CN1363100A - 软磁粉末与使用该粉末的复合磁材料 - Google Patents

软磁粉末与使用该粉末的复合磁材料 Download PDF

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Abstract

本发明通过使含有软磁粉末和粘合剂的复合磁材料表明两个磁共振以提供一种在高频范围内得到宽带电磁抑制作用的电磁干扰抑制材料。在该复合磁材料中,软磁材料的比表面积保持在预定水平,以显示两个强度互不相同的各向异性磁场。

Description

软磁粉末与使用该粉末的复合磁材料
技术领域
本发明涉及在高频范围具有极好磁损耗特性的磁材料。更具体地，本发明涉及具有有效抑制外来幅射的极佳复导磁率特性的软磁材料，而外来幅射在高频电子部件和电子装置中是一个问题，本发明还涉及使用该软磁材料的复合磁材料。
背景技术
可以高速操作的高集成半导体元件应用得极为广泛。这样的元件实例包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、微处理器(MPU)以及中央处理单元(CPU)。
计算速度和信号处理速度在这些有源元件中是连续处理的。由于经高速电子电路所发射的电信号伴随有很大的电压和电流波动，它们易于产生感应噪音，因此作为外来幅射源。
使电子部件和电子装置重量轻、薄和紧凑也是一种快速无限的趋势。结果，半导体元件已高度集成化，并且电子部件高密度地装在印刷电路板上。
因此，过度密集集成或安装的电子元件与信号线彼此紧密接触，从而与高速信号处理作用配合就很容易诱导高频噪音。由于元件之间的干扰作用，这样高频噪音的产生与泄漏引起故障也是极有可能的。
近年来已指出在电子集成元件和配线板中从电源线到有源元件的外来幅射的发射问题。为了解决上述问题，采用了包括在电源线中插入如具有集总常数的去耦电容器之类元件的对抗措施。
但是，信号通道本身像在高速集成电子元件或配线板中具有集总常数的元件一样起作用，因为产生的噪音涉及谐波部件。因此，基于具有集总常数电路的一般抗噪音措施已变得无效。
因此，本发明的目的是提供一种在高速操作的半导体元件和电子电路中能有效抗外来幅射的软磁材料。
本发明的另一个目的是提供一种作为磁损耗材料的复合磁材料，它可以简单有效地克服在很宽频率范围内的高频外来幅射。
发明内容
根据本发明，提供一种有均匀组成的软磁粉末，该粉末的微粒直径分布曲线有一个最大值，无任何其他的峰和谷，它有两种强度互不相同的各向异性磁场。
在本发明中，优选的是软磁粉末的比表面是0.3米2/克或以上。至少在粉末微粒表面附近有非零磁致伸缩常数的软磁粉末也是优选的。
软磁粉末可以含有扁平形状的粉末微粒。
根据本发明，还提供一种含有软磁粉末和粘合该软磁粉末的粘合剂的复合磁材料，该复合磁材料在两个互不相同的频率范围内有两个磁共振点。
在本发明中，可以根据本发明让软磁粉末在复合磁材料中定向排列。
附图的简要描述
图1是本发明使用的磁粉末的微粒直径分布曲线图；
图2说明用于评价本发明复合磁材料的电磁干扰抑制作用的设备；
图3表明在本发明的一个实施方案中第1号样品的μ-f特性；
图4表明在本发明的一个实施方案中第2号样品的μ-f特性；
图5表明在本发明的一个实施方案中第3号样品的μ-f特性；
图6表明在本发明的一个实施方案中第4号样品的μ-f特性；
图7表明在本发明的一个实施方案中第5号样品的μ-f特性；
图8表明在本发明的一个实施方案中第6号样品的μ-f特性；
图9表明在本发明的一个实施方案中第7号样品的μ-f特性；
图10表明在本发明的一个实施方案中第8号样品的μ-f特性；
实施本发明的最佳方式
首先描述本发明的原理。
