JP2016025352A

JP2016025352A - 軟磁性金属粉末及びその製造方法

Info

Publication number: JP2016025352A
Application number: JP2015137946A
Authority: JP
Inventors: ヒュンジュン、ジ; Ji Hyung Jung; シクヨーン、ジョン; Jong Sik Yoon; ジャエリー、スン; Soon-Jae Lee; ウクセオ、ジュン; Jung Wook Seo
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-02-08

Abstract

【課題】本発明は、飽和電流、インダクタンス、透磁率、コオロス値に優れたパワーインダクタを製造するためのFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末及びその製造方法を提供する。【解決手段】ナノ結晶粒が形成されている球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末であって、ナノ結晶粒の大きさが１０〜２０ｎｍで、ワーデルの球形度は０．８以上１．０以下で、平均粒径は１０μｍ以上５０μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性金属粉末及びその製造方法に関する。

最近、無線通信端末（携帯電話）は通話機能だけでなく、インターネット、動画、ゲームなど、様々な機能が同時に具現されるスマートフォンとして発展している。スマートフォンは、多様な機能を実行するため高性能のＣＰＵが必要になり、これにより高周波数特性及び高電流用受動素子を必要とすることになる。そのため、電源端において電流の急激な変化を抑制する機能を有するパワーインダクタは、スマートフォンの発展に伴って次第に高周波数及び高電流で使用できる品質が要求される。

このため、パワーインダクタの製造時に用いられる軟磁性金属粉末は、高透磁率及び低いコアロスを有する必要がある。

大韓民国公開特許公報第２０１０−００２２４７１号

本発明は、飽和電流、インダクタンス、透磁率、コオロス値に優れたパワーインダクタを製造するためのFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を提供することに、その目的がある。

本発明の他の目的は、飽和電流、インダクタンス、透磁率、コオロス値に優れたパワーインダクタを製造するためのFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によれば、ナノ結晶粒が形成されている球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末であって、ナノ結晶粒の大きさが１０〜２０ｎｍで、ワーデルの球形度（Wardell's sphericity, ψ）は０．８以上１．０以下で、平均粒径は１０μｍ以上５０μｍ以下である球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末が提供される。

また、前記目的を達成するために、本発明によれば、ナノ結晶粒が形成されている球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末であって、ナノ結晶粒の大きさが１０〜２０ｎｍで、ワーデルの球形度（Wardell's sphericity,ψ）は０．８以上１．０以下で、平均粒径は１０μｍ以上５０μｍ以下である球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を含むパワーインダクタが提供される。

また、本発明による軟磁性金属粉末の製造方法は、FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意するステップと、前記FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を溶融するステップと、ガス噴霧工程によって前記FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末で製造するステップと、前記球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を熱処理してナノスケールの結晶粒を設けるステップとを含む。

本発明によれば、ナノ結晶粒が形成されている球形の形態を有するので、インダクタンス、透磁率、コオロス値に優れたパワーインダクタを製造することができる。

本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の断面図である。従来のアモルファス軟磁性金属粉末のＴＥＭ写真である。本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末のＴＥＭ写真である。本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法を示す流れ図である。本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法で用いられるガス噴霧工程（gas atomization）の概略図である。本発明の実施例と各比較例とのインダクタンスの関係を示すグラフである。本発明の実施例と各比較例との透磁率の関係を示すグラフである。本発明の実施例と各比較例とのコオロスの関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態は図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されることができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下に示している各実施の形態に限定されることなく他の形態で具体化されることができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることができる。明細書全体に渡って同一の参照符号は同一の構成要素を示している。

本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は文句で特別に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる「含む」とは、言及された構成要素、ステップと、動作及び／又は素子は、一つ以上の他の構成要素、ステップと、動作及び／又は素子の存在または追加を排除しないことに理解されたい。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の断面図で、図２ａは従来のアモルファス軟磁性金属粉末のＴＥＭ写真で、図２ｂは本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末のＴＥＭ写真である。

図１、図２ａ、及び図２ｂを参照して、本発明の一実施形態によるFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、ナノスケールの結晶粒が形成され、球形の形状を有する。

