CN111863371B - 一种具有自我修复功能的模压电感 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自我修复功能的模压电感。本发明在软磁金属粉末表面设计三层不同性质和功能的绝缘层。内层具有最优的绝缘性、耐热性，中间层是具有热塑性的涂层，外层具有最佳的强度、韧性、耐吸湿性及最厚的薄膜厚度，且最外层作为造粒用粘结剂树脂。然后将该造粒粉末在模具中压制为模压电感行并固化处理。由此方法制备的模压电感在使用过程中(一般在85‑165℃之间)具有自我修复内部绝缘层裂纹的功能，从而抑制电感短路甚至烧机等故障，该发明的特殊之处在于利用模压电感使用过程的热能和裂纹等缺陷出现的内部未占用空间将热塑性的树脂熔融体自动填补缺陷处的为占用空间，从而保证模压电感的绝缘特性不明显下降甚至还有所提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有自我修复功能的模压电感，属于电子元器件领域。
背景技术
随着现代集成电路设计及制造工艺、芯片设计及制造工艺、机器人自动化制造技术、电子元器件技术以及互联网应用的发展，智能化已经成为信息社会乃至下一代工业技术革命的主流技术趋势。当前，各种具有智能运算功能的直流负载（包含传感器）在快速地改造着传统行业及人类的生存状态，把人与人、物与物、人与物相互连接起来。
这些复杂的连接都有赖于信息的传递、通讯与计算，因此智能化的终端应运而生，它可以是信息的传送端，也可以是信息的接收端以及信息通讯、运算的工具。例如，这些智能化的终端都需要采用芯片作为运算的工具，因此为其提供电能的前置电感就必不可少，其中的电感作为主要的电磁转换材料被广泛应用；还有，智能手机、智能电视、智能家电、平板电脑、笔记本电脑、各种通讯终端及服务器等都不可或缺地使用金属粉末制品。
在各种电子、电力电子设备中通常要求器件具有功能性的同时具有良好的绝缘性以及抗EMI（电磁干扰）特性，因此利用金属粉末制作的该类器件需要对粉末进行表面绝缘处理，该类器件主要是各种贴片式模压电感。常规的应用对金属粉末粒度的要求通常在10-100um之间，该类粉末常采用水雾化、气雾化或机械球磨法生产，粉末的绝缘处理采用常规的机械混合并干燥即可实现。随着电动汽车、物联网、云端服务器、智能化技术及新一代半导体材料的普及应用，器件的稳定性要求越来越高，且器件的使用工况却越来越苛刻，因此要求相关的具有功能性的金属粉末器件（例如模压电感）的热稳定性及时效特性越来越高，例如汽车电子要求模压电感长期使用过程的绝缘阻抗>=100MΏ/cm,因此提高金属粉末表面的绝缘特性将是必然趋势。
但是，常规的表面处理方法都是在常温或小于200℃的工艺条件下完成钝化膜或绝缘膜的制备，在高温下长期使用或多或少存在可靠性问题，因此无法从根本上解决该问题。例如，物理包覆法通常将硅树脂、硅酸盐、金属氧化物等用溶剂稀释后形成薄膜；化学转化膜法通常利用氧化还原反应降金属粉末表面的金属原子氧化后形成化学转化膜，例如磷化。
但是，以上现有技术在物性上无法适应高温下长期使用，例如硅树脂发生龟裂，磷化膜龟裂甚至脱落，从本质上讲是因为以上薄膜与基体地结合力不能适应高温下长期使用，一方面是薄膜物性发生变化，另一方面是基体与薄膜热胀冷缩系数相差较大，因此都无法从根本上解决该问题。
本发明提供了一种具有自我修复功能的模压电感，本发明在软磁金属粉末表面设计三层不同性质和功能的绝缘层，内能具有最优的绝缘性、耐热性及最薄的薄膜厚度，外层具有最佳的强度、韧性、耐吸湿性及最厚的薄膜厚度，中间层的制备方法是通过将最内层生成后的软磁金属粉末与一种特殊热塑性树脂粉末混和，使得在具有内层绝缘的软磁金属粉末表面均匀分布有该热塑性粉末。最内层一般采用还学转化法或物理包覆法获得，最外层一般是将粘结剂与以上混合物搅拌均匀并造粒为具有一定流动性的造粒粉末而获得。然后将具有三层绝缘层的金属粉末与其线圈绕组在模具中压制为模压电感，并进行固化处理使得外层绝缘层的粘结剂树脂固化完全。由此方法制备的模压电感在使用过程中具有自我修复内部绝缘层裂纹的功能，其原理在于电感使用温度越高其内部粉末绝缘层越易老化，越容易出现裂纹等缺陷，从而发生短路甚至烧机等故障，该发明的特殊之处在于利用模压电感使用过程的热能（一般在85-165℃之间）和裂纹等缺陷出现的内部未占用空间将热塑性的树脂熔融体自动填补缺陷处的为占用空间，从而保证模压电感的绝缘特性不明显下降甚至还有所提高。
