TWI416550B - Composition and method of ferrite material with stable permeability - Google Patents

Description

具穩定導磁率之鐵氧體材料的組成物及方法

本發明係為具穩定導磁率之鐵氧體材料的組成物及方法，尤指一種可藉由本發明中添加微量MgO(氧化鎂)及Bi₂ O₃ (氧化鉍)後，而可降低燒結緻密之溫度至890℃，同時於890℃至910℃溫度範圍可具有穩定的燒結密度與導磁率極高的飽和磁束密度之方法。

電機、電子、通訊產品走向輕、薄、短、小與多功能之趨勢，因此高密度高效率是基本要求，同時也要求薄型化的設計，因而提昇電子線路與零組件之裝配密度，同時也造成更嚴重之電磁干擾(EMI)的問題，因此小型、薄型化的電感器與磁珠被廣泛地使用於輕、薄、短、小的電子通訊產品，所以薄型化之積層晶片電感磁珠元件也成為電子產品中不可或缺之重要零件；這些電感、磁珠元件都是使用鐵氧磁體材料(Ferrite)，由於Ferrite需要在1000℃以上之溫度才能燒結，而晶片電感、磁珠則因為需要與銀導體同時燒結，銀導體的熔點是961℃，所以必需將晶片電感、磁珠燒結溫度降至900℃，傳統上各電感廠商大多是以添加鉛來達到低溫燒結之目的；但歐盟已實施「危害物質禁限用指令」(Restriction of Hazardous Substance，RoHS)與「廢電機電子設備指令」(Waste Electrical and Electronic Equipment，WEEE)，以管制電機電子產品對地球環境造成的負面影響；歐盟的RoHS及WEEE這兩項指令嚴格限制產品中鉛、鎘、汞、六 價鉻及多溴化合物等有害物質之成分，如今在RoHS指令之下，電感及EMI元件也必須無鉛化，所以在低溫(900℃)燒結且無鉛化在技術上是相當大的挑戰；按，日本專利特開2004-161527號公報內提到無鉛化的鎳鋅鐵氧體組成是12-20mole%的Fe₂ O₃ ，10-25mole%的ZnO，其餘mole%的NiO(合計100mole%)，而添加的副成份是0.1-10wt%的Bi₂ O₃ ，0.01-10wt%的SiO₂ ，0.1-5wt%的MgO，此鐵氧體組成是在950-1100℃，燒結2小時才會燒結緻密，作為繞線電感的磁蕊，此專利雖然是無鉛化的鐵氧體，但是既不是低溫900℃燒結，也不是作為積層晶片電感磁珠的材料組成；又日本專利JP2000109325提出在Fe compound(比表面積8.5m² /g以上)，Ni compound與Zn compound(比表面積8.0m² /g以上)，Cu compound等粉體混合(混合後比表面積10m² /g以上)→calcine(比表面積6.0m² /g以上)→粉碎(比表面積8.0m² /g以上)的NiCuZn ferrite鐵氧體，可以在900℃下低溫燒結緻密，而NiCuZn ferrite鐵氧體粉末的比表面積愈大，代表鐵氧體粉末的粒徑愈小，而愈小粒徑的鐵氧體粉末在製作為積層晶片電感與磁珠，不管是在漿料的分散或生胚的製作是愈不容易控制的，因此較大粒徑的NiCuZn ferrite鐵氧體粉末即是較小的比表面積之NiCuZn ferrite鐵氧體粉末是有利於積層晶片電感與磁珠的製作；因此，本案發明人鑑於上述習知技術之缺失，因而乃亟思加以創新開發，終於研發出一種可藉由本發明中添加微量MgO(氧化鎂)及Bi₂ O₃ (氧化鉍)後，而可降低燒結緻密之溫度至890℃，同時於890℃至910℃溫度 範圍可具有穩定的燒結密度與導磁率極高的飽和磁束密度之方法。

