CN111247608A - 高频功率电感器材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有第一相对主表面和第二相对主表面的高频功率电感器材料，包含热固性粘结剂和分散在高温粘结剂中的多个多层薄片，该多层薄片包含至少两个层对，其中每个层对包含铁磁性层和电介质电隔离层，使得铁磁性层通过电介质层彼此电隔离，并且其中多层薄片基本上平行于第一主表面和第二主表面排列，使得它们在大于0.5毫米的范围内不提供电连续路径。本文所述的示例性高频功率电感器材料可用作例如负载点转换器中的功率电感器、电感‑电容式(LC)滤波器的低剖面电感器(例如，用于蜂窝电话扬声器中的全球移动通信系统(GSM)脉冲噪声抑制)、或者其中电路板上需要紧凑的电感元件的其它应用。

Description

高频功率电感器材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月27日提交的美国临时专利申请62/577871的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。
背景技术
在电子产品中，负载点(POL)转换器已广泛用于为集成电路(IC)供电。POL与IC的紧密接近对于性能和效率非常重要。例如，智能电话中的电池提供约4伏(V)的直流(DC)电压，而智能电话中央处理单元(CPU)要求约1伏的直流。因此，POL转换器对于降低电压是有必要的，并且它位于CPU附近，以消除长接线。长接线是不可取的，因为其趋于增加电磁干扰问题，造成不可取的杂散电感和电容，并且使电路板的布局复杂化。POL转换器的用途包括在向处理器提供功率时的电压调节(VR)。
小型化是电子器件中的持续需求，特别是在计算设备(诸如膝上型计算机、智能电话和平板电脑)中。它致使较轻和较小的产品具有更大的功能性和更大的电池，因此高度期望具有高能量密度的紧凑的POL。POL转换器中的组件包括功率管理IC芯片、功率电感器和电容器。其中，电感器通常体积最大，并且成为小型化的瓶颈。一般来讲，有两种策略可用于减少电感器占有面积。一种是增加电感器工作频率(即，功率管理IC芯片中半导体器件的开关频率)。电感器在电路中的性能取决于其阻抗，阻抗与工作频率和电感的乘积成正比。对于特定的所需阻抗，频率越高，所需电感就越低，因此可使用较小的电感器。降低电感器占有面积的第二种方法是将电感器嵌入到印刷电路板(PCB)中，从而减小电路板表面上的占有面积。
最小化电感器占有面积通常不是嵌入电感器和增加开关频率的唯一有益效果。这还可通过减少对去耦电容的需要而致使电容器占有面积减小。此外，当使用例如GaN或SiC晶体管时，较高的开关频率趋于降低能量消耗。通过更好的动态电压和频率缩放实现节能，这意指电源电压将根据处理器工作负载而更动态地变化。
增加电感器的工作频率有两个要求。首先是高频半导体开关器件在所需功率水平下的可用性。第二，适合用作高频电感器的磁性材料。近年来，高速和高功率SiC和GaN半导体器件的出现满足了增加工作频率的条件。然而，高频磁性材料的第二个条件尚未得到满足。
功率铁氧体是一类重要的软磁性材料(例如镍锌铁氧体)，并且在MHz频率范围内被广泛采用。然而，在与电子器件的集成中，它们的使用存在一些问题，诸如对应力的敏感性、相对低的饱和磁感应强度、易碎性以及相对高的偏置场或相对高的感应摆动下的特性劣化。
也可使用无定形或纳米晶带状物，但随着频率增加至MHz范围，它们趋于生成过多的损耗(即，热量)。这是由于非常薄的带状物(它们的厚度通常超过约18微米)加上它们的低电阻率(通常<500microΩ-cm)的不实用性，这两者均促进高涡流损耗。尽管研究(参见，例如，F.Fiorillo等人，“软铁氧体和无定形带状物的磁性高达无线电频率(Magneticproperties of soft ferrites and amorphous ribbons up to radiofrequencies)”《磁性与磁性材料杂志》，第322卷，2010年，第1497页-1504页；和M.Yagi等人，“极低损耗超薄钴基无定形带状物芯(Very low loss ultrathin Co-based amorphous ribbon cores)”《应用物理杂志》，第64卷，1988年，第6050页-6052页已证明用较薄的带状物可适度降低芯损耗。减薄工艺(例如，真空熔融纺丝、化学蚀刻和冷轧)昂贵且难以在批量生产中实施。
高频应用的另一个重要候选类型是磁性金属粉末，特别是薄片成型粉末。甚至0.5微米的薄金属薄片由于涡流和它们的低铁磁共振频率而趋于在MHz范围内生成过多损耗，特别是在5MHz以上工作时。
通过物理气相沉积(PVD)或电化学沉积制成的磁薄膜已被证明具有高达GHz频率范围的有吸引力的磁性。然而，由于在生长期间的应力，因此很难按实际需要获得10s或100s微米的厚度。另一个挑战存在于磁性薄膜中。在DC-DC转换器操作期间，存在作用于磁芯上的DC磁偏置场，因此芯材料中的偏置场下的缓慢饱和是优选的。NiFe合金基磁性薄膜通常由于高磁导率而具有快速饱和度。通常有必要将附加各向异性引入到膜中，以平衡磁导率和饱和速度。在磁场下生长或退火膜，或者将其它元素添加到膜中可减缓饱和度。然而，如果膜平面中的磁导率变得各向异性，则电感器设计将变得更加困难和复杂。