发明内容
本发明提供了一种具有自我修复功能的模压电感。本发明通过将表面绝缘处理后的软磁金属粉末中混入一种特殊热塑性树脂粉末，使得具有绝缘层的软磁金属粉末表面均匀分布有该热塑性粉末，随后将粘结剂与该混合物搅拌均匀并造粒为具有一定流动性的造粒粉末，最后将该造粒粉与其线圈绕组在模具中压制为模压电感，并进行固化处理使得粘结剂固化完全，具体发明内容如下：
一、本发明适用的软磁金属材料可以是雾化铁粉、羰基铁粉、铁硅软磁系列粉末、铁硅铬软磁系列粉末、坡莫合金软磁合金粉末、非晶态软磁金属粉末的一种及一种以上混合粉末。选择材料后对其进行绝缘包覆处理，该发明先后三次对金属粉末进行绝缘处理从而获得三层结构的绝缘包覆金属粉末。
首先，对金属软磁粉末表面进行改性，改性的目的在于其表面生成一层绝缘性薄膜，该薄膜的主要成分可以是磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、铬酸盐、高锰酸盐、硝酸盐、铝酸盐等的一种或一种以上的复合盐，根据绝缘层与金属粉末表面是否发生化学反应其处理的方法可以是化学转化法，也可以是物理包覆法。由于该绝缘层是共价键或离子键化合物，所以其具有良好的绝缘特性及耐热特性，以满足模压电感使用过程的耐热老化及耐电压击穿的要求，由以上方法制备的最内层薄膜厚度小于等于60纳米。
其次，选择热塑性树脂粉末材料，该材料可以是软化温度在80-160℃之间的热塑性树脂或其树脂改性物的一种或一种以上混合物，且该热塑性树脂粉末不与造粒所使用的粘结剂树脂发生化学反应，进而还要求该热塑性材料的开始分解温度大于等于260℃，其粉末粒度分布在0.01-10.00um，且体积平均粒度D50在0.2-2.0um之间，更重要的是该树脂粉末体积平均粒度D50与软磁金属粉末体积平均粒度D50之比小于等于0.20，优选地小于等于0.05；之后，将该热塑性树脂粉末与具有内层绝缘的软磁金属粉末混合均匀，该热塑性树脂粉末占软磁金属粉末的重量百分比在0.5-2.0%之间，混合过程必须在一定温度下完成以保证该树脂粉末与软磁金属表面的绝缘层紧密结合，混合温度一般选择在该热塑性树脂粉末软化温度的正负50℃之间。
然后，将具有两次绝缘的软磁金属粉末与第三层树脂混合。该第三层树脂必须借助其稀释剂在液态时与具有两次绝缘的软磁金属粉末混合均匀，随后将其利用造粒方法制成具有一定团聚粒度的造粒粉末并完全去除粘结剂里的稀释剂，由此制得的造粒粉末具有流动性及一定的松装密度，该粘结剂占软磁金属粉末的重量百分比为2.5-4.5%。该粘结剂主体可以是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸脂、硅树脂等的一种或一种以上混合物，并配合相应的固化剂以组成粘结剂体系。
二、模压电感的成型压制。在成型机及相应模具中将具有三层绝缘的软磁金属粉末与线圈绕组进行成型处理，成型过程依次为：（1）将线圈绕组置于模具中，线圈在模具的粉末成型空间呈悬空状，且线圈由其电极两端固定位置以保证线圈离模具模壁的空间均匀，随后合模形成模压空间，（2）在模具成型空间中填入一定量的造粒粉末并利用气动阀将造粒粉末振实以保障线圈完全被造粒粉末埋入，（3）开始压制，冲头施加压力将造粒粉末与线圈绕组同时模压为模压电感，其内部为线圈绕组，外部是由造粒粉末被压实形成的铁芯，成形压力在400-650MPa之间，保压时间在0.5-5.0秒之间，（4）脱模，将型腔打开，然后冲头离型，下冲头顶出产品。
三、模压电感的固化处理。将压制好的模压电感先放入干燥箱中进行粘结剂固化处理，处理温度在80-200℃之间，保温时间在10-300分钟之间，气氛为大气或保护气氛，以保证粘结剂固化完全的同时不发生氧化。
附图说明
图1是本发明粉末的结构示意图。
图2是本发明模压电感产品示意图。
实施例1
实施例1所述一种具有自我修复功能的模压电感的制备方法是：
1.表面清洗
先将软磁金属粉末放入超声波清洗机中进行清洗，清洗介质为酒精，然后将粉末采用加热的方式充分干燥。
2.最内层绝缘层包覆处理
按磷酸：硅烷偶联剂：软磁金属粉末的质量比为0.001：0.0002：1进行配料，先将磷酸配制成5%水溶液，再往所述水溶液中加入硅烷偶联剂并搅拌成均匀透明的水溶液从而得到配置好的钝化液，然后将软磁金属粉末与所述配置好的钝化液进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使水分挥发，加热温度在40-60℃之间，得到完全干燥的具有表面绝缘的软磁金属粉末。
