專利名稱：高頻磁芯和使用該高頻磁芯的電感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要使用軟磁材料的高頻磁芯以及使用該高頻磁芯的電感元件。
背景技術(shù)：
迄今為止，通常作為高頻磁芯的材料，主要使用軟鐵氧體、高硅鋼、無定形金屬、粉末芯等。使用上述材料的原因如下。如果是軟鐵氧體，則材料本身具有高的比電阻。如果是其它金屬材料，則雖然材料自身具有低的比電阻，但是該材料可以形成薄片或粉末以減少渦電流。上述材料根據(jù)工作頻率或預(yù)定用途而選擇使用。因此歸納其原因為，具有高比電阻的材料如軟鐵氧體具有低的飽和磁通量密度，而具有高飽和磁通量密度的材料如高硅鋼具有低的比電阻。因此，至今不能提供具有高飽和磁通量密度和高比電阻的磁性材料。
最近幾年在減小尺寸和改善各種電子設(shè)備功能上取得了下列顯著進(jìn)展的同時，電感元件如線圈和變壓器需要減小尺寸以及需要在大電流下具有電感。為滿足上述需求，需要同時改善芯的飽和磁通量密度和高頻損耗性能。此外，由于繞組線圈電阻產(chǎn)生的銅耗，導(dǎo)致增加了線圈或變壓器的熱生成。因此，需要提供用于抑制溫度升高的方法。
如果是軟鐵氧體，則可以改善飽和磁通量密度，但是實際上并不能進(jìn)行實質(zhì)改善。如果是高硅鋼或無定形金屬，則材料自身具有高的飽和磁通量密度。然而，為了適應(yīng)高頻帶，當(dāng)頻帶更高時材料必需形成薄片。使用這樣材料的多層芯會降低空間系數(shù)，這可以導(dǎo)致飽和磁通量密度的降低。
此外，如果是粉末芯，則可以通過在微小粉末粒子之間插入絕緣材料獲得高比電阻以及通過高密度成型獲得高飽和磁通量密度。然而，這存在一些難于解決的問題。即，目前沒有建立改善為此所使用軟磁粉末的飽和磁性的方法以及在保持粉末粒子之間絕緣的同時形成高密度模制體的方法。
為了糾正上述問題，尤其是難于獲得具有飽和磁通量密度和高比電阻的磁性材料的問題，提出了制備粉末芯以及生產(chǎn)該粉末芯的方法，在該粉末芯中，金屬玻璃粉末用作軟磁粉末，與絕緣材料混合，并在不低于常溫的溫度形成模制體，以獲得具有高磁導(dǎo)率和較好頻率性質(zhì)的軟磁性材料(參見日本未審查專利申請出版物(JP-A)-2001-189211，下面稱作專利文獻(xiàn)1)。
在此，被共同稱作金屬玻璃的合金組成有很多種。然而，用作軟磁材料的合金組成限制于Fe基合金，該合金通常分為FePCBSiGa合金組成和FeSiBM(M為過渡金屬)合金組成。
專利文獻(xiàn)1使用前者，即具有FePcBSiGa合金組成的合金，而且公開了通過使用這種軟磁性材料，可以獲得能夠達(dá)到高比電阻和高飽和磁通量密度的優(yōu)異磁性質(zhì)。這里注意后者即FeSiBM合金組成也被公開(參見日本未審查專利申請出版物(JP-A)-2002-194514和H11-131199，下面分別稱作專利文獻(xiàn)2和3)。此外，也公開使用軟磁材料作為芯(參見日本未審查專利申請出版物(JP-A)-H11-74111，下面稱作專利文獻(xiàn)4)。
另一方面，已公開纏繞線圈和金屬粉末形成尺寸減小的整體結(jié)構(gòu)，以便改善直流疊加性質(zhì)(參見日本未審查專利申請出版物(JP-A)-H04-286305和2002-305108，下面分別稱作專利文獻(xiàn)5和6)。
在上述軟磁材料使用作高頻磁芯的情況下，例如在專利文獻(xiàn)1所公開的FePCBSiGa合金組成的情況下，可以獲得包括高磁導(dǎo)率和較優(yōu)異頻率性質(zhì)的磁性質(zhì)。然而在該情況下，需要使用昂貴金屬如Ga。這會導(dǎo)致這樣的問題材料自身成本很高，因此工業(yè)應(yīng)用的提升受抑制。
在另一方面，在專利文獻(xiàn)2和3中公開以及在專利文獻(xiàn)4中考慮應(yīng)用于芯的FeSiBM合金組合物中，材料自身有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效率。然而，在這些專利文獻(xiàn)中，沒有示出用于獲得高比電阻和高磁通量密度的技術(shù)(這大概因為沒有發(fā)現(xiàn)形成粉末的方法以及形成適用于合金組成物的模制體的方法，而這些方法適合于合金組合物)。因此，目前，難于使用用于高頻磁芯以及使用該高頻磁芯的電感元件的材料。
專利文獻(xiàn)5和6公開了線圈尺寸的減小。然而，因為使用現(xiàn)存的軟磁金屬材料，因此損耗減小并不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種由軟磁材料制成的廉價高頻磁芯以及提供一種使用該高頻磁芯的電感元件，所述軟磁材料具有高飽和磁通量密度和高比電阻。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種高頻磁芯，它包括通過模制軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物而獲得的模制體，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，粘合劑的含量為10％或更小質(zhì)量比，所述軟磁金屬玻璃粉末具有由下面通式表示的合金組成(Fe1-aCoa)100-x-y-z-q-r(M1-pM’p)xTyBzCqAlr(0＜a＜0.50，0＜p＜0.5，2原子％＜x＜5原子％，8原子％＜y＜12原子％，12原子％＜z＜17原子％，0.1原子％＜q＜1.0原子％，0.2原子％＜r＜2.0原子％以及25＜(x+y+z+q+r)＜30，M是選自Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中的至少一種，M’為選自Zn、Sn和R(R是從包括Y的稀土金屬中選擇的至少一種元素)中的至少一種，T為選自Si和P中的至少一種)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種電感元件，它包括高頻磁芯和至少一圈繞著該高頻磁芯的線圈。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種電感元件，它包括高頻磁芯和至少一圈繞著該高頻磁芯的線圈。
