WO2024093990A1 - 磁性材料和包含其的多层电感器 - Google Patents

磁性材料和包含其的多层电感器 Download PDF

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magnetic
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ferrite
multilayer inductor
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张宏年
张日胜
庞文善
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斯特华(佛山)磁材有限公司
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    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils

Definitions

  • the present invention relates to the field of electronic devices, and in particular to a multilayer inductor structure for power applications.
  • the multilayer inductor is used for voltage and current conversion of power transmission, impedance matching of data transmission and processing, and filtering of electromagnetic interference.
  • inductors can be generally divided into: winding type inductors, which are manufactured by winding a coil on a ferrite core and forming electrodes at both ends thereof; and multilayer type inductors, which are manufactured by printing inner electrodes on a magnetic layer or a dielectric layer and then stacking the magnetic layer or the dielectric layer.
  • a multilayer inductor includes a multilayer body formed of a plurality of magnetic sheets having an internal electrode of a coil pattern formed on one surface thereof.
  • the body material or core material ferrite materials are usually used, and as the electrode material, metals such as silver are usually used.
  • the sintering temperature of the core is usually below 900°C, which is lower than the melting point of silver (about 963°C). Therefore, additional components need to be added, which will reduce the core magnetic properties. In addition, high core resistance is required to insulate the silver conductive traces, which will also reduce the magnetic properties.
  • CN112341179A proposes a high-frequency manganese-zinc ferrite material, which includes a main crystal phase and a doped crystal phase, wherein the doped crystal phase is uniformly doped in the grain boundary and the main crystal phase.
  • CN107004478A proposes a magnetic material, which includes a magnetic phase and a grain boundary phase, wherein the grain boundary phase includes at least one metal and has a lower melting temperature than the magnetic phase.
  • CN106486236A proposes a magnetic core material, which includes a crystalline phase and an insulating film, wherein the insulating film surrounds the crystalline phase.
  • the present invention is directed to providing a magnetic material for a magnetic core of a multilayer inductor, in which grain boundary resistance at a low sintering temperature can be improved and the proportion of non-magnetic material can be minimized by adding a specific inorganic additive to the magnetic material to assist the formation of magnetic powder.
  • the inventors of the present invention have discovered that the sintering of ferrite materials can be promoted by using dissolution-promoting elements such as Si, Bi, and Ca.
  • Si can promote the low-temperature sintering of ferrite and form high-resistance precipitates at the grain boundaries.
  • Bi can form a low-melting-point phase to promote the growth of ferrite particles.
  • the sintered particle size is reduced, the grain boundary resistance is increased, the Fe ratio is reduced, and the generation of Fe2 + in the ferrite is reduced;
  • Ca can also increase the grain boundary resistance and play a dissolution-promoting role together with the Si element to achieve the purpose of lowering the sintering temperature; and, by increasing the high-resistivity Ni content, the overall resistance can be improved, thereby completing the present invention.
  • Another aspect of the present invention relates to a multilayer inductor that can achieve excellent magnetic characteristics or magnetic flux density by improving its core material.
  • a magnetic material for a magnetic core of a multilayer inductor which is formed by sintering an oxide for forming a ferrite material and a doped oxide, characterized in that the magnetic material has a crystal structure, and the doped oxide is distributed on the grain boundaries of the crystal structure in the form of a doped phase, and the content of the doped oxide is less than 5 weight % based on the total weight of the magnetic material.
  • the doped oxide comprises silicon dioxide, bismuth oxide, optionally calcium oxide, or a combination thereof.
  • the magnetic material comprises a ferrite material forming grains in a crystal structure, and the main material is Fe 2 O 3 .
  • the ferrite material further comprises at least one selected from the group consisting of Mn 3 O 4 , NiO, CuO, and ZnO as an additive.
  • the ferrite material is NiCuZn ferrite, and the chemical formula is NiCuZnFe 2 O 4 .
  • the content of Fe2O3 may be 62 to 65 weight %; the content of NiO may be 10 to 13 weight %; the content of ZnO may be 19 to 22 weight %; the content of CuO may be 2 to 5 weight %; and the content of Mn3O4 may be 0 to 1 weight %, preferably 0.1 to 1 weight %.
  • the preferred contents of the doping oxides are: SiO 2 : 0.01 to 0.15 wt %; Bi 2 O 3 : 0.1 to 3 wt %; CaO: 0 to 1.5 wt %.
  • a multilayer inductor including a plurality of magnetic layers and metal electrode tracks formed on the magnetic layers, the magnetic layers including the magnetic material for the magnetic core of the multilayer inductor of the present invention.
  • the metal electrode includes silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), or alloys thereof, or composites thereof.
  • a method for preparing the magnetic material of the present invention comprising the following steps:
  • the method further comprises:
  • the oxide used to form the ferrite material includes Fe2O3 and one or more of NiO , Mn3O4 , CuO and ZnO as additives.
  • the step (a) comprises adding Fe 2 O 3 and one or more of NiO, Mn 3 O 4 , CuO and ZnO powders as additives into a ball mill, stirring and mixing them sufficiently, and then spray drying them by a spray granulator.
  • the steps (a) and (c) are performed by a ball mill.
  • the dispersant in step (a) comprises an alcohol dispersant, such as PEG400.
