專利名稱：一種兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及同時(shí)具有高介電常數(shù)和高起始磁導(dǎo)率兼?zhèn)潆娙?電感兩性、制備溫度低、工藝簡(jiǎn)便的一種新型電容/電感集成復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在微電子工業(yè)中，超過(guò)98％的電容、電感等無(wú)源器件采用分立元件，它們占用了70％以上的線路板空間。分立元件現(xiàn)在成為了微電子系統(tǒng)進(jìn)一步縮小的主要障礙。為克服這一障礙，要求無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)多功能化集成化，并同時(shí)采用嵌入式元器件以實(shí)現(xiàn)整體封裝。目前以片式電容和片式電感為集成的片式LC元件已經(jīng)出現(xiàn)。一般的集成LC元件采用多層高溫共燒片式電容(MLCC)和片式電感(MLCI)的形式。由于兩類材料的疊層共燒將導(dǎo)致一系列的工藝匹配問(wèn)題，因此就迫切需要真正的集成，即把電感和電容兩種性能集成在一個(gè)元件中，這就需要一種材料能同時(shí)具備電感和電容兩種特性?，F(xiàn)有的容感兩性材料主要是鐵電/鐵磁陶瓷復(fù)合材料體系，雖能實(shí)現(xiàn)容感兩性共存，但是陶瓷材料需要在高溫下進(jìn)行燒結(jié)熱處理，其工藝復(fù)雜、耗能大、易開(kāi)裂。并且由于嵌入式器件所采用的線路板多為聚合物材料，陶瓷器件便更難于在整體封裝中被采用。以聚合物為基體的容感兩性復(fù)合材料能夠克服陶瓷復(fù)合材料存在的上述不足，可以在對(duì)介電常數(shù)和起始磁導(dǎo)率要求不高的場(chǎng)合獲得應(yīng)用。
近幾年來(lái)，對(duì)容感兩性材料的研究主要集中在陶瓷體系方面。例如，齊西偉等人將NiCuZn鐵氧體與BaTiO3于1250℃進(jìn)行高溫共燒，在NiCuZn與BaTiO3摩爾百分含量相同時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)為300左右、起始磁導(dǎo)率僅為20左右。具有高介電常數(shù)或高起始磁導(dǎo)率的聚合物基復(fù)合材料仍被作為兩類材料分別進(jìn)行研究。最近，美國(guó)賓州大學(xué)的章啟明等人將Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)陶瓷粉末通過(guò)溶液法添加到聚偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)中，在陶瓷的體積分?jǐn)?shù)為50％時(shí)復(fù)合材料的介電常數(shù)為200左右。黨智敏等人采用碳纖維、金屬Ni顆粒等與聚偏氟乙烯(PVDF)基體進(jìn)行復(fù)合，利用導(dǎo)電顆粒在絕緣基體內(nèi)的滲流效應(yīng)顯著的提高了復(fù)合材料的介電常數(shù)，顯示了良好的應(yīng)用前景。斯拉瑪(Slama)等人將MnZn鐵氧體與環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy)復(fù)合，利用MnZn鐵氧體的高起始磁導(dǎo)率提高復(fù)合材料的起始磁導(dǎo)率，在MnZn鐵氧體體積百分含量達(dá)到50％時(shí)，復(fù)合材料起始磁導(dǎo)率達(dá)到15左右。以上事實(shí)說(shuō)明，(1)鐵電/鐵磁陶瓷復(fù)合體系雖能實(shí)現(xiàn)容性和感性共存，但是陶瓷工藝需要高溫共燒、能耗大、易開(kāi)裂；(2)分別具有高介電常數(shù)、或高起始磁導(dǎo)率的聚合物基復(fù)合材料都得到了一定程度的研究，但對(duì)同時(shí)兼?zhèn)涓呓殡姵?shù)和高起始磁導(dǎo)率的聚合物基復(fù)合材料仍未得到研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同時(shí)具有高介電常數(shù)和高起始磁導(dǎo)率的新型電容--電感集成電子復(fù)合材料及其制備方法。通過(guò)對(duì)鐵氧體相、金屬相和有機(jī)聚合物組分的三元復(fù)合材料進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了一種新型雙滲流結(jié)構(gòu)的聚合物基三元復(fù)合材料。在此結(jié)構(gòu)中，具有較大粒徑的鐵氧體顆粒不僅賦予材料以較高的起始磁導(dǎo)率同時(shí)這些大顆粒在聚合物基體內(nèi)的滲流也占據(jù)了聚合物基體內(nèi)的大量空間。