CN115798911A - 一种一体成型电感及其制备方法与功率电器 - Google Patents

一种一体成型电感及其制备方法与功率电器 Download PDF

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CN115798911A CN202211522629.3A CN202211522629A CN115798911A CN 115798911 A CN115798911 A CN 115798911A CN 202211522629 A CN202211522629 A CN 202211522629A CN 115798911 A CN115798911 A CN 115798911A
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陈胜齐
单哲丰
娄海飞
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Abstract

本发明涉及一种一体成型电感及其制备方法与功率电器，所述制备方法包括如下步骤：(1)混合第一粉料和第二粉料，得到混合粉料，进行绝缘处理并造粒，得到颗粒料；(2)对所得颗粒料进行压制成型，得到坯体；(3)对所得坯体进行退火处理，得到所述一体成型电感；步骤(1)所述第一粉料为羰基铁粉，所述第二粉料包括纳米晶、铁硅铝或铁硅铬中的任意一种或至少两种的组合；所述第一粉料与第二粉料的中值粒径之比为1:(5～25)。本发明通过优化两种粉料的配方，提高了一体成型电感的整体效率，有利于满足电子器件对于高转换效率的需求。

Description

一种一体成型电感及其制备方法与功率电器
技术领域
本发明属于电感制造技术领域，涉及一种一体成型电感及其制备方法与功率电器。
背景技术
近年来，宽禁带半导体功率电器(GaN、SiC)的发展和高功率密度陶瓷电容技术的提高，推动电子器件向高频化和高转换效率发展，相关技术领域对滤波器、电感等器件的技术要求越来越高，提升材料的使用频率和效率变得迫在眉睫。纳米晶材料通过快冷工艺制备而成，整体粒径为纳米级，具有较小的磁晶各向异性常数和磁导率，因而具有较低的磁滞损耗和较高的共振频率。铁硅铝/铁硅铬材料具有较高的饱和磁感应强度,高电阻率,低磁致伸缩和相对较低的损耗,被广泛应用于通讯等领域。纳米晶/铁硅铝/铁硅铬与羰基铁粉级配形成的混合软磁磁性粉末保证了较高的压实密度，具有很高的可成型性，同时具有较低的损耗，大大提高了转换效率。一体成型电感在冷压和热压过程中，粉料内部存在大量应力，结合退火的工艺消除内部应力促进晶界重排降低材料损耗。
CN110310794A采用了大、中、小不同的两种或两种以上的软磁粉末进行混合后的粒度级配，从而达到在单位体积下所填充的软磁粉末密度最大化，获得具有高密度的一体成型功率电感。着重考虑密度，主成分中FeSi合金粉的损耗较高，不利于提高材料的转换效率。
CN111063501A采用了D50为6～7um的羰基铁粉为第一粉料，D50为3～4um的羰基铁粉为第二粉料，D50为10～15um的铁硅粉或非晶粉为第三粉料，将三种粉料按质量百分比20～40％、30～40％和30～40％进行级配得到混合磁性粉末。单一的从粉末角度考虑，缺少工艺方面对效率提升的作用。
因此，如何改进一体成型电感的制造工艺，提高电感整体的效率，以满足电子器件高转换效率的需求，是亟需解决的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种一体成型电感及其制备方法与功率电器，本发明通过优化两种粉料的配方，提高了一体成型电感的整体效率，有利于满足电子器件对于高转换效率的需求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种一体成型电感的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)混合第一粉料和第二粉料，得到混合粉料，进行绝缘处理并造粒，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料进行压制成型，得到坯体；
(3)对所得坯体进行退火处理，得到所述一体成型电感；
步骤(1)所述第一粉料为羰基铁粉，所述第二粉料包括纳米晶、铁硅铝或铁硅铬中的任意一种或至少两种的组合；所述第一粉料与第二粉料的中值粒径之比为1:(5～25)。
所述第一粉料与第二粉料的中值粒径之比为1:(5～25)，例如可以是1:5、1:10、1:15、1:20或1:25，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明通过优化两种粉料的配方，提高了一体成型电感的整体效率，有利于满足电子器件对于高转换效率的需求。采用了小颗粒的羰基铁粉与大颗粒的第二粉料作为配方，大颗粒与小颗粒混合填充，可以有效提高一体成型电感的压实密度，减少电感中的空气孔隙，降低电感的磁损耗进而提高效率。
优选地，步骤(1)所述第一粉料的中值粒径为1～3μm，例如可以是1μm、1.5μm、2μm、2.5μm或3μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述第二粉料的中值粒径为15～25μm，例如可以是15μm、18μm、20μm、22μm或25μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一粉料与第二粉料的中值粒径之比为1:(8～15)，例如可以是1:8、1:10、1:12、1:14或1:15，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1:(9～10)。
优选地，步骤(1)所述第一粉料的质量占所述混合粉料质量的30～60wt％，例如可以是30wt％、40wt％、50wt％、55wt％或60wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述绝缘处理的方式为混合磷酸溶液与混合粉料并进行加热磷化反应，完成绝缘处理。