  • the step (c) is carried out by spray drying using a spray granulator.
  • the step (d) is performed by tape casting.
  • the grain boundary resistance at a low sintering temperature can be improved and the proportion of non-magnetic material can be minimized.
  • the sintering temperature of ferrite materials can be reduced, for example, to below 890°C, and a higher surface resistance can be obtained.
  • the equivalent resistance at high frequencies can be increased, and the impedance at high frequencies can also be increased; at the same time, the increased surface resistance also provides higher reliability for circuit design, so that the circuit layout can be closer, and it will not cause a short circuit of the entire product when the power is turned on.
  • the multilayer inductor of the present invention can achieve excellent magnetic characteristics or magnetic flux density.
  • FIG1 is a schematic cross-sectional view of a commonly used multilayer inductor structure
  • FIG2 is a schematic diagram of the microstructure of a magnetic material of the present invention.
  • FIG3 is a SEM image of the microstructure of the magnetic material obtained in Example 1 of the present invention.
  • FIG4 is an EPMA imaging diagram of the magnetic material obtained in Example 1 of the present invention.
  • FIG5 is an inductance-frequency curve obtained by electrical testing of the devices obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 of the present invention
  • Example 6 is an impedance-frequency graph obtained by electrical testing of the devices obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 of the present invention
  • FIG. 7 is a current-inductance curve diagram obtained by conducting electrical tests on the devices prepared in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2.
  • the multilayer inductor of the present invention is described in detail below.
  • the multilayer inductor 100 includes a plurality of magnetic layers 110 and a plurality of metal electrode tracks 120 formed on the plurality of magnetic layers.
  • the material of the magnetic layer can be a magnetic material, that is, a magnetic ceramic material, that is, a ferrite material.
  • the oxide powder used to form the ferrite can include iron oxide powder, and zinc oxide powder, copper oxide powder, nickel oxide powder, etc. as additives.
  • NiZn ferrite materials can be divided into NiZn ferrite materials and MnZn ferrites.
  • a Cu additive can be further included in the NiZn ferrite material to change the formation mechanism of the NiZn ferrite phase and reduce the formation temperature of the spinel phase.
  • the ferrite material contains at least one selected from Mn 3 O 4 , NiO, CuO, and ZnO as an additive in addition to Fe 2 O 3.
  • the ferrite material is NiCuZn ferrite, and the chemical formula is NiCuZnFe 2 O 4 .
  • the content of Fe2O3 may be 62 to 65 weight %; the content of NiO may be 10 to 13 weight %; the content of ZnO may be 19 to 22 weight %; and the content of CuO may be 2 to 5 weight %.
  • the content of Fe2O3 may be 62 to 65 wt%; the content of NiO may be 10 to 13 wt%; the content of ZnO may be 19 to 22 wt%; the content of CuO may be 2 to 5 wt%; and the content of Mn3O4 may be 0 to 1 wt%, preferably 0.1 to 1 wt%.
  • the metal electrode includes silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), or an alloy thereof, or a composite thereof.
  • the magnetic material of the magnetic layer is formed by sintering an oxide for forming a ferrite material and a doped oxide, wherein the magnetic material has a crystal structure, and the doped oxide is distributed on the grain boundary of the crystal structure in the form of a doped phase, and based on the total weight of the magnetic material, the doped oxide
  • the content of the compound is less than 5% by weight.
  • the doped oxide comprises silicon dioxide, bismuth oxide, optionally calcium oxide or a combination thereof.
  • the doped oxide comprises silicon dioxide and bismuth oxide.
  • FIG2 shows a schematic diagram of the microstructure of the magnetic material of the present invention.
  • the magnetic material has a plurality of magnetic grains or crystal phases 210. At the grain boundaries between the grains or crystal phases 210, the above-mentioned doped oxide doped phase 220 is formed.
  • the grains or crystal phases 210 are formed by the above-mentioned ferrite material, such as NiCuZn ferrite crystal phase; and the doped phase 220 is formed by the above-mentioned doped oxide.
  • the grain boundary elements can affect the formation of ferrite and reduce the sintering temperature, and when the temperature drops, they can precipitate in the grain boundary to form a grain boundary phase with high resistivity.
  • the preferred addition amount or content of the doping oxide is: SiO 2 : 0.01 to 0.15 wt %; Bi 2 O 3 : 0.1 to 3 wt %; CaO: 0 to 1.5 wt %.
  • the content of SiO 2 can be 0.01 to 0.12 wt %, 0.02 to 0.10 wt %, 0.03 to 0.08 wt %; the content of Bi 2 O 3 can be 1 to 2.5 wt %; 1.5 to 3 wt %; 1 to 2 wt %; the content of CaO can be 0 to 1 wt %, 0.5 to 1.5 wt %.
  • the content of the doped oxide exceeds the upper limit defined above, it cannot bring about further gain effect, but instead deteriorates the performance of the obtained magnetic material, such as inductance and impedance at high frequencies.
  • doping oxides are as follows. For example, adding an appropriate amount of Bi 2 O 3 to NiZn ferrite can accelerate the ion diffusion rate at a lower sintering temperature and promote grain growth. In addition, at the microstructural level, the material modification is achieved by changing the morphology of magnetic grains and introducing new grain boundary phases through the fluxing effect of Bi 2 O 3 .
