专利名称：一种高频片式电感材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及电感材料领域，特别涉及一种高性能低烧高频多层片式电感材料的组成及其制备方法。
背景技术：
20世纪90年代以来，电子设备向便携式、小型化、网络化和多媒体方向迅速发展，促使电路组装技术向表面安装技术(简称SMT)迅速转移，并且使SMT成为现代电路组装技术的主流。同时，随着计算机辅助设备，移动通讯设备、音像产品的快速发展以及军事国防等领域的需求，对通讯频段的争夺越发激烈，使得研制适用于高频范围的多层片式元器件的技术成为当今SMT技术发展的关键技术之一。
片式电感作为三大无源元件之一，与传统的绕线式电感元件相比，具有体积小，重量轻，有良好的磁屏蔽效果，漏磁通小，可焊性好与耐热性好，可靠性高，适于高密度组装等优点。故随着技术的发展，前者所占的比重将逐渐增大。
高频片式电感器是介质材料与内部螺旋式串/并联电极叠层共烧而成的独石结构。其工艺技术的关键是介质材料和内导体材料(从导电性能及成本方面考虑，银为最佳选择)共烧。这要求其中的介质材料具有较低的烧结温度(＜1000℃)，可与内导体材料相匹配的热膨胀系数。同时，由于自谐振频率(SRF)、集肤效应(skin effect)以及涡流效应的限制，很多介质材料本身就不能应用于高频，因此材料本身还必须满足低介电常数(ε＜＝8)，低介电损耗，tgδ在10～3量级，来减少信号延迟时间。从目前的研究和工业化现状来看，应用于高频、特高频的片式电感介质材料比较少。但是，人们仍然进行了大量的研究工作。
“玻璃+陶瓷”复合体系中玻璃是一种低熔点的且介电常数低、介电损耗低的玻璃，陶瓷是一种低介电常数的可提高烧结体物理性能的晶相物质。在此体系中，玻璃起助烧作用，陶瓷起骨架作用，来调节材料的物理性能和防止烧结过程中的变形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频片式电感材料及制备方法，具有成本低，成品合格率高，方法简单易行的特点。
本发明的技术方案是这样解决的一种高频片式电感材料，由重量百分含量45～75wt％的硼硅玻璃和总含量在25～55wt％之间的镁橄榄石和氧化铝中的至少一种物质组成，当同时包括镁橄榄石和氧化铝两种物质时，镁橄榄石和氧化铝的重量百分含量均为1～55wt％。
所述硼硅玻璃中按重量百分含量二氧化硅SiO2为65～80wt％，氧化硼B2O3为10％～16wt％，氧化铝Al2O3为1～9wt％、碱金属化合物氧化钾K2O为1～5wt％、氧化钠Na2O为1～5wt％和碱土金属氧化物氧化钙CaO为0～10wt％，同时，氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙的总含量为在5～20wt％。
其制备过程为1)首先熔制硼硅玻璃，按重量百分量称量原料二氧化硅SiO2为65～80wt％，氧化硼B2O3为10％～16wt％，氧化铝Al2O3为1～9wt％、碱金属化合物氧化钾K2O为1～5wt％、氧化钠Na2O为1～5wt％和碱土金属氧化物氧化钙CaO为0～10wt％，同时，氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙的总含量为在5～20wt％后，混合均匀，球磨2～8小时，干燥，温度为50～70℃，在坩埚内于1250℃～1400℃下保温1.5～4.5小时，使其完全熔融；2)将熔融物淬入蒸馏水中得到透明的玻璃体，粉碎，将粉碎之后的试样过筛100目；3)所得玻璃体经湿法球磨，得到平均粒径为0.2～2um的玻璃粉末，在温度为80℃～100℃烘干，制得硼硅玻璃；4)然后按以下a-c步骤之一，均可制得高频片式电感材料a.将制得的硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％和镁橄榄石重量百分含量为25～55wt％，球磨混合，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料；b.硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％和氧化铝重量百分含量为25～55wt％，球磨混合，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料；c.硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％、氧化铝重量百分含量为1～55wt％和镁橄榄石重量百分含量为1～55wt％球磨混合，镁橄榄石和氧化铝的总含量在25～55wt％之间，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料。各重量百分比为硼硅玻璃45～75wt％和镁橄榄石25～55wt％、硼硅玻璃45～75wt％和氧化铝25～55wt％、硼硅玻璃45～75wt％和氧化铝1～55wt％和镁橄榄石1～55wt％，同时，在三种混合时，镁橄榄石和氧化铝的总含量在25～55wt％之间。
本发明高频片式电感材料的特点