本发明的发明者发明了一种在高频下具有很大磁损耗的复合磁材料，并且还发现一种把该复合磁材料放置在外来幅射源附近而能有效抑制由半导体元件和电子电路产生的外来幅射的方法。
关于利用这样的磁损耗衰减外来幅射的机制，近来研究已表明，把等效电阻部件加到用作外来幅射源的电子电路上。等效电阻部件大小和由等效电阻部件大小影响的频率范围取决于磁损耗项μ″与频率分散范围。
为达到外来幅射的较大衰减，需要较大的μ″值和相应于外来幅射大小的μ″分散性。但是，由于在大多数情况下外来幅射的频率分布扩展到很宽的频率范围，所以在通常磁损耗材料中涉及的μ″值频率分散性不能充分补偿外来幅射。
实施本发明就可解决如上描述的那些现有的问题。
为了克服在宽频率范围内的外来幅射，应该研制一种软磁粉末，这种粉末可以在很宽的频率范围内提供所要求的各向异性磁场(Hk)的强度。一种获得这样磁粉末的方法是将多种磁粉末混合在一起，每种有彼此不相同的各向异性磁场(Hk)的强度。但是，本发明人曾发现一种获得磁粉末的较简单的方法，而该粉末含有单一组分，但有两个互不相同的各向异性磁场(Hk)的强度。
本发明软磁粉末有均匀的组成，该粉末的微粒直径分布曲线有单一的最大值，没有任何其他的峰和谷，它还具有两个彼此强度不同的各向异性磁场。软磁粉末含有扁平形状的微粒，它的比表面积是0.3米2/克。在微粒表面附近组成的磁致伸缩常数大于零。
复合磁粉末含有软磁粉末和粘合剂，并且在两个互不相同的频率范围内有两个磁共振。软磁粉末微粒在复合磁粉末中是定向排列。
本发明的磁粉末基于发现粉末特性的差异(区分成非均匀微粒)，这是通过将有均匀组成的原磁材料磨碎成具有规定的比表面积或更大比表面积的粉末达到的。这种现象的细节在S.Yoshida等人在《应用物理杂志》(J.Appl.Phys.，)第85卷，第8期，第4634-4638页(1999)中已描述。
当有均匀组成的原磁材料具有规定的比表面积或更大比表面积时，则就具有两个互不相同的各向异性磁场(Hk)的强度。下面将描述其理由。
在软磁粉末中抗磁性磁场强度和微粒在磁因子之间涡流流动取决于粉末微粒外形。例如，采用雾化方法制备的各向同性磁粉末在高频范围内获得良好的磁性质是非常困难的，因为由于这种粉末微粒构形所引起的铁磁磁场变成各向同性，同时在相对低的频率范围具有涡流磁损耗。
当采用机械方法研磨微粒为各向同性构形的粉末时，则随着机械研磨，粉末微粒构形逐渐地变成扁平而导磁率获得很大改善。这是除了因粉末微粒扁平表面横向长度短，或厚度减小，通过表面薄膜作用大大降低涡流损耗之外，还因为沿着扁平微粒表面的抗磁性磁场显著降低。可认为导磁率的改善是上述两种作用的协同作用的结果。
当进一步进行这种粉末机械磨碎时，在变平的微粒表面产生裂纹，使粉末变成含有扁平微粒的更细粉末。当采用机械磨碎方法使粉末微粒变平时，粉末的比表面积与磨碎时间成比例增加。这意味着可以通过改变磨碎时间得到具有不同比表面积的扁平磁粉末。
另外，通过改变原料粉末材料的微粒直径或比表面积，也可以得到具有不同比表面积的扁平磁粉末。
本发明的发明人已生产出多种具有各自比表面积的代表性Fe-Si-Al和Ni-Fe合金软磁粉末的扁平粉末，他们还研究过其磁性质。本发明人还发现，当表面积超过规定的水平，在较高频率范围出现附加的磁共振。换句话说，除了在取决于组成、微粒构形以及残余应力的频率处出现现有的磁共振之外，还出现了由于较大磁各向异性的磁共振。虽然在某种程度上采用源于磁材料组成的磁致伸缩常数大小易于表达这种现象，但在具有Fe-Si-Al和Ni-Fe组成的扁平粉末中在比表面积为0.3米2/克或以上时可将其看作有代表性的软磁金属。
