专利名称：压粉磁芯及其制造方法
技术领域：
本发明涉及压粉磁芯及其制造方法。该压粉磁芯适用于开关电源的变压器 和电抗器。
背景技术：
近年来各种电子设备已在大小及重量上有所减小，并且相应地对安装在电 子设备上的开关电源的小型化的需求渐增。尤其存在对用于笔记本个人计算
机、小型便携设备、薄CRT以及平板显示器中的开关电源的大小及厚度的减 小的强烈需要。然而，在常规的开关电源中，诸如作为开关电源的主要结构部 件的变压器和电抗器的磁性部件占据了大的体积，从而给大小和厚度的减小带 来了限制。因而，只要这些磁性部件不被制造得小而薄，就难以减小开关电源 的大小和厚度。
已经将诸如铝硅铁粉和透磁合金的金属磁性材料或者诸如铁素体的氧化 物磁性材料用作在该种开关电源中使用的变压器和电抗器的磁性部件。其中， 金属磁性材料通常具有高饱和度的磁通强度和磁导率，但是因为其电阻低，故 而涡流损耗高，尤其在高频区域该损耗更甚。近来出现通过在高频下驱动电源 电路并且降低必须的电感值而使磁性部件小型化的趋势，但是因为涡流损耗效 应无法在高频下使用金属磁性材料。
另一方面，因为氧化物磁性材料具有比金属磁性材料高的电阻，故而即使 在高频区域产生的涡流损耗也很小。然而，因为其饱和磁通强度小，故而该种 材料易于磁饱和，从而使其难以减小体积。换言之，在任何情况下，磁芯体积 是确定电感值最重要的因素，并且除非改善磁性材料的磁特性否则难以减小大 小以及厚度。
因而，限制了使常规的磁性部件小型化的可能性，并且减小电子设备的大 小和厚度的要求没有被充分满足。
作为解决该种问题的一种方法，已经提出了一种高强度的烧结磁体(例如，
参看日本专利申请公开No. 56-38402)，其中由大小为1至10pm的粒子构成 的金属磁性材料的表面涂覆有被表示为MFex04(其中M二Ni， Mn， Zn， x^2)
的尖晶石组合物的金属氧化物磁性材料。
此外，例如在国际专利申请小册子No. 03/015109和美国专利申请公开No. 2004/0238796 Al中提出了一种合成磁性材料，其中压模了具有铁素体层涂层 的金属或者金属互化物的铁磁性细微粒粉末，并且经由铁磁层在铁磁粒子之间 形成磁路，其中通过在铁磁性细微粒粉末表面上超声电镀受激的铁素体形成该 铁素体涂层。
此外，已经提出了由软磁性金属粒子构成的软磁性粒子，在该软磁性粒子 的表面上涂覆高阻物质，并且在该高阻物质上形成基于磷酸盐转换的涂层，从 而获得具有高密度和高特定阻抗(例如，参加日本专利申请公开No. 2001-85211)的软磁性压模件。
最近提出了一种磁性材料，其中鉴于低阻抗是金属磁性材料的缺点，在具 有高饱和磁通强度和磁导率的软磁性粒子的表面上形成具有高电阻的非磁性 绝缘的氧化物的涂层以增加阻抗。因为通过非磁性绝缘膜的作用增加了电阻， 所以用该种磁性材料有可能抑制涡流，g卩，使得可在例如兆赫频带的高频下使 用磁性材料。
为了进一步减少通过塑模上述粒子(磁性材料)得到的软磁性模制件在兆 赫频带下的涡流损耗，有必要通过增加在金属粒子表面上形成的绝缘涂层或者 高阻抗层的厚度来增加软磁性塑膜件的阻抗。例如，在日本专利申请公开No. 2001-85211的表1中示出的范例中的特定阻抗大于比较例中的阻抗，但是仍然 不够大，并且仅仅示出了体积铁耗为10千赫的材料。为了使其在1兆赫下工 作，必须进一步增加高阻层的厚度来提高塑膜件的特定电阻。然而，当形成 于金属粒子表面上的绝缘涂层或者高阻层的厚度增加时，金属粒子之间的缝隙 变大且磁导率降低。此外，在绝缘涂层被制得更薄以增加磁导率或者通过压模 获得的软磁性塑膜件的热处理温度被增高时，阻抗的降低导致兆赫频带下涡流 损耗的增加。
