CN109411176A - Fe基纳米晶合金和使用该Fe基纳米晶合金的电子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Fe基纳米晶合金和使用该Fe基纳米晶合金的电子组件。所述Fe基纳米晶合金由组成式(Fe(1‑a)M1 a)100‑b‑c‑d‑e‑gM2 bBcPdCueM3 g表示，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。

Description

Fe基纳米晶合金和使用该Fe基纳米晶合金的电子组件
本申请要求于2017年8月18日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0105060号以及于2017年11月1日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0144474号韩国专利申请的优先权的权益，这些韩国专利申请的公开内容通过引用被全部包含于此。
技术领域
本公开涉及一种Fe基纳米晶合金和一种使用该Fe基纳米晶合金的电子组件。
背景技术
在包括诸如电感器、变压器、电机磁芯和无线电力传输装置等的装置的技术领域中，已经对开发具有小尺寸和改善的高频特性的软磁材料进行了研究。近来，已经对Fe基纳米晶合金进行了研究。
Fe基纳米晶合金的优点在于：其具有高磁导率并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，并且与现有金属相比其在高频下工作。
最近，已经开发了用于改善饱和磁通密度的新型纳米晶合金组合物，以改善Fe基纳米晶合金的性能。具体地，在磁感应式无线电力传输装置中，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，这种具有高饱和磁通密度的磁性材料会具有高损耗并且会产生热，使得在使用这样的磁性材料时存在缺陷。
发明内容
本公开的一方面可提供由于母相的优异非晶特性而在具有高饱和磁通密度的同时具有低损耗的Fe基纳米晶合金，以及使用该Fe基纳米晶合金的电子组件。如上所述的Fe基纳米晶合金的优点在于：即使以粉末形式也可容易地形成纳米晶粒，并且诸如饱和磁通密度等的磁特性优异。
根据本公开的一方面，一种Fe基纳米晶合金可由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e- gM2 bBcPdCueM3 g表示，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。
C的重量与Fe和C的重量之和的比可在0.1％或更大至0.7％或更小的范围内。
所述Fe基纳米晶合金可以是粉末形式，并且所述粉末可由具有D50为20μm或更大的尺寸分布的颗粒组成。
所述Fe基纳米晶合金的母相可具有非晶单相结构。
热处理之后的晶粒的平均尺寸可以是50nm或更小。
所述Fe基纳米晶合金的饱和磁通密度可以是1.4T或更大。
根据本公开的另一方面，一种电子组件可包括：线圈部分；以及包封部，包封所述线圈部分，并且包含绝缘体和分散在所述绝缘体中的大量磁性颗粒，其中，所述磁性颗粒包括由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e-gM2 bBcPdCueM3 g表示的Fe基纳米晶合金，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。
C的重量与Fe和C的重量之和的比可在0.1％或更大至0.7％或更小的范围内。
所述磁性颗粒可具有D50为20μm或更大的尺寸分布。
所述Fe基纳米晶合金的母相可具有非晶单相结构。
热处理之后的晶粒的平均尺寸可以是50nm或更小。
所述Fe基纳米晶合金的饱和磁通密度可以是1.4T或更大。
根据本公开的另一方面，一种电子组件包括：主体，包括线圈部分；以及外电极，形成在所述主体的外表面上并且连接到所述线圈部分。所述主体包括由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e-f-gM2 bBcPdCueCfM3 g表示的Fe基纳米晶合金，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的至少一种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5、0.5≤f≤2.5和6≤g≤11.5。
附图说明
通过结合附图的以下详细的描述，将会更清楚地理解本公开的上述和其它方面、特征以及优点，在附图中：
图1是示出根据本公开的示例性实施例的线圈组件的示意性透视图；
图2是沿图1的线I-I'截取的截面图；
