TWI767968B - 多層之磁介電材料 - Google Patents
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Abstract
一種可在一最小頻率與一最大頻率之間運作之磁介電材料，具有：複數個層，在一介電材料與一鐵磁性材料之間交替，該等層其中之一最下層及一最上層各自係為一介電材料；該等鐵磁性材料層其中之每一層具有等於或大於各自之鐵磁性材料在最大頻率下之一集膚深度之1/15且等於或小於各自之鐵磁性材料在最大頻率下之集膚深度之1/5的一厚度；該等介電材料層其中之每一層具有一厚度及跨越各自之厚度提供等於或大於150伏峰值且等於或小於1,500伏峰值之一介電耐受電壓的一介電常數；且該等層具有等於或小於處於最小頻率時該等層中之單波長的一整體厚度。
Description
本發明大體而言係關於一種磁介電材料，具體而言係關於一種多層之磁介電材料，且更具體而言係關於一種多層之磁介電薄膜材料。
多層之介電-磁性結構（dielectric-magnetic structure）具有以下益處：利用形狀各向異性（shape anisotropy）來產生較高鐵磁性共振頻率，且利用介電材料與磁性材料之有利混合規則來產生一結構化構造，該結構化構造具有一低z軸線電容率（permittivity）及一高x-y平面導磁率（permeability），此對於所得到的貼片天線結構而言係為理想的。然而，現有的呈疊層體（laminate）形式之結構化構造因介電材料體積對磁性材料體積之一高比率而不利地具有高磁損耗、高介電損耗及/或低導磁率。
儘管先前公開案已揭露減小介電絕緣材料之厚度來作為一種增加阻抗（有效導磁率對有效電容率之比率的平方根）之方法的概念，但此等公開案缺少使得此種概念能夠付諸實踐之資訊。具體而言，在高溫沈積鐵磁性材料期間維持介電層完整性之必要性尚未得以充分解決來使得此等具有薄介電材料之結構能夠付諸實踐。
尚未被解決之第二種限制係需要一種能耐受一天線基板所經歷之暫態電壓（transient voltage）的天線材料。在一實際應用中，由天線與一電源間之失配、電流之快速變化、或靜電放電所引起之暫態電壓可使各鐵磁性材料間之絕緣層裂化。此種裂化可引起二種主要故障模式。在介電崩潰之情形下出現之一第一故障模式中，當鐵磁性層足夠厚(大於聚合物/介電層厚度之1/10)時，在出現一介電故障之情形下各鐵磁性層之間可發生一短路。各層間之此種短路可使得有效導磁率或有效電容率發生移位，進而改變一天線之共振頻率、降低輻射效率及/或使天線與電源間之失配更加裂化、造成一不穩定之天線基板，而不穩定之天線基板之性質會繼續隨時間裂化。在一第二故障模式中，當聚合物厚度與金屬厚度間之比率足夠高(近似大於10：1)時，各鐵磁性層之間通常將不發生短路。在此二種類型之故障模式中，多層之結構之介電常數將移位，進而使得天線共振頻率發生對應移位。
儘管現有的多層之磁介電材料可適用於其預期目的，但一種能克服現有疊層體之不利限制其中之至少某些限制的多層之磁介電材料將會使與多層之磁介電材料有關之技術進步。
提供此背景資訊係為了披露申請人認為可能與本發明有關之資訊。既不必旨在作出以下承認亦不應作出以下解釋：前述資訊其中之任一者相對於本發明而言構成先前技術。
本文揭露一種形成磁介電材料之方法及由該方法製成之磁介電材料。
一實施例包含一種磁介電材料，可在等於或大於一所定義最小頻率且等於或小於一所定義最大頻率之一運作頻率範圍內運作，該磁介電材料具有：複數個層，在一介電材料與一鐵磁性材料之間交替，與各自之相鄰層適形地直接接觸，進而形成交替排列的複數個介電材料層與複數個鐵磁性材料層，該等層其中之一最下層及一最上層各自係為一介電材料；該等鐵磁性材料層其中之每一層具有等於或大於各自之該鐵磁性材料在該所定義最大頻率下之一集膚深度之
1/15且等於或小於各自之該鐵磁性材料在該所定義最大頻率下之該集膚深度之1/5的一厚度；該等介電材料層其中之每一層具有一厚度及跨越各自之該厚度提供等於或大於150伏峰值且等於或小於1,500伏峰值之一介電耐受電壓(dielectric withstand voltage)的一介電常數；以及該等層具有等於或小於處於該所定義最小頻率時該等層中之單波長的一整體厚度。
藉由以下各圖及詳細說明來例示上述特徵及其他特徵。
雖然為進行例示而使以下詳細說明含有諸多細節，但此項技術中任何具有通常知識者應瞭解，在本發明之範圍內，以下細節存在諸多變型及變更。因此，以下實例性實施例係在不使所主張發明失去一般性且不對所主張發明強加限制的條件下陳述的。
藉由各圖及所附文字所示及所述之一實施例提供一種磁介電材料或腔裝填材料，該磁介電材料或腔裝填材料具有交替地夾置於由一低損耗介電材料形成之各層間之多個鐵磁性材料層。
