表现出低介电特性和低磁导率损失特性。这可预示，电感由于在制造片的过程中的寄生电容的减小而增大，并改善了Q因子。

根据本发明的复合磁性粉末通过使用铁氧体作为磁性材料包围作为非磁性材料的低介电核形成核壳结构，能够在几十GHz的高频带宽下，同时满足高磁导率和低磁导率损失特性。

此外，根据本发明，通过提供包含核壳结构的复合磁性粉末的陶瓷片或陶瓷芯，在高于几十GHz的高频带宽下，使电感最大化，能够制造满足高效率特性的片式线圈组件。

此外，通过提供包含复合磁性粉末的陶瓷片或陶瓷芯，由于在几十GHz的高频带宽下在相同的填充密度的情况下增大了磁导率，因此本发明的片式线圈组件能够改善电感。因此，由于不出现由于用于改善电感的线圈匝数的增加而导致的缺陷(诸如电阻增大、生产成本增加、产量降低等)，因此其在实际的大规模生产过程中具有优势。

如上所述，虽然已经示出并描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离由总发明构思的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行替换、修改和变型，总发明构思的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种复合磁性粉末，包括：

核壳结构，

其中，所述核由二氧化硅粉末制成，所述壳由铁氧体粉末制成。

2.根据权利要求1所述的复合磁性粉末，其中，所述铁氧体粉末是六角晶系铁氧体粉末。

3.根据权利要求2所述的复合磁性粉末，其中，所述六角晶系铁氧体粉末由下面的化学式1表示：

[化学式1]

Ba_1-xSr_xCo_1-y[Me]_yFe_mO_n

4.根据权利要求2所述的复合磁性粉末，其中，所述六角晶系铁氧体粉末为M型。

5.根据权利要求4所述的复合磁性粉末，其中，所述M型的六角晶系铁氧体粉末由下面的化学式2表示：

[化学式2]

Ba_1-xSr_xZn_yMn_zFe₁₂O₁₉

这里，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。

6.根据权利要求1所述的复合磁性粉末，其中，所述二氧化硅粉末的平均粒径的范围为400nm至500nm。

7.根据权利要求1所述的复合磁性粉末，其中，所述二氧化硅粉末具有范围为1.8g/cm³至2.1g/cm³的密度。

8.根据权利要求1所述的复合磁性粉末，其中，所述壳的厚度的范围为10nm至50nm。

9.根据权利要求1所述的复合磁性粉末，其中，在1～10GHz的频率带宽下，所述复合磁性粉末具有1.5～2的磁导率、3.5～5.0的介电常数和0.01～0.03的磁导率损失。

10.一种片式线圈组件，包括：

线圈图案，堆叠在陶瓷层上或者卷绕在陶瓷芯上，

其中，所述陶瓷层或所述陶瓷芯包含具有核壳结构的粉末，

所述核壳结构的粉末中的所述核由二氧化硅粉末制成，所述壳由铁氧体粉末制成。

11.根据权利要求10所述的片式线圈组件，其中，所述铁氧体粉末是六角晶系铁氧体粉末。

12.根据权利要求11所述的片式线圈组件，其中，所述六角晶系铁氧体粉末是M型。

13.根据权利要求10所述的片式线圈组件，其中，所述陶瓷片或所述陶瓷芯中的所述核壳复合磁性粉末的质量百分比的范围为50％至70％。