CN1523616A - 防止电磁干扰的组合式滤波元件及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防止电磁干扰的组合式滤波元件及其制造工艺；防止电磁干扰的组合式滤波元件包括陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料两部分，这两部分依层体设计方式经交错堆叠复合组成；防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺如下：a.分别制备陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料，b.将陶瓷低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序成一层体；c.将铁氧磁体低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序制成一层体；d.将陶瓷层体及铁氧磁体层体依设计方式经交错堆叠、热水均压、切割、烧结、去毛边，端电极工序而制成防止电磁干扰的组合式滤波元件。
Description
技术领域：
本发明涉及一种防止电磁干扰的组合式滤波元件及其制造工艺，特别是涉及一种利用陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料制作的防止电磁干扰的组合式滤波元件及其制造工艺。
背景技术：
陶瓷材料在电阻、电容、电感等被动电子元件的应用上随处可见，不论是信息、通讯或军事均不可避免使用陶瓷电子元件。芯片型电子零件主要制造方式有薄膜及厚膜两种，在厚膜制造上，陶瓷材料提供MLCC所需的高介电值及稳定耐候的载体，目前低介电值陶瓷(Al2O3)更是高频芯片型电感的主流材料。在薄膜电子零件制造上，陶瓷材料也是主要的基板或载体来源。目前以陶瓷材料为基础的电子元件发展方向主要有：①小尺寸、多层数、高单位体积之电容值或电感值，以满足电子产品的往短小轻薄及高功能密度发展。②往模块化发展，用被动网络元件(network components)的方式，整合数个被动元件于单一芯片内，以减少线路板PCB上被动元件的数目及使用面积，降低成本，同时可以提高性能表现与可靠度。先进制造工艺技术发展者认为，以上两种发展趋势为人类实现对新颖电子产品欲望的阶段性技术演进，较具未来性的解决方案，为朝向模块化制程发展，其历程为首先整合所有被动元件(电阻、电容、电感、传输线及匹配线路)，接下来为整合的功能性模块，再来是整合异介质的功能性模块。
现今低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics；LTCC)材料及制程技术已经被验证其在无线通讯、卫星通讯、线路封装、车用电子等均有优势的应用利基。低温共烧陶瓷是由高温共烧陶瓷演进而来，由于添加玻璃填充物之故，使得陶瓷体的烧结温度可以降低至850-950℃之间，如此就可以搭配高导电性金属涂料共烧，例如金、银、铜、银-钯等，实现高品质因素(Q factor)线路。若搭配3D多层结构，更可实现小尺寸及特殊规格设计，如今已经成为无线通讯元件或线路制程的选择之一，如晶片滤波元件、晶片天线、功率放大器、蓝芽模块等。
塑料材料目前仍然是多层集成电路板(BGA)的主要材料，但低温共烧陶瓷LTCC技术基于：①可以整合被动元件电阻、电容、电感。②可整合被动电路，例如滤波元件合匹配线路。③高密度连结(interconnection)，可缩减线路尺寸，并大幅度的降低成本，被视为无线及宽频通讯模块的最佳实现技术之一。所以如果能扩充使用群及发展支持工具，增进设计者对陶瓷优点与应用的了解，进而扩大低温共烧陶瓷的应用面，未来低温共烧陶瓷制程技术是可以成为设计者心中的主流技术。
1901年后，日本及欧美被动元件大厂开始利用单一陶瓷材料或铁氧磁体材料制作较简单的LC滤波元件(T type filter、兀typefilter)，由于当时的技术及制程能力不足，所制作的滤波元件尺寸较大，多数用于FM、AM广播系统。近年来随着通信频率提高，陆续有蓝芽Bluetooth、宽频无线局域网络WLAN相关的滤波元件问世，其制程多为利用积层式低温共烧陶瓷LTCC制作，所使用的材料为不同较低介电值(K＝4.7～13)陶瓷材料。