发明内容
在一个方面，本公开描述了具有第一相对主表面和第二相对主表面的高频(即，5MHz至150MHz)功率电感器材料，包含：
高温(即，能够经受至少150℃的温度至少两分钟，并且至少250℃的温度至少一分钟)粘结剂；和
分散在高温粘结剂中的多个多层薄片，所述多层薄片包含至少两个(在一些实施方案中，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、75、80、85、90、95或甚至至少100；在一些实施方案中，在2至100、5至50或甚至20至40的范围内)层对，其中每个层对包含铁磁性层和电介质电隔离层，使得铁磁性层通过电介质层彼此电隔离，并且其中多层薄片基本上平行于第一主表面和第二主表面排列(即，相对于膜平面的薄片角度分布的全宽半峰(FWHM)小于20°)，使得它们在大于0.5mm的范围内不提供电连续路径(即，电阻率大于1Ω-cm)。出于本公开的目的，电介质是这样一种材料：其中最低导带处于比费米能级高至少7倍kBT的能级，其中kB是玻尔兹曼常数(即，1.38×10-23m2kg/(s2K))，并且其中T是功率电感器材料的最高预期使用温度。导带的布居由费米函数
Figure BDA0002459544030000041
确定，并且在规定的条件下，价带中不超过10-3的电子将被提升到导带中。此外，E为最低导带的能级，并且EF为费米能级。量(E-EF)被称为“带隙”。大多数电介质的带隙大约为eV。Charles Kittel，《固体物 理学导论(Introduction to Solid StatePhysics)》，第6版，纽约，约翰·威利，1986年，第185页，表明半导体电介质材料在0.17eV时可具有与InSb一样低的带隙，或者在室温下约为KBT的6.5倍。例如，作为电介质的SiO的带隙约为2eV(参见，例如，Hairen Tan等人，“作为高性能薄膜硅多结太阳能电池的窗口层的宽带隙p型纳米晶硅氧化物(Wide Bandgap p-typeNanocrystalline Silicon Oxide as Window Layer for High Performance Thin-filmSilicon Multi-Junction Solar Cells)”，《太阳能材料和太阳能电池》，第132卷，第597页-605页，2015年1月)。除了SiO之外，作为电介质的其它合适的材料包括MgF2、Si、Al2O3和SiO2。
本文所述的示例性高频功率电感器材料可用作例如负载点(POL)转换器中的功率电感器、电感-电容式(LC)滤波器的低剖面电感器(例如，用于蜂窝电话扬声器中的全球系统移动通信(GSM)脉冲噪声抑制)、或者其中电路板上需要紧凑的电感元件的其它应用。
本文所述的高频功率电感器材料的实施方案的优点包括实现高达100s微米的厚度的能力，在MHz范围内具有低的芯损耗密度(例如，在20MHz和最大磁感应强度为10mT时小于10,000kW/m3，并且在20MHz和最大磁感应强度为15mT时小于21,000kW/m3)、高饱和磁感应强度(例如，大于0.25T)、相对磁导率(例如，大于20)和软饱和(例如，饱和场高于20Oe)的能力。
这些属性可使得DC-DC转换器在更高的频率下工作，并且可通过较小的电感器占有面积促进更有效的电路板实际使用，其中电感器甚至可作为层嵌入电路板本身内。当电感器嵌入电路板中时，可避免与电路板上的分立组件相关联的杂散电抗。这减少了对去耦电容的需要，从而进一步降低了电路板面积的消耗。另一个优点是将电感器嵌入到电路板中，并且降低电路板上的元件计数(例如，去耦电容器)，这也减少了由POL功率转换器生成的电噪声和电磁干扰(EMI)的量。实现更高的工作频率还有助于通过精细的动态电压和频率缩放来改善电池寿命。
附图说明
图1是本文所述的示例性高频功率电感器材料的示意图。
图2是本文所述的另一示例性高频功率电感器材料的示意图。
图3示出了实施例1中磁导率的频率依赖性。
图4示出了实施例2中磁导率的频率依赖性。
具体实施方式
参见图1，高频功率电感器材料100具有第一相对主表面101和第二相对主表面102、高温粘结剂104和分散在高温粘结剂104中的多个多层薄片106。多层薄片106包含至少两个层对110。每对110包含铁磁性材料层111和与其相邻的电绝缘电介质层112(由电绝缘材料构成)。多层薄片106基本上平行于第一主表面101和第二主表面102排列，使得它们在大于0.5mm的范围内不提供电连续路径(即，多层薄片106彼此电隔离)。例如，对于一些实施方案，穿过电感器材料层的两个通孔之间的薄层电阻大于10Ω/平方，而对于其它实施方案，它可大于1kΩ/平方，而对于一些实施方案，它可大于1MΩ/平方。
参见图2，高频功率电感器材料200具有第一相对主表面201和第二相对主表面202、高温粘结剂204和分散在高温粘结剂204中的多个多层薄片206。多层薄片206包含至少两个层对210。每对210包含铁磁性材料层211和与其相邻的(电绝缘材料的)电绝缘层212。铁磁性材料层211包含分散在电绝缘材料221中的铁磁性材料颗粒220。多层薄片206彼此电绝缘。多层薄片206基本上平行于第一主表面201和第二主表面202排列，使得它们在大于0.5mm的范围内不提供电连续路径。