(1)该玻璃材料在(900～1000℃)致密烧结，烧结体的微观结构有大量0.2～2um的陶瓷晶粒、少量玻璃相和气孔组成。
(2)本发明所制备的玻璃/陶瓷复合材料具有低的介电常数(ε＝4.0～6.8，1MHz)和介电损耗(tgσ＝0.001～0.0025，1MHz)，与内电极相匹配的热膨胀系数((5.0～9.7)×10～6/℃)。
(3)本发明通过在配方中添加CaO等助剂，可以降低玻璃的熔制温度，玻璃料更加澄清、透明和均化。
(4)通过控制配方中的主要成分硼硅比，可以提高玻璃的低温粘度和软化点，使得复合材料成型后不易变形，同时，通过调控硼硅比的比值，来调节复合材料的烧结温度，从而可以得到与不同烧结温度的电极材料相匹配的材料。
(5)本发明制备的玻璃/陶瓷复合材料能够很好地和低电阻率的银电极共烧。
(6)本发明将单一的玻璃粉体在掺杂无机骨料后，解决高频电感在烧结过程中的变形问题，提高热膨胀系数，降低成本，提高成品合格率，这对实际生产很有意义。
图1为经过抛光后腐蚀的高频片式电感材料式样；图2为高频片式电感材料和银共烧界面的光学显微结构。
具体实施例方式实施例一一种高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(74％)，B2O3(15％)，Na2O(3.7％)，K2O(3.7％)，Al2O3(1.8％)，CaO(1.8％)。硼硅玻璃、镁橄榄石(按常规工艺人工合成)和氧化铝按照表1所示配方配料。
按重量百分比称量。经球磨3小时混料均匀后，在60℃烘干，装入高铝坩锅，熔制玻璃(1250℃，保温4小时)，将熔融的玻璃淬入蒸馏水中，得到透明的玻璃。将得到透明的玻璃体，100℃烘干、粉碎后，试样过筛(100目)，所得玻璃粉末经湿法球磨(用玛瑙磨球)，后在70℃烘干，得到平均粒径为0.2～2um的玻璃粉末，得到硼硅玻璃；按表1的配方，将硼硅玻璃与镁橄榄石、氧化铝混合，球磨2小时后在70℃烘干，即得到本发明的高频片式电感材料。经造粒(玻璃材料粉末与5％聚乙烯醇的比例为60/40)在50℃干燥后，在3～4MPa压力下干压成型，干压片在箱式炉中烧结。由HP4284ALCR多频率测试仪测定介电常数，测试频率为1MHz；由测定热膨胀系数。各组的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表1。
由表1可见，当SiO2含量为74％，B2O3含量为15％，硼硅玻璃含量为65～75wt％时，所得陶瓷材料的烧结温度≤900℃，介电常数在4.2～5.1，热膨胀系数在(5.5～7.5)×10～6/℃，既具有较低的介电常数，又具有较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
表1 实施例1的配方和结果
<p>2、疾病症状编码输入查询表表2-1
所得材料的烧结温度700℃，介电常数为4.5，热膨胀系数为6.75×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例四高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃组成为SiO2(69％)，B2O3(13.8％)，Na2O(3.4％)，K2O(3.4％)，Al2O3(8.6％)，CaO(1.7％)。硼硅玻璃、镁橄榄石和氧化铝(水热法合成)按照表2所示配方配料。测试方法同实施例一，陶瓷材料的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表2。
按重量百分比称量。经球磨5小时混料均匀后，在50℃烘干，装入高铝坩锅，熔制玻璃(1350℃，保温3小时)，将熔融的玻璃淬入蒸馏水中，得到透明的玻璃。将得到透明的玻璃体，110℃烘干、粉碎后，试样过筛(100目)，所得玻璃粉末经湿法球磨(用玛瑙磨球)，后75℃烘干，得到平均粒径为0.2～2um的玻璃粉末，即制得硼硅玻璃；按表2的配方，将硼硅玻璃与镁橄榄石、氧化铝混合，球磨3小时后65℃烘干，即得到本发明的高频片式电感材料。经造粒(玻璃材料粉末与5％聚乙烯醇的比例为60/40)55℃干燥后，在3～4MPa压力下干压成型，干压片在箱式炉中烧结。由HP4284ALCR多频率测试仪测定介电常数，测试频率为1MHz；由测定热膨胀系数。各组的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表2。
由表2可见，按成份含量制作的硼硅玻璃，且硼硅玻璃的含量为65％～75％时，所得陶瓷材料的烧结温度≤900℃，介电常数在3.8～4.975，热膨胀系数在(5.3～7.15)×10～6/℃，既具有较低的介电常数，又具有较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
表2 实施例2的配方和结果
实施例五高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(69％)，B2O3(13.8％)，Na2O(3.4％)，K2O(3.4％)，Al2O3(8.6％)，CaO(1.7％)。按照硼硅玻璃(75wt％)、氧化铝(25wt％)配料。