舉例而言，第1圖例示磁介電材料100包含在介電材料200與鐵磁性材料300之間交替之複數個層102，該等層102與各自之相鄰層適形地直接接觸，進而形成交替排列的複數個介電材料層202、204、206、208、210、212(本文中藉由參考編號200來籠統地指代)與複數個鐵磁性材料層302、304、306、308、310（本文中藉由參考編號300來籠統地指代）。該等層其中之最外層係為由介電材料200形成之介電材料層212及202。該等層102係平行於一正交x-y-z座標系中之一x-y平面而排列，且該等層102之整體厚度係沿z方向。該等介電材料層可佔據該等層之總體積之0.1體積百分比（體積%）至99體積百分比、或0.1體積%至50體積%、或50體積%至90體積%、或90體積%至99體積%、或5體積%至55體積%。
儘管第1圖所示磁介電材料100繪示該等層102其中之個別者相對於自身及相對於另一層具有某些視覺尺寸，但應瞭解，此僅用於例示目的而並非旨在限制本文所揭露之揭露內容之範圍，且該等層102之比例係以一放大方式來加以繪示。儘管本文僅闡述且第1圖中僅繪示鐵磁性材料層中之五個層302至310，但應瞭解，本發明之範圍並非僅限於此，而是囊括適用於本文所揭露用途且歸屬於隨本文所提供之申請專利範圍之界限內的任意數目之層（多於或少於五個）。同樣地，儘管本文僅闡述且第1圖中僅繪示介電材料層中之六個層202至212，但應瞭解，本發明之範圍並非僅限於此，而是囊括適用於本文所揭露用途且歸屬於隨本文所提供之申請專利範圍之界限內的任意數目之層（多於或少於六個）。舉例而言，層102之總數可係為19至10,001。本發明涵蓋介於19個層與10,001個層間之任意層範圍，但不必列示所涵蓋之每一個範圍。
磁介電材料100可在大於或等於一所定義最小頻率且小於或等於一所定義最大頻率之一運作頻率範圍內運作。所定義最小頻率可由下式給出：(所定義最小頻率) = (所定義最大頻率)/25。所定義最大頻率可係為7吉赫（gigahertz；GHz）。運作頻率範圍可係為1億赫（100 megahertz；100 MHz）至10吉赫、或1吉赫至10吉赫、或1億赫至5吉赫。
該等層102可具有小於或等於處於所定義最小頻率時在該等層102中傳播之單波長的一整體厚度。該等層102中之波長由下式給出：
λ = c / [f*sqrt(ɛ0
*ɛr
*μ0
*μr
)]；
其中：c係為真空中之光速（單位：公尺/秒）；f係為所定義最小頻率（單位：赫茲）；ɛ0
係為真空之電容率（單位：法拉/公尺）；ɛr
係為該等層在z方向上之相對電容率；μ0
係為真空之導磁率（單位：亨利/公尺）；且μr
係為該等層在x-y平面中之相對導磁率。如參照第1圖可看出，分層式磁介電材料100在Z軸線方向上具有係各向異性且由介電材料支配之一電容率。在一實施例中，磁介電材料100在Z軸線方向上之有效介電常數（相對電容率）等於或大於2.5且等於或小於5.0。
該等層102具有一整體電損耗角正切（tanδe
）、一整體磁損耗角正切（tanδm
）、及一由(1/((tanδe
)+ (tanδm
))界定之整體品質因數（Q），其中所定義最大頻率係由使得Q等於20或更具體而言降至低於20之一頻率定義。可根據一標準化尼克遜-羅斯-韋爾（Nicolson-Roth-Weir；NRW）方法來確定整體品質因數Q，例如，參見國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology；NIST）技術摘記1536，「量測以下有損耗材料之電容率及導磁率：固體、液體、金屬、建築材料、及負折射率材料（Measuring the Permittivity and Permeability of Lossy Materials: Solids, Liquids, Metals, Building Materials, and Negative-Index Materials）」（詹姆斯·貝克·賈維斯（James Baker Jarvis）等人，2005年2月，期刊碼：NTNOEF，第66頁至第74頁）。尼克遜-羅斯-韋爾方法達成對ɛ'及ɛ''（複相對電容率分量）以及對μ'及μ''（複相對導磁率分量）之計算。可依據彼等結果來計算損耗角正切μ"/μ'（tanδm
）以及ɛ"/ɛ'（tanδe
）。品質因數Q係為各損耗角正切之和之倒數。該等層102之整體厚度可係為0.1毫米至3毫米。在一實施例中，使用一磁導計（permeameter）來量測該等層102之樣本之電磁導磁率。
在一實施例中，磁介電材料100可以運作頻率範圍內之一共振頻率fc
（單位：赫茲）運作，其中該等層102係在一正交x-y-z座標系之一z方向上分層，其中該等層中之每一層係實質上平行於一x-y平面而設置，其中該等層在x-y平面中具有一初始相對導磁率ui
，且其中在該等層至少其中之一具有等於約7奈米（nm）之一Ra表面粗糙度（下文會進一步論述表面粗糙度）時，該等層具有等於或大於6×1011
