CN112582134A - 一种高可靠性模压电感的制备方法及其模压电感 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感。本发明通过改善模压电感线圈绕组变形量及金属粉末对线圈绕组的破损作用使得该方法制备的模压电感解决了模压电感短路问题。具体方法为，(1)通过线圈绕组中心填充预制铁芯实现线圈变形量减少50%及以上，（2）通过提高造粒粉末的松装密度到2.2g/cm3及以上使得线圈变形量减少10%及以上，（3）通过在线圈绕组外缘涂覆3um及以上厚度的磁粉胶，从本质上使得金属粉末在模压过程对线圈的破损作用消失，（4）软磁金属粉末的塑性变形强度σ0.2与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80。该发明的创新之处在于从原理上解决了模压电感在使用过程中的短路问题，具体而言，模压电感耐直流电压达到>=1000V/cm以上。

Description

一种高可靠性模压电感的制备方法及其模压电感
技术领域
本发明涉及一种高可靠性模压电感的制备方法及其模压电感，属于电子元器件领域。
背景技术
随着网络技术、计算机技术、通信技术、人工智能技术的逐步发展和相互融合，人类开始进入第四次工业革命时代；这个时代的主要特征在于人与人、物与物、人与物建立紧密的连接和信息互动，于是出现了智能手机、智能家居、智慧城市等新的生活方式，并随着相关瓶颈技术的逐渐突破会出现智能交通（包括互联网汽车、智能停车等）、AI机器人、甚至迟早出现的AI机器人社会、农业与工业的智能化及相关的物联网。这些复杂的连接都有赖于硬件***对信息的传递、通讯与处理，可以是信息的传送端，也可以是信息的接收端以及云端，智能化硬件的关键是芯片和相关的元器件。
其中的模压电感作为芯片周边的主要被动原件之一被广泛应用于各种智能硬件***，例如智能手机、智能电视、智能家电、平板电脑、笔记本电脑、各种通讯终端及服务器等，其主要功能在于电磁信号及能量的转换、存储及滤波。模压电感有线圈绕组和铁芯构成，线圈预置在模具中，通过金属软磁粉末将绕组内部及周边的空余空间填充并压制成型而获得，其具有优秀的抗EMI干扰能力及完全封闭的磁结构。
在各种电子、电力电子设备中通常要求器件具有功能性的同时具有良好的绝缘性以及抗EMI（电磁干扰）特性，因此利用金属粉末制作的模压电感需要对粉末首先进行表面绝缘处理，包括钝化及造粒，另外线圈绕组使用的铜线必须表面具有绝缘层（俗称为漆包线）。且随着电动汽车、物联网、云端服务器、智能化技术及新一代半导体材料的普及应用，对器件的稳定性要求越来越高，使用频率也越来越高，因此出现了一些可靠性问题，例如汽车电子要求模压电感长期使用过程的绝缘阻抗>=100MΏ/cm,还有耐压等级由现在的50V提升到300V甚至更高。
但是，模压电感的模压过程恰好是线圈绕组被破损的过程，线圈绕组受到粉末的挤压出现整体变形、铜线截面积变形、划伤等缺陷。导致线圈初始耐压能力由1000V及以上衰减到300V及以下。
本发明提供了一种高可靠性模压电感的制备方法及其模压电感，由此方法制备的模压电感线圈横截面变形量减少50%及以上，模压电感端子与铁芯之间的耐直流电压达到>=1000V/cm及以上。本发明通过改善模压电感线圈绕组的变形量及金属粉末对线圈绕组的破损作用使得该方法制备的模压电感从根本上解决了模压电感短路问题。具体方法为，(1)通过线圈绕组中心填充预制铁芯实现线圈变形量减少50%及以上，（2）通过提高造粒粉末的松装密度到2.2g/cm3及以上使得线圈变形量减少10%及以上，（3）通过在线圈绕组外缘涂覆磁粉胶，从本质上使得金属粉末在模压过程对线圈的破损作用消失，（4）软磁金属粉末的塑性变形强度与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80，以保证在提高密度的同时尽量减少金属粉末的变形，从而减少在模压过程中粉与线圈紧密接触过程相对位移的距离。该发明的创新之处从机理上将线圈短路的破环因素统筹考虑并结合模压电感制备工艺综合施策，从原理上及本质上解决了模压电感在使用过程中的短路问题。
发明内容
本发明提供了一种高可靠性模压电感的制备方法及其模压电感。通过改善模压电感线圈绕组的变形量及金属粉末对线圈绕组的破损作用使得该方法制备的模压电感从根本上解决了模压电感短路问题。主要方法为，(1)通过线圈绕组中心填充预制铁芯实现线圈变形量减少50%及以上，（2）通过提高造粒粉末的松装密度到2.2g/cm3及以上使得线圈变形量减少10%及以上，（3）通过在线圈绕组外缘涂覆磁粉胶，从本质上使得金属粉末在模压过程对线圈的破损作用消失，（4）软磁金属粉末的塑性变形强度与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80，以保证在提高密度的同时尽量减少金属粉末的变形，从而减少在模压过程中粉与线圈紧密接触过程相对位移的距离。该发明的创新之处从机理上将线圈短路的破环因素统筹考虑并结合模压电感制备工艺综合施策，从原理上及本质上解决了模压电感在使用过程中的短路问题,具体发明内容如下：
