小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法
【专利摘要】小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法，属于电感器【技术领域】，本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感包括外壳磁芯、内核磁芯和线圈，线圈围绕内核磁芯设置，外壳磁芯的内部设置有限位机构，内核磁芯和线圈通过限位机构设置于外壳磁芯中。本发明的有益效果是：第一，电感体积小，安装高度低；第二，采用金属磁粉芯作为内核磁芯，因其强的抗饱和磁化能力，电感能承载大的电流；第三，采用大小不同的内核磁芯和匝数不一的线圈实现了电感值的系列化；第四，采用表面贴装设计，易于安装。
【专利说明】小型表面贴装磁屏蔽功率电感及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电感器【技术领域】，特别涉及小型表面贴装、大电流磁屏蔽功率电感器设计及制作。
【背景技术】
[0002]世界电子元器件向小型、高效、表面贴片安装、低表面安装高度、低重量、低电磁干扰方向发展，功率电感也必然要跟随其发展步伐。功率电感广泛应用于开关电源中，在电路中起滤波作用，其性能直接影响到开关电源的性能。例如，低的安装高度、小的体积会很大程度上缩小开关电源的体积，提高其功率密度；高的电感值会减小开关电源的纹波大小；低的漏磁场不会干扰到其他电子元器件的正常工作；耐大电流的能力使其能传输更大的功率。因此，功率电感必将朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的方向迈进。
[0003]现有的功率电感，要满足小型、高电感值、耐大电流其中的两者是容易实现的。如需满足小型、高电感值的要求，则采用线径较细的漆包线绕制较多的匝数即可实现，但其额定电流值很小；如需满足小型、耐大电流的要求，则采用较粗线径的漆包线绕制较少的匝数即可实现，但其电感值小；如需满足高电感值、耐大电流的要求，则可采用线径较粗的漆包线绕制较多的匝数即可实现，但其体积将严重变大。除以上三大特性外，低电磁干扰及表面贴装的设计也是发展潮流。因此，兼具以上五种性能的小型、大电流表面贴装电感必将成为元器件市场争夺的热点。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，针对电感器件朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的发展，本发明提供一种兼具以上五种特性的电感，并提供一种制备方法。
[0005]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，包括外壳磁芯、内核磁芯和线圈，线圈围绕内核磁芯设置，外壳磁芯的内部设置有限位机构，内核磁芯和线圈通过限位机构设置于外壳磁芯中。
[0006]内核磁芯和线圈为圆柱形；或者内核磁芯和线圈为长方体形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2。
[0007]内核磁芯限位机构为设置于外壳磁芯内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构为外壳磁芯内腔的凹槽，内核磁芯限位机构和线圈限位机构的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。
[0008]所述线圈为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片。
[0009]所述外壳磁芯材料为NiZruMnZn或MgZn铁氧体材料，外壳磁芯材料的起始磁导率μ i大于900，居里温度T。高于170°C，饱和磁感应强度Bs高于340mT。
[0010]所述外壳磁芯材料选用NiZn铁氧体材料，其成分包括主成分和掺杂剂,主成分按摩尔百分比计算为:49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%Zn0 和 6.0 ?8.0mol%Cu0,余量为NiO ;掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算:0.10?0.25wt%Bi203、0.065?0.125wt%Mo03、0.02 ?0.075wt%CaC03。
[0011]内核磁芯材料为铁粉芯、铁娃招磁粉芯、铁镍钥磁粉芯或高磁通磁粉芯。
[0012]本发明还提供小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制备方法，其特征在于，包括下述步骤:
[0013]1、外壳磁芯的配方:采用 49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%ZnO,6.0 ?