根据另一种减小兆赫频带下涡流损耗的方法，压模的压粉磁芯的厚度被减 小并且经由绝缘层被层积(例如，参见日本专利申请公开No. 11-74140)。
此外，还提出了一种制造软磁性多层膜的方法，其中通过交替形成软磁性
膜和绝缘膜(例如，参见日本专利申请公开No. 2000-54083和9-74016号)来 形成软磁性膜和绝缘膜的层积。
通过在日本专利申请公开No. 11-74140中公开的方法，通过热压层积两个 厚度为5.5mm的环从而获得10mm的厚度。然而，在薄电子部件中，其总厚 度小至0.6 mm或更小，并且层积体的厚度等于或者小于该值的一半(例如， 0.2mm或更小)。从机械强度的角度通过压模来制造该种薄铁芯也是困难的。 当铁芯的表面面积增加时，该困难程度变得更大。此外，因为总厚度小，所以 当使用经由绝缘层层积薄铁芯的方法时，必须将绝缘层的厚度控制为例如 0.05pm或者更小，但是该种薄片状的铁芯实在难以通过压模制造。
日本专利申请公开No. 2000-54083和9-74016描述了磁性膜和绝缘膜的层 积结构，该结构适用于电感器或者变压器的磁芯，但是因为两个专利申请中的 磁性膜和绝缘膜均由溅射或者气相沉积形成，所以存在成膜速度低、需要大量 时间形成层积结构、以及由于应力无法形成诸如大容量磁芯的厚片结构的问 题。
发明内容
本发明的一个目标是解决上述问题，并且提供一种薄磁芯和绝缘物交替层 积的结构的制造方法，以作为改进压粉磁芯的高频特性和减少涡流损耗的方 法。
因而，根据本发明制造压粉磁芯的方法是一种通过在其表面上压模具有绝 缘氧化物涂层的软磁性材料粒子来制造压粉磁芯的方法，包括通过使用表面 上有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子形成绿板的磁性层绿板形成步骤；通过 使用绝缘粒子形成绿板的绝缘层绿板形成步骤；以及交替层积在磁性层绿板形 成步骤中获得的磁性层绿板或者通过层积预定必要数量的磁性层绿板获得的 层积磁性层绿板和在绝缘层绿板形成步骤中获得的绝缘层绿板并压模的压模 步骤。
通过以上描述的用于制造压粉磁芯的方法获得根据本发明的压粉磁芯。 根据本发明，可以容易地形成磁性层和绝缘层在其中层积的层积压粉磁芯
并且该种磁芯的频率特性能够得以改进。
图1是示出设置有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子的示意图； 图2是示出本发明范例1的压粉磁芯的制造过程的示意图； 图3是本发明的范例2中制造的压粉磁芯的结构示意图； 图4示出在本发明的范例1和2中制造的压粉磁芯的频率特性； 图5是示出设置有在本发明的范例3中使用的厚绝缘氧化物涂层的软磁性 金属粒子的示意图；以及
图6示出了在本发明的范例3中制造的压粉磁芯的频率特性。
具体实施例方式
根据本发明，通过使用设置有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子1形成磁 性层绿板，其中诸如图l所示，绝缘氧化物涂层12形成于软磁性金属粒子11 之上。
由例如诸如铁、钴、镍的具有高磁导率的金属材料或者基于它们的例如透 磁合金和铝硅铁粉的合金构成的粒子可以被用作设置有绝缘氧化物涂层的软 磁性金属粒子l中的金属，该绝缘氧化物涂层用于形成磁性层绿板。
软磁性金属粒子11的直径并不特别受限制，只是其优选的直径是1至 30|_im。