一、本发明适用的软磁金属材料可以是雾化铁粉、羰基铁粉、还原铁粉、铁硅软磁系列粉末、铁硅铬软磁系列粉末、坡莫合金软磁合金粉末、非晶态软磁金属粉末的一种及一种以上混合粉末。选择材料后对其进行绝缘包覆处理。
首先，对金属软磁粉末表面进行改性，改性的目的在于其表面生成一层绝缘性薄膜，该薄膜的主要成分可以是磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、铬酸盐、高锰酸盐、硝酸盐、铝酸盐等的一种或一种以上的复合盐，根据绝缘层与金属粉末表面是否发生化学反应其处理的方法可以是化学转化法，也可以是物理包覆法。由于该绝缘层是共价键或离子键化合物，所以其具有良好的绝缘特性及耐热特性，以满足模压电感使用过程的耐热老化及耐电压击穿的要求，由以上方法制备的绝缘层薄膜厚度小于等于50纳米。
其次，将具有绝缘层的软磁金属粉末与高分子粘结剂树脂造粒。该树脂必须借助相应的稀释剂在具有充分的流动性的条件下与绝缘的软磁金属粉末混合均匀，随后将其利用造粒方法制成具有一定团聚粒度的造粒粉末并完全去除粘结剂里的稀释剂，由此制得的造粒粉末具有流动性及一定的松装密度，该粘结剂占软磁金属粉末的重量百分比为2.0-4.0%。该粘结剂主体可以是环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等的一种或一种以上混合物，以及以上树脂的改性物的其中一种或一种以上的混合物。造粒方法可以是挤压造粒、圆盘造粒、喷雾造粒等的其中一种。本发明所涉及造粒粉末的松装密度达到2.2g/cm3及以上。
二、线圈绕组的制作。本发明绕组线圈为圆形、方形、矩形的其中一种，材料选用纯铜；另外，线圈中心放置有与线圈形状吻合的铁芯中柱，其高度大于等于线圈绕组的高度并小于等于相对应模压电感高度的80%，该铁芯压缩断裂强度大于等于10MPa，变形量在0.1%-1.0%之间,该铁芯材料可以是“步骤一”所涉及的造粒粉末，也可以是“步骤一”所涉及的金属粉末所制得的磁粉芯，例如铁硅磁粉芯、非晶磁粉芯、铁硅铝磁粉芯等；另外，当该铁芯采用“步骤一”所涉及的造粒粉末制备时其成型压强在400-1500MPa之间，且压力越大磁导率越高、强度和密度越高，成型后根据需要可将其进行固化处理；
三、在线圈绕组最外缘一层漆包线上涂覆磁粉胶，该磁粉胶一般由可流动的树脂与磁性粉末混合而成，市场上有售；涂层厚度在3.0-15.0um之间，另外该磁粉胶中的软磁粉末体积平均粒度D50在1.0-5.0um之间，该磁粉胶相对初始磁导率u0在5.0-12.0之间，磁粉胶中的高分子材料为热固性树脂，常温下为可流动的液体状态。
四、最后，在成型机及相应模具中将软磁金属造粒粉末与带中柱的线圈绕组进行成型处理，成型过程依次为：（1）利用料鞋第一次送粉至模穴中，（2）将线圈绕组置于模穴中，线圈由其电极两端固定位置以保证线圈离模具模壁的距离均匀，随后合模形成模压型腔，（3）在模具成型型腔中再次填入一定量的造粒粉末并利用气动阀将造粒粉末振实以保障线圈完全被造粒粉末埋入，（4）开始压制，冲头施加压力将造粒粉末与线圈绕组同时模压为模压电感，其内部为线圈绕组，外部是由造粒粉末被压实形成的铁芯，成形压力一般在250-650MPa之间，优选地成形压力一般在300-600MPa之间，保压时间在0.5-5.0秒之间，特别指出的是软磁金属粉末的塑性变形强度与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80，且保证该造粒粉末的松装密度与模压后铁芯的密度之比要大于等于1.0/2.8，优选地该造粒粉末的松装密度与模压后铁芯的密度之比要大于等于1.0/2.5，脱模，将型腔打开，然后冲头离型，下冲头顶出产品。
五、模压电感的固化处理。将压制好的模压电感先放入干燥箱中进行粘结剂固化处理，处理温度在80-200℃之间，保温时间在10-300分钟之间，气氛为大气或保护气氛，以保证粘结剂固化完全的同时不发生氧化。
附图说明
图1是本发明线圈绕组的结构示意图。
图2是本发明模压电感产品示意图。
实施例1
实施例1所述一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感：
1. 预制中柱铁芯