（赫茲）且等於或小於8×1011
（赫茲）之一斯諾克乘積ui
×fc
。在一實施例中，在該等層至少其中之一具有小於1奈米之一Ra表面粗糙度時，該等層具有等於或大於1.1×1012
赫茲且等於或小於1.8×1012
赫茲之一斯諾克乘積ui
×fc
。
各該鐵磁性層獨立地具有大於或等於各自鐵磁性材料在所定義最大頻率下之一集膚深度（skin depth）之1/15且小於或等於各自鐵磁性材料在所定義最大頻率下之集膚深度之1/5的一厚度。各該鐵磁性層可獨立地具有相同之厚度。該鐵磁性層可具有與該等鐵磁性層其中之另一者不同之一厚度。該等鐵磁性層其中之一更居中設置之鐵磁性層可厚於一更靠外設置之鐵磁性層，其中用語「更厚」可意指以小於或等於2:1且大於1:1之一因數而更厚。舉例而言，在第1圖中，居中設置之鐵磁性層306可厚於最外鐵磁性層302及310，且內鐵磁性層304及308可各自獨立地係為與居中設置之鐵磁性層306或最外鐵磁性層302及310相同或不同之厚度。各相應鐵磁性層之厚度可自一居中設置之鐵磁性層至一最外鐵磁性層而增加。舉例而言，在第1圖中，居中設置之鐵磁性層306可厚於內鐵磁性層304及308；且內鐵磁性層304及308可厚於最外鐵磁性層302及310。
各該鐵磁性層可獨立地包含相同或不同之鐵磁性材料。各該鐵磁性層可包含相同之鐵磁性材料。各該鐵磁性層之鐵磁性材料可獨立地具有大於或等於以下之一導磁率：(所定義最大頻率（單位：赫茲）)÷（800×109
）。鐵磁性材料可包含鐵、鎳、鈷、或包含上述至少其中之一的一組合。鐵磁性材料可包含鎳-鐵、鐵-鈷、氮化鐵(Fe4N)、鐵-釓、或包含上述至少其中之一的一組合。各該鐵磁性層可獨立地具有大於或等於20奈米或20奈米至60奈米或30奈米至50奈米、或者小於或等於200奈米或100奈米至1微米或20奈米至1微米之一厚度。各該鐵磁性層可獨立地包含氮化鐵，且可具有100奈米至200奈米之一厚度。
各該介電層獨立地具有一厚度及足以跨越各自之厚度提供為150伏峰值至1,500伏峰值之一介電耐受電壓的一介電常數，該介電耐受電壓(亦被稱為高電位[highpotential；Hi-Pot]、過電位(over potential)、或崩潰電壓)係根據一標準電性方法(例如ASTM D 149，參見IPC-TM-650測試方法手冊，第2.5.6.1期，2007年3月)來加以測試。各該介電層在所定義最大頻率下可具有小於或等於2.8之一介電常數。各該介電層可獨立地包含一介電聚合物，且在所定義最大頻率下可具有小於或等於2.8之一介電常數。在固有介電強度(intrinsic dielectric strength)為100伏/微米至1,000伏/微米時，各該介電層可獨立地具有2.4至5.6之一介電常數。各該介電層可獨立地包含一介電聚合物及一介電填料(例如，矽石)，且可具有2.4至5.6之一介電常數。介電材料可具有小於或等於0.005之一損耗角正切(tanδe)。
各該介電層可獨立地具有相同之厚度。該等介電層可具有彼此不同之厚度。各該介電層可獨立地具有0.5微米至6微米之一厚度。各該介電層可獨立地具有0.1微米至10微米之一厚度。任一介電層對任一鐵磁性層之一厚度比可係為1：1至100：1或1：1至10：1。
與位於磁介電材料內之介電層相較，最外介電層可具有一增加之厚度。舉例而言，最外介電層可各自獨立地具有20微米至1,000微米、或50微米至500微米、或100微米至400微米之一厚度。
各該介電層可獨立地包含相同或不同之介電材料。各該介電層可獨立地包含相同之介電材料。該等介電層可包含由交替之介電材料形成之層。舉例而言，在第1圖中，層202、206及210可包含一第一介電材料，且層204、208及212可包含與第一介電材料不同之一第二介電材料（例如，其他介電材料或薄膜介電材料）。
包含該其他介電材料、薄膜介電材料及外層介電材料在內之介電材料可各自獨立地包含一介電聚合物，例如，熱塑性聚合物或熱固性聚合物。該聚合物可包含寡聚物、聚合物、離子聚合物、樹枝狀聚合物、共聚物（例如接枝共聚物、無規共聚物、嵌段共聚物（例如，星形嵌段共聚物、無規共聚物等））、及包含上述至少其中之一的組合。可使用之熱塑性聚合物之實例包含環烯烴聚合物（包含聚降莰烯及含有降莰烯基單元之共聚物，例如，由例如降莰烯等環狀聚合物與例如乙烯或丙烯等無環烯烴形成之共聚物）、含氟聚合物（例如，聚氟乙烯（polyvinyl fluoride；PVF）、聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride；PVDF）、氟化乙烯-丙烯（fluorinated ethylene-propylene；FEP）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene；PTFE）、聚(乙烯-四氟乙烯)（poly(ethylene-tetrafluoroethylene)；PETFE）、全氟烷氧基（perfluoroalkoxy；PFA）樹脂）、聚縮醛（例如，聚氧乙烯及聚甲醛）、聚(C1-6
