在準微波段具有最大復導磁率的磁物質及其生產方法
2023-04-23 12:02:56 3
專利名稱：在準微波段具有最大復導磁率的磁物質及其生產方法
技術領域：
本發明涉及用於壓低或吸收電或電子裝置中高頻噪聲的磁物質，特別是適用於壓低在有源電子器件、高頻電路部件和高頻電子裝置中引起的電磁幹擾(EMI)的磁物質。
本技術領域還都知道，在電子裝置中有集中常數電路(如去耦合電容)組裝到電子裝置中的電源電路線中，從而壓制來自電源線的不希望的輻射。
還有另一個問題，即往往由高速操作型半導體或集成電路裝置引起或感應出高頻噪聲，例如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、微處理器(MPU)、中央處理單元(CPU)、或圖像處理器算術邏輯單元(IPALU)，因為流入高速電路中的電信號的電流和電壓值快速變化。
此外，在小型電子裝置中電子器件和電纜以高密度放置。所以，那些器件和導線彼此非常靠近，從而彼此影響，引起EMI。
為了壓低來自那些半導體裝置的高頻噪聲和在小型電子裝置內的EMI，不能使用傳統的鐵氧體磁芯，因為它的體積較大。
另一方面，使用集中常數電路不能有效地壓低使用高速操作電子器件的電路中引起的高頻噪聲，因為噪聲的頻率增大了，所以電路線實際上起到分布常數電路的作用。
JP-A 10-97913公布了一種具有較大磁芯損耗或復導磁率(complexpermeability)的復磁物質(complex magnetic substance)。該復磁物質放置在半導體裝置和/或電子電路裝置附近，能壓低從它們當中輻射出來的高頻噪聲。
從近來的研究理解到，使用具有復導磁率μ″的磁物質被認為是加到產生噪聲的電路上的一個有效電阻(effective resistance)，從而使噪聲能被衰減。該有效電阻依賴於所用磁物質的復導磁率。詳細地說，如果該磁物質有恆定面積，則肯定有效電阻依賴於該磁物質的復導磁率μ″及其厚度。這意味著具有提高的復導磁率的磁物質能提供一個體積減小(即面積和厚度減小)了的高頻噪聲壓制器(suppressor)，它能組裝到小型裝置內。
根據本發明，能得到根據權利要求1的磁物質。
再有，根據本發明，得到根據附屬權利要求2-15的磁物質，根據附屬權利要求16的噪聲壓制器和根據附屬權利要求17的壓制噪聲方法。
在先有技術中已知一種M-X-Y磁合成物(M磁性金屬元素，YO、N、或F；X不同於M和Y的一種或多種元素)作為有低磁芯損耗和高飽和磁化強度的一種磁物質，它主要是用濺射法或蒸氣沉積法產生的並具有顆粒狀的結構，這裡M的金屬磁顆粒散布在陶瓷樣的非磁性矩陣(X和Y)中。
在研究有極好導磁率的M-X-Y磁合成物的精細結構過程中，本發明的共同發明者們發現，在M的高濃度區中能實現高飽和磁化強度，在這裡M-X-Y磁合成物的飽和磁化強度為只含有M的金屬磁性材料體(the metallic bulk of magnetic material)的飽和磁化強度的80％或更多。
M-X-Y磁合成物有低電阻率(specific resistance)。所以，當它被形成於用於高頻範圍的一個有較大厚度的部件中時，該部件允許一個渦流在其中流過。結果，該部件的導磁率被減小了。所以，傳統的有高飽和磁化強度的M-X-Y磁合成物不能用於厚度增大了的部件。
本發明者們進一步發現，M濃度減小了的M-X-Y磁合成物在高頻範圍的復導磁率μ″增大了。在M濃度減小了的區域，M-X-Y磁合成物的飽和磁化強度為只含有M的金屬磁性材料體的飽和磁化強度的60-80％，M-X-Y磁合成物有較高的電阻率，約為100μΩ·cm或更高。所以，如果一個有較大厚度(例如幾微米(μm))的部件是由減小了M濃度的合成物構成，它便顯示出減小了的渦流損耗。磁芯損耗或復導磁率是由於自然共振造成的損耗。所以，在頻率軸上復導磁率的分布是窄的。這意味著具有減小的M濃度的M-X-Y磁合成物對於在一窄頻率範圍內壓制噪聲是有用的。