先将铁芯用软磁金属造粒粉末放入模具成型，成型压力为600MPa，形状分别为无中柱、圆柱形、方形和椭圆形；该造粒粉末原粉为D50=10um的Fe92Cr4.5Si3.5的水雾化金属粉末，经过钝化和绝缘包覆后做成可模压的造粒粉末，该铁芯的磁导率为30。
2.线圈绕组的制作
将中柱铁芯装进绕组中心并上下对称，此时中柱应保证在不施加外力的作用下不会脱落。
3.线圈绕组外边缘的保护
实施例1不进行磁粉胶的涂覆。
4.模压电感用造粒粉末制作
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用稀释剂稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使稀释剂部分挥发并造粒，将含有部分稀释剂的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除干净，从而得到完全干燥的软磁金属造粒粉末，根据需要进行整粒及筛分处理，得到的造粒粉末松装密度为2.2。
5.电感模压成型
在模具中压制模压电感，样品采用初始感值10uH,外形尺寸6.6mm*6.6mm*3mm，模压压强为500MPa，先进行第一次填粉，然后将装有预制铁芯的线圈放入型腔，接着二次填粉，随后型腔闭合，开始压制成型，成型后产品脱模，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。
之后测试产品的直流耐压、线圈截面积的变形量及产品的基本磁特性。
下表为测试结果：中柱为圆形、方形及椭圆形时都使得线圈变形量明显降低、耐压明显提高。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例2
实施例2所述一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感：
1.预制中柱铁芯
先将铁芯用软磁金属造粒粉末放入模具成型，成型压力为600MPa，形状分别为圆柱形；该造粒粉末原粉为D50=10um的Fe92Cr4.5Si3.5的水雾化金属粉末，经过钝化和绝缘包覆后做成可模压的造粒粉末，该铁芯的磁导率为30。
2.线圈绕组的制作
将中柱铁芯装进绕组中心并上下对称，此时中柱应保证在不施加外力的作用下不会脱落。
3.线圈绕组外边缘的保护
将线圈绕组的外侧全部涂覆磁粉胶，该保护层厚度分别为1um、2um、3um、5um、10um，之后将涂覆有磁粉胶的线圈在干燥箱中用80℃烘烤60分钟。
4.模压电感用造粒粉末制作
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用稀释剂稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使稀释剂部分挥发并造粒，将含有部分稀释剂的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除干净，从而得到完全干燥的软磁金属造粒粉末，根据需要进行整粒及筛分处理，得到的造粒粉末松装密度为2.2。
5.电感模压成型
在模具中压制模压电感，样品采用初始感值10uH,外形尺寸6.6mm*6.6mm*3mm，模压压强为500MPa，先进行第一次填粉，然后将装有预制铁芯的线圈放入型腔，接着二次填粉，随后型腔闭合，开始压制成型，成型后产品脱模，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。
之后测试产品的直流耐压、线圈截面积的变形量及产品的基本磁特性。
下表为测试结果：随着线圈涂覆层厚度增加，直流耐压先增加后无明显变化，感值呈持续降低趋势，线圈变形量基本无明显变化。
Figure 75859DEST_PATH_IMAGE002
实施例3
实施例3所述一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感：
1.预制中柱铁芯
先将铁芯用软磁金属造粒粉末放入模具成型，成型压力为600MPa，形状分别为圆柱形；该造粒粉末原粉为D50=10um的Fe92Cr4.5Si3.5的水雾化金属粉末，经过钝化和绝缘包覆后做成可模压的造粒粉末，该铁芯的磁导率为30。
2.线圈绕组的制作
将中柱铁芯装进绕组中心并上下对称，此时中柱应保证在不施加外力的作用下不会脱落。
3.线圈绕组外边缘的保护
将线圈绕组的外侧全部涂覆磁粉胶，该保护层厚度为3um，之后将涂覆有磁粉胶的线圈在干燥箱中用80℃烘烤60分钟。
4.模压电感用造粒粉末制作
