CN116403796B - 一种高频电感及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电感生产技术领域，公开了一种高频电感，主原料包括以质量百分比计的Fe2O3：60.8～66.8％、NiO：14～17％、ZnO：14～17％、CuO：2～4％，还包括添加剂，所述添加剂包括以质量百分比计的Co2O3：0.1～1％、Bi2O3：0.1～0.5％、V2O5：0.1～0.5％，通过此设计，一方面提高了电感的静电力常数，进而减小分布电容，提升了自谐频率，另一方面，在添加特定比例的添加剂后降低了电感的介电常数，减小了分布电容，提升了自谐频率。
Description
技术领域
本申请涉及电感生产技术领域，尤其涉及一种高频电感及其制备方法。
背景技术
随着电子行业的快速发展，电子元器件日趋小型化，整机及系统对电子元器件的性能要求越来越高，对电感器的指标要求，不单只考虑其电感量或者品质因数(Q值)指标，自谐频率亦是重要参考指标，其不仅直接关系电感器自身的工作频率和电路特性，更直接限制了滤波、谐振电路的工作频率上限。当频率低于自谐振频率时，电感感抗随频率增高而增大；当频率等于自谐振频率时，电感感抗达到最大值；当频率高于自谐振频率时，电感感抗随频率增高而减小，电感器不再表现为感性而呈现容性。在滤波电路中，需要利用电感器与电容值形成谐振电路，在要求的滤波频段下，电感器需保证自谐振频率值高于电路要求频率范围，否则无法覆盖相应的频带要求。
而在有关的研究中我们知道，影响自谐频率的因素主要包括电感值和分布电容，具体公式如式1所示：
其中L为电感值、Cp为分布电容，不难看出自谐频率与电感值和分布电容成反比关系；
同时，由于分布电容的影响因素包括线圈半径(r)、导线宽度(w)、层间或匝间距离(d)、介电常数(ε)、静电力常数(k)，具体公式如式2所示：
结合式1、式2不难看出，提高静电力常数、层间或匝间距离以及降低导线宽度、线圈半径、介电常数能够有效地减小分布电容，进而提高自谐频率；
当然，通过降低电感值也能够提升自谐频率，但是当电感值过低时，电感所产生的感应电动势和磁场强度将会减弱，这可能会对电路中的其他元件产生一定影响，因此降低分布电容是提高自谐频率更为有效和有利的途径。
中国专利申请201610139164.1公开了一种涂装屏蔽色环电感器的工艺，所述屏蔽色环电感的油漆包含以下质量百分比的物质：色环电感油漆25％～50％，软磁铁氧体磁粉20％～55％，液体固化剂10％～30％，稀释剂10％～30％，所述屏蔽色环电感的油漆制造方法及涂装色环电感的工艺包括先用屏蔽色环电感的油漆涂装两次，再用色环电感油漆涂装两次。
该方案由于在屏蔽色环电感器涂料中加入大量的磁粉，使其电感值提升，电感值提升多少与磁粉的用量有关。电感值提升越高，同样的电感值，屏蔽色环电感的绕线圈数明显要少于色环电感器的绕线圈数，这时铜线用量也比传统色环电感器用量减少，降低了铜线成本。同时由于屏蔽色环电感器圈数的减少，可以降低线圈层数，使其分布电容减少，提高了自谐频率。
中国专利申请200810069637.0公开了一种高频大功率镍锌基软磁铁氧体材料及其制造方法由主成分、离子替代成分与化合物组合掺杂成分组成，其主成分为：Fe2O3、ZnO，余为NiO；离子替代成分为：Co3O4、MnCO3、CuO中含有Co3O4的一种或多种；化合物组合掺杂为：V2O5、Bi2O3、Ta2O5、ZrO2、CuO、Nb2O5、Co3O4中的2～3种。制造方法包括以下步骤：
a)制备NiZn基铁氧体主料混合料；
b)制备主料预烧料；
c)制备微细铁氧体粉料；
d)制备磁芯生坯；
e)烧结磁芯
