隨著人工智能技術的飛速發展，AI芯片正加速向高性能和大功率方向邁進，芯片電感作為核心組件，技術正面臨著前所未有的高標準挑戰。一體成型電感，作為繞線電感的升級版，是將線圈本體埋入軟磁復合磁心內部模壓成型的，憑借體積小、結構穩定、效率高、保持優秀電流及飽和電流特性等優勢，當前呈現爆發式增長的趨勢。

（來源：深圳市捷比信實業有限公司）

由于一體成型電感的性能指標與軟磁復合磁心的磁性參數有直接關系，因此軟磁復合材料性能的優化是提升一體成型電感綜合性能的關鍵。下面從軟磁復合材料的制備流程出發簡要介紹如何提升一體成型電感的性能。通常一體成型電感的制備流程主要包含磁粉成分設計及制備、粉末級配、磁粉表面絕緣包覆、壓制成型及熱處理工藝。

一、磁粉成分設計及制備

合金成分對磁粉的的飽和磁感應強度、矯頑力及電阻率等本征特性有著極大影響，這些特性又直接決定了軟磁復合材料及其構成的一體成型電感的性能，如磁心的有效磁導率、直流偏置性能和磁損耗等性能。根據合金成分，一體成型電感常采用的合金體系包括羰基鐵粉、鐵硅鉻磁粉心、非晶/納米晶磁粉心等。其中非晶材料是利用液態的金屬快速冷卻固化而得到的一種短程無序、長程有序的帶狀材料，納米晶材料則是在非晶材料的基礎上經熱處理得到，為在非晶基體中形成均勻分布、納米尺度的晶粒，它們具有高電阻率、更低的矯頑力、磁滯損耗和渦流損耗，是未來一體成型電感軟磁材料的重要發展方向。

非晶/納米晶體系的成分設計一般需要滿足三個原則：

（1）由三個或三個以上組元構成多元合金，以滿足各項性能。

（2）合金中主要組元之間的原子尺寸差大于12%；

（3）合金中主要組元之間具有大的負混合焓，有利于鐵磁性元素原子之間鍵的增強和短程有序區的形成，從而增大了合金的飽和磁化強度。

因此，非晶/納米晶合金設計中除了加入Fe、Co、Ni等鐵磁性元素來提升合金的飽和磁感應強度之外，還需要添加一定量的B、C、Si等類金屬元素和Mo、Zr、W等過渡元素來提高來促進非晶和納米晶材料的形成。此外，為了獲得結構均勻、尺寸小于20nm的α-Fe晶粒，Cu和Nb等元素也被添加到納米晶合金體系中，而Cr等元素的添加則有利于減少合金中的缺陷密度，進而降低了合金的矯頑力，同時有利于在氧化層中形成CrO_x，進一步提高了合金的耐腐蝕性。不過，需要注意的是，上述非鐵磁性元素的添加也會導致其飽和磁感應強度下降，影響電感的直流偏置特性，因此需要根據經實際需求來調配各種粉末比例。

在制備方式上，非晶/納米晶粉末主要有帶材破碎粉末和霧化粉末，帶材破碎粉末形貌不規則且邊緣尖銳，影響粉末的后端包覆且容易刺破線包，因此市場上很少采用破碎非晶粉末制