一体化成型电感铁粉心软磁复合材料研究进展

一体化成型电感铁粉心软磁复合材料研究进展一体化成型电感铁粉心软磁复合材料研究进展陶龙旭,fn-I俊彦,张怀武,钟智勇(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054)摘要:一体化成型电感是具有小体积,超薄和大电流下应用的新型功率电感器,对其制备材料的研究主要集中在铁粉心软磁复合材料上.分析了一体化成型电感的国内外研究和生产状况及其对铁粉心材料的要求.综述了铁粉心材料的理论,实验研究进展,分析了现行一体化成型电感用铁粉心材料研究中的不足,指出了一体化成型电感用铁粉心材料的研究重点是提高其磁导率.最后展望了铁粉心材料未来的发展趋势.关键词:一体化成型电感;铁粉心;磁导率;损耗中图分类号:TM271.2文献标识码:A文章编号:1001-3830(2012)01?000105ResearchprogressinironpowdercoresoftmagneticcompositematerialsformoldinginductorTAOLongXU,HEJunyan,ZHANGHuaiwu,ZHONGZhiyongStateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,ChinaAbstract:MoldinginductoriSakindofnovelpowerinductorwithsmallvolumeandultra.thinthicknessforhighcurrentapplications.Theresearchofmoldinginductorisfocusedonironpowdercoresoftmagneticcompositematerials.Thestatusquoofworldwidemoldinginductorproductionandresearchisanalyzed.themoldinginductordemandsforironpowdercoresoftmagneticcompositematerialsiSalsoanalyzed.Thetheoryandexperimentresearchdevelopmentsinironpowdercoresoftmagneticcompositematerialsarereviewed.Theshortcomingsintheresearchinironpowdercoresoftmagneticcompositematerialsareanalyzed,anditispointedoutthattheincreasingofpermeabilityiStheresearchfocusonironpowdercoreSOftmagneticcompositematerials.Finally,thedevelopmenttrendofironpowdercoreSOftmagneticcompositematerialsinfutureiSproposed.Keywords:moldinginductor;ironpowdercore;permeability;powerlossl引言随着计算机中央处理器(CPU),现场可编程门阵列(FPGA)以及不同种类的片式专用集成电路(ASIC)的发展,低电压大电流成了DCDC电源的发展趋势.为获得大电流的电路技术,不仅只用一个DC.DC变换器电源电路,现在以几个DCDC变换器组成多相型电源电路已占主流.伴随多相型电源电路技术,需要的功率电感器数量进收稿日期:2011-05.14修回日期:2011-06.07基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100185l10024)通讯作者:钟智勇Email:.ca磁性材料及器件2012年2月一步增多,与过去产品相比较,对应节省空间和高密度组装技术,迫切要求功率电感器进一步小型化,薄型化.早期的功率电感器一般使用铁氧体磁心,以EI形磁心绕上粗线圈为主要结构,铁氧体磁心制作的功率电感器已不满足小型薄型化的需求.故而一种新型的一体化成型电感应运而生.