制备过程中按重量百分含量称量硼硅玻璃SiO2(69％)，B2O3(13.8％)，Na2O(3.4％)，K2O(3.4％)，Al2O3(8.6％)，CaO(1.7％)混合均匀，球磨。按照硼硅玻璃(75wt％)、氧化铝(25wt％)混合配料。其它制备方法同实施例四。
所得材料的烧结温度800℃，介电常数为4.625，热膨胀系数为5.375×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例六高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(69％)，B2O3(13.8％)，Na2O(3.4％)，K2O(3.4％)，Al2O3(8.6％)，CaO(1.7％)。按照硼硅玻璃(45wt％)、氧化铝(55wt％)配料。
制备过程同实施例四。
所得材料的烧结温度1200℃，介电常数为5.875，热膨胀系数为7.625×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例七高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃组成按重量百分比为SiO2(71.4％)，B2O3(14.3％)，Na2O(3.6％)，K2O(3.6％)，Al2O3(1.8％)，CaO(5.4％)。硼硅玻璃、镁橄榄石和氧化铝按照表3所示配方配料。测试方法同实施例一，陶瓷材料的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表3。
按重量百分比称量，经球磨6小时混料均匀后，在75℃烘干，装入坩锅，熔制玻璃(1300℃，保温1.5小时)，将熔融的玻璃淬入蒸馏水中，得到透明的玻璃。将得到透明的玻璃体，120℃烘干、粉碎后，试样过筛(100目)，所得玻璃粉末经湿法球磨(用玛瑙磨球)，后70℃烘干，得到平均粒径为0.2～1um的玻璃粉末，即制得硼硅玻璃；按表3的配方，将硼硅玻璃与镁橄榄石、氧化铝混合，球磨3.5小时后80℃烘干，即得到本发明的高频片式电感材料。经造粒(玻璃材料粉末与5％聚乙烯醇的比例为60/40)45℃干燥后，在4～5MPa压力下干压成型，干压片在箱式炉中烧结。由HP4284ALCR多频率测试仪测定介电常数，测试频率为1MHz；由测定热膨胀系数。各组的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表3。
由表3可见，22号～25号配方所得陶瓷材料的烧结温度≤900℃，介电常数在3.8～4.8，热膨胀系数在(5.0～6.0)×10～6/℃，既具有较低的介电常数，又具有较高的热膨胀系数。
表3 实施例3的配方和结果
实施例八高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(71.4％)，B2O3(14.3％)，Na2O(3.6％)，K2O(3.6％)，Al2O3(1.8％)，CaO(5.4％)。按照硼硅玻璃(55wt％)和氧化铝(5wt％)和镁橄榄石(40wt％)配料。
制备过程同实施例七。
所得材料的烧结温度1000℃，介电常数为4.56，热膨胀系数为7.4×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例九高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(71.4％)，B2O3(14.3％)，Na2O(3.6％)，K2O(3.6％)，Al2O3(1.8％)，CaO(5.4％)。按照硼硅玻璃62wt％和氧化铝28wt％和镁橄榄石10wt％配料。
制备过程同实施例七。
所得材料的烧结温度900℃，介电常数为4.788，热膨胀系数为5.925×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例十高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃组成按重量百分比为SiO2(78.4％)，B2O3(15.7％)，Na2O(1.96％)，K2O(1.96％)，Al2O3(3.92％)。硼硅玻璃、镁橄榄石(按常规工艺人工合成)和氧化铝(水热法合成)按照表4所示配方配料。
测试方法同实施例一，陶瓷材料的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表4。
按重量百分比称量。经球磨8小时混料均匀后，在65℃烘干，装入高铝坩锅，熔制玻璃(1400℃，保温2小时)，将熔融的玻璃淬入蒸馏水中，得到透明的玻璃。将得到透明的玻璃体，100℃烘干、粉碎后，试样过筛(100目)，所得玻璃粉末经湿法球磨(用玛瑙磨球)，后65℃烘干，得到平均粒径为0.2～1.5um的玻璃粉末，即制得硼硅玻璃；按表4的配方，将硼硅玻璃与镁橄榄石、氧化铝混合，球磨4小时后90℃烘干，即得到本发明的高频片式电感材料。经造粒(玻璃材料粉末与5％聚乙烯醇的比例为60/40)干燥后，在4～5MPa压力下干压成型，干压片在箱式炉中烧结。由HP4284ALCR多频率测试仪测定介电常数，测试频率为1MHz；由测定热膨胀系数。各组的烧结温度、介电常数和热膨胀系数汇总在表4。
