CN104525942B - 金属软磁复合材料的制备方法、片式元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属软磁复合材料的制备方法、片式元件及其制作方法，所述金属软磁复合材料的制备方法包括如下步骤：对金属磁粉和绝缘包覆材料进行湿法混料，得到浆料；浆料干燥及过筛，得到预定粒度的粉料；在空气气氛下采用热分解法处理所述粉料，得到所述金软磁复合材料；所述金属磁粉为铁硅基磁粉或铁镍基磁粉，所述绝缘包覆材料为MnO₂、Mn(NO₃)₂或MnCO₃。通过添加剂和金属磁性材料混合均匀，然后通过热处理发生化学反应在金属磁性材料颗粒表面形成纳米级包覆层，由此得到具有高绝缘耐压、高热稳定性以及较好的磁性能的金属软磁复合材料。

Description

金属软磁复合材料的制备方法、片式元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及磁性材料的制备技术领域，特别是涉及一种金属软磁复合材料的制备方法，及利用该材料的片式元件及其制作方法。

背景技术

大电流化在电子元器件行业已经成为行业发展趋势之一，早些时候主要是使用铁氧体材料来制作功率电感器，但是随着材料技术的进步，近些年来开始出现利用金属软磁材料制作叠层或者绕线型功率电感器，在研发大电流大尺寸产品过程中，出于产品设计成本的考虑，就不得不面对两个技术问题，其一为开发适于真空或保护气氛烧结的金属软磁材料问题，另外一个为铜电极的烧结工艺问题。

金属软磁复合材料是由铁磁性颗粒与绝缘介质混合而成的一种软磁材料。该磁性材料是被动电子元器件电感和磁珠等产品(包括叠层或绕线工艺)的主要原材料，在该类型电子元器件中往往涉及到磁性材料与电极材料(银或者铜电极材料)共烧问题，那么就会对金属磁性材料提出各种要求，譬如，需要在真空或者保护气氛环境下烧结后具有高磁导率、高绝缘、高耐压、高热稳定性等，为了达到以上金属磁性材料技术要求，需要在铁磁性颗粒表面包覆一层电阻率极高的绝缘物质。通过这层均匀的绝缘包覆材料，提高金属磁性材料的高热稳定性，提高其在真空或者保护气氛烧结条件下的绝缘耐压要求。

而绝缘包覆是软磁复合材料制备过程中最重要的一个环节，包覆层的质量直接影响到软磁复合材料的磁性能。一般来说，绝缘包覆可以分为有机包覆和无机包覆两种，有机包覆树脂包括热固性树脂(环氧树脂、酚醛树脂和硅树脂等)和热塑性树脂(乙烯－醋酸乙烯聚合物、聚丙烯、PBT、PPS、尼龙等)，无机包覆可以分为无机磷酸盐包覆(锌磷酸、铁磷酸盐和锰磷酸)、金属氧化物包覆(SiO2、MgO)及铁氧体包覆物等。有机绝缘剂对磁粉有很好的粘结效果，因此在工业上应用较多，但有机包覆剂绝缘效果不佳，同时不能高温热处理。无机包覆中的磷酸盐包覆热处理温度往往不能超过600度，否则，会存在绝缘层分解实效的问题；铁氧体包覆物虽然可以在高温进行热处理，但是存在真空或保护气氛烧结条件下合金材料绝缘耐压满足不了要求等问题。

中国专利201310613702.2公开了一种铁硅软磁复合材料的制备方法，该工艺采用磷酸钝化后加入有机硅树脂进行粘结，有机包覆剂的效果良好，但绝缘耐压性能和耐热稳定性方面等性能达不到材料的要求。