示例性电绝缘材料在理论基础上包含氮化物(例如，Si3N4)、氟化物(例如，MgF2)或氧化物(例如，Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、B2O3和ZrO2)中的至少一者。电绝缘材料的来源包括购自中国北京中诺高级材料公司(Zhongnuo Advanced Material,Beijing,China)；纽约州霍索恩的EM工业公司(EM Industries,Hawthorn,NY)；威斯康星州密尔沃基的Materion(Materion,Milwaukee,WI)；和加利福尼亚州长滩市的RD Mathis公司(RDMathis,Long Beach,CA)的那些材料。其它示例性电绝缘材料包括高温(即，超过250℃的玻璃化转变温度Tg和超过350℃的分解温度)聚合物材料(例如，聚酰亚胺)。
在一些实施方案中，铁磁性材料包含Co、Fe或Ni中的至少一者。在一些实施方案中，铁磁性材料包含Co、Fe或Ni中的至少两者(例如，FeCo、NiFe或FeCoNi的软磁性合金)。在一些实施方案中，铁磁性材料还包含作为附加合金元素的Mo、Cr、Cu、V、Si或Al中的至少一者(例如，FeSiAl的软磁性合金(也通常称为“铁铝硅”)或NiFeMo(通常称为“超透磁合金”))。在一些实施方案中，铁磁性材料包含结晶铁磁性材料(例如，FeSiAl、NiFe、NiFeMo、FeCo或FeCoNi的软磁性合金)。在一些实施方案中，铁磁性材料包含无定形铁磁性金属(例如，FeCoB或TLTE的软磁性合金，其中TL为Fe、Co或Ni中的至少一者，并且TE为Zr、Ta、Nb或Hf中的至少一者)。
铁磁性金属材料层或金属基颗粒状材料层的使用提供了高磁饱和感应强度。二维薄片的纵横比的变化可用于控制更高的磁导率或更高的铁磁共振频率(即，较少的来自共振的损耗)。薄片直径与薄片厚度的比率越高就越趋于增加磁导率。此外，薄片之间的空间形成自然气隙，从而致使减缓饱和度。
在一些实施方案中，铁磁性材料层各自的厚度高达1000(在一些实施方案中，高达750、500、250、200或甚至高达150)nm。通常期望铁磁性材料层的厚度小于层的表皮深度的
Figure BDA0002459544030000071
(在一些实施方案中，小于
Figure BDA0002459544030000072
)，其中表皮深度由下式计算：
505*sqrt(ρ/μf),
其中ρ为铁磁层的电阻率(Ω-m)，μ为层本身的相对磁导率，并且f为与电感器相互作用的电激发的频率(Hz)。
在一些实施方案中，基于相应铁磁性材料层的总体积，至少50(在一些实施方案中，至少55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99、99.5或甚至100)数量百分比的每个铁磁性材料层包含至少50(在一些实施方案中，至少55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99、99.5或甚至100)体积百分比的铁磁性材料。
在一些实施方案中，铁磁性材料呈分散在第二电绝缘材料中的颗粒剂的形式(参见例如图2)。在一些实施方案中，颗粒剂的粒度在1nm至30nm(在一些实施方案中，2nm至15nm)的范围内。
呈分散在第二电绝缘材料中的颗粒剂形式的铁磁性材料可例如通过由两个阴极共溅射来提供，一个具有铁磁性金属靶标，而另一个具有绝缘体靶标。
在一些实施方案中，包含绝缘层的电绝缘材料和其中分散有颗粒剂的电绝缘材料是相同的材料(即，相同的组成)。在一些实施方案中，包含绝缘层的电绝缘材料和其中分散有颗粒剂的电绝缘材料是不同的材料(即，不同的组成)。
在一些实施方案中，电绝缘层各自的厚度为至少5(在一些实施方案中，高达10、15、20、25、30、35、40、50、75、100、125或甚至高达150；在一些实施方案中，在5至150、50至100或甚至10至150的范围内)nm。通常，期望电绝缘层尽可能地薄，同时仍确保铁磁性金属层的足够的磁和电隔离。
在一些实施方案中，多层薄片各自的厚度高达10(在一些实施方案中，高达9、8、7、6、5、4、3、2或甚至高达1)微米；
在一些实施方案中，多层薄片以高频功率电感器材料的至少10体积百分比(在一些实施方案中，至少20、30、40、50、60或甚至70；在一些实施方案中，在30到60的范围内)的量存在。
在一些实施方案中，高温粘结剂为多元酚、丙烯酸酯、苯并
Figure BDA0002459544030000081
嗪、氰酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯或环氧树脂(例如，环氧酚醛树脂)中的至少一种的二缩水甘油醚中的至少一者。
在一些实施方案中，本文所述的高频功率电感器材料的相对磁导率为至少20(在一些实施方案中，至少30、40、50、75、100、150、200或甚至高达250)。
在一些实施方案中，本文所述的高频功率电感器材料的饱和磁感应强度Bs为至少0.2(在一些实施方案中，至少0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或甚至至少1)T。