本發明之主要目的係提供一種具穩定導磁率之鐵氧體材料的組成物及方法，其包含步驟：第一步驟：混合，其主要組成物為Fe₂ O₃ (氧化鐵)、NiO(氧化鎳)、ZnO(氧化鋅)、CuO(氧化銅)，再添加微量MgO(氧化鎂)及Bi₂ O₃ (氧化鉍)後，並以球磨機混合2~4小時；第二步驟：煆燒，將第一步驟混合後之組成物加以烘乾，再以700℃~750℃煆燒2小時；第三步驟：粉碎，該組成物煆燒後，再以球磨機進行粉碎，其球磨粉碎時間為8小時，而可得細粉碎之磁體粉末；第四步驟：造粒，將該細粉碎之磁體粉末加入0.8wt%之PVA，並混合造粒，製成細小造粒粉顆粒；第五步驟：成型，再將第四步驟之細小造粒粉顆粒置入成型模具中，經成型壓機加壓製成生胚體；第六步驟：燒結，將第五步驟之生胚體置入燒結爐內，經350℃~550℃加熱使生胚體內之有機黏結劑脫脂後，在以890℃、900℃、910℃燒結成為電感磁芯體材料；藉由本發明中添加微量MgO(氧化鎂)及Bi₂ O₃ (氧化鉍)後，而可降低燒結緻密之溫度至890℃，同時於890℃至910℃溫度範圍可具有穩定的燒結密度與導磁率極高的飽和磁束密度。

為使 貴審查員方便簡捷瞭解本發明之其他特徵內容與優點及其所達成之功效能夠更為顯現，茲將本發明配合附圖，詳細說明如下：請參閱第一、二圖所示，本發明之主要目的係提供一種具穩定導磁率之鐵氧體材料的組成物及方法，其包含下列步驟：第一步驟：混合2，其主要組成物21中包含有Fe₂ O₃ (氧化鐵)60-67wt%、NiO(氧化鎳)5-28wt%、ZnO(氧化鋅)4-23wt%、CuO(氧化銅)4-12wt%，混合添加微量MgO(氧化鎂)0.08-0.83wt%及Bi₂ O₃ (氧化鉍)0.33-0.4wt%，再加入200c.c.去離子水、1100g碳鋼珠之不鏽鋼磨球罐中，同時加入0.1g之水溶性分散劑，並以球磨機混合2~4小時22後即可得漿料；第二步驟：煆燒3，將第一步驟之漿料放入烘箱中，並以85℃烘乾31，再將烘乾後之粉體經過60目篩網顆粒化，而形成不結塊之粉末，並將該粉末置入高溫爐中，以4℃/min的升溫速率加熱至700℃~750℃維持2小時煆燒32，經煆燒後之粉末再以60目篩網顆粒化，而形成不結塊之粉末；第三步驟：粉碎4，將第二步驟之粉末再以200c.c.去離子水、1100g碳鋼珠之不鏽鋼磨球罐中之球磨條件進行粉碎，其球磨粉碎41時間為8小時後得到漿料，並將該漿料放入烘箱85℃烘乾，且打散開後過篩網即為乾燥球磨的NiCuZn Ferrite鐵氧體粉末，該乾燥球磨的NiCuZn Ferrite鐵氧體粉末其比表面積為3.97~4.39m² /g；第四步驟：造粒5，取第三步驟之乾燥球磨的NiCuZn Ferrite鐵氧體粉末20g，加入5c.c.的4wt%之聚乙烯醇51(Polyvinylene alcohol)以攪拌混合機混合10分鐘，再經85℃烘乾30分鐘後，以顆粒機顆粒過60目 篩網，即得到造粒之NiCuZn Ferrite鐵氧體粉末；第五步驟：成型6，再將第四步驟的造粒之NiCuZn Ferrite鐵氧體粉末4.0克，置入環狀模具61內，該環狀模具為外徑2.0cm、內徑1.0cm，再將環狀模具置於壓機以2000kg/cm² 的壓力將造粒粉壓製成環狀生胚體62；第六步驟：燒結7，將第五步驟之環狀生胚體置入燒結爐內，先以緩慢2℃/min之加熱升溫速度下，升溫至350℃~550℃停留2小時，將環狀生胚體內之有機黏結劑完全脫脂71後，在以4℃/min之加熱升溫速度，升溫至900℃停留2小時72後停止升溫燒結，成為電感磁芯體材料8，可依需求將燒結溫度調整為890℃或910℃；藉由本發明中添加微量MgO(氧化鎂)及Bi₂ O₃ (氧化鉍)後，而可降低燒結緻密之溫度至890℃，同時於890℃至910℃溫度範圍可具有穩定的燒結密度與導磁率極高的飽和磁束密度；再依下列各個實施例加以詳述本發明之特徵、目的及優點；實施例一：秤取純度99.3%以上的氧化物粉末Fe₂ O₃ (氧化鐵)65.8wt%、NiO(氧化鎳)24.2wt%、ZrO(氧化鋅)4.1wt%、CuO(氧化銅)5.9wt%，且分別量取添加物的組成配置加入，如下表一所示：

