CN115938718B - 一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法,该电感由软磁金属粉末、倒U形铜导体两部分组成,铜导体两端伸出粉末外,其余部分埋于粉末中,该电感制备方法的步骤为:(1)软磁金属粉末的预处理;(2)将铜导体埋入处理后的金属粉末中,使用1700‑2100MPa高压进行压制成型;(3)使用还原气氛对步骤(2)得到的产品进行梯度退火处理;(4)将退火后的产品含浸于树脂溶液内,经过洗涤、烘烤后得到直插式一体成型共烧电感。该电感不仅具有一体成型电感的高磁屏蔽性能、生产高机械化、高性能均一性的优点,而且兼备了磁粉心材料的高密度、低损耗的优点。

Description

一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法
技术领域
本发明属于磁性功能材料领域,具体涉及一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法。
背景技术
作为电子产品的重要组成部件,新型电子元器件正向着片式化、微型化、高频化、宽频化、高精度化、集成化和绿色环保的方向发展,对功率电感产品尺寸和性能提出了更高的要求,要求其同时具有小尺寸、大电流、较低功耗、高磁屏蔽效果、高产品均一性等的特点,因此,外界对一体成型电感的关注越来越多。一体成型电感是将绕制好的铜线圈埋于金属粉末内压铸而成,由于其生产过程中机械化程度高、自动化设备应用较多,因此生产效率远高于传统电感、产品性能均一、稳定性较好。而有别于传统绕线电感的“铜包铁”结构,一体成型电感所用软磁粉末包裹铜导体,因此一体成型电感磁屏蔽效果更优。但是,一体成型电感也存在着一些缺点,其一,因为绕制好的线圈埋在粉末内部,为了避免线圈因受力过大的变形导致电阻率提升,避免因压力过大导致金属粉末刺破线圈绝缘层导致线圈短路,致使一体成型电感无法使用高压力压制成型,这便意味着金属粉末无法被压密实,较低的密度带来较低的磁导率,产品无法得到高电感;其二,为了防止线圈短路,需要对线圈进行涂覆聚酰亚胺等树脂,粉末也会加入环氧树脂等用来增加成型强度,这些树脂的缺点是在高温下分解,这便导致了一体成型电感无法进行高温热处理,而所有材料在受力成型过程中均会产生内应力,一体成型电感的内应力会导致产品容易开裂、产品损耗高的问题,只有进行高温热处理,才能消除内应力,但是有机树脂的高温分解问题限制了热处理温度只能在小于200℃的条件下进行,这样内应力依然存在,高损耗、易开裂的风险仍未解决。
公开号为CN106504854A的中国专利公开了螺旋线为导体、软磁粉末压制得到的直插式电感,虽然减少了漏磁问题,但是为了防止螺旋线压制后变形或金属粉末刺破线表皮导致的短路问题、高温热处理带来的螺旋线膨胀开裂问题,目前只能使用低压成型、低温热处理的方法制备,而低压力压制带来的低电感、无法进行高温热处理带来的高损耗问题仍未得到解决。公开号为CN112735752A的中国专利虽然解决了高压压制、高温热处理工艺带来的问题,但是忽略了粉末的处理工艺及配方仍是电感器件的核心,使用的传统配方仍无法达到高磁导率、高叠加特性、低损耗的目标,而铜导体、铝导体或银导体不经过绝缘处理便压制产品也容易出现短路、高涡流损耗等问题,另外该导体形状为圆柱体或方体,在使用过程中需要对两端凸出导体部分进行折角,产品容易由此出现分层、开裂等问题,因此难以使用。
因此,十分有必要研发出一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种直插式一体成型共烧电感及其制备方法,其不仅具有一体成型电感的高磁屏蔽性能、生产高机械化、高性能均一性的优点,而且兼备了磁粉心材料的高密度、低损耗的优点。
一种直插式一体成型共烧电感,该电感由软磁金属粉末、倒U形铜导体两部分组成,铜导体两端伸出粉末外,其余部分埋于粉末中,在使用过程中,铜导体两端可直接插入PCB板预留孔位处焊接,无需折弯及整角;