  • SiO2 can react with iron oxide to generate iron silicate and produce oxygen during the sintering of ferrite.
  • the melting point of iron silicate is only 1150°C, so it can be used as a flux.
  • adding SiO2 and Bi2O3 in the form of SiO2 ⁇ Bi2O3 can effectively reduce the sintering temperature of NiZn ferrite to 890°C, and can also broaden the frequency band of ferrite and increase the cutoff frequency.
  • SiO2 and CaO can also form SiO2 ⁇ CaO molten glass, which can also reduce the sintering temperature.
  • the above SiO2 ⁇ Bi2O3 and SiO2 ⁇ CaO precipitate in the grain boundary during the cooling process, thereby forming a high resistance compound in the grain boundary. Therefore, adding SiO2 , Bi2O3 and optional CaO can not only reduce the sintering temperature, but also increase the grain boundary resistance.
  • the present invention provides a method for preparing the magnetic material, comprising the following steps:
  • sintering is usually performed at a high temperature of 930° C. to 950° C.
  • the sintering temperature can be reduced to, for example, below 890° C., thereby the inductor core can be co-fired with a metal track such as silver to obtain the multilayer inductor of the present invention.
  • the method is performed as follows:
  • the obtained powder is formed into a cast sheet by tape casting, and then prepared into an integral high-impedance magnetic bead by lamination; subsequently, it is sintered in an air atmosphere, for example, sintered at 890°C for 1 to 3 hours, preferably sintered for 2 hours.
  • step (a) is carried out by ball milling mixing under the conditions of: mixing for 4 to 8 hours at room temperature, and its main function is to mix the powder.
  • the spray drying conditions in steps (a) and (c) are as follows: the air outlet temperature is controlled to be about 100°C.
  • step (c) the amount range of Fe2O3 and additives such as NiO , MnO, CuO, ZnO powder, etc. is as described above for magnetic materials.
  • CaO can be replaced by CaCO3 , which can be converted into CaO during sintering to provide a Ca source.
  • the dispersant in step (a) includes, for example, PEG400, which functions to achieve uniform mixing of the mixed materials.
  • the amount of water used for mixing is not particularly limited, as long as its amount can enable the mixture to be ground.
  • the amount of water can be 30 weight %, that is, the solid content in the mixture can be 70 weight %.
  • step (d) the temperature of the tape casting is about 70°C to 90°C, for example, 80°C.
  • the present invention also provides a multilayer inductor, which includes a plurality of magnetic layers and metal electrode tracks formed on the magnetic layers, wherein the magnetic layers include the above-mentioned magnetic material for the magnetic core of the multilayer inductor.
  • the multilayer inductor of the present invention can increase the equivalent resistance at high frequencies, and can also increase the impedance at high frequencies; at the same time, the increased surface resistance also provides higher reliability for circuit design, so that the multilayer inductor of the present invention can be applied to multiple fields.
  • Fe 2 O 3 analytically pure, Fe 2 O 3 ⁇ 99.5%
  • NiO analytically pure, NiO ⁇ 99.7%
  • SiO 2 analytically pure, SiO 2 ⁇ 99.9%, nano-grade SiO 2
  • Bi 2 O 3 analytically pure, Bi 2 O 3 ⁇ 99.7%,
  • CaCO 3 analytical grade, CaCO 3 ⁇ 99.7%
  • Ball mill planetary ball mill, conventional experimental machine
  • Spray granulator small spray granulator, conventional experimental machine
  • Electron probe (EPMA) test equipment JEOL JXA-8230
  • the obtained magnetic material powder is prepared into a laminated inductor by tape casting, and co-sintered with Ag track (890° C., 2 hours) to obtain the multilayer inductor of Example 1, which has the basic structure shown in FIG. 1 .
  • the magnetic core of the obtained multilayer inductor is subjected to electronic scanning, and its SEM image is shown in FIG3 . It can be seen that the magnetic core of the obtained multilayer inductor has a uniform crystal phase structure.
  • the element distribution analysis of the magnetic core was performed using the EPMA technique, and the image shown in Figure 4 was obtained. It can be seen that the doping elements (Ca, Si and Bi) are distributed as doping phases at the grain boundaries of the crystal phase structure, as shown in the white part of Figure 4.
  • the obtained magnetic material powder was prepared into a multilayer inductor by tape casting, and co-sintered with the Ag track (890° C., 2 hours) to obtain the multilayer inductor of Comparative Example 1.
  • the obtained magnetic material powder is prepared into a laminated inductor by tape casting, and co-sintered with the Ag track (890° C., 2 hours) to obtain the multilayer inductor of Example 2.
  • the impedance tester 4396 is used to test the impedance, and the inductance test is tested using the Agilent 4991 network analyzer.
  • Example 1 The multilayer inductors obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 were tested, and the results are shown in FIGS. 5 to 7 .
  • the high grain boundary resistance formed by SiO 2 ⁇ CaO and SiO 2 ⁇ Bi 2 O 3 after cooling can improve the inductance at high frequencies, so the inductance at high frequencies can also be improved;
  • Example 1 Compared Example 1 with Comparative Example 2, it can be seen that if the doping element of the present invention is added excessively, the inductor -Frequency curve ( Figure 5) shows that although the inductance can be improved, the inductance at high frequency (close to 100MHz) is not improved (Comparative Example 2). On the contrary, the inductance of Example 1 maintains a high value even at high frequency.

