专利名称：在准微波段具有最大复导磁率的磁物质及其生产方法
技术领域：
本发明涉及用于压低或吸收电或电子装置中高频噪声的磁物质，特别是适用于压低在有源电子器件、高频电路部件和高频电子装置中引起的电磁干扰(EMI)的磁物质。
本技术领域还都知道，在电子装置中有集中常数电路(如去耦合电容)组装到电子装置中的电源电路线中，从而压制来自电源线的不希望的辐射。
还有另一个问题，即往往由高速操作型半导体或集成电路装置引起或感应出高频噪声，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、微处理器(MPU)、中央处理单元(CPU)、或图像处理器算术逻辑单元(IPALU)，因为流入高速电路中的电信号的电流和电压值快速变化。
此外，在小型电子装置中电子器件和电缆以高密度放置。所以，那些器件和导线彼此非常靠近，从而彼此影响，引起EMI。
为了压低来自那些半导体装置的高频噪声和在小型电子装置内的EMI，不能使用传统的铁氧体磁芯，因为它的体积较大。
另一方面，使用集中常数电路不能有效地压低使用高速操作电子器件的电路中引起的高频噪声，因为噪声的频率增大了，所以电路线实际上起到分布常数电路的作用。
JP-A 10-97913公布了一种具有较大磁芯损耗或复导磁率(complexpermeability)的复磁物质(complex magnetic substance)。该复磁物质放置在半导体装置和/或电子电路装置附近，能压低从它们当中辐射出来的高频噪声。
从近来的研究理解到，使用具有复导磁率μ″的磁物质被认为是加到产生噪声的电路上的一个有效电阻(effective resistance)，从而使噪声能被衰减。该有效电阻依赖于所用磁物质的复导磁率。详细地说，如果该磁物质有恒定面积，则肯定有效电阻依赖于该磁物质的复导磁率μ″及其厚度。这意味着具有提高的复导磁率的磁物质能提供一个体积减小(即面积和厚度减小)了的高频噪声压制器(suppressor)，它能组装到小型装置内。
根据本发明，能得到根据权利要求1的磁物质。
再有，根据本发明，得到根据附属权利要求2-15的磁物质，根据附属权利要求16的噪声压制器和根据附属权利要求17的压制噪声方法。
在先有技术中已知一种M-X-Y磁合成物(M磁性金属元素，YO、N、或F；X不同于M和Y的一种或多种元素)作为有低磁芯损耗和高饱和磁化强度的一种磁物质，它主要是用溅射法或蒸气沉积法产生的并具有颗粒状的结构，这里M的金属磁颗粒散布在陶瓷样的非磁性矩阵(X和Y)中。
在研究有极好导磁率的M-X-Y磁合成物的精细结构过程中，本发明的共同发明者们发现，在M的高浓度区中能实现高饱和磁化强度，在这里M-X-Y磁合成物的饱和磁化强度为只含有M的金属磁性材料体(the metallic bulk of magnetic material)的饱和磁化强度的80％或更多。
M-X-Y磁合成物有低电阻率(specific resistance)。所以，当它被形成于用于高频范围的一个有较大厚度的部件中时，该部件允许一个涡流在其中流过。结果，该部件的导磁率被减小了。所以，传统的有高饱和磁化强度的M-X-Y磁合成物不能用于厚度增大了的部件。
本发明者们进一步发现，M浓度减小了的M-X-Y磁合成物在高频范围的复导磁率μ″增大了。在M浓度减小了的区域，M-X-Y磁合成物的饱和磁化强度为只含有M的金属磁性材料体的饱和磁化强度的60-80％，M-X-Y磁合成物有较高的电阻率，约为100μΩ·cm或更高。所以，如果一个有较大厚度(例如几微米(μm))的部件是由减小了M浓度的合成物构成，它便显示出减小了的涡流损耗。磁芯损耗或复导磁率是由于自然共振造成的损耗。所以，在频率轴上复导磁率的分布是窄的。这意味着具有减小的M浓度的M-X-Y磁合成物对于在一窄频率范围内压制噪声是有用的。