由于某些原因，用二项式分布表达变平磁粉末的外形因素，如微粒直径分布或微粒的纵横比时，例如两种具有互不相同的各向异性磁场(Hk)的粉末混合在一起时，所观察的现象与这种现象根本不同。换句话说，本发明的现象是，每个复导磁率μ′和μ″曲线在μ-F特性中有两个峰。这种现象与将两种具有彼此不同表面组成的粉末混合所出现的现象也根本不同，因为粉末微粒表面附近的体积相对于粉末总体积是不可忽略不计的。
每单位质量的表面积比例，即比表面是表达两个磁共振点的主导因素，这些共振点据推测归因于表面磁各向异性。但是，表面积表达两个磁共振点的程度是不同的，取决于其他的引起表面磁各向异性的因素，例如磁弹性作用或磁致伸缩常数大小，以及粉末中残余应力大小。因此，难以确定关键的表面积。
但是，当粉末具有较大的各向异性的磁弹性作用时，使两个磁共振点出现成为可能的表面积似乎降低了。因此，在相对小表面积处常常观察到两个磁共振点，因为可推测基本上大的残余应力是由机械研磨时的研磨和变平的粉末所引起的。
总而言之，通过详细说明具有均匀组成和微粒直径分布的软磁粉末的关键表面积，可在本发明中阐明各向异性磁场(Hk)的两个不同强度，并得到了宽带μ″-分散性特性。
下面描述本发明中使用的原料。本发明中使用的有代表性的软磁粉末实例包括金属软磁材料粉末，例如Fe-Al-Si合金(铝硅铁粉)、Fe-Ni合金(镍铁导磁合金)或通过磨碎处理、伸长处理或雾化制粒所制备的无定形合金。
本发明还可以使用氧化物软磁材料粉末，例如尖晶石类铁酸盐、平面类铁酸盐、赤铁矿、磁铁矿以及磁赤铁矿。
具有极佳柔性和耐火性的氯化聚乙烯可以用作为获得本发明复合磁材料的亚-材料(sub-material)的粘合剂，因为复合磁材料用于电子电路附近。除了氯化聚乙烯外可得到的有机粘合剂包括热塑性树脂和热塑性弹性体如聚酯树脂、聚乙烯树脂、氯化聚乙烯树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚氨酯树脂、纤维素树脂、ABS树脂、乙烯-乙酸乙烯酯树脂、丙烯腈-丁二烯基橡胶、苯乙烯-丁二烯基橡胶和硅氧烷橡胶，以及热固化树脂如环氧树脂、酚醛树脂和酰胺树脂和酰亚胺树脂。
除了上述树脂之外的树脂也可用作本发明的粘合剂，只要该树脂是具有适当粘合性质和柔性的热塑性树脂和热固化树脂。
为获得本发明复合磁材料，对组成元素的捏和与分散方法没有特别限制。如果必要，可以基于使用的粘合剂性质和生产步骤难易程度选择优选的方法。
下面将描述本发明的实施例。Fe-Al-Si合金粉末含有以重量计9.8％Si、5.9％Al和其余量的铁，Fe-Ni合金粉末含有以重量计80％Ni和20％Fe，在这些实施例中它们都用作扁平形状的软磁粉末。磨碎机和棒-磨机已用于将这些合金伸长和研磨成扁平状的粉末。磁铁矿粉已用作不规则形状软磁粉末的实例。
为了从软磁粉末制备复合磁粉末，首先称量并混合90％(重量)软磁粉末、10％(重量)氯化聚乙烯树脂作为粘合剂和50％(重量)甲苯以制成膏体。然后，采用医生刀片方法将膏体涂成薄膜，该薄膜在热压之后在85℃固化24小时。
实施例1
使用上述组成制备三种具有不同比表面积的Fe-Al-Si合金粉末。采用BET法测量的这些样品的比表面积分别是0.67米2/克、1.33米2/克和0.17米2/克。
图1表明比表面积0.67米2/克的Fe-Al-Si合金粉末的微粒直径分布。图中显示的微粒直径分布曲线有一个最大值，没有任何其他的峰和谷，这表明该合金粉末具有单模式微粒直径分布。其他合金粉末的微粒直径分布曲线也显示类似的图样。通过分析粉末可认为，合金粉末微粒表面含有与原料本体组成相比过量的铁。
采用上述方法将这些合金粉末制成复合磁材料片，以便评价它们的特性。为了简便起见，将含有比表面积分别为0.67米2/克、1.33米2/克和0.17米2/克合金粉末的样品分别称之第1号、第2号和第3号样品。
