聚合物基磁性電介質材料及其製造電子器件的工藝的製作方法
2023-05-31 08:42:41 1
專利名稱：聚合物基磁性電介質材料及其製造電子器件的工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子材料及其製造器件的工藝，製成的電子器件主要是微型天 線，該天線應用於無線區域網、短距無線通訊、個人移動通訊、數字移動電視等領域中。
背景技術：
天線在無線收發設備裡面是一個非常重要器件，其指標直接影響產品性能。現 在在用的體積小型的天線，基本都是從如圖1所示的四分之一波長單極化天線(monopole antenna)變形而成的，如圖2a、2b所示，通過摺疊、彎曲等方式縮小線型天線的長度。1984 年 H. Nakano 等於 IEEE Trans, antennas Propagat.第 AP-32 期期刊上發表「Shortening ratios of modified dipoleantennas (改形的雙極天線縮減率)一文第385-386頁中描述 了一種Z型(Zigzagging)和一種方波形(meandering)曲折天線，以縮減空間尺寸。目前 這類做法在手機中得到了極大普及，例如以三星電子株式會社專利CN1416194A 「摺疊式移 動電話的天線裝置」為代表，從80年代末到2000年初，是移動通訊主流的手機天線形式，電子通訊製造業對元器件的要求是體積小，能自動上貼片機貼裝，因此元器件標 準化，片式化成為發展方向，天線也有了再次縮小的要求，專利CN2560106Y公開了臺灣泓 越科技公司「片狀天線」，其實是用金屬片折彎後用塑膠支架等支撐與手機電路板彈性接 觸，專利CN1464588A 「一種隱藏式行動電話天線」和林永怡專利CN1355576A，「貼片式天線」 和專利CN2755798Y 「簡便貼片式天線」描述的內置天線是目前手持便攜無線終端中天線主 流技術都是再次把摺疊天線變形或者依託軟性的襯底內置到產品裡面去，都沒有加載磁 性材料。公知的微波理論表明電磁波通過加載了磁性材料和電介質材料後波長會縮短 7^7，其中er是有效的介電係數，μ r是有效導磁率，因此相應的天線體積變小。一般的 電介質材料其有效的介電係數er大於1，有效導磁率μ r等於1，例如鐵電材料、烏青銅陶 瓷等；一般的磁性材料，其有效的介電係數￡1~等於1，導磁率大於1。同時具有磁性和介電 係數的材料能發揮電場和磁場互相耦合的作用，拓展電磁波吸收頻段和改善降低一些頻段 的電磁損耗。但是目前磁性材料和電介質材料都是分別用於天線中，例如陶瓷天線(一種電 介質上金屬化天線圖案天線)開始在GPS (全球衛星定位接收機)、藍牙產品上得到應用，專 利CN1610988公開了美國高通公司「行動電話集成天線」採用電介質襯底，至少兩面印刷銅 線來構成天線。專利CN2736953黃勇、吳克利「一種平衡結構片式天線」專利CN2784313Y黃勇吳克利「倒F結構片式天線」，專利C擬8886677黃勇吳克利「片式天線」專利ZL01103747. 4公開了一種片式天線結構，是電介質材料的基底內部至少一 個層面上構造曲折金屬導體。專利CN1369929臺灣工業研究院「片狀天線」採用LTCC技術多層走金屬線.