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Abstract

本发明涉及磁性材料和包含其的多层电感器。具体而言，其通过将用于形成铁氧体材料的氧化物和掺杂氧化物烧结而成，其特征在于，所述磁性材料具有晶体结构，且所述掺杂氧化物以掺杂相形式分布在所述晶体结构的晶界上，并且，基于所述磁性材料的总重量，所述掺杂氧化物的含量为5重量％以下。根据本发明，所述磁性材料可以改善低烧结温度下的晶界电阻，并可以增大磁性材料的阻抗。

Description

磁性材料和包含其的多层电感器 技术领域
本发明涉及电子器件领域，具体而言，涉及用于功率应用的多层电感器结构体，具体而言，所述多层电感器用于功率传输的电压电流转化，数据传输及处理的阻抗匹配，和电磁干扰的过滤。
背景技术
作为无源器件中的一种，电感器通常可以分为：绕组型电感器，通过将线圈缠绕在铁氧体芯上并在其两端形成电极而制造；多层型电感器，通过在磁层或介电层上印刷内电极然后堆叠磁层或介电层而制造。
近年来，由于厚膜印刷工艺和LTCC材料发展，需要无源器件如电阻、电容和电感进一步小型化。作为小型电路板中尺寸小型化和低成本的最佳SMT电感器的解决方案，与绕组型电感器相比，多层型电感器逐渐取得主导地位。
通常，多层电感器包括多层本体，其由多个磁性片形成，该磁性片具有在其一个表面上形成的线圈图案的内部电极。
作为本体材料或磁芯材料，通常使用铁氧体材料；而作为电极材料，通常使用银等金属。在将电感磁芯与银等金属轨道共烧得到整体结构时，磁芯的烧结温度通常要在900℃以下，这低于银的熔点(约963℃)。因此，需要加入额外的组合物，这将降低芯磁性能，此外，需要高芯体电阻来绝缘银导电迹线，这也将降低磁性能。
现有技术中存在多种改进此种磁性材料的技术。例如，CN112341179A提出了一种高频锰锌铁氧体材料，其包括主晶相和掺杂晶相，其中掺杂晶相均匀地掺杂在晶界和主晶相中。CN107004478A提出了一种磁性材料，其包含磁性相和晶界相，其中晶界相包括至少一种金属，并且熔融温度低于磁性相。CN106486236A提出了一种磁芯材料，其包括结晶相和绝缘膜，其中，绝缘膜包围结晶相形成。
但是，上述技术对磁芯材料的磁性特性或磁通密度改善非常小。因此，本领域中仍对研发改善磁芯材料的磁性特性或磁通密度的技术存在需求。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明涉及提供一种用于多层电感器的磁芯的磁性材料，通过在该磁性材料中添加特定的无机添加剂以帮助磁性粉末的形成，可以改善低烧结温度下的晶界电阻，并使非磁性材料的比例最小化。
本发明的发明人发现，通过Si、Bi、Ca等促溶元素，可以促进铁氧体材料的烧结，其中，Si可促进铁氧体低温烧成，同时可以在晶界形成高电阻析出物，Bi可以形成低熔点的相，促进铁氧体粒子成长，同时通过降低温度烧结，降低烧成粒径，增加晶界电阻，降低Fe的比例，减小铁氧体中的Fe2+的产生；Ca也可以达到增加晶界电阻，同时与Si元素一起起到促溶作用，达到降低烧成温度的目的；而且，通过增加高电阻率的Ni含量，可以整体提升电阻，由此完成了本发明。
本发明的另一方面涉及一种多层电感器，通过改善其磁芯材料，可以实现优异的磁性特性或磁通密度。
技术方案
根据本发明的第一方面，提供了一种用于多层电感器的磁芯的磁性材料，其通过将用于形成铁氧体材料的氧化物和掺杂氧化物烧结而成，其特征在于，所述磁性材料具有晶体结构，且所述掺杂氧化物以掺杂相形式分布在所述晶体结构的晶界上，并且，基于所述磁性材料的总重量，所述掺杂氧化物的含量为5重量％以下。
在一个实施方式中，所述掺杂氧化物包括二氧化硅、氧化铋、可选的氧化钙或其组合。
在一个实施方式中，所述磁性材料包含形成晶体结构中的晶粒的铁氧体材料，主体材料为Fe2O3。
另外，在一个具体实施方式中，所述铁氧体材料还包含选自Mn3O4、NiO、CuO、和ZnO中的至少一种作为添加剂。
在一个具体实施例中，铁氧体材料是NiCuZn铁氧体，化学式为NiCuZnFe2O4。
在一个具体实施方式中，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，Fe2O3的含量可以为62至65重量％；NiO的含量可以为10至13重量％；ZnO的含量可以为19至22重量％；CuO的含量可以为2至5重量％；Mn3O4的含量可以为0至1重量％，优选0.1至1重量％。
在一个实施方式中，基于所述磁性材料的总重量，基于用于形成铁氧体材料的氧 化物的总重量，所述掺杂氧化物的优选含量为：SiO2：0.01至0.15重量％；Bi2O3：0.1至3重量％；CaO：0至1.5重量％。
根据本发明的另一方面，提供了一种多层电感器，其包括多个磁性层和形成在磁性层上的金属电极轨道，所述磁性层包括本发明的用于多层电感器的磁芯的磁性材料。