有关陶瓷(Ceramic)-铁氧磁体(Ferrite)复合材料低温共烧所制作的LC滤波器，于五年前日本TDK有发展出类似陶瓷-铁氧磁体复合材料的滤波元件，但是山于电气特性不是很好。近年日本电气硝子公司及韩国CerateCh.也发展出类似TDK的异介质共烧技术，但是其低温共烧技术不佳，往往造成样品龟裂或是翘曲。故而目前国内外被动元件大厂正重新积极从事此类低温共烧的材料开发，目的是利用异介质材料特性，增加滤波元件的电磁偶合，制作出体积较小的滤波元件。以个人计算机的噪声为例子来说明，计算机内有交换式电源及交换动作的IC等等很多的噪声发生源，且又分散在整体机器内，另外因为计算机内有很多小接地板，无法期待利用接地之噪声对策的效果显著，加上所发生的噪声会有一般两端子构造的电容器或电感器无法滤波的频率等等。因此针对计算机的噪声对策，经常是使用让设计本身产生较小噪声的设计及使用EMI滤波器去除噪声，利用屏蔽罩(Shield)消除辐射噪声。EMI滤波器通常是指由电感器和电容器所组合而构成的低通滤波器，低通滤波器可以由仅使用电容器及电感器的情形，到使用数个电感器和电容器所组合而成，有各种不同型态的电路元件成品，积层晶片EMI滤波器即是将数个积层晶片电感器与积层晶片电容器，经电路设计及积层晶片元件制程整合为一体，具有单石结构(Monolithic structure)且小型化(尺寸3.2×1.6mm)，适用于表面粘着技术。
就材料对滤波元件的电气特性分析。若利用一般LTCC制程的陶瓷材料制作滤波元件，其插入损失insertion loss(dB)对频率Freq.(Hz)的图形中，我们可以看见从3db～20dB的插入损失区间，其频宽高达600MHz以上，此元件无法用于通信类产品的授话系统滤波。再则若利用陶瓷材料所制作符合Bluetooth(2.45GHz)或WLAN(5.0GHz)安规的高频滤波元件，其实没有必要。因为当信号频率太高会影响PCB机版外围的主、被动元件正常运作时，通常RFLayout工程师会直接用铝箔或铜箔等金属材料将高频讯号隔离，不需利用昂贵的滤波元件。相反的，若利用单一的铁氧磁体材料制作滤波元件，其元件的频率通常不高(33k～300MHz)，原因是该材料缺乏提供电容值的陶瓷介电材料。但是此类低频滤波元件，一般被制作成低通滤波元件Low Pass Filter，大量用于音响、广播、麦克风等语音系统的低音低频噪声的滤除。
发明内容：
本发明的任务是提供一种利用陶瓷-铁氧磁体复合材料制作的防止电磁干扰的组合式滤波元件并提供其制造工艺。陶瓷Ceramic提供电容性、铁氧磁体Ferrite提供电感性，利用多种LC线路设计于一只元件中，可以将该滤波元件的尺寸缩小。当然，要缩小3dB～20dB的插入损失区间的频宽，可以利用密集性的多个电容、电感设计于一个元件中。共烧技术除了陶瓷可以提供电容性、铁氧磁体可以提供电感性外，若整合成为LC滤波元件将拥有防止电磁干扰的功能。若将此一异介质低温共烧技术发展成为模块化电子产品上，不但可以避兔电磁兼容性(EMC)的复杂设计，同时还可以将模块小型化。
为了实现上述所要解决的发明目的，本发明采如下技术方案。
本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件，包括陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料两部分，这两部分依层体设计方式经交错堆叠复合组成。
本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺由下列工艺步骤制成：
a.分别制备陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料，
b.将陶瓷低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序成一层体；
c.将铁氧磁体低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序制成一层体；
d.将陶瓷层体及铁氧磁体层体依设计方式经交错堆叠、热水均压、切割、烧结、去毛边，端电极工序而制成防止电磁干扰的组合式滤波元件。
