大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料及制备方法转让专利
申请号 : CN201610260375.0
文献号 : CN105924146B
文献日 : 2018-04-20
发明人 : 刘兴 , 陈轲 , 王升 , 何超
申请人 : 西南应用磁学研究所
摘要 :
本发明公开了一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其主成分是以摩尔百分比计的如下组分：NiO 8mol%～35mol%、ZnO 9mol%～35mol%、CuO 8mol%～12mol%、Fe2O3 51mol%～58mol%，本发明还公开了该材料的制备方法，本发明的材料具有优异显微结构，出现Ⅱ峰值位置的补偿点已移至‑55℃以下，Ⅰ、Ⅱ峰间具有较平坦的μi—T曲线，温度稳定性好，满足宽温‑55～+85℃高、低温应用环境下采用LTCF多层叠片工艺制作的大功率多层片式铁氧体器件磁性能的使用可靠性和环境适应性要求。
权利要求 :
1.一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其特征在于，其主成分是以摩尔百分比计的如下组分：NiO 8mol%～35mol%
ZnO 9mol%～35mol%
CuO 8mol%～12mol%
Fe2O3 51mol%～58mol%；
还包括质量百分比计的辅助成分V2O5 0.3wt%～0.7wt%；
上述材料的制备方法。包括以下步骤：A.干法混料：按照比例取所述主成分，破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为30～
60min；
B.预烧结：将步骤A所得的混合料进行预烧结，预烧结温度为750～850℃，得到预烧结料；
C．湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.5μm，得到超精细铁氧体颗粒；
D．二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为850～910℃，得到成品。
2.根据权利要求1所述的大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其特征在于：所述的LTCF材料为LTCF100、LTCF300或LTCF500。
3.根据权利要求2所述的大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其特征在于，所述LTCF100材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：NiO 25mol%～32mol%ZnO 9mol%～14mol%
CuO 8mol%～12mol%
Fe2O3 51mol%～58mol%。
4.根据权利要求2所述的大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其特征在于，所述LTCF300材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：NiO 18mol%～23mol%ZnO 16mol%～22mol%CuO 8mol%～12mol%
Fe2O3 51mol%～58mol%。
5.根据权利要求2所述的大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其特征在于，所述LTCF500材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：NiO 8mol%～12mol%
ZnO 26mol%～33mol%CuO 8mol%～12mol%
Fe2O3 51mol%～58mol%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A是采用高频振混系统进行混料，步骤B是在烧结窑炉中进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤C是在大流量循环砂磨机中进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤D是采用LTCF多层叠片工艺。
说明书 :
大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料及制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铁氧体材料技术领域，尤其涉及一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料及制备方法。
背景技术
[0002] 现代军事装备、武器系统、航空、航天工程等对电子系统的体积、重量和性能的要求越来越严格，特别是星载、弹载、机载武器系统所需要的电子组件、部件，更是向着小、轻、薄和高可靠、高性能、高速度的方向发展。目前作为电源供电系统心脏部件的开关电源变换器，更是需要进行小型化、高可靠性设计，而功率型LTCF电感基板(即集成功率电感的铁氧体基板，其中LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)，即低温共烧铁氧体)及片式磁性功率器件(如微磁变压器等),是实现元件无源集成及开关电源变换器小型化、轻型化、高性能、高可靠性的一个重要手段，其关键又在于功率型镍锌LTCF材料。
