磁性复合材料、制备方法及其在PCB埋嵌电感中作为磁芯的应用与流程

本发明属于印制电路制造领域，特别涉及一种磁性复合材料、制备方法及其在PCB埋嵌电感中作为磁芯的应用。

背景技术：

随着无线通信、汽车电子和其它消费类电子产品在多功能、小型化、便携式、高速度、低功耗和高可靠性要求的发展，集成电路正逐步将芯片、微传感器、微执行器及各类无源元件如电阻、电容、电感、滤波器、耦合器等集成到一个封装体内，称为系统级封装技术。在电子产品中，电感是高频、微波频段信号传输及处理的重要部件之一。传统的电感器件一般分为负载点模块与隔离模块两种，这两种模块共同特点是磁芯暴露在外面，占据了大量的模块面积。针对这个问题，电子开发商都试图缩小电感器件的体积以实现模块小型化，但效果不佳。由于电感器件的缩小有局限性，且大部分电感器件都需要手工贴装，极大地影响了封装效率。为了寻求良好的解决方案，部分研究机构提出将电感的磁芯分布埋嵌印制电路板的内部，同时设计金属孔、布线环绕磁芯形成内埋的电感器件，这样电感器件可以完全不占用表面空间，缩小整个模块的体积，同时也解决了手工贴装电感的繁琐，大幅提升了封装效率。因此，印制电路板埋嵌电感技术逐渐成为当下的研究热点。

印制电路电感的埋嵌制作通常是将高磁导率的磁芯材料绕制在线圈中。对于磁芯的绕制方式，最常使用的是在多边形或环形电感器的上层和/或下层，或在螺旋绕制线圈中心埋嵌磁芯的结构。目前，印制电路板埋嵌磁芯电感主要有两种方式：

其一是在电感线圈中心埋嵌磁芯材料形成印制电路板埋嵌磁芯电感。《埋电感电路板的加工方法》、《具有埋入电感器件的PCB板的制作方法》和《埋电感式印制电路板的制作方法以及该方法制得的电路板》，申请号分别为CN201010042819.6、CN201210408784.2与CN201310216850.0的中国发明专利均采用预先在印制板子板开槽或通孔，将磁芯放置于槽或通孔后压合的方式制作埋嵌磁芯电感；陈健等在文献《一种在组装过程中的电感磁芯埋入PCB技术》中通过将电感的磁芯部分埋入印制电路板的内部，导电的绕线更改为镀厚铜的过孔来实现，以通孔与磁芯相结合的方式形成埋嵌磁芯电感；中国实用新型专利《一种小型内嵌铁氧体磁芯的NFC天线》申请号为CN201320168284.6中通过将铁氧体磁芯插入金属线圈内，制作近距离无线通讯技术(Near Field Communication，NFC)天线；此类方法使用无机磁性材料制作磁芯埋嵌于印制电路板中，而印制电路采用有机树脂作为基板材料，两者热膨胀系数存在较大差异，使用过程中易出现感值不稳定以及可靠性问题。

其二是在电感线圈的上或下平面制作一层磁芯材料。此方式中用于制造磁芯的磁性材料根据制作工艺不同可以分为磁性金属或其合金材料(如Ni、Co及其合金材料)和磁性复合材料(无机有机复合材料)。对于磁性金属或其合金材料，申请号为CN02811673.9的中国发明专利《印刷电路板中形成磁性层的改进方法》中采用在铜箔上成形薄镍层，然后使镍层接触基材压合到基材上，除掉铜箔在基材上留下镍层，采用光机械成象和腐蚀技术直接在镍层上镀NiFe和成形NiFe图案，从而形成集成电感器芯，该法工艺复杂，蚀刻铜箔易导致制造成本的提高；申请号为CN201510375350.0的中国发明专利《一种印制电路板埋嵌磁芯电感的制备方法》中通过在导电线圈上直接电镀或化学镀一层Ni-P、Co-P、Ni-B、Co-B、Ni-Co-P或Ni-Co-B磁芯材料，得到印制电路板埋嵌磁芯电感，但该方法对感值的提高依然有限。

无机有机磁性复合材料通常是使用无机的磁性材料与有机树脂复合制备而成，兼具有机和无机材料的各自优点，同时在力学、光学、热学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能。通过不同无机磁性材料和有机树脂的组合，可以获得高导热(如申请号为CN2014107449878的中国发明专利《磁性微纳米复合填料/硅橡胶导热复合材料的制备方法》、申请号为CN2013107292379的中国发明专利《高导热磁性复合材料及其制备方法》、申请号为CN2012104042610的中国发明专利《一种磁性金属粉/硅橡胶导热复合材料及其制备方法》、申请号为CN2014105908713的中国发明专利《一种高导热磁性复合材料》)、耐腐蚀(如申请号为CN2015106553417的中国发明专利《一种耐腐蚀磁性复合材料及其制备方法》)、防辐射(如申请号为CN2014104080170的中国发明专利《一种柔性软磁铁氧体复合材料》)、用于废水处理(如申请号为CN2012105912279的中国发明专利《一种有机磁性复合材料及其制备方法》)等具有不同功能特性的磁性复合材料。但上述磁性复合材料均未涉及印制电路电感制作方面的研究，所采用的有机树脂性能缺陷(如聚酰亚胺吸湿性高、硅橡胶不耐酸碱)不适宜用于印制电路电感材料。

