CN1506983A - 复合磁性材料，及使用该复合磁性材料的磁芯和磁性元件 - Google Patents

Abstract

通过加压模塑铁合金磁性颗粒制成的常规单片模塑型电感器，当其置于高温环境下时，它们的绝缘电阻存在急剧降低的问题。通过将亚铁结晶合金磁粉与亚铁非晶合金磁粉混和获得复合磁粉，并另外加入混和磁粉的1－10wt％的连接剂，制备复合磁性材料用于电子元件中。此外，磁芯由复合磁性材料加压模塑制成，且线圈埋在磁芯中，获得诸如电感器的磁性元件。

Description

复合磁性材料，及使用该复合 磁性材料的磁芯和磁性元件

发明背景

1、发明领域

本发明涉及含有铁合金的磁性材料，以及用该磁性材料构成的诸如电感器的磁性元件和磁芯。

2、相关技术描述

近年来，laptop计算机和服务器的MPUs的处理速度变得越来越快，导致电流供给量急剧增大。

在实现较高的开关频率，以制造更小的DC-DC转换器上已取得了显著的进步，随后就要求DC/DC转换器中所用电感器的电感更低。

此类电感器通常通过采用铁氧体磁性体实现；然而，尽管铁氧体磁性体具有高的磁导率，适合于高的电感，但它在0.3T(泰斯拉)和0.4T之间具有相对较低的饱和磁通密度，因而当施加大电流时，往往变得磁饱和，使其不适于满足较大电流的要求。相反，包含金属磁性体的压粉铁芯的饱和磁通密度为约0.8T，由于当施加大电流时不会发生磁饱和，使其能通过大电流。

包含两倍于铁氧体的饱和磁通密度的金属磁性材料的压粉铁芯也非常适合于小型化。在图3所示的troidal磁芯中，其中磁通路径的平均长度为A，截面积为S，线圈数为N，线圈电感为Lo，饱和电流值为Is，磁导率为μ，饱和磁通密度为Bm，可用以下公式表示：

Is＝Bm·A/(μ·N)         (1)

Lo＝μ·S·N²/A           (2)

从公式(1)中，平均磁通路径长度A为

A＝μ·N·Is/Bm           (3)

将其插入公式(2)中得到截面积S

S＝Is·Lo/(N·Bm)         (4)

且troidal磁芯的体积V(V＝A·S)为

V＝(μ/Bm²)·Is²·Lo      (5)

因此，当确定了Is和Lo的值时，要求的磁芯体积就与μ/Bm²成正比。

当使用铁氧体磁性体作为电感器时，通常在磁回路中提供间隙，以改善磁饱和特性。铁氧体材料本身具有高磁导率，但当提供间隙时，有效磁导率μe就降低到约40，与金属磁性体的值基本相同。当制造的金属磁性体压粉铁芯的有效磁导率与铁氧体铁芯基本相等时，所要求的铁芯体积更小，与Bm²成反比。由于包含金属磁性体的压粉磁芯的饱和磁铁密度Bm约为铁氧体的两倍，采用金属磁性体的电感器中磁性体的体积可减小到铁氧体体积的约1/4，实现了实质上的小型化。

单片模压型电感器包含缠绕型线圈和板状导体，它们掩埋在通过向磁粉中加入绝缘连接剂而形成的复合磁粉中，并可同时实现电流的增大和小型化，适合于这些要求。其简单结构使其很容易搭建，并能廉价地制造。图1和2表示单片模压型电感器的结构实例。

图1所示的电感器包含埋于由磁粉加压成型的模压体1中的缠绕型线圈2，磁粉颗粒表面已在模压前进行绝缘处理。通过粘合剂，或通过将电极3部分掩埋在模压体1中，或通过另一种此类方法，将电极与模压体1连接，并与线圈2的端点连接。

图2所示电感器用弯曲的平板状电感器4代替图1的缠绕线圈；板状电感器4掩埋在模压体1中，且板状导体4的端部从模压体1伸出，形成电极3。

如图4所示，单片模压型电感器等效地包含在两个电极3之间并联连接的模压体1的电感L和绝缘电阻Rz。当绝缘电阻Rz由于高温破坏等因素降低时，流过绝缘电阻Rz的电流增大，加热并提高了模压体的温度。随着模压体的温度升高，热损坏就增加，造成绝缘电阻Rz进一步降低，从而产生更多的热量。这一现象可逐步加速，直至电感器达到热击穿，损坏电感器和周围的电子元件，包括基板。