烷基)丙烯酸酯、聚丙烯醯胺（包含未經取代者以及單-N-(C1-8
烷基)丙烯醯胺及二-N-(C1-8
烷基)丙烯醯胺）、聚丙烯腈、聚醯胺（例如，脂肪族聚醯胺、聚鄰苯二甲醯胺、及聚芳醯胺）、聚醯胺醯亞胺、聚酸酐、聚芳醚（例如，聚苯醚）、聚(醚酮)（例如，聚醚醚酮（polyether ether ketone；PEEK）及聚醚酮酮（polyether ketone ketone；PEKK））、聚芳酮、聚芳硫醚（例如，聚苯硫醚（polyphenylene sulfide；PPS））、聚芳碸（例如，聚醚碸（polyethersulfone；PES）、聚苯碸（polyphenylene sulfone；PPS）等）、聚苯並噻唑、聚苯並噁唑、聚苯並咪唑、聚碳酸酯（包含均聚碳酸酯及聚碳酸酯共聚物（例如，聚碳酸酯-酯））、聚酯（例如，聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚芳酯、及聚酯共聚物（例如聚酯-醚））、聚醚醯亞胺、聚醯亞胺、聚(C1-6
烷基)甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯醯胺（包含未經取代者以及單-N-(C1-8
烷基)丙烯醯胺及二-N-(C1-8
烷基)丙烯醯胺）、聚烯烴（例如，聚乙烯，例如高密度聚乙烯（high density polyethylene；HDPE）、低密度聚乙烯（low density polyethylene；LDPE）及線性低密度聚乙烯（linear low density polyethylene；LLDPE）、聚丙烯及其鹵代衍生物（例如，聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene；PTFE））、及其共聚物，例如，乙烯-α-烯烴共聚物、聚噁二唑、聚甲醛、聚苯酞、聚矽氮烷、聚苯乙烯（包含例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene；ABS）及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯（methyl methacrylate-butadiene-styrene；MBS）等共聚物）、聚硫化物、聚磺醯胺、聚磺酸酯、聚碸、聚硫酯、聚三嗪、聚脲、聚胺基甲酸酯、乙烯基聚合物（包含聚乙烯醇、聚乙烯酯、聚乙烯醚、聚鹵乙烯（例如，聚氟乙烯）、聚乙烯酮、聚乙烯腈、聚乙烯硫醚、及聚偏二氟乙烯）、醇酸樹脂、雙馬來醯亞胺聚合物、雙馬來醯亞胺三嗪聚合物、氰酸酯聚合物、苯並環丁烯聚合物、鄰苯二甲酸二烯丙酯聚合物、環氧樹脂、羥基甲基呋喃聚合物、三聚氰胺-甲醛聚合物、酚類（包含酚-甲醛聚合物，例如酚醛清漆（novolacs）及可溶酚醛樹脂（resoles））、苯並噁嗪、例如聚丁二烯（包含其均聚物及共聚物，例如，聚(丁二烯-異戊二烯)）等聚二烯、聚異氰酸酯、聚脲、聚胺基甲酸酯、三烯丙基氰尿酸酯聚合物、三烯丙基異氰尿酸酯聚合物、及可聚合預聚物（例如具有烯屬不飽和性之預聚物，例如不飽和聚酯、聚醯亞胺）等。
介電材料可包含：聚烯烴（例如聚丙烯或聚乙烯）及環烯烴共聚物，例如可在市面上自德國法蘭克福赫斯特市（Frankfurt-Hoechst, Germany）之TOPAS先進聚合物公司（TOPAS Advance Polymers）購得的TOPAS*烯烴聚合物（其中上標*表示TOPAS先進聚合物公司所擁有之商標）；聚酯（例如聚(對苯二甲酸乙二酯)）；聚醚酮（例如聚醚醚酮）；或包含上述至少其中之一的一組合。介電材料可包含聚四氟乙烯、膨體聚四氟乙烯、乙烯丙烯、全氟烷氧基樹脂、聚乙烯-四氟乙烯（ETFE）、氟化聚醯亞胺、或包含上述至少其中之一的一組合。
至少一個介電層可包含介電常數為2.4至2.6且厚度為0.1微米至4.7微米之氟化聚醯亞胺。
包含該其他介電材料、該薄膜介電材料及該外層介電材料在內之介電材料可各自獨立地包含一或多種介電填料，以調整該介電材料之性質（例如，介電常數或熱膨脹係數）。介電填料可包含二氧化鈦（例如金紅石或銳鈦礦）、鈦酸鋇、鈦酸鍶、矽石（例如，熔凝非晶矽石或鍛製矽石）、剛玉、矽灰石、氮化硼、空心玻璃微球體、或包含上述至少其中之一的一組合。
包含該其他介電材料、該薄膜介電材料及該外層介電材料在內之介電材料可各自獨立地包含陶瓷。舉例而言，使用陶瓷代替聚合物可係根據以下而進行：根據本文所揭露之一實施例，陶瓷之厚度與適合聚合物之厚度之相對關係將被調整成使得比率(給定陶瓷介電常數)/(適合聚合物介電常數)等於比率(適合聚合物厚度)/(給定陶瓷厚度)。陶瓷可包含二氧化矽（SiO2
