需求火爆的一体成型电感,是如何利用金属软磁材料制备的?

发布时间 | 2024-10-16 14:16 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 517
导读:随着人工智能技术的飞速发展,AI芯片正加速向高性能和大功率方向迈进,芯片电感作为核心组件,技术正面临着前所未有的高标准挑战。一体成型电感,作为绕线电感的升级版,是将线圈本体埋入软磁复...

随着人工智能技术的飞速发展,AI芯片正加速向高性能和大功率方向迈进,芯片电感作为核心组件,技术正面临着前所未有的高标准挑战。一体成型电感,作为绕线电感的升级版,是将线圈本体埋入软磁复合磁心内部模压成型的,凭借体积小、结构稳定、效率高、保持优秀电流及饱和电流特性等优势,当前呈现爆发式增长的趋势。


(来源:深圳市捷比信实业有限公司)

由于一体成型电感的性能指标与软磁复合磁心的磁性参数有直接关系,因此软磁复合材料性能的优化是提升一体成型电感综合性能的关键。下面从软磁复合材料的制备流程出发简要介绍如何提升一体成型电感的性能。通常一体成型电感的制备流程主要包含磁粉成分设计及制备、粉末级配、磁粉表面绝缘包覆、压制成型及热处理工艺。

一、磁粉成分设计及制备

合金成分对磁粉的的饱和磁感应强度、矫顽力及电阻率等本征特性有着极大影响,这些特性又直接决定了软磁复合材料及其构成的一体成型电感的性能,如磁心的有效磁导率、直流偏置性能和磁损耗等性能。根据合金成分,一体成型电感常采用的合金体系包括羰基铁粉、铁硅铬磁粉心、非晶/纳米晶磁粉心等。其中非晶材料是利用液态的金属快速冷却固化而得到的一种短程无序、长程有序的带状材料,纳米晶材料则是在非晶材料的基础上经热处理得到,为在非晶基体中形成均匀分布、纳米尺度的晶粒,它们具有高电阻率、更低的矫顽力、磁滞损耗和涡流损耗,是未来一体成型电感软磁材料的重要发展方向。

非晶/纳米晶体系的成分设计一般需要满足三个原则:

(1)由三个或三个以上组元构成多元合金,以满足各项性能。

(2)合金中主要组元之间的原子尺寸差大于12%;

(3)合金中主要组元之间具有大的负混合焓,有利于铁磁性元素原子之间键的增强和短程有序区的形成,从而增大了合金的饱和磁化强度。

因此,非晶/纳米晶合金设计中除了加入Fe、Co、Ni等铁磁性元素来提升合金的饱和磁感应强度之外,还需要添加一定量的B、C、Si等类金属元素和Mo、Zr、W等过渡元素来提高来促进非晶和纳米晶材料的形成。此外,为了获得结构均匀、尺寸小于20nm的α-Fe晶粒,Cu和Nb等元素也被添加到纳米晶合金体系中,而Cr等元素的添加则有利于减少合金中的缺陷密度,进而降低了合金的矫顽力,同时有利于在氧化层中形成CrOx,进一步提高了合金的耐腐蚀性。不过,需要注意的是,上述非铁磁性元素的添加也会导致其饱和磁感应强度下降,影响电感的直流偏置特性,因此需要根据经实际需求来调配各种粉末比例。

在制备方式上,非晶/纳米晶粉末主要有带材破碎粉末和雾化粉末,带材破碎粉末形貌不规则且边缘尖锐,影响粉末的后端包覆且容易刺破线包,因此市场上很少采用破碎非晶粉末制备一体电感。雾化法则是将一定成分配比的合金熔融,利用高压气流使液态金属从喷嘴中喷出,通过氩气等惰性气体(气雾化法)或者水(水雾化法)作为雾化介质,使金属液滴冷却而形成流动性好、有利于包覆的高球形度磁粉。目前最先进的非晶粉末制备工艺为ATMIX采用的SWAP(旋转水雾化法)工艺,高速旋转的水流可以快速破坏高温熔融液滴与水接触瞬间产生的表层气膜,从而加速粉末冷却,有效形成非晶态。


旋转水雾化法工艺(来源:非晶合金)

二、粉末级配

磁粉的粒径大小和粒度分布对软磁复合材料的磁性能也有一定的影响。通常大粒径的磁粉不易团聚,磁粉芯的成型密度会增高,进而可以提升磁导率和饱和磁感应强度,但与此同时,由于受到趋肤效应(交变电流通过导体时,由于感应作用,会引起导体截面上电流分布的不均匀性,具体表现为愈接近导体表面,电流密度越大)的影响,磁粉芯的涡流损耗也增大,磁滞损耗则随之降低。

