CN110706913A

CN110706913A - 一种厚膜磁元件的制备方法及基于该磁元件的变压器和电感器

Info

Publication number: CN110706913A
Application number: CN201911000234.5A
Authority: CN
Inventors: 娄建勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-01-17

Abstract

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种厚膜磁元件的制备方法，包括：步骤1：制备基板。步骤2‑1：取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀并加入有机介质，调制得到磁材料浆液。步骤2‑2：取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀并加入有机介质，调制得到导体材料浆液。步骤3：先将磁材料浆液在惰性气体保护下均匀的喷涂在基板上，再将导体浆液均匀的喷涂在基板上。步骤4：基于低温共烧技术，在基板上扫描得到导磁层和导电层。步骤5：采用有机溶剂将未扫描的地方溶解，使其脱离基板。本发明制备的厚膜磁元件具有高导磁性、小体积和高功率密度的优点。且在工作环境温度出现剧烈变化时，工作参数变化幅度小于10％，性能变化近似于线性。

Description

一种厚膜磁元件的制备方法及基于该磁元件的变压器和电感器

技术领域

本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及一种厚膜磁元件的制备方法及基于该磁元件的变压器和电感器。

背景技术

随着电力电子的高频变换技术的迅速发展，传统磁性元件，越来越难以满足现代小功率电气设备的要求。与之相比，新型厚膜型磁性元件在结构上具有体积小、高度低、重量轻，在电气特性上具有漏感小、电磁干扰小、效率高等优点，在高效率、低损耗的开关电源和各类小功率电气元件中具有非常大的吸引力，。

新型厚膜磁性元件，是一种以基板上磁膜作为磁芯，具有扁平、低高度等结构特点的元件。磁性元件在现代开关电源产业的研究中，小型化、集成化是它的发展趋势。与传统变压器相比，新型厚膜磁性元件可以采用纳米晶厚膜材料或非晶厚膜材料，磁芯可以工作在较高的工作频率上，工作频率可达数十千赫兹～兆赫兹。磁芯也可以采用硅钢厚膜材料，高效率的工作在相对较低频段。平面化的磁芯结构，减小了元件体积高度，一定程度上限制了磁芯在高频下的涡流损耗，也大大增大了磁芯和绕组的散热面积，提高了整体的散热能力。另一方面，扁平的平面化设计，优化了分布参数的影响，从而使得电磁干扰较小。新型厚膜磁性元件在结构特性和电气特性上具有的优势，使得它在空间有限或者高度体积受到约束的环境下极其适用，提高开关电源性能，适应当今开关电源“短、小、轻、薄”的发展趋势，在国内外各行业中得到了广泛的应用。

磁性元件的设计过程涉及到的内容繁多，包括电压、频率、漏感、分布电容、温升、损耗、磁芯结构、绕组结构等。设计要求包括选择合适的磁芯材料、磁芯结构、保证导线的通流能力、满足设备的绝缘条件，同时，不同绕组排布对磁性元件的寄生参数也存在显著作用。

变压器和电感在电路中具有储能、能量转换和电气隔离的重要作用，大部分的电气设备都离不开磁性元件，变压器一般起到变压、滤波等作用，电感器则多为了解决电磁干扰的问题。传统磁性元件的磁芯一般由硅钢叠片组成，在低频段，硅钢片的磁芯损耗很小，随着电力电子技术的发展，越来越多的磁性元件工作在高频的环境中，此时传统型材料磁芯损耗会急剧增大。同时，传统变压器多为绕线式，这样导致了磁性元件在工作中产生的寄生参数不易测量，存在很大的偶然性，也影响了变压器的效率。另一方面，由于磁芯材料和结构的限制，传统磁性元件的体积很大，影响了空间的利用率，在电子产品中的应用存在桎梏。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种厚膜磁元件的制备方法，包括：

步骤1，以陶瓷材料作为厚膜磁元件的基板，基板厚度不超过0.3mm，并将基板表面打磨光滑后待用。

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：0.8-1.5取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀。然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液。

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：0.7-1.2取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液。