优选地，所述磷酸溶液为磷酸的丙酮溶液。
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为丙酮质量的10～20wt％，例如可以是10wt％、12wt％、14wt％、18wt％或20wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为混合粉料质量的0.1～0.3wt％，例如可以是0.1wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％或0.3wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述加热磷化反应的温度为60～80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述加热磷化反应的时间为0.8～1.5h，例如可以是0.8h、1h、1.2h、1.4h或1.5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述绝缘处理后还包括混合粘结剂。
优选地，所述粘结剂包括环氧改性有机硅树脂。
优选地，所述粘结剂的质量为混合粉料质量的2～4wt％，例如可以是2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％或4wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述粘结剂溶于丙酮中。
优选地，所述粘结剂的质量为丙酮质量的10～20wt％，例如可以是10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％或20wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述造粒后还包括过筛。
优选地，所述过筛的目数为100～200目，例如可以是100目、120目、140目、160目、180目或200目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述压制成型的方式包括冷压压制和烘烤固化。
优选地，所述冷压压制的压力为6～8t/cm2，例如可以是6t/cm2、6.5t/cm2、7t/cm2、7.5t/cm2或8t/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷压压制的保压时间为120～180s，例如可以是120s、140s、160s、170s或180s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述烘烤固化的温度为210～240℃，例如可以是210℃、215℃、220℃、230℃或240℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述退火在氢气和/或氮气气氛下进行。
优选地，所述气氛中氢气的浓度为20～50％，例如可以是20％、25％、30％、40％或50％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
氢气的浓度是指氢气在氢气和氮气的混合气体中的体积百分比。
本发明中退火在氢气气氛中进行，相比在空气气氛中退火，磁粉芯在还原性气氛中退火可以有效的还原电感中的氧化铁，氧化铁会恶化电感的性能，当氢气的浓度过大时，氧化铁被还原完全但氢气利用率低，当氢气浓度过低时，氧化铁未被充分还原，电感性能差。
优选地，步骤(3)所述退火的温度为300～400℃，例如可以是300℃、320℃、350℃、380℃或400℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述退火的时间为60～120min，例如可以是60min、80min、100min、110min或120min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明所述制备方法的一种优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量混合中值粒径为1～3μm的第一粉料和中值粒径为15～25μm的第二粉料，得到混合粉料，混合磷酸的丙酮溶液与所述混合粉料并进行60～80℃加热磷化反应0.8～1.5h，其中磷酸的质量为丙酮质量的10～20wt％，磷酸的质量为混合粉料质量的0.1～0.3wt％；完成绝缘磷化处理后，再与环氧改性有机硅树脂的丙酮溶液混合，其中环氧改性有机硅树脂质量为混合粉料质量的2～3wt％，环氧改性有机硅树脂质量为丙酮质量的10～20wt％；完成混合后，将溶剂干燥再进行造粒，过100～200目筛，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料进行6～8t/cm2冷压压制120～180s和210～240℃烘烤固化，得到坯体；
(3)在浓度为20～50％的氢气气氛下，对所得坯体进行300～400℃退火处理60～120min，得到所述一体成型电感；
步骤(1)所述第一粉料为羰基铁粉，所述第二粉料包括纳米晶、铁硅铝或铁硅铬中的任意一种或至少两种的组合；第一粉料的质量占所述混合粉料质量的30～60wt％。
本发明提供的制备方法原料易得，工艺对设备的要求低，具有很高的可行性。
第二方面，本发明提供了一种一体成型电感，所述一体成型电感采用如第一方面所述的制备方法得到。