附圖簡述

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的高頻磁芯基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖；圖2是包括圖1所示高頻磁芯以及繞著高頻磁芯的線圈的電感元件外部透視圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的高頻磁芯基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖；圖4是包括圖3所示高頻磁芯以及繞著高頻磁芯的線圈的電感元件外部透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明再一個實施方案的電感元件基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖。
具體實施例方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。
作為深入研究的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果以下合金組合物選擇作為具有優(yōu)異經(jīng)濟(jì)效益的軟磁金屬玻璃粉末，則可以獲得具有優(yōu)異磁性質(zhì)和玻璃形成性能的粉末(Fe1-aCoa)100-x-y-z-q-r(M1-pM’p)xTyBzCqAlr(0＜a＜0.50，0＜p＜0.5，2原子％＜x＜5原子％，8原子％＜y＜12原子％，12原子％＜z＜17原子％，0.1原子％＜q＜1.0原子％，0.2原子％＜r＜2.0原子％以及25＜(x+y+z+q+r)＜30，M是選自Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中的至少一種，M’為選自Zn、Sn和R(R是從包括Y的稀土金屬中選擇的至少一種)中的至少一種，T為選自Si和P中的至少一種)。在本發(fā)明中，“包括Y的稀土金屬”表示由鑭系元素如La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu以及另外一種元素Y組成的組。發(fā)明人也發(fā)現(xiàn)如果通過使粉末進(jìn)行氧化或絕緣涂敷，然后使用模頭等通過合適模制方法將粉末形成模制體而獲得粉末芯，則該粉末芯是一種表現(xiàn)出在寬頻帶的優(yōu)異磁導(dǎo)率以及從來沒有獲得過的優(yōu)異性能的高磁導(dǎo)率粉末芯，因而能夠低成本制備出一種由具有高飽和磁通量密度和高比電阻的軟磁材料構(gòu)成的高頻磁芯。
此外，發(fā)現(xiàn)通過提供具有至少一圈線圈的高頻磁芯獲得的電感元件便宜并且具有以前從未具有的高性能。
本發(fā)明人也發(fā)現(xiàn)，通過限定由上述組成通式表示的軟磁金屬玻璃粉末的粒度，該粉末芯在高頻的磁芯損耗性能方面優(yōu)異。
此外，發(fā)現(xiàn)通過提供具有至少一圈線圈的高頻磁芯獲得的電感元件便宜并且具有以前從未具有的高性能。也發(fā)現(xiàn)通過以其中使線圈埋入磁體中以形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)壓制形成，可獲得適合于高頻大電流應(yīng)用的電感元件。
為了增加模制體的比電阻，模制之前的合金粉末可以在大氣空氣中進(jìn)行氧化熱處理。為了形成高密度模制體，可以在不低于作為粘合劑的樹脂的軟化點的溫度下繼續(xù)模制。為了實現(xiàn)模制體的高密度，模制可以在合金粉末的過冷液體溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
具體地說，軟磁金屬玻璃粉末具有下面通式表示的合金組成(Fe1-aCoa)100-x-y-z-q-r(M1-pM’p)xTyBzCqAlr(0＜a＜0.50，0＜p＜0.5，2原子％＜x＜5原子％，8原子％＜y＜12原子％，12原子％＜z＜17原子％，0.1原子％＜q＜1.0原子％，0.2原子％＜r＜2.0原子％以及25＜(x+y+z+q+r)＜30，M是選自Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中的至少一種，M’為選自Zn、Sn、R(R是從包括Y的稀土金屬中選擇的至少一種)中的至少一種，T為選自Si和P中的至少一種)。該模制體通過模制軟磁金屬玻璃粉末和預(yù)定量粘合劑的混合物而獲得，所述預(yù)定量是相對于軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比。
此處，將描述軟磁金屬玻璃粉末的合金組成。作為主要組分的Fe是有助于磁性的元素，并且是為獲得高飽和磁通量密度的必需元素。部分Fe可以以0～0.5比例的Co代替。該代替組分具有改善玻璃形成性能的作用，而且還預(yù)期具有改善飽和磁通量密度的作用。以整個合金粉末計，F(xiàn)e和取代元素的總量在不小于70原子％和不大于75原子％的范圍內(nèi)。這是因為，如果該含量不是70原子％或更大，則飽和磁通量密度太低，實用性損失，如果該含量大于75原子％，則由于結(jié)晶而導(dǎo)致芯的磁導(dǎo)率和磁芯損耗降低。
元素M是改善玻璃形成性能所需的過渡金屬元素，它是從Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中選擇的至少一種元素。元素M的含量為不小于2原子％和不大于5原子％。