在软磁性金属粒子的表面上形成绝缘氧化物涂层的氧化物的范例包括诸 如铁素体或者基于铁的氧化物的具有高电阻的氧化物，以及诸如玻璃、二氧化 硅和铝的绝缘氧化物。适用的铁素体的范例包括Ni-Zn铁素体、Cu-Zn-Mg铁 素体和含有这些物质作为主要成分的复合铁素体。玻璃的范例包括含有Si02， B203， P20s或者类似物作为主要成分的玻璃。形成绝缘氧化涂层的方法不受限 于湿法，还可以采用干法。因而，形成涂层的方法并不受特定的限制。
设置有绝缘氧化物涂层的金属磁性粒子的涂层的厚度并不具体受限并且 可以为5nm或者更大，更优选地为10nm或者更大，假设粒子之间的电阻可以 增加。从增加磁导率的角度，优选40nm或者更小的厚度，更优选20nm或者更小的厚度。
诸如铁素体或者基于铁的氧化物的具有高电阻的氧化物以及诸如玻璃、二 氧化硅和铝的绝缘氧化物可以被用作形成绝缘层绿板的绝缘粒子，但是从改进 所获得的压粉磁芯的磁特性的角度，优选使用设置有绝缘氧化涂层的软磁性金
属粒子2，其中在软磁性金属粒子13上形成厚绝缘氧化物涂层14，诸如图5 所示。
用于形成磁性层绿板的与软磁性金属粒子1中的软磁性金属粒子相同的 设置有绝缘氧化物涂层的粒子可以被用作适用于设置有厚的绝缘氧化物涂层 的软磁性金属粒子2的形成绝缘层绿板的软磁性金属粒子。形成厚绝缘氧化物 涂层14的范例包括诸如铁素体或者基于铁的氧化物的具有高电阻的氧化物以 及诸如玻璃、二氧化硅和铝的绝缘氧化物。适用铁素体的范例包括Ni-Zn铁素 体、Cu-Zn-Mg铁素体和含有这些物质作为主要成分的复合铁素体。玻璃的范
例包括含有&02、 B203、 P205或者类似物作为主要成分的玻璃。
设置有厚绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子2中的绝缘氧化物涂层14的 厚度优选为50至300nm。当该厚度小于上述的下限时，绝缘属性不充分，而 当该厚度大于上限时，磁性材料的比率的降低导致特性降级以及涂层形成步骤 所需时间长的问题。
本发明中所指的绿板是一种在通过使用设置有绝缘氧化物涂层或绝缘粒 子的软磁性金属粒子形成磁性层或绝缘层的情况下的热处理之前的基板。通过 向设置有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子添加树脂粘合剂或者溶剂以获得 浆料；以及通过使用该浆料塑膜预定厚度的板以获得磁性层绿板。通过向绝缘 粒子添加树脂粘合剂或者溶剂以获得浆料；以及通过使用该浆料塑膜预定厚度 的板以获得绝缘层绿板。诸如聚乙烯(乙烯醇)的粘合树脂和丁醛系、纤维素系、 亚克力系树脂可以被用作树脂粘合剂。适用溶剂的范例包括有机溶剂，诸如 石油衍生物溶剂、酒精、丙酮以及甲苯和水。磁性层绿板的厚度在干燥后优选 为20至200|im，而绝缘层绿板的厚度在干燥后优选为5至100pm。
当通过使用浆料来制造绿板时，可以使用任何成板技术，但是从便于形成 较大表面积的角度而言，优选通过刮浆刀法来形成该板。
接着，跟随诸如图2所示的以下步骤来制造压粉磁芯。因而，交替层积通
过层积预定数目的磁性层绿板获得的磁性层绿板或者层积的磁性层绿板和绝
缘层绿板。在图2所示的范例中，通过层积四层用作上述磁性层的绿板21，接 着层积一层用作绝缘层的绿板22，再接着层积四层用作磁性层的绿板21来形 成总厚度为820pm的层积的绿板23。
通过压模如此获得的层积绿板可制造压粉磁芯。在如图2所示的范例中， 通过将其夹在没有框架的平板之间来模制绿板，但是如果有必要则可使用模 具。压制的压力优选为500至2000MPa。
