CN114188148A - 一种基于3d打印的微型功率电感元件的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电感元件技术领域，具体公开了一种基于3D打印的微型功率电感元件的制备方法与应用。微型功率电感元件的制备方法，包括以下步骤：模压磁性粉料制得磁芯后，对所述磁芯进行退火处理，得预制磁芯；在预制磁芯上进行3D绕制打印线圈，制得磁芯线圈，线圈通过同轴双层针头一次打印而成；在磁芯线圈上3D打印屏蔽层和端电极，制得微型功率电感元件。本发明采用模压磁性粉料制备磁芯，无需烧结，通过对压制的磁芯进行退火处理，以消除磁芯的应力，提升电感元件的磁导率，并降低电感元件的损耗；整个制备过程无需采用电镀处理工艺，所制备的微型功率电感元件，体积更小，短路风险小，并具有良好的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及电感元件技术领域，具体涉及一种基于3D打印的微型功率电感元件的制备方法与应用。
背景技术
随着5G技术的快速发展，对电子元器件的性能要求也越来越高，一方面要求其具有更小的体积，另一方面，要求电子元器件具有更高的可靠性。而对于制造更小体积的功率电感元器件，就对所选用的磁性材料的高性能、制造设备的精度以及优异的结构设计提出更高的要求。
对于目前的电感制备工艺，主要有绕线电感工艺制备电感，低温共烧陶瓷 (LTCC)叠层工艺制备电感，一体成型模压工艺制备电感技术，以及通过厚膜工艺技术制备出体积更小的功率电感。但绕线电感工艺是在烧制好的磁芯上进行绕制铜线，由于铜线本身会有针孔，绕制过程中也会有擦伤的风险，所以存在一定的短路风险；LTCC叠层工艺技术制备电感是采用流延的方式制备磁性基板，电感磁体密度低，电感的电磁性能得不到优化；一体成型技术制备的电感，成型压力大(500-800MPa)，铜线变形严重，存在很高的短路风险。
因此，亟待研发一种能够制备更小体积，同时保证电感元件具备较高电磁性能的方法。
发明内容
本发明提出一种基于3D打印的微型功率电感元件的制备方法与应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为克服上述技术问题，本发明的第一个技术方案是，提供了一种微型功率电感元件的制备方法。
具体地，一种微型功率电感元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)模压磁性粉料制得磁芯后，对所述磁芯进行退火处理，得预制磁芯；
(2)在所述预制磁芯上进行3D绕制打印线圈，制得磁芯线圈；所述线圈通过同轴双层针头一次打印而成；
(3)在所述磁芯线圈上3D打印屏蔽层和端电极，制得所述微型功率电感元件。
相对于通过在烧结的磁芯上进行绕线，由于烧结的磁芯比较坚硬，绕结时容易刮伤，加之金属导线在制备过程中容易产生针眼，这些因素均易造成电感线圈层间产生短路。本发明采用模压磁性粉料制备磁芯，无需烧结，通过对压制的磁芯进行退火处理，以消除磁芯的应力，从而减少应力对电感元件电磁性能的影响；同时，通过3D打印的方式绕制打印线圈，采用同轴双层针头一次打印自带绝缘层的线圈，可有效杜绝电感线圈层间产生短路的缺陷。
本发明通过在预制磁芯上采用3D打印的方式绕制电感线圈，并通过3D打印屏蔽层和端电极，整个制备过程无需采用电镀处理工艺，可有效解决一体成型制备电感中因为成型压力过大而造成的线圈变形以及短路的问题。
作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，所述模压磁性粉料的压力为 1800-2200MPa；所述退火的温度为400-750℃，所述退火的时间为1-2小时。
具体地，采用1800-2200MPa的压力对粉料进行模压成型，可压制成致密的磁芯；退火温度和退火时间可据不同粉料的特性进行选择。本发明在特定条件下对磁芯进行压制退火处理，不仅能够快速批量的制备磁芯，而且能够消除磁性粉料在压制过程中产生的内部应力，从而提高电感元件的磁导率，降低磁滞损耗。
优选地，所述磁芯的形状为工字型或T型。
作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，所述磁性粉料为铁基软磁粉料。
优选地，所述铁基软磁粉料包括磁粉和绝缘粘结剂；所述磁粉选自合金磁粉、非晶磁粉、纳米晶粉中任一种；所述绝缘粘结剂为耐高温有机硅树脂。
进一步优选地，所述耐高温有机硅树脂包括但不限于信越化学的KR有机硅树脂系列。