其中,软磁金属粉末包括气雾化铁镍钼粉末、气雾化铁镍粉末、钝化剂、绝缘剂、包覆剂、润滑剂;
其中,以气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末的混合粉末质量为计算基础,气雾化铁镍钼粉末占混合粉末质量的60-70%,粒径D50为25-38μm,气雾化铁镍粉末占混合粉末质量的40-30%,粒径D50为10-15μm;
其中,钝化剂为磷酸和铬酸的混合溶液,铬酸质量占混合粉末质量的0.1-0.2%,磷酸质量占混合粉末质量的0.4-0.6%;
其中,绝缘剂为硅酸铝镁、纳米氧化铝、钨酸锆、钛酸脂偶联剂的混合物质,硅酸铝镁质量占混合粉末质量的0.3-0.6%,纳米氧化铝质量占混合粉末质量的0.2-1.0%,钨酸锆质量占混合粉末质量的0.2-0.8%,钛酸脂偶联剂质量占混合粉末质量的0.1-0.2%;
其中,包覆剂为苯乙烯嵌段共聚物、热塑性聚氨酯的混合物质,苯乙烯嵌段共聚物质量占混合粉末质量的0.5-1.0%,热塑性聚氨酯质量占混合粉末质量的0.4-1.2%;
其中,润滑剂为硬脂酸镁、硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或几种,润滑剂质量占混合粉末质量的0.3-0.4%;
其中,铜导体表面涂覆了二氧化硅与六方氮化硼胶体,铜导体表面的涂层厚度为1-2μm。
优选的,气雾化铁镍钼粉末粒径为D50=30μm,气雾化铁镍粉末粒径为D50=12μm。
一种直插式一体成型共烧电感的制备方法,包括如下步骤:
(1)软磁金属粉末的预处理;
(2)将倒U形铜导体两端伸出粉末外,其余部分埋入处理后的金属粉末中,使用1700-2100MPa高压进行压制成型;
(3)使用还原气氛对步骤(2)得到的产品进行梯度退火处理;
(4)将退火后的产品含浸于树脂溶液内,经过洗涤、烘烤后得到直插式一体成型共烧电感。
优选的,步骤(1)中,软磁金属粉末的预处理包括软磁金属粉末的混合、钝化处理、绝缘处理、包覆处理和添加润滑剂,其中:
a)软磁金属粉末的混合:将气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末进行混合,得到混合粉末;
b)钝化处理:使用钝化剂钝化混合粉末,得到钝化后的混合粉末;
c)绝缘处理:使用绝缘剂对钝化后的混合粉末进行绝缘处理;
d)包覆处理:使用包覆剂包覆绝缘处理后的混合粉末;
e) 添加润滑剂:将润滑剂加入到包覆后的混合粉末中。
优选的,步骤(3)中,还原气氛为氢气与氮气的混合气体,其中氢气体积占混合气体体积的30-50%,氮气体积占混合气体体积的50-70%。
优选的,步骤(3)中,梯度退火处理是指退火时温度呈梯度上升,梯度退火处理有五个保温阶段,第一阶段保温温度为300-330℃,保温时间为30-50min;第二阶段的保温温度为490-510℃,保温时间为40-50min;第三阶段的保温温度为590-610℃,保温时间为50-70min;第四阶段保温温度为690-710℃,保温时间为50-70min;第五阶段的保温温度为790-800℃,保温时间为30-40min,最后随炉冷却至室温。
优选的,步骤(4)中,用于含浸产品的树脂溶液为环氧树脂的丙酮溶液,含浸时间为30-50min,含浸后洗涤时间为0.5-1.0min,烘烤条件为160-180℃下保温60-80min。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.采用本发明方法对软磁金属粉末进行预处理后,绝缘性优良的包覆层可以紧密包裹在粉末表面,使粉末具有一定的成型性,压制后不会出现分层、开裂等问题,同时不会因为高压压制产生膜层破裂等问题,所以可以使用一体成型的工艺进行制备成型,成型后可以进行去应力热处理,使直插式一体成型共烧电感具有高磁屏蔽特性、高机械制成能力、磁心高密度、高磁导率、低损耗等优点。