图3是图2的线圈组件中的包封部的区域'A'的放大图；
图4和图5分别是示出根据对比示例和发明示例的组合物的X射线衍射(XRD)分析结果的曲线图；以及
图6至图10是示出取决于C的含量的表2中的结果的曲线图，其中，图6对应于磁导率，图7对应于磁芯损耗，图8对应于磁滞损耗，图9对应于涡流损耗，并且图10对应于饱和磁通密度。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。
电子组件
在下文中，将描述根据本公开中的示例性实施例的电子组件，并且选择线圈组件作为代表性示例。然而，除了线圈组件之外，下面将描述的Fe基纳米晶合金还可应用于例如无线充电装置、滤波器等的其它电子组件。
图1是示意性示出根据本公开的示例性实施例的线圈组件的外型的透视图。此外，图2是沿图1的线I-I'截取的截面图。图3是图2的线圈组件中的包封部的区域'A'的放大图。
参照图1和图2，根据本示例性实施例的线圈组件100可具有包括线圈部分103、包封部101以及外电极120和130的结构。
包封部101可包封线圈部分103以保护线圈部分103，并且如图3中所示，包封部101可包含大量的磁性颗粒111。更具体地，磁性颗粒111可处于其中磁性颗粒111分散在利用树脂等形成的绝缘体112中的状态。在这种情况下，磁性颗粒111可包含Fe基纳米晶合金，并且下面将描述其具体组成。当使用具有本示例性实施例中提出的组成的Fe基纳米晶合金时，即使在以粉末形式制备Fe基纳米晶合金的情况下，也可适当地控制纳米晶粒的尺寸和相等，使得纳米晶粒呈现出适合用在电感器中的磁特性。
线圈部分103可通过在线圈组件100的线圈中呈现的特性来在电子装置中执行各种功能。例如，线圈组件100可以是功率电感器。在这种情况下，线圈部分103可用于以磁场的形式存储电力以保持输出电压，从而使电力等稳定。在这种情况下，构成线圈部分103的线圈图案可分别堆叠在支撑构件102的两个表面上，并且可通过穿过支撑构件102的导电过孔而彼此电连接。线圈部分103可形成为螺旋形状，并且可包括形成在螺旋形状的最外部中的引线部T，以暴露于包封部101的外部，用于与外电极120和130电连接。构成线圈部分103的线圈图案可使用本领域中使用的镀覆法(例如，图案镀覆法、各向异性镀覆法或各向同性镀覆法等)来形成。线圈图案可使用两种或更多种上述方法形成为具有多层结构。
支撑线圈部分103的支撑构件102可利用例如聚丙二醇(PPG)基板、铁氧体基板或金属基软磁基板等形成。在这种情况下，通孔可形成在支撑构件102的中央区域中，并且可填充有磁性材料以形成芯部区域C。该芯部区域C可构成包封部101的一部分。如上所述，由于芯部区域C可形成为填充有磁性材料，所以可改善线圈组件100的性能。
外电极120和130可分别形成在包封部101的外部上并分别连接到引线部T。外电极120和130可使用包含具有优异导电性的金属的导电膏来形成，其中，导电膏可以是包含例如镍(Ni)、铜(Cu)、锡(Sn)和银(Ag)中的一种或者它们的合金等的导电膏。此外，还可在外电极120和130上形成镀层(未示出)。在这种情况下，镀层可包含从由镍(Ni)、铜(Cu)和锡(Sn)组成的组中选择的任何一种或更多种。例如，可依次形成镍(Ni)层和锡(Sn)层。
如上所述，根据本示例性实施例，在以粉末形式制备磁性颗粒111时，磁性颗粒111可包含具有优异磁特性的Fe基纳米晶合金。在下文中，将详细描述合金的特点。然而，除粉末之外，下面将描述的Fe基纳米晶合金可以以金属薄板等形式来使用。此外，除了电感器之外，该合金还可用于变压器、电机磁芯、电磁波屏蔽片等。
Fe基纳米晶合金
根据本发明的研究，可确定的是，在将具有特定组成的Fe基纳米晶合金制备为具有相对大的直径的颗粒或具有厚的厚度的金属带的形式时，母相的非晶特性高。通过特别地添加C并适当地调整其含量，确定了母相的非晶特性以及饱和磁通密度优异的合金组成的范围，并且确定的是，饱和磁通密度与现有技术相比得到改善。这里，具有相对大的直径的颗粒可被限定为具有大约20μm或更大的D50的颗粒。例如，磁性颗粒111具有在大约20μm至40μm范围内的D50。此外，当将Fe基纳米晶合金制备为金属带的形式时，金属带可具有大约20μm或更大的厚度。然而，针对直径或厚度的标准不是绝对的，而是可根据情况而改变。
在对具有高非晶特性的合金进行热处理的情况下，可有效地控制纳米晶粒的尺寸。更具体地，Fe基纳米晶合金可由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e-gM2 bBcPdCueM3 g表示，其中M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，a、b、c、d、e和g(基于at％)分别满足以下含量条件：0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。具有上述组成的合金的母相可具有非晶单相结构(或者母相可主要具有非晶单相结构)，并且热处理之后的晶粒的平均尺寸可被控制为50nm或更小。