）、鋁、氮化鋁、氮化矽、或包含上述至少其中之一的一組合。例如包含二氧化矽之陶瓷層之厚度可小於或等於[2.1/(陶瓷之ɛr
)）×(8微米)]，且可具有150伏峰值之一最小介電強度。
各該介電層可包含彼此不同之二或更多種介電材料。舉例而言，一給定介電層可包含各自具有不同介電常數以及相同厚度或不同厚度的一第一介電材料及一第二介電材料。第一介電材料可包含氟化聚醯亞胺，且第二介電材料可包含聚四氟乙烯、膨體聚四氟乙烯、聚醚醚酮、或全氟烷氧基樹脂。第一介電材料可包含陶瓷，且第二介電材料係為陶瓷介電材料或非陶瓷介電材料。第一介電材料可提供一基板以用於在上面沈積該等鐵磁性材料層其中之一，且第二介電材料可提供一其他介電層以用於控制基板折射率。第一介電材料與第二介電材料可由一鐵磁性層分隔開。該等介電層可包含由一第一介電材料層及一第二介電材料層形成之交替層，其中第一介電材料層及第二介電材料層其中之每一者由一鐵磁性層分隔開。
一導電層可位於最上介電層及最下介電層其中之一或二者上。該導電層可包含銅。該導電層可具有3微米至200微米、具體而言9微米至180微米之一厚度。適合之導電層包含由一導電金屬形成之一薄層，例如當前用於形成電路之銅箔，例如電沈積之銅箔。銅箔可具有小於或等於2微米、具體而言小於或等於0.7微米之一均方根（root mean squared；RMS）表面粗糙度，其中粗糙度係利用白光干涉方法（method of white light interferometry）、使用一維易科（Veeco）儀器WYCO光學輪廓儀而量測得到。
在此項技術中已知，可依據均方根值或Ra值來闡述表面粗糙度，其中Ra係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差之絕對值的一算術平均值，且均方根係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差的均方根平均值。因此，可參照均方根值或Ra值來闡述本發明之實施例，且本發明之範圍並非僅限於使用僅一者或另一者，而是囊括與本文之揭露內容相一致之均方根值及Ra值二者。
關於該等介電材料層200，該等介電材料層200其中之至少一個層之至少一個側具有等於或小於一所定義最大均方根值之一平均表面均方根粗糙度值，其中所定義最大均方根值等於或小於60奈米。在一實施例中，所定義最大均方根值係為20奈米。在另一實施例中，所定義最大均方根值係為10奈米。在一實施例中，該等介電材料層200其中之該至少一個層之每一側具有等於或小於所定義最大均方根值之一均方根值。在一實施例中，該等介電材料層200其中之每一層之至少一個側具有等於或小於所定義最大均方根值之一均方根值。在一實施例中，該等介電材料層200其中之每一層之每一側具有等於或小於所定義最大均方根值之一均方根值。
在一實施例中，所定義最大均方根值係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差的均方根平均值。
然而，在一實施例中，所定義最大表面粗糙度值可係為一所定義最大Ra值，即根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差之絕對值的一算術平均值。
在一實施例中，所定義最大均方根值或Ra值係藉由在該等介電材料層200其中之相應層之相應側之一整個表面區域內於彼此平行或不平行之多個線性方向上進行量測而確定。
在一實施例中，該等介電材料層200及該等鐵磁性材料層300其中之相鄰者間之至少一個介面具有等於或小於一所定義最大均方根值之一平均介面粗糙度均方根值，其中如上文中所述，所定義最大均方根值可等於或小於60奈米或可係為20奈米或可係為10奈米。在一實施例中，鐵磁性材料表面粗糙度因鐵磁性膜具有薄厚度而非常接近介電材料表面粗糙度。
在一實施例中，該等介電材料層200及該等鐵磁性材料層300其中之相鄰者間之每一相應介面具有等於或小於所定義最大均方根值之一平均介面粗糙度均方根值。
在一實施例中，所定義最大均方根值係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之介面輪廓高度偏差值的均方根平均值。
然而，在一實施例中，所定義最大表面粗糙度值可係為一所定義最大Ra值，即根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之介面輪廓高度偏差之絕對值的一算術平均值。
在一實施例中，所定義最大均方根值或Ra值係藉由在該等介電材料層及該等鐵磁性材料層其中之相應相鄰者之一整個相應介面區域內於彼此平行或不平行之多個線性方向上進行量測而確定。