2.本发明中,使用的原始粉末为气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末,因为铁镍钼粉末在软磁金属粉末中具有最低的损耗特性、最高的密度,因此在产品体积确定的前提下,使用铁镍钼粉末能够更多的填充粉末,从而获得更高的磁导率,即产品得到更高的电感值。气雾化铁镍粉末在软磁金属粉末中具有较低的损耗、较高的密度、最优的叠加特性,因此混合了气雾化铁镍粉末可以使产品具有高的直流叠加特性。
3.本发明中,使用的气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末粒径不同,在产品的压制过程中,大颗粒的铁镍钼粉末相互接触后会在三维空间内会产生大量的空隙,此时小颗粒的铁镍粉末可以填充到这些空隙内,因此产品得到了充分的填充,产品的密度更高、磁导率更高。
4.本发明中,对混合粉末使用了复合钝化工艺,利用磷酸与金属反应后会在表面生成磷酸盐膜层,铬酸具有强氧化性,可进一步对未反应的区域进行包覆。所用的绝缘剂中,钨酸锆具有一定的负热膨胀系数,可以降低绝缘层的膨胀尺度,使绝缘层在热处理过程不会因润滑剂等有机材料受热分解而产生破裂,硅酸铝镁、纳米氧化铝则都具有优异的绝缘性与热稳定性,保证粉末在热处理之后仍然保持高的绝缘电阻性质,钛酸脂偶联剂的加入则有效的提升了绝缘层与钝化层的连结作用。包覆剂采用苯乙烯嵌段共聚物、热塑性聚氨酯,该物质不仅可以提升产品压制后的强度,在受热后还具有一定的弹塑性,可进一步预防电感制备过程中的热处理导致的产品分层或开裂现象。
5.本发明中,直插式一体成型共烧电感所用铜导体表面进行了无机绝缘处理,解决了传统铜导体表面有机绝缘层在高温下分解的问题,二氧化硅与六方氮化硼胶体在高温下特性稳定,能够保证铜导体的绝缘特性,避免热处理后出现的短路风险。同时,本发明中的铜导体形状为倒U形,在制成后可以直接插入PCB板预留孔位进行焊接,操作简单,且不会产生因铜导体的折角工序带来的产品分层开裂等问题,进一步的,本发明摒弃了传统的螺形线圈,压制成型过程中可忽略因压力过大带来的线圈变形问题及线圈短路问题。
6.本发明中,使用的热处理工艺为还原气氛下的梯度退火处理,还原气氛中氢气的存在可以避免粉末因氧化带来的损耗升高问题,而氮气则是保障安全,防止燃烧、爆炸的危险。按照梯度曲线升温,能够有效避免产品在持续升温过程中因为热膨胀系数不均带来的产品开裂、分层等问题,大幅提升产品的合格率。
7.本发明中,直插式一体成型共烧电感在热处理结束后进行环氧树脂溶液的含浸,可以填充产品中部分有机物质因热处理而分解带来的空隙,从而加强了产品内部的绝缘特性,同时大幅提升产品的强度,产品可靠性得到了保证。
附图说明
图1为直插式一体成型共烧电感用倒U形铜导体;
图2为直插式一体成型共烧电感,其中:1-为铜导体,2-为软磁金属粉末;
图3为实施例1的梯度退火曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中,若非特指,所有原料均可从市场购得或是本行业常用的,下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域常规方法。
实施例1
(1)软磁金属粉末的预处理:将D50=30μm的70g气雾化铁镍钼粉末与D50=12μm的30g气雾化铁镍粉末混合均匀;向混合粉末中加入铬酸0.2g、磷酸0.4g、适量蒸馏水搅拌并加热,待粉末干燥后冷却至室温;向冷却粉末中加入硅酸铝镁粉末0.5g、纳米氧化铝粉末0.8g、钨酸锆粉末0.7g、钛酸脂偶联剂0.2g,同时加入适量蒸馏水搅拌并加热,待粉末干燥后冷却至室温;向冷却粉末中加入0.8g苯乙烯嵌段共聚物、1.0g热塑性聚氨酯、适量的丙酮搅拌并抽风,待粉末干燥后加入0.3g硬脂酸锌作为润滑剂并混合均匀;
