[发明专利]磁性合成物及其制造和使用方法

说明书

关于联邦政府资助研究的声明

根据国家科学基金授权编号DMI-0512262，美国政府对本发明有特定的权利。

技术领域

本发明公开的内容一般涉及磁性合成物，更具体地涉及高频应用中使用的磁性糊料。

背景技术

电子电路中磁性元件的集成度已经成为减小电子元件尺寸的重要障碍。当前微米级大小的磁性材料只能用于低频。例如，高磁导率块状铁氧体只能用于低于1兆赫兹(MHz)的频率，而可用到约100MHz的块状镍铁氧体不具有最佳初始磁导率。因此，现有的商业变换器设计为运行在低于约2MHz的频率。

将较高频率的磁性元件集成在电路中的一种方法是通过厚膜丝网印刷。厚膜丝网印刷允许以糊料的形式在陶瓷衬底上沉积磁性材料。糊料材料通常包括悬浮在聚合物糊料中的陶瓷或金属粒子。不幸地，这些糊料的磁导率非常低(例如，小于3)，导致了很大涡流损耗。

印刷之后，糊料要经过热处理，这最终蒸发了聚合物，并致密或烧结陶瓷或金属材料。最终产物是由陶瓷或金属材料形成的致密纹理。例如，使用该技术可以在铁氧体层上印刷传导线圈，并用铁氧体的另一层覆盖传导线圈，从而形成感应线圈。印刷连续的多层以提高元件的感应系数。热处理可使磁导率提高，但是也伴随着在较高频率下涡流损耗的提高。此外，热处理的高温(约700-900摄氏度)可使糊料与低温的印刷线路板(PWB)或印刷电路板(PCB)不相容。

因此，在该领域需要新的改进的糊料，其结合了理想的特性，如在所需频率下的感应系数、磁导率和/或介电常数，以及可以用于在低温下处理的元件。

发明内容

磁性糊料包括磁性组分和液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体(assembly)，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

磁性元件包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

功率变换器包括衬底，其中衬底包含印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在功率变换器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

变压器包括衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在变压器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

电感器包括衬底，其中衬底包括印刷电路板，硅晶片或陶瓷材料，及在电感器的衬底上布置的薄膜，其中薄膜包括磁性组分和固体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

用于制造磁性糊料的方法包括结合磁性组分与液体有机组分，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者。

用于制造磁性元件的方法包括结合磁性组分与液体有机组分以构成糊料，其中磁性组分包括多个离散的纳米粒子、多个包含纳米粒子的组合体，其中多个包含纳米粒子的组合体中的每一个组合体的平均最大长度是约0.5-约150微米，或者磁性组分包括上述二者；在衬底上沉积糊料；及固化糊料。

上述以及其他特征通过以下附图和详细说明解释。

附图说明

参考附图，图中为示例性实施例，其中相同的元件以相同的标记表示：

图1是合成组合体(composite assembly)的示意图；

图2是微观的粒子组合体的示意图；

图3是具有多模态磁性组分的磁性糊料的示意图；

图4是凝聚之前的多个(Ni_0.5Zn_0.5)Fe₂O₄晶粒的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像；