在进一步减小M浓度时，这里M-X-Y磁合成物的饱和强化强度为只含有M的金属磁性材料体的饱和磁化强度的35-60％，则M-X-Y磁合成材料有更高的电阻率，约为500μΩ·cm或更高。所以，在一个由该合成物构成的有较大厚度(例如几微米(μm))的部件中由涡流造成的损耗进一步减小。M颗粒之间的磁相互作用变小，于是自旋热涨落变大，使产生复导磁率自然共振的那个频率发生涨落。所以，复导磁率μ″在一个宽的频率范围上有较大的值。这意味着进一步减小了M浓度的M-X-Y磁合成物对于在一宽频率范围内压制噪声是有用的。
对进一步减小的M浓度，M颗粒彼此没有磁效应，于是M-X-Y合成物表现出超顺磁性。
在设计一个由磁物质构成的部件，将其放在一个电子电路附近以压制高频噪声时，考虑复导磁率μ″和磁物质厚度σ的乘积(μ″·δ)之值。通常，为有效地压制百兆赫(MHz)的高频噪声，需要(μ″·δ)≥1000μm。当所用磁合成物的复导磁率约1000((μ″＝1000)时，该噪声压制器需要有厚度1微米(μm)或更大。所以，有低电阻率的合成物由于容易产生涡流因而是不希望的，而是希望有增大的电阻率，例如100μ·Ω或更大。
按上述观点，希望用于噪声压制器的M-X-Y合成物有减小的M浓度，这里M-X-Y磁合成物的饱和磁化强度为只含有M的金属磁性材料体的饱和磁化强度的35-80％。
发明实施例首先描述M-X-Y磁合成物的颗粒结构和生产方法。
参考
图1，其中示意性显示M-X-Y磁合成物的颗粒结构，金属磁性材料M的颗粒11均匀地或均一的分布在含有X-Y的矩阵12中。
参考图2A，图中所示溅射装置用于生产下述实例和比较例中的样本。该溅射装置有传统的结构，包含真空容器20、开闭器21、气氛气体源22、基片或玻璃板23、切片24(X或X-Y)、标靶25(M)、RF(射频)电源、以及真空泵27。气氛气体源22和真空泵27都与真空容器20相连。基片23面对标靶25，在标靶25上放置切片24。开闭器21放置在基片21的前面。RF电源26与标靶25相连。
参考图2B，图中所示蒸气沉积装置也用于生产下述实例和比较例中的样本。蒸气沉积装置有传统的结构，它有真空容器20、气氛气体源22、以及真空泵27，这些与溅射装置相似，但有一个包括材料(X-Y)的坩埚28代替切片24、标靶25和RF功率源26。例1在表1所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。
表1
对所产生的薄膜样本1用荧光X-射线光谱学进行分析并确认为合成物Fe72Al11O17薄膜。薄膜样本1有2.0微米(μm)厚，直流电阻率为530微欧姆厘米(μΩ·cm)，各向异性场(Hk)为18 Oe(奥斯特)，以及饱和磁化强度(Ms)为16,800高斯。
该薄膜样品1的饱和磁化强度与金属材料M本身的饱和磁化强度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是72.2％。
为了测量导磁率频率响应，薄膜样本1被做成带状并插入一个线圈中。在一个偏置磁场作用下，测量加到线圈上的交流频率变化时线圈阻抗的变化。对不同的偏置磁场值进行多次这样的测量。由测量得到的随频率变化而变化的阻抗，计算出复导磁率频率响应(μ″-f响应)并示于图3。图3表明，复导磁率有一个高峰值或者说最大值(μ″max)，并在该峰值两侧迅速下降。表现出最大值(μ″max)的自然共振频率(f((μ″max))约为700MHz。由μ″-f响应确定相对带宽bwr，它是显示出复导磁率为最大值μ″max一半值μ″50的两个频率点之间的带宽与所述带宽中心频率的百分比。该相对带宽bwr是148％。例2在与例1相似但使用150Al2O3切片的条件下，在玻璃板上形成薄膜样本2。
对所产生的薄膜样本2用荧光X-射线光谱学进行分析并确认为合成物Fe44Al22O34薄膜。薄膜样本2的厚度为1.2微米(μm)，直流电阻率为2400微欧姆厘米(μΩ·cm)，各向异性场(Hk)为120 Oe，饱和磁场强度(Ms)为9600高斯。请注意，薄膜样本2的电阻率高于薄膜样本1。