此外，中国专利201410246088.5公开了一种金属软磁复合材料的制备方法，选用二乙醇镁通过溶胶-凝胶的方法，用氢氧化氨作为水解催化剂形成凝胶，然后将金属磁粉与该凝胶混合，得到包覆的磁粉。由于金属磁粉与凝胶混合通过搅拌的方法，这种方法分散较差，且纳米颗粒对磁粉的黏附性较差，难以实现均匀包覆。而且，该方法制备金属复合材料还存在批量化较难实现的问题。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种金属软磁复合材料的制备方法，以解决上述现有技术存在的绝缘耐压性能和耐热稳定性等性能达不到要求等技术问题。

为此，本发明提出一种金属软磁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

对金属磁粉和绝缘包覆材料进行湿法混料，得到浆料；浆料干燥及过筛，得到预定粒度的粉料；在空气气氛下采用热分解法处理所述粉料，得到所述金软磁复合材料；所述金属磁粉为铁硅基磁粉或铁镍基磁粉，所述绝缘包覆材料为所述绝缘包覆材料为MnO₂、Mn(NO₃)₂或MnCO₃。

优选地，本发明还可以具有如下技术特征：

所述绝缘包覆材料的量为所述金属磁粉的1wt％～6wt％。

所述过筛采用30目以上的筛网。

所述热分解法处理在500～800℃之间进行。

所述湿法混料按照重量比为金属磁粉:氧化锆球:无水乙醇＝(8～12):(4～6):1的比例进行。

本发明还提出一种片式元件，包括磁性层和采用Cu导体一体化烧结而成的内电极层，所述磁性层由前述任一所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料形成。

优选的，所述内电极层成线圈状结构。

本发明还进一步提出一种片式元件的制作方法，所述片式元件如前文所述，所述制作方法包括如下步骤：浆料制备及生坯片成型，所述浆料制备采用前文任一所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料与加入粘合剂的有机溶剂共同球磨混料的方法；内电极制作，在所述生坯片上印刷形成Cu内导体图形；叠层压制，先将两个以上所述生坯片堆叠得到堆叠体，该堆叠体中各相邻的所述生坯片的Cu内导体图形相互连接形成线圈状结构；然后用所述生坯片成型得到的生坯片夹持所述堆叠体整体压制；烧结，将整体压制所得叠层体置于900℃以上的真空或保护气氛下烧结；研磨，对所得烧结体进行研磨以露出所述内电极；外电极制造，在露出所述内电极的烧结体端面涂覆并烧结Cu外电极。

优选的，所述粘合剂为PVB粘合剂，所述生坯片成型采用刮刀法。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：通过添加剂和金属磁性材料混合均匀，然后通过热处理发生化学反应在金属磁性材料颗粒表面形成纳米级包覆层，由此得到具有高绝缘耐压、高热稳定性以及较好的磁性能的金属软磁复合材料。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的工艺流程图；

图2是本发明具体实施方式二的片式元件内电极层结构示意图；

图3是本发明具体实施方式二的片式元件的结构示意图(为方便理解，采用透视画法)；

图4是本发明具体实施方式三的工艺流程图。

具体实施方式

为便于准确理解，以下是后文中将出现的技术术语的准确定义：

“片式元件”通常也称为“片式元器件”，是指无引线或短引线的新型微小元器件

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图1-4，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

实施例一：

一种金属软磁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

对金属磁粉和绝缘包覆材料进行湿法混料，得到浆料；浆料干燥及过筛，得到预定粒度的粉料；在空气气氛下采用热分解法处理所述粉料，得到所述金软磁复合材料；所述金属磁粉为铁硅基磁粉或铁镍基磁粉，所述绝缘包覆材料为MnO₂、Mn(NO₃)₂或MnCO₃。

其中，所述绝缘包覆材料的量为所述金属磁粉的1wt％～6wt％。所述过筛采用30目以上的筛网。所述热分解法处理在500～800℃之间进行。所述湿法混料按照重量比为金属磁粉:氧化锆球:无水乙醇＝(8～12):(4～6):1的比例进行。