它是在压制成型时利用磁性粉末将绕制好的线圈包覆,线圈被包覆在磁心内部构成整体结构.一体化成型电感具有小型,高性能,低功耗,低噪音,防潮,防振动等特点,同时工作频率高,可在下一代移动设备,台式电脑,服务器,显卡和汽车系统,超薄大电流电源及载荷点(POL)转换器,分布式电源系统及FPGA等终端产品上得到广泛应用【2J.在一体化成型电感的原料选择方面,由于电感工作在大电流条件下,要求材料要有好的直流叠加特性.传统的铁氧体材料由于饱和磁化强度低,抗直流特性能力不强,而具有高饱和磁化强度,中高频磁损耗小且价格低廉的铁粉心软磁复合材料重新引起人们的注意,成为制备一体化成型电感的主要材料.国内外对铁粉心软磁复合材料进行了很多研究j】,但是对其在一体化成型电感上的应用介绍不多.本文主要分析了一体化成型电感的国内外研究和生产状况及其对铁粉心软磁复合材料的要求,综述了铁粉心软磁复合材料的理论,实验研究现状,指出了这些材料目前存在的不足,并展望了铁粉心软磁复合材料未来的发展趋势.2一体化成型电感的研究与生产状况一体化成型电感的制备工艺很多6-13】,现简要介绍其中中,如图1所示【】引.前几年美国Vishay及日本Panasonic已开发出一体化成型电感技术,其产量超过全球产量90%以上,最近几年中国(内地及台湾)各电感厂商加大研发力度.国内的华立,科达嘉和奋发电子等电感生产商,已经开发出一系列型号的一体化成型电感.在电感量方面美国的Vishay产品已经将0.047gH提高至100gH,在尺寸成型磁心模具I提供特制线圈lJr线圈放在模具的可容空间里模具侧壁上方施加压力,迫使侧壁解构重新分布包覆线圈热处理磁心电感表面防锈处理l弯曲线圈末端使其平铺在电感底面I图1一体化成型电感制备工艺流程方面其最小可以达到4.45x4.06x1.2mm.国内几家电感生产商生产的一体化成型电感同Vishay及Panasonic相比,在尺寸方面尤其在电感量方面还存在很大差距.提高一体化成型电感的电感量所遇到的瓶颈问题是:如何提高铁粉心软磁复合材料的磁导率.表1列出了主要的一体化电感生产商及产品.表1国内外一体化成型电感主要生产商及其产品科达嘉CSA1235CSA1235CSA1235.R10MCSA1235100M0.8304O.963484l4437KJ0730.R22MK儿370.4R7M0I224.73一体化成型电感对铁粉心软磁材料的要求利用铁粉心材料制备一体化成型电感时,主要考虑的影响因素有铁粉心材料颗粒粒度,绝缘层厚217.666x7.5x3.1l2_312.7xl3.8x7.0度,粘附性和热稳定性.下面简要介绍各因素的影响:(1)颗粒粒度铁粉心材料的颗粒粒度直接关系到电感涡流JMagnMaterDevicesVol43Nol损耗,由涡流损耗系数与晶粒半径的平方成正比的关系可知,粒度越细涡流损耗越低;另一方面颗粒粒度越细,磁导率越小,不利于电感量的提高.(2)绝缘层厚度铁粉表面的绝缘层越厚,电阻率越高,涡流损耗越低.然而,随绝缘层厚度的增加,磁性材料铁粉的填料比降低,导致磁导率降低.因此,在绝缘层包覆完整的情况下通常希望绝缘层越薄越好.(3)绝缘层粘附性一体化成型电感压制成型时的压力越大,磁导率越高,电感量也越大.若铁粉心绝缘层和铁粉的粘附性很差,压力稍大就会导致铁粉表面的绝缘层破裂,从而降低绝缘效果.但值得注意的是,增大压力对磁导率的提高是有极限的,过大的压力对模具的损伤也是限制成型压力的一个因素J.(4)绝缘层的热稳定性压制成型后的热处理可以减小电感压制成型过程中产生的残余应力,降低磁滞损耗.若绝缘层的热稳定性很差,绝缘层的电阻率随温度升高急剧减小,会导致涡流损耗增大.因此对于制备_.体化成型电感的铁粉心软磁复合材料来说,必须具有合适的颗粒粒度,薄的绝缘层和良好的粘附性和热稳定性.4一体化成型电感铁粉心软磁材料研究进展4.1理论研究铁粉心软磁复合材料的性能取决于它的组成和制备工艺.为了提高铁粉心的性能,除了要考虑最佳制备工艺外,还需从理论和实验上对铁粉心材料的组成进行优化设计.Anhalt等【】5j研究了聚丙烯粘结铁粉心中铁粉含量变化对材料磁导率和矫顽力的影响.研究发现,随铁粉含量增大,材料磁导率变大,矫顽力线性减小,两者之间的关系与N6el公式十分符合.对磁路设计者来说,除了要在制备工艺和组成上能对材料性能进行优化外,最重要的是能根据理论为某一特定应用指定或优化材料性能.