步骤3，基板印刷：首先将步骤2-1所得磁材料浆液在惰性气体保护下均匀的喷涂在基板上。然后将步骤2-2所得导体浆液均匀的喷涂在基板上。本发明所述惰性气体为氮气。

步骤4，基于低温共烧技术，将基板加热至900℃并烘干后，按照设定的区域，首先利用激光扫描磁材料浆液区域，从而在基板上形成磁膜，得到导磁层。然后利用激光扫描导体材料浆液区域，形成导线回路，得到导电层。

步骤5，步骤4所述激光扫描操作完成后，采用有机溶剂将未扫描的地方溶解，使其脱离基板，从而在基板表面形成所需要的加工图形。得到所述厚膜磁元件。

进一步的，步骤1所述陶瓷材料为氧化铍陶瓷或氮化铝陶瓷。

进一步的，步骤2-1所述磁性金属粉末为：铁基纳米晶金属粉末、非晶金属粉末或硅钢金属粉末中的至少一种。所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为5-500nm。

进一步的，步骤2-2所述导电金属粉末为金、银、铜金属粉末中的至少一种。所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为5-800nm。

进一步的，步骤2-1和步骤2-2中所述玻璃粉末为：硼酸硅玻璃、铝酸硅玻璃中的至少一种。所述有机介质为：松香醇或者丙烯酸类溶剂。

进一步的，通过控制磁材料浆液印刷厚度，使所述导磁层的单层厚度为1-1000微米。通过控制导体浆液印刷厚度，使所述导电层的单层厚度为1-1000微米。

进一步的，重复步骤3和4至所述导磁层和导电层的层数均为1-100层。

进一步的，步骤4所述激光扫描采用激光扫描器进行。所述激光扫描器采用激光头三维运动的方式，控制加工精度±10um，激光功率密度≥1.0x10⁴W/mm²，扫描速度≥3mm/s。

此外，本发明还提供了一种变压器：按照变压器磁芯的回路设计要求，采用上述厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为变压器的磁芯。

此外，本发明还提供了一种电感器：按照电感器磁芯的回路设计要求，采用上述厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为电感器的磁芯。

本发明至少具有以下优点之一：

1.本发明制备的厚膜磁元件具有高导磁性、小体积和高功率密度的优点。

2.本发明制备得到的纳米晶合金、非晶合金和硅钢磁元件，其居里温度远高于铁氧体磁元件。在工作环境温度出现剧烈变化时，纳米晶合金和硅钢的工作参数变化幅度小于10％，性能变化近似于线性，误差较大时易补偿。传统铁氧体的居里温度在250℃，外界温度变化时，磁性能变化幅度大，而且非线性。

3.本发明在材料和制备方法上，代替了传统铁氧体厚膜的材料和制备方法，采用喷涂工艺，使得基板上金属膜更加均匀，提高了元件参数的可靠性，根据设计参数的不同，可以喷涂不同的形状，利用激光将电子膜固化，使得传统厚膜工艺得到了简化，降低了成本，结构上元件整体的体积小，高度低，适用于当今开关电源的发展趋势，整个制作过程工艺灵活简单、精度高、速度快，可以满足小批量的生产，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1所示为本发明厚膜磁元件的固化结构示意图。

图2所示为基于本发明厚膜磁元件的变压器磁芯结构示意图。

图3所示为基于本发明厚膜磁元件的电感器磁芯结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种厚膜磁元件，采用下述制备方法制备得到：

步骤1，以陶瓷材料作为厚膜磁元件的基板，基板厚度不超过0.3mm，并将基板表面打磨光滑后待用。所述陶瓷材料为氧化铍陶瓷或氮化铝陶瓷。

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：1.2取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀。然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液。所述磁性金属粉末为：非晶金属粉末。所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为35nm。

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：0.8取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液。所述导电金属粉末为铜金属粉末。所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为58nm。

步骤3，基板印刷：首先将步骤2-1所得磁材料浆液在惰性气体保护下均匀的喷涂在基板上。然后将步骤2-2所得导体浆液均匀的喷涂在基板上。

步骤4，基于低温共烧技术，将基板加热至900℃并烘干后，按照设定的区域，首先利用激光扫描磁材料浆液区域，从而在基板上形成磁膜，得到导磁层。然后利用激光扫描导体材料浆液区域，形成导线回路，得到导电层。所述激光扫描采用激光扫描器进行。所述激光扫描器采用激光头三维运动的方式，控制加工精度±10um，激光功率密度≥1.0x10⁴W/mm²，扫描速度≥3mm/s。

