一种高致密度贴片电感坯体的制备方法与系统与流程

1.本发明涉及贴片式功率电感领域，尤其涉及一种高致密度贴片电感坯体的制备方法与系统。


背景技术：

2.贴片式功率电感作为一种基础电子元件，广泛应用于各类电子器件或电子控制电路中。当前各类电子器件向小型化、轻量化、多功能化的方向发展，所应用的贴片式功率电感的数量越来越多，但同时对贴片式功率电感也提出了小型化、低安装厚度、大电感量等新的要求。电感体积往小型化发展，内部线圈占有一定的空间，导致产品外轮廓与线圈配合间隙小，粉末不容易填入。另外,现有贴片式功率电感的制备工艺，往往通过直接向模具中填入粉料并压制成型的方式来制备电感坯体,比较常见的制备工艺是：先做一个t形或是工字形的部件，在t形或是工字形的柱状凸起上绕线，然后再填粉压制，由于初始粉材处于相对松散的状态，需要用较大的压力进行压制，那么在这个过程中线圈由于压制的压力较大就容易产生形变。综上，通过现有制备工艺制备的贴片电感主要存在的问题有：
3.在贴片电感的制备过程中，如果用较大的压力进行压制，线圈由于压制的压力较大就容易产生形变，从而导致性能下降；而由于目前贴片电感的线圈尺寸贴近于电感成品的尺寸，若降低压制的压力，则会导致粉料密度过低，进而引起了线圈裸露、漏磁等问题的发生，对电感后续使用的可靠性和安全性产生隐患，而且这还使得小尺寸电感的制造难度和成本大幅增加。


技术实现要素：

4.为了能够提升贴片电感压实密度的同时，降低线圈产生的形变量，本发明提出了一种高致密度贴片电感坯体的制备方法，采用分体式压制模具利用分步多级压制的方法将粉材压制成由杯形磁体与设置在杯形磁体内的柱形磁体组成的贴片电感坯体；所述杯形磁体与柱形磁体之间形成凹槽；所述分体式压制模具包括上模压头、中模与下模压头，所述下模压头包括成分体设置的第一下模压头与第二下模压头，所述第一下模压头可穿过所述第二下模压头；所述上模压头、下模压头与中模的成型孔侧壁共同构成用于制备贴片电感坯体的一型腔。
5.进一步地，所述制备方法包括步骤：
6.s1：将预设量的粉材装入型腔内，并启动上模压头、第一下模压头与第二下模压头，以使各压头向型腔中间聚拢，直至上模压头与第二下模压头之间的间距值等于第一间距；
7.s2：粉材的第一级压制：控制上模压头与第二下模压头的当前位置不变，启动第一下模压头并控制其以第一预设压力向上冲压，使型腔内的粉材从型腔中心流向型腔周侧,并在型腔周侧的粉材高度高于型腔中心的粉材高度预设尺寸时进入步骤s3；所述型腔中心即柱形磁体对应的空间，所述型腔周侧即杯形磁体对应的空间；
8.s3：粉材的第二级压制：保持第一下模压头以第一预设压力继续冲压，同时启动并控制上模压头与第二下模压头以第二预设压力分别向下、向上冲压，此时，型腔内的粉材从型腔周侧流向型腔中心，在型腔周侧对应的粉材高度与型腔中心对应的粉材高度达到一致时，调整第一下模压头的冲压压力至第二预设压力并保压预设时长，得到贴片电感坯体。
9.进一步地，所述第二预设压力大于第一预设压力；所述第一预设压力的取值范围为1t/cm2至13t/cm2；所述第二预设压力的取值范围为2t/cm2至15t/cm2。
10.进一步地，所述第一间距大于所述贴片电感坯体的预设高度值。
11.本发明还提出了一种高致密度贴片电感坯体的制备系统，采用分体式压制模具利用分步多级压制的方法将粉材压制成由杯形磁体与设置在杯形磁体内的柱形磁体组成的贴片电感坯体；所述杯形磁体与柱形磁体之间形成凹槽；所述分体式压制模具包括上模压头、中模与下模压头，所述下模压头包括成分体设置的第一下模压头与第二下模压头，所述第一下模压头可穿过所述第二下模压头；所述上模压头、下模压头与中模的成型孔侧壁共同构成用于制备贴片电感坯体的一型腔。
12.进一步地，所述制备系统包括：
13.预备模块，用于将预设量的粉材装入型腔内，并启动上模压头、第一下模压头与第二下模压头，以使各压头向型腔中间聚拢，直至上模压头与第二下模压头之间的间距值等于第一间距；