对于用于印制电路板电感制作的磁性复合材料，近年来也有很多研究工作。Bang D H等在文献《Ni-Zn ferrite screen printed power inductors for compact DC-DC power converter applications》(《Ni-Zn铁氧体丝网印刷功率电感及其在直流-直流电源转换器中的应用》)及Sugawa Y等在文献《Carbonyl-iron/epoxy composite magnetic core for planar power inductor used in package-level power grid》(《用于封装级电源网格中平面电源电感的羰基铁/环氧树脂复合材料磁芯》)中分别使用Ni-Zn铁氧体与聚酰亚胺、羰基铁与环氧树脂制作磁性复合材料，然后通过丝网印刷在电感线圈上下层覆盖一层磁性复合材料后固化的方法制作埋嵌磁芯电感；上述方法使用的聚酰亚胺树脂吸湿性高、环氧树脂耐老化性及耐湿热性差，且上述方法将磁性材料印刷到电感线圈表面，只能在平面方向增强电感，制作的磁芯电感感值较低且感值误差大。

技术实现要素：

针对现有印制电路埋嵌电感技术中所使用的磁性材料存在的问题，本发明公开了一种磁性复合材料、制备方法及其在PCB埋嵌电感中作为磁芯的应用，这三个方面的技术方案具体如下文所述：

技术方案1：

一种磁性复合材料，包括质量分数为5％～90％铁氧体和质量分数为10％～95％聚苯醚树脂，所述铁氧体为钡铁氧体或者锶铁氧体，所述聚苯醚树脂的结构中含有可交联活性基团封端。

优选地，所述聚苯醚树脂的数均分子量为1500～6000；

优选地，所述可交联活性基团为乙烯基、丙烯基、烯丙基或丙烯酰基。

技术方案2：

一种磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：铁氧体表面改性处理；

A1：将铁氧体加入丙酮中制成混合体系；

A2：将钛酸酯偶联剂加入丙酮中制成溶液体系；

A3：将步骤A1所得的混合体系加入步骤A2所得的溶液体系，于50～80℃温度条件下反应2～5小时，形成固液混合体系；将所述固液混合体系经过过滤处理后干燥，研磨制得表面改性铁氧体；

步骤B：制备磁性复合材料；

B1：将聚苯醚树脂溶解于有机溶剂中，制得均匀混合体系；

B2：将步骤A制得的表面改性铁氧化体分散于所述有机溶剂中，制得均匀混合体系；

B3：将步骤B1制得的混合体系加入步骤B2制得的混合体系中混合充分，其中：铁氧体与聚苯醚树脂的质量比为1∶19～9∶1；然后于80℃加热使得其内的有机溶剂挥发，得到浆状磁性复合材料，再置于110～140℃条件下固化1～3小时，最终制得固态磁性复合材料。

其中，所述步骤B中有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、丁酮和甲苯的任一种；

优选地，所述步骤B1中聚苯醚树脂的结构中含有可交联活性基团封端，使得树脂分子与树脂分子之间的交联形成更复杂的交联体系，进而获得热稳定性更好的材料；优选地，所述可交联活性基团为乙烯基、丙烯基、烯丙基或丙烯酰基；

优选地，所述聚苯醚树脂的数均分子量为1500～6000；

优选地，所述钛酸酯偶联剂为单烷氧基型，其质量占铁氧体质量的百分比为2％～5％。

本发明技术方案中通过对铁氧体改性处理使得改性后铁氧体能够均匀分散于聚苯醚树脂中，铁氧体表面羟基(-OH)，-OH可与钛酸酯偶联剂的烷氧基(-RO)发生反应，反应后钛酸酯以化学键形式吸附在铁氧体表面，最终形成表面改性铁氧体，具体如下化学反应所示：

X-OH+RO-Ti-(OX-R′-Y)n→X-O-Ti-(OX-R′-Y)_n+ROH

其中，以X表示铁氧体颗粒，钛酸酯的化学表达式为RO-Ti-(OX-R′-Y)_n。

技术方案3：

磁性复合材料在PCB埋嵌电感中作为磁芯的应用，包括以下步骤：

步骤A：铁氧体表面改性处理；

A1：将铁氧体加入丙酮中制成混合体系；

A2：将钛酸酯偶联剂加入丙酮中制成溶液体系；

A3：将步骤A1所得的混合体系加入步骤A2所得的溶液体系，于50～80℃温度条件下反应2～5小时，形成固液混合体系；将所述固液混合体系经过过滤处理后干燥，研磨制得表面改性铁氧体；