进一步地，合金磁粉的退火温度为650-750℃，非晶磁粉的退火温度为 400-500℃，纳米晶粉的退火温度为500-600℃。
优选地，所述预制磁芯的制备方法，包括以下步骤：
1)将磁性粉料装填到模具中，采用2000MPa的压力进行压制，制得磁芯；
2)对所述磁芯进行退火处理，其中合金磁粉的退火温度为700℃，非晶磁粉的退火温度为450℃，纳米晶粉的退火温度为550℃，退火时间为1-2小时，制得预制磁芯。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述线圈包括外层绝缘层和内层导线；所述内层导线的打印墨水为导电银浆A，所述导电银浆A的固含量为 90-95wt％；所述外层绝缘层的打印墨水为热固化绝缘胶。
优选地，所述导电银浆A选自但不限于上海钜合新材料的SECrosslink-6062 银浆，该银浆经优化处理后方可适用于本发明的导线打印。
优选地，所述热固化绝缘胶选自道康宁3-6265热固化绝缘胶。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述同轴双层针头包括内层针头和外层针头，内层针头用于打印内层导线，外层针头用于打印外层绝缘层。
优选地，所述内层针头为钢针，所述外层针头为陶瓷针。
优选地，所述内层针头和所述外层针头的形状均为方形。
进一步优选地，所述内层针头为尺寸为25×25mm的方形针头，所述内层针头为尺寸为55×55mm的方形针头，方形针头所打印出的线圈也具有方形结构，可充分利用线圈占有的空间，与同型号同规格的圆形线圈相比，体积更小，具有较强的电磁性能。
优选地，所述磁芯线圈的制备方法，包括以下步骤：
1)将导电银浆A和热固化绝缘胶分别进行离心过滤，其中离心过滤的转速为9000r/min，过滤筛网为500目，并将导电银浆A的固含量浓缩至93wt％；
2)将导电银浆A和热固化绝缘胶分别装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中导电银浆A的气压设置为40psi，热固化绝缘胶的气压设置为25psi；
3)通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的预制磁芯成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行绕制打印线圈，其中打印的线圈为多层堆叠结构线圈，线圈自带有绝缘层；
4)打印完成后进行烘烤固化处理，所述固化处理的温度为160℃，固化时间为30分钟，得磁芯线圈。
本发明通过3D打印方式制备出密堆积程度更高的线圈，线圈空间利用率高，具有较小电感的总体设计体积。同时，该方式打印的线圈短路风险更低。
作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，所述屏蔽层的打印墨水为磁性胶水。
优选地，所述磁性胶水为含有磁粉的胶水，所述磁粉选自但不限于秦皇岛雅豪的软磁粉；所述胶水选自但不限于东莞溢添新材有限公司的胶水。磁粉和胶水混合调配后方可适用于本发明的屏蔽层打印。
优选地，所述磁性胶水的固含量为82-88wt％。
优选地，打印所述屏蔽层的针头的孔径为100-300μm。
优选地，所述屏蔽层的制备工艺，包括以下步骤：
1)将磁性胶水装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中气压设置为50psi；
2)通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的磁芯线圈成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行打印屏蔽层；
3)打印完成后进行烘烤固化处理，所述固化处理的温度为160℃，固化时间为20分钟，得含屏蔽层的磁芯线圈。
作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，所述端电极的打印墨水为导电银浆B。
优选地，所述导电银浆B包括但不限于上海钜合新材料的SECrosslink-6063 银浆，该银浆经优化处理后方可适用于本发明的端电极打印。
优选地，所述导电银浆B的固含量为76-80wt％。
优选地，打印所述端电极的针头的孔径为50-300μm。
优选地，所述端电极的制备工艺，包括以下步骤：
1)将导电银浆B装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中气压设置为40psi；