專利ZL00109333. 9公開了一種薄膜集成天線及其製造方法，通過基板上生成金 屬薄膜和鐵電薄膜的交替工藝製成天線。上述和其它(本文不再枚舉)基於LTCC(低溫共燒工藝)天線的專利描述了採用 陶瓷材料做襯底來金屬化天線線條，做成片式天線可以直接被貼片機貼裝。其工藝製作的 天線見附圖3a、3b。日本古河電氣工業株式會社專利CN135162，CN1395340 「片狀天線及其製造方法」 採用有機樹脂代替陶瓷材料做電介質，其工藝製作的天線見附圖3c所示，改變了陶瓷材料 需要燒結成型弊端，且燒結後導電線條微小遷移導致的產品一致性差缺陷，但是古河電氣 的內埋金屬線條不適宜做得很細，否則在注塑時流體狀樹脂壓力衝擊下空間幾何結構會發 生變化，因此縮小體積有限。以上專利利用了公知的加載電介質和彎曲線條來縮小天線體積的方法，但是遇到 共同的難題採用這類陶瓷天線由於採用高介電係數的陶瓷材料來縮短進入電介質中的工 作頻率波長，使得頻率帶寬很窄，且存在邊緣輻射，導致天線輻射效率低，增益不高，做成多 頻段困難。因此並沒有在多頻段收發手機等產品中做主流應用，適合做單頻段的無線應用， 例如藍牙和GPS ( 一種1575. 42Mhz，信號接收機)、RFID (射頻識別)中。也有專利和文獻報導，在採用磁性材料製作天線，本文不再贅述。根據公知理論，為了改善天線性能，可以在天線後面加載光子晶體結構PBG(光 子晶體，或稱光子帶隙)，PBG首先是光學領域使用，但是近年開始擴展到無線電頻率段， 用於天線等微波器件中，使用以微帶線技術製成的光子帶隙結構描述見文章「Novel 2-D photonic bandgap structure for microstrip lines，，公布期幹Ij IEEE 微波禾口波導學才艮， Vol. 8，No. 2，1998 年 2 月。專利CN1703805法國湯姆森許可貿易公司「採用光子帶隙結構的槽型天線」採用 周期開槽的圖案，蝕刻在微帶線背面，使得開啟超寬帶天線的頻率響應中的禁用頻段，濾除 不必要的頻率，實現頻率選擇。專利CN171710747A，上海無線電設備研究所「使用光子帶隙作為反射牆體的阿基 米德螺旋天線」在金屬線條後面加載光子晶體後，改善了天線性能。以上專利和類似專利均對天線指標有所改進，見附圖4所示，都是在天線背面加 載一層或者多層光子晶體圖案，實現對天線工作頻率的篩選。但是沒有根本改良天線微型 化後帶來的輻射性能差、頻帶窄、多頻困難等缺陷。根據公知的理論介電常數ε和磁導率μ是描述均勻媒質電磁場性質的最基 本的兩個物理量。在已知的物質世界中，對於電介質而言，介電常數ε和磁導率μ都為 正值，電場、磁場和波矢三者構成右手關係，這樣的物質被稱為右手材料(right-handed materials, RHM)。上述電介質材料和磁性材料屬於右手材料，這種右手規則一直以來被認 為是物質世界的常規，但這一常規卻在上世紀60年代開始遭遇顛覆性的挑戰。1967年前 蘇聯物理學家Veselag0首次報導新發現，S卩當ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之 間構成左手關係。他稱這種假想的物質為左手材料(left-handed materials, LHM)，同時 指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效 應、反都卜勒效應等等。英國Pendry等人在1998 1999年提出了一種巧妙的設計結構可 以實現負的介電係數與負的磁導率，從此以後，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。左手材料的研製列入了美國《科學》雜誌評出的2003年度全球十大科學進展。左手材 料可以通過一些有規則導電開口諧振環(SRRs)和金屬杆定向排列來實現。見附圖5所示。