本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件，它主要是由陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料两部分，依层体设计方式经交错堆叠复合组成。陶瓷低温共烧材料，是根据介电常数值来调配适当比例的陶瓷粉及二氧化硅，并添加适当比例的硼砂来增加结构强度；铁氧磁体低温共烧材料，是根据初导磁率值来调配适当比例的三氧化二铁、氧化镍、氧化锌及氧化铜组成。防止电磁干扰的组合式滤波元件制造方法如下，首先依介电常数值来调配适当比例的陶瓷粉及二氧化硅，并添加适当比例的硼砂，依适当比例放入内含不同粒径氧化钴球的球磨罐中之后，添加适量的乙醇、甲苯及分散剂，球磨机设定低转速，研磨成适当粒径，陶瓷低温共烧浆料中粉体粒径控制在0.13-0.23μm，再取适量浆料添加适量粘结剂及适量塑化剂，均匀混合成陶瓷低温共烧浆料；依初导磁率值来调配适当比例的三氧化二铁、氧化镍、氧化锌及氧化铜，取适量铁氧磁体配方粉体加入适量离子水及适量分散剂，均匀搅拌后烘干制程粉末，将粉末煅烧750℃，持温2小时，取煅烧完成的适量粉沫添加适量乙醇、甲苯及分散剂，至内含不同粒径氧化钴球的球磨罐中研磨成适当粒径，铁氧磁体低温共烧浆料中粉体粒径控制在0.45-0.50μm，取适量浆料添加适量粘结剂及适量塑化剂，均匀混合成铁氧磁体低温共烧浆料，而后下列方法步骤为：a.将陶瓷低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序成一层体；b.将铁氧磁体低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序制程成一层体；c.将陶瓷层体及铁氧磁体层体依设计方式经交错堆叠、热水均压、切割、烧结、去毛边，端电极制造工序而制成防止电磁干扰的组合式滤波元件。
附图说明：
图1为本发明实施例方式一的内电极设计及堆叠示意图。
图2为本发明实施例方式二的内电极设计及堆叠示意图。
图3为本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件外观示意图。
图4为本发明实施例方式一的电气特性曲线图。
图5为本发明实施例方式二的电气特性曲线图。
图6为本发明实施例烧结曲线图。
附图中：1、2、7、8、9、内印刷电极 3、6、10、14、空白层4、11、铁氧磁体层 5、12、13、陶瓷层 15、17、输入/输出端极 16、接地端
具体实施方式：
下面结合附图和实施例进一步说明。
防止电磁干扰的组合式滤波元件，它主要包括有陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料两部分，依层体设计方式经交错堆叠复合组成陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料制成。在陶瓷低温共烧材料方面，有依介电常数值来调配适当比例的陶瓷粉(Ceramic)及二氧化硅(SiO2)，并添加适当比例的硼砂(Na2B4O7*6H2O)来增加结构强度。
表1
| K＝12 | K＝27 | K＝36 | K＝50 | |||||
| wt(g) | wt％ | wt(g) | wt％ | wt(g) | wt％ | wt(g) | wt％ | |
| 陶瓷粉K＝100 | 75.0 | 66.37 | 100.0 | 72.46 | 220.0 | 85.27 | 320.0 | 92.7 |
| SiO2 | 30.0 | 26.55 | 30.0 | 21.74 | 30.0 | 11.63 | 20.0 | 5.8 |
| Na2B4O7*6H2O | 8.0 | 7.08 | 8.0 | 5.80 | 8.0 | 3.10 | 5.3 | 1.5 |
| 合计 | 113.0 | 100.00 | 138.0 | 100.00 | 258.0 | 100.00 | 345.3 | 100.00 |
表2
| μi＝25 | μi＝100 | μi＝500 | μi＝750 | |||||
| wt(g) | mol％ | wt(g) | mol％ | wt(g) | mol％ | wt(g) | mol％ | |
| Fe2O2 | 334.71 | 48.20 | 329.60 | 48.00 | 327.74 | 48.24 | 327.47 | 48.30 |
| NiO | 145.60 | 44.83 | 77.34 | 24.08 | 32.68 | 10.28 | 21.97 | 6.93 |
| ZnO | 6.56 | 1.85 | 61.80 | 17.66 | 108.48 | 31.34 | 112.02 | 32.43 |
| CuO | 17.70 | 5.12 | 35.06 | 10.25 | 34.31 | 10.14 | 41.67 | 12.34 |
| 合计 | 504.57 | 100.00 | 503.80 | 100.00 | 503.21 | 100.00 | 503.13 | 100.00 |