为了实现这一目的,研究人员在过去的几年里提出了几种模型16-2o.这其中比较有意义的是以下两种模型:(1)Cui等ll8提出六边形排列的电绝缘颗粒有限元模型.在这种模型中铁粉心材料被模拟为在二维空问无限排列的六边形,每个六边形是包覆了一层聚合物或绝缘层的纯铁.通过变化模型磁性材料及器件2012年2月参数和几何细节,研究绝缘层厚度,颗粒尺寸,颗粒间接触和孔洞对材料电磁性能的影响.作者利用有限元模拟分析软件MagsoftFlux2D进行计算,通过在一定范围内改变激发条件测量相应的磁通密度,绘制出平均相对磁导率和平均磁感应强度的函数曲线.(2)Belkadi等I,2o提出的非线性有限元模型,如图2所示.在这种模型中铁粉心材料被划分为统计学上等效的立方小原胞,并对原胞应用非线性均匀化方法研究了材料的密度,颗粒尺寸和绝缘层厚度对铁粉心电磁性能的影响.同时将模型应用到瑞典赫格纳斯公司生产的Somaloy700铁粉心材料,计算不同饱和磁感应强度下铁粉心材料模型的等效磁导率.将模拟结果和实验结果进行比较,发现实验数据和模拟数据符合很好.两种铁粉心材料模型都是基于有限元建模,通过变化模型参数和几何细节成功地模拟出了铁粉心的磁导率随磁感应强度的变化曲线.这条曲线具有很好的理论指导实践的作用,对于磁路设计者来说非常重要.(a)实际材料(b)初级元胞图2非线性FEM模型初级元胞几何形状【204.2实验研究前文中提到如何提高铁粉心的磁导率是目前国内电感生产商遇到的主要难题.影响铁粉心磁导率的因素很多,如铁粉纯度,颗粒形状,粒度分布以及铁粉表面的绝缘包覆等,其中起决定性因素的是绝缘包覆.它是铁粉心制备过程中最重要的一个环节,包覆剂的好坏直接影响到铁粉心磁导率的大小.铁粉心的绝缘包覆剂通常分为有机物和无机物两类.4.2.1有机物包覆铁粉心有机物分为热塑性和热固性两种.热塑性有机物应用较早,但一般不宜做铁粉心包覆剂,主要原因是不易包覆均匀,熔点较低不能进行热处理,使用时易于溶解在一些工业溶液中等.热固性有机物能减小温度变化对材料磁性能和强度的影响,具体的优点有:包覆时间短,对人体危害较小,包覆膜愈合能力强等【jJ.在许多研究中,环氧树脂,酚醛树脂等热固性有机物已用来制备铁粉心软磁复合材料.Taghvaei等L2IJ制备了酚醛树脂包覆的铁粉心材料,研究了铁粉颗粒尺寸和成型压力对样品磁性能的影响.结果表明高频下(>300kHz)铁粉颗粒小的样品表现出高的磁导率,工作频率以及低的磁导率虚部.随着成型压力的提高,样品电阻率降低,低频下的磁导率实部和虚部增大.此外,Shokrollahi等L22J制备了环氧树脂包覆的铁粉心材料,研究了室温磁场热处理,低温磁场热处理(18020C)和高温磁场热处理(28O士2O)三个不同热处理过程对样品磁性能的影响.实验发现,频率<10kHz时高温磁场热处理样品的磁损耗小于在低温磁场热处理和室温磁场热处理样品的磁损耗.相反,频率>10kHz时高温磁场热处理样品的磁损耗大于在其它条件下制备的样品的磁损耗.值得注意的是,由于铁粉是亲水性的,这种亲水性本质减弱了铁粉和有机包覆剂之间的润湿,导致有机包覆剂不能均匀完全地包覆在铁粉表面,即包覆的均匀性差.这意味着更多铁粉颗粒之问由之前的间接接触变成了直接的点接触,导致涡流损耗增加.为了改善有机包覆剂和铁粉之间的润湿,即提高绝缘层的粘附性,研究人员提出通过向铁粉和有机包覆剂中添加偶联剂的方式增强二者之间的润湿性.Taghvaei等研究了硅烷偶联剂的添加对环氧树脂包覆的铁粉心的磁性能和磁损耗各个分量的影响.实验结果表明,环氧树脂通过硅烷均匀完全地包覆在铁粉表面.此外,添加硅烷后样品磁导率实部的频率稳定性得到了提高,涡流损耗因子和磁导率虚部减小,对磁滞损耗因子无明显影响.4.2.2无机物包覆铁粉心由于对铁粉具有良好的粘附性,磷酸是铁粉心材料最常用的无机包覆剂.磷酸作为包覆剂的热处理温度极限是500C27,28,当热处理温度高于500C时磷酸绝缘层的电阻率急剧下降,导致高频下的涡流损耗增大.因为磷酸热处理温度的限制,而纯铁粉减小剩余应力和磁滞损耗的典型热处理温度是570775.cIJ,导致磷化粉末的剩余应力和磁滞损耗过大.为了解决这个问题,Tajima等LjUI通过向磷酸中添加S形成一种新的磷酸绝缘层包覆在铁粉表面.