14.第一级压制模块，用于控制上模压头与第二下模压头的当前位置不变，启动第一下模压头并控制其以第一预设压力向上冲压，使型腔内的粉材从型腔中心流向型腔周侧,并在型腔周侧的粉材高度高于型腔中心的粉材高度预设尺寸时进入步骤s3；所述型腔中心即柱形磁体对应的空间，所述型腔周侧即杯形磁体对应的空间；
15.第二级压制模块，用于保持第一下模压头以第一预设压力继续冲压，同时启动并控制上模压头与第二下模压头以第二预设压力分别向下、向上冲压，此时，型腔内的粉材从型腔周侧流向型腔中心，在型腔周侧对应的粉材高度与型腔中心对应的粉材高度达到一致时，调整第一下模压头的冲压压力至第二预设压力并保压预设时长，得到贴片电感坯体。
16.进一步地，所述第二预设压力大于第一预设压力；所述第一预设压力的取值范围为1t/cm2至13t/cm2；所述第二预设压力的取值范围为2t/cm2至15t/cm2。
17.进一步地，所述第一间距大于所述贴片电感坯体的预设高度值。
18.与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
19.(1)本发明的贴片电感坯体通过成分体设置的第一下模压头与第二下模压头采用分级压制的方式，使得贴片电感坯体内的粉料具备更佳的流动性，从而大幅提高了贴片电感坯体的压实密度与磁导率，显著的提高了贴片电感的综合性能，使其在同样的原材料、结构和尺寸设计情况下具备了更高的电感量和饱和电流、更低的直流电阻，同时能够避免现有技术中填粉压制工艺带来的缺陷；
20.(2)本发明中贴片电感坯体的杯形磁体部分，在贴片电感后续的制备流程中可以起到一定的支撑作用，能够有效降低线圈的变形量，避免线圈裸露、变形、甚至破裂的不良现象，从而保证电感的屏蔽性能和电感值，大幅提升了产品的综合性能。
附图说明
21.图1为一种高致密度贴片电感坯体的制备方法流程图；
22.图2为一种高致密度贴片电感坯体的制备系统模块图；
23.图3为贴片电感坯体的结构示意图；
24.图4为线圈的结构示意图；
25.图5为平板坯体的结构示意图；
26.图6为贴片电感坯体与线圈的组合结构示意图；
27.图7为贴片电感坯体、线圈以及平板坯体的组合结构示意图；
28.图8为上模压头、中模与下模压头之间形成的型腔剖面图；
29.图9为分级压制过程中贴片电感坯体的成型过程图。
30.图中：1、贴片电感坯体；11、杯形磁体；12、柱形磁体；13、凹槽；2、线圈；21、端头；3、平板坯体；31、电极槽；41、第一下模压头；42、第二下模压头；5、上模压头；6、中模；61、型腔；7、粉材。
具体实施方式
31.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
32.实施例一
33.为了降低现有的填粉工艺中,在压制过程中对线圈产生的形变量的同时，提升粉料的压制密度，避免线圈裸露、变形、甚至破裂的不良现象，如图1所示，本发明提出了一种高致密度贴片电感坯体的制备方法，采用分体式压制模具利用分步多级压制的方法将粉材压制成由杯形磁体11与设置在杯形磁体11内的柱形磁体12组成的如图3所示的贴片电感坯体1；所述杯形磁体11(具体为腰型或环形)与柱形磁体12之间形成凹槽13；所述分体式压制模具包括上模压头5、中模6与下模压头，所述下模压头包括成分体设置的第一下模压头41与第二下模压头42，所述第一下模压头41可穿过所述第二下模压头42；如图8所示，所述上模压头5、下模压头与中模6的成型孔侧壁共同构成用于制备贴片电感坯体1的一型腔61(上模压头5可自上而下伸入型腔61中，下模压头可自下而上伸入型腔61中)。
34.所述制备方法包括步骤：
35.s1：将预设量的粉材7装入型腔61内，并启动上模压头5、第一下模压头41与第二下模压头42，以使各压头向型腔61中间聚拢，直至上模压头5与第二下模压头42之间的间距值等于第一间距d1；
36.需要说明的是，第一间距d1需要根据贴片电感坯体的预设高度进行合理设定，若间距过大，会导致上模压头、中模与下模压头之间形成的型腔空间体积过大，从而导致粉材的压制效果不佳或是起不到压制的效果。