步骤B：制备磁性复合材料；

B1：将聚苯醚树脂溶解于有机溶剂中，制得均匀混合体系；

B2：将步骤A制得的表面改性铁氧化体分散于所述有机溶剂中，制得均匀混合体系；

B3：将步骤B1制得的混合体系加入步骤B2制得的混合体系中混合充分，其中：铁氧体与聚苯醚树脂的质量比为1∶19～9∶1；然后于80℃加热使得其内的有机溶剂挥发，得到浆状磁性复合材料，再置于110～140℃条件下固化1～3小时，最终制得固态磁性复合材料。

步骤C：采用印刷填塞法或加压填塞法制备磁芯；

C1：在双面覆铜板顶面和底面分别刻蚀制得顶层导电线圈和底层导电线圈，顶层导电线圈和底层导电线圈之间通过所述双面覆铜板上的金属化的导通孔连接；

C2：在顶层导电线圈与底层导电线圈之间铣出空槽，所述空槽的槽厚与双面覆铜板的厚度相同，所述空槽底面大小不超过导电线圈的第一匝线圈的大小；

C3：将步骤B制得的浆状磁性复合材料通过丝网印刷法印刷至空槽中，热固化处理形成与空槽相匹配的磁芯；或者，将步骤B制得的固态磁性复合材料铣成与空槽匹配的尺寸，并通过加压的方式填塞进所述空槽内形成磁芯。

其中，所述步骤B中的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、丁酮和甲苯中任一种；

本发明的优选实施例中，所述步骤B1中聚苯醚树脂的结构中含有可交联活性基团封端，进一步地，所述可交联活性基团为乙烯基、丙烯基、烯丙基或丙烯酰基；

本发明的优选实施例中，所述聚苯醚树脂的数均分子量为1500～6000；

本发明的优选实施例中，所述钛酸酯偶联剂为单烷氧基型，作为进一步优选方式，其质量占铁氧体质量的百分比为2％～5％；

本发明的优选实施例中，所述步骤C1中顶层导电线圈和底层导电线圈采用互补设计，具体为：所述顶层导电线圈和所述底层导电线圈均为平面多匝线圈且形状相同，所述顶层导电线圈在所述底层导电线圈所在平面形成的垂直投影中两个导电线圈的内端重合且顶层导电线圈中单匝线圈与底层导电线圈中单匝线圈由内至外顺次交错排布；

进一步地，所述步骤C3中制备磁芯还包括将磁性复合材料填塞于顶层导电线圈和底层导电线圈的间隙部分制得磁芯，以在垂直方向和水平方向均增强电感。

相比于现有技术，本发明提供的磁性复合材料能够克服传统磁芯材料与印制电路基板材料热膨胀系数不一致所导致的感值不稳定以及可靠性降低的问题；本发明采用聚苯醚树脂与铁氧体复合形成的材料不仅导热性能高、吸湿小、耐腐蚀，而且相比现有主要应用于印刷电路板的树脂材料固化温度高且固化时间长，聚苯醚树脂能够相对较低的温度下快速固化，在节能及制作效率方面具有优势；本发明公开的磁性复合材料用于印制电路埋嵌电感技术中具有埋嵌电感值高且稳定、制作方式简单的优势，可广泛应用于埋嵌电感的印制电路板等领域。

附图说明

图1是顶层线圈与底层线圈通过导通孔连接的示意图。其中101为顶层线圈，102为底层线圈，201为导通孔。

图2是含有顶层线圈和底层线圈且线圈中心铣出空槽的双面覆铜板截面图，截线在图1中标注，其中301为空槽。

图3是印制电路埋嵌磁芯的电感结构示意图，其中401为磁芯。

图4是表面改性铁氧体的微观形貌图。

图5是固化后的磁性复合材料微观形貌图。

图6是固化后的磁性复合材料的X射线衍射峰图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1：

一种磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：铁氧体表面改性处理；

A1：将5g铁氧体加入45mL丙酮中，超声分散1小时，制得混合体系；

A2：将0.05g钛酸酯偶联剂TMC-105加入5mL丙酮中，充分混合制成溶液体系；

A3：将步骤A1所得的混合体系加入步骤A2所得的溶液体系，于50℃温度条件下反应2小时，形成固液混合体系；将所述固液混合体系经过过滤、洗涤处理，置于80℃下干燥12小时，研磨制得表面改性铁氧体；