通过特种配方优化组合设计，获得起始磁导率、饱和磁感应强度、居里温度、电阻率四高和损耗低的NiZn铁氧体材料。用适量Co2+、Mn2+和Cu2+替代Ni2+可以在保证材料具有高起始磁导率、高饱和磁感应强度、高居里温度特性的基础上提高电阻率、降低损耗因数和增大截止频率，从而提高材料的电磁特性。掺杂适量化合物可以改善材料的电磁特性，包括物理和机械性能。配方经改进后，并经高能机械湿式球磨制备微细铁氧体粉料、大压力成型高质量生坯和低温烧结高密度铁氧体材料，铁氧体材料的综合性能明显提高，材料具有高饱和磁感应强度、高居里温度、良好的比温度系数、高电阻率、高密度、高抗压强度、低损耗(低功耗)、较高的起始磁导率、且同一磁导率相对有更高的截止频率。但需要说明的是，虽然截止频率和自谐频率都是对系统特征频率的描述，但二者也有明显的区别，前者是由系统的环境或输入信号决定，后者是系统本身固有的属性。
本方案需要解决的问题：如何从提高静电力常数、减小介电常数的角度上开发一种具有高的自谐频率的电感，以便于其能够在更高频率下工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频电感，通过在高频电感中添加Co2O3使反应材料的晶粒减小，同时，由于电感的自谐频率与分布电容成反比关系，而分布电容又与其静电力常数成反比关系，当晶粒较大时，铁氧体内部存在较多的界面和缺陷，这些界面和缺陷会导致铁氧体的磁矩方向不一致，使得铁氧体的磁场强度和静电力常数(磁化率)下降；相反，当晶粒较小时，铁氧体内部不仅减少了界面和缺陷，同时还增加了晶界的弥散性，在外加磁场作用下容易出现磁性共振现象，从而提高了铁氧体的磁场强度和静电力常数进而减小了分布电容，进而提高了电感的自谐频率，同样的，添加Bi2O3、V2O5使能够降低材料烧结时的烧结温度，进而减小晶粒的尺寸。
为实现上述目的，本申请公开了一种高频电感，主原料包括以质量百分比计的Fe2O3：60.8～66.8％、NiO：14～17％、ZnO：14～17％、CuO：2～4％，还包括添加剂，所述添加剂包括以质量百分比计的Co2O3：0.1～1％、Bi2O3：0.1～0.5％、V2O5：0.1～0.5％。
优选地，所述主原料包括以质量百分比计的Fe2O3：63.8～65.8％、NiO：15～17％、ZnO：14～16％、CuO：2～4％，还包括添加剂，所述添加剂包括以质量百分比计的Co2O3：0.3～1％、Bi2O3：0.1～0.5％、V2O5：0.1～0.5％。
优选地，所述主原料包括以质量百分比计的Fe2O3：63.8～65.8％、NiO：15～17％、ZnO：14～16％、CuO：3～4％，还包括添加剂，所述添加剂包括以质量百分比计的Co2O3：0.3～1％、Bi2O3：0.1～0.3％、V2O5：0.1～0.3％。
更为优选地，所述Fe2O3的含量包括但不限于63.8％、64.3％、64.8％、65.3％、65.8％；
所述NiO的含量包括但不限于15％、15.5％、16％、16.5％、17％；
所述ZnO的含量包括但不限于14％、14.5％、15％、15.5％、16％；
所述CuO的含量包括但不限于3％、3.1％、3.2％、3.3％、3.4％、3.5％、3.6％、3.7％、3.8％、3.9％、4％；
所述Co2O3的含量包括但不限于0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％；
所述Bi2O3的含量包括但不限于0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％；
所述V2O5的含量包括但不限于0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％。