请参见表1所示为本发明实施例四种介电常数值的陶瓷低温共烧材料配方表，陶瓷低温共烧材料实施例四种不同介电常数的共烧配方，分别是K＝12、27、36、50，此4种陶瓷配方皆可交互堆叠后得到最佳的共烧结合，而该二氧化硅与硼砂的重量比约为3.75比1。在铁氧磁体低温共烧材料方面，请参见表2所示，本发明实施例四种初导磁率低温共烧配方表，本发明发展出4种不同初导磁率铁氧磁体低温共烧配方分别为μi＝25、100、500、750，此4种配方皆可与陶瓷层作交互堆叠。
防止电磁干扰的组合式滤波元件的实施例中，内电极设计及堆叠方式，可参见图1、图2所示，图中的空白层3、6、10、14，为铁氧磁体材料层。图3为本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件外观示意图，如图所示可以清楚的看到防止电磁干扰的组合式滤波元件外观形状及输入/输出端极15、17和接地端极16的结构、位置关系。
本发明涉及利用陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料制作的防止电磁干扰的组合式滤波元件的制造工艺。以实施例方式说明如下：
A.陶瓷低温共烧材料
1.取上述陶瓷配方(本实施例取K＝27)依适当比例(本实施例为2倍比例)放入内含不同粒径(本实施例为Φ30∶Φ10∶Φ3mm＝2∶3∶5)氧化钴球的球磨罐中，之后添加适量的乙醇、甲苯及分散剂(本实施例为108g乙醇、150g甲苯、4.0g分散剂)，球磨机设定低转速(本实施例为20-25rpm)，研磨成适当粒径(本实施例研磨16小时，粒径控制为0.13-0.23um)。
2.取上述适量浆料(本实施例为200g)添加适量粘结剂(本实施例为70g)及适量塑化剂(本实施例2g)均匀混合即成。
B.铁氧磁体低温共烧材料：
1.取上述铁氧磁体配方(本实施例为μi＝500)粉体加入适量(本实施例为300ml)离子水及适量分散剂(本实施例为3g)均匀搅拌。后烘干制成粉末。
2.将粉末煅烧750℃，持温2小时。
3.取煅烧完成的适量粉末(本实施例为400g)添加适量乙醇(本实施例为72g)、适量甲苯(本实施例为108g)、适量分散剂(本实施例为4g)，至内含不同粒径氧化钴球(本实施例为Φ30∶Φ10∶Φ3mm＝2∶3∶5)的球磨罐中研磨成适当粒径(本实施例研磨16小时，粉体粒径控制为0.45～0.50μm)。
4.取上述适量浆料(本实施例为300g)添加适量粘结剂(本实施例为75g)及适量塑化剂(本实施例为3g)均匀混合即成。
本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件系将前述浆料以下述干式、积层式工艺制成，其步骤为：
1.将前制备陶瓷浆料经生胚制带→冲孔→填孔→内电极印刷制成一层体；
2.将前制备铁氧磁体浆料经生胚制带→冲孔→填孔→内电极印刷制成一层体；
3.将前陶瓷层体及铁氧磁体层体依设计方式经交错堆栈→热水均压→切割→烧结→去毛边→端电极制程，从而制成防止电磁干扰的组防止电磁干扰的组合式滤波元件。
上述防止电磁干扰的组合式滤波元件的工艺过程中陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料，材料中含有微量的SiO2将造成电感特性飘移，同时会造成元件的直流阻抗RDC增加。所以在利用陶瓷CeramtC-铁氧磁体Ferrtte材料制作三明治结构电子元件时，要特别注意：陶瓷层需要添加玻璃成分，铁氧磁体层不可添加。再者，为求异介质共烧时能够达到最佳的结合强度，同时需考虑两种材料的粉体粒径及堆栈厚度。在高温烧结状态下粒子与粒子间会因为升温的过程及最高持平温度之设定影响，所以烧结技术的控制及设定是最重要的，图6为本发明实施例烧结曲线图。就陶瓷粉体Ceramic而言，要求粉体粒径较细小(0.13～0.23μm)，介质厚度较薄(20～25μm)，因为在温度＝500℃以上时，原本均匀分散在陶瓷粉体中的玻璃成分会呈现软化现象，此时材料的收缩率最大。故升温时需要特别避开500℃以上的加温时间，然后利用较小的陶瓷粉体粒径来减少材料的收缩性。就铁氧磁体Ferrite而言，一般要求粉体粒径0.45～0.50μm、介质厚度55～65μm即可。由于高温烧结时陶瓷的玻璃填充成分拥有青橄榄时，结晶自然，可以跟铁氧磁体的六角晶状结构紧密结合。此类异介质共烧之升温条件需视样品尺寸大小而有不同的升温曲线，因为大尺寸的样品表面积较大，材料在低温(150～250℃)受热时由于热传导的不均匀，容易造成翘曲现象，故而在低温阶段时需将升温时间拉长。本发明涉及利用陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料制作的防止电磁干扰的组合式滤波元件的制造工艺中所使用的分散剂是德国BYK公司生产，产品型号BYK-111，塑化剂产品型号PEG-400型。