薄膜样本2的饱和磁化强度与金属材料M本身的饱和磁化强度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是44.5％。
还以类似于例1的方式得到了薄膜样本2的μ″-f响应并示于图4。请注意该峰值也有类似于例1的高的值。然而，在峰值处的频率点，或者说自然响应频率，约为1GHz，而在该峰值两侧复导磁率逐渐下降，所以μ″-f响应有宽带特性。
也以类似于例1的方式确认薄膜样本2的相对带宽bwr是181％。比较例1在类似于例1但使用90Al2O3切片的条件下，在玻璃板上形成比较样本1。
对所产生的比较样本1用荧光X-射线光谱学进行分析并确认为合成物Fe86Al6O8薄膜。比较样本1的厚度为1.2微米(μm)，直流电阻率为74微欧姆厘米(μΩ·cm)，各向异性场(Hk)为22 Oe，饱和磁化强度(Ms)为18,800高斯，比较样本1的饱和磁化强度与金属材料M本身的饱和磁化强度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是44.5％。
还以类似于例1的方式得到了比较样本1的μ″-f响应并示于图5。请注意，从图5可见比较样本1的复导磁率μ″在约10MHz处有高峰值在高于10MHz的频率范围迅速减小。可以假定，这一减小是由于较低的电阻率所产生的涡流引起的。比较例2在类似于例1但使用200Al2O3切片的条件下，在玻璃板上形成比较样本2。
对所产生的比较样本2用荧光X-射线光谱学进行分析并确认为合成物Fe19Al34O47薄膜。比较样本2的厚度为1.3微米(μm)，直流电阻率为10,500微欧姆厘米(μΩ·cm)。
比较例1的磁特性表现为超顺磁性。例4在表2所示溅射条件下，使用图2A所示溅射装置，用反应溅射法，在玻璃板上制成M-X-Y薄膜。N2的部分压强比是20％。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本4。
表2
薄膜样本4的性质示于表3。
表3
例5在表4中所示溅射条件下用图2A中所示溅射装置在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本5。
表4
薄膜样本5的性质示于表5。
表5
例6在表6中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，由反应溅射法在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。N2的部分压强比是10％。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本6。
表6
薄膜样本6的性质示于表7。
表7
例7在表8中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本7。
表8
薄膜样本4的性质示于表9。
表9
例8在表10中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，由反应溅射法在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。N2的部分压强比为10％该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本8。
表10
薄膜样本10的性质示于表11。
表11
例9在表12中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理过2个小时，得到薄膜样本9。
表12
薄膜样本9的性质示于表13。
表13