天線金屬線條後面有規則放置左手效應材料後能本質提升天線指標，且非對稱結 構的左手材料可以同時在多個頻段內實現左手效應，即左手通帶。這意味著天線頻帶可以 實現多頻段。又因為，左手效應材料能把一些照指數規則衰減的信號照指數規則增強，顯然能 提升天線增益等指標。專利CN101145634A南京大學「利用簡化左手微帶結構的全向輻射天線」專利CN200610104713. 8，CN1874059西北工業大學趙曉鵬等「帶有非對稱結構的 左手材料的手機天線介質基板」專利CN1874067A西北工業大學趙曉鵬等「X波段左手材料微帶天線」專利CN1941503A西北工業大學趙曉鵬等「S波段左手材料微帶天線」專利CN1874067A西北工業大學趙曉鵬等「X波段左手材料微帶天線」專利CN1941505A西北工業大學趙曉鵬等「C波段左手材料微帶天線」以上左手材料用於天線中提升天線性能的性能。但是都沒有考慮如何把左右手材 料結合起來，製成磁性和介電性雙參數都具備的聚合物材料及其相應的器件；左手和右手 材料結合才能滿足電子器件諸多指標的要求。事實上左手效應的材料可以採用微納結構，例如核殼結構來實現，製成粉體狀物 質，添加到右手材料(本發明指磁性材料和電介質)之聚合物基材中。但是左右手結合制 作聚合物基的磁性電介質材料並製成器件應用未見報導；
發明內容
本發明目的是綜合採用天線領域材料成果和先進設計理念、製造領域成熟工藝技 術，克服前述問題(1)同時具備磁性(導磁率大於1)和介電性(介電係數大於1)的聚合物基材料 製成的器件也未見規模應用；(2)左手效應材料和光子晶體材料添加到聚合物基材中，實現左右手材料同時運 用到器件設計中去並解決相關的製作工藝問題。具體是發明一種聚合物基的具有磁性和介電係數雙參數(複合材料之等效ε和μ都大 於1)且可以添加左手效應材料和光子晶體材料的材料及其製作工藝。本發明的另外一個目的是把天線這一器件象阻容元件一樣標準化，用傳統的注塑 而非象LTCC(低溫共燒結工藝)製造，降低環境汙染和能耗，實現器件低成本化批量、環保 製造。本發明概述本為了實現上述目的，從結構設計上入手，做成天線外殼、選擇性金屬層、聚合物 基磁性電介質內胎等結構。為了實現添加左手效應和光子晶體材料，天線基材採用聚合物(又稱為塑膠、塑 料、高分子，本文都是指同一類物質，稱謂不同而已，以下同)材料注塑工藝，克服了陶瓷基需要燒結，且不便於定向排列左手效應和光子晶體材料的缺陷。為了實現雙參數，聚合物基材中加入一定粒徑和磁損耗的磁性軟磁材料粉末和一 定粒徑和電磁損耗的電介質材料粉末，利用導磁率和介電係數雙參數來調整天線的工作頻 率和帶寬；為了實現左手效應和特殊的頻率選擇性，可以在聚合物基材密煉過程中加入一定 量的左手效應材料粉體和光子晶體粉體，並在注射成天線內胎過程中外加定向磁場。利用 磁場來定向排列天線基材內胎中左手單元之方向。利用添加的物質含量來調整左手效應或 者光子晶體材料的空間間距。為了實現產品美觀和標準化，採用紫外光固化塗料或者低壓注射熱熔膠封裝，採 用內埋五金端子方式注塑。
圖1四分之一波長單極化天線(monopole antenna)示意2a、2b、2c、2d傳統的摺疊、彎曲等方式縮小線型的天線示意3a、北陶瓷電介質窄帶片狀天線示意3c有機電介質包覆的片狀天線示意4加載了光子晶體PBG的天線示意5左手諧振環節圖案圖6本發明實例片式天線一實例結構分解圖其中6-1所示天線內胎；6-2所示金屬繞組；6-3所示包封樹脂；6_4所示五金端子 圖7本發明實例一種棒狀天線外觀示意圖其中7-1所示天線從一端引出金屬端子；7-2所示天線從側面引出金屬端子圖8是本發明實例雙金屬繞組之平衡天線示意9本發明實例寬帶片式FM頻段(76Mhz-108Mhz)天線電特性測量圖
具體實施例方式本發明從天線空間結構設計、材料選擇、製造工藝、器件性能保障等諸多方面達到 發明目的，具體實施方式