这些样品用振动样品型的磁力计和扫描电子显微镜进行分析。由分析结果发现，微粒易磁化轴和微粒取向是在样品面上。为了证实这些复合磁材料的性能，曾研究过这些样品的导磁率-频率(μ-f)特性和电磁干扰的抑制效果。在测量μ-f特性时，在将制成环形的复合磁材料插入试验夹具以构成一圈线圈之后，测量每个复合磁材料样品的阻抗，从而测量出复导磁率μ’和μ″。
如图2所表明的，用铜板13支撑复合磁材料方片11，其尺寸为厚度2毫米、边长200毫米，可制得评价样品15。为了评价电磁干扰的抑制作用，使用线圈直径为1.5毫米的小线圈发射和接受天线19和21，分别作为使用电磁波源振荡器17的波源元件和接受元件。网络分析器(电磁场强度测量装置)23用于测量复合磁材料性能的耦合水平。
参看图3和4，第1号样品和第2号样品表明在整个宽带的高频范围处的大μ″值，这是因为在μ’和μ″曲线上分别得到一对两个共振点31、32和33、34。相反地，如图5所表明的，第3号样品的μ″值没有散布成宽带，并显示出如复合磁材料中通常观察到的μ-f特性。
这些结果表明，对于使用具有相对小的比表面积合金粉末的复合磁材料，观察到仅一个共振点时，而对于使用具有相对大的比表面积合金粉末的复合磁材料，可清楚地观察到两个磁共振点31、32和33、34，尽管该粉末具有单模式微粒直径分布曲线。因此，磁损耗术语μ″也表明在宽带范围内有两种分散。两个共振点的表达对于具有较大比表面积的合金粉末变得比较明显。换句话说，使用比表面积0.1米2/克或以上的合金粉末的第1号样品和第2号样品，在高频范围内有宽带磁损耗特性。
下面将描述在每个样品中μ″的分布和电磁干扰的抑制作用。相对于铜板(零分贝)而言，可用信号衰减水平确定如本文使用的电磁干扰抑制作用水平。表1列出这些结果。
                         表1
 样品1   样品2    样品3
    μ″分布  宽   宽    窄
信号衰减水平 800MHz  7.0dB   6.5dB    6.9dB
1.9GHz  8.0dB   7.5dB    2.5dB
表1清楚地表明下述作用。
第1号样品和第2号样品在800MHz和1.9GHz带处显示出良好的电磁干扰抑制作用，而第3号样品在1.9GHz带处基本上显示出很差的电磁干扰抑制作用。
因此，可以意识到本发明μ″分布的扩展作用对于在宽频率范围内抑制外来幅射是非常有效的。
实施例2
下面描述使用Fe-Ni合金粉末作为软磁粉末的实施例。在本实施例中，采用与实施例1相同的方法，使用比表面积分别为0.13米2/克、0.47米2/克和0.61米2/克的含有扁平形状微粒的合金粉末，制备出复合磁材料。所有粉末都证实为单模式微粒直径分布曲线。
为方便起见，将含有比表面积分别为0.13米2/克、0.47米2/克和0.61米2/克合金粉末的样品分别称之第4号、第5号和第6号样品。
在图6、7和8分别示出了第4、5和6号样品导磁率特性的评价结果，下面将讨论这些结果。使用具有相对小比表面积的合金粉末的第4号样品，观察到仅一个共振点，而使用具有相对大比表面积的合金粉末的第5和6号样品，观察到两个磁共振点，尽管它们具有单模式微粒直径分布曲线。另外，当比表面明显更大些时，两个共振点变得更明显。因此，磁损耗项μ″扩展到整个宽带，因为它具有两个分散点。
实施例3
使用实施例1和2中描述的扁平形状磁粉末。但是，因为认为两个磁共振点的表达认为是由于粉末微粒表面的磁各向异性，所以粉末含有非-扁平微粒时可以表达同样的现象。下面描述该实施例。制得有不规则形状微粒和单模式微粒直径分布曲线的磁铁矿(Fe3O4)粉末作为磁粉末。还使用具有比表面积为0.20米2/克和1.3米2/克的磁粉末，以及如实施例1描述制得的含有复合磁材料的样品，这些样品分别称之第7号样品和第8号样品。