(2)使用二氧化硅与六方氮化硼胶体涂覆倒U形铜导体1(见图1),导体表面干燥后埋入步骤(1)预处理后的软磁金属粉末2中,使用2000MPa压力压制成型;
(3)使用还原气氛对步骤(2)得到的产品进行梯度退火处理,还原气氛为氢气与氮气的混合气体,其中氢气体积占混合气体体积的50%,氮气体积占混合气体体积的50%,退火曲线如图3所示,在300℃下保温50min、500℃下保温50min、600℃下保温60min、700℃下保温60min、800℃下保温40min,后随炉冷却至室温;
(4)将退火后的产品含浸于环氧树脂的丙酮溶液内30min,经过洗涤0.5min、180℃下烘烤60min后得到直插式一体成型共烧电感,见图2。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(1)中使用的原始粉末为D50=30μm的70g气雾化铁镍钼粉末与D50=15μm的30g气雾化铁硅铬粉末。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(2)中使用的铜导体为表面涂层为聚酰亚胺的铜导体。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(2)中使用的铜导体表面无涂层。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(3)中使用的退火气氛为纯氮气。
对比例5
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(3)中热处理条件为三段式梯度退火处理,退火方式为:第一阶段保温温度为200℃,保温时间为90min;第二阶段的保温温度为600℃,保温时间为90min;第三阶段的保温温度为800℃,保温时间为60min,最后随炉冷却至室温。
对比例6
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(3)中热处理条件为从室温迅速升温至800℃并保温60min,后随炉冷却至室温。
对比例7
本对比例与实施例1的区别在于,步骤(3)结束后完成,无环氧树脂含浸步骤。
实施例1与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4、对比例5、对比例6、对比例7特性测试结果如表1所示:
表1 实施例1与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4特性测试结果
项目 100kHz、1V下电感值(nH) 50kHz、100mT下功率损耗(Kw/m3 20A直流叠加后电感值(nH)
实施例1 112 113 92
对比例1 104 128 76
对比例2 101 467 83
对比例3 109 396 89
对比例4 105 188 86
对比例5 110 253 90
对比例6 102 477 85
对比例7 110 180 90
通过以上实施例与对比例可以看到,采用气雾化铁镍钼与气雾化铁镍粉末在还原气氛下、按照五段式的梯度退火曲线升温热处理后,具有最优的电感值、最优的损耗特性。将实施例1与对比例对比后发现,对比例2中,铜导体保留原有有机物质包覆层会在热处理过程中发生轻微分层,导致损耗特性恶化;对比例3中,若铜导体表面无涂层,则会大幅提升铜导体与粉末颗粒之间形成的涡流损耗,导致整体损耗升高;对比例5和6中,对于热处理过程,直接升温至最高或升温曲线过快,会因材料的热膨胀效果不同导致产品有微小裂纹或内应力未完全释放,导致损耗过高或电感值降低;对比例7中,热处理结束后,没有进行含浸工艺,虽然电磁特性优于其他对比例,但是在跌落测试实验中,电感器直接粉碎,毫无强度,因此现实生产中根本无法使用。
实施例2