37.本实施例中，所述粉材为软磁合金粉材，所述软磁合金粉材的组成包括：环氧树脂、硬脂酸锌以及fe-si-b-nb-cu纳米晶软磁合金粉末与羰基铁粉混合的复合粉末。
38.步骤s2与s3的成型过程见图9。
39.s2：粉材的第一级压制：控制上模压头5与第二下模压头42的当前位置不变，启动第一下模压头41并控制其以第一预设压力(3t/cm2)向上冲压，使型腔61内的粉材7从型腔
61中心流向型腔61周侧(此时，型腔内型腔中心的粉材逐渐减少，型腔周侧的粉材逐渐增多),并在型腔61周侧的粉材7高度高于型腔61中心的粉材7高度预设尺寸时进入步骤s3；所述型腔61中心即柱形磁体12对应的空间，所述型腔61周侧即杯形磁体11对应的空间；
40.s3：粉材的第二级压制：保持第一下模压头41以第一预设压力继续冲压，同时启动并控制上模压头5与第二下模压头42以第二预设压力(6t/cm2)分别向下、向上冲压，此时，型腔61内的粉材7从型腔61周侧流向型腔61中心，在型腔61周侧对应的粉材7高度与型腔61中心对应的粉材7高度达到一致时，调整第一下模压头41的冲压压力至第二预设压力，使分体式模具保持相对静止的冲压状态，并保压预设时长(2s)，得到贴片电感坯体1。
41.需要说明的是，在型腔周侧对应的粉材高度与型腔中心对应的粉材高度达到一致时，即达到了贴片电感坯体的预设高度值(即图9中的第二间距d2)。
42.本发明通过成分体设置的第一下模压头与第二下模压头，实现对粉材的第一级压制与第二级压制，使得柱形磁体部分的粉料具备更佳的流动性，极大的提升了贴片电感坯体中柱形磁体的压实密度，使其具备了更高的磁导率。
43.所述第二预设压力大于第一预设压力；所述第一预设压力的取值范围为1t/cm2至13t/cm2；所述第二预设压力的取值范围为2t/cm2至15t/cm2。
44.所述第一间距大于所述贴片电感坯体1的预设高度值。
45.本实施例在制备得到贴片电感坯体1后还包括：
46.s4：基于贴片电感坯体1制备贴片电感；
47.所述贴片电感还包括如图4所示的线圈与如图5所示的平板坯体；所述步骤s4具体包括：
48.s41：预制线圈2与平板坯体3，所述平板坯体3具有两个电极槽31，所述电极槽31用于引出线圈2的两个端头21；
49.所述步骤s41具体包括：
50.预制线圈：选取预设规格的扁平漆包铜线，通过自动绕线机在绕线治具上绕制漆包线，并将漆包线的两个端头呈水平状折弯，以得到具有预设尺寸与形状的线圈；
51.预制平板坯体：将粉材装入预设结构和尺寸的第二模具中，启动成型压机以预设压力依次对粉材进行压制成型、保压与脱模，以得到具有两个电极槽的平板坯体。
52.本实施例中，压制平板坯体时所采用的压力为6t/cm2，保压时间为2s。
53.s42：将线圈2置于贴片电感坯体1的凹槽13内，将平板坯体3盖合在贴片电感坯体1与线圈2的顶部(组合后的结构示意图见图6与图7)，并将线圈2的两个端头21分别引至平板坯体3对应的两个电极槽31，以得到电感初坯体，启动热压成型模具对电感初坯体依次进行冲压、保压与脱模，得到电感坯体，并对电感坯体进行烘烤与固化，得到电感半成品；
54.其中，热压成型时所采用的热压压力为4t/cm2，保压时间120s，保温温度为180℃。对电感坯体进行烘烤固化处理具体包括：将电感坯体放入烘箱中进行加热升温，使电感坯体中的环氧树脂发生固化反应。此处采用的树脂是环氧树脂，在固化时仅有较小的体积收缩，不至于让电感坯体在固化成型后变形。具体地，烘烤固化温度为190℃，此处可选用带有升降温阶梯曲线的烘烤设备，保温2h，最终获得电感半成品，电感半成品的尺寸为2.0
×
1.6
×
1.0mm。
55.本发明在提前预制好贴片电感坯体1后，再进行线圈的设置，极大的降低了现有技
术中由于初始粉材处于相对松散的状态，需要用较大的压力进行压制时，线圈产生的形变量。另外，本发明中杯形磁体的环形部分，在步骤s42中启动热压成型模具对电感初坯体依次进行冲压、保压与脱模的过程中，可以起到一定的支撑作用，能够有效降低线圈的变形量，避免线圈裸露、变形、甚至破裂的不良现象，从而保证电感的屏蔽性能和电感值，大幅提升了产品的综合性能。