這是因為如果含量小于2原子％，則玻璃成形性能下降，并且磁導(dǎo)率和磁芯損耗顯著劣化，如果該含量超過5原子％，則飽和磁通量密度降低，并且實用性失去。通過Zn、Sn、R(R是選自包括Y的稀土金屬中的至少一種元素)代替0～0.5比例的元素M，則在不劣化玻璃形成性能的情況下可以增加Fe和Co的比例，以致可以改善飽和磁通量密度。
Si和B是為制備軟磁金屬玻璃粉末所必需的元素。Si含量在不小于8原子％和不大于12原子％的范圍內(nèi)。B含量在不小于12原子％和不大于17原子％的范圍內(nèi)。這是因為如果Si含量小于8原子％或大于12原子％或者如果B含量小于12原子％或大于17原子％，則玻璃形成性能降低，并且不能制備穩(wěn)定的軟磁玻璃粉末。此處，Si可以用P代替。
只要Al和C與其它組分元素在本發(fā)明合金組成范圍內(nèi)使用，則在通過各種霧化技術(shù)制備粉末時，Al和C具有將粉末形成球形的作用。至于所加入的量，如果Al含量小于0.2原子％，則形成球形粉末的作用小。如果Al含量大于2.0原子％，則無定形形成性能劣化。類似地，如果C含量小于0.1原子％，則形成球形粉末的作用小。如果C含量大于1.0原子％，無定形形成性能劣化。Al和C可以單獨或結(jié)合使用。
軟磁金屬玻璃粉末通過水霧化或氣體霧化制備。優(yōu)選至少50％粒度為不小于10μm。特別地，水霧化認(rèn)為是低成本并且大量制備合金粉末的方法。通過該方法能夠制備粉末在工業(yè)應(yīng)用上有非常大的優(yōu)勢。然而，如果是傳統(tǒng)無定形組合物，則10μm或更大的合金粉末將結(jié)晶，使得磁性能顯著劣化。結(jié)果，產(chǎn)率嚴(yán)重下降，因而阻礙了工業(yè)應(yīng)用。另一方面，如果粒度為150μm或更小，則根據(jù)本發(fā)明的軟磁金屬玻璃粉末易于玻璃化(無定形化)。因此，產(chǎn)率高。因此從成本考慮，本發(fā)明的軟磁金屬玻璃粉末有很大的優(yōu)點。此外，在通過水霧化制備合金粉末中，在粉末表面上已經(jīng)形成合適的氧化物涂敷膜。因此，通過將樹脂與合金粉末混合并且將混合物模制形成模制體，易于獲得具有高比電阻的芯。
在水霧化制備的合金粉末和氣體霧化制備的合金粉末中的任一種中，如果熱處理在不高于所使用合金粉末結(jié)晶溫度的溫度下和大氣空氣中進(jìn)行，則形成更優(yōu)異氧化物涂敷膜。此時，可以提高芯的比電阻，以使減少芯的磁芯損耗。
在另一方面，對于擬用于高頻應(yīng)用的電感元件，可以通過使用具有非常小粒度的金屬粉末而減少渦電流損耗。然而，對于本領(lǐng)域熟知的合金組成，如果平均直徑為30μm或更小，則在制備過程中粉末氧化顯著。因此，在通過通常水霧化裝置制備的粉末中難于獲得預(yù)定性能。然而，金屬玻璃粉末具有優(yōu)異的合金耐腐蝕性，因此該金屬玻璃粉末是有優(yōu)點的，因為即使粉末很小，也可以較容易制備氧含量減少并且具有優(yōu)異性能的粉末。
接著，描述成型模制體的方法。基本上，10％質(zhì)量比含量的粘合劑如硅樹脂與軟磁金屬玻璃粉末混合。使用模頭或通過澆鑄，可以獲得模制體。該模制體用作高頻磁芯，它具有50％或更大的粉末填充比例，在1.6×104A/m磁場的應(yīng)用上具有0.5T或更大的磁通量密度，以及具有1×104cm的比電阻。此處，粘結(jié)劑的含量為10％或更小的質(zhì)量比。這是因為，如果該含量超過10％，則飽和磁通量密度變成等于或小于鐵氧體的飽和磁通量密度，芯失去實用性。
模制體可以通過將軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑混合，并使用模頭壓縮成型該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，粘合劑的量為5％或更小的質(zhì)量比。在這種情況下，模制體具有70％或更大的粉末填充比例，應(yīng)用1.6×104A/m磁場時具有0.75T或更大的磁通量密度，以及具有1Ωcm或更大的比電阻。當(dāng)磁通量密度為0.75T或更大以及比電阻為1Ωm或更大時，與Sendust芯相比，其性能更優(yōu)異并且實用性進(jìn)一步改善。
此外，模制體可以通過將軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑混合，并在不高于粘合劑軟化點的溫度條件下使用模頭壓縮成型該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，粘合劑的量為3％或更小的質(zhì)量比。在這種情況下，模制體具有80％或更大的粉末填充比例，應(yīng)用1.6×104A/m磁場時具有0.9T或更大的磁通量密度，以及具有0.1Ωcm或更大的比電阻。當(dāng)磁通量密度為0.9T或更大以及比電阻為0.1Ωm或更大時，與目前可商購的任一種粉末芯相比，其性能更優(yōu)異并且實用性進(jìn)一步改善。
此外，模制體可以通過將軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑混合，并在軟磁金屬玻璃粉末的過冷液體溫度范圍內(nèi)壓縮成型該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，粘合劑的量為1％或更小的質(zhì)量比。在這種情況下，模制體具有90％或更大的粉末填充比例，應(yīng)用1.6×104A/m磁場時具有1.0T或更大的磁通量密度，以及具有0.01Ωcm或更大的比電阻。當(dāng)磁通量密度為1.0T或更大以及比電阻為0.01Ωm或更大時，磁通量密度在應(yīng)用區(qū)域基本上等于包括無定形金屬和高硅鋼板的多層芯的磁通量密度。然而，此處獲得的模制體有小的滯后損失和高的比電阻，因此磁芯損耗性質(zhì)非常優(yōu)異。這樣，作為芯的實用性進(jìn)一步改善。