[0003] 目前传统块体功率型镍锌铁氧体材料由于烧成温度高(大于1100℃)、粉料粒度大且分布范围宽(D50：3μm～10μm)，不适用于LTCF工艺；而在LTCF多层叠片工艺技术中得到工程化应用的常规功率型镍锌LTCF材料，由于自身功耗较低，在大电流、高压通过时损耗较低，器件发热量小，可用于对器件发热控制较为严格的大电流电感器、功率型微磁变压器、电源变换器用功率铁氧体基板等领域。在满足LTCF工艺的前提下其配方设计重点主要体现在利于高磁导率、低功率损耗、烧结温度900℃左右等关键磁性能指标的兼顾实现上，而忽视了磁性能的宽温设计，材料磁性能(磁导率μi或电感量L)温度特性相对较佳的应用温度范围仅处于-20～+85℃间，普遍存在宽温-55～+85℃高、低温环境下磁性能变化大，温度稳定性差的问题；导致多层片式铁氧体器件尤其是大功率多层片式铁氧体器件即使通过调整器件气隙面积、层数、烧结曲线等方法配合仍存在高、低温应用环境下磁性能变化大、稳定性差、特别是低温下漏感大的问题，严重影响器件性能的使用可靠性和环境适应性(-55～+85℃电感量L变化率要求为-30％～+200％)。
发明内容
[0004] 本发明的目的之一，就在于提供一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，以解决上述问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF材料，其主成分是以摩尔百分比计的如下组分：
[0006] NiO 8mol％～35mol％
[0007] ZnO 9mol％～35mol％
[0008] CuO 8mol％～12mol％
[0009] Fe2O351mol％～58mol％。
[0010] 作为优选的技术方案，还包括质量百分比计的辅助成分V2O50.3wt％～0.7wt％。
[0011] 作为优选的技术方案：所述的LTCF材料为LTCF100、LTCF300或LTCF500。
[0012] 作为进一步优选的技术方案，所述LTCF100材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：
[0013] NiO 25mol％～32mol％
[0014] ZnO 9mol％～14mol％
[0015] CuO 8mol％～12mol％
[0016] Fe2O351mol％～58mol％。
[0017] 作为进一步优选的技术方案：所述LTCF300材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：
[0018] NiO 18mol％～23mol％
[0019] ZnO 16mol％～22mol％
[0020] CuO 8mol％～12mol％
[0021] Fe2O351mol％～58mol％。
[0022] 作为进一步优选的技术方案：所述LTCF500材料的主成分是以摩尔百分比计的如下组分：
[0023] NiO 8mol％～12mol％
[0024] ZnO 26mol％～33mol％
[0025] CuO 8mol％～12mol％
[0026] Fe2O351mol％～58mol％。
[0027] 本发明的发明人通过大量的实验研究，采用NiCuZn富铁(Fe2O3含量﹥50mol％)不加Co配方并控制Zn2+、Fe2+含量，以降低材料的功率损耗；同时，采用较高的Cu含量配方、添加适量低熔点物V2O5降低烧结温度并配合湿法磨料工艺细化粉料颗粒(粒度分布D50＜2.5μm)的方法，使材料在900℃左右烧成后具有优异显微结构(晶粒细小、均匀完整、内部气孔少而分散等)，μi—T曲线较平坦，温度稳定性好。
[0028] 本发明的目的之二，在于提供一种上述材料的制备方法，采用的技术方案为：包括以下步骤：
[0029] A.干法混料：按照比例取所述主成分，破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为30～60min；
[0030] B.预烧结：将步骤A所得的混合料进行预烧结，预烧结温度为750～850℃，得到预烧结料；
[0031] C.湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.5μm，得到超精细铁氧体颗粒；湿法磨料并控制合适的粒度，可以降低烧结温度。
[0032] D.二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为850～910℃，得到成品。
[0033] 作为优选的技术方案：步骤A是采用高频振混系统进行混料。
[0034] 可以使主成分原材料氧化物达到高速破碎效果并有效提高各原材料氧化物的混和均匀性。
[0035] 作为优选的技术方案：步骤B是在烧结窑炉中进行。
[0036] 作为优选的技术方案：步骤C是在大流量循环砂磨机中进行。