是結構設計採用聚合物基材表面繞線或者選擇性金屬化技術，再包覆蓋樹脂工藝；具體結構 順序是步驟一採用密煉好的聚合物磁性電介質材料注塑成形狀規則的片式或者棒狀天 線內胎，在注塑過程中可以內埋金屬端子；步驟二 在天線內胎上面繞制金屬線或者印製導電油墨、塗料，或者雷射誘導進行 金屬化布線；金屬化導線與內埋的金屬端子接觸良好。步驟三在上述步驟二基礎上用樹脂封裝器件。材料設計採用低電磁損耗的聚合物原料，例如高密度聚乙烯等作為母膠，再添加軟磁材料電介質、左手材料等等構成有介電係數、導磁率的複合材料，滿足器件的要求。採用聚合物路線相比傳統的LTCC片式陶瓷製造路線成本便宜、能耗低、更環保。在本發明中，從不加到加入的添加比例可以根據天線具體頻段要求來調整，首先 要判斷天線不加軟磁磁性粉體和電介質粉體能否達到指標要求？若到不到則考慮添加。調 整原則是天線工作頻段低，體積要求小，則可以考慮添加磁性和微波粉的比例到30% (重 量比)，使得天線等效的erX μ r(有效的介電係數乘以有效導磁率)為如下優選範圍10M-150Mhz ε rX μ r 在 30-10 之間13. 5Mhzε rX μ r 在 70-120 之間300Mhz 以上 ε rX μ r 在 8-10 左右製造工藝解決聚合物與添加的材料相容問題、聚合物磁性電介質的金屬化問題、器件包覆 樹脂問題。其中，聚合物與無機磁性粉體、電介質粉體和左手效應粉體、光子晶體粉體的共 混，若選用高密度聚乙烯作母膠，則採用添加馬來酸酐接枝聚乙烯之類增容劑。其它聚合物 母膠，採用公知的其它增容劑；聚合物磁性電介質表面金屬化採用傳統的繞線或者印刷導 電金屬塗料、導電金屬油墨、或者雷射誘導能分解金屬的技術；器件包覆樹脂採用低壓注射 熱熔膠或者紫外光固化樹脂的工藝實現。器件指標保障採用電磁透波率及低電磁損耗的聚合物材料作母膠，例如高密度基乙烯、聚丙烯、 間規聚苯乙烯、聚四氟乙烯等等；採用金屬繞線工藝為主結構，克服了平面微帶結構輻射效率低、邊緣輻射大的弊
端、天線的方向圖好；設計的金屬線條等效電長度L值是L = A，保障諧振點落
在工作頻段範圍，公式中的介電係數和導磁率是聚合物基磁性電介質的複合有效介電係數 和有效磁導率。添加光子晶體材料，實現對頻率的篩選；添加左手效應材料，並在注射聚合物基材時，加磁場定向，使得左手效應材料空間 定向且規則間距排列，使得天線增益得以提升。尤其是，本發明是一個良好的可加載各種先進天線材料實驗的結構，使得性能不 斷優化。下面結合附圖來描述本發明優選實施例實施例1圖6所示是本發明實施實例片式天線結構圖，採用本發明所述之聚合物磁性電介 質材料和注塑工藝製成天線內胎(6-1)；注塑時內埋金屬端子(6-4)；再在天線內胎表面繞 制金屬線(6-2)，金屬線(6-2) —端與金屬端子(6-4)焊接在一起；再封裝樹脂(6-3)實施例2圖7是本發明實例之棒狀天線外觀示意圖，其中7-1是底部出金屬端子，7-2是側部出金屬端子圖；實施例3採用本發明實施之措施，在聚合物磁性電介質內胎上繞制雙金屬平衡繞組，製作 寬帶的天線。圖8是雙金屬繞組之平衡天線示意圖，雙繞組繞制後再樹脂封裝。
8
實施例4一種內置的調頻FM頻段(76Mhz-108Mhz)片式天線，其製作流程是按照比例稱量高密度聚乙烯50%、磁性材料粉體10%、鈦酸鋇陶瓷粉體35%、馬 來酸酐接枝聚乙烯5%;以上複合組份放入密煉機密煉成聚合物磁性電介質；再注塑成片狀 形狀天線內胎；繞線後，調整線條長度使得天線工作頻段在FM頻段，測試的指標見附圖9所
以上所述，僅為本發明優選實施例而已，不能以此限定本發明實施範圍，即凡依本 發明權利要求及發明書內容所做的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬於本發明專利覆蓋範圍。
權利要求