在進一步減小M濃度時，這裡M-X-Y磁合成物的飽和強化強度為只含有M的金屬磁性材料體的飽和磁化強度的35-60％，則M-X-Y磁合成材料有更高的電阻率，約為500μΩ·cm或更高。所以，在一個由該合成物構成的有較大厚度(例如幾微米(μm))的部件中由渦流造成的損耗進一步減小。M顆粒之間的磁相互作用變小，於是自旋熱漲落變大，使產生復導磁率自然共振的那個頻率發生漲落。所以，復導磁率μ″在一個寬的頻率範圍上有較大的值。這意味著進一步減小了M濃度的M-X-Y磁合成物對於在一寬頻率範圍內壓制噪聲是有用的。
對進一步減小的M濃度，M顆粒彼此沒有磁效應，於是M-X-Y合成物表現出超順磁性。
在設計一個由磁物質構成的部件，將其放在一個電子電路附近以壓制高頻噪聲時，考慮復導磁率μ″和磁物質厚度σ的乘積(μ″·δ)之值。通常，為有效地壓制百兆赫(MHz)的高頻噪聲，需要(μ″·δ)≥1000μm。當所用磁合成物的復導磁率約1000((μ″＝1000)時，該噪聲壓制器需要有厚度1微米(μm)或更大。所以，有低電阻率的合成物由於容易產生渦流因而是不希望的，而是希望有增大的電阻率，例如100μ·Ω或更大。
按上述觀點，希望用於噪聲壓制器的M-X-Y合成物有減小的M濃度，這裡M-X-Y磁合成物的飽和磁化強度為只含有M的金屬磁性材料體的飽和磁化強度的35-80％。
發明實施例首先描述M-X-Y磁合成物的顆粒結構和生產方法。
參考
圖1，其中示意性顯示M-X-Y磁合成物的顆粒結構，金屬磁性材料M的顆粒11均勻地或均一的分布在含有X-Y的矩陣12中。
參考圖2A，圖中所示濺射裝置用於生產下述實例和比較例中的樣本。該濺射裝置有傳統的結構，包含真空容器20、開閉器21、氣氛氣體源22、基片或玻璃板23、切片24(X或X-Y)、標靶25(M)、RF(射頻)電源、以及真空泵27。氣氛氣體源22和真空泵27都與真空容器20相連。基片23面對標靶25，在標靶25上放置切片24。開閉器21放置在基片21的前面。RF電源26與標靶25相連。
參考圖2B，圖中所示蒸氣沉積裝置也用於生產下述實例和比較例中的樣本。蒸氣沉積裝置有傳統的結構，它有真空容器20、氣氛氣體源22、以及真空泵27，這些與濺射裝置相似，但有一個包括材料(X-Y)的坩堝28代替切片24、標靶25和RF功率源26。例1在表1所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。
表1
對所產生的薄膜樣本1用螢光X-射線光譜學進行分析並確認為合成物Fe72Al11O17薄膜。薄膜樣本1有2.0微米(μm)厚，直流電阻率為530微歐姆釐米(μΩ·cm)，各向異性場(Hk)為18 Oe(奧斯特)，以及飽和磁化強度(Ms)為16,800高斯。
該薄膜樣品1的飽和磁化強度與金屬材料M本身的飽和磁化強度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是72.2％。
為了測量導磁率頻率響應，薄膜樣本1被做成帶狀並插入一個線圈中。在一個偏置磁場作用下，測量加到線圈上的交流頻率變化時線圈阻抗的變化。對不同的偏置磁場值進行多次這樣的測量。由測量得到的隨頻率變化而變化的阻抗，計算出復導磁率頻率響應(μ″-f響應)並示於圖3。圖3表明，復導磁率有一個高峰值或者說最大值(μ″max)，並在該峰值兩側迅速下降。表現出最大值(μ″max)的自然共振頻率(f((μ″max))約為700MHz。由μ″-f響應確定相對帶寬bwr，它是顯示出復導磁率為最大值μ″max一半值μ″50的兩個頻率點之間的帶寬與所述帶寬中心頻率的百分比。該相對帶寬bwr是148％。例2在與例1相似但使用150Al2O3切片的條件下，在玻璃板上形成薄膜樣本2。
對所產生的薄膜樣本2用螢光X-射線光譜學進行分析並確認為合成物Fe44Al22O34薄膜。薄膜樣本2的厚度為1.2微米(μm)，直流電阻率為2400微歐姆釐米(μΩ·cm)，各向異性場(Hk)為120 Oe，飽和磁場強度(Ms)為9600高斯。請注意，薄膜樣本2的電阻率高於薄膜樣本1。