在一个实施方式中，所述金属电极包括银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)或它们的合金或它们的复合体。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于制备本发明的磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将用于形成铁氧体材料的氧化物与水和可选的分散剂混合并研磨，并对所得产物进行造粒和干燥；
(b)将(a)中所得的颗粒粉加入预烧炉进行预烧，以除去颗粒中的CO3 2+，并进行初步预反应；
(c)将(b)中预烧后的产物粉碎，并与掺杂氧化物混合，加入水和可选的分散剂，并进行充分研磨、干燥，由此获得磁性材料粉末。
在一个实施方式中，所述方法还包括：
(d)将(c)中所得的磁性材料粉末制备成叠层电感体，并进行烧结。
在一个实施方式中，用于形成铁氧体材料的氧化物包括Fe2O3和作为添加剂的NiO、Mn3O4、CuO和ZnO中的一种或多种。
在一个实施方式中，所述步骤(a)包括将Fe2O3和作为添加剂的NiO、Mn3O4、CuO和ZnO粉末中的一种或多种加入球磨机中，进行充分搅拌混合，然后通过喷雾造粒机进行喷干。
在一个实施方式中，所述步骤(a)和(c)通过球磨机进行。
在一个实施方式中，所述步骤(a)中的分散剂包括醇类分散剂，例如PEG400。
在一个实施方式中，所述步骤(c)通过喷雾造粒机进行喷干。
在一个实施方式中，所述步骤(d)通过流延成型的方式进行。
有益效果
根据本发明，通过在磁性材料的晶体结构的晶界上添加特定的掺杂氧化物颗粒，可以改善低烧结温度下的晶界电阻，并使非磁性材料的比例最小化。
另外，通过掺杂氧化物颗粒，能够降低铁氧体材料的烧结温度，例如至890℃以下，同时可以获得较高的表面电阻。表面电阻提高后，可以增加高频下的等效电阻，也可以增加高频下的阻抗；同时提高的表面电阻也为线路设计提供更高的可靠性，使得线路布局可以更为接近，而不至于在通电时造成整体产品的短路。
另外，通过包含本发明的磁性材料，本发明的多层电感器可以实现优异的磁性特性或磁通密度。
附图说明
本发明所描述的附图仅为了说明选定的实施例的目的，而不是所有可能的实施方式，而并非意在限制本发明的范围。
图1是常用的多层电感器结构的示意性截面图；
图2是本发明的磁性材料的显微结构的示意图；
图3是本发明实施例1制得的磁性材料的显微结构的SEM图；
图4是本发明实施例1制得的磁性材料的EPMA成像图；
图5是对本发明的实施例1和比较例1至2制得的器件进行电测试所得的电感-频率曲线图；
图6是对本发明的实施例1和比较例1至2制得的器件进行电测试所得的阻抗-频率曲线图；
图7是对本发明的实施例1和比较例1至2制得的器件进行电测试所得的电流-电感曲线图。
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述本发明。
应当理解，说明书和权利要求书中使用的术语可以基于发明人可以适当地定义的原则，而解释为具有与其在相关领域和本发明的技术构思的背景下的含义一致的含义。说明书中使用的术语仅用于解释示例性实施方式，并非意在限制本发明。
进一步应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”或“具有”指明所陈述的特征、数字、步骤、要素或其组合的存在，但并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、要素或其组合的存在或加入。
在本文中，在参考附图描述元件的结构时，在描述某一部件的位置关系时，“上”、“下”、“上层”、“下层”等是指该部件的相对位置关系，而非限制于附图中所示的结构。
以下具体描述本发明的多层电感器。
首先，参见图1，其示出了本领域中常见的多层电感器结构的示意性截面图。多层电感器100包括多个磁性层110，以及形成在多个磁性层上的多个金属电极轨道120。
磁性层的材料可以为磁性材料，即有磁性的陶瓷材料，即铁氧体材料。例如，作为实例，用于形成铁氧体的氧化物粉末可包括氧化铁粉末，以及作为添加剂的氧化锌粉末、氧化铜粉末、氧化镍粉末等。
通常，如本领域已知，常用的铁氧体材料可分为NiZn铁氧体材料和MnZn铁氧体。例如，在NiZn铁氧体材料中可以进一步包括Cu添加剂，由此改变NiZn铁氧体相的形成机理，降低尖晶石相的形成温度。
因此，在本发明的一个实施方式中，铁氧体材料除了Fe2O3之外，还包含选自Mn3O4、NiO、CuO、和ZnO中的至少一种作为添加剂。优选的是，铁氧体材料是NiCuZn铁氧体，化学式为NiCuZnFe2O4。
在一个具体实施方式中，在铁氧体材料是NiCuZn铁氧体时，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，Fe2O3的含量可以为62至65重量％；NiO的含量可以为10至13重量％；ZnO的含量可以为19至22重量％；CuO的含量可以为2至5重量％。