此外，成型后，作為高頻磁芯的模制體可以在不高于作為應(yīng)變釋放熱處理的居里點的溫度條件下進(jìn)行熱處理。在這種情況下，磁芯損耗進(jìn)一步減小，作為芯的使用性進(jìn)一步改善。這里，為保持粒子間的絕緣性，需要至少在合金粉末粒子之間的部分中間材料中包含SiO2(作為選擇，所有的中間材料可以都是SiO2)。
如果需要在部分磁路上形成間隙后，如果通過裝備上述具有至少一圈線圈的高頻磁芯制備的電感元件，則可制備在高磁場中表現(xiàn)出高磁導(dǎo)率并且具有優(yōu)異性能的產(chǎn)品。
下面，參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的高頻磁芯1基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖。圖1示出使用上述軟磁金屬玻璃粉末的高頻磁芯1形成環(huán)狀板的狀態(tài)。
圖2是通過裝備具有線圈的高頻磁芯1獲得的電感元件101的外部透視圖。圖2示出預(yù)定圈數(shù)的線圈3圍繞作為環(huán)狀板的高頻磁芯1纏繞以制備具有引線拉出部分3a和3b的電感元件101的狀態(tài)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的高頻磁芯1基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖。圖3示出使用上述軟磁金屬玻璃粉末的高頻磁芯1形成環(huán)狀板，并且在部分磁路上形成間隙(gap)2的狀態(tài)。
圖4是通過裝備帶有線圈3并具有間隙2的高頻磁芯1制備的電感元件102的外部透視圖。圖4示出繞著作為具有間隙2的環(huán)狀板的高頻磁芯1纏繞預(yù)定圈數(shù)的線圈3以制備具有引線拉出部分3a和3b的電感元件102的狀態(tài)。
如果通過模制具有上述金屬玻璃組合物的軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物形成粉末芯，則該粉末芯表現(xiàn)出在高頻時具有非常低的損耗性質(zhì)，并且具有以前從未獲得過的優(yōu)異性能，所述軟磁金屬玻璃粉末在粒度上具有45μm或更小的最大粒度，具有30μm或更小的平均直徑，而以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，所述粘合劑的含量為10％或更小的質(zhì)量比。通過裝備具有線圈的粉末芯，獲得具有優(yōu)異Q性質(zhì)的電感元件。
此外，通過壓制成形具有嵌入其中的線圈的磁體以形成完整結(jié)構(gòu)，可以獲得適用于大高頻電流的電感元件。
此處，將詳細(xì)描述限定粉末粒度的原因。如果在粒度上最大粒度超過45μm，則在高頻區(qū)域的Q性質(zhì)劣化。此外，如果平均直徑不是30μm或更小，則在500kHz或更高上的Q性質(zhì)不會超過40。此外，如果平均直徑不是20μm或更小，則在1MHz或更高上的Q值就不會是50或更大。金屬玻璃粉末的優(yōu)點在于因為合金自身的比電阻是傳統(tǒng)材料的2～10倍，因而即使在相同粒度下Q性質(zhì)也高。如果相同的Q性質(zhì)充分，則可使用的粒度范圍變寬，以致減少了粉末生產(chǎn)成本。
圖5是根據(jù)本發(fā)明再一個實施方案的高頻電感元件基本結(jié)構(gòu)的外部透視圖。參考圖5，作為整體結(jié)構(gòu)的電感元件103通過在如下狀態(tài)壓制成形獲得通過纏繞由上述軟磁粉末形成的長板狀材料5獲得的線圈7嵌入到磁體8中。板狀材料5的纏繞部分的整個表面提供有絕緣涂層6。
現(xiàn)在，結(jié)合幾個包括生產(chǎn)工藝的實施例和比較實施例描述本發(fā)明的高頻磁芯和使用該高頻磁芯的電感元件。
(實施例1～26，比較實施例1～11)首先，作為粉末制備步驟，稱量包括Fe、Si、B、Nb、Al、C和代替元素的純金屬元素材料或者如果需要的各種母合金以使獲得預(yù)定組合物。通過使用這些材料，各種軟磁合金粉末通過通常使用的水霧化制備。這里要注意稀土金屬混合物(混合稀土)是稀土金屬的混合物。此處，使用30％La、50％Ce、15％Nd以及余量為其它一種或多種稀土元素的混合物。
接著，作為模制體制備步驟，各種合金粉末分成具有45μm或更小的粉末大小的合金粉末。隨后，作為粘合劑的有機(jī)硅樹脂以4％質(zhì)量比混入。然后，通過使用帶凹槽并且外部直徑φ外＝27mm、內(nèi)部直徑φ內(nèi)＝14mm的模頭，通過在室溫應(yīng)用1.18Gpa(約12t/cm2)的壓力而形成各種模制體，使得模制體高度等于5mm。
此外，各種模制體進(jìn)行樹脂固化。隨后，測定各種模制體的重量和尺寸。然后，提供合適圈數(shù)的線圈以制備各種電感元件(具有圖2所示的形狀)。
接著，對于電感元件的每個不同樣品，使用LCR計量器從100kHz的電感值獲得磁導(dǎo)率。此外，通過使用直流磁性能測定裝置，當(dāng)應(yīng)用1.6×104A/m的磁場時，測定飽和磁通量密度。此外，每個芯的上下表面都拋光，并進(jìn)行X-射線衍射(XRD)測定以觀察相態(tài)。所得結(jié)果在表1示出。
表1-1

表1-2

表1示出樣品的組成比。此外，通過XRD測定獲得的XRD圖案如果只發(fā)現(xiàn)為玻璃相特征的寬峰則判斷為玻璃相，如果歸因于結(jié)晶的尖峰與寬峰一起可觀察到，則判斷為(玻璃+結(jié)晶)相，如果沒有寬峰值觀察到尖峰則判斷為結(jié)晶相。