通过添加剂和金属磁性材料混合均匀，然后通过热处理发生化学反应在金属磁性材料颗粒表面形成纳米级包覆层，由此得到具有高绝缘耐压、高热稳定性以及较好的磁性能的金属软磁复合材料。

以下是对本实施例更进一步的详细举例描述，以便更好的理解本发明的技术方案。

例1：

一、金属磁粉过筛:

用500目的筛网对金属磁粉进行过筛处理，本例中所述金属磁粉铁是硅铬磁粉。

二、对金属磁粉和绝缘包覆材料进行湿法混料:

按照金属磁粉:氧化锆球:无水乙醇＝10:5:1的比例称重后放入倒角罐中，然后再加入金属磁粉4wt％的绝缘包覆材料MnO₂，将以上倒角罐密封后放入倒角架上混料18h，得到浆料。

三、浆料干燥:

将以上混合好的浆料倒入玻璃烧杯中，然后把玻璃烧杯置于一个倾斜45度角的带有加热装置的旋转装置中进行旋转干燥，旋转装置的转速可为100转/分钟，其中加热装置的温度控制在50-60度范围内。

四、粉料过筛：

将以上干燥后的金属磁粉过30目筛网，得到预定粒度的粉料。

五、在空气气氛下采用热分解法处理所述粉料：

采用空气气氛，将金属软磁复合材料置于700℃环境中保温30min，制得成品，即金属软磁复合材料。

烧结体磁环制备:

将以上得到的金属软磁复合材料加入粉体的2wt％的PVB粘合剂,利用干压成型工艺在1800MPa的压强下制成外径8mm,内经5mm,厚度2.3mm左右的磁环,然后在真空环境下,将磁环至于900度环境中保温2h制成以上实施例的烧结体磁环。

例2：

与前述例1的区别在于，所述步骤一中金属磁粉为铁镍基合金材料，所述步骤二中加入的金属磁粉为6wt％的MnCO₃，所述步骤五中金属软磁复合材料置于550℃环境中保温120分钟左右。

同样，将以上得到的金属软磁复合材料加入粉体的2wt％的PVB粘合剂,利用干压成型工艺在1800MPa的压强下制成外径8mm,内经5mm,厚度2.3mm左右的磁环,然后在真空环境下,将磁环至于900度环境中保温2h制成以上实施例的烧结体磁环。

对以上例1和例2制备的烧结体磁环样品进行以下各项性能的测试：

(1)烧结体磁环在1MHz下的初始磁导率

在环形磁环表面均匀缠绕20圈绝缘铜线后，用Agilent设备E4991+16192测试夹具测试磁环在1MHz下的电感值，通过公式换算得出材料初始磁导率。

(2)磁环样品绝缘电阻

利用Agilent设备高阻计4339B测试烧结体磁环厚度方向上绝缘电阻，测试条件为100V/0.5mA。

(3)磁环样品耐压

利用同惠耐压测试仪TH-333测试烧结体磁环厚度方向上耐压能力，设置测试条件为漏流0.5mA。

测试的数据如表1所示：

表1

烧结体磁环样品	μ/1MHz	绝缘/MΩ	耐压/V
				例1	40	2100	1100
例2	67	1800	1200

由表1所示的实验结果可见，采用本实施例的包覆方法，合金材料可以在高达900度以上、在真空或者保护气氛中烧结，且烧结后形成的金属软磁复合材料绝缘耐压性能高，包覆层均匀(主要通过耐压性能间接体现，若不均匀则产品的耐压会较差。)，同时适合批量化生产。因Mn₂O₃绝缘层具有极高的电阻率，故在合金材料表面包覆Mn₂O₃绝缘层可以大大提高金属软磁复合材料的电阻率，且具有较高的磁导率。

实施例二：

一种片式元件，包括磁性层和采用Cu导体一体化烧结而成的内电极层，所述磁性层由前述任一所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料形成。优选的，所述内电极层成线圈状结构。

