CN108220768A - Fe基纳米晶合金、使用其的电子组件和制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Fe基纳米晶合金、使用其的电子组件和制造其的方法。所述Fe基纳米晶合金由成分式FexBySizMαAβ表示，其中，M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；x、y、z(基于原子百分比)满足以下条件：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法(DSC)曲线图中的峰具有双峰形状。

Description

Fe基纳米晶合金、使用其的电子组件和制造其的方法
本申请要求于2016年12月15日在韩国知识产权局提交的第10-2016-0171776号以及于2017年3月13日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0031341号韩国专利申请的优先权的权益，所述韩国专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用被包含于此。
技术领域
描述涉及一种Fe基纳米晶合金、使用其的电子组件和制造其的方法。
背景技术
在诸如电感器、变压器、电机磁芯、无线电力传输装置等的技术领域中，已经尝试开发具有小尺寸和改善的高频特性的软磁材料。近来，Fe-基纳米晶合金已经变得突出。
Fe基纳米晶合金具有如下优点：具有高的介电常数、具有现有铁氧体的饱和磁通密度的两倍高的饱和磁通密度，与现有金属相比在高频下工作。
然而，由于Fe基纳米晶合金的性能存在限制，因此近来，已经开发了用于提高饱和磁通密度的新型纳米晶合金组合物。具体地，在磁感应式无线电力传输设备中，使用磁性材料来减小由周围的金属材料引起的电磁干扰(EMI)/电磁兼容性(EMC)的影响，并提高无线电力传输效率。
为了改善效率、使装置纤薄化和轻量化，尤其是高速充电能力，已经使用了具有高饱和磁通密度的磁性材料作为磁性材料。然而，具有高的饱和磁通密度的磁性材料具有高损耗并且产生热，使得在使用这些磁性材料方面存在限制。
发明内容
提供本发明内容以按照简化形式介绍选择的构思，以下在具体实施方式中进一步描述所述构思。本发明内容并不意在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
本公开的一方面可提供具有低损耗同时具有高的饱和磁通密度的Fe基纳米晶合金以及使用Fe基纳米晶合金的电子装置。
在一个总体方面，一种Fe基纳米晶合金由式FexBySizMαAβ表示，其中，M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两元素；以及x、y、z(基于原子百分比)分别满足以下条件：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法(DSC)曲线图中的峰具有双峰形状。
所述Fe基纳米晶合金的式可满足16at％≤y+z≤22at％。所述Fe基纳米晶合金的式可满足1.5at％≤α≤3at％。所述Fe基纳米晶合金的式可满足0.1at％≤β≤1.5at％。所述Fe基纳米晶合金可具有1.4T或者更大的饱和磁通密度。
在所述Fe基纳米晶合金的式中，可使用Nb作为M。在所述Fe基纳米晶合金的式中，可使用Cu作为A。可对所述Fe基纳米晶合金进行热处理，所述热处理包括以大约50K/min或更大的加热速率将温度从约室温升高至约500℃至600℃并保持约0.5小时至约1.5小时。
在一个总体方面，一种电子组件包括：线圈部；以及磁性片，设置为与所述线圈部相邻，其中，所述磁性片包含由式FexBySizMαAβ表示的Fe基纳米晶合金，其中，M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；x、y、z(基于原子百分比)分别满足以下条件：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法(DSC)曲线图中的峰具有双峰形状。
所述电子组件可包括其中16at％≤y+z≤22at％的所述Fe基纳米晶合金。所述电子组件可包括其中1.5at％≤α≤3at％的所述Fe基纳米晶合金。所述电子组件可包括其中0.1at％≤β≤1.5at％的所述Fe基纳米晶合金。所述电子组件可包括具有1.4T或更大的饱和磁通密度的所述Fe基纳米晶合金。所述电子组件可包括其中M是Nb的所述Fe基纳米晶合金。所述电子组件可包括其中A是Cu的所述Fe基纳米晶合金。