此外，在NiCuZn铁氧体中，还可以添加少量的Mn添加剂，来改善Bs和Tc。因而，在一个具体实施方式中，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，Fe2O3的含量可以为62至65重量％；NiO的含量可以为10至13重量％；ZnO的含量可以为19至22重量％；CuO的含量可以为2至5重量％；Mn3O4的含量可以为0至1重量％，优选0.1至1重量％。
另外，金属电极包括银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)或它们的合金或它们的复合体。
在本发明中，磁性层的磁性材料通过将用于形成铁氧体材料的氧化物和掺杂氧化物烧结而成，其特征在于，所述磁性材料具有晶体结构，且所述掺杂氧化物以掺杂相形式分布在所述晶体结构的晶界上，并且，基于所述磁性材料的总重量，所述掺杂氧 化物的含量为5重量％以下。
在一个实施方式中，所述掺杂氧化物包括二氧化硅、氧化铋、可选的氧化钙或其组合。优选地，所述掺杂氧化物包括二氧化硅和氧化铋。
图2示出了本发明的磁性材料的显微结构的示意图。参见图2，磁性材料具有多个磁性晶粒或晶相210。在晶粒或晶相210之间的晶界处，形成了上述掺杂氧化物的掺杂相220。晶粒或晶相210由上述铁氧体材料形成，例如NiCuZn铁氧体晶相；而掺杂相220由上述掺杂氧化物形成。
在此，总体而言，由于晶界处形成了掺杂相220，在Si、Bi和Ca等元素的作用下，在升温的时候，晶界元素可以影响铁氧体的形成，降低烧结温度，并且在降温的时候可以析出在晶界中，形成高电阻率的晶界相。
具体而言，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，所述掺杂氧化物的优选添加量或含量为：SiO2：0.01至0.15重量％；Bi2O3：0.1至3重量％；CaO：0至1.5重量％。优选地，SiO2的含量可以为0.01至0.12重量％、0.02至0.10重量％、0.03至0.08重量％；Bi2O3的含量可以为1至2.5重量％；1.5至3重量％；1至2重量％；CaO的含量可以为0至1重量％、0.5至1.5重量％。
当所述掺杂氧化物的含量超过以上限定的上限值时，其不能带来进一步的增益效果，反而使所得磁性材料的性能如高频下电感、阻抗等劣化。
掺杂氧化物的影响如下。例如，在NiZn铁氧体中添加适量的Bi2O3能在较低的烧结温度下使离子扩散速率加快，促进晶粒生长。并且，在显微结构水平上通过Bi2O3的助熔作用改变磁性晶粒的形态和引入新的晶界相来实现材料改性。
SiO2在铁氧体的烧结中能与氧化铁生成硅酸铁，并产生氧气。硅酸铁熔点仅为1150℃，因而可作为助熔剂。同时SiO2和Bi2O3以SiO2·Bi2O3的形式加入可以有效降低NiZn铁氧体的烧结温度，使烧结温度降至890℃，还可拓宽铁氧体的使用频段，提高截止频率。
同时SiO2和CaO也可以形成SiO2·CaO熔融玻璃态形式，也可以降低烧成温度。在烧结过程中，上述SiO2·Bi2O3和SiO2·CaO在降温过程析出在晶界中，从而形在晶界中形成高电阻化合物。因此，加入SiO2、Bi2O3和可选的CaO后既可以降低烧结温度，又可以提高晶界电阻。
另一方面，本发明提供了所述磁性材料的制备方法，其包括以下步骤：
(a)将用于形成铁氧体材料的氧化物与水和可选的分散剂混合并研磨，并对所得产物进行造粒和干燥；
(b)将(a)中所得的颗粒粉加入预烧炉进行预烧，以除去颗粒中的CO3 2+，并进行初步预反应；
(c)将(b)中预烧后的产物粉碎，并与掺杂氧化物混合，加入水和可选的分散剂，并进行充分研磨、干燥，由此获得磁性材料粉末；和，任选地
(d)将(c)中所得的磁性材料粉末制备成叠层电感体。然后，可以进行烧结。
在本领域中，通常，烧结在930℃至950℃的高温下进行。不过，在本发明中，由于掺杂氧化物的上述作用，可以将烧结温度降低至例如至890℃以下，由此可将电感磁芯与银等金属轨道共烧，得到本发明的多层电感器。
例如，在一个实施方式中，所述方法如下进行：
(a)将Fe2O3、NiO、CuO、ZnO、可选的Mn3O4和水混合，加入分散剂(PEG400)，进行充分搅拌混合，然后通过喷雾造粒机进行喷干；
(b)将喷干的颗粒粉加入预烧炉子中预烧，例如在700℃预烧2小时，以除去粒子中的CO3 2+，并进行初步预反应；
(c)将预烧后的粉体加入球磨罐中，同时加入掺杂氧化物SiO2、Bi2O3、可选的CaO或CaCO3，可选的分散剂和水，然后进行充分的研磨，并通过喷雾造粒机喷干；
(d)将所得到粉料，通过流延成型的方式形成流延片，然后通过叠层方式制备成整体式高阻抗磁珠；随后，在空气气氛下进行烧制，例如在890℃烧结1至3小时，优选烧结2小时。
其中，步骤(a)通过球磨混合进行，其条件为：在常温下进行4至8小时的混合，其作用主要是混合粉料。