热处理所得到的层积的压粉磁芯。热处理温度优选为300至800°C。例 如通过使用电炉来进行热处理。热处理期间的气氛影响金属粒子的氧化。因而， 在允许氧化的情况下，可以在空气中执行热处理。在不期望被氧化的情况下， 在真空或者诸如氮或者Ar的惰性气体下进行热处理。在需要还原的情况下， 在氢气气氛下进行热处理。
如果必要，对经热处理的层积的压粉磁芯进行处理以获得预定的形状。在 磁芯可以被用在通过模具成型获得的状态中时，不需要进行该处理。根据本发 明的制造方法使获得即使在高频下也具有低损耗的压粉磁芯成为可能。
范例
以下将通过使用本发明的范例来更详细地说明本发明。 范例1
在该范例中，通过水雾化方法产生的Ni78Mo5Fe(Ni占78wt.%， Mo占5 wt.%，而Fe占剩余的份额)粒子(平均粒子大小为8nm)被用作软磁性金属粒子 11。此外，通过水玻璃方法形成的Si02涂层被用作绝缘氧化物涂层12。下面 描述一种用于形成涂层的方法。
在本范例中使用的水玻璃复合物为Na2OxSi02.nH20 (x = 2到4)，并且通 过将其溶解在水中获得的溶液表征为碱性。软磁性金属粒子11被置入溶液，添
加盐酸至该溶液中，在pH控制下进行水解，并且产生胶状硅酸(H2Si03)以 粘附到软磁性金属粒子11的表面。接着通过干燥软磁性金属粒子11来形成 Si02涂层。可通过水玻璃水溶液的浓度来控制Si02涂层的厚度，并且在本范 例中该厚度被控制为20nm。
在本范例中，通过在图2中所示的制造方法制造层积的压粉磁芯。
首先，通过将上述的设置有氧化物涂层的软磁性金属粒子11用作主要起
始物质来形成磁性层绿板21 。与形成铁素体或者陶瓷绿板的方法相类似的典型 方法被用作为制造绿板的方法。0.1 wt.% PVA(聚乙烯醇)的水溶液被用作粘合 剂并且与金属磁性粒子相混合。去除混合物的泡沫，接着在干燥之后通过掺混 粘合剂的方法形成100|nm的厚度。
接着通过类似的过程形成绝缘层绿板22。Si02粒子(平均粒子直径为2|im) 15被用作其材料，类似上述粘合剂的粘合剂与其相混合，并且在干燥之后形 成厚度为20jim的混合物。
在1176MPa (12ton/cm勺的压力下不使用模具来压模层积的绿板，并且形 成中央为绝缘层并且在绝缘层上下为磁性层的层积的压粉磁芯24。压模之后的 板厚为532pm。
接着，通过层积四层上述的磁性层绿板， 一层绝缘层绿板，以及另外四层 磁性层绿板，形成如图2所示的总厚度820|Lim的层积绿板23。
在处于600°C的氮气氛下的电炉中热处理一小时以获得压粉磁芯。在氮气 氛下进行热处理。最后，处理经热处理的压粉磁芯以获得预定的结构。
由此所获得的压粉磁芯具有以下性能0.59特斯拉的磁饱和度，在f = 2 MHz的频率下的有效磁导率p' = l00，且tan5二W '二 0.015。在图4中示出 了层积的压粉磁芯的频率特性li'和^。为了比较起见，通过使用除了没有形成 绝缘层以外与在磁性层绿板中所用的相同的设置有绝缘涂层的金属粒子所形 成的厚度为525pm的压粉磁芯的特性也在图4中示出。
范例2
在本范例中，制造如图3中所示的三层结构的压粉磁芯。该制造方法与图 2中所示的范例1的方法相同，只是该磁性层绿板的厚度在干燥之后为90^irn/ 层，绝缘层绿板在干燥后的厚度为20pm，按照三层磁性层、 一层绝缘层、三 层磁性层、 一层绝缘层以及三层磁性层的顺序进行层积并且采用和范例1相同 方式的压制和热处理。
层积的压粉磁芯的厚度是550)am。从而，所获得压粉磁芯具有以下性能: 0.58特斯拉的磁饱和度，在f二2MHz的频率下有效磁导率^i'二100，且tanS = |i7|i' = 0.007。
范例3
在本范例中，通过使用设置有厚氧化物涂层的软磁性金属粒子2(以下称作