步骤5，步骤4所述激光扫描操作完成后，采用有机溶剂将未扫描的地方溶解，使其脱离基板，从而在基板表面形成如图1所示的所需要的加工图形。得到所述厚膜磁元件。

实施例2

一种厚膜磁元件，采用下述制备方法制备得到：

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：1取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀。然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液。所述磁性金属粉末为：铁基纳米晶金属粉末。所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为100nm。

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：1取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液。所述导电金属粉末为银粉。所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为120nm。

实施例3

一种厚膜磁元件，采用下述制备方法制备得到：

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：1.5取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀。然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液。所述磁性金属粉末为：硅钢金属粉末。所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为500nm。

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：1.2取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液。所述导电金属粉末为金粉。所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为800nm。

实施例4

一种厚膜磁元件，采用下述制备方法制备得到：

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：0.8取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀。然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液。所述磁性金属粉末为：铁基纳米晶金属粉末和非晶金属粉末按照1：1的质量比混合得到。所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为5nm。

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：0.7取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液。所述导电金属粉末为银粉、铜金属粉末按照0.01：1的质量比混合得到。所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为5nm。

本发明提供了一种厚膜集成的电感和变压器元件的制备方法，旨在提供一种新型的厚膜磁元件，将元件体积缩小，符合电气设备朝微型化、扁平化、轻质量发展的方向。利用纳米晶厚膜材料、非晶厚膜材料和硅钢厚膜材料，在高磁导率、高饱和磁感的道路上更近一步，使各种电器设备具备更高的效率以及电气性能。

与传统铁氧体磁元件相比，本发明在磁材料方面分为硅钢厚膜材料、非晶厚膜材料和铁基纳米晶厚膜材料。硅钢厚膜和纳米晶厚膜及非晶厚膜磁芯材料的磁导率参数高、饱和磁感参数高，相反，传统高频铁氧体的磁导率参数和饱和磁感参数相对较低。饱和磁感值高，意味着更少的线圈匝数，从而减小了寄生参数。另一方面，用铁基纳米晶制备的磁性元件，在低磁场状态下，具有相对较高的磁能密度，具有较大的阻抗，使得在相同电感量或者相同阻抗的元件下，用纳米晶合金制备的合金体积会缩小。纳米晶合金和硅钢的磁饱和强度可达2T，是铁氧体的数倍，在一些强磁场场合，由铁氧体作为磁芯的磁性元件，由于磁芯迅速饱和，无法保证在高磁场环境下保持良好的运行状态。纳米晶合金的频率使用范围，可通过调整纳米晶制造时应用的不同工艺来控制，与绕组参数结合，可以达到控制元件阻抗值的目的。纳米晶合金、非晶合金和硅钢的居里温度远高于铁氧体，在工作环境温度出现剧烈变化时，纳米晶合金和硅钢的工作参数变化幅度小于10％，性能变化近似于线性，误差较大时易补偿。传统铁氧体的居里温度在250℃，外界温度变化时，磁性能变化幅度大，而且非线性。

本发明与传统薄膜型电子元件和电路的区别如下。专利《一种陶瓷薄膜电路及其溅射金属涂层的形成方法》(见专利公开号：CN 109536889 A)，具体阐述了薄膜元件的结构，包括基板及溅射金属涂层，专利《一种薄膜电路及其复合金属膜层的溅射方法》(见专利公开号：CN 109504949 A)，具体阐述了薄膜元件的一种制备方法。本发明与上述两种已公开专利薄膜电路相比，本专利提出的厚膜型磁性元件，不仅克服了薄膜型磁性元件的自身由于薄膜导致的各项缺点，同时减小了元件的直流电阻。

本发明与传统厚膜型电子元件和电路的区别如下。传统型厚膜电子元件(如厚膜电感)，其磁芯工作于高频下，所用的磁芯材料为厚膜铁氧体材料，而铁氧体材料的工作磁密较小，一般为0.4特斯拉。本专利提出的厚膜变压器和厚膜电感元件的工作磁密较大，一般为1特斯拉以上，因此本发明提出的变压器和电感元件，具有小体积和高功率密度等显著优势。