例10在表14中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，由反应溅射法在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。O2的部分压强比是15％。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本10。
表14
薄膜样本10的性质示于表15。
表15
例11在表16中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本11。
表16
薄膜样本11的性质示于表17。
表17
例12在表18中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本12。
表18
薄膜样本12的性质示于表19。
表19
例13在表20中所示溅射条件下，使用图2A中所示溅射装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本13。
表20
薄膜样本13的性质示于表21。
表21
例14在表22中所示条件下，使用图2B中所示蒸气沉积装置，在玻璃板上制成M-X-Y磁合成物薄膜。该薄膜在磁场下在真空中以温度300℃进行热处理达2个小时，得到薄膜样本14。
表22
薄膜样本14的性质示于表23。
表23
现在将描述使用图6中所示测试装置进行关于样本薄膜和比较样本噪声压制效果的测试。
一片测试薄膜是尺寸为20mm×20mm×2.0μm的薄膜样本1。为了比较，取一片尺寸为20×20mm×1.0mm的已知合成磁性材料。该合成磁性材料包含聚合物及散布在聚合物中的扁平磁性金属粉末。该磁性金属粉末包含Fe、Al和Si。该合成磁性材料在准微波范围内有复导磁率分布，其复导磁率的最大值位于频率约700MHz处。表24显示测试片和比较用测试片的性质。
表24
从表24可见，薄膜样本1的复导磁率最大值约比比较用测试片的复导磁率大600倍。由于通常根据最大复导磁率μ″max和片厚度δ的乘积(μ″max×δ)之值来评估压制噪声的效果，所以合成磁性材料片的比较用测试片厚度选为1mm，从而使这两个测试片有相似的(μ″max×δ)值。
参考图6，测试装置包含一个带有两端口的微带线61，与这两个端口相连的同轴电缆62以及跨接在这两个端口的网络分析仪(未画出)。微带线61的长度为75mm，特征阻抗为50欧姆。测试片63放在微带线61上的一个区域64处，并测量传输特性S21。薄膜样本1和比较用样本的S21的频率响应分别示于图7a和7b。
针对使用测试样本1的情况，由图7A可以看到S21在100MHz以上时减小，在频率2GHz处达到极小值-10dB，然后在2GHz以上时增大。另一方面，对于使用比较用样本的情况，由图7B可以看到S21逐渐减小并在频率3GHz处达到极小值-10dB。
这些结果表明，S21依赖于复导磁率的频率分布，而压制噪声的效果依赖于乘积(μ″max×δ)。
现在，如图8A所示，假定磁性样本构成一个长度为l的分布常数电路，则由传输特性S11和S21对单位长度Δl计算出等效电路，如图8B中所示。然后由用于单位长度Δl的等效电路得到长度为l的等效电路，如图8C中所示。磁性样本的等效电路包含串联电感L和电阻R，以及并联电容C和电导G，如图8C所示。由此可以理解，由于在微带线上放置磁物质引起的微波带状线路传输特性的改变主要决定于所增加的串联等效电阻R。
考虑上述情况，测量了等效电阻的频率响应。对于薄膜样本1和比较用样本，所测量的数据分别示于图9A和9B。从这些图中可以看出，在准微波范围中等效电阻R逐渐减小并在约3GHz处约为60欧姆。可以看到，等效电阻R的频率依赖性不同于复导磁率的频率依赖性，复导磁率在约1GHz处有最大值。可以认为这一差别是基于该乘积和样本长度二者与波长之比的逐渐增大。
已经描述了本发明的磁物质生产方法，即溅射法和蒸气沉积法，但生产方法不限于这两种。任何其他薄膜生产方法，如离子束沉积法和气体沉积法，都能用于生产本发明的磁物质，如果它们能均一地产生本发明的磁物质的话。再有，如果所生产的薄膜有足够好的性质，则在薄膜生产后的热处理不是必须的。