粒徑較小的導(dǎo)電鎳顆粒擇優(yōu)分布于鐵氧體顆粒間隙中，鎳顆粒在鐵氧體顆粒間隙內(nèi)的二次滲流提高了復(fù)合材料的介電常數(shù)，同時(shí)其磁性也對(duì)復(fù)合材料起始磁導(dǎo)率的提高做出了貢獻(xiàn)。這種雙滲流結(jié)構(gòu)減少了滲流發(fā)生時(shí)導(dǎo)電顆粒的用量，有助于提高材料柔韌性并降低介電損耗。實(shí)驗(yàn)證明這種具有雙滲流結(jié)構(gòu)的三元復(fù)合材料同時(shí)兼有較高的介電常數(shù)和起始磁導(dǎo)率，是一種有希望在多功能集成嵌入式無(wú)源器件方面得到應(yīng)用的材料。
本發(fā)明提出的一種兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料包括無(wú)機(jī)材料鐵氧體、導(dǎo)電金屬鎳粉(Ni)，以及聚合物材料，其體積配方比為鎳0.1～11％，鐵氧體50～60％，聚偏氟乙烯30～40％。
在上述復(fù)合材料中，所述鐵氧體為鎳鋅鐵氧體Ni0.3Zn0.7Fe1.95O4，或Z型平面六角鐵氧體Ba3Co2Fe23O41。
在上述復(fù)合材料中，所述聚合物材料為聚偏氟乙烯PVDF。
在上述復(fù)合材料中，所述無(wú)機(jī)材料鐵氧體的粒度為鎳2～3μm，鐵氧體75～100μm。
本發(fā)明提出的一種兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料的制備方法，其特征在于所述復(fù)合材料采用熱壓工藝制備，具體工藝流程為(1)配料按上述配方稱取鎳粉0.005～0.739g，75～100μm的鎳鋅鐵氧體粉2.4g或者Z型平面六角鐵氧體1.65g，聚偏氟乙烯0.311～0.539g；(2)配樣將鎳粉、聚偏氟乙烯以及鐵氧體粉按照上述比例攪拌，混合均勻；(3)成型將步驟2混合均勻的粉末放在粉末壓片機(jī)上，在溫度為180～220℃，壓力為10～15MPa的條件下，熱壓20分鐘成型。
本發(fā)明的有益效果是通過(guò)采用一種新型雙滲流結(jié)構(gòu)，在聚合物基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了同時(shí)兼有較高介電常數(shù)和較高起始磁導(dǎo)率的目的，復(fù)合材料介電常數(shù)達(dá)到200以上，起始磁導(dǎo)率達(dá)到30；采用簡(jiǎn)單熱壓工藝進(jìn)行材料成型，降低了成型溫度，縮短了制備時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)獲得了性能良好的容感兩性復(fù)合材料。


圖1為本發(fā)明樣品斷面顯微鏡照片(實(shí)施例1)。
圖2為本發(fā)明鎳顆粒體積百分含量對(duì)樣品起始磁導(dǎo)率影響的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較圖(實(shí)施例1)。
圖3為本發(fā)明起始磁導(dǎo)率與品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的規(guī)律(實(shí)施例1)。
圖4為本發(fā)明電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨鎳顆粒體積百分含量的變化規(guī)律(實(shí)施例1)。
圖5為本發(fā)明樣品斷面顯微鏡照片(實(shí)施例2)。
圖6為本發(fā)明鎳顆粒體積百分含量對(duì)樣品起始磁導(dǎo)率影響的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較圖(實(shí)施例2)。
圖7為本發(fā)明起始磁導(dǎo)率與品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的規(guī)律(實(shí)施例2)。
圖8為本發(fā)明電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨鎳顆粒體積百分含量的變化規(guī)律(實(shí)施例2)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明以Ni0.3Zn0.7Fe1.95O4-Ni-PVDF和Ba3Co2Fe23O41-Ni-PVDF兩種體系的三元復(fù)合材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。先按照配方將三種粉體混合均勻后，于低溫下熱壓成型。其實(shí)施工藝流程如下(1)配料按上述配方稱取2～3μm的鎳粉0.005～0.739g，75～100μm的鎳鋅鐵氧體粉2.4g或者Z型平面六角鐵氧體1.65g，聚偏氟乙烯0.311～0.539g。