由表4可见，27号～29号配方所得陶瓷材料的烧结温度≤900℃，介电常数在4.2～4.7，热膨胀系数在(6.1～7.6)×10～6/℃，既具有较低的介电常数，又具有较高的热膨胀系数表4 实施例4的配方和结果
实施例十一高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(78.4％)，B2O3(15.7％)，Na2O(1.96％)，K2O(1.96％)，Al2O3(3.92％)。按照硼硅玻璃54wt％、氧化铝30wt％和镁橄榄石16wt％配料。
制备过程同实施例十。
所得材料的烧结温度1100℃，介电常数为5.304，热膨胀系数为7.29×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
实施例十二高频片式电感材料，包括玻璃相和陶瓷相，玻璃相为硼硅玻璃，陶瓷相是镁橄榄石和氧化铝。其中硼硅玻璃的重量百分比是SiO2(78.4％)，B2O3(15.7％)，Na2O(1.96％)，K2O(1.96％)，Al2O3(3.92％)。按照硼硅玻璃67wt％、氧化铝3wt％和镁橄榄石30wt％混合配料。
制备过程同实施例十。
所得材料的烧结温度900℃，介电常数为4.412，热膨胀系数为7.525×10～6/℃，具有较低的介电常数和较高的热膨胀系数，材料成形后不变形。
权利要求
1.一种高频片式电感材料，其特征在于，由重量百分含量45～75wt％的硼硅玻璃和总含量在25～55wt％之间的镁橄榄石和氧化铝中的至少一种物质组成，当同时包括镁橄榄石和氧化铝两种物质时，镁橄榄石和氧化铝的重量百分含量均为1～55wt％。
2.根据权利要求1所述的高频片式电感材料，其特征在于，所述硼硅玻璃中按重量百分含量二氧化硅SiO2为65～80wt％，氧化硼B2O3为10％～16wt％，氧化铝Al2O3为1～9wt％、碱金属化合物氧化钾K2O为1～5wt％、氧化钠Na2O为1～5wt％和碱土金属氧化物氧化钙CaO为0～10wt％，同时，氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙的总含量为在5～20wt％。
3.一种高频片式电感材料的制备方法，其特征在于，其制备过程为1)首先熔制硼硅玻璃，按重量百分量称量原料二氧化硅SiO2为65～80wt％，氧化硼B2O3为10％～16wt％，氧化铝Al2O3为1～9wt％、碱金属化合物氧化钾K2O为1～5wt％、氧化钠Na2O为1～5wt％和碱土金属氧化物氧化钙CaO为0～10wt％，同时，氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙的总含量为在5～20wt％后，混合均匀，球磨2～8小时，干燥，温度为50～70℃，在坩埚内于1250℃～1400℃下保温1.5～4.5小时，使其完全熔融；2)将熔融物淬入蒸馏水中得到透明的玻璃体，粉碎，将粉碎之后的试样过筛100目；3)所得玻璃体经湿法球磨，得到平均粒径为0.2～2um的玻璃粉末，在温度为80℃～100℃烘干，制得硼硅玻璃；4)然后按以下a-c步骤之一，均可制得高频片式电感材料a.将制得的硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％和镁橄榄石重量百分含量为25～55wt％，球磨混合，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料；b.硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％和氧化铝重量百分含量为25～55wt％，球磨混合，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料；c.硼硅玻璃重量百分含量为45～75wt％、氧化铝重量百分含量为1～55wt％和镁橄榄石重量百分含量为1～55wt％球磨混合，镁橄榄石和氧化铝的总含量在25～55wt％之间，球磨2～4小时后烘干，温度为80℃～100℃，即得高频片式电感材料。
全文摘要
本发明公开了一种高频片式电感材料及制备方法，由重量百分含量45～75wt％的硼硅玻璃和总含量在25～55wt％之间的镁橄榄石和氧化铝中的至少一种物质组成，当同时包括镁橄榄石和氧化铝两种物质时，镁橄榄石和氧化铝的重量百分含量均为1～55wt％。氧化铝采用常规水热法合成(颗粒尺寸范围在0.5～1.5um之间)，镁橄榄石采用人工合成。粉料经球磨、造粒、成型和烧结过程，其中，在造粒过程中要求平均粒径≤2um。同现有技术相比，本发明可使低烧的电感材料提高热膨胀系数，降低介电常数和生产成本，缩小元件尺寸，解决了片式电感变形的问题。其配方、工艺简单，性能稳定，适于工业化生产。
文档编号H01B3/02GK1645528SQ20041007336
公开日2005年7月27日 申请日期2004年12月8日 优先权日2004年12月8日
发明者陈维, 郭海, 赵丽华, 曾向东, 戴春雷 申请人:西安交通大学, 深圳顺络电子有限公司