薄膜樣本2的飽和磁化強度與金屬材料M本身的飽和磁化強度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是44.5％。
還以類似於例1的方式得到了薄膜樣本2的μ″-f響應並示於圖4。請注意該峰值也有類似於例1的高的值。然而，在峰值處的頻率點，或者說自然響應頻率，約為1GHz，而在該峰值兩側復導磁率逐漸下降，所以μ″-f響應有寬帶特性。
也以類似於例1的方式確認薄膜樣本2的相對帶寬bwr是181％。比較例1在類似於例1但使用90Al2O3切片的條件下，在玻璃板上形成比較樣本1。
對所產生的比較樣本1用螢光X-射線光譜學進行分析並確認為合成物Fe86Al6O8薄膜。比較樣本1的厚度為1.2微米(μm)，直流電阻率為74微歐姆釐米(μΩ·cm)，各向異性場(Hk)為22 Oe，飽和磁化強度(Ms)為18,800高斯，比較樣本1的飽和磁化強度與金屬材料M本身的飽和磁化強度的百分比{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}×100是44.5％。
還以類似於例1的方式得到了比較樣本1的μ″-f響應並示於圖5。請注意，從圖5可見比較樣本1的復導磁率μ″在約10MHz處有高峰值在高於10MHz的頻率範圍迅速減小。可以假定，這一減小是由於較低的電阻率所產生的渦流引起的。比較例2在類似於例1但使用200Al2O3切片的條件下，在玻璃板上形成比較樣本2。
對所產生的比較樣本2用螢光X-射線光譜學進行分析並確認為合成物Fe19Al34O47薄膜。比較樣本2的厚度為1.3微米(μm)，直流電阻率為10,500微歐姆釐米(μΩ·cm)。
比較例1的磁特性表現為超順磁性。例4在表2所示濺射條件下，使用圖2A所示濺射裝置，用反應濺射法，在玻璃板上製成M-X-Y薄膜。N2的部分壓強比是20％。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本4。
表2
薄膜樣本4的性質示於表3。
表3
例5在表4中所示濺射條件下用圖2A中所示濺射裝置在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本5。
表4
薄膜樣本5的性質示於表5。
表5
例6在表6中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，由反應濺射法在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。N2的部分壓強比是10％。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本6。
表6
薄膜樣本6的性質示於表7。
表7
例7在表8中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本7。
表8
薄膜樣本4的性質示於表9。
表9
例8在表10中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，由反應濺射法在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。N2的部分壓強比為10％該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本8。
表10
薄膜樣本10的性質示於表11。
表11
例9在表12中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理過2個小時，得到薄膜樣本9。
表12
薄膜樣本9的性質示於表13。
表13