3.中间层包覆处理
按热塑性树脂粉末：软磁金属粉末的质量比分别为0：1、0.005：1、0.01：1、0.02：1进行配料，该热塑性树脂粉末软化点为85℃，然后将软磁金属粉末与所述热塑性树脂粉末进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使其发生软化并黏附在最内层绝缘层表面，加热温度为105℃，得到弥散分布有树脂粉末的具有两层表面绝缘的软磁金属粉末。
4.最外层绝缘层包覆处理
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用丙酮稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使丙酮部分挥发并造粒，将含有丙酮的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除剩余丙酮，从而得到完全干燥的经过三次表面处理的软磁金属粉末。
5.在模具中压制模压电感，模压压强为550MPa，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。之后，将模压电感置于120℃的干燥箱，分别于0、100、200、800小时取出测量电感的绝缘阻抗，测试仪器为阻抗测试仪，测试条件为100V@DC，3s。
下表为测试结果：添加热塑性树脂粉末的模压电感比无添加热塑性树脂粉末的模压电感的耐老化能力明显增强。
实施例2
实施例2所述一种具有自我修复功能的模压电感的制备方法是：1.表面清洗
先将软磁金属粉末放入超声波清洗机中进行清洗，清洗介质为酒精，然后将粉末采用加热的方式充分干燥。
2.最内层绝缘层包覆处理
按磷酸：硅烷偶联剂：软磁金属粉末的质量比为0.001：0.0002：1进行配料，先将磷酸配制成5%水溶液，再往所述水溶液中加入硅烷偶联剂并搅拌成均匀透明的水溶液从而得到配置好的钝化液，然后将软磁金属粉末与所述配置好的钝化液进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使水分挥发，加热温度在40-60℃之间，得到完全干燥的具有表面绝缘的软磁金属粉末。
3.中间层包覆处理
按热塑性树脂粉末：软磁金属粉末的质量比为0.02：1进行配料，该热塑性树脂粉末软化点分别为85℃、105℃、125℃、145℃、165℃，然后将软磁金属粉末与所述热塑性树脂粉末进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使其发生软化并黏附在最内层绝缘层表面，加热温度分别为105℃、125℃、145℃、165℃、185℃，得到弥散分布有树脂粉末的具有两层表面绝缘的软磁金属粉末。
4.最外层绝缘层包覆处理
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用丙酮稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使丙酮部分挥发并造粒，将含有丙酮的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除剩余丙酮，从而得到完全干燥的经过三次表面处理的软磁金属粉末。
5.在模具中压制模压电感，模压压强为550MPa，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。之后，将模压电感置于120℃干燥箱，分别于0、100、200、800小时取出测量电感的绝缘阻抗，测试仪器为阻抗测试仪，测试条件为100V@DC，3s。
下表为测试结果：结果显示当热塑性树脂粉末软化点高于置放温度后自我修复能力明显下降，当高于25℃后基本无修复效果，这说明此条件下热塑性树脂粉末不具有充分的流动性以填充内层绝缘层的缺陷。
实施例3
实施例3所述一种具有自我修复功能的模压电感的制备方法是：
1.表面清洗
先将软磁金属粉末放入超声波清洗机中进行清洗，清洗介质为酒精，然后将粉末采用加热的方式充分干燥。
2.最内层绝缘层包覆处理