优选地，所述高频电感的直径为1.5～6mm、长度为1.5～11mm；
所述高频电感的槽数为1～3个，槽的深度为0.25～2mm，槽的长度为0.25～1.95mm。
更为优选地，所述高频电感直径为1.8～6mm、长度为2.3～10mm；
所述高频电感的槽数为3个，且3个槽之间的距离相等，槽的深度为0.27～0.9mm，槽的长度为0.4～1.8mm。
此外，还公开了一种高频电感的制作方法，用于制备上述的高频电感，包括配料、混料、造球、假烧、振磨破碎、喷雾造粒、压制成型、切槽加工、磁芯烧结。
优选地，所述切槽加工时切槽的数量为1～3个。
优选地，所述假烧的温度为990～1000℃，所述烧结的温度为1070～1080℃。
优选地，所述喷雾造粒的粒径为40～180μm。
本申请的有益效果是：
本申请通过在高频电感中添加Co2O3使电感的晶粒减小，由于电感的自谐频率与分布电容成反比关系，而分布电容又与其静电力常数成反比关系，当晶粒较大时，铁氧体内部存在较多的界面和缺陷，这些界面和缺陷会导致铁氧体的磁矩方向不一致，使得铁氧体的磁场强度和静电力常数(磁化率)下降；相反，当晶粒较小时，铁氧体内部不仅减少了界面和缺陷，同时还增加了晶界的弥散性，在外加磁场作用下容易出现磁性共振现象，从而提高了铁氧体的磁场强度和静电力常数进而减小了分布电容，从而提高了电感的自谐频率，同样的，添加Bi2O3、V2O5使能够降低材料烧结时的烧结温度，进而减小晶粒的尺寸。
并且，在制备过程中，我们惊喜地发现，当使用特定的添加量添加Co2O3、Bi2O3、V2O5时，电感的自谐频率产生了意想不到的提升效果，我们推测，产生这一现象的原因可能是特殊添加量下Co2O3、Bi2O3、V2O5的添加，使得电感形成界面区域，削弱电感内部的极化效应，从而降低介电常数，进而降低了与之成正比关系的分布电容，进而提升了自谐频率。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1～4
步骤1：按配料表配料并混合后，将混合物料加入圆形造球机，并打开水阀，使水呈雾化状喷入粉料，进行造球，造球后，得到球状原料；
步骤2：将步骤1得到的球状原料放入回转炉，进行假烧，假烧温度为1000℃，假烧时间为2小时，假烧完成后得到一次烧结物料；
步骤3：将一次烧结物料投入振动磨机振磨破碎，随后利用喷雾干燥塔进行喷雾造粒，喷雾造粒后过筛，选择粒径处于40～180μm的范围内的物料，随后将上述物料压制成直径为2.0mm，长度为4.2mm的圆柱形物料，随后切槽加工，槽的深度为0.3mm，槽的长度为0.75mm，槽数为3个，且3个槽的间距相同；
步骤4：将步骤3进行切槽加工后的物料放入隧道炉烧结，烧结温度为1075℃，烧结时间为4小时，烧结完成后，得到高频电感。
表1：实施例1～4配料表
实施例5
与实施例1基本相同，区别在于，槽数为1个。
实施例6
与实施例1基本相同，区别在于，槽数为2个。
对比例1～4
与实施例1基本相同，区别在于，配料如表2所示：
表2：对比例1～4配料表
对比例5～8
与实施例1基本相同，区别在于，配料如表3所示：
表3：对比例5～8配料表
对比例9～12
与实施例1基本相同，区别在于，配料如表4所示：
表4：对比例9～12配料表
对比例13～16
与实施例1基本相同，区别在于，配料如表5所示：
表5：对比例13～16配料表
对比例17
与对比例1基本相同，区别在于，槽数为1个。
性能测试：
自谐频率测试：使用哈尔滨合美电子有限公司生产的型号为HM9461的高频电感—自谐频率测试仪对各实施例在不同电感值的条件下的自谐频率；
测试结果见下表：
表5：电感值为1-1000μH时的自谐频率测试结果
结果分析：