第三方面，本发明提供了一种功率电器，所述功率电器中含有如第二方面所述的一体成型电感。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过优化两种粉料的配方，提高了一体成型电感的整体效率，有利于满足电子器件对于高转换效率的需求。采用了小颗粒的羰基铁粉与大颗粒的第二粉料作为配方，大颗粒与小颗粒混合填充，可以有效提高一体成型电感的压实密度，减少电感中的空气孔隙，降低电感的磁损耗进而提高效率。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)混合中值粒径为1μm的羰基铁粉和中值粒径为15μm的铁硅铬粉(硅的质量百分比为3.5％，铬的质量百分比为5.5％，其余部分为铁)，得到混合粉料，其中羰基铁粉的质量分数为30wt％，铁硅铬粉的质量分数为70wt％；混合磷酸的丙酮溶液与所述混合粉料并进行70℃加热磷化反应1h，其中磷酸的质量为丙酮质量的15wt％，磷酸的质量为混合粉料质量的0.2wt％；完成绝缘磷化处理后，再与环氧改性有机硅树脂的丙酮溶液混合，其中环氧改性有机硅树脂质量为混合粉料质量的2wt％，环氧改性有机硅树脂质量为丙酮质量的10wt％；完成混合后，将溶剂干燥再进行造粒，过100～200目筛，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料与0.12mm*0.26mm*1.5Ts的立绕扁平线圈置于成型模具的模腔，进行8t/cm2冷压压制180s和220℃烘烤固化，得到坯体；
(3)在浓度为50％的氢气气氛下，对所得坯体进行350℃退火处理60min，得到所述一体成型电感。
实施例2
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)混合中值粒径为2μm的羰基铁粉和中值粒径为20μm的铁硅铝粉(硅的质量百分比为4.5％，铝的质量百分比为3.5％，其余部分为铁)，得到混合粉料，其中羰基铁粉的质量分数为50wt％，铁硅铬粉的质量分数为50wt％；混合磷酸的丙酮溶液与所述混合粉料并进行60℃加热磷化反应1h，其中磷酸的质量为丙酮质量的10wt％，磷酸的质量为混合粉料质量的0.1wt％；完成绝缘磷化处理后，再与环氧改性有机硅树脂的丙酮溶液混合，其中环氧改性有机硅树脂质量为混合粉料质量的3wt％，环氧改性有机硅树脂质量为丙酮质量的15wt％；完成混合后，将溶剂干燥再进行造粒，过100～200目筛，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料与0.12mm*0.26mm*1.5Ts的立绕扁平线圈置于成型模具的模腔，进行7t/cm2冷压压制150s和210℃烘烤固化，得到坯体；
(3)在浓度为30％的氢气气氛下，对所得坯体进行400℃退火处理60min，得到所述一体成型电感。
实施例3
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)混合中值粒径为3μm的羰基铁粉和中值粒径为25μm的纳米晶粉，得到混合粉料，其中羰基铁粉的质量分数为60wt％，铁硅铬粉的质量分数为40wt％；混合磷酸的丙酮溶液与所述混合粉料并进行80℃加热磷化反应1h，其中磷酸的质量为丙酮质量的20wt％，磷酸的质量为混合粉料质量的0.3wt％；完成绝缘磷化处理后，再与环氧改性有机硅树脂的丙酮溶液混合，其中环氧改性有机硅树脂质量为混合粉料质量的4wt％，环氧改性有机硅树脂质量为丙酮质量的20wt％；完成混合后，将溶剂干燥再进行造粒，过100～200目筛，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料与0.12mm*0.26mm*1.5Ts的立绕扁平线圈置于成型模具的模腔，进行6t/cm2冷压压制120s和240℃烘烤固化，得到坯体；
(3)在浓度为20％的氢气气氛下，对所得坯体进行300℃退火处理120min，得到所述一体成型电感。
实施例4
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：羰基铁粉的中值粒径为1μm，铁硅铬粉的中值粒径为25μm。
实施例5
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：羰基铁粉的中值粒径为3μm，铁硅铬粉的中值粒径为15μm。
实施例6
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：羰基铁粉的中值粒径为0.8μm。
实施例7
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例2的区别在于：羰基铁粉的中值粒径为3.5μm。
实施例8
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例2的区别在于：铁硅铝粉的中值粒径为28μm。
实施例9
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(3)所述退火在空气气氛中进行。
实施例10
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(3)所述氢气气氛的浓度为10％。
实施例11
本实施例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(3)所述氢气气氛的浓度为60％。
对比例1
本对比例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(1)所述混合粉料替换为等质量的FeSi粉，中值粒径为6.5μm。
对比例2
本对比例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例1的区别在于：铁硅铬粉的中值粒径为27μm。
对比例3
本对比例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例3的区别在于：纳米晶粉的中值粒径为10μm。
对比例4
本对比例提供了一种一体成型电感的制备方法，与实施例3的区别在于：纳米晶粉的中值粒径为5μm。
对上述所得一体成型电感进行测试，电感性能测试仪器采用WK6500B，测试条件为10MHz&1V；电感效率测试条件为CCM模式(DC-DC BUCK 1MHz)，输入电压为12V输出电压为1V。