インバータ、トランス、インダクタなどに用いられる軟磁性材料には、パーマロイ（permalloy, Fe−Nialloy）,センダスト（Sendust, Fe−Si−Al）またはFINEMET（Fe−Si−B−Nb−Cu）等が挙げられ、軟磁性材料に軟磁気的性質を付与するために強磁性材料を合金形態で含んでいる。

図１を参照して、本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末１００は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ大きさのナノスケールの結晶粒１１０が形成されているこが分かる。ナノスケールの結晶粒がFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末に形成されていると、金属粉末の最終組織が既にナノスケールに決定化された状態であるため、後続の熱処理工程において組織の結晶化が抑制され、熱への安定性が優れ、アモルファスの軟磁性金属粉末に比べて高い透磁率が見える。

本発明の実施形態によるFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、組成式Fe_aSi_bB_cNb_dCu_eで表すことができ、７３原子％≦ａ≦７７原子％、１０原子％≦ｂ≦１４原子％、９原子％≦ｃ≦１１原子％、２原子％≦ｄ≦３原子％、０．５原子％≦ｅ≦１原子％、及びａ+ｂ+ｃ+ｄ+ｅ=１００を満たすことができる。この時、各元素の組成比により透磁率を変化させることができ、該透磁率の変化に応じてインダクタのインダクタンスを調節することができる。

本発明の実施形態によるFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、球形で形成され得る。

本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、２０〜３０μｍの平均粒径で形成され、球形の形態によってパワーインダクタなど電子部品の製造時に充填率を高めることができる。このように高くなった充填率によって、高い透磁率が具現され得る。

粒子の形状が球形に近いかどうかを判断する指標として、ワーデルの球形度（Wardell's sphericity,ψ）が知られている。このワーデルの球形度（ψ）は実粒子の表面積と該実粒子と同じ体積を有する球の表面積との比率として、下記の数式によって定義される。
Ψ＝実粒子と同じ体積を有する球の表面積／実粒子の表面積 …（数式１）

一般に、任意の体積を有する粒子において、球形の形状を有する粒子の表面積が一番小さいが、ワーデルの球形度（ψ）は、通常の粒子では１以下の数値を有し、完全な球状の場合は１に収束することになる。

本実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、ワーデルの球形度が０．８以上１．０以下の範囲を有することができる。

本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末が、ワーデルの球形度（ψ）を基準として０．８未満の場合、金属粉末の充填率向上の効果が微小であるが、ワーデルの球形度（ψ）の定義を考えると、１．０超の球形度を有する球形粉末は存在し得ない。

図３は、本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法を示す流れ図であり、図４は本発明の実施形態による球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法で用いられるガス噴霧工程（gas atomization）の概略図である。

図３及び図４を参照して、本発明の実施形態のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法は、FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意するステップと、前記軟磁性金属材料を溶融するステップと、前記溶融した軟磁性金属材料をガス噴霧工程によって球形の軟磁性金属粉末に製造するステップと、前記軟磁性金属粉末を熱処理してナノスケールの結晶粒を設けるステップとを含む。

FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意するステップでは、インゴット（ingot）形態でFeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意するが、これに限定されるものではない。例えば、粉末など他の形態でもFeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意してもよい。

前記軟磁性金属材料を溶融するステップでは、FeSiBNbCu系軟磁性金属材料の融点（melting point）以上の温度である１,２５０℃以上の温度で加熱し、該軟磁性金属材料を溶融させるが、必要に応じて、１,６００℃まで温度を加えてもよい。

前記溶融した軟磁性金属材料をガス噴霧工程によって球形の軟磁性金属粉末を製造するステップでは、該溶融した軟磁性金属材料を液滴状態で流れる水の中で落下させ、急冷させて、球形の軟磁性金属粉末を形成することになる。

ガス噴霧工程装置４００は、溶融したFeSiBNbCu系軟磁性金属材料４１１を貯蔵している貯蔵タンク４１０と、この貯蔵タンク４１０から落下する軟磁性金属溶融液滴４１２を受け取る水槽４３０と、この水槽４３０内の水４３１と、前記溶融液滴４１２の落下時に不活性ガス４２１を吹くノズル４２０と、前記水槽４３０内で球形に形成された軟磁性粉末を回収する回収装置４４０とを含む。