因此为了改善材料的综合性能,制备一体成型电感时,往往需要形成合理的颗粒级配,以此调节磁心内部气隙的分布,使磁粉芯形成密实堆积结构,降低气隙处磁极产生的退磁场,从而大幅度增加了磁导率并减小损耗。

颗粒级配下磁心内部退磁场示意(来源:参考文献1)

三、绝缘包覆

当软磁粉颗粒之间没有绝缘层时,在高频、大电流下应用容易形成连续的导电路径,从而产生较大的涡流损耗。通过绝缘包覆,则可以有效地隔断这些导电路径,显著降低涡流损耗,同时防止颗粒间的物理接触和磁性相互作用,改善磁心在高频、大电流下使用时的频率稳定性和直流偏置性能,并降低磁损耗。目前,根据绝缘介质的材料体系,绝缘包覆可分为有机绝缘包覆和无机绝缘包覆。

1、有机绝缘包覆:

有机绝缘包覆一般以聚环氧树脂、聚对二甲苯(PPX)等高电阻率的热固性或热塑性树脂为绝缘介质,这类材料与软磁粉有很好的浸润性和结合性,不过由于大多数有机材料的耐温性较差,高温环境下可能会发生分解或老化,不利于磁心后续的热处理,也影响电感器的长期稳定性。

2、无机绝缘包覆

目前常用的无机绝缘层包括无机氧化物(如SiO2、Al2O3、TiO2、MgO等)、无机金属盐(磷酸盐、硝酸盐等)和软磁铁氧体(如Ni-Zn铁氧体、Mn-Zn铁氧体、Ni-铁氧体等)。在制备方法上,无机绝缘包覆技术一般则可以分为湿化学法和干化学法。其中湿化学法是将待处理的金属磁粉与无机绝缘剂在溶液中进行化学反应,从而在磁粉表面原位生成无机绝缘层。干化学法则是在一定温度和气氛下,将金属磁粉氧化,从而在表面生成无机绝缘层。与干化学法相比,湿化学法需要控制化学反应的时间、温度、溶液成分和pH值等因素,使得工艺难以精确控制。

各类无机绝缘层的特性(来源:参考文献2)

与有机材料相比,无机包覆材料通常具有较高的耐温性和高电阻率,能够在高温环境下保持稳定的性能。不过也存在成型性、粘接性等机械性能较差的缺点,所以目前许多研究采用有机-无机双层包覆的包覆方法,综合有机包覆与无机包覆的优点。

四、压制成型

软磁复合材料的压制成型是将表面绝缘包覆过的金属磁粉、粘接剂和润滑剂等混合均匀,并将绕组本体埋入,以一定的压力压制成块体。目前,压制成型工艺主要有冷压、温压等方式。冷压通常在室温25℃的情况下进行,工艺较为成熟、设备也相对稳定,且生产效率高,但若要提升材料的磁粉密度,进而提高磁导率和饱和磁感应强度,则需要增大压制压力,因此电感的磁粉密度、产品特性、线圈的倾斜/变形三者之间的矛盾一直无法有效平衡,一般常用于大尺寸的一体成型电感器。而热压则通过控制温度与压力,在高温(一般在100℃以上)低压下实现一体成型电感粉末压铸及电感连接与封装,既大大减少线圈变形,提高电路的可靠性与稳定性,同时也大幅降低了电感总体损耗,适用于制备小尺寸一体成型电感,不过热压成型方式对磁粉特性要求及厂家的生产工艺要求较高。

一体成型电感压制成型示意(来源:小鱼教你模数电)

四、热处理

在软磁复合材料的制备过程中,压制成型工艺会在粉体内产生大量内应力和位错,不仅降低了机械强度,而且会增加材料的矫顽力,在磁心被磁化时会阻碍畴壁位移,从而降低磁导率并增加磁滞损耗。因此需要通过适当的热处理,有效释放内应力、降低杂质体积分数,进而提高磁心的有效磁导率。

磁心的退火温度选择一般应控制在合适的温度范围,同时要兼容磁粉材质、绝缘层热稳定性及具体的应用场景。此外,在实际生产中由于受限于线圈的耐受温度,一体成型电感一般在低温下进行烘烤。

 

参考来源:

1、董博儒.一体成型电感用软磁复合材料的制备与磁性能研究[D].华中科技大学.

2、李春龙.基于SiO2绝缘包覆工艺的软磁复合材料磁性能的研究[D].华南理工大学.

3、周瑞霖,文美琪,李奇,等.基于软磁复合磁心的一体成型电感设计及性能分析[J].磁性材料及器件.


粉体圈 Corange

作者:Corange

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