在这种情况下，诸如磁导率或损耗等的磁特性会受到P和C的含量的影响。具体地，磁特性会显著地受到C的含量的影响。更具体地，确定的是，当C的重量与Fe和C的重量之和的比为0.1％或更大至0.7％或更小时，呈现出优异的特性。
在下文中，将更详细地描述本发明的实验结果。下面的表1示出了实验中采用的根据对比示例和发明示例的组成，并且主要对C的含量进行改变。此外，图4和图5分别是示出根据对比示例和发明示例的组成的X射线衍射(XRD)分析结果的曲线图。更具体地，图4示出了对比示例1的XRD分析结果，并且可理解的是，在制备粉末时，根据对比示例1的组合物被制备为非晶相和结晶相彼此混合的粉末状态。图5示出了代表发明示例的XRD分析结果，并且这些结果呈现在根据发明示例的所有组合物中。从结果可确定的是，在制备粉末时，根据发明示例的所有组合物被制备为非晶相的粉末状态。
【表1】
下面的表2示出了取决于各合金组合物中碳(C)的含量的磁特性(饱和磁通密度、磁导率、磁芯损耗、磁滞损耗和涡流损耗)的变化。这里，碳(C)的含量被区分并表示为碳的at％以及碳(C)的含量相对于铁(Fe)的含量的重量比。此外，图6至图10是示出取决于C的含量的表2中的结果的曲线图，其中，图6对应于磁导率，图7对应于磁芯损耗，图8对应于磁滞损耗，图9对应于涡流损耗，图10对应于饱和磁通密度。
【表2】
通过表2和图6至图10中的结果可确定的是，与根据对比示例1的组合物相比，在包括根据对比示例2的组合物的其它组合物中，由于添加了C，非晶特性得到改善。此外，可确定的是，磁特性根据C的含量而改变。磁特性根据C的重量与Fe和C的重量之和的比而改变。更具体地，当C的重量比为1％或更少时，磁导率和损耗特性趋于优异。此外，可确定的是，当C的重量比在0.1％至0.7％的范围内时，与未添加C的组合物相比，饱和磁通密度Bs提高到1.44T或更大。
如上所述，通过表1和表2中示出的结果可确定的是，在Fe基纳米晶合金中添加了特定含量的P的情况下，即使为具有20μm或更大的尺寸的粉末的形式，磁导率、Bs(大约1.4T或更大)和磁芯损耗的特性也是优异的。在下文中，将描述构成Fe基纳米晶合金的元素之中除Fe之外的主要元素。
硼(B)是形成并稳定非晶相的主要元素。由于B使Fe等结晶成纳米晶体的温度升高，并且形成决定磁特性的B和Fe的合金等所需的能量高，所以B在纳米晶体形成时不被合金化。因此，需要向Fe基纳米晶合金添加B。然而，当B的含量过度增加时，存在纳米晶化会难以进行以及饱和磁通密度会降低的问题。
硅(Si)可执行与B的功能类似的功能，并且是形成并稳定非晶相的主要元素。然而，与B不同，Si即使在形成纳米晶体的温度下也可与诸如Fe的铁磁材料合金化，以减小磁损耗，但会增加在纳米晶化时产生的热。具体地，在本发明的研究结果中，确定的是，在Fe的含量高的组合物中，难以控制纳米晶体的尺寸。
控制纳米晶粒的尺寸的元素铌(Nb)可用于将利用Fe等形成的晶粒限制在纳米尺寸，以使利用Fe等形成的晶粒不通过扩散生长。通常，Nb的最佳含量可以是大约3at％，但是在本发明中执行的实验中，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，与随着Fe含量的增加也需要增加Nb的含量的一般描述不同，在Fe含量高且纳米晶粒的结晶能形成为双峰形状的组成范围内，当Nb的含量比现存的Nb含量低时，磁特性反而得到了改善。确定的是，在Nb含量高的情况下，与磁特性相对应的磁导率反而降低，并且损耗反而增大。
作为改善非晶合金和纳米晶合金的非晶特性的元素磷(P)，已与现有的Si和B(准金属)一起被认为是非金属。然而，由于与B相比P与对应于铁磁元素的Fe的结合能高，所以当形成Fe+P的化合物时，磁特性的劣化增加。因此，不常使用P，但是近来，根据具有高Bs的组合物的发展，已经对P进行了研究，以确保高的非晶特性。
碳(C)是改善非晶合金和纳米晶合金的非晶特性的元素，并且与Si、B和P一起被认为是非金属。用于改善非晶特性的添加元素可与对应于主元素的Fe具有共晶组成，并且与Fe的混合焓具有负值。本发明考虑了碳的这些特性而使用碳作为合金组合物的成分。然而，碳会增加合金的矫顽力。因此，在不影响软磁特性的情况下，本发明确保了使非晶特性得到改善的碳的含量范围。
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没有显著的差异。
如上所述，根据本公开中的示例性实施例，可实现由于母相的优异的非晶特性而在具有高饱和磁通密度的同时具有低损耗的Fe基纳米晶合金以及使用该Fe基纳米晶合金的电子组件。如上所述的Fe基纳米晶合金的优点在于：即使以粉末形式也可容易地形成纳米晶粒，并且诸如饱和磁通密度等的磁特性优异。