對于那些具有玻璃相的組合物樣品，作為DSC熱分析測定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度證實對于所有樣品的過冷液體溫度范圍ΔTx為30K或更高。此處，ΔTx＝Tx-Tg，其中Tx表示結(jié)晶溫度，而Tg表示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。通過兩端直流測量測定模制體(芯)的比電阻。結(jié)果，證實所有樣品表現(xiàn)出不低于1Ωcm的優(yōu)異比電阻。
DSC的溫度升高速率為40K/min。從實施例1～3和比較實施例1和2看出，可以推定，如果Nb含量為3～6％，則可獲得具有玻璃相的芯。
然而，發(fā)現(xiàn)在Nb含量為6％的比較實施例2中磁通量密度低至0.70T或更小。
從實施例4～9和比較實施例3～6，可認(rèn)為如果Si含量為8～12、B含量為12～17、Fe含量為70～75，則可獲得具有玻璃相的芯。
從實施例10～14和比較實施例7，可認(rèn)為用Co代替部分Fe，即使Nb含量為2％，也可獲得金屬玻璃粉末。然而，發(fā)現(xiàn)如果代替量超過0.5，則不能獲得改善磁通量密度的作用。也認(rèn)為使用Ta或Mo代替Nb可獲得類似效果。
從實施例15和16以及比較實施例8，可認(rèn)為通過用Zn代替Nb可改善飽和磁通量密度，但是如果代替比值超過0.5，則不能形成玻璃相。
至于Zn和Nb的總量，從實施例17和18以及比較實施例9可推定，5％或更小是合適的。從實施例19和20可推定，如果加入Sn或稀土金屬混合物代替Zn，可獲得類型效果。
從實施例21～23可推定，如果部分Fe被Co代替，則可獲得類似效果，以及如果Ta或Mo用于代替Nb，則可獲得類型效果。如實施例24～26和比較實施例11和12所示，Al可以以2.0或更低的比例加入，而C可以以1.0或更低的比例加入。然而，如果加入量更大，則形成無定形結(jié)構(gòu)的能力顯著變差。
(實施例27)通過水霧化制備具有(Fe0.8Co0.2)73Si9B14.5Nb2Al1.0C0.5組成的合金粉末。這樣獲得的粉末分成具有75μm或更小尺寸的粉末。進(jìn)行XRD測定，確定了作為玻璃相特征的寬峰。
接著，進(jìn)行DSC熱分析以測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度，從而確定ΔTx為35K。然后，該粉末在大氣空氣和低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的450℃熱處理0.5小時，從而在粉末表面上形成氧化物。接著，該粉末與10％、5％、2.5％、1％和0.5％硅樹脂混合。通過使用φ27×φ14的模頭，這些粉末在室溫、在高于樹脂軟化溫度的150℃以及在該金屬玻璃粉末的過冷液體溫度范圍內(nèi)的550℃這三種條件下進(jìn)行模制。測定粉末填充比例、通過直流磁性質(zhì)測量的磁通量密度以及直流比電阻。所得結(jié)果在表2示出。
表2

從表2看出，當(dāng)粘合劑的含量超過5％時，與鐵氧體芯的比電阻相比，其比電阻具有高達(dá)≥104的值。因為即使模壓溫度升高也沒有獲得特殊效果，因此在室溫模壓是足夠的。其次，當(dāng)粘合劑的量等于5％時，獲得高達(dá)100Ωcm或更高的比電阻，而且在室溫模壓是足夠的。其次，可以推定，當(dāng)粘合劑含量等于2.5％時，如果在150℃進(jìn)行模壓，則粉末填充比例顯著改善，磁通量密度高，而且獲得10Ωcm或更高的比電阻。其次，可以推定，當(dāng)粘合劑的含量為1％和0.5％時，如果在550℃進(jìn)行模壓，則粉末填充比例顯著改善，飽和磁通量密度高，而且獲得0.1Ωcm或更高的比電阻。
(實施例28)在實施例28中，通過水霧化制備具有Fe72Si9B14.5Nb3Al1.0C0.5組成的合金粉末。隨后，這樣獲得的粉末分成具有75μm或更小粒度的粉末。然后，進(jìn)行XRD測定以確定作為玻璃相特征的寬峰。
此外，進(jìn)行DSC熱分析以測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度，從而確定玻璃化起始溫度范圍或過冷液體溫度范圍ΔTx為35K。然后，該粉末在大氣空氣和低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的450℃溫度條件保持并熱處理0.5小時，以在粉末表面上形成氧化物。
接著，該粉末與10％、5％、2.5％、1％和0.5％質(zhì)量比的作為粘合劑的硅樹脂混合。通過使用具有外部直徑φ外＝27mm×內(nèi)部直徑φ內(nèi)＝14mm的帶凹槽模頭，這些粉末在三種不同溫度條件即在室溫、在高于樹脂軟化溫度的150℃以及在該軟磁金屬玻璃粉末的過冷液體溫度范圍的550℃這三種條件下，通過使用1.18Gpa(約12t/cm2)壓力作為模制壓力進(jìn)行模制，使高度等于5mm。這樣，制備出各種模制體。
接著，這樣獲得的模制體進(jìn)行樹脂固化。隨后，測量每個模制體的重量和尺寸。然后，纏繞合適圈數(shù)的線圈以制備各種電感元件(具有圖2所示的形狀)。
然后，對于電感元件的每個不同樣品(編號1～15)，測定粉末填充比例％、通過直流磁性質(zhì)測量的磁通量密度(在1.6×104A/m)以及直流比電阻Ωcm。所得結(jié)果在表3示出。
表3

如表3所示，當(dāng)粘合劑的含量(樹脂含量)超過5％時，與鐵氧體芯的比電阻相比，其比電阻具有高達(dá)≥104的值?？梢酝贫?，即使模制溫度升高，也不能獲得特殊的效果，在室溫左右的模制條件是足夠的。此外，可推定，當(dāng)樹脂含量等于5％時，獲得高達(dá)100Ωcm或更高的比電阻，而且在室溫模制是足夠的。