因为Sr2离子半径大,添加在磷酸绝缘层中可以提高绝缘层的稳定性并防止绝缘4层的破坏.换句话说,sr可以防止绝缘层中造成电阻率急剧下降的孔洞的形成.实验结果表明,由掺杂Sr2的磷酸绝缘层包覆的铁粉心不仅具有超过50Q?m的电阻率并且具有高的B.这种通过掺杂半径大的离子对磷酸绝缘层进行改性的方法,虽然在一定程度上提高了磷酸绝缘层的电阻率,但不能从根本上解决磷酸绝缘层电阻率随热处理温度升高急剧下降的问题.为此,Taghvaei等【31J提出采用MgO溶胶代替磷酸作为包覆剂均匀地包覆在铁粉表面.结果表明,与磷酸包覆铁粉心相比,600C热处理的MgO溶胶包覆的铁粉心具有更高的电阻率(1451Q?m),铁磁共振频率和磁导率.上述包覆剂无论是有机的还是无机的都是非磁性物质,它们的加入会导致铁粉心复合材料磁导率小于纯铁粉的磁导率.Gherisar等I31利用传统的氧化物方法合成了Nio_64Zno_36Fe204粉末作为包覆剂和铁粉在丙酮中搅拌混合包覆铁粉.结果表明,包覆了Ni0l64Znol36Fe204的铁粉心磁导率和纯铁粉的相当.这种方法虽然解决了目前采用非磁性包覆剂制备铁粉心的不足,但不能从根本上实现铁粉心向高磁导率突破.截止到目前,没有一种包覆剂能实现所制备的铁粉心的磁导率高于纯铁粉的磁导率,这将是铁粉心软磁复合材料未来研究的热点和难点.4结语由于优异的磁性能,铁粉心软磁复合材料不仅是制备一体化成型电感的主要材料,在传感器,电动机,交流发电机,低频滤波器,电磁驱动装置,磁场屏蔽和磁密封系统等方面也得到了成功的应用L5J.然而,目前铁粉心软磁复合材料也存在一些缺点和不足,如磁导率偏低,磁滞损耗大,机械强度低,理论研究也不够完善.要进一步改善铁粉心材料的性能,拓展其应用领域,还需从理论和实验上进行大量的研究,高磁导率,高机械强度和低磁滞损耗的铁粉心软磁复合材料是未来研究的发展方向.参考文献:1】深圳市科达嘉电子有限公司.科达嘉CPU,CHoKE功率电感的革命与一体成型电感的趋势探讨DB/OL./blog/codaca/article/b0一il5024737.html,20100703.(2电源在线网.Vishay推出新型IHLP.薄型大电流电感器DB/OL./nJMagnMaterDevicesVol43Nolews/18590.htm.2009.03.25.【3田建军,崔建民,袁勇,等.绝缘铁粉基软磁复合材料的研究进展J.金属功能材料,2010,17(4):5054.【4崔永飞,周娟,肖于德,等.磁粉芯的研究进展J.材料导报,2010,24(3):2732.5ShokrollahiH,JanghorbanK.SoftmagneticcompositematerialsJ.JMaterProcessTech,2007,189(1-3):112.6ShiuMS,LeeCH.Methodoffabricatingcoilembeddedinductor【P.USPatent:US2006/0009000A1,200601.12.77ChangMC.HicurrentinductorandthemanufacturingmethodP.USPatent:US7142084B2.200710.16.8】SharTM,JelkinBwHighcurrent,lowprofileinductorP.USPatent:U$6204744B1.2001.03.2091HuangNK,KaoCM,HsuHC.EmbeddedinductorstructureandmanufacturingmethodthereoffP1.USPatent:U$2007/0159282A1.200707.12.10LinHL.MethodtofabricatingamoldinginductorstructureandamoldinginductorstructureP.USPatent:U$2010/0060398A1.20l0.03一l1.ll1SharerTM,Inductorcoi1structureP.USPatent:US6198375B1,20010306.f121MizushimaT,NaitoY,Aoki,eta1.CoilembeddeddustcoreP.USPatent:US2006/0038651A1,2006.02.23.