步骤(a)和(c)中喷雾干燥的条件为：将出风口温度控制为约100℃。
另外，粉碎可以通过常规的球磨法进行，其目标粒径为D50＝1.0至1.3μm。
在此，Fe2O3和添加剂NiO、MnO、CuO、ZnO粉末等的用量范围如上文针对磁性材料所述。其中，在步骤(c)中，CaO可以由CaCO3替换，CaCO3可以在烧结过程中转化为CaO来提供Ca源。
在一个实施方式中，所述步骤(a)中的分散剂包括例如PEG400，其作用是实现混合物料的均匀混合。
在步骤(a)和(c)中，用于混合的水的用量没有特别限制，只要其用量可以使得混合物能够进行研磨即可。例如，在一个具体实施例中，基于所得混合物的总重量，水的用量可以为30重量％，也就是，混合物中固体的含量可以为70重量％。
另外，在步骤(d)中，流延成型的温度为约70℃至90℃，例如80℃。
另外，本发明还提供了一种多层电感器，其包括多个磁性层和形成在磁性层上的金属电极轨道，所述磁性层包括上述的用于多层电感器的磁芯的磁性材料。
如上所述，由于本发明的磁性材料具有较高的表面电阻，因此，本发明的多层电感器可以增加高频下的等效电阻，也可以增加高频下的阻抗；同时提高的表面电阻也为线路设计提供更高的可靠性，使得本发明的多层电感器可以应用于多个领域。
实施例
在下文中，将参照实施例详细解释本发明。然而，本发明的实施例可以修改成各种其他类型，并且本发明的范围不应限于下面描述的实施方式。提供本发明的实施例是为了向具有本领域普通知识的人完整地解释本发明。
如无特别说明，实施例中涉及的百分数均基于质量。而且，实施例中涉及的原料和设备信息如下：
Fe2O3：分析纯，Fe2O3≥99.5％
NiO：分析纯，NiO≥99.7％
Mn3O4：分析纯，Mn3O4≥99.5％
CuO：分析纯，CuO≥99.7％
ZnO：分析纯，ZnO≥99.7％
SiO2：分析纯，SiO2≥99.9％，纳米级SiO2
Bi2O3：分析纯，Bi2O3≥99.7％，
CaCO3：分析纯，CaCO3≥99.7％
分散剂：PEG400聚乙烯醇
水：去离子水，电导率小于0.1μS/cm
球磨机：行星式球磨机，常规实验用机
喷雾造粒机：小型喷雾造粒机，常规实验用机
电子扫描显微镜：德国蔡司，ZEISS EVO MA10
电子探针(EPMA)测试设备：JEOLJXA-8230
实施例1
基于要制得的铁氧体材料，将66重量％(147.84g)Fe2O3和9重量％(20.16g)NiO、1重量％(2.24g)Mn3O4、4重量％(8.96g)CuO、20重量％(44.8g)ZnO粉末加入球磨机的料罐，再加入400g水和1g分散剂(PEG400)，然后进行球磨混合(4h、常温)，通过喷雾造粒机喷干(2h、100℃)。然后，将喷干的颗粒粉加入预烧炉子中预烧。
接下来，基于预烧的铁氧体材料的总重量，加入掺杂氧化物0.08重量％(0.18g)SiO2和1重量％(2.24g)Bi2O3，1重量％(0.67g)CaCO3，并进行球磨(时间10h，常温)，和喷干(2小时、常温)，由此形成需要的磁性材料粉体。
然后，将所得到磁性材料粉体，通过流延成型的方式，制备成叠层电感，并与Ag轨道进行共烧结(890℃、2小时)，得到实施例1的多层电感器，其具有图1所示的基本结构。
将所得多层电感器的磁芯进行电子扫描，其SEM图像如图3所示，可以看出，所得多层电感器的磁芯具有均匀的晶相结构。
利用EPMA技术对磁芯进行元素分布分析，得到图4所示的图像。可以看出，掺杂元素(Ca、Si和Bi)作为掺杂相分布在晶相结构的晶界处，如图4的白色部分所示。
比较例1
基于要制得的铁氧体材料，将66重量％(147.84g)Fe2O3和9重量％(20.16g)NiO、1重量％(2.24g)Mn3O4、4重量％(8.96g)CuO、20重量％(44.8g)ZnO粉末加入球磨机的料罐，再加入400g水和1g分散剂(PEG400)，然后进行球磨混合(4h、常温)，通过喷雾造粒机喷干(2h、100℃)。然后，将喷干的颗粒粉加入预烧炉子中预烧。
接下来，并进行球磨(时间10h，常温)，和喷干(2小时、常温)，由此形成需要的磁性材料粉体。
然后，将所得到磁性材料粉体，通过流延成型的方式，制备成叠层电感，并与Ag轨道进行共烧结(890℃、2小时)，得到比较例1的多层电感器。
比较例2
基于要制得的铁氧体材料，将66重量％(147.84g)Fe2O3和9重量％(20.16g)NiO、1重量％(2.24g)Mn3O4、4重量％(8.96g)CuO、20重量％(44.8g)ZnO粉末加入球磨机的料罐，再加入400g水和1g分散剂(PEG400)，然后进行球磨混合(4h、常温)，通过喷雾造粒机喷干(2h、100℃)。然后，将喷干的颗粒粉加入预烧炉子中预烧。
接下来，基于预烧的铁氧体材料的总重量，加入掺杂氧化物0.2重量％(0.4g)SiO2和1.5重量％(3g)Bi2O3，2重量％(4g)CaCO3，并进行球磨(时间10h，常温)，和喷干(2小时、常温)，由此形成需要的磁性材料粉体。