此外，可以推定，當(dāng)樹脂含量等于2.5％時，如果在150℃進(jìn)行模制，則粉末填充比例顯著改善，磁通量密度高，而且獲得10Ωcm或更高的比電阻。此外，可以推定，當(dāng)粘合劑的含量為1％和0.5％時，如果在550℃進(jìn)行模壓，則粉末填充比例顯著改善，飽和磁通量密度高，而且獲得0.1Ωcm或更高的比電阻。
(實施例29)使用實施例27中樣品編號12，與各種芯材料比較測定電感性。此外，通過使用相同的合金粉末和相同生產(chǎn)工藝制備的芯在氮氣氛和500℃熱處理0.5小時以獲得另一個樣品。該樣品的電感性質(zhì)也被示出。為使電感值標(biāo)準(zhǔn)化，所得磁導(dǎo)率用于比較。所比較的芯材料為鐵硅鋁合金(Sendust)、6.5％的硅鋼和鐵基無定形金屬。
表4

注)*對嵌入在部分磁路上的間隙的能量規(guī)格(power specification)從上表4看出，本發(fā)明的電感元件具有與使用無定形金屬的電感元件磁通量密度相等的磁通量密度，并且表現(xiàn)出比使用Sendust的電感元件磁芯損耗性質(zhì)低的磁芯損耗性質(zhì)。因此本發(fā)明電感元件可以用作非常優(yōu)異的電感元件。已證實，在使用熱處理過的芯的電感元件中，磁導(dǎo)率和磁芯損耗進(jìn)一步改善。
(實施例30)在實施例30中，通過使用實施例28中樣品編號12對應(yīng)的材料制備電感元件。此外，通過使用相同的合金粉末和相同生產(chǎn)工藝，而且在500℃氮氣氛熱處理0.5小時制備另一個電感元件。此外，為比較，通過分別使用鐵硅鋁合金(Sendust)、6.5％的硅鋼和鐵基無定形金屬作為芯材料制備電感元件(包括如圖4所示的在部分磁路上具有間隙的結(jié)構(gòu))。對于那些電感元件，測定通過直流磁性質(zhì)測定的磁通量密度(1.6×104A/m)、直流比電阻Ωcm、用于電感值標(biāo)準(zhǔn)化的磁導(dǎo)率和磁芯損耗(20kHz 0.1T)。獲得表5示出的結(jié)果。
表5

從表5看出，本發(fā)明電感元件具有與使用Fe基無定形金屬作為芯的電感元件的磁通量密度相等的磁通量密度，并且表現(xiàn)出比使用Sendust作為芯的電感元件的磁芯損耗性低的磁芯損耗性。因此本發(fā)明電感元件具有非常優(yōu)異的性質(zhì)。已證實，在使用熱處理過的芯的電感元件中，磁導(dǎo)率和磁芯損耗進(jìn)一步改善，而且獲得更優(yōu)異的性能。
(實施例31)在實施例31中，通過水霧化制備具有Fe72Si9B14.5Nb3Al1.0C0.5組成的合金粉末。隨后所獲得粉末分成具有45μm或更小粒度的粉末。然后，進(jìn)行XRD測試以確定作為玻璃相特征的寬峰。
此外，進(jìn)行DSC熱分析以測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度，從而確定過冷液體溫度范圍ΔTx為35K。然后，通過水霧化獲得并且具有下表6表示合金組成的粉末通過標(biāo)準(zhǔn)篩子過濾成20μm或更小的粉末。這些粉末以表6所示的比例混合。
此外，使用這樣獲得的粉末，與1.5％質(zhì)量比含量的作為粘合劑的硅樹脂混合。通過使用具有外部直徑φ外＝27mm×內(nèi)部直徑φ內(nèi)＝14mm的帶凹槽模頭，這些粉末在室溫使用12t/cm2壓力進(jìn)行模制，以使高度等于5mm。這樣，制備出不同種類的模制體。模制后，在500℃的Ar氣氛中進(jìn)行熱處理。
接著，這樣獲得的各種模制體進(jìn)行樹脂固化。隨后，測量每個模制體的重量和尺寸。然后，纏繞合適圈數(shù)的線圈以制備各種電感元件(具有圖2所示的形狀)。
然后，對于電感元件的每個不同樣品，測定粉末填充比例％、磁導(dǎo)率和磁芯損耗(20kHz 0.1T)。獲得表6示出的結(jié)果。
表6

從表6看出，本發(fā)明電感元件通過將粒度更小軟磁粉末加入金屬玻璃粉末中從而改善樂粉末填充比例，因而改善了磁導(dǎo)率。另一方面，如果所加入量超過50％，則改善效果變差，而且磁芯損耗性顯著劣化。因此，可以推定，加入量優(yōu)選為50％或更小。
(實施例32)在實施例32中，通過水霧化制備具有Fe73.5-q-rSi9B14.5Nb3CqAlr組成的合金粉末，在該組成中q和r有不同的變化。這樣，制備出表7示出的具有長寬比的粉末。隨后所獲得粉末分成具有45μm或更小粒度的粉末。然后，進(jìn)行XRD測試以確定作為玻璃相特征的寬峰。此外，進(jìn)行DSC熱分析以測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度，從而確定過冷液體溫度范圍ΔTx為35K。
此外，使用這樣獲得的粉末，與3.0％質(zhì)量比含量的作為粘合劑的硅樹脂混合。通過使用具有外部直徑φ外＝27mm×內(nèi)部直徑φ內(nèi)＝14mm的帶凹槽模頭，這些粉末在室溫使用1.47GPa(15t/cm2)壓力進(jìn)行模制，以使高度等于5mm。這樣，制備出不同種類的模制體。模制后，在500℃的Ar氣氛中進(jìn)行熱處理。
接著，這樣獲得的各種模制體進(jìn)行樹脂固化。隨后，測量每個模制體的重量和尺寸。然后，纏繞合適圈數(shù)的線圈以制備各種電感元件(具有圖2所示的形狀)。
然后，對于電感元件的每個不同樣品，測定粉末填充比例％和磁導(dǎo)率。獲得表7示出的結(jié)果。
表7

如表7所示，本發(fā)明電感元件通過增加金屬玻璃粉末的長寬比而改善磁導(dǎo)率。另一方面，如果長寬比超過2，則初始磁導(dǎo)率高，但在直流疊加下磁導(dǎo)率變差。因此，可以推定，粉末的長寬比優(yōu)選為2或更小。
(實施例33)首先，作為粉末制備步驟，稱量材料以獲得Fe72.0Si9B14.5Nb3C0.5Al1.0的組成。使用該材料，通過高壓水霧化制備中值粒度不相同的軟磁合金微小粉末。