综上所述，本发明所揭露之一种利用陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料制作的防止电磁干扰的组合式滤波元件。陶瓷、陶瓷-铁氧磁体低温共烧复合材料的浆料制备以及防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺。图4为本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件，在采用图1堆叠方式的实施例(电感值50nH\电容值6pH\截止频率\660MHz\最大频率1500MHz\额定电压16V\额定电流700mA\额定电阻150mΩ)电气特性曲线图。图5为本发明防止电磁干扰的组合式滤波元件，在采用图2堆叠方式的实施例(电感值50nH\电容值11pH\截止频率\410MHz\最大频率1000MHz\额定电压16V\额定电流700mA\额定电阻150mΩ)的电气特性曲线图。由图中测试数据表明，本发明排除了已有技术缺点，并达到本发明设计目的。
Claims (8)
1、一种防止电磁干扰的组合式滤波元件，其特征在于：它包括陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料两部分，这两部分依层体设计方式经交错堆叠复合组成。
2.根据权利要求1所述的防止电磁干扰的组合式滤波元件，其特征在于：所述陶瓷低温共烧材料是由介电常数值在10-60范围时，陶瓷粉、二氧化硅、硼砂以60-95∶30-6∶6-1重量百分比组成。
3.根据权利要求1所述的防止电磁干扰的组合式滤波元件，其特征在于：所述铁氧磁体低温共烧材料是由初导磁率值在20-800范围时，三氧化二铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜以48.1-48.4∶44-6∶1.8-32.5∶5-12.5摩尔百分比组成。
4.一种如权利要求1所述的防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺，其特征在于，由下列工艺步骤制成：
a.分别制备陶瓷低温共烧材料和铁氧磁体低温共烧材料，
b.将陶瓷低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序成一层体；
c.将铁氧磁体低温共烧浆料经生胚制带、冲孔、填孔、内电极印刷工序制成一层体；
d.将陶瓷层体及铁氧磁体层体依设计方式经交错堆叠、热水均压、切割、烧结、去毛边，端电极工序而制成防止电磁干扰的组合式滤波元件。
5.根据权利要求4所述的防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺，其特征在于，所述陶瓷低温共烧材料由下述步骤制成：首先在介电常数值在10-60范围时，将陶瓷粉、二氧化硅、硼砂以60-95∶30-6∶6-1重量百分比放入内含不同粒径氧化钴球的球磨罐中，之后添加适量的乙醇、甲苯及分散剂，球磨机设定低转速，研磨，再添加适量黏结剂及适量塑化剂，均匀混合成陶瓷低温共烧浆料。
6.根据权利要求4所述的防止电磁干扰的组合式滤波元件制造工艺，其特征在于：所述铁氧磁体低温共烧材料由下述步骤制成：在初导磁率值在20-800范围时，三氧化二铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜以48.1-48.4∶44-6∶1.8-32.5∶5-12.5摩尔百分比组成铁氧磁体混合物，在铁氧磁体混合物粉体加入适量离子水及适量分散剂，均匀搅拌后烘干制程粉末，将粉末煅烧750℃，持温2小时，取煅烧完成的粉沫添加适量乙醇、甲苯及分散剂，至内含不同粒径氧化钴球的球磨罐中研磨，再加适量黏结剂及适量塑化剂，均匀混合成铁氧磁体低温共烧浆料。
7.根据权利要求5所述的一种防止电磁干扰的组合式滤波元件制造方法，其特征在于：陶瓷低温共烧浆料中粉体粒径控制在0.13-0.23μm。
8.根据权利要求6所述的一种防止电磁干扰的组合式滤波元件制造方法，其特征在于：铁氧磁体低温共烧浆料中粉体粒径控制在0.45-0.50μm。
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