例10在表14中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，由反應濺射法在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。O2的部分壓強比是15％。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本10。
表14
薄膜樣本10的性質示於表15。
表15
例11在表16中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本11。
表16
薄膜樣本11的性質示於表17。
表17
例12在表18中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本12。
表18
薄膜樣本12的性質示於表19。
表19
例13在表20中所示濺射條件下，使用圖2A中所示濺射裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本13。
表20
薄膜樣本13的性質示於表21。
表21
例14在表22中所示條件下，使用圖2B中所示蒸氣沉積裝置，在玻璃板上製成M-X-Y磁合成物薄膜。該薄膜在磁場下在真空中以溫度300℃進行熱處理達2個小時，得到薄膜樣本14。
表22
薄膜樣本14的性質示於表23。
表23
現在將描述使用圖6中所示測試裝置進行關於樣本薄膜和比較樣本噪聲壓制效果的測試。
一片測試薄膜是尺寸為20mm×20mm×2.0μm的薄膜樣本1。為了比較，取一片尺寸為20×20mm×1.0mm的已知合成磁性材料。該合成磁性材料包含聚合物及散布在聚合物中的扁平磁性金屬粉末。該磁性金屬粉末包含Fe、Al和Si。該合成磁性材料在準微波範圍內有復導磁率分布，其復導磁率的最大值位於頻率約700MHz處。表24顯示測試片和比較用測試片的性質。
表24
從表24可見，薄膜樣本1的復導磁率最大值約比比較用測試片的復導磁率大600倍。由於通常根據最大復導磁率μ″max和片厚度δ的乘積(μ″max×δ)之值來評估壓制噪聲的效果，所以合成磁性材料片的比較用測試片厚度選為1mm，從而使這兩個測試片有相似的(μ″max×δ)值。
參考圖6，測試裝置包含一個帶有兩埠的微帶線61，與這兩個埠相連的同軸電纜62以及跨接在這兩個埠的網絡分析儀(未畫出)。微帶線61的長度為75mm，特徵阻抗為50歐姆。測試片63放在微帶線61上的一個區域64處，並測量傳輸特性S21。薄膜樣本1和比較用樣本的S21的頻率響應分別示於圖7a和7b。
針對使用測試樣本1的情況，由圖7A可以看到S21在100MHz以上時減小，在頻率2GHz處達到極小值-10dB，然後在2GHz以上時增大。另一方面，對於使用比較用樣本的情況，由圖7B可以看到S21逐漸減小並在頻率3GHz處達到極小值-10dB。
這些結果表明，S21依賴於復導磁率的頻率分布，而壓制噪聲的效果依賴於乘積(μ″max×δ)。
現在，如圖8A所示，假定磁性樣本構成一個長度為l的分布常數電路，則由傳輸特性S11和S21對單位長度Δl計算出等效電路，如圖8B中所示。然後由用於單位長度Δl的等效電路得到長度為l的等效電路，如圖8C中所示。磁性樣本的等效電路包含串聯電感L和電阻R，以及並聯電容C和電導G，如圖8C所示。由此可以理解，由於在微帶線上放置磁物質引起的微波帶狀線路傳輸特性的改變主要決定於所增加的串聯等效電阻R。
考慮上述情況，測量了等效電阻的頻率響應。對於薄膜樣本1和比較用樣本，所測量的數據分別示於圖9A和9B。從這些圖中可以看出，在準微波範圍中等效電阻R逐漸減小並在約3GHz處約為60歐姆。可以看到，等效電阻R的頻率依賴性不同於復導磁率的頻率依賴性，復導磁率在約1GHz處有最大值。可以認為這一差別是基於該乘積和樣本長度二者與波長之比的逐漸增大。
已經描述了本發明的磁物質生產方法，即濺射法和蒸氣沉積法，但生產方法不限於這兩種。任何其他薄膜生產方法，如離子束沉積法和氣體沉積法，都能用於生產本發明的磁物質，如果它們能均一地產生本發明的磁物質的話。再有，如果所生產的薄膜有足夠好的性質，則在薄膜生產後的熱處理不是必須的。