2)通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的含屏蔽层的磁芯线圈成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行打印端电极；
3)打印完成后进行烘烤固化处理，所述固化处理的温度为160℃，固化时间为20分钟，得所述微型功率电感元件。
本发明的第二个技术方案是，提供了一种微型功率电感元件。
具体地，一种微型功率电感元件，所述微型功率电感元件采用上述微型功率电感元件的制备方法制成，所述微型功率电感元件的电感大于1.05(uH) /1MHz；磁介质的饱和电流大于2.5A；电感内阻小于78mΩ；温升电流大于2.0A。
本发明的第三个技术方案是，提供了一种电子器件。
具体地，一种电子器件，所述电子器件包括电感元件，所述电感元件采用上述微型功率电感元件的制备方法制成。
本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明采用模压磁性粉料制备磁芯，无需烧结，通过对压制的磁芯进行退火处理，以消除磁芯的应力，从而减少应力对电感元件电磁性能的影响，提升电感元件的磁导率，并降低电感元件的损耗；同时，通过3D打印的方式绕制打印自带绝缘层的线圈，可有效杜绝电感线圈层间产生短路的缺陷。
本发明通过在预制磁芯上采用3D打印的方式绕制电感线圈，并通过3D打印屏蔽层和端电极，整个制备过程无需采用电镀处理工艺，所制备的微型功率电感元件，体积更小，短路风险小，并具有良好的良品率。
附图说明：
图1为实施例1的微型功率电感元件的制备流程示意图。
图中：100表示磁芯；200表示线圈；300表示屏蔽层；400表示端电极。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解，有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围，同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品，未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种微型功率电感元件的制备方法，其制备流程如图1所示，具体包括如下步骤：
1.预制磁芯的制备：
将合金磁粉和KR5230有机硅树脂按质量比为97：3混合后装填到工字型模具中；然后在2000MPa的压力进行压制，制得工字型磁芯。
对工字型磁芯进行退火处理，退火的温度为700℃，退火的时间为2小时，制得预制磁芯100。
2.3D打印绕制线圈：
将SECrosslink-6062导电银浆和道康宁3-6265热固化胶分别进行离心过滤，其中离心过滤的转速为9000r/min，过滤筛网为500目；再在过滤后的导电银浆A中添加乙二醇和水进行高速离心浓缩，得到固含量为93wt％的导电银浆 A。
将导电银浆A和道康宁3-6265热固化胶分别装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中导电银浆A的气压设置为40psi，道康宁3-6265 热固化胶的气压设置为25psi。
通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的预制磁芯100成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行绕制打印线圈200，打印的线圈200为多层堆叠结构线圈，线圈自带有绝缘层。其中：打印针头为同轴双层针头，内层针头为25×25mm的方形钢针头；外层针头为55×55mm的方形陶瓷针头。
打印完成后，将产品置于160℃的烘箱中进行固化30min，得磁芯线圈。
3.3D打印屏蔽层：
将软磁粉和打印胶水混合后制成磁性胶水，然后装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中气压设置为50psi。
通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的磁芯线圈成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行打印屏蔽层300，磁芯线圈通过可旋转和平移的夹具固定，其打印原理与点胶机类似，通过旋转和平移夹具，实现屏蔽层的打印封装。其中：打印针头为钢针头，钢针头的孔径为300μm。
打印完成后，将产品置于160℃的烘箱中进行固化20min，得含屏蔽层的磁芯线圈。