电感性能数据如表1所示，电感效率数据如表2所示。
表1
Figure BDA0003971810170000101
Figure BDA0003971810170000111
表2
Figure BDA0003971810170000112
从表1和表2中可以得出如下结论：
(1)由实施例1-3可知，本发明通过优化两种粉料的配方，提高了一体成型电感的整体效率，有利于满足电子器件对于高转换效率的需求。
(2)由实施例4、5与实施例1的比较可知，两种粉料的中值粒径比例为1:(8～15)能够最大程度的提高整体效率，而超过比例范围区间时，会降低其提高效率的程度，不利于满足电子器件对于高转换效率的需求。
(3)由实施例6-8与实施例1或2的比较可知，当两种粉料的粒径不在本发明的优选范围内时，会降低其提高效率的程度，不利于满足电子器件对于高转换效率的需求。
(4)由实施例9-11与实施例1的比较可知，本发明中优化了工艺方法，当退火在氢气气氛中进行且氢气浓度为20～50％时，由于磁粉芯中氧化铁被还原，电感的磁损耗减小，有利于提高整体效率，当氢气浓度过小时，退火后磁粉芯材料中的氧化铁含量仍较高，电感的效率较差；当氢气浓度过大时，磁粉芯材料中的氧化铁大部分已被还原，继续增大氢气浓度，电感效率提升不明显。
(5)由对比例1-4与实施例的比较可知，当粉料不是本发明提供的混合粉料或者中值粒径范围的比例不在本发明提供的范围内时，会降低其提高效率的程度，不利于满足电子器件对于高转换效率的需求。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种一体成型电感的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)混合第一粉料和第二粉料，得到混合粉料，进行绝缘处理并造粒，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料进行压制成型，得到坯体；
(3)对所得坯体进行退火处理，得到所述一体成型电感；
步骤(1)所述第一粉料为羰基铁粉，所述第二粉料包括纳米晶、铁硅铝或铁硅铬中的任意一种或至少两种的组合；所述第一粉料与第二粉料的中值粒径之比为1:(5～25)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一粉料的中值粒径为1～3μm；
优选地，步骤(1)所述第二粉料的中值粒径为15～25μm。
优选地，步骤(1)所述第一粉料的质量占所述混合粉料质量的30～60wt％。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述绝缘处理的方式为混合磷酸溶液与混合粉料并进行加热磷化反应，完成绝缘处理；
优选地，所述磷酸溶液为磷酸的丙酮溶液；
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为丙酮质量的10～20wt％；
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为混合粉料质量的0.1～0.3wt％；
优选地，所述加热磷化反应的温度为60～80℃；
优选地，所述加热磷化反应的时间为0.8～1.5h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述绝缘处理后还包括混合粘结剂；
优选地，所述粘结剂包括环氧改性有机硅树脂；
优选地，所述粘结剂的质量为混合粉料质量的2～4wt％；
优选地，所述粘结剂溶于丙酮中；
优选地，所述粘结剂的质量为丙酮质量的10～20wt％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述造粒后还包括过筛；
优选地，所述过筛的目数为100～200目。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述压制成型的方式包括冷压压制和烘烤固化；
优选地，所述冷压压制的压力为6～8t/cm2；
优选地，所述冷压压制的保压时间为120～180s；
优选地，所述烘烤固化的温度为210～240℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述退火在氢气和/或氮气气氛下进行；
优选地，所述气氛中氢气的浓度为20～50％；
优选地，步骤(3)所述退火的温度为300～400℃；
优选地，步骤(3)所述退火的时间为60～120min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方量混合中值粒径为1～3μm的第一粉料和中值粒径为15～25μm的第二粉料，得到混合粉料，混合磷酸的丙酮溶液与所述混合粉料并进行60～80℃加热磷化反应0.8～1.5h，其中磷酸的质量为丙酮质量的10～20wt％，磷酸的质量为混合粉料质量的0.1～0.3wt％；完成绝缘磷化处理后，再与环氧改性有机硅树脂的丙酮溶液混合，其中环氧改性有机硅树脂质量为混合粉料质量的2～3wt％，环氧改性有机硅树脂质量为丙酮质量的10～20wt％；完成混合后，将溶剂干燥再进行造粒，过100～200目筛，得到颗粒料；
(2)对所得颗粒料进行6～8t/cm2冷压压制120～180s和210～240℃烘烤固化，得到坯体；
(3)在浓度为20～50％的氢气气氛下，对所得坯体进行300～400℃退火处理60～120min，得到所述一体成型电感；
步骤(1)所述第一粉料为羰基铁粉，所述第二粉料包括纳米晶、铁硅铝或铁硅铬中的任意一种或至少两种的组合；第一粉料的质量占所述混合粉料质量的30～60wt％。
9.一种一体成型电感，其特征在于，所述一体成型电感采用如权利要求1-8任一项所述的制备方法得到。
10.一种功率电器，其特征在于，所述功率电器中含有如权利要求9所述的一体成型电感。
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