图5表示当在降压DC/DC转换器中与电感L并联连接的电阻R的值改变时，转化效率的变化的测量值。当并联电阻R的值较高时，效率没有变化，但在低于约10kΩ处效率开始降低，此后急剧下降。因此，10kΩ可认为是单片模压型电感器中绝缘电阻的低限。

日本专利申请公开No.1997-120926描述了传统的采用纯铁磁粉的加压成型电感器。日本专利申请公开No.2002-289417公开了常用的采用铁合金磁粉的电感器，其中加入了Cr、Si等。在这种磁粉上形成了磷酸、硼酸等的氧化物膜，用耐热的热固性树脂涂覆磁粉颗粒，以提高它们的绝缘特性并附带连接力，从而获得复合磁粉，用于构成诸如图1所示的电感器。将这种复合磁粉进行加压成型，得到7mm宽、7mm厚和3mm高的模压体1，并在加压成型后在150℃下将模压体1加热1小时。

图6表示当将这些电感器置于150℃高温环境下时绝缘电阻的下降特性。如图6所清晰表示的，尽管绝缘电阻的初始值很高，但在150℃的环境下，绝缘电阻随时间而减小。在纯铁粉的情况下，绝缘电阻在100小时后降到10kΩ，这是由早先的电路操作中得出的绝缘电阻的低限值；在包含5％Cr、3％Si，其他为Fe的合金磁粉的情况下，绝缘电阻降到相同的水平用了2000小时。

可有效防止高温下绝缘电阻降低的常用公知方法包括用诸如硅或玻璃等的耐热树脂涂覆金属磁粉，并在加压成型后，在几百度高温下退火。然而，在具有图1和2所示结构的电感器的情况下，诸如环氧树脂的热固性树脂用作绝缘连接剂，而聚氨酯树脂薄膜等用作线圈材料的绝缘膜，使其不可能在几百度高温下退火，通常是为了减小在加压成型时间下的残余应力，因为此类树脂会碳化。

测试表明，绝缘电阻的下降速度符合阿伦尼乌斯反应式，即“温度每升高10℃的时间内，反应速度就加倍”。即当绝缘电阻降到给定值所用的时间，在温度Ta℃的环境下用La表示，在温度Tb℃的环境下用Lb表示，假设Tb＞Ta，则基于阿伦尼乌斯反应式，可用以下公式表示：

La＝Lb×2^(Tb-Ta)/10                          (6)

在PC机、服务器等的实际使用中的最高温度可认为约100℃。因此，基于图6所示150℃下“绝缘电阻降到10kΩ用的时间”(以下称为“寿命”)，可从式(6)估计出在100℃下的寿命，在纯铁粉情况下为3200小时，在铁合金磁粉情况下为64000小时。考虑到服务器等在常规操作下具有10年的产品寿命，上述时间就非常短。近年来随着电源装置的小型化和容量的进展，电感器要求的温度环境日益严酷，因此现在要求在100℃下具有至少10年的寿命。

另一方面，非晶合金磁粉在颗粒表面产生了比结晶合金磁粉更稳定的氧化物膜，而且没有结晶合金磁粉中存在的那种晶体颗粒界面，得到更稳定的颗粒表面。图6还表示当用非晶合金磁粉作为复合磁性材料时，绝缘电阻的下降特性，可见此时绝缘电阻的下降小于其他材料，使其特别稳定。

表1表示当磁粉材料改变时，压缩粉、芯的特性比较。非晶合金磁粉(c)的绝缘电阻下降非常小，但其磁特性和电特性都比纯铁粉(a)和亚铁的结晶合金磁粉(d)的差。此外，非晶合金磁粉(c)本身是相当硬的材料，在加压成型时表现出很小的塑性变形；这样会导致颗粒间的粘合性差，并最终使压缩粉磁芯成型体的强度变弱。

                          表1

	(a)	(b)	(c)	(d)
					压缩粉芯材料	纯铁粉	结晶合金磁粉	非晶合金磁粉	非晶合金磁粉
退火	不	不	不	是
					实际的磁导率	好	一般	差	好
直流重叠特性	好	一般	一般	好
					磁芯损耗	好	一般	一般	好
绝缘电阻下降特性	差	一般	好	好
					加压模塑特性	好	好	差	差