在一些实施方案中，本文所述的高频功率电感器材料的磁共振频率在50兆赫至1500(在一些实施方案中，800至1400或甚至1000至5000)兆赫的范围内。
在一些实施方案中，本文所述的高频功率电感器材料的磁矫顽力Hc不大于10(在一些实施方案中，不大于5)Oe。
在一些实施方案中，薄片的纵横比高达100∶1(在一些实施方案中，至少75∶1、50∶1、25∶1，或者甚至高达10∶1；在一些实施方案中，在10∶1至100∶1的范围内)。
本文所述的示例性高频功率电感器材料可用作例如负载点(POL)转换器中的功率电感器、电感电容(LC)滤波器的低剖面电感器(例如，用于蜂窝电话扬声器中的全球系统移动通信(GSM)脉冲噪声抑制)、或者其中电路板上需要紧凑的电感元件的其它应用。
示例性实施方案
1A.一种具有第一相对主表面和第二相对主表面的高频(即，5MHz至150MHz)功率电感器材料，包含：
高温粘结剂；和
分散在高温粘结剂中的多个多层薄片，所述多层薄片包含至少两个(在一些实施方案中，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、75、80、85、90、95或甚至至少100；在一些实施方案中，在2至100、5至50或甚至20至40的范围内)层对，其中每个层对包含铁磁性层和电介质电隔离层，使得铁磁性层通过电介质层彼此电隔离，并且其中多层薄片基本上平行于第一主表面和第二主表面排列，使得它们在大于0.5mm的范围内不提供电连续路径。
2A.根据示例性实施方案1A所述的高频功率电感器材料，其中多层薄片各自的厚度高达10(在一些实施方案中，高达9、8、7、6、5、4、3、2或甚至高达1)微米。
3A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中基于相应铁磁性材料层的总体积，至少50(在一些实施方案中，至少55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99、99.5或甚至100)数量百分比的每个铁磁性材料层包含至少50(在一些实施方案中，至少55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98、99、99.5或甚至100)体积百分比的铁磁性材料。
4A.根据示例性实施方案3A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料呈分散在电绝缘材料中的颗粒剂的形式。
5A.根据示例性实施方案4A所述的高频功率电感器材料，其中颗粒剂的粒度在1nm至30nm(在一些实施方案中，2nm至15nm)的范围内。
6A.根据示例性实施方案4A或5A所述的高频功率电感器材料，其中电绝缘材料在理论基础上包含Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
7A.根据示例性实施方案4A或5A所述的高频功率电感器材料，其中电绝缘材料为Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
8A.根据示例性实施方案7A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料包含Co、Fe或Ni中的至少一者。
9A.根据示例性实施方案7A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料包含Co、Fe或Ni中的至少两者。
10A.根据示例性实施方案8A或9A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料还包含Mo、Cr、Cu、V、Si或Al中的至少一者。
11A.根据示例性实施方案7A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料为FeCo、NiFe或FeCoNi中的至少一者的软磁性合金。
12A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中电绝缘层在理论基础上包含Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
13A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料层各自的厚度高达1000(在一些实施方案中，高达750、500、250、200或甚至高达150)nm。
14A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中电绝缘层各自的厚度为至少5(在一些实施方案中，高达10、15、20、25、30、35、40、50、75、100、125或甚至高达150；在一些实施方案中，在5至150或甚至10至150的范围内)nm。
15A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中多层薄片以高频功率电感器材料的至少10体积百分比(在一些实施方案中，至少20、30、40、50、60或甚至70；在一些实施方案中，在30到60的范围内)的量存在。