工业可应用性根据本发明，该磁物质在高频范围(如准微波范围)有较高的复导磁率。所以根据本发明构成的磁物质能提供一个噪声压制器，它在小尺寸电子电路元件和电子装置中是有用的。
权利要求
1.一种含有M、X和Y的磁合成物磁物质，这里M是包含Fe、Co和/或Ni的金属磁性材料，X是不同于M和Y的一种或多种元素，Y是F、N和/或O，其特征在于所述M-X-Y磁合成物在该合成物中具有一M的浓度使得所述M-X-Y磁合成物的饱和磁化强度为只含有M的金属磁性材料体的饱和磁化强度的35-80％，所述磁合成物在频率0.1-10千兆赫(GHz)范围内有复导磁率μ″的最大值μ″max。
2.根据权利要求1的磁物质，它有一个相对带宽bwr为200％或更小的相对较窄频带的复导磁率频率响应，所述相对带宽bwr是作为两个频率点之间的带宽与该带宽的中心频率之百分比来确定的，这两个频率点位于复导磁率为最大值μ″max的一半值μ″50处。
3.根据权利要求2的磁物质，所述金属磁性材料X有一个饱和磁化强度，其中，所述磁合成物具有饱和磁化强度，它是金属磁性材料X的饱和磁化强度的60-80％。
4.根据权利要求2或3的磁物质，其中，所述磁合成物具有100至700μΩ·cm的直流电阻率。
5.根据权利要求1的磁物质，它有一个相对带宽bwr为150％或更大的相对宽频带的复导磁率频率响应，所述相对带宽bwr是作为两个频率点之间的带宽与该带宽的中心频率之百分比来确定的，运两个频率点位于复导磁率为最大值μ″max的一半值μ″50处。
6.根据权利要求5的磁物质，所述金属磁性材料X有一个饱和磁化强度，其中，所述磁合成物具有饱和磁化强度，它是金属磁性材料X的饱和磁化强度的35-60％。
7.根据权利要求5或6的磁物质，其中，所述磁合成物具有500μΩ·cm或更大的直流电阻率。
8.根据权利要求1-7中任何一个的磁物质，其中，X是C、Bi、Si、Al、Mg、Ti、Zn、Hf、Sr、Nb、Ta和/或稀土金属。
9.根据权利要求1-8中任何一个的磁物质，其中，所述金属磁性材料M作为粒状颗粒分布在含有X和Y的矩阵合成物中。
10.根据权利要求8的磁物质，其中，所述粒状颗粒的平均颗粒大小是1-40nm。
11.根据权利要求1-10中任何一个的磁物质，其中，所述磁合成物有各向异性场600 Oe或更小。
12.根据权利要1-11中任何一个的磁物质，其中，所述磁合成物是由公式Feα-Alβ-Oγ表示的合成物。
13.根据权利要求1-11中任何一个的磁物质，其中，所述磁合成物是由公式Feα-Siβ-Oγ表示的合成物。
14.根据权利要求1-13中任何一个的磁物质，其中，所述磁合成物是用溅射过程形成的薄膜。
15.根据权利要求1-13中任何一个的磁物质，其中，所述磁合成物是用蒸气沉积过程形成的薄膜。
16.根据权利要求1-15中任何一个的磁物质，它是作为厚度0.3-20μcm的板形成的，用作高频噪声压制器。
17.一种用于压制高频噪声在电子装置的电路线中流动的方法，特征在于把权利要求16的所述板放在所述电子装置附近或直接放在所述电子装置上。
全文摘要
提供了一种在准微波范围有复导磁率最大值的磁物质,用于压制小型电子装置中的高频噪声。该磁物质是由包含M、X和Y的磁合成物构成的,这里M是包含Fe、Co和/或Ni的金属磁性材料,X是不同于M和Y的一种或多种元素,Y是F、N和/或O。M－X－Y磁合成物中M的浓度使得所述M－X－Y磁合成物的饱和磁化强度为只含有M的金属磁性材料体的饱和磁化强度的35－80%。该磁合成物在频率0.1－10千兆赫(GHz)范围内有复导磁率μ″的最大值μ″
文档编号H01F1/33GK1365502SQ01800621
公开日2002年8月21日 申请日期2001年1月24日 优先权日2000年1月24日
发明者吉田荣吉, 小野裕司, 安藤慎辅, 李卫东, 岛田宽 申请人:株式会社东金