56.s43:通过恒温加热喷涂设备对电感半成品的表面喷涂一层环氧树脂保护材料，并烘烤喷涂后的电感半成品(本实施例中设定的烘烤条件为：在150℃下烘烤2h)，以固化电感半成品表面的环氧树脂；
57.s44：采用激光剥漆设备去除电感半成品电极槽31位置处的环氧树脂保护材料、剥除线圈2两个端头21的漆皮，对剥除漆皮后的端头21依次电镀铜层、镍层和锡层，得到电感成品即贴片电感。
58.本发明通过分别预制电感坯体、线圈、平板坯体，而后进行组合并压制成型(步骤s41至步骤s44)，其极大的提升了电感坯体侧壁的密度，避免了现有技术中填粉压制工艺带来的缺陷。
59.在本实施例中，对制备的贴片电感样品进行测试，利用阻抗分析仪测得样品在1v/1mhz条件下的平均电感值ls为1.142μh，平均饱和电流isat为5.03a，平均直流电阻rdc为28.5mω。
60.本发明通过对贴片电感坯体提前进行预制，并在预制过程中对贴片电感坯体进行第一级压制与第二级压制，在第一级压制过程中，控制上模压头与第二下模压头的当前位置不变，启动第一下模压头并控制其以第一预设压力向上冲压，使型腔内的粉材从型腔中心流向型腔周侧(提高了粉材的流动性),并在型腔周侧的粉材高度高于型腔中心的粉材高度预设尺寸时进入第二级压制，在第二级压制过程中，保持第一下模压头以第一预设压力继续冲压，同时启动并控制上模压头与第二下模压头以第二预设压力分别向下、向上冲压，此时，型腔内的粉材从型腔周侧流向型腔中心(提高了粉材的流动性)，在型腔周侧对应的粉材高度与型腔中心对应的粉材高度达到一致时，调整第一下模压头的冲压压力至第二预设压力并保压预设时长，得到高致密度的贴片电感坯体，本发明的电感坯体采用分级压制的方式，使得电感坯体内的粉料具备更佳的流动性，从而极大的提高了电感坯体的压实密度与磁导率，显著的提高了贴片电感的性能。
61.实施例二
62.本实施例包括两个对比例，其中对比例1为：
63.以一体式模具制备贴片电感坯体，其他制备步骤、条件与本发明实施例一相同，在该条件下制备贴片电感，并对贴片电感的性能进行测试；具体为：
64.本对比例中，模具的下模压头为一体结构，上模压头、下模压头与中模共同形成的型腔与贴片电感坯体的形状一致，贴片电感坯体的制备方式为一次成型。选用与实施例一相同的软磁合金粉材，相同的漆包线、粘结剂、润滑剂及外部绝缘包覆材料，电感中的贴片电感坯体以及平板坯体的尺寸和形状、线圈绕制匝数和形状、电极结构和尺寸、电感成品的尺寸等参数均与实施例一相同。本对比例中贴片电感坯体的制备方法具体包含以下步骤：
65.s1、预制贴片电感坯体：将预设量的软磁合金粉材装入型腔中，启动成型压机进行冲压成型，获得贴片电感坯体；
66.其中，成型压力为6t/cm2，保压时间为2s。
67.剩下的贴片电感的制备步骤与实施例一相同。
68.采用与实施例一相同的性能测试设备和条件，对制得的电感样品的主要性能进行测试，测得的性能参数如表1中所示。
69.对比例2为：
70.采用行业内现有常用的“预制t形磁体、在t形磁体上绕线、填粉热压成型、喷涂、电极制作”的步骤制备贴片电感。选用与实施例1相同的软磁合金复合粉材，相同的漆包线、粘结剂、润滑剂及外部绝缘包覆材料，电感中柱形磁体的尺寸和形状、线圈绕制匝数和形状、电极结构和尺寸、电感成品的尺寸等参数均与实施例1的相同，但不采用预制贴片电感坯体、线圈、平板坯体并组合的方式来制备贴片电感。本对比例中贴片电感的制备方法具体包括以下步骤：
71.步骤1、预制t形磁体：将筛选好的软磁合金粉材装入预设结构和尺寸的t形模具内，启动成型压机在常温下进行压制成型，脱模，获得第一t形磁体；将第一t形磁体放入烘箱中进行烘烤，得到具有一定的强度的t形磁体；
72.其中，压制磁体时所采用的冷压压力为6t/cm2，保压时间为2s，烘烤温度为150℃，烘烤时间为30min；
73.步骤2、绕线：采用自动绕线机将漆包线绕在t形磁体上的磁体中柱上，并将两端引脚折弯后贴合到t形磁体的平板底面，得到绕组磁芯；