[0037] 采用大流量循环砂磨机湿法磨料进行粉料颗粒细化，以提高粉料活性、降低反应激活能并有效降低烧结温度，制得的粉料粒度分布适于LTCF流延工艺要求(普通磨料D50：3μm～10μm，粒度大、分布范围宽，均匀性差)。
[0038] 作为优选的技术方案：步骤D是采用LTCF多层叠片工艺进行。
[0039] 材料适于LTCF多层叠片工艺，并满足片式器件制作性能要求。
[0040] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的宽温镍锌LTCF材料，LTCF100材料的磁导率μi100±20％、功耗Pv≤100kW/m3(100KHz@30mT，20℃)，烧结温度850～910℃，磁导3
率μi变化率＜20％(-55～+85℃)，LTCF300材料：磁导率μi300±20％、功耗Pv≤130kW/m(100KHz@30mT，20℃)、烧结温度850～910℃、磁导率μi变化率＜20％(-55～+85℃)，LTCF500材料：磁导率μi500±20％、功耗Pv≤150kW/m3(100KHz@30mT，20℃)、烧结温度850～
910℃、磁导率μi变化率＜20％(-55～+85℃)；在900℃左右烧成后具有优异显微结构，出现Ⅱ峰值位置的补偿点已移至-55℃以下，Ⅰ、Ⅱ峰间具有较平坦的μi—T曲线，温度稳定性好，满足宽温-55～+85℃高、低温应用环境下大功率多层片式铁氧体器件磁性能的使用可靠性和环境适应性要求(电感量L变化率为-30％～+200％)。
率μi变化率＜20％(-55～+85℃)，LTCF300材料：磁导率μi300±20％、功耗Pv≤130kW/m(100KHz@30mT，20℃)、烧结温度850～910℃、磁导率μi变化率＜20％(-55～+85℃)，LTCF500材料：磁导率μi500±20％、功耗Pv≤150kW/m3(100KHz@30mT，20℃)、烧结温度850～
910℃、磁导率μi变化率＜20％(-55～+85℃)；在900℃左右烧成后具有优异显微结构，出现Ⅱ峰值位置的补偿点已移至-55℃以下，Ⅰ、Ⅱ峰间具有较平坦的μi—T曲线，温度稳定性好，满足宽温-55～+85℃高、低温应用环境下大功率多层片式铁氧体器件磁性能的使用可靠性和环境适应性要求(电感量L变化率为-30％～+200％)。
附图说明
[0041] 图1为本发明宽温功率型LTCF材料μi—T曲线图；
[0042] 图2为常规功率型LTCF500材料μi—T曲线图。
[0043] 图3为本发明宽温LTCF材料制作的微磁变压器L—T曲线图；
[0044] 图4为常规LTCF500材料制作的微磁变压器L—T曲线。
具体实施方式
[0045] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0046] 实施例1：
[0047] 一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF100材料，其主成分按摩尔百分比计，如表1：
[0048] 表1宽温LTCF100材料的主成分例(单位为摩尔百分比)
[0049] NiO ZnO CuO Fe2O3
组1 32 9 8 51
组2 27 10 9 54
组3 25 9 8 58
组1 32 9 8 51
组2 27 10 9 54
组3 25 9 8 58
[0050] 组1、组2和组3分别还包括上述主成分总重量0.3％、0.5％、0.7％的V2O5，[0051] 制备方法为，包括以下步骤：
[0052] A.干法混料：按照比例取所述主成分，采用高频振混系统破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为30min；
[0053] B.预烧结：将步骤A所得的混合料在烧结窑炉中进行预烧结，预烧结温度为850℃，得到预烧结料；
[0054] C.湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，在大流量循环砂磨机中进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.0μm，得到超精细铁氧体颗粒；
[0055] D.二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为910℃，得到成品。
[0056] 实施例2：
[0057] 一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF300材料，其主成分按摩尔百分比计，如表2：
[0058] 表2宽温LTCF300材料的主成分例(单位为摩尔百分比)
[0059] NiO ZnO CuO Fe2O3
组4 19 22 8 51
组5 20 18 10 52
组6 18 16 8 58
组4 19 22 8 51
组5 20 18 10 52
组6 18 16 8 58
[0060] 组4、组5和组6分别还包括上述主成分总重量0.3％、0.4％、0.7％的V2O5，[0061] 制备方法为，包括以下步骤：
[0062] A.干法混料：按照比例取所述主成分，采用高频振混系统破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为50min；
[0063] B.预烧结：将步骤A所得的混合料在烧结窑炉中进行预烧结，预烧结温度为820℃，得到预烧结料；