1.由实施例1-4可见，随着配方中各原料的添加量的改变，实施例1-4之间在不同电感值下的自谐频率产生明显波动，与此同时，实施例2-4之间在相同电感值下自谐频率的差距不大，但实施例1在不同电感值下的自谐频率均明显优于其他实施例，由此不难看出，由实施例1的配方为最优配方。
2.由实施例1、实施例5-6可见，随着电感槽数的变化，电感的自谐频率也有明显的改变，并且自谐频率与电感槽数呈现出明显的正相关关系，我们认为，造成此现象的原因可能是，在槽形电感中，槽数的增多可以增加绕线的长度，可以减小线圈的内阻，进而降低电感元件的损耗，提高电感元件的自谐频率。
3.由实施例1和对比例1-4可见，随着配方中CuO、Co2O3、Bi2O3、V2O5的逐个缺失，电感的自谐频率呈现出明显的下降趋势，一方面，可以看出，对于电感的自谐频率的提高，上述原料均为至关重要的、必不可缺的原料，同时，我们认为，在缺少某一原料后，自谐频率急转直下的原因可能是，原料的缺少使得原本的协同效果被打破，电感内部的极化效应增强、介电常数提高、分布电容升高进而导致自谐频率下降。
4.由实施例1和对比例5-8可见，使用其他的金属氧化物对原料中的金属氧化物替换后，原料的自谐频率仍有明显的下降趋势，虽然相比对比例1-4的自谐频率有一定的提高，但并不显著，由此也可以看出，在本方案中CuO、Co2O3、Bi2O3、V2O5均为不可替换的关键原料。
5.由实施例1和对比例9-16可见，当增大或减小CuO、Co2O3、Bi2O3、V2O5的添加量后，电感的自谐频率呈现出明显的下降趋势，我们认为造成此现象的原因是，添加量过少时，虽然可以提高电感元件的磁导率和磁饱和强度，但这种改善是微小的，无法带来明显的自谐频率提升效果；
而添加过量时，则会造成材料颗粒的过度堆积，导致电感元件内部的磁场不再均匀，磁通分布不均，反而会降低电感元件的磁导率和磁饱和强度，因此也不能有效提高电感元件的自谐频率。
6.由实施例5和对比例17可见，实施例1的配方对单槽电感的自谐频率也有一定程度的提升作用。
Claims (1)
1.一种高频电感，其特征在于，主原料包括以质量百分比计的Fe2O3：63.8%、NiO：17%、ZnO：14.5%、CuO：4%，还包括添加剂，所述添加剂包括以质量百分比计的Co2O3：0.3%、Bi2O3：0.3%、V2O5：0.1%；
所述高频电感的直径为2.0mm、长度为4.2mm、槽数为3个、槽的深度为0.3mm，槽的长度为0.75mm；
当电感值为1μH时，所述高频电感的自谐频率大于245MHz；
当电感值为10μH时，所述高频电感的自谐频率大于55MHz；
当电感值为100μH时，所述高频电感的自谐频率大于15MHz；
当电感值为1000μH时，所述高频电感的自谐频率大于4MHz；
所述高频电感的制备方法为：
步骤1：将各原料按照比例配料并混合后，将混合物料加入圆形造球机，并打开水阀，使水呈雾化状喷入粉料，进行造球，造球后，得到球状原料；
步骤2：将步骤1得到的球状原料放入回转炉，进行假烧，假烧温度为1000℃，假烧时间为2小时，假烧完成后得到一次烧结物料；
步骤3：将一次烧结物料投入振动磨机振磨破碎，随后利用喷雾干燥塔进行喷雾造粒，喷雾造粒后过筛，选择粒径处于40～180μm的范围内的物料，随后将上述物料压制成直径为2.0mm，长度为4.2mm的圆柱形物料，随后切槽加工，槽的深度为0.3mm，槽的长度为0.75mm，槽数为3个，且3个槽的间距相同；
步骤4：将步骤3进行切槽加工后的物料放入隧道炉烧结，烧结温度为1075℃，烧结时间为4小时，烧结完成后，得到高频电感。
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