8.0mol%Cu0，余量为 NiO ；
[0014]2、一次球磨:将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2?4小时；
[0015]3、预烧:将步骤2所得球磨料烘干，并在850?950°C炉内预烧2?4小时；
[0016]4、掺杂:将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0.10?0.25wt%Bi203、0.065 ?0.125wt%Mo03>0.02 ?0.075wt%CaC03 ；
[0017]5、二次球磨:将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3?6小时；
[0018]6、成型:将步骤5所得料粉按重量比加入12?16wt%有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；
[0019]7、烧结:将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050?1120°C保温3?5小时，得到外壳磁芯；
[0020]8、绕制线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片；
[0021]9、内核磁芯穿过线圈，固定在外壳磁芯内。
[0022]本发明的有益效果:第一，电感体积小，安装高度低；第二，采用金属磁粉芯作为内核磁芯，因其强的抗饱和磁化能力，电感能承载大的电流；第三，采用大小不同的内核磁芯和匝数不一的线圈实现了电感值的系列化；第四，采用表面贴装设计，易于安装。
[0023]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明和制备方法作进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的整体结构示意图。
[0025]图2为本发明的实施例1的外壳磁芯结构示意图。
[0026]图3为本发明的实施例1的内核磁芯结构示意图。
[0027]图4为本发明的实施例1的线圈结构示意图。
[0028]图5为本发明的实施例2的外壳磁芯结构不意图。
[0029]图6为本发明的实施例2的内核磁芯结构示意图。
[0030]图7为本发明的实施例2的线圈结构示意图。
[0031]图中:1、圆弧凹槽外壳磁芯，2、外壳磁芯大圆弧凹槽，3、外壳磁芯小圆弧凹槽，4、矩形凹槽外壳磁芯，5、圆形柱状内核磁芯，6、矩形柱状内核磁芯，7、圆形线圈，8、金属贴片，
9、矩形线圈。
【具体实施方式】
[0032]本发明的核心思想是:第一，材料研发方面。增加磁性离子浓度以增强A、B次晶格间的超交换作用，实现铁氧体材料高的居里温度；控制Fe3+、Zn2+等离子的浓度，调控离子在A、B位的占位情况使其具有大的分子磁矩，以实现铁氧体材料高的饱和磁感应强度；调控材料的磁晶各向异性和磁致伸缩特性，实现铁氧体材料较高的磁导率。第二，电感器件制作方面。将磁芯设计为由小体积的外壳磁芯和内核磁芯构成，且两者之间开有一定大小的气隙，因此内核磁芯、气隙和外壳磁芯串联形成了闭合的磁路。外壳磁芯为高居里温度、高饱和磁感应强度和较高磁导率的铁氧体材料，内核磁芯为抗饱和磁化能力强的金属磁粉芯。磁阻公式为yeXAe)，其中，Le、μ(ι、分别代表有效长度、真空磁导率、有效磁导率和有效面积。由于空气、金属磁粉芯的磁导率远小于铁氧体，从可知两者各自的磁阻要远大于外壳磁芯。因此，绝大部分的磁势F降落在两者之上，而外壳磁芯上承载的磁势F很小，由公式F=HXLe可知施加于外壳磁芯上的磁场强度H较小,从而铁氧体磁芯保持了较高的磁导率。因此，实现了电感具有小的体积、较高的电感值和强的耐大电流的能力这三种特点。根据电感值计算公式L= μ C1X μ e X Ae X N2/Le,可知采用不同大小的内核磁芯和不同匝数的线圈，可以实现电感值的可调特性。此外，外壳磁芯包覆内核磁芯而形成闭合的磁路，实现了磁屏蔽的功效；采用在线圈两端焊接金属贴片的方法，实现了表面贴装的功倉泛。
[0033]一、材料方面
[0034]外壳磁芯材料选用具有较高起始磁导率μ 1、高居里温度T。、高饱和磁感应强度Bs的NiZruMnZn或者MgZn铁氧体材料。优选的主配方经一次球磨、预烧、掺杂、二次球磨工艺获得二磨料，然后使用外壳磁芯模具，在合适的成型压力下获得外壳磁芯生坯，最后在适宜的烧结温度下进行烧结，从而制备得到起始磁导率μ i大于900、居里温度T。高于170°C、饱和磁感应强度Bs高于340mT的外壳磁芯。在高温、大电流的情况下，高居里温度T。、高饱和磁感应强度Bs的材料依然具有相对较大的磁导率μ y因此电感器的电感量不会出现大的衰减。
[0035]优选具有较高的电阻率NiZn铁氧体，材料制备采用的技术方案如下:NiZn铁氧体材料组分包括 49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%Zn0,6.0 ?8.0mol%Cu0,余量为 NiO ；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算:0.10?0.25wt%Bi203、0.065?0.125wt%Mo03、0.02?0.075wt%CaC03。
[0036]本发明的NiZn铁氧体材料制备方法，包括以下步骤:
[0037]1、配方:采用 49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%ZnO，6.0 ?8.0mol%Cu0,余量为NiO ;2、一次球磨:将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2?4小时；3、预烧:将步骤2所得球磨料烘干，并在850?950°C炉内预烧2?4小时；4、掺杂:将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0.10?0.25wt%Bi203>0.065?0.125wt%Mo03、0.02?0.075wt%CaC03 ;5、二次球磨:将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3?6小时；6、成型:将步骤5所得料粉按重量比加入12?16wt %有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；7、烧结:将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050?1120°C保温3?5小时。
[0038]二、功率电感器方面
[0039]外壳磁芯呈长方体凹槽状，其外部呈长方体状，而内部具有一大圆弧凹槽及两小圆弧凹槽。外壳磁芯结构的设计具有以下作用:其一，外壳磁芯内部的两个小圆弧凹槽设计用于固定内核磁芯，而且减小了外壳磁芯与内核磁芯之间的气隙，因此具有增加电感量的作用；其二，外壳磁芯内部的大圆弧凹槽设计，一方面满足了线圈放置的空间需要，另一方面，内核磁芯与外壳磁芯基本形成了闭合的磁路，减小了漏磁场。[0040]内核磁芯为圆形柱状或矩形柱状的金属磁粉芯。金属磁粉芯可以是铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钥磁粉芯及高磁通粉芯。由于它们具有强的抗饱和磁化能力，因此电感在承载大电流的情况下而不至于失效。线圈采用漆包线绕制一层或多层而形成，漆包线为扁平线或者圆形线。多层线圈虽有适度增加占用体积的不足，但可极大地提高电感量。在线圈两端的接线端上，用高温焊锡丝焊接有金属贴片。高温焊锡丝有较高的熔点，因此，在将电感焊锡安装到电路板上时，贴片不会出现移位或者脱落现象。
[0041]针对电感器件朝着小型、高感值、耐大电流、磁屏蔽及表面贴装的发展，本发明提供一种兼具以上五种特性的电感，并提供一种制备方法。其指导思想是:材料研发方面，增加磁性离子Fe'Ni2+的浓度以增强A、B次晶格间的超交换作用，控制离子的浓度调控离子在A、B位的占位情况使其具有大的分子磁矩，调控材料的磁晶各向异性和磁致伸缩特性，实现铁氧体材料较高的磁导率。电感器件制作方面，将磁芯设计为由小体积的外壳磁芯和内核磁芯构成，且两者之间开有一定大小的气隙，因此内核磁芯、气隙和外壳磁芯串联形成了闭合的磁路。外壳磁芯为高居里温度、高饱和磁感应强度和较高磁导率的铁氧体材料，内核磁芯为抗饱和磁化能力强的金属磁粉芯。采用不同大小的内核磁芯和不同匝数的线圈，实现电感值的可调特性。
[0042]参见图1?7。
[0043]本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感包括外壳磁芯1、内核磁芯5和线圈7，线圈7围绕内核磁芯5设置，外壳磁芯I的内部设置有限位机构，内核磁芯5和线圈7通过限位机构设置于外壳磁芯I中。
[0044]作为实施例1，如图2?4，内核磁芯5和线圈7为圆柱形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2。所述内核磁芯限位机构3为设置于外壳磁芯I内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构2为外壳磁芯I内腔的凹槽，内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。所述线圈7为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片8。
[0045]作为实施例2，内核磁芯5和线圈7为长方体形；对应的，内核磁芯限位机构3和线圈限位机构2的凹槽形状为矩形。如图5?7。
[0046]本发明的小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制作方法和步骤如下:
[0047]一、外壳磁芯
[0048]1、配方:采用 49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%Zn0,6.0 ?8.0mol%Cu0,余量为NiO ；
[0049]2、一次球磨:将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2?4小时；
[0050]3、预烧:将步骤2所得球磨料烘干，并在850?950°C炉内预烧2?4小时；
[0051 ] 4、掺杂:将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0.10?0.25wt%Bi203、0.065 ?0.125wt%Mo03>0.02 ?0.075wt%CaC03 ；
[0052]5、二次球磨:将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3?6小时；
[0053]6、成型:将步骤5所得料粉按重量比加入12?16wt%有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；
[0054]7、烧结:将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050?1120°C保温3?5小时。
[0055]二、内核磁芯[0056]采用圆形柱状铁粉芯。
[0057]三、线圈
[0058]采用一定匝数N的线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片。
[0059]四、组装
[0060]将外壳磁芯、内核磁芯及线圈进行组装。组装完毕后，将电感放入烘箱中烘烤一定的时间，电感制备完毕。
[0061]实施例3~8:
[0062]一、外壳磁芯
[0063]1、配方