步骤B：制备磁性复合材料；

B1：将2.5g聚苯醚树脂溶解于3mL N，N-二甲基甲酰胺(N，N-Dimethylformamide，DMF)中，制得均匀混合体系；

B2：取步骤A制得的表面改性铁氧化体2.5g，分散于2mLDMF中，超声处理制得均匀混合体系；

B3：将步骤B1制得的混合体系加入步骤B2制得的混合体系中，超声处理1小时使之混合充分，然后转移至模具内并于80℃加热使得其内的有机溶剂挥发，得到浆状的磁性复合材料。

实施例2：

磁性复合材料在PCB埋嵌电感中作为磁芯的应用：

在双面覆铜板顶面和底面分别刻蚀制得顶层导电线圈101和底层导电线圈102，所述顶层导电线圈101和所述底层导电线圈102均为平面多匝线圈且形状相同，作为优选方式，本发明中顶层导电线圈101和底层导电线圈102采用互补设计，具体为：所述顶层导电线圈101在所述底层导电线圈102所在平面形成的垂直投影中两个导电线圈的内端重合且一个导电线圈中单匝线圈与另一个导电线圈中单匝线圈由内至外顺次交错排布，进而形成更紧密的空间绕线结构，有利于在空间上产生均匀分布的磁场，提高电感的感值；如图1所示，顶层导电线圈101和底层导电线圈102之间通过所述双面覆铜板上的金属化的导通孔201连接；

如图2、图3所示，在顶层导电线圈101与底层导电线圈102之间铣出空槽301，所述空槽301的槽厚与双面覆铜板的厚度相同，所述空槽301的底面大小不超过导电线圈的第一匝线圈的大小；

取将实施例1制得的浆状磁性复合材料，并通过丝网印刷法印刷至空槽301中，在120℃下热固化处理形成与空槽301相匹配的磁芯401。

实施例3：

一种磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：铁氧体表面改性处理；

A1：将5g铁氧体加入45mL丙酮中，超声分散1小时，制得混合体系；

A2：将0.05g钛酸酯偶联剂TMC-105加入5mL丙酮中，充分混合制成溶液体系；

A3：将步骤A1所得的混合体系加入步骤A2所得的溶液体系，于50℃温度条件下反应2小时，形成固液混合体系；将所述固液混合体系经过过滤、洗涤处理，置于80℃下干燥12小时，研磨制得表面改性铁氧体；

步骤B：制备磁性复合材料；

B1：将4.5g聚苯醚树脂溶解于5mL N，N-二甲基甲酰胺(N，N-Dimethylformamide，DMF)中，制得均匀混合体系；

B2：取步骤A制得的表面改性铁氧化体0.5g，分散于1mLDMF中，超声处理制得均匀混合体系；

B3：将步骤B1制得的混合体系加入步骤B2制得的混合体系中，超声处理1小时使之混合充分，然后转移至模具内并于80℃加热使得其内的有机溶剂挥发，得到浆状的磁性复合材料，再置于120℃条件下固化2小时，最终制得固态磁性复合材料。

实施例4：

一种磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：铁氧体表面改性处理；

A1：将5g铁氧体加入45mL丙酮中，超声分散1小时，制得混合体系；

A2：将0.05g钛酸酯偶联剂TMC-105加入5mL丙酮中，充分混合制成溶液体系；

A3：将步骤A1所得的混合体系加入步骤A2所得的溶液体系，于50℃温度条件下反应2小时，形成固液混合体系；将所述固液混合体系经过过滤、洗涤处理，置于80℃下干燥12小时，研磨制得表面改性铁氧体；

步骤B：制备磁性复合材料；

B1：将1.0g聚苯醚树脂溶解于1mL N，N-二甲基甲酰胺(N，N-Dimethylformamide，DMF)中，制得均匀混合体系；

B2：取步骤A制得的表面改性铁氧化体4.0g，分散于4mLDMF中，超声处理制得均匀混合体系；

B3：将步骤B1制得的混合体系加入步骤B2制得的混合体系中，超声处理1小时使之混合充分，然后转移至模具内并于80℃加热使得其内的有机溶剂挥发，得到浆状的磁性复合材料，再置于120℃条件下固化2小时，最终制得固态磁性复合材料。

如图4所示为本发明实施例1中表面改性铁氧体的微观形貌图；表面改性铁氧体由于被吸附钛酸酯，其外向基团为高分子结构，如图5所示为本发明实施例1中固化后的磁性复合材料微观形貌图，外向基团为高分子结构的表面改性铁氧体可均匀分散在聚苯醚树脂中。

利用X射线衍射(X-ray Diffraction，XRD)仪分析所制备的磁性复合材料，XRD结果如图6所示，可知所制备的磁性复合材料具有铁氧体的衍射峰。