按磷酸：硅烷偶联剂：软磁金属粉末的质量比为0.001：0.0002：1进行配料，先将磷酸配制成5%水溶液，再往所述水溶液中加入硅烷偶联剂并搅拌成均匀透明的水溶液从而得到配置好的钝化液，然后将软磁金属粉末与所述配置好的钝化液进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使水分挥发，加热温度在40-60℃之间，得到完全干燥的具有表面绝缘的软磁金属粉末。
3.中间层包覆处理
按热塑性树脂粉末：软磁金属粉末的质量比为0.02：1进行配料，该热塑性树脂粉末软化点为125℃，然后将软磁金属粉末与所述热塑性树脂粉末进行机械搅拌，混合均匀后利用加热的方式使其发生软化并黏附在最内层绝缘层表面，加热温度分别为145℃，得到弥散分布有树脂粉末的具有两层表面绝缘的软磁金属粉末。
4.最外层绝缘层包覆处理
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用丙酮稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使丙酮部分挥发并造粒，将含有丙酮的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除剩余丙酮，从而得到完全干燥的经过三次表面处理的软磁金属粉末。
5.在模具中压制模压电感，模压压强为550MPa，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。之后，将模压电感分别置于120℃、150℃、180℃的干燥箱，分别于0、100、200、800小时取出测量电感的绝缘阻抗，测试仪器为阻抗测试仪，测试条件为100V@DC，3s。
下表为测试结果：结果显示当置放温度高于热塑性树脂粉末软化点55℃后自我修复能力在后期明显下降，这说明此条件下热塑性树脂粉末具有充分的流动性以填充内层绝缘层的缺陷，但是同时对内层绝缘层的黏附作用减弱。
Claims (5)
1.一种具有自我修复功能的模压电感，其特征在于：(1)采用软磁金属粉末作为基体材料，随后在软磁金属粉末表面形成三层不同性质和功能的绝缘层，内层绝缘层完全包覆软磁金属粉末，且相对于三层绝缘层具有最优的绝缘性、耐热性及最薄的薄膜厚度，内层绝缘层材料为磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、铬酸盐、高锰酸盐、硝酸盐、铝酸盐中的一种或一种以上的复合盐，且内层绝缘层厚度小于等于60纳米；外层绝缘层完全包覆软磁金属粉末，且相对于三层绝缘层具有最佳的强度、韧性、耐吸湿性及最厚的薄膜厚度，外层绝缘层材料为 环氧树脂、酚醛树脂、氰酸脂、硅树脂中的一种或一种以上混合物并配合相应的固化剂以组成的粘结剂体系；中间层绝缘层材料由弥散分布的热塑性树脂粉末构成，热塑性树脂粉末为软化温度在80-160℃之间的热塑性树脂或其树脂改性物的一种或一种以上混合物，且该热塑性树脂粉末不与外层的粘结剂树脂发生化学反应；且中间层热塑性树脂的包覆过程必须在该热塑性树脂粉末软化温度的正负50℃之间进行；(2)随后将具有三层绝缘层的软磁金属粉末与其线圈绕组在模具中压制为模压电感，并进行固化处理使得最外层绝缘层的粘结剂树脂固化完全。
2.根据权利要求1所述的一种具有自我修复功能的模压电感，其特征在于：内层绝缘层的制备方法为化学转化法或物理包覆法。
3.根据权利要求1所述的一种具有自我修复功能的模压电感，其特征在于：热塑性材料的开始分解温度大于等于260℃，粉末粒度分布在0.01-10.00μm，且体积平均粒度D50在0.2-2.0μm之间，该热塑性树脂粉末的体积平均粒度D50与软磁金属粉末的体积平均粒度D50之比小于等于0.20，该热塑性树脂粉末占软磁金属粉末的重量百分比在0.5-2.0％之间。
4.根据权利要求1所述的一种具有自我修复功能的模压电感，其特征在于：外层绝缘层中的粘结剂占软磁金属粉末的重量百分比为2.5-4.5％，且外层绝缘层制备过程中需加入相应的稀释剂，稀释剂占该粘结剂重量百分比的5-15％。
5.根据权利要求1所述的一种具有自我修复功能的模压电感，其特征在于：所述模压电感在85-165℃之间具有自我修复内层绝缘层裂纹的功能。
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