1.聚合物基磁性電介質材料及其製造器件的工藝，其特徵是包含如下配方、製造流程 和工藝參數步驟一合成一種含軟磁物質和電介質的改性塑膠原料；其複合組份是在選定的載體母膠裡，添加表面活性劑、無機軟磁材料、無機電介質 材料，其含量為每1000克製成的塑膠原料中添加表面活性劑1-10克；無機軟磁材料粉末1-500克；無機電介質材料粉末1-500克；增容劑1-100克；特殊功能添加劑0-500克；其餘為載體母膠；合成份總和均需滿足 100% ；可選的載體母膠是常用的低電磁損耗的熱塑性塑料(或稱塑膠、聚合物等，以下同)， 包括含不同種類塑膠的共聚物。稱量選定的載體母膠，照上述比例的表面活性劑、增容齊U、 無機軟磁材料粉體、無機電介質粉體、特殊功能添加劑、放入密煉機內，加溫到載體母膠熔 融，並攪拌至混合均勻為止，再冷卻取出後粉碎、造粒成為可熱塑性塑膠原料。步驟二 採用上述所述步驟一合成的塑膠原料注塑或者壓鑄成一定形狀的塑膠件，例 如片狀、棒狀等；步驟三在上述片狀和棒狀的塑膠上繞制金屬線或者噴塗雷射誘導下能分解出金屬的 塗料、或者印刷導電金屬油墨，而形成金屬化層，構成電子器件。步驟四上述製成的電子器件，採用紫外光固化粉體材料包裝；或者採用熱熔膠，用低 壓注射機進行封裝。
2.如權利要求1述，其中所述雷射塑膠原料選用的載體母膠可以是高密度聚乙烯 (PE)、聚丙烯(PP)、間規聚苯乙烯(SPS)、聚四氟乙烯(PTEF)等所述高分子化合物(或者稱 為聚合物、塑料)一種或者多種的共聚物。所述的表面活性劑為具有分散作用的表面活性劑。所述的增容劑作用是增強無機材料與有機材料結合力，對於載體母膠選聚乙烯材料， 可添加接枝或者嵌段共聚物PE-g-MAH，對於其它載體母膠，可選公知增容劑或稱相溶劑。
3.如權利要求1所述，塑膠原料中無機磁性物質可以是粉狀的納米鐵、鎳鋅鐵氧體、錳 鋅鐵氧體等具有磁導率的軟磁材料。不同粒徑和含量影響器件的使用頻段和帶寬。
4.如權利要求1所述，塑膠原料中無機電介質物質可以是烏青銅陶瓷粉、鐵電陶瓷粉 等具有介電係數的電子級微粉。
5.如權利要求1所述之特殊功能添加計可以是左手效應的材料粉體、光子晶體等具有 頻率選擇作用、信號增強作用的粉體。
6.如權利要求1所述之製程的聚合物基磁性電介質材料可以採用注塑工藝、內埋五金 端子注塑工藝製造片式和棒狀的材料。
7.如權利要求4所述之片式和棒狀的材料上繞制金屬線或者噴塗雷射誘導下可以分 解出金屬塗料或者印刷導電金屬油墨，均採用公知的普及的工藝。
8.如權利要求5所述，若添加左手效應粉體或者光子晶體粉體時候，在注射成片狀和 棒狀材料工藝中，需要在模具中添加外磁場利用外加磁場來定向排列左手效應粉體，利用 混合的質量(0-500克)來調整左手效應材料或者光子晶體材料的間距。
9.如權利要求1所述，封裝電子器件的紫外光固化粉體塗料包覆的厚度在 0. 05mm-0. 25mm之間；低壓注射包覆的最薄厚度為0. 5mm。
10.如權利要求1所述，添加了左手效應材料製成的電子器件是左右手複合材料器件， 在一些頻段具有特殊的頻率選擇性和極低的電磁損耗。
全文摘要
本發明涉及一種聚合物基磁性電介質材料的合成和製造電子器件的工藝，具體是採用低電磁損耗的高密度聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、間規聚苯乙烯等其中一種，添加表面活性劑、增容劑、一定粒徑和磁損的軟磁材料粉末、一定粒徑和介質損耗的電介質材料粉末、左手效應材料或者光子晶體材料等特殊功能材料等，在密煉機中高溫熔融密煉、再冷卻粉碎、造粒製成改性塑料，再依以下流程和工藝製成電子器件注射成片式或則棒狀形狀、再表面選擇金屬化、紫外光固化或者熱熔膠低壓注射封裝。用本發明材料和工藝製成的器件主要用於微型化天線。具有頻段寬、阻抗低、工作頻率偏向低頻段、具有特殊的頻率選擇性等系列特徵。
文檔編號B29C45/00GK102130380SQ20101004442
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者周紅衛, 王璐 申請人:周紅衛, 王璐