其次，作為模制體制備步驟，這樣獲得的合金粉末通過不同種類標(biāo)準(zhǔn)篩過濾以獲得表8所示的粉末。隨后，作為粘合劑的硅樹脂以3％質(zhì)量比的量混合。然后，使用10mm×10mm的模頭，將每種粉末與具有外部直徑φ外＝8、內(nèi)部直徑φ內(nèi)＝4mm和2mm高度的線圈進(jìn)行模制并排列，以使模制后的線圈位于模制體的準(zhǔn)確中心，通過在室溫施用490MPa的壓力，以使高度為4mm。這樣，就形成了模制體。
接著，在150℃進(jìn)行樹脂固化。至于樣品號5，也通過在500℃的氮氣氛中熱處理該電感元件0.5小時制備的另一種樣品。
接著，對于電感元件的每個不同樣品，使用LCR計量器在不同頻率測定電感和電阻。從測定得出，電感值在1MHz時，可獲得峰頻率Q和峰值Q。所獲得結(jié)果在表8示出。
接著，對于電感元件的相同樣品，使用用于典型DC/DC轉(zhuǎn)換器的評價套件測定能量轉(zhuǎn)化效率。所得結(jié)果如下。測定條件為12V輸入、5V輸出、300kHz驅(qū)動頻率和1A輸出電流。
表8

從表8看出，在本發(fā)明電感元件中，當(dāng)網(wǎng)眼粒徑為45μm或更小以及平均直徑為30μm或更小時，Q峰頻率為500kHz或更大，并且Q峰值為40或更大。同時，能量轉(zhuǎn)換效率非常優(yōu)異，為80％或更大。當(dāng)網(wǎng)眼粒徑為45μm或更小以及平均直徑為20μm或更小時，Q峰頻率為1MHz或更大，并且Q峰值為50或更大。同時，能量轉(zhuǎn)換效率非常優(yōu)異，為85％或更大。此外，可以推斷，通過熱處理該電感元件，可進(jìn)一步改善轉(zhuǎn)化效率。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的高頻磁芯中，如下通式的合金組成選擇作為具有優(yōu)異經(jīng)濟(jì)效益的軟磁金屬玻璃粉末(Fe1-aCoa)100-x-y-z-q-r(M1-pM’p)xTyBzCqAlr(0＜a＜0.50，0＜p＜0.5，2原子％＜x＜5原子％，8原子％＜y＜12原子％，12原子％＜z＜17原子％，0.1原子％＜q＜1.0原子％，0.2原子％＜r＜2.0原子％以及25＜(x+y+z+q+r)＜30，M是選自Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中的至少一種，M’為選自Zn、Sn、和R(R是從包括Y的稀土金屬中選擇的至少一種元素)中的至少一種，T為選自Si和P中的至少一種)。這使得可以獲得具有優(yōu)異磁性能、玻璃形成性能和粉末填充能力。此外，粉末進(jìn)行氧化或絕緣涂敷，通過使用模頭等并使用合適模制方法進(jìn)行模制以獲得模制體。以這樣的方式，制備粉末芯。因而，獲得在寬頻率范圍表現(xiàn)出優(yōu)異磁導(dǎo)率性質(zhì)并且從未獲知的高磁導(dǎo)率粉末芯。因此，可以經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生具有高飽和磁通量密度和高比電阻的軟磁材料高頻磁芯。此外，獲得包括高頻磁芯和至少一圈繞該高頻磁芯的線圈的電感元件，它是一種從未獲得過的經(jīng)濟(jì)并高性能的產(chǎn)品。因此，本發(fā)明在工業(yè)應(yīng)用中是非常有用的。
在本發(fā)明中，如果使用在粒度上具有45μm或更小最大粒度以及具有30μm或更小、更理想為20μm或更小平均直徑的金屬玻璃粉末，則獲得在高頻時具有非常低損耗性質(zhì)的粉末芯。包括高頻磁芯和至少一圈繞該高頻磁芯的線圈的電感元件具有優(yōu)異的Q性能，以致可以改善能量供給效率。因此，本發(fā)明在工業(yè)應(yīng)用中非常有用。
此外，在本發(fā)明中，在粒度上具有45μm或更小最大粒度以及具有30μm或更小、更理想為20μm或更小平均直徑的金屬玻璃粉末與嵌入在磁體中的線圈進(jìn)行加壓模制以形成完整結(jié)構(gòu)。在該情況下，除作為金屬玻璃相特征的優(yōu)異芯性能外，從流過線圈的電流產(chǎn)生的熱被輻射穿過金屬磁體。通過熱輻射的協(xié)同作用，對于相同形狀可以獲得額定電流增加的電感元件。此處，金屬玻璃粉末的應(yīng)變釋放熱處理溫度低于600℃以上溫度，所述600℃以上溫度認(rèn)為是在線圈中使用的銅線和涂層材料允許溫度的上限。因此，通過在不高于600℃溫度的熱處理，可以獲得損耗顯著減小的線圈。因此，作為形成具有線圈和粉末整體結(jié)構(gòu)的芯的粉末，本發(fā)明的合金組合物非常適合。
如上所述，本發(fā)明高頻磁芯通過使用具有高飽和磁通量密度和高比電阻的軟磁金屬玻璃材料而經(jīng)濟(jì)地獲得。此外，通過裝備具有線圈的芯獲得的電感元件具有以前從未有過的在高頻帶的優(yōu)異磁性能。因此，可以制備以前從未有過的成本低廉且性能優(yōu)異的高磁導(dǎo)率粉末芯，該粉末芯適用于各種電子裝置的能量供給元件如扼流線圈和變壓器。
使用在本發(fā)明中通過模制具有微小粒度的粉末獲得的高頻磁芯，可以制備在高頻上的高性能電感元件。此外，在通過模制微小粒度粉末獲得的高頻磁芯中，對嵌入在磁體中的線圈進(jìn)行加壓模制以形成整體結(jié)構(gòu)。因此，可以獲得尺寸小并且適用于大電流的電感元件，該電感元件適用作諸如扼流線圈和變壓器之類的電感元件。
權(quán)利要求