为了获得非晶合金磁粉的原始磁特性，必须通过退火释放加压成型时的残余应力等。退火改善了非晶合金磁粉除加压成型特性外的所有特性，如表1所示。然而，退火温度升高到约470℃，该温度处于非晶合金的玻璃化转化温度与开始结晶温度之间。由于连接用树脂和导线的绝缘膜树脂在该温度下会碳化，不可能在图1和2所示结构的单片模压型电感器中采用这种非晶合金磁粉。

在用热固性树脂作为连接材料的复合磁性材料的单片模压型电感器中，由于电极与复合磁性材料接触，绝缘电阻与电感并联等效进入复合磁性材料。当复合磁性材料包含可锻铸铁磁粉或亚铁合金磁粉时，绝缘电阻在高温环境下急剧降低。当绝缘电阻降到10kΩ以下，而线圈在工作时，电感器将热失效并导致磁泄漏；因此，很难实际采用这种单片模压型电感器。

                        发明概述

因此，本发明的目的是减小在适用于单片模压型电感器的复合磁性材料中，绝缘电阻在高温环境下的降低。

本发明提供了一种复合磁粉，通过将亚铁结晶合金磁粉与亚铁非晶合金磁粉混和，并另外加入混和磁粉的1-10wt％的连接剂而获得。本发明还提供了用该复合磁性材料加压成型获得的磁芯，以及包含线圈或掩埋在磁芯中的平板状导体的磁性元件。

                        附图简述

图1是表示电感器的第一实施例的透视图；

图2是表示电感器的第二实施例的透视图；

图3是troidal线圈的透视图；

图4是单片模压型电感器的等效电路图；

图5表示采用并联电阻的DC/DC电感器转换率的变化图；

图6表示150℃下绝缘电阻的下降特性图；

图7表示与本发明的复合磁性材料的混和比相关的磁导率的特性图；

图8表示与本发明的复合磁性材料的混和比相关的磁芯损耗的特性图；

图9表示与本发明复合磁性材料的混和比相关的绝缘电阻的特性图；和

图10表示与绝缘连接材料的混和量相关的模压体的绝缘电阻和磁导率的变化的图。

                        发明优选实施方式

以下将解释本发明的实施方式。首先，制备几种混和磁粉，包括分别以10-90wt％和90-10wt％的匹配比例，将亚铁结晶合金磁粉与亚铁非晶合金磁粉混和，并将含有混和磁粉的3wt％的绝缘连接剂混入这些混和磁粉中(100wt％)，获得几种复合磁性材料。

Si和Cr占这些复合磁性材料的结晶合金磁粉的7wt％，剩余部分包括铁；在非晶合金磁粉的情况下，Si和Cr占7wt％，其余为铁。加入诸如硬脂酸氯的几个wt％的光滑剂，并与含有环氧树脂绝缘连接剂的复合磁性材料颗粒混和，干燥所得混合物并成型为粒状颗粒。将这些磁性颗粒填入压模中，模压制备外径14mm、内径10mm，厚3mm的环状磁芯，并在150℃下热固化1小时。

顺便说说，结晶合金磁粉和非晶合金磁粉的平均粒径优选的都为1-50μm。当平均粒径小于1μm时，模压体的有效磁导率就不足，而粒径大于50μm会导致涡流损耗太大。

图7和9表示由具有不同的结晶合金磁粉与非晶合金磁粉的混和比例的复合磁性材料颗粒加压成型的环状磁芯的特性。图7表示在1MHz处的磁导率，图8表示在300kHz频率和40mT磁通密度下的磁芯损耗。图9表示在150℃下加热200小时后施加25V的直流电压测量的绝缘电阻的变化。如图7所示，当结晶合金磁粉的比例在25-90wt％之间，而非晶合金磁粉的比例在75-10wt％之间时，它们的磁通率都高于单纯使用二者之一时的磁通率。如图8所示，在高频和高功率下是一个问题的磁性体的磁芯损耗也得到改善。

如图9所示，结晶合金磁粉的比例越低，绝缘电阻的下降越小。然而，当结晶合金磁粉的用量太少时，就存在模压体的强度差的问题。考虑到模压体的强度，混和的磁粉中结晶合金磁粉的掺和比应优选的大于60wt％。因此，考虑到图7和8结合的结果，混和磁粉的混和比应为60-90wt％的结晶合金磁粉，和40-10wt％的非晶合金磁粉。