分別將這些原材料以上述之步驟進行製作，最後將所得到之電感磁芯體材料8分別燒結至890℃、900℃、910℃之燒結溫度，等爐冷取出環狀試片，以阿基米德原理之方法量測得NiCuZn Ferrite燒結體的密度，以LCR meter測量導磁率μ_i ，以磁滯曲線儀測量飽和磁束密度Bs，如下表二所示：

在實施例1至1F的粉末比表面積測量是3.90至4.76(m² /g)，遠低於8.5(m² /g)，表示無鉛化的NiCuZn ferrite鐵氧體粉末不需要球磨至太小的粉末，即可於900℃燒結緻密，也有利於積層晶片電感、磁珠生胚薄片的製作與網印等製程；請參閱上表二所示，而在燒結溫度900℃時，實施例1B至1F的結果中，有添加0.08wt%以上的MgO與0.33wt%的Bi₂ O₃ 之結果，相較於無添加MgO與Bi₂ O₃ ，及添加0.33wt%的Bi₂ O₃ 實施例1及實施例1A之結果來得高，其燒結密度高於4.85(g/cm³ )且該初導磁率高於25，同時在燒結溫度於890-910℃的溫度範圍，其係燒結密度與初導磁率的差異變化小，故其密度與初導磁率對於燒結溫度於890-910℃的溫度變化，是相對應的穩定；實施例二：秤取純度99.3%以上的氧化物粉末Fe₂ O₃ (氧化鐵)65.3wt%、NiO(氧化鎳)11.4wt%、ZnO(氧化鋅)17.1wt%、CuO(氧化銅)6.2wt%，且分別量取添加物的組成配置加入，如下表三所示：

分別將這些原材料與實施例一之相同步驟進行製作，最後將所得到之電感磁芯體材料8分別燒結至890℃、900℃、910℃之燒結溫度，等爐冷取出環狀試片，以阿基米德原理之方法量測得NiCuZn Ferrite燒結體的密度，以LCR meter測量導磁率μ_i ，以磁滯曲線儀測量飽和磁束密度Bs，如下表四所示：

請參閱上表四所示，而在燒結溫度900℃時，實施例2B至2F的結果 中，有添加0.08wt%以上的MgO與0.33wt%的Bi₂ O₃ 之結果，相較於無添加MgO與Bi₂ O₃ ，及添加0.33wt%的Bi₂ O₃ 實施例1及實施例1A之結果來得高，其燒結密度高於4.95(g/cm³ )且該初導磁率高於239，同時在燒結溫度於890-910℃的溫度範圍，其中以實施例2B的燒結密度為5.12-5.23(g/cm³ )最緻密，且其初導磁率的差異變化最小僅4%，故其密度與初導磁率對於燒結溫度於890-910℃的溫度變化是穩定的；實施例二：秤取純度99.3%以上的氧化物粉末Fe₂ O₃ (氧化鐵)64.9wt%、NiO(氧化鎳)6.2wt%、ZnO(氧化鋅)22.8wt%、CuO(氧化銅)6.1wt%，且分別量取添加物的組成配置加入，如下表五所示：