在聚醯亞胺(Polyimide；PI)上製備薄氮化鐵樣本(厚度為60奈米至150奈米)之實例性實施例以進行導磁率量測，進而得出為150至500之相當大的相對導磁率值及約6.5奈米之一所量測表面粗糙度Ra值(均方根約為9奈米)，此被視為適合於本文所揭露之一多層之磁介電材料100。在一實施例中，表面粗糙度量測係藉由原子力顯微術(Atomic Force Microscopy；AFM)在一小面積(40×40微米)中進行，但該面積可視需要而改變，其中通常使用100×100微米之一最大面積。
儘管有上述規定，但實驗已發現，所塗佈磁性膜之斯諾克乘積及導磁率與相關聯介電之表面粗糙度有關，且考量到適用於本文所揭露用途之磁性膜之厚度之所需極限，已發現為20奈米或大於20奈米之一表面均方根粗糙度對磁介電材料100之磁性效能具有一不利影響。
一種設備可包含磁介電材料100。該設備之一實例性應用係用於一偶極天線(dipole antenna)中，其中磁介電材料用於形成一磁介電腔裝填元件以使得天線能夠在自由空間中被放置成距一金屬接地平面顯著小於¼波長處，其中頻寬幾乎不存在劣化。此等應用可包含其中可需要低矮輪廓天線或其中必須將多個天線元件共置於要求具有一小外觀尺寸(form factor)天線之一環境中的系統。
現在參照第2圖，繪示與磁介電材料100一起使用之一實例性設備400，其具有一第一導電層104及一第二導電層106，第一導電層104被設置成與該等層102其中之最下介電層適形地直接接觸，第二導電層106被設置成與該等層102其中之最上介電層適形地直接接觸。第一導電層104可界定一接地平面，且第二導電層106可界定適用於一貼片天線中之一貼片。第一導電層104及第二導電層106可係為銅包覆層。設備400可呈一多層之片材之形式，其中各該層102以及第一導電層104及第二導電層106’（以虛線方式繪示）具有相同之平面視圖尺寸。儘管第2圖繪示設備400（例如一單個貼片天線），但應瞭解，本發明之範圍並非僅限於此且亦囊括排列成一陣列之複數個設備（例如複數個貼片天線）以形成一多層之磁介電薄膜天線陣列。
本文中所使用之用語「適形地直接接觸（conforming direct contact）」意指，本文所述各層其中之每一層與其各自之相鄰層直接接觸且適形於各自相鄰層之相應表面輪廓，以形成在一對相鄰層間之一介面處實質上不存在任何空隙之一磁介電材料。
一般而言，本發明可替代地包含本文所揭露之任何適當組分、由本文所揭露之任何適當組分組成、或基本上由本文所揭露之任何適當組分組成。另外或另一選擇為，本發明可被調配成不含或實質上沒有在先前技術組成物中所使用的或者對於達成本發明之功能及/或目標而言不必要的任何組分、材料、成分、佐劑、或物質。
用語「一（a及an）不表示對數量之限制，而是表示存在至少一個所提及項。用語「或（or）」意指「及/或（and/or）」，除非上下文另有清楚指示。「可選的（optional）」或「視需要（optionally）」意指，隨後所述之事件或情況可發生或可不發生，且本說明包含其中事件發生之例項及其中事件不發生之例項。
在本說明書通篇中所提及之「一實施例」、「另一實施例」、「某些實施例」等意指，結合該實施例所述之一特定要素（例如，特徵、結構、步驟、或特性）包含於本文所述之至少一個實施例中，且可存在或可不存在於其他實施例中。另外，應理解，在各種實施例中，可以任意適合方式組合所述元件。
一般而言，組成物、方法及製品可替代地包含本文所揭露之任何成分、步驟或組分，由本文所揭露之任何成分、步驟或組分組成，或者基本上由本文所揭露之任何成分、步驟或組分組成。另外或另一選擇為，該等組成物、方法及製品可被調配、實施或製造成不含或實質上沒有對於達成本發明申請專利範圍之功能或目標而言不必要的任何成分、步驟或組分。
除非在本文中被規定為相反情形，否則所有測試標準皆係為自本申請案之申請日期起、或者在優先權被主張時自測試標準所出現之最早優先權申請案之申請日期起生效之最新標準。
針對同一組分或性質之所有範圍之端點值包含該等端點值、可獨立地組合且包含所有中間點及範圍。
本文中所使用之用語「第一」、「第二」等、「主要」、「次要」等並不表示任何次序、數量或重要性，而是僅用於將一個要素與另一要素區分開。除非另有說明，否則本文中所使用之用語「上部」、「下部」、「底部」、及/或「頂部」僅用於方便進行說明，而非僅限於任何一個位置或空間定向。用語「組合」包含摻合物、混合物、合金、反應產物等。
除非另有定義，否則本文中所使用之技術及科學用語皆具有與熟習本發明所屬技術者通常所理解之含義相同之含義。
所有所述專利、專利申請案及其他參考文獻皆以引用方式全文併入本文中。然而，若本申請案中之一用語與所併入參考文獻中之一用語相矛盾或有衝突，則應以本申請案中之用語而非所併入參考文獻中有衝突之用語為準。
儘管已闡述了特定實施例，但申請人或其他熟習此項技術者可聯想到目前未預見或可能未預見之替代方案、潤飾、變型、改良、及實質性等效內容。因此，所提出以及可被修正之隨附申請專利範圍旨在包含所有此等替代方案、潤飾、變型、改良、及實質性等效內容。