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用稀释剂稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使稀释剂部分挥发并造粒，将含有部分稀释剂的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除干净，从而得到完全干燥的软磁金属造粒粉末，并进行整粒及筛分处理，筛分得到-60~180目的粉末，得到的造粒粉末松装密度分别为2.2、2.3、2.4。
5.电感模压成型
在模具中压制模压电感，样品采用初始感值10uH,外形尺寸6.6mm*6.6mm*3mm，模压压强为500MPa，先进行第一次填粉，然后将装有预制铁芯的线圈放入型腔，接着二次填粉，随后型腔闭合，开始压制成型，成型后产品脱模，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。
之后测试产品的直流耐压、线圈截面积的变形量及产品的基本磁特性。
下表为测试结果：随着造粒粉松装密度增加，直流耐压、感值以及直流偏置特性都无明显变化，只有线圈截面的变形量感值呈持续降低趋势。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
实施例4
实施例4所述一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感：
1.预制中柱铁芯
先将铁芯用软磁金属造粒粉末放入模具成型，成型压力为600MPa，形状分别为圆柱形；该造粒粉末原粉为D50=5um的羰基铁金属粉末，经过钝化和绝缘包覆后做成可模压的造粒粉末，该铁芯的磁导率为28。
2.线圈绕组的制作
将中柱铁芯装进绕组中心并上下对称，此时中柱应保证在不施加外力的作用下不会脱落。
3.线圈绕组外边缘的保护
将线圈绕组的外侧全部涂覆磁粉胶，该保护层厚度为3um，之后将涂覆有磁粉胶的线圈在干燥箱中用80℃烘烤60分钟。
4.模压电感用造粒粉末制作
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用稀释剂稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使稀释剂部分挥发并造粒，将含有部分稀释剂的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除干净，从而得到完全干燥的软磁金属造粒粉末，并进行整粒及筛分处理，得到的造粒粉末松装密度分别为2.2。
5.电感模压成型
在模具中压制模压电感，样品采用初始感值10uH,外形尺寸6.6mm*6.6mm*3mm，模压压强分别为400MPa，500MPa，先进行第一次填粉，然后将装有预制铁芯的线圈放入型腔，接着二次填粉，随后型腔闭合，开始压制成型，成型后产品脱模，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。
之后测试产品的直流耐压、线圈截面积的变形量及产品的基本磁特性。
下表为测试结果：纯铁的屈服强度大概在200MPa，随着压制压强增加，直流耐压和感值无明显变化，直流偏置特性都得到明显改善，线圈截面的变形量感值呈持续降低趋势。
Figure 481695DEST_PATH_IMAGE004
实施例5
实施例5所述一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感：
1.预制中柱铁芯
先将铁芯用软磁金属造粒粉末放入模具成型，成型压力为600MPa，形状分别为圆柱形；该造粒粉末原粉为D50=5um的羰基铁金属粉末，经过钝化和绝缘包覆后做成可模压的造粒粉末，该铁芯的磁导率为28。
2.线圈绕组的制作
将中柱铁芯装进绕组中心并上下对称，此时中柱应保证在不施加外力的作用下不会脱落。
3.线圈绕组外边缘的保护
将线圈绕组的外侧全部涂覆磁粉胶，该保护层厚度为3um，之后将涂覆有磁粉胶的线圈在干燥箱中用80℃烘烤60分钟。
4.模压电感用造粒粉末制作
按环氧树脂及其固化剂：铁基金属粉末质量比为0.03：1进行配料，先将环氧树脂及其固化剂用稀释剂稀释为浓度为25%的树脂混合溶液，然后将上述两次表面处理的软磁金属粉末加入所述混合溶液中进行机械搅拌，混合均匀后利用抽气的方式使稀释剂部分挥发并造粒，将含有部分稀释剂的造粒粉末在60-80℃之间干燥去除干净，从而得到完全干燥的软磁金属造粒粉末，并进行整粒及筛分处理，得到的造粒粉末松装密度分别为2.2。
5.电感模压成型
在模具中压制模压电感，该实施例将模具加热到150℃，样品采用初始感值10uH,外形尺寸6.6mm*6.6mm*3mm，模压压强为250MPa，先进行第一次填粉，然后将装有预制铁芯的线圈放入型腔，接着二次填粉，随后型腔闭合，开始压制成型，成型后产品脱模，随后在160℃处理90分钟将粘结剂固化并得到可使用的模压电感。