虽然以上已示出并描述了示例性实施例，但对本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的由所附的权利要求限定的范围的情况下，可做出修改和变形。

Claims (17)

1.一种Fe基纳米晶合金，所述Fe基纳米晶合金由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e- gM2 bBcPdCueM3 g表示，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。
2.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，C的重量与Fe和C的重量之和的比在大于等于0.1％至小于等于0.7％的范围内。
3.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，所述Fe基纳米晶合金为粉末形式，并且所述粉末由具有D50为20μm或更大的尺寸分布的颗粒组成。
4.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，所述Fe基纳米晶合金的母相具有非晶单相结构。
5.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，热处理之后的晶粒的平均尺寸为50nm或更小。
6.根据权利要求1所述的Fe基纳米晶合金，其中，所述Fe基纳米晶合金的饱和磁通密度为1.4T或更大。
7.一种电子组件，包括：
线圈部分；以及
包封部，包封所述线圈部分并且包含绝缘体和分散在所述绝缘体中的磁性颗粒，
其中，所述磁性颗粒包括由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e-gM2 bBcPdCueM3 g表示的Fe基纳米晶合金，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由C、Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的但必须包括C的至少两种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5和8.5≤g≤12。
8.根据权利要求7所述的电子组件，其中，C的重量与Fe和C的重量之和的比在大于等于0.1％至小于等于0.7％的范围内。
9.根据权利要求7所述的电子组件，其中，所述磁性颗粒具有D50为20μm或更大的尺寸分布。
10.根据权利要求7所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金的母相具有非晶单相结构。
11.根据权利要求7所述的电子组件，其中，热处理之后的晶粒的平均尺寸为50nm或更小。
12.根据权利要求7所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金的饱和磁通密度为1.4T或更大。
13.一种电子组件，包括：
主体，包括线圈部分；以及
外电极，形成在所述主体的外表面上并且连接到所述线圈部分，
其中，所述主体包括由组成式(Fe(1-a)M1 a)100-b-c-d-e-f-gM2 bBcPdCueCfM3 g表示的Fe基纳米晶合金，其中，M1是从由Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素，M2是从由Nb、Mo、Zr、Ta、W、Hf、Ti、V、Cr和Mn组成的组中选择的至少一种元素，M3是从由Si、Al、Ga和Ge组成的组中选择的至少一种元素，并且基于at％，0≤a≤0.5、1.5<b≤3、10≤c≤13、0<d≤4、0<e≤1.5、0.5≤f≤2.5和6≤g≤11.5。
14.根据权利要求13所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金为粉末形式，并且所述粉末由具有D50为20μm或更大的尺寸分布的颗粒组成。
15.根据权利要求13所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金的母相具有非晶单相结构。
16.根据权利要求13所述的电子组件，其中，热处理之后的晶粒的平均尺寸为50nm或更小。
17.根据权利要求13所述的电子组件，其中，所述Fe基纳米晶合金的饱和磁通密度为1.4T或更大。
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