在一个总体方面，一种制造由式FexBySizMαAβ表示的Fe基纳米晶合金的方法，其中，M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；以及x、y、z(基于原子百分比)分别满足以下条件：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法(DSC)曲线图中的峰具有双峰形状，所述制造由式FexBySizMαAβ表示的Fe基纳米晶合金的方法包括对所述Fe基纳米晶合金进行热处理，所述热处理包括以大约50K/min或更大的加热速率将温度从约室温升高至约500℃至600℃并保持约0.5小时至约1.5小时。
所述制造Fe基纳米晶合金的方法可包括制造其中16at％≤y+z≤22at％的所述Fe基纳米晶合金。所述制造Fe基纳米晶合金的方法可包括制造其中1.5at％≤α≤3at％的所述Fe基纳米晶合金。所述制造Fe基纳米晶合金的方法可包括制造其中0.1at％≤β≤1.5at％的所述Fe基纳米晶合金。所述制造Fe基纳米晶合金的方法可包括制造具有1.4T或更大的饱和磁通密度的所述Fe基纳米晶合金。
通过以下具体实施方式、附图以及权利要求，其他特征和方面将显而易见。
附图说明
通过以下参照附图的详细描述，本公开的以上和其他方面、特征和优点将更加清楚地被理解，其中：
图1是示出常规无线充电系统的外型的透视图；
图2是示出图1的主要内部构造的分解截面图；
图3和图4是示出根据示例和对比示例的成分的热分析结果的曲线图；以及
图5和图6示出了通过将根据示例的由Fe基纳米晶合金形成的磁性片的无线充电效率和根据对比示例的由Fe基纳米晶合金形成的磁性片的无线充电效率对比获得的结果，其中，使用电力联盟(PMA)方法测出图5中的结果，使用无线电力联盟(A4WP)方法测出图6中的结果。
具体实施方式
提供以下具体实施方式，以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解了本申请的公开内容后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、变型及等同物将是显而易见的。例如，在此描述的操作顺序仅仅是示例，且不限于在此所阐述的示例，而是除了必须按照特定顺序发生的操作外，可在理解了本申请的公开内容后做出显而易见的改变。此外，为了增加清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。
在此描述的特征可按照不同的形式实施，并且将不被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，已经提供在此描述的示例，仅仅为了示出在理解了本申请的公开内容后将是显而易见的实现在此描述的方法、设备和/或系统的多种可行方式中的一些可行方式。
无线充电系统将被描述为可使用根据实施例的Fe-基纳米晶合金的装置的示例。图1是示意性示出常规无线充电系统的外型的透视图，而图2是示出图1的内部构造的分解截面图。
参照图1和图2，常规无线充电系统包括无线电力发送装置10和无线电力接收装置20，其中，在诸如便携式电话、笔记本PC、台式PC等的电子装置30中可包括无线电力接收装置20。
描述无线电力发送装置10的内部，发送线圈11可形成在基板12上，使得当交流电压施加到无线电力发送装置10时，可在其周围形成磁场。因此，可由发送线圈11在埋设于无线电力接收装置20中的接收线圈21中感应出电动势，使得电池22可被充电。
电池22可以是可再充电的镍氢电池或锂离子电池，但是不具体受限于此。此外，电池22可被构造为独立于无线电力接收装置20，从而被实现为从无线电力接收装置20可拆卸。可选地，可彼此一体地实现电池22和无线电力接收装置20。
发送线圈11和接收线圈21可彼此电磁耦合并通过缠绕诸如铜线的金属线来形成。在这种情况下，金属线可以以圆形形状、椭圆形状、矩形形状、梯形形状进行缠绕，并且可根据期望的特性适当地控制并设置金属线的整体尺寸和匝数。
磁性片100设置在接收线圈21和电池22之间以及发送线圈11和基板12之间。磁性片100可屏蔽形成在发送线圈11的中央部分中的磁通量，并且在磁性片设置为与接收器相邻的实施例中，磁性片100可位于接收线圈21和电池22之间以收集并发送磁通量，从而使磁通量被有效地接收在接收线圈21中。此外，磁性片100可用来阻截磁通量的至少一部分到达电池22。
如上所述的磁性片100可结合到线圈部，从而被应用于如上所述的无线充电装置的接收器等。此外，除了无线充电装置之外，线圈部还可用于磁安全传输(MST)、近场通信(NFC)等。在下文中，将更详细地描述构成磁性片100的Fe基纳米晶合金。