以下以叠层片式功率电感器为例对该实施例的片式元件做进一步的详细描述。

如图2和图3所示，是一个叠层片式功率电感器的内电极层及整体结构示意图，其包括磁体1和线圈状电极3，所述线圈状电极3由两个以上印刷在生坯片上的Cu内导体图形通过通孔2电气连接形成，在磁体1的表面形成与内电极3电气连接的外部电极4。

实施例三：

一种片式元件的制作方法，所述片式元件如前文所述，如图4所示，所述制作方法包括如下步骤：浆料制备及生坯片成型，所述浆料制备采用前文任一所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料与加入粘合剂的有机溶剂共同球磨混料的方法。

内电极制作，即在所述生坯片上印刷形成Cu内导体图形。

叠层压制，先将两个以上印刷后的所述生坯片堆叠得到堆叠体，该堆叠体中各相邻的所述生坯片的Cu内导体图形相互连接形成线圈状结构。然后用所述生坯片成型得到的生坯片夹持所述堆叠体整体压制，成为叠层体。

烧结，即将整体压制所得叠层体置于900℃以上的真空或保护气氛下烧结。烧结时间2小时左右，得到内置Cu线圈状电极的烧结体。

研磨，即对所得烧结体进行研磨以露出所述内电极。

外电极制造，即在露出所述内电极的烧结体端面涂覆并烧结Cu外电极。

经以上步骤所得的叠层片式功率电感器在真空或保护气氛环境中在900℃以上温度烧结后，即得到低成本、大电流的叠层片式功率电感器。其中，所述粘合剂优选采用PVB粘合剂等，所述生坯片成型可采用刮刀法等。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (6)

1.一种金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

对金属磁粉和绝缘包覆材料进行湿法混料，得到浆料；

浆料干燥及过筛，得到预定粒度的粉料；

在空气气氛下采用热分解法处理所述粉料，所述热分解法处理在500～800℃之间进行，通过热处理发生化学反应在所述金属磁粉表面形成纳米级包覆层，得到所述金属软磁复合材料；

所述金属磁粉为铁硅基磁粉或铁镍基磁粉，所述绝缘包覆材料为MnO₂、Mn(NO₃)₂或MnCO₃；

所述绝缘包覆材料的量为所述金属磁粉的1wt％～6wt％；

所述湿法混料按照重量比为金属磁粉:氧化锆球:无水乙醇＝(8～12):(4～6):1的比例进行。

2.如权利要求1所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于：所述过筛采用30目以上的筛网。

3.一种片式元件，其特征在于：包括磁性层和采用Cu导体一体化烧结而成的内电极层，所述磁性层由权利要求1-2任一项所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料形成。

4.如权利要求3所述的片式元件，其特征在于：所述内电极层成线圈状结构。

5.一种片式元件的制作方法，其特征在于：所述片式元件如权利要求3或4所述，所述制作方法包括如下步骤：

浆料制备及生坯片成型，所述浆料制备采用权利要求1-2任一项所述的金属软磁复合材料的制备方法制备的金属软磁复合材料与加入粘合剂的有机溶剂共同球磨混料的方法；

内电极制作，在所述生坯片上印刷形成Cu内导体图形；

叠层压制，先将两个以上所述生坯片堆叠得到堆叠体，该堆叠体中各相邻的所述生坯片的Cu内导体图形相互连接形成线圈状结构；然后用所述生坯片成型得到的生坯片夹持所述堆叠体整体压制；

烧结，将整体压制所得叠层体置于900℃以上的真空或保护气氛下烧结；

研磨，对所得烧结体进行研磨以露出所述内电极；

外电极制造，在露出所述内电极的烧结体端面涂覆并烧结Cu外电极。

6.如权利要求5所述的片式元件的制作方法，其特征在于：所述粘合剂为PVB粘合剂，所述生坯片成型采用刮刀法。