前記軟磁性金属粉末を熱処理してナノスケールの結晶粒を設けるステップでは、球形に形成された軟磁性金属粉末を５２０〜５６０℃の温度で３０〜９０分間熱処理して、球形の軟磁性金属粉末にナノスケールの結晶粒を形成させることができる。

この時、熱処理温度及び熱処理時間は、軟磁性金属粉末の粒子の大きさなどによって調節することができる。

実施例（結晶粒−球形） Fe_７３．５Si_１３．５B_９Nb_３Cu_１組成の軟磁性金属材料を溶融し、ガス噴霧工程によって球形の軟磁性金属粉末を製造後、５２５℃の温度で３０分間熱処理して、球形の軟磁性金属粉末にナノスケールの結晶粒を形成する。

前記ナノスケールの結晶粒が形成られた球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末をエポキシ系バインダーで混合後、トロイダル形態のコアを複数製造する。

前記コア中の１つに銅線で１０回巻線後、インピーダンスアナライザーでインダクタンス及び透磁率を測定する。

また、前記コア中の他の１つに銅線で一次に６０回巻線後、該１次巻線の上に２次に銅線を１０回巻線後に、B−Hアナライザーでコオロスを測定する。

比較例１（アモルファス−球形） Fe_７３．５Si_１３．５B_９Nb_３Cu_１組成の軟磁性金属材料を溶融し、ガス噴霧工程によって球形の軟磁性金属粉末を製造する。

前記球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末をエポキシ系バインダーで混合後、トロイダル形態のコアを複数製造する。

比較例２（結晶粒−比丘型） Fe_７３．５Si_１３．５B_９Nb_３Cu_１組成の軟磁性金属材料をボールミルによってミリングして、FeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を形成する。

前記FeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を５２５℃の温度で３０分間熱処理して、軟磁性金属粉末にナノスケールの結晶粒を形成する。

前記ナノスケールの結晶粒が形成されたFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末をエポキシ系バインダーで混合後、トロイダル形態のコアを複数製造する。

図５、図６、図７、及び表１から分かるよう、本発明の実施形態である球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を用いたパワーインダクタの場合が、インダクタンス及び透磁率が最も高く、コアロスが最も低いことが分かる。

従って、本発明の実施形態によるナノ結晶粒が形成されている球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末は、その優れた特性によって、バインダーと結合して積層型インダクタの磁性本体として、または巻線型インダクタのコイルが巻き取られる磁心として用いられることができ、樹脂と結合して磁性粉末−樹脂複合材を構成して薄膜型インダクタの本体として用いられることもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００軟磁性金属粉末
１１０ナノスケールの結晶粒
４００ガス噴霧工程装置
４１０貯蔵タンク
４１１軟磁性金属材料
４１２溶融液滴
４２０ノズル
４２１不活性ガス
４３０水槽
４３１水
４４０回収装置

Claims

ナノ結晶粒が形成されている球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
前記ナノ結晶粒の大きさは１０〜２０ｎｍである、請求項１に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
前記軟磁性金属粉末のワーデルの球形度は０．８以上１．０以下である、請求項１または２に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
前記軟磁性金属粉末の平均粒径は１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
前記軟磁性金属粉末は組成式Fe_aSi_bB_cNb_dCu_eによって表現され、
ここで、７３原子％≦ａ≦７７原子％、１０原子％≦ｂ≦１４原子％、９原子％≦ｃ≦１１原子％、２原子％≦ｄ≦３原子％、０．５原子％≦ｅ≦１原子％及びａ+ｂ+ｃ+ｄ+ｅ=１００を満たす、請求項１から４のいずれか一項に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
前記軟磁性金属粉末は組成式Fe_７３．５Si_１３．５B_９Nb_３Cu_１によって表現される、請求項５に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末。
FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を用意するステップと、
前記FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を溶融するステップと、
ガス噴霧工程によって前記FeSiBNbCu系軟磁性金属材料を球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末で製造するステップと、
前記球形のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末を熱処理してナノスケールの結晶粒を設けるステップとを含む、FeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法。
溶融するステップの温度は１,２５０℃以上１,６００℃以下である、請求項７に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法。
前記熱処理の温度は５２０℃以上５６０℃以下である、請求項７に記載のFeSiBNbCu系軟磁性金属粉末の製造方法。