1.一種高頻磁芯，它包括通過模制軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物而獲得的模制體，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，所述粘合劑含量為10％或更小，所述軟磁金屬玻璃粉末具有由下面通式表示的合金組成(Fe1-aCoa)100-x-y-z-q-r(M1-pM’p)xTyBzCqAlr(其中0＜a＜0.50，0＜p＜0.5，2原子％＜x＜5原子％，8原子％＜y＜12原子％，12原子％＜z＜17原子％，0.1原子％＜q＜1.0原子％，0.2原子％＜r＜2.0原子％以及25＜(x+y+z+q+r)＜30，M是選自Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、V、Cr和W中的至少一種，M’為選自Zn、Sn和R(R是從包括Y的稀土金屬中選擇的至少一種元素)中的至少一種，T為選自Si和P中的至少一種)。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述模制體具有50％或更大的粉末填充比例，當(dāng)施用1.6×104A/m的磁場時具有0.5T或更大的磁通量密度，并且具有1×104Ωcm或更大的比電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述模制體通過制備軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物并使用模頭壓縮模制該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，所述粘合劑的量為5％或更小，所述模制體具有70％或更大的粉末填充比例，當(dāng)施用1.6×104A/m的磁場時具有0.70T或更大的磁通量密度，并且具有1Ωcm或更大的比電阻。
4.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述模制體通過制備軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物并使用模頭在不低于粘結(jié)劑軟化點的溫度條件下壓縮模制該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，所述粘合劑的量為3％或更小，所述模制體具有80％或更大的粉末填充比例，當(dāng)施用1.6×104A/m的磁場時具有0.9T或更大的磁通量密度，并且具有0.1Ωcm或更大的比電阻。
5.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述模制體通過制備軟磁金屬玻璃粉末和粘合劑的混合物并在軟磁金屬玻璃粉末的過冷液體溫度范圍內(nèi)壓縮模制該混合物而獲得，以與軟磁金屬玻璃粉末的質(zhì)量比計，所述粘合劑的量為1％或更小，所述模制體具有90％或更大的粉末填充比例，當(dāng)施用1.6×104A/m的磁場時具有1.0T或更大的磁通量密度，并且具有0.01Ωcm或更大的比電阻。
6.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中軟磁金屬玻璃粉末是通過水霧化或氣體霧化產(chǎn)生的，而且至少50％的粉末粒子具有不小于10μm的尺寸。
7.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中具有比軟磁金屬玻璃粉末的平均直徑更小的平均直徑和低硬度的軟磁金屬合金粉末以5～50％體積比的量加入。
8.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述軟磁金屬玻璃粉末具有基本上在1～2范圍內(nèi)的長寬比(長軸/短軸)。
9.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中模制后，所述模制體在不低于合金粉末居里點的溫度進(jìn)行熱處理，SiO2至少包含在合金粉末的粉末粒子之間的部分中間材料中。
10.一種電感元件，它包括權(quán)利要求1所述的高頻磁芯和至少一圈繞著該高頻磁芯纏繞的線圈。
11.如權(quán)利要求10所述的電感元件，其中在高頻磁芯的部分磁路上形成間隙。
12.如權(quán)利要求1所述的高頻磁芯，其中所述軟磁金屬玻璃粉末在網(wǎng)格粒度上具有45μm或更小最大粒度以及具有30μm或更小的平均直徑。
13.如權(quán)利要求12所述的高頻磁芯，其中具有比軟磁金屬玻璃粉末的平均直徑更小的平均直徑和低硬度的軟磁金屬合金粉末以5～50％體積比的量加入。
14.如權(quán)利要求12所述的高頻磁芯，其中所述軟磁金屬玻璃粉末具有基本上在1～2范圍內(nèi)的長寬比(長軸/短軸)。
15.如權(quán)利要求12所述的高頻磁芯，其中粉末填充比例為50％或更大，而在500kHz或更大的Q峰值為40或更大。
16.如權(quán)利要求12所述的高頻磁芯，其中所述軟磁金屬玻璃粉末在網(wǎng)格粒度上具有45μm或更小的最大粉末粒度以及具有20μm或更小的平均直徑，而在1MHz或更大時高頻磁芯的Q峰值為50或更大。
17.一種電感元件，它包括權(quán)利要求12所述的高頻磁芯和至少一圈繞著高頻磁芯纏繞的線圈。
18.如權(quán)利要求17所述的電感元件，其中所述線圈嵌入在磁體中并通過加壓模制成整體結(jié)構(gòu)而形成。
19.如權(quán)利要求17所述的電感元件，其中所述模制體形成至少一圈線圈，所述線圈嵌入在磁體中并通過加壓模制形成整體結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求17所述的電感元件，其中熱處理在不高于600℃的溫度進(jìn)行。
全文摘要
一種高頻磁芯(1)，它是通過模制軟磁金屬玻璃粉末和10％或更小質(zhì)量比粘合劑的混合物而獲得的模制體。該粉末具有由下面通式表示的合金組成(Fe
文檔編號H01F3/14GK1700369SQ20051007263
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者藤原輝彥, 浦田顯理, 井上明久 申請人:Nec東金株式會社, 東北大學(xué)