实施例5

基于实施例1-4任一实施例所述厚膜磁元件，步骤2-1和步骤2-2中所述玻璃粉末为：硼酸硅玻璃、铝酸硅玻璃中的一种。申请人经过研究，选用上述玻璃粉末可以明显提高产品的稳定性。所述有机介质为：松香醇或者丙烯酸类溶剂，该溶剂可以与本发明的各型材料均具有良好的相容性。

实施例6

基于实施例1-4任一实施例所述厚膜磁元件，通过控制磁材料浆液印刷厚度，使所述导磁层的单层厚度为1-1000微米。通过控制导体浆液印刷厚度，使所述导电层的单层厚度为1-1000微米。重复步骤3和4至所述导磁层和导电层的层数均为1-100层。该工艺的控制主要基于磁元件的实际运用需要通过的电流大小和产品需要传递的电磁能量具体进行控制。

实施例7

一种变压器，按照变压器磁芯的回路设计要求，如图2所示，采用实施例1-6任一厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为变压器的磁芯。采用该磁芯的变压器相比传统变压器更加微型化、扁平化且质量更轻。

实施例8

一种电感器，按照电感器磁芯的回路设计要求，如图3所示，采用实施例1-6任一厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为电感器的磁芯。采用该磁芯的电感器相比传统电感器更加微型化、扁平化且质量更轻。

应该注意到并理解，在不脱离本发明权利要求所要求的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims

1.一种厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1，以陶瓷材料作为厚膜磁元件的基板，基板厚度不超过0.3mm，并将基板表面打磨光滑后待用；

步骤2-1，制备磁材料浆液：首先按质量比磁性金属粉末：玻璃粉末＝4：0.8-1.5取磁性金属粉末与玻璃粉末后混合均匀；然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述磁材料浆液；

步骤2-2，制备导体材料浆液：首先按质量比导电金属粉末：玻璃粉末＝4：0.7-1.2取导电金属粉末与玻璃粉末后混合均匀，然后在混合粉末中加入有机介质，调制均匀得到所述导体材料浆液；

步骤3，基板印刷：首先将步骤2-1所得磁材料浆液在惰性气体保护下均匀的喷涂在基板上；然后将步骤2-2所得导体浆液均匀的喷涂在基板上；

步骤4，基于低温共烧技术，将基板加热至900℃并烘干后，按照设定的区域，首先利用激光扫描磁材料浆液区域，从而在基板上形成磁膜，得到导磁层；然后利用激光扫描导体材料浆液区域，形成导线回路，得到导电层；

步骤5，步骤4所述激光扫描操作完成后，采用有机溶剂将未扫描的地方溶解，使其脱离基板，从而在基板表面形成所需要的加工图形；得到所述厚膜磁元件。

2.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，步骤1所述陶瓷材料为氧化铍陶瓷或氮化铝陶瓷。

3.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，步骤2-1所述磁性金属粉末为：铁基纳米晶金属粉末、非晶金属粉末或硅钢金属粉末中的至少一种；所述磁性金属粉末与玻璃粉末的粒径为5-500nm。

4.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，步骤2-2所述导电金属粉末为金、银、铜金属粉末中的至少一种；所述导电金属粉末与玻璃粉末的粒径为5-800nm。

5.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，步骤2-1和步骤2-2中所述玻璃粉末为：硼酸硅玻璃、铝酸硅玻璃中的至少一种；所述有机介质为：松香醇或者丙烯酸类溶剂。

6.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，通过控制磁材料浆液印刷厚度，使所述导磁层的单层厚度为1-1000微米；通过控制导体浆液印刷厚度，使所述导电层的单层厚度为1-1000微米。

7.根据权利要求6所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，重复步骤3和4至所述导磁层和导电层的层数均为1-100层。

8.根据权利要求1所述厚膜磁元件的制备方法，其特征在于，步骤4所述激光扫描采用激光扫描器进行；所述激光扫描器采用激光头三维运动的方式，控制加工精度±10um，激光功率密度≥1.0x10⁴W/mm²，扫描速度≥3mm/s。

9.一种变压器，其特征在于，按照变压器磁芯的回路设计要求，采用权利要求1-8任一所述厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为变压器的磁芯。

10.一种电感器，其特征在于，按照电感器磁芯的回路设计要求，采用权利要求1-8任一所述厚膜磁元件的制备方法制备得到厚膜磁元件，作为电感器的磁芯。