16A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料包含铁磁性金属。
17A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料包含结晶铁磁性材料。
18A.根据示例性实施方案17A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料为NiFe软磁性合金。
19A.根据示例性实施方案17A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料为FeCo、NiFe或FeCoNi中的至少一者的软磁性合金。
20A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料包含无定形铁磁性金属。
21A.根据示例性实施方案20A所述的高频功率电感器材料，其中铁磁性材料为FeCoB或TLTE中的至少一者的软磁性合金，其中TL为Fe、Co或Ni中的至少一者，并且TE为Zr、Ta、Nb或Hf中的至少一者。
22A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中每个电绝缘层包含氮化物、氟化物或氧化物中的至少一者。
23A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中高温粘结剂为多元酚、丙烯酸酯、苯并
Figure BDA0002459544030000121
嗪、氰酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯或环氧树脂(例如，环氧酚醛树脂)中的至少一者的二缩水甘油醚。
24A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其相对磁导率为至少20(在一些实施方案中，至少30、40、50、75、100、150、200或甚至高达250)。
25A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其饱和磁感应强度Bs为至少0.2(在一些实施方案中，至少0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或甚至至少1)T。
26A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其磁共振频率在50兆赫至1500(在一些实施方案中，800至1400或甚至1000至5000)兆赫的范围内。
27A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其磁矫顽力Hc不大于10(在一些实施方案中，不大于5)Oe。
28A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其中薄片的纵横比高达100∶1(在一些实施方案中，至少75∶1、50∶1、25∶1，或者甚至高达10∶1；在一些实施方案中，在10∶1至100∶1的范围内)。
29A.根据任一前述A示例性实施方案所述的高频功率电感器材料，其具有表皮深度，其中磁性层厚度小于表皮深度的(在一些实施方案中，不大于
Figure BDA0002459544030000131
，(在一些实施方案中，小于
Figure BDA0002459544030000132
)。
以下实施例进一步说明了本发明的优点和实施方案，但是这些实施例中所提到的具体材料及其量以及其它条件和细节均不应被解释为是对本发明的不当限制。除非另外指明，否则所有份数和百分比均按重量计。
实施例
芯损耗测量测试方法
如D.Hou等人的“具有部分消除概念的新高频芯损耗测量方法(New high-frequency core loss measurement method with partial cancellation concept)”第2987页-2994页，《美国电气和电子工程师学会电力电子学报》，第32卷，第4期，(2017年)所述测量芯损耗，其公开内容以引用方式并入本文。
磁导率频谱测量测试方法
使用阻抗分析仪(以商品名“KEYSIGHT E4990A”得自美国加利福尼亚州圣罗莎市凯思特科技公司(Keysight Technologies Inc.,Santa Rosa,CA))和终端适配器(以商品名“42942A”得自凯思特科技公司(Keysight Technologies Inc.))来测量从1MHz到100MHz的磁导率频谱。
实施例1(EX-1)