(2)配樣將鎳粉、聚偏氟乙烯以及鐵氧體粉按照上述比例攪拌，混合均勻。
(3)成型將混合均勻的粉末放在粉末壓片機(jī)上，在溫度為180～220℃，壓力為10～15MPa的條件下，熱壓20分鐘成型。
實(shí)施例1按照表一中所列配方稱取適量鎳粉、聚偏氟乙烯與2.4g鎳鋅鐵氧體粉體混合均勻后置于模具內(nèi)，于200℃，15MPa下熱壓15分鐘成型，可以得到一系列樣品。雙滲流結(jié)構(gòu)可以從樣品顯微結(jié)構(gòu)照片中得到驗(yàn)證，如圖1所示。樣品起始磁導(dǎo)率隨鎳顆粒體積百分含量的變化趨勢(shì)如圖2所示，采用Maxwell-Garnett公式和Bruggeman-Hanai公式模擬的結(jié)果作為對(duì)照也示于圖2中。起始磁導(dǎo)率與品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的規(guī)律如圖3所示。樣品電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨鎳顆粒體積百分含量的變化規(guī)律如圖4中所示。
表一實(shí)施例1成分配方

說(shuō)明每一種復(fù)合材料中均含有60vol％鎳鋅鐵氧體，重量為2.4g實(shí)施例2
按照表二中所列配方稱取適量鎳粉、聚偏氟乙烯與1.65g Z型平面六角鐵氧體粉體混合均勻后置于模具內(nèi)，在200℃，15MPa條件下熱壓15分鐘成型，可以得到一系列樣品。雙滲流結(jié)構(gòu)可以從樣品的顯微結(jié)構(gòu)照片中得到驗(yàn)證，如圖5所示。樣品的起始磁導(dǎo)率隨鎳顆粒體積百分含量的變化趨勢(shì)如圖6所示，采用Maxwell-Garnett公式和Bruggeman-Hanai公式模擬的結(jié)果作為對(duì)照也示于圖6中。樣品的起始磁導(dǎo)率與品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的規(guī)律如圖7所示。樣品的電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨鎳顆粒體積百分含量的變化規(guī)律如圖8中所示。
表二實(shí)施例2成分配方

說(shuō)明每一種復(fù)合材料中均含有60vol％Z型平面六角鐵氧體，重量為1.65g
權(quán)利要求
1.一種兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料包括無(wú)機(jī)材料鐵氧體、導(dǎo)電金屬鎳粉(Ni)，以及聚合物材料，其體積配方比為鎳0.1～11％，鐵氧體50～60％，聚偏氟乙烯30～40％。
2.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述鐵氧體為鎳鋅鐵氧體Ni0.3Zn0.7Fe1.95O4，或Z型平面六角鐵氧體Ba3Co2Fe23O41。
3.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述聚合物材料為聚偏氟乙烯PVDF。
4.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)材料鐵氧體的粒度為鎳2～3μm，鐵氧體75～100μm。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料的方法，其特征在于所述復(fù)合材料采用熱壓工藝制備，具體工藝流程為(1)配料按上述配方稱取鎳粉0.005～0.739g，75～100μm的鎳鋅鐵氧體粉2.4g或者Z型平面六角鐵氧體1.65g，聚偏氟乙烯0.311～0.539g；(2)配樣將鎳粉、聚偏氟乙烯以及鐵氧體粉按照上述比例攪拌，混合均勻；(3)成型將步驟2混合均勻的粉末放在粉末壓片機(jī)上，在溫度為180～220℃，壓力為10～15MPa的條件下，熱壓20分鐘成型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兼?zhèn)潆娙蓦姼行阅艿膹?fù)合材料及其制備方法，屬于電子復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。所述復(fù)合材料以Ni
文檔編號(hào)C04B35/622GK1781872SQ20051011670
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者南策文, 沈洋, 李寶文 申請(qǐng)人:清華大學(xué)