图10表示当包含75wt％的结晶合金磁粉和25wt％的的非晶合金磁粉的混和磁粉中的绝缘连接剂的掺和量改变时，环状磁芯的磁导率和绝缘电阻的变化曲线。如图10所示，为了避免磁导率明显降低，并获得具有良好抗跌特性的绝缘电阻，绝缘连接剂的用量应在3-4.5wt％之间。

通过将相对较软的结晶合金磁粉与相当坚硬的非晶合金磁粉混和并加压模塑，可获得比单独使用这些磁粉时更好的磁导率和磁芯损耗。假设通过将它们混和可获得新的物理现象。这种物理现象在下文中将称为“最大密度填充作用”。如上所述，通过混和结晶合金磁粉和非晶合金磁粉实现的这种“最大密度填充作用”，不仅改善了绝缘电阻的抗跌特性(这是最初的目的)，而且通过协同作用，获得了优异的磁特性；因此可认为具有极大的发展前景。

图6所示混和磁粉的特性是当结晶合金磁粉和非晶合金磁粉分别以70-80wt％和30-20wt％的匹配比例混和时的特性。如图6所示，尽管混和磁粉绝缘电阻下降的比率低于单独使用非晶合金磁粉时的比率，但比单独使用结晶合金磁粉时的要好。由上述计算得出的结晶合金磁粉在100℃下的寿命为64000小时，而此处为128000小时。这可认为是对于laptop计算机、服务器等的常规用途而言足够的寿命。

此外，“最大密度填充作用”实现了比单独使用结晶合金磁粉和非晶合金磁粉更高的磁导率和更低的磁芯损耗，根据混和比不同，这种改善比单独使用时好10-20％。在本发明的测试中，这种改善在10-20％之间，但在深入研究后还能得到更大的提高。

本发明的复合磁性材料通过将结晶合金磁粉与非晶合金磁粉混和，并另外混入绝缘连接剂获得。通过复合磁性材料的加压模塑得到的磁芯，以及包含线圈或埋在磁芯中的平板状导体的磁性元件在高温下的绝缘电阻下降特性比仅包含非晶合金磁粉的情况要差。然而，加压模塑得到的磁性元件的问题，即“磁导率不增加，模塑体的机械强度弱，且需要高温退火”等，通过采用由结晶合金磁粉与非晶合金磁粉混和获得的磁粉而得到极大改善。

通过采用本发明的复合磁粉，可改善诸如磁导率和磁芯损耗的特性，并能获得绝缘电阻降低较小的高可靠性磁芯和磁芯元件。此外，这种复合磁性材料具有优异的加压成型性能，使得由其获得的磁芯和磁性元件具有高机械强度。采用包含金属磁性材料的压粉铁芯的单片模塑型电感器能通过大电流，适合于小型化和降低成本，并适于得到理想的结果；通过本发明获得的在电性能和绝缘电阻下降特性上的改善向其实际应用迈出了重要的步伐。

Claims (7)

1、一种复合磁性材料，通过将亚铁结晶合金磁粉与亚铁非晶合金磁粉混和，从而获得复合磁粉，并另外加入混和磁粉的1-10wt％的连接剂而获得。

2、根据权利要求1的复合磁性材料，其中混和磁粉中结晶合金磁粉与非晶合金磁粉的混和比分别为60-90wt％和40-10wt％。

3、根据权利要求1或2的复合磁性材料，结晶合金磁粉的组合物包含3-12wt％的成分X和剩余部分的铁，非晶合金磁粉的组合物包含6-20wt％的成分Y和剩余部分的铁，成分X包含Si、Cr、Ni、Nb、Ca、Ti和Mg的至少一种，而成分Y包含Si、Cr、Ni、Co、Mo、B和C的至少一种。

4、根据权利要求1到3之一的复合磁性材料，结晶合金磁粉与非晶合金磁粉的平均粒径为1-50μm。

5、通过根据权利要求1到4之一的复合磁性材料的加压模塑获得的磁芯。

6、包含至少一个线圈绕组的磁性元件，其中线圈埋在根据权利要求5的磁芯中。

7、包含至少一个弯曲的平板状电感器的磁性元件，其中电感器埋在根据权利要求5的磁芯中。

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