[0064]组分Fe203、ZnO和CuO的含量分别为49.4,29.0和6.5mol%,余量为NiO ；
[0065]2、一次球磨
[0066]将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间3小时；
[0067]3、预烧
[0068]将步骤2所得 球磨料烘干，并在930 V炉内预烧3小时；
[0069]4、掺杂
[0070]将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0.15wt%Bi203、0.080wt%Mo03、0.040wt%CaC03；
[0071]5、二次球磨
[0072]将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨4小时；
[0073]6、成型
[0074]将步骤5所得料粉按重量比加入15wt %有机粘合剂，混匀，造粒后，用40目的筛子过筛，取粒径大小为40目与200目之间的粉粒料。往选取的粉粒料中加入0.5%的硬脂酸锌，采用外壳磁芯模具，在压机上将粒状粉料压制成外壳磁芯生坯；
[0075]7、烧结
[0076]将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在生坯样品的各个侧面施加适当的压力，1100°C保温3小时。升温过程中，300°C~360°C区间升温速率设为0.5°C /min ;而降温过程中，起初的降温速率设为1.3°C /min
[0077]样品取出后，去除其边角处的毛刺，得到最终的外壳磁芯。
[0078]二、内核磁芯
[0079]采用直径D1为2.16mm、长度I1为12.0Omm的圆形柱状铁粉芯。
[0080]三、线圈
[0081]用直径为0.25mm规格的无氧铜圆形漆包线，分别绕制成匝数N为90、80、60、50、36和12的线圈，具体见下表:
【权利要求】
1.小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，包括外壳磁芯(I)、内核磁芯(5)和线圈(7),线圈(7)围绕内核磁芯(5)设置,夕卜壳磁芯(I)的内部设置有限位机构，内核磁芯(5)和线圈(7)通过限位机构设置于外壳磁芯(I)中。
2.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，内核磁芯(5)和线圈(7)为圆柱形；或者内核磁芯和线圈为长方体形；所述限位机构包括内核磁芯限位机构(3)和线圈限位机构(2)。
3.如权利要求2所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述内核磁芯限位机构(3)为设置于外壳磁芯(I)内腔两端的凹槽，所述线圈限位机构(2)为外壳磁芯(I)内腔的凹槽，内核磁芯限位机构(3)和线圈限位机构(2)的形状和位置分别与内核磁芯、线圈对应。
4.如权利要求2所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述线圈(7)为漆包线绕制而成，且两接线端焊接有金属贴片(8)。
5.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述外壳磁芯材料为NiZruMnZn或MgZn铁氧体材料，外壳磁芯材料的起始磁导率μ j大于900，居里温度Tc高于170°C，饱和磁感应强度Bs高于340mT。
6.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述外壳磁芯材料选用NiZn铁氧体材料，其成分包括主成分和掺杂剂，主成分按摩尔百分比计算为:49.0 ?50.8mol%Fe203, 28.0 ?30.0mol%ZnO 和 6.0 ?8.0mol%Cu0,余量为 NiO ;掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算:0.10?0.25wt%Bi203、0.065?0.125wt%Mo03、0.02?0.075wt%CaC03。
7.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感，其特征在于，所述内核磁芯材料为铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钥磁粉芯或高磁通磁粉芯。
8.如权利要求1所述的小型表面贴装磁屏蔽功率电感的制备方法，其特征在于，包括下述步骤: 1)外壳磁芯的配方:采用49.0 ?50.8mol%Fe203，28.0 ?30.0mol%ZnO,6.0 ?8.0mol%Cu0，余量为 NiO ； 2)一次球磨:将以上料粉在球磨机内混合均匀，时间2?4小时； 3)预烧:将步骤2所得球磨料烘干，并在850?950°C炉内预烧2?4小时； 4)掺杂:将步骤3所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0.10?0.25wt%Bi203、0.065?0.125wt%Mo03、0.02 ?0.075wt%CaC03 ； 5)二次球磨:将步骤4中得到的料粉在球磨机中球磨3?6小时； 6)成型:将步骤5所得料粉按重量比加入12?16wt%有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件； 7)烧结:将步骤6所得生坯置于烧结炉内烧结，在1050?1120°C保温3?5小时，得到外壳磁芯； 8)绕制线圈，并在线圈的两接线端焊接金属贴片； 9)内核磁芯穿过线圈，固定在外壳磁芯内。
【文档编号】H01F17/04GK103474200SQ201310433093
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】余忠, 孙科, 赖敏敏, 李垚, 蒋晓娜, 兰中文 申请人:电子科技大学