[0064] C.湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，在大流量循环砂磨机中进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.0μm，得到超精细铁氧体颗粒；
[0065] D.二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为900℃，得到成品。
[0066] 实施例3：
[0067] 一种大功率多层片式铁氧体器件用宽温镍锌LTCF500材料，其主成分按摩尔百分比计，如表3：
[0068] 表3宽温LTCF500材料的主成分例(单位为摩尔百分比)
[0069] NiO ZnO CuO Fe2O3
组7 12 29 8 51
组8 10 27 10 53
组9 8 26 8 58
组7 12 29 8 51
组8 10 27 10 53
组9 8 26 8 58
[0070] 组7、组8和组9分别还包括上述主成分总重量0.4％、0.5％、0.7％的V2O5，[0071] 制备方法为，包括以下步骤：
[0072] A.干法混料：按照比例取所述主成分，采用高频振混系统破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为60min；
[0073] B.预烧结：将步骤A所得的混合料在烧结窑炉中进行预烧结，预烧结温度为750℃，得到预烧结料；
[0074] C.湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，在大流量循环砂磨机中进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.0μm，得到超精细铁氧体颗粒；
[0075] D.二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为900℃，得到成品。
[0076] 实施例4
[0077] 材料性能测试
[0078] 分别采用实施例1的组2、实施例2的组5和实施例3的组8所得的产品，进行测定μi—T曲线(测试条件为100mV、10KHz)和微磁变压器L—T曲线(测试条件为500mV、100KHz，变压器型号10×10×3(mm))，其结果如图1和图3所示。
[0079] 对比例：采用常规功率型镍锌LTCF500材料，其主成分按摩尔百分比计，如表4：
[0080] 表4常规LTCF500材料的主成分例(单位为摩尔百分比)
[0081] NiO ZnO CuO Co2O3 Fe2O3
组10 12 33 10.78 0.22 44
组11 11 29 11.82 0.18 48
组12 13 27 10.84 0.16 49
组10 12 33 10.78 0.22 44
组11 11 29 11.82 0.18 48
组12 13 27 10.84 0.16 49
[0082] 组10、组11和组12分别还包括上述主成分总重量0.4％、0.5％、0.7％的V2O5，[0083] 制备方法为，包括以下步骤：
[0084] A.干法混料：按照比例取所述主成分，采用高频振混系统破碎后混合均匀，得到混合料，混料时间为60min；
[0085] B.预烧结：将步骤A所得的混合料在烧结窑炉中进行预烧结，预烧结温度为780℃，得到预烧结料；
[0086] C.湿法磨料：将步骤B所得的预烧结料中，加入所述比例的V2O5，在大流量循环砂磨机中进行湿法磨料，控制粉料颗粒粒度分布D50＜2.0μm，得到超精细铁氧体颗粒；
[0087] D.二次烧结：将步骤C所得的超精细铁氧体颗粒，进行二次烧结，烧结温度为900℃，得到成品。
[0088] 采用对比例组11所得的产品，在上述相同的条件下进行测试材料μi—T曲线(测试条件为100mV、10KHz)和微磁变压器L—T曲线(测试条件为500mV、100KHz，变压器型号10×10×3(mm))，其结果如图2和图4所示。
[0089] 从图1-4中可以看出：
[0090] 1.μi—T曲线：
[0091] 常规功率型镍锌LTCF500材料采用NiCuZn欠铁(Fe2O3含量＜50mol％)加Co配方制作，出项Ⅱ峰值补偿点的温度位置在-20℃左右，在该温度以下μi—T变化很大；μi—T曲线在-20℃～+85℃Ⅰ、Ⅱ峰间出现较大的凹谷，温度稳定性较差；
[0092] 而本发明的材料，出项Ⅱ峰值补偿点的温度位置已移至-55℃以下，μi—T曲线在-55℃～+85℃间具有一较平坦区域，磁导率的温度稳定性和环境适应性均较好。
[0093] 2.微磁变压器L—T曲线：
[0094] 常规材料制作的微磁变压器在-55℃～+85℃间L—T曲线的变化规律与材料μi—T曲线变化相似，电感量L的温度稳定性和环境适应性均较差，尤其是-20℃以下低温环境中漏感损失较大；
[0095] 而本发明的材料制作的微磁变压器在-55℃～+85℃间L—T曲线的变化规律与材料μi—T曲线变化相似，电感量L的温度稳定性和环境适应性均较好，尤其是-20℃～-55℃间低温环境中的漏感损失很小。
[0096] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。