之后测试产品的直流耐压、线圈截面积的变形量及产品的基本磁特性。
下表为测试结果：纯铁的屈服强度大概在200MPa，随着压制压强增加，直流耐压明显得到改善，直流偏置特性都得到明显改善，线圈截面的变形量感值呈持续降低趋势。
Figure DEST_PATH_IMAGE005

Claims (7)

1.一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：（1）本发明采用软磁金属粉末与高分子粘结剂构成的造粒粉末作为铁芯基体材料，该造粒粉末的松装密度与模压后铁芯的密度之比要大于等于1/2.8,且该造粒粉的松装密度大于等于2.2g/cm3,(2)铜线圈绕组作为产生磁场的导电材料，该铜线圈绕组中心预置有圆柱形、T字型、工字型铁芯的其中一种，且该铁芯主要原材料为铁基软磁金属粉末，该铁芯压缩断裂强度大于等于10MPa，变形量在0.1%-1.0%之间，该线圈绕组外缘涂覆有一层足以填平铜线之间沟壑的磁粉胶，且该磁粉胶与线圈外缘之间的薄膜厚度大于等于3.0um,（3）随后在模具中将造粒粉末与线圈绕组一起成型为模压电感，且软磁金属粉末的塑性变形强度σ0.2与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80，模压压强小于等于600MPa，（4）由此方法制备的模压电感线圈横截面变形量减少50%及以上，模压电感端子与铁芯之间的耐直流电压达到>=1000V/cm以上。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该模压电感用铁芯基体材料可以是羰基铁粉、还原铁粉、雾化铁粉、雾化Fe(100-x-y)SixCry粉（x=3.5-6.5,y=0.0-6.5）、铁基非晶软磁粉末、铁基非晶纳米晶粉末、Sandust粉末、HighFlux粉末的其中一种或一种以上的混合物，且体积平均粒度D50在5.0-15.0um。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该造粒用高分子材料可以是环氧树脂系列、酚醛树脂系列、硅树脂系列等树脂及其相关的改性物，且该粘结剂添加量为金属粉末重量的2.0-4.0%之间，可加入相关的稀释剂、偶联剂、增韧剂、消泡剂、流平剂来辅助形成造粒粉末以及改善相应的特性，该造粒粉末粒度范围在-50目-+300目。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该造粒粉末的松装密度与模压后铁芯的密度之比要大于等于1.0/2.8,且该造粒粉的松装密度大于等于2.2g/cm3，优选地该造粒粉末的松装密度与模压后铁芯的密度之比要大于等于1.0/2.5。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该铜线圈绕组中心预置的铁芯形状为圆柱形、T字型、工字型铁芯的其中一种，其预置铁芯高度要小于等于模压电感总高度的80%，预置铁芯直径为线圈内径的97.6-99.6%，且该预置铁芯用软磁材料可以是羰基铁粉、还原铁粉、雾化铁粉、雾化Fe(100-x-y)SixCry粉（x=3.5-6.5,y=0.0-6.5）、铁基非晶软磁粉末、铁基非晶纳米晶粉末、Sandust粉末、HighFlux粉末的其中一种或一种以上的混合物，预置铁芯的密度在5.5-7.0g/cm3之间，且该预置铁芯压缩断裂强度大于等于10MPa，变形量在0.1%-1.0%之间。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该线圈绕组外缘涂覆有一层足以填平铜线之间沟壑的磁粉胶，且该磁粉胶与线圈外缘之间的薄膜厚度大于等于3.0um,另外该磁粉胶中的软磁粉末体积平均粒度D50在1.0-5.0um之间，该磁粉胶相对初始磁导率u0在5.0-12.0之间，磁粉胶中的高分子材料为热固性树脂，常温下为可流动的液体状态。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠性模压电感的制备方法及其电感，其特征在于：该模压电感须在模具中将造粒粉末与线圈绕组一起成型为模压电感，一般都会包括线圈摆放、合模、送粉、压制、脱模等粉末压制工艺，该软磁金属粉末的塑性变形强度σ0.2与模压电感的成型压强之比必须大于等于0.33而小于0.80，优选地大于等于0.40而小于0.80，模压压强小于等于600MPa。
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