由图9和10示出的第7号和第8号样品导磁率特性评价结果，可以看到，使用具有相对小的比表面积的磁粉末的样品表达出两个共振点，尽管该粉末具有单模式微粒直径分布曲线。
自此描述的实施例表明，当磁粉末的比表面积达到预定的水平时，甚至对于具有均匀组成和单模式微粒直径分布曲线的磁粉末，在高频率范围都出现附加的磁共振点。这意味着，除了取决于组成、形状和残余应力的一般磁共振点之外，还会出现基于磁各向异性的磁共振点。
在本发明中，磁粉末也具有均匀的微粒形状和单模式微粒直径分布曲线。
在本发明实施方案中，主要说明了一些有关软磁金属扁平形状细微粒的实施例。但是，当表面积达到某个水平时，对于含有不规则形状微粒(其磁致伸缩常数大于零)的磁粉末，例如磁铁矿，也表达出在含本发明均匀组成的粉末中出现的两个磁共振点。
对于软磁粉末和对于使用本发明粉末的复合磁材料，都可以得到μ″的宽带分散特性，因为甚至磁粉末有均匀组成和微粒直径分布时，在互不相同的频率范围内出现两个磁共振点。该复导磁率μ″是吸收电磁波所必需的磁损耗项。该复导磁率μ″在整个宽带都很大时，则出现良好的噪音抑制作用。
本发明提供了薄的复合磁材料，该材料可有效抑制高频电子装置如利用宽带复导磁率μ″的移动通讯设备中的噪音。
由于构成元件的特性，可以很容易地使应用本发明软磁粉末的复合磁材料变得是柔软的。因此可以将复合磁材料制成复杂外形，并且可以满足了抗振动和抗冲击的严格要求。
工业适用性：
如自此所描述的，软磁粉末和使用该粉末的复合磁材料对于抑制外来电磁波幅射是有效的材料。该材料对于保护电子部件，特别是高速有源元件和高集成印刷线路板不受噪音影响是特别有效的。

Claims (13)

1、一种有均匀组成的软磁粉末，该粉末的微粒直径分布曲线有单一最大值，没有任何其他的峰和谷，它还有两个强度互不相同的各向异性磁场。
2、根据权利要求1所述的软磁材料，该材料具有均匀的组成，有单一最大值但没有任何其他峰和谷的微粒直径分布曲线，以及实现在特性曲线中双模式的虚导磁率的频率变化。
3、根据权利要求1所述的软磁粉末，该粉末的比表面积是0.3米2/克或以上。
4、根据权利要求1-3中任一权利要求所述的软磁粉末，该粉末的磁致伸缩常数至少在粉末微粒表面附近大于零。
5、根据权利要求1-4中任一权利要求所述的软磁粉末，它含有扁平形状的粉末微粒。
6、根据权利要求1-5中任一权利要求所述的软磁粉末，它含有金属软磁材料或氧化物软磁材料。
7、根据权利要求6所述的软磁粉末，其中金属软磁材料是Fe-Al-Si合金、Fe-Ni合金或无定形合金中的任何一种，而氧化物软磁材料是尖晶石类铁酸盐、平面类铁酸盐、赤铁矿、磁铁矿以及磁赤铁矿中的任何一种。
8、一种复合磁材料，该材料含有具有均匀组成的软磁粉末，该粉末的微粒直径分布曲线有单一最大值，没有任何其他的峰和谷，以及有两个强度互不相同的各向异性磁场，和用于粘合软磁粉末的粘合剂，该复合磁材料在两个互不相同频率范围内有两个磁共振点。
9、根据权利要求8所述的复合磁材料，其中软磁粉末微粒定向排列。
10、根据权利要求8或9所述的复合磁材料，其中软磁粉末的比表面积是0.3米2/克或以上。
11、根据权利要求8-10中任一权利要求所述的复合磁材料，其中软磁粉末的磁致伸缩常数至少在粉末微粒表面附近大于零。
12、根据权利要求8-11中任一权利要求所述的复合磁材料，其中软磁粉末含有扁平形状的粉末微粒。
13、根据权利要求8-12中任一权利要求所述的复合磁材料，其中粘合剂是有机粘合剂。
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