在适当地热处理具有特定成分的Fe基纳米晶合金的示例中，呈现出两种结晶度。该成分具有高饱和磁通密度以及优异的软磁性质。详细地，Fe基纳米晶合金由式FexBySizMαAβ表示，其中M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的至少一种元素，A是从由Cu和Au组成的组选择的至少一种元素，x、y、z(基于原子百分比)分别满足以下条件：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，差示扫描量热法(DSC)曲线图中的峰具有双峰形状。也就是说，Fe基纳米晶合金在结晶温度范围内具有两个峰的双峰结晶能量趋势或者轮廓。
此外，Fe基纳米晶合金可满足下面的条件中的一个或更多个。因此，可进一步改善双峰结晶能量趋势、磁导率等。
(1)16at％≤y+z≤22at％
(2)1.5at％≤α≤3at％
(3)0.1at％≤β≤1.5at％
下面的表1示出了在改变Fe基纳米晶合金的成分的示例中的主峰的形状和结晶起始温度。
[表1]
通过热分析确认示例中获得的成分的特性。详细地，使用通过在约室温至约1300℃的温度范围内评估放热和吸热来观察金属的结晶和熔点的差热分析(DTA)。以约40K/min的加热速率对每个组合物的样品执行热分析，图3和图4的差示扫描量热法(DSC)曲线图中示出了结果。图3的曲线图对应于发明示例2的成分，图4的曲线图对应于对比示例1的成分。参照表1和表2以及图3和图4的曲线图对比发明示例和对比示例，具有实施例的成分的Fe基纳米晶合金在一次结晶能带中呈现双峰结晶能趋势。
此外，如上所述的结晶能趋势受加热速率的影响，在呈现双峰的放热峰的组合物中，当加热速率相对高时，磁导率增大，磁芯损耗也减小。通常，以非晶相制备Fe基纳米晶合金，当通过热处理形成具有约10nm至20nm的尺寸的Fe基纳米晶粒时，可以获得优异的磁性质。在这种情况下，已知热处理温度和热处理时间是形成纳米晶粒的重要变量，但在上述成分范围内的Fe基纳米晶合金中，纳米晶粒的形成受热处理的加热速率的影响。
表2中的实验结果示出了根据Fe基纳米晶粒的成分和加热速率的磁导率和磁芯损耗。具体的热处理方法如下。为了抑制氧化，在惰性气氛下执行热处理，并且通常在至多约500℃至600℃的特定温度范围内执行约0.5小时至1.5小时的热处理，同时从室温以约10K/min和约50K/min的两种加热速率升高温度，如表2所示。然而，最佳热处理温度可根据具体成分而改变，并且温度受结晶起始温度的影响。本发明人对每种成分在约500℃至约600℃的范围内显示最大磁导率的温度下进行热处理，并且保持时间统一为0.5小时。这里，如表2中的结果所示，在如热分析结果呈现出单峰结晶产热峰的成分的示例中，无论加热速率如何，磁导率和磁芯损耗的差异都不大，但在两个或更多个峰呈现为双峰形状的成分的情况下，当加热速率高时，磁导率趋于增大并且磁芯损耗倾向于减小。
[表2]
图5和图6示出通过比较根据发明示例和根据对比示例的由Fe基纳米晶合金形成的磁性片的无线充电效率而获得的结果，其中，使用电力联盟(PMA)方法测出图5中的结果，使用无线电力联盟(A4WP)方法测出图6中的结果。参照图5和图6，可以确认的是，与对比示例1相比，在使用根据发明示例的成分范围内的Fe基纳米晶合金获得的磁性片中，充电效率显著提高。对比示例1对应于常规纳米晶合金，与现有的软磁性材料相比，该纳米晶合金优点在于磁导率高并且磁芯损耗低。然而，在与发明示例1(上述成分范围内的成分中的一种成分)对应的成分的实施例中，与对比示例1相比，实际的磁导率和磁芯损耗特性被劣化，但Fe的含量高，使得饱和磁通密度为约1.4T，这比对比示例1中的饱和磁通密度(1.2T至1.25T)高。此外，如上所述的Fe的含量的增大影响无线充电效率。此外，确认的是，在通过热处理工艺以比现有合金组合物的加热速率更快的加热速率制备根据示例的Fe基纳米晶合金的示例中，无线电力传输效率进一步增大。
如上所述，表1和表2以及图5和图6中示出的结果支持在上述成分范围内的Fe基纳米晶合金(也就是说，由成分式FexBySizMαAβ表示的Fe基纳米晶合金，其中M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的至少一种元素，A是从由Cu和Au组成的组选择的至少一种元素，x、y、z、α和β(基于原子百分比)分别满足：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％、4％≤z≤12％、16％≤y+z≤22％、1.5％≤α≤3％以及0.1％≤β≤1.5)中，磁导率和磁芯损耗特性是优异的，并且在将Fe基纳米晶合金应用到无线充电系统时，充电效率是优异的。在下文中，在上述Fe基纳米晶合金的成分式中表示的元素中，下面将描述除了Fe之外的元素。