工業可應用性根據本發明，該磁物質在高頻範圍(如準微波範圍)有較高的復導磁率。所以根據本發明構成的磁物質能提供一個噪聲壓制器，它在小尺寸電子電路元件和電子裝置中是有用的。
權利要求
1.一種含有M、X和Y的磁合成物磁物質，這裡M是包含Fe、Co和/或Ni的金屬磁性材料，X是不同於M和Y的一種或多種元素，Y是F、N和/或O，其特徵在於所述M-X-Y磁合成物在該合成物中具有一M的濃度使得所述M-X-Y磁合成物的飽和磁化強度為只含有M的金屬磁性材料體的飽和磁化強度的35-80％，所述磁合成物在頻率0.1-10千兆赫(GHz)範圍內有復導磁率μ″的最大值μ″max。
2.根據權利要求1的磁物質，它有一個相對帶寬bwr為200％或更小的相對較窄頻帶的復導磁率頻率響應，所述相對帶寬bwr是作為兩個頻率點之間的帶寬與該帶寬的中心頻率之百分比來確定的，這兩個頻率點位於復導磁率為最大值μ″max的一半值μ″50處。
3.根據權利要求2的磁物質，所述金屬磁性材料X有一個飽和磁化強度，其中，所述磁合成物具有飽和磁化強度，它是金屬磁性材料X的飽和磁化強度的60-80％。
4.根據權利要求2或3的磁物質，其中，所述磁合成物具有100至700μΩ·cm的直流電阻率。
5.根據權利要求1的磁物質，它有一個相對帶寬bwr為150％或更大的相對寬頻帶的復導磁率頻率響應，所述相對帶寬bwr是作為兩個頻率點之間的帶寬與該帶寬的中心頻率之百分比來確定的，運兩個頻率點位於復導磁率為最大值μ″max的一半值μ″50處。
6.根據權利要求5的磁物質，所述金屬磁性材料X有一個飽和磁化強度，其中，所述磁合成物具有飽和磁化強度，它是金屬磁性材料X的飽和磁化強度的35-60％。
7.根據權利要求5或6的磁物質，其中，所述磁合成物具有500μΩ·cm或更大的直流電阻率。
8.根據權利要求1-7中任何一個的磁物質，其中，X是C、Bi、Si、Al、Mg、Ti、Zn、Hf、Sr、Nb、Ta和/或稀土金屬。
9.根據權利要求1-8中任何一個的磁物質，其中，所述金屬磁性材料M作為粒狀顆粒分布在含有X和Y的矩陣合成物中。
10.根據權利要求8的磁物質，其中，所述粒狀顆粒的平均顆粒大小是1-40nm。
11.根據權利要求1-10中任何一個的磁物質，其中，所述磁合成物有各向異性場600 Oe或更小。
12.根據權利要1-11中任何一個的磁物質，其中，所述磁合成物是由公式Feα-Alβ-Oγ表示的合成物。
13.根據權利要求1-11中任何一個的磁物質，其中，所述磁合成物是由公式Feα-Siβ-Oγ表示的合成物。
14.根據權利要求1-13中任何一個的磁物質，其中，所述磁合成物是用濺射過程形成的薄膜。
15.根據權利要求1-13中任何一個的磁物質，其中，所述磁合成物是用蒸氣沉積過程形成的薄膜。
16.根據權利要求1-15中任何一個的磁物質，它是作為厚度0.3-20μcm的板形成的，用作高頻噪聲壓制器。
17.一種用於壓制高頻噪聲在電子裝置的電路線中流動的方法，特徵在於把權利要求16的所述板放在所述電子裝置附近或直接放在所述電子裝置上。
全文摘要
提供了一種在準微波範圍有復導磁率最大值的磁物質,用於壓制小型電子裝置中的高頻噪聲。該磁物質是由包含M、X和Y的磁合成物構成的,這裡M是包含Fe、Co和/或Ni的金屬磁性材料,X是不同於M和Y的一種或多種元素,Y是F、N和/或O。M－X－Y磁合成物中M的濃度使得所述M－X－Y磁合成物的飽和磁化強度為只含有M的金屬磁性材料體的飽和磁化強度的35－80%。該磁合成物在頻率0.1－10千兆赫(GHz)範圍內有復導磁率μ″的最大值μ″
文檔編號H01F1/33GK1365502SQ01800621
公開日2002年8月21日 申請日期2001年1月24日 優先權日2000年1月24日
發明者吉田榮吉, 小野裕司, 安藤慎輔, 李衛東, 島田寬 申請人:株式會社東金