(1)软磁金属粉末的预处理:将D50=30μm的60g气雾化铁镍钼粉末与D50=12μm的40g气雾化铁镍粉末混合均匀;向混合粉末中加入铬酸0.1g、磷酸0.5g、适量蒸馏水搅拌并加热,待粉末干燥后冷却至室温;向冷却粉末中加入硅酸铝镁粉末0.35g、纳米氧化铝粉末0.4g、钨酸锆粉末0.4g、钛酸脂偶联剂0.1g,同时加入适量蒸馏水搅拌并加热,待粉末干燥后冷却至室温;向冷却粉末中加入0.6g苯乙烯嵌段共聚物、0.5g热塑性聚氨酯、适量的丙酮搅拌并抽风,待粉末干燥后加入0.3g硬脂酸镁作为润滑剂并混合均匀;
(2)使用二氧化硅与六方氮化硼胶体涂覆倒U形铜导体,导体表面干燥后埋入步骤(1)处理后的软磁金属粉末中,使用1800MPa压力压制成型;
(3)使用还原气氛对步骤(2)得到的产品进行梯度退火处理,还原气氛为氢气与氮气的混合气体,其中氢气体积占混合气体体积的35%,氮气体积占混合气体体积的65%,退火方式为在300℃下保温50min、500℃下保温50min、600℃下保温60min、700℃下保温60min、800℃下保温40min,后随炉冷却至室温;
(4)将退火后的产品含浸于环氧树脂的丙酮溶液内30min,经过洗涤0.5min,180℃下烘烤60min后得到直插式一体成型共烧电感。
对比例8
本对比例与实施例2的区别在于,使用的原始粉末全部为铁硅铝粉末,且D50=30μm。
对比例9
本对比例与实施例2的区别在于,使用原始粉末全部为气雾化铁硅粉末,且D50=30μm。
对比例10
本对比例与实施例2的区别在于,步骤(1)中使用的钝化剂为0.6g磷酸的水溶液,钝化结束后直接加入2.35g环氧树脂进行包覆。
对比例11
本对比例与实施例2的区别在于,步骤1中粉末钝化之后加入的绝缘剂为1.25g纳米氧化镁粉末。
实施例2与对比例8、对比例9、对比例10、对比例11特性测试结果如表2所示:
表2 实施例2与对比例5、对比例6、对比例7、对比例8特性测试结果
项目 100kHz、1V下电感值(nH) 50kHz、100mT下功率损耗(Kw/m3 20A直流叠加后电感值(nH)
实施例2 118 116 96
对比例8 102 139 74
对比例9 93 465 81
对比例10 114 137 88
对比例11 116 124 90
根据表2可以看出,使用气雾化铁镍钼粉末混合气雾化铁镍粉末压制得到的产品明显具有高电感值、低损耗、高叠加的特性,这是因为气雾化铁镍钼粉末磁导率高、损耗最低,气雾化铁镍粉末直流叠加特性好、损耗特性远优于铁硅材料,因此混合后的粉末兼具了两种粉末的优点。而通过实施例2与对比例10、对比例11的结果可以看到,在磁导率相差不大的条件下,产品的损耗具有很大差别,这是因为产品损耗主要包含了磁滞损耗与涡流损耗,磁滞损耗是压制过程、热处理等带来的影响,而涡流损耗又包含了粉末颗粒内部的涡流、粉末颗粒之间的涡流、粉末与导体之间的涡流,只有粉末绝缘特性最够好,涡流损耗才会降低,实施例2中对粉末进行了钝化、绝缘、包覆的处理,使用的材料也都具有良好绝缘性,因此能够有效降低产品的涡流损耗,进而整体损耗优于对比例。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种直插式一体成型共烧电感,其特征在于,该电感由软磁金属粉末、倒U形铜导体两部分组成,铜导体两端伸出粉末外,其余部分埋于粉末中,铜导体和软磁金属粉末经过压制成型、梯度退火处理、含浸于树脂溶液、洗涤、烘烤后,得到直插式一体成型共烧电感;
其中,软磁金属粉末包括气雾化铁镍钼粉末、气雾化铁镍粉末、钝化剂、绝缘剂、包覆剂、润滑剂;
其中,以气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末的混合粉末质量为计算基础,气雾化铁镍钼粉末占混合粉末质量的60-70%,粒径D50为25-38μm,气雾化铁镍粉末占混合粉末质量的40-30%,粒径D50为10-15μm;