由多个皮下深度磁性层与电介质间隔层交替组成的可渗透多层NiFe/绝缘体颗粒材料(FFDM)颗粒(多个皮下深度磁性层与电介质间隔层交替的可渗透多层NiFe/绝缘体颗粒材料)(以商品名“3M FLUX FIELD DIRECTIONAL MATERIALS PARTICLE EM05EC”得自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company,St.Paul,MN))呈薄片形式，总薄片厚度约为6微米，并且横向尺寸小于500微米。将四克选定的颗粒与2.5克的聚酰亚胺树脂(PIR)(以商品名“UN1866 CP1”得自美国新泽西州亨茨维尔的耐溶剂公司(NeXolve Corporation,Huntsville,AL))和1毫升的二甘醇二甲醚(得自英国兰开夏郡的阿法埃莎(Alfa Aesar,Lancashire,United Kingdom))在混合广口瓶(以商品名“FLACTEK 501 222PT-J Max 60”得自南卡罗来纳州兰德鲁姆的FlackTek(FlackTek,Landrum,SC))中混合。在用混合器(以商品名“DAC 600FVZ SPEEDMIXER”得自FlackTek)混合后，使用膜施用装置(以商品名“MICROM II FILM APPLICATOR”得自佛罗里达州蓬巴诺海滩的Gardco公司(Gardco,Pompano Beach,FL))将浆液涂覆到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材(以商品名“MELINEXST504”得自威斯康星州新柏林的Tekra公司(Tekra,New Berlin,WI))上。涂覆的膜在90℃下干燥1小时后为180微米厚。然后将复合片材从基材背衬上剥离。
随后，切割复合片材，将4片堆叠在彼此的顶部上，以进行压制。使用热压机(得自印第安纳州沃巴什市的沃巴什MPI公司(Wabash MPI,Wabash,IN)的型号20-122TM2WCB)在275℃下，在4英寸(10-cm)直径的压头上压实5吨复合材料5分钟，并且然后立即在相同压力下冷却至室温3分钟。在压制期间使用一组钢垫片来设定复合材料的厚度。
用振动样品磁力计测试EX-1多层薄片复合材料的静态磁特性(以商品名“VSM”获得；型号7307，得自俄亥俄州韦斯特维尔湖岸冷冻电子公司(Lake Shore Cryotronics,Westerville,OH))。发现EX-1复合材料的磁矫顽力为约1.6奥斯特(Oe)。薄片和复合材料之间的体积比为约34％，并且样品的厚度为0.53毫米。
使用磁导率频谱测量测试方法来测量EX-1复合材料的磁导率频谱。在1MHz下，测得磁导率的实部(μ’)为96，并且在20MHz下略降至90，而磁导率的虚部(μ”)在20MHz下保持小于12(参见图3)。磁性损耗正切被定义为磁导率的虚部和实部之间的比率。对于EX-1，损耗正切值在20MHz之前保持低于0.14。
使用芯损耗测量测试方法来测量复合材料EX-1的芯损耗。在20MHz下，EX-1复合材料的芯损耗密度为8400千瓦/立方米(kW/m3)(其中最大磁感应强度为10毫特斯拉(mT))，并且芯损耗密度为20500kW/m3(其中最大磁感应为15mT)。
实施例2(EX-2)
将FFDM颗粒(如EX-1中所述制备)筛分，以向下选择大于120微米的横向尺寸。将三克选定的颗粒与0.5克的高温环氧树脂(以商品名“DURALCO 4460”(316℃(600℉)低粘度环氧树脂)得自纽约布鲁克林的Cotronics公司(Cotronics,Brooklyn,NY))在混合广口瓶(“FLACTEK 501 222PT-J MAX 60”)中混合。用刮铲混合后，将浆液放置在涂覆有有机硅剥离层的两个常规聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)片材之间。使用橡胶辊在两片PET片材之间涂布浆液。将涂覆的膜在120℃(250℉)下固化80分钟。然后将复合片材从基材背衬上剥离。复合材料片材的厚度为约0.5mm。
随后，切割复合材料片材，并且将2片堆叠在彼此的顶部上，以进行压制。使用热压机(型号20-122TM2WCB)在120℃下，在4英寸(10-cm)直径的压头上压实4吨复合材料1小时，并且然后立即在相同压力下冷却至室温3分钟。在压制期间使用一组钢垫片来设定复合材料的厚度。最终样品厚度为0.98mm。
用振动样品磁力计测试EX-2多层薄片复合材料的静态磁特性(“VSM”；型号7307)。发现EX-2复合材料的磁矫顽力为约1.4奥斯特(Oe)。薄片和复合材料之间的体积比为约32％。
使用磁导率频谱测量测试方法来测量EX-2复合材料的磁导率频谱。在1MHz下，测得磁导率的实部(μ’)为81，并且在20MHz下略降至79，而磁导率的虚部(μ”)在20MHz下保持小于8(参见图4)。在该样品中，损耗正切值在20MHz之前保持低于0.1。
使用芯损耗测量测试方法来测量EX-2复合材料的芯损耗。在20MHz下，EX-2复合材料的芯损耗密度为7400kW/m3(其中最大磁感应强度为10mT)，并且芯损耗密度为18900kW/m3(其中最大磁感应强度为15mT)。
在不脱离本发明的范围和实质的情况下，本公开的可预知的变型和更改对本领域的技术人员来说将显而易见。本发明不应受限于本申请中为了说明目的所示出的实施方案。

Claims (26)

1.一种具有第一相对主表面和第二相对主表面的高频功率电感器材料，包含：
热固性粘结剂；和
分散在高温粘结剂中的多个多层薄片，所述多层薄片包含至少两个层对，其中每个层对包含铁磁性层和电介质电隔离层，使得所述铁磁性层通过电介质层彼此电隔离，并且其中所述多层薄片基本上平行于所述第一主表面和第二主表面排列，使得它们在大于0.5毫米的范围内不提供电连续路径。