分別將這些原材料與實施例一之相同步驟進行製作，最後將所得到之電感磁芯體材料8分別燒結至890℃、900℃、910℃之燒結溫度，等爐冷取出環狀試片，以阿基米德原理之方法量測得NiCuZn Ferrite燒結體的密度，以LCR meter測量導磁率μ_i ，以磁滯曲線儀測量飽和磁束密度Bs，如下表六所示：

請參閱上表六所示，在燒結溫度900℃時，實施例3及實施例3B中有添加0.08wt%以上的MgO與0.33wt%的Bi₂ O₃ 之結果，相較於實施例3的無添加MgO與Bi₂ O₃ ，及實施例3A之結果來得高，且其燒結密度是5.16-5.25(g/cm³ )，且初導磁率是632-686，同時在燒結溫度於890-910℃的溫度範圍，以實施例3B的燒結密度最緻密，初導磁率的差異變化最小，所以其密度與初導磁率對於燒結溫度於890-910℃的溫度變化是穩定的；本發明可進一步，與銀膠導體於900℃下共燒，製成積層晶片磁珠與電感；又本發明亦可進一步與溶劑、分散劑、有機塑化劑、黏結劑混合，以刮刀成型製作成生胚薄片，於生胚薄片網印銀導電膏，積層堆疊與熱壓，脫脂後與銀導電膏共燒製作成積層晶片電感與磁珠元件。

為使本發明更加顯現出其進步性與實用性，茲與先前技術作一比較分析如下：

習用缺失：

1、無法在低溫(900℃)下燒結。

2、鐵氧體粉末的比表面積愈大，代表鐵氧體粉末的粒徑愈小，而愈小粒徑的鐵氧體粉末在製作為積層晶片電感與磁珠，不管是在漿料的分散或生胚的製作不容易控制。

本發明優點：

1、可於低溫燒結。

2、鐵氧體粉末不需要球磨至太小的粉末，即可於900℃燒結緻密。

3、具有穩定的燒結密度與導磁率極高的飽和磁束密度。

2‧‧‧混合

21‧‧‧主要組成物

22‧‧‧球磨機混合2~4小時

3‧‧‧煆燒

31‧‧‧85℃烘乾

32‧‧‧700℃~750℃維持2小時煆燒

4‧‧‧粉碎

41‧‧‧球磨粉碎

5‧‧‧造粒

51‧‧‧加入聚乙烯醇

6‧‧‧成型

61‧‧‧置入環狀模具

62‧‧‧環狀生胚體

7‧‧‧燒結

71‧‧‧脫脂

72‧‧‧升溫至900℃停留2小時

8‧‧‧電感磁芯體材料

第一圖係為本發明之步驟流程示意圖。

第二圖係為本發明之細部步驟流程示意圖。

2‧‧‧混合

3‧‧‧煆燒

4‧‧‧粉碎

5‧‧‧造粒

6‧‧‧成型

7‧‧‧燒結

8‧‧‧電感磁芯體材料

Claims (1)

1. 一種具穩定導磁率之鐵氧體材料的組成物，其係由下列重量百分比的組分所組成：Fe₂ O₃ (氧化鐵)60-67wt%、NiO(氧化鎳)5-28wt%、ZnO(氧化鋅)4-23wt%、CuO(氧化銅)4-12wt%、以及MgO(氧化鎂)0.08-0.83wt%、Bi₂ O₃ (氧化鉍)0.33-0.4wt%。