100‧‧‧磁介電材料/多層之磁介電材料102‧‧‧層104‧‧‧第一導電層106‧‧‧第二導電層106’‧‧‧第二導電層200‧‧‧介電材料/介電材料層202‧‧‧介電材料層/層204‧‧‧介電材料層/層206‧‧‧介電材料層/層208‧‧‧介電材料層/層210‧‧‧介電材料層/層212‧‧‧介電材料層/層300‧‧‧鐵磁性材料/鐵磁性材料層302‧‧‧鐵磁性材料層/最外鐵磁性層304‧‧‧鐵磁性材料層/內鐵磁性層306‧‧‧鐵磁性材料層/居中設置之鐵磁性層308‧‧‧鐵磁性材料層/內鐵磁性層310‧‧‧鐵磁性材料層/最外鐵磁性層400‧‧‧設備x、y、z‧‧‧軸線/方向
現在參照作為實例性實施例之各圖，其中相同之元件具有相同之編號。
第1圖繪示根據一實施例之一磁介電材料之一實施例之例示性立體圖；以及
第2圖繪示根據一實施例，包含第1圖所示磁介電材料之一設備之一實施例之例示性立體圖。
100‧‧‧磁介電材料/多層之磁介電材料
102‧‧‧層
200‧‧‧介電材料/介電材料層
202‧‧‧介電材料層/層
204‧‧‧介電材料層/層
206‧‧‧介電材料層/層
208‧‧‧介電材料層/層
210‧‧‧介電材料層/層
212‧‧‧介電材料層/層
300‧‧‧鐵磁性材料/鐵磁性材料層
302‧‧‧鐵磁性材料層/最外鐵磁性層
304‧‧‧鐵磁性材料層/內鐵磁性層
306‧‧‧鐵磁性材料層/居中設置之鐵磁性層
308‧‧‧鐵磁性材料層/內鐵磁性層
310‧‧‧鐵磁性材料層/最外鐵磁性層
x、y、z‧‧‧軸線/方向
Claims (16)
- 一種磁介電材料，可在等於或大於一所定義最小頻率且等於或小於一所定義最大頻率之一運作頻率範圍內運作，該磁介電材料包含：複數個層，在一介電材料的膜與一鐵磁性材料的膜之間交替，與各自之相鄰層適形地直接接觸，進而形成交替排列的複數個介電材料層與複數個鐵磁性材料層，該等層其中之一最下層及一最上層各自係為一介電材料；該等鐵磁性材料層其中之每一層具有等於或大於各自之該鐵磁性材料在該所定義最大頻率下之一集膚深度之1/15且等於或小於各自之該鐵磁性材料在該所定義最大頻率下之該集膚深度之1/5的一厚度；其中，該等鐵磁性材料層其中之每一層的鐵磁性材料包含具有連續的x-y平面導磁率的氮化鐵的膜，其中，該等鐵磁性材料層其中之每一層的鐵磁性材料具有等於或大於150的相對導磁率值；該等介電材料層其中之每一層具有一厚度及跨越各自之該厚度提供等於或大於150伏峰值且等於或小於1,500伏峰值之一介電耐受電壓(dielectric withstand voltage)的一介電常數；該等介電材料層其中之每一層具有的厚度係大於0.1微米且等於或小於10微米；以及該等層具有一整體厚度，該整體厚度係等於或小於處於該所定義最小頻率時該等層中之單波長。
- 如請求項1所述之磁介電材料，其中：該等介電材料層其中之至少一個層之至少一個側具有等於或小於一所定義最大均方根(root mean squared；RMS)值之一平均表面粗糙度均方根值，其中該所定義最大均方根值等於或小於60奈米，以及均方根係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差(surface profile height deviation)的均方根平均值。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係為20奈米。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係為10奈米。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中：該等介電材料層其中之該至少一個層之每一側具有等於或小於該所定義最大均方根值之一均方根值。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中：該等介電材料層其中之每一層之至少一個側具有等於或小於該所定義最大均方根值之一均方根值。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中：該等介電材料層其中之每一層之每一側具有等於或小於該所定義最大均方根值之一均方根值。
- 如請求項2所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係藉由在該等介電材料層其中之相應層之相應側之一整個表面區域內於多個線性方向上進行量測而確定。
- 如請求項1所述之磁介電材料，其中該等介電材料層及該等鐵磁性材料層其中之相鄰者間之至少一個介面具有等於或小於一所定義最大均方根值之一平均介面粗糙度均方根值，其中該所定義最大均方根值等於或小於60奈米，以及均方根係為根據量測標準ASME B46.1，在一評估長度內相對於一平均線之表面輪廓高度偏差的均方根平均值。