2.根据权利要求1所述的高频功率电感器材料，其中所述多层薄片各自的厚度高达10微米。
3.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中基于相应铁磁性材料层的总体积，至少50数量百分比的每个铁磁性材料层包含至少50体积百分比的铁磁性材料。
4.根据权利要求3所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料呈分散在电绝缘材料中的颗粒剂的形式。
5.根据权利要求4所述的高频功率电感器材料，其中所述颗粒剂的粒度在1纳米至30纳米的范围内。
6.根据权利要求4或5所述的高频功率电感器材料，其中所述电绝缘材料在理论基础上包含Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
7.根据权利要求4或5所述的高频功率电感器材料，其中所述电绝缘材料为Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
8.根据权利要求7所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料为Co、Fe或Ni中的至少一者。
9.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述电绝缘层在理论基础上包含Al2O3、HfO2、SiO、SiO2、Y2O3、ZnO、ZrO2、Si3N4、B2O3或MgF2中的至少一者。
10.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料层各自的厚度高达1000纳米。
11.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述电绝缘层各自的厚度为至少5纳米。
12.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述多层薄片以所述高频功率电感器材料的至少10体积百分比的量存在。
13.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料包含铁磁性金属。
14.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料包含结晶铁磁性材料。
15.根据权利要求14所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料为NiFe软磁性合金。
16.根据权利要求14所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料为NiFe、FeCoNi或FeCo软磁性合金中的至少一者。
17.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料包含无定形铁磁性金属。
18.根据权利要求17所述的高频功率电感器材料，其中所述铁磁性材料为FeCoB或TLTE中的至少一者的软磁性合金，其中TL为Fe、Co或Ni中的至少一者，并且TE为Zr、Ta、Nb或Hf中的至少一者。
19.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中每个电绝缘层包含氮化物、氟化物或氧化物中的至少一者。
20.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述高温粘结剂为多元酚、丙烯酸酯、苯并
Figure FDA0002459544020000031
嗪、氰酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯或环氧树脂中的至少一者的二缩水甘油醚。
21.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，所述高频功率电感器材料的相对磁导率为至少20。
22.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，所述高频功率电感器材料的饱和磁感应强度Bs为至少0.2特斯拉。
23.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，所述高频功率电感器材料的磁共振频率在50兆赫至1500兆赫的范围内。
24.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，所述高频功率电感器材料的磁矫顽力Hc不大于10奥斯特。
25.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，其中所述薄片的纵横比高达100∶1。
26.根据任一前述权利要求所述的高频功率电感器材料，所述高频功率电感器材料具有表皮深度，其中所述磁性层厚度小于所述表皮深度。
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