硼(B)是用于形成和稳定非晶相的元素。由于B使Fe等结晶成纳米晶的温度升高，因此形成确定磁性质的B和Fe等的合金所需的能量高，B在形成纳米晶时不被合金化。因此，可将B添加到Fe基纳米晶合金。然而，当B的含量增大至20at％或更大时，纳米结晶可能是困难的，并且饱和磁通密度Bs可能会减小。
由于硅(Si)可执行与B的功能类似的功能，因此硅(Si)是用于形成并稳定非晶相的元素。然而，与B不同，Si即使在形成纳米晶的温度下也可与诸如Fe的铁磁材料合金化，以减小磁芯损耗，但可增大在纳米结晶时产生的热。具体地，在Fe的含量高的成分中，难以控制纳米晶的尺寸。如表1中的对比示例4的结果中所示，在Fe含量高于75at％并且Si含量高于13at％的示例中，结晶能迅速地增大，结晶峰具有单峰形状，并且迅速地发生结晶，使得难以控制纳米晶粒的尺寸。因此，纳米晶粒的尺寸增大，从而磁导率减小。
同时，用于形成非晶相的元素的上述Si和B两者被称为类金属。已知的是，通常地，在两种元素的含量之和为20at％或更大的例子中，容易形成非晶相。然而，为了开发具有高饱和磁通密度的软磁性材料，需要将Fe的含量增大至75at％或更大。即使当类金属元素的总含量(Si+B)低于20at％时，也可形成非晶相，并且当总含量为16at％或更大时，可能形成非晶相。更具体地，在表1和表2中示出的结果中，显示的是仅在由描述的实施例提出的特定成分范围内，由在热分析时呈现的纳米晶粒的结晶引起的产热反应轮廓形成为双峰形状。
可控制纳米晶粒的尺寸的元素铌(Nb)可用来将由Fe等形成的晶粒限制为纳米尺寸，以使由Fe等形成的晶粒不通过扩散生长。通常，Nb的最佳含量可以是3at％，但是由于Fe的含量的增大，试图在Nb的含量低于现有的Nb的含量的状态下形成纳米晶合金。结果，确定的是，即使在Nb的含量低于3at％的状态下，也形成纳米晶粒。具体地，与现有技术中的通常的常识(随着Fe的含量的增大，Nb的含量也需要增大)不同，显示的是，在Fe的含量高并且纳米晶粒的结晶能形成为双峰形状的成分范围内，当Nb的含量低于现有的Nb的含量时，磁性质改善。已知的是，在Nb的含量高的对比示例5中，与磁性质对应的磁导率减小，并且磁芯损耗增大。
同时，铜(Cu)可用作降低用于形成纳米晶粒的成核能的种子。在这种情况下，与形成现有的纳米晶粒的情况具有显著的不同。
具有描述的实施例中提出的成分的Fe基纳米晶合金可用于使用软磁成分的任何领域中。软磁成分代表性地用在诸如电感器和电抗器的无源装置中，并且近来，软磁成分被用于诸如无线电力传输装置的领域中。在通过感应传输电力的无线电力传输装置中，即使两个线圈彼此分开，使用具有高的磁导率和低磁芯损耗的软磁片，也防止了因周围的金属材料引起的波形失真等减小传输效率。具体地，如附图和表中所示，与对应于现有的磁性材料的对比示例相比，在具有上述成分的片中，充电效率增大。具体地，在磁性材料中，尤其在加热速率高的热处理工艺条件下制备的磁性材料中，无线电力传输效率进一步增大。
此外，具有上述成分的磁性材料具有约1.4T或更大的高的饱和磁通密度，因此，可减小磁性片的厚度，有利于使使用该磁性材料的电子组件小型化。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，描述了具有低磁芯损耗同时具有高的饱和磁通密度的Fe基纳米晶合金以及使用该Fe基纳米晶合金的电子组件。
虽然本公开包括特定的示例，但是在理解了本申请的公开内容后将显而易见的是，在不脱离权利要求及他们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中做出形式上和细节上的各种变化。在此所描述的示例将仅被认为描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为是可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果以不同的方式组合描述的系统、架构、装置或者电路中的组件和/或用其他组件或者他们的等同物进行替换或者补充描述的系统、架构、装置或者电路中的组件，则可获得适当的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及他们的等同物限定，并且在权利要求及他们的等同物的范围内的所有变化将被解释为包括在本公开中。

Claims (20)

1.一种Fe基纳米晶合金，所述Fe基纳米晶合金由FexBySizMαAβ表示，其中，