【13HsuHC.LowprofileinductorP】.USPatent:U$6621397B2.200309?16.14舒阳会,任伊飞,俞永,等.高频纯铁磁粉芯的工艺研究J.航天制造技术,2005,(1):10LI15.l51AnhaltM,WeidenfellerB.TheoreticalandexperimentalapproachtocharacteristicmagneticmeasuredataofpolymerbondedsoftmagneticcompositesJ.JApplPhys,2009,10501):1139031139035.161BottauscioO,PiatVC,ChiampiM,eta1.NonlinearhomogenizationtechniqueforsaturablesoftmagneticcompositesJ.IEEETransMagn,2008,44(11):29552958.17】HultmanLO,JackAG.SoftmagneticcompositesmaterialsandapplicationsfC1.Wisconsin:ElectricMachinesandDrivesConference.2003.1:516-522.【l8CuiYH,KlimanGB.Modelingofsoftmagneticcomposites【C】.Seattle:IndustryApplicationsConrence.2O04.1:546551.fl91BelkadiM,RanmdaneB,TeichetD,eta1.NonlinearhomogenizationforcalculationofelectromagneticpropertiesofsoftmagneticcompositematerialsJ.IEEETransMagn,2009,45(101:4137.4320.20】BelkadiM,TrichetD,RamdaneB,eta1.Modelingofsoft:magneticcompositematerialusinganonlinearhomogenizationmethodC.Chicago:ElectromagneticFieldComputation.2010.1:1一1.【21TaghvaeiAH,ShikroUahiH,GhaffariM.Influenceofparticlesizeandcompactionpressureonthepropertiesofiron-phenolicsoftmagneticcompositesJ.JPhysChemSolids,2010,71(1):7-11.22】ShikrollahiH,JanghorbanK.DifferentannealingtreatmentsforimprovementofmagneticandelectricalpropertiesofsoftmagneticcompositesJ1.JMagnMagnMater,2007,317(I一2):6l?67.23】TaghvaeiAH,ShikrollahiH,EbrahimiA.Softmagneticcompositesofiron-phenolicandtheinfluenceofsilanecouplingagentonthemagneticpropertiesJ.MaterChemPhys,2009,116(1):247253.24】刘菲菲,BakerAP,翁履谦,等.铁粉基软磁复合材料绝缘包覆层的研究J】.材料开发与应用,2007,22(5):11.15.25】田建军,崔建民,袁勇,等.磷化工艺制备绝缘软磁粉末及其频率特性研究J.粉末冶金工业,2010,20(5):2326.【26NolanWR.ElectricallyinsulatingphosphatecoatingsforironpowderbasedelectromagneticcoreapplicationsD.Massachusetts:MassachusettsofInstituteofTechnology,2009.【27】M