74.步骤3、热压成型：将绕组磁芯置于热压成型模具中，使t形磁体呈“丄”形放置，并将软磁合金粉材置于绕组磁芯侧面以及上部并进行热压成型，得到电感坯体，脱模后经烘烤、固化，得到电感半成品；
75.其中，热压时所采用的热压压力为4t/cm2，保压时间120s，保温温度为180℃。对电感坯体进行烘烤固化处理，具体的，将电感坯体放入烘箱中进行加热升温，使电感坯体中的树脂发生固化反应。此处采用的树脂是环氧树脂，在固化时仅有较小的体积收缩，不至于让电感坯体在固化成型后变形。具体地，烘烤固化温度为190℃，此处可选用带有升降温阶梯曲线的烘烤设备，保温2h，最终获得电感半成品，电感半成品的尺寸为2.0
×
1.6
×
1.0mm；
76.步骤4、喷涂：喷涂工艺同实施例一中的步骤s43；
77.步骤5、电极制作：电极制作同实施例一中的步骤s44。
78.采用与实施例一相同的性能测试设备和条件，对制得的电感样品的主要性能进行测试，测得的性能参数如表1中所示。
79.表1实施例一及对比例1-2制得的贴片电感的性能参数
[0080][0081][0082]
通过比较实施例一和对比例1、2可以得出，本发明中采用分级压制的方式制备贴
片电感的贴片电感坯体，制得的贴片电感坯体具有更高致密度，而致密度的提升带来磁导率的提高，从而使得贴片电感在相同的原材料、尺寸和结构设计的情况下，具有更高的电感量(ls)和饱和电流(isat)以及更低的直流电阻(rdc)，贴片电感的整体性能更为优异。
[0083]
实施例三
[0084]
如图2所示，本发明还提出了一种高致密度贴片电感坯体的制备系统，采用分体式压制模具利用分步多级压制的方法将粉材压制成由杯形磁体与设置在杯形磁体内的柱形磁体组成的贴片电感坯体；所述杯形磁体与柱形磁体之间形成凹槽；所述分体式压制模具包括上模压头、中模与下模压头，所述下模压头包括成分体设置的第一下模压头与第二下模压头，所述第一下模压头可穿过所述第二下模压头；所述上模压头、下模压头与中模的成型孔侧壁共同构成用于制备贴片电感坯体的一型腔。
[0085]
所述制备系统包括：
[0086]
预备模块，用于将预设量的粉材装入型腔内，并启动上模压头、第一下模压头与第二下模压头，以使各压头向型腔中间聚拢，直至上模压头与第二下模压头之间的间距值等于第一间距；
[0087]
第一级压制模块，用于控制上模压头与第二下模压头的当前位置不变，启动第一下模压头并控制其以第一预设压力向上冲压，使型腔内的粉材从型腔中心流向型腔周侧,并在型腔周侧的粉材高度高于型腔中心的粉材高度预设尺寸时进入步骤s3；所述型腔中心即柱形磁体对应的空间，所述型腔周侧即杯形磁体对应的空间；
[0088]
第二级压制模块，用于保持第一下模压头以第一预设压力继续冲压，同时启动并控制上模压头与第二下模压头以第二预设压力分别向下、向上冲压，此时，型腔内的粉材从型腔周侧流向型腔中心，在型腔周侧对应的粉材高度与型腔中心对应的粉材高度达到一致时，调整第一下模压头的冲压压力至第二预设压力并保压预设时长，得到贴片电感坯体。
[0089]
所述第二预设压力大于第一预设压力；所述第一预设压力的取值范围为1t/cm2至13t/cm2；所述第二预设压力的取值范围为2t/cm2至15t/cm2。
[0090]
所述第一间距大于所述贴片电感坯体的预设高度值。
[0091]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0092]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0093]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0094]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种
技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。