粒子2)形成的绝缘磁性层绿板代替绝缘层绿板使用，其中如图5所示该氧化物 涂层在软磁性金属粒子13的表面上具有一厚绝缘氧化物涂层14。
在粒子2中，与粒子1类似，使用通过水雾化方法产生的Ni78Mo5Fe粒 子(平均粒子大小8 pm)作为软磁芯金属粒子13，并且通过水玻璃方法形成的厚 度被控制为200nm的Si02被用作绝缘氧化物涂层12。
通过使用与范例1的绿板形成步骤相同的方法，使用已经获得的粒子2 来形成绝缘磁性层绿板。其厚度在干燥之后被调整为50 pm。
与范例1中所使用的磁性层绿板相同的磁性层绿板被用为本范例中采用 的磁性层绿板。在本范例中，通过层积四层磁性层绿板、 一层绝缘磁性层绿板 以及四层磁性层绿板形成总厚度为850 pm的层积的绿板。接着在500T下压 模并热处理层积的绿板以形成层积的压粉磁芯。压模之后板的厚度为550pm。
从而，层积的压粉磁芯具有如下所述的性能0.61T的磁饱和度，在f-2 MHz的频率下有效磁导率j:ik98，且tanS = p"4i'= 0.015。在图6中示出了层 积的压粉磁芯的频率特性n'和p"。为了比较起见，还在图6中示出了通过使 用设置有绝缘层的金属粒子形成的厚度为525 pm的压粉磁芯的特性，该金属 粒子与磁性层绿板中所用的粒子相同，只是没有形成磁性绝缘层。
范例1和范例3的比较表明通过使用设置有氧化物绝缘涂层的软金属粒子
而不是使用Si02构成的粒子作为形成绝缘层绿板的粒子，有可能进一步改进磁
饱和度，同时保持频率特性。在这些范例中，采用了一种具有上下两个磁性层 的结构，但是使用如在范例2中所述的三层结构可以进一步改进高频特性。
根据本发明，可以通过简单的方式形成其中磁性层和绝缘层层积的层积压 粉磁芯，并且可以改进该磁芯的高频特性。通过使用该种磁芯，有可能减小开 关电源的大小和厚度。
权利要求
1.一种通过在其表面上压模具有绝缘氧化物涂层的软磁性材料粒子来制造压粉磁芯的方法，包括以下步骤通过使用表面上有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子形成磁性层绿板；通过使用绝缘粒子形成绝缘层绿板；以及交替层积在磁性层绿板形成步骤中获得的磁性层绿板或者通过层积预定必要数量的磁性层绿板获得的层积磁性层绿板和在绝缘层绿板形成步骤中获得的绝缘层绿板并且压模。
2. 根据权利要求1所述的制造压粉磁芯的方法，其特征在于，用于形成 所述绝缘层绿板的绝缘粒子是具有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子，并且所 述绝缘氧化物涂层的厚度大于形成所述磁性层绿板的在其表面上具有绝缘氧 化物涂层的软磁性金属粒子的绝缘氧化物涂层的厚度。
3. —种根据权利要求1或2所述的制造压粉磁芯的方法获得的压粉磁芯。
全文摘要
提出了一种具有改进的高频特性和减小的涡流损耗的压粉磁芯。一种通过在其表面上压模具有绝缘氧化物涂层的软磁性材料粒子来制造压粉磁芯的方法，包括通过使用表面上有绝缘氧化物涂层的软磁性金属粒子形成磁性层绿板的步骤；通过使用绝缘粒子形成绝缘层绿板的步骤；以及交替层积在磁性层绿板形成步骤中获得的磁性层绿板或者通过层积预定必要数量的磁性层绿板和在绝缘层绿板形成步骤中获得的层积绝缘层绿板以及压模的步骤。
文档编号H01F10/28GK101354946SQ20081012590
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月3日 优先权日2007年7月3日
发明者佐藤启, 广濑隆之, 江户雅晴 申请人:富士电机电子技术株式会社