4.3D打印端电极：
将SECrosslink-6063导电银浆进行离心过滤，其中离心过滤的转速为 9000r/min，过滤筛网为500目；再在过滤后的导电银浆B中添加乙二醇和水进行高速离心浓缩，得到固含量为78wt％的导电银浆B。
将导电银浆B装入对应的墨水装料管内，墨水装料管与增压设置相连，其中气压设置为40psi；
通过3D打印设备的视觉定位系统和扫描系统对载台上的含屏蔽层的磁芯线圈成像并计算生成打印路径，按照设定的打印路径进行打印端电极400；其中：打印针头为钢针头，钢针头的孔径为300μm。
打印完成后，将产品置于160℃的烘箱中进行固化20min，得微型功率电感元件。
本实施例制得的微型功率电感元件的尺寸为2.0×1.2×1.0mm。
对比例1
将中国台湾乾坤科技公司生产的微型功率电感元件(型号为HMLQ20121T)作为对比例1，该微型功率电感元件的磁性粉料为合金磁粉，导线为铜线，其采用预埋线圈填粉压制工艺制备而成。
性能测试
将实施例1和对比例1的微型功率电感元件进行电性能测试，其测试结果如表1所示，其中：L表示电感；Isat表示磁介质的饱和电流；DCR表示电感内阻；Irmp表示温升电流。
表1：实施例1和对比例1的微型功率电感元件电性能对比表
由表1可知：本发明实施例1制备的微型功率电感元件的各项电磁性能均优于对比例1，且本发明制备的微型功率电感元件能够满足功率电感的小型化和大电流化的要求。相比于对比例1模压制备的电感元件，本发明制备的电感元件DCR更小，磁芯密实度高，加之磁芯经过退火处理，表现出更好的磁导率和温升电流，这对制备的电感元件向着更小型化方向发展具有重要意义。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。例如在本发明记载的模压压力和退火温度范围内，调整模压压力和退火温度，也能制得与实施例1效果类似的微型功率电感元件。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)模压磁性粉料制得磁芯后，对所述磁芯进行退火处理，得预制磁芯；
(2)在所述预制磁芯上进行3D绕制打印线圈，制得磁芯线圈；所述线圈通过同轴双层针头一次打印而成；
(3)在所述磁芯线圈上3D打印屏蔽层和端电极，制得所述微型功率电感元件。
2.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述模压磁性粉料的压力为1800-2200MPa；所述退火的温度为400-750℃，所述退火的时间为1-2小时。
3.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述磁性粉料为铁基软磁粉料。
4.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述线圈包括外层绝缘层和内层导线；所述内层导线的打印墨水为导电银浆A，所述导电银浆A的固含量为90-95wt％；所述外层绝缘层的打印墨水为热固化绝缘胶。
5.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述同轴双层针头包括内层针头和外层针头。
6.根据权利要求5所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，所述内层针头和所述外层针头的形状均为方形。
7.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述屏蔽层的打印墨水为磁性胶水，所述磁性胶水的固含量为82-88wt％；打印所述屏蔽层的针头的孔径为100-300μm。
8.根据权利要求1所述的微型功率电感元件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述端电极的打印墨水为导电银浆B，所述导电银浆B的固含量为76-80wt％；打印所述端电极的针头的孔径为50-300μm。
9.一种微型功率电感元件，其特征在于，所述微型功率电感元件采用权利要求1至8任意一项所述的微型功率电感元件的制备方法制成，所述微型功率电感元件的电感大于1.05uH/1MHz；磁介质的饱和电流大于2.5A；电感内阻小于78mΩ；温升电流大于2.0A。
10.一种电子器件，其特征在于，所述电子器件包括电感元件，所述电感元件采用权利要求1至8任意一项所述的微型功率电感元件的制备方法制成。
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