其中,钝化剂为磷酸和铬酸的混合溶液,铬酸质量占混合粉末质量的0.1-0.2%,磷酸质量占混合粉末质量的0.4-0.6%;
其中,绝缘剂为硅酸铝镁、纳米氧化铝、钨酸锆、钛酸脂偶联剂的混合物质;
其中,包覆剂为苯乙烯嵌段共聚物、热塑性聚氨酯的混合物质;
其中,铜导体表面涂覆了二氧化硅与六方氮化硼胶体;
其中,梯度退火处理有五个保温阶段,第一阶段保温温度为300-330℃,保温时间为30-50min;第二阶段的保温温度为490-510℃,保温时间为40-50min;第三阶段的保温温度为590-610℃,保温时间为50-70min;第四阶段保温温度为690-710℃,保温时间为50-70min;第五阶段的保温温度为790-800℃,保温时间为30-40min,最后随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种直插式一体成型共烧电感,其特征在于,所述润滑剂为硬脂酸镁、硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或几种,润滑剂质量占混合粉末质量的0.3-0.4%。
3.如权利要求1所述的一种直插式一体成型共烧电感,其特征在于,所述气雾化铁镍钼粉末粒径为D50=30μm,气雾化铁镍粉末粒径为D50=12μm。
4.如权利要求1所述的一种直插式一体成型共烧电感,其特征在于,所述硅酸铝镁质量占混合粉末质量的0.3-0.6%,纳米氧化铝质量占混合粉末质量的0.2-1.0%,钨酸锆质量占混合粉末质量的0.2-0.8%,钛酸脂偶联剂质量占混合粉末质量的0.1-0.2%;所述苯乙烯嵌段共聚物质量占混合粉末质量的0.5-1.0%,热塑性聚氨酯质量占混合粉末质量的0.4-1.2%。
5.如权利要求1所述的一种直插式一体成型共烧电感,其特征在于,所述铜导体表面的涂层厚度为1-2μm。
6.权利要求1所述直插式一体成型共烧电感的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
(1)软磁金属粉末的预处理;
(2)将倒U形铜导体两端伸出粉末外,其余部分埋入处理后的金属粉末中,使用1700-2100MPa高压进行压制成型;
(3)使用还原气氛对步骤(2)得到的产品进行梯度退火处理;
(4)将退火后的产品含浸于树脂溶液内,经过洗涤、烘烤后得到直插式一体成型共烧电感。
7.根据权利要求6所述的直插式一体成型共烧电感的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,软磁金属粉末的预处理包括软磁金属粉末的混合、钝化处理、绝缘处理、包覆处理和添加润滑剂,其中:
a)软磁金属粉末的混合:将气雾化铁镍钼粉末与气雾化铁镍粉末进行混合,得到混合粉末;
b)钝化处理:使用钝化剂钝化混合粉末,得到钝化后的混合粉末;
c)绝缘处理:使用绝缘剂对钝化后的混合粉末进行绝缘处理;
d)包覆处理:使用包覆剂包覆绝缘处理后的混合粉末;
e)添加润滑剂:将润滑剂加入到包覆后的混合粉末中。
8.根据权利要求6所述的直插式一体成型共烧电感的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,还原气氛为氢气与氮气的混合气体,其中氢气体积占混合气体体积的30-50%,氮气体积占混合气体体积的50-70%。
9.根据权利要求6所述的直插式一体成型共烧电感的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,树脂溶液为环氧树脂的丙酮溶液,含浸时间为30-50min,含浸后洗涤时间为0.5-1.0min,烘烤条件为160-180℃条件下保温60-80min。
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