然后，将所得到磁性材料粉体，通过流延成型的方式，制备成叠层电感，并与Ag轨道进行共烧结(890℃、2小时)，得到实施例2的多层电感器。
测试例：
在本测试例中，使用阻抗测试仪器4396测试阻抗，电感测试使用安捷伦4991网络分析仪测试。
对实施例1和比较例1至2所得多层电感器进行测试，结果如图5至7所示。
通过确定添加剂以最小化磁芯中的非磁性成分，由图5至7可以看出：
1.通过Si、Ca和Bi的促进低温烧成的功能，提升了产品本身的致密度，即从4.98g/cm3提升至5.2g/cm3，从而提升Bs，也就是最大磁通密度从0.3特斯拉提升至0.35特斯拉，从而提升产品，直流叠加特性，从电流-电感图(图7)中可以看出此结果，当电流＞1A时，电感下降变慢，说明叠加特性变好；
2.同时通过SiO2·CaO和SiO2·Bi2O3在降温后形成的高晶界电阻，提升高频下的电感，因此也可以提升高频下的电感；
3.在降低烧结温度后，晶体粒径减小，此方式也有利于增加高频电感，从而形成提升阻抗的效果。
另外，可以确认，在不含本发明的掺杂元素Si、Bi或Ca的情况下，由于晶界处未形成掺杂相，因而烧结温度显著升高，而且参见图5和6，可知，比较例1所得的电感材料的阻抗最低，且电感也最低，其明显劣于本发明的实施例1。
而且，比较实施例1和比较例2可知，如果本发明的掺杂元素过量添加，从电感 -频率曲线(图5)可以看出，虽然电感可以提升，但是高频下(接近100MHz)的电感并未提升(比较例2)，相反，实施例1的电感即使在高频下也保持了较高值。此外，从阻抗-频率曲线(图6)中可以看出，比较例2虽然与比较例1相比，阻抗有所提升，但阻抗增大值远不如实施例1；另外从电流-电感曲线(图7)可以看出，提升的电感并没很好的提升DC-Bias特性。由此也证明了，本发明的掺杂元素如Si、Bi、Ca等应保持在上文所限定的范围内。
前述说明书和相关附图中存在的教导的帮助下，本领域技术人员将意识到本文所述技术方案的多种变形和其它实施方式。因此，将理解的是，本发明不限于所公开的特定实施方式，且任何变形和其它实施方式均视为包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

  1. 一种用于多层电感器的磁芯的磁性材料，其通过将用于形成铁氧体材料的氧化物和掺杂氧化物烧结而成，其特征在于，所述磁性材料具有晶体结构，且所述掺杂氧化物以掺杂相形式分布在所述晶体结构的晶界上，并且，基于所述磁性材料的总重量，所述掺杂氧化物的含量为5重量％以下。
  2. 如权利要求1所述的磁性材料，其中，所述掺杂氧化物包括二氧化硅、氧化铋、可选的氧化钙或其组合。
  3. 如权利要求1所述的磁性材料，其中，所述铁氧体材料包含Fe2O3，以及作为添加剂的选自Mn3O4、NiO、CuO、和ZnO中的至少一种。
  4. 如权利要求1所述的磁性材料，其中，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，所述铁氧体材料包含以下组分：
    Fe2O3：62至65重量％；
    NiO：10至13重量％；
    ZnO：19至22重量％；
    CuO：2至5重量％；和
    Mn3O4：0至1重量％。
  5. 如权利要求1所述的磁性材料，其中，基于用于形成铁氧体材料的氧化物的总重量，所述掺杂氧化物的含量为：
    SiO：0.01至0.15重量％；
    Bi2O3：0.1至3重量％；和
    CaO：0至1.5重量％。
  6. 一种用于制备权利要求1至5中任一项所述的磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：
    (a)将用于形成铁氧体材料的氧化物与水和可选的分散剂混合并研磨，并对所得产物进行造粒和干燥；
    (b)将(a)中所得的颗粒粉加入预烧炉进行预烧，以除去颗粒中的CO3 2+，并进行初步预反应；
    (c)将(b)中预烧后的产物粉碎，并与掺杂氧化物混合，加入水和可选的分散 剂，并进行充分研磨、干燥，由此获得磁性材料粉末。
  7. 如权利要求6所述的方法，其还包括：
    将(c)中所得的磁性材料粉末制成叠层电感体后，进行烧结。
  8. 如权利要求6所述的方法，其中：
    步骤(a)和(c)中的分散剂包括醇类分散剂。
  9. 一种多层电感器，其包括多个磁性层和形成在磁性层上的金属电极轨道，所述磁性层包括权利要求1至5中任一项所述的磁性材料。
  10. 如权利要求9所述的多层电感器，其中，所述金属电极包括银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)或它们的合金或它们的复合体。
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