- 如請求項9所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係為20奈米。
- 如請求項9所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係為10奈米。
- 如請求項9所述之磁介電材料，其中該等介電材料層及該等鐵磁性材料層其中之相鄰者間之每一相應介面具有等於或小於該所定義最大均方根值之一平均介面粗糙度均方根值。
- 如請求項9所述之磁介電材料，其中該所定義最大均方根值係藉由在該等介電材料層及該等鐵磁性材料層其中之相應相鄰者之一整個相應介面區域內於多個線性方向上進行量測而確定。
- 如請求項1所述之磁介電材料，可在該運作頻率範圍內的單位為赫茲(Hertz；Hz)之一共振頻率fc下運作，其中：該等層係在一正交x-y-z座標系之一z方向上分層，該等層其中之每一層係實質上平行於一x-y平面而設置；該等層在該x-y平面中具有一初始相對導磁率(initial relative magnetic permeability)ui；以及在該等層至少其中之一的一Ra表面粗糙度等於約7奈米(nm)時，該等層具有等於或大於6×1011赫茲且等於或小於8×1011赫茲之一斯諾克乘積(Snoek’s product)ui×fc。
- 如請求項1所述之磁介電材料，可在該運作頻率範圍內的單位為赫茲(Hz)之一共振頻率fc下運作，其中：該等層係在一正交x-y-z座標系之一z方向上分層，該等層其中之每一層係實質上平行於一x-y平面而設置；該等層在該x-y平面中具有一初始相對導磁率ui；以及在該等層至少其中之一的一Ra表面粗糙度小於1奈米時，該等層具有等於或大於1.1×1012赫茲且等於或小於1.8×1012赫茲之一斯諾克乘積ui×fc。
- 如請求項1所述之磁介電材料，其中該等層係平行於一正交x-y-z座標系中之一x-y平面而排列，該等層之該整體厚度係沿該z方向，且該等層中之該波長由下式給出：λ=c/[f*sqrt(ε0*εr*μ0*μr)]；其中：c係為真空中之光速，單位：公尺/秒；f係為該所定義最小頻率，單位：赫茲；ε0係為真空之電容率(permittivity)，單位：法拉/公尺(Farad/meter)；εr係為該等層在該z方向上之相對電容率；μ0係為真空之導磁率，單位：亨利/公尺(Henry/meter)；以及μr係為該等層在該x-y平面中之相對導磁率。
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| US5925455A (en) * | 1995-03-29 | 1999-07-20 | 3M Innovative Properties Company | Electromagnetic-power-absorbing composite comprising a crystalline ferromagnetic layer and a dielectric layer, each having a specific thickness |
| TW201204231A (en) * | 2009-12-02 | 2012-01-16 | 3M Innovative Properties Co | Multilayer EMI shielding thin film with high RF permeability |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5925455A (en) * | 1995-03-29 | 1999-07-20 | 3M Innovative Properties Company | Electromagnetic-power-absorbing composite comprising a crystalline ferromagnetic layer and a dielectric layer, each having a specific thickness |
| TW201204231A (en) * | 2009-12-02 | 2012-01-16 | 3M Innovative Properties Co | Multilayer EMI shielding thin film with high RF permeability |
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| Publication number | Publication date |
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