M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；
A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；
以及x、y、z基于原子百分比分别满足：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且
所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法曲线图中的峰具有双峰形状。
2.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，16at％≤y+z≤22at％。
3.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，1.5at％≤α≤3at％。
4.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，0.1at％≤β≤1.5at％。
5.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，所述Fe基纳米晶合金具有1.4T或者更大的饱和磁通密度。
6.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，M是Nb。
7.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，A是Cu。
8.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，对所述Fe基纳米晶合金进行热处理，所述热处理包括以50K/min或更大的加热速率将温度从室温升高至500℃至600℃并保持0.5小时至1.5小时。
9.一种电子组件，包括：
线圈部；以及
磁性片，设置为与所述线圈部相邻，
其中，所述磁性片包含由式FexBySizMαAβ表示的Fe基纳米晶合金，其中：
M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；
A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；
x、y、z基于原子百分比分别满足：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且
所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法曲线图中的峰具有双峰形状。
10.根据权利要求9所述的电子组件，其中，在所述式中，16at％≤y+z≤22at％。
11.根据权利要求9所述的电子组件，其中，在所述式中，1.5at％≤α≤3at％。
12.根据权利要求9所述的电子组件，其中，在所述式中，0.1at％≤β≤1.5at％。
13.根据权利要求9所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金具有1.4T或更大的饱和磁通密度。
14.根据权利要求9所述的电子组件，其中，在所述式中，M是Nb。
15.根据权利要求9所述的电子组件，其中，在所述式中，A是Cu。
16.一种制造Fe基纳米晶合金的方法，包括：
对所述Fe基纳米晶合金进行热处理，所述热处理包括以50K/min或更大的加热速率将温度从室温升高至500℃至600℃并保持0.5小时至1.5小时，其中：
所述Fe基纳米晶合金由FexBySizMαAβ表示，其中，
M是从由Nb、V、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组选择的一种或更多种元素；
A是从由Cu和Au组成的组选择的一种或两种元素；
x、y、z基于原子百分比分别满足：75％≤x≤81％、7％≤y≤13％以及4％≤z≤12％，并且
所述Fe基纳米晶合金的差示扫描量热法曲线图中的峰具有双峰形状。
17.根据权利要求16所述的制造Fe基纳米晶合金的方法，其中，16at％≤y+z≤22at％。
18.根据权利要求16所述的制造Fe基纳米晶合金的方法，其中，1.5at％≤α≤3at％。
19.根据权利要求16所述的制造Fe基纳米晶合金的方法，其中，0.1at％≤β≤1.5at％。
20.根据权利要求16所述的制造Fe基纳米晶合金的方法，其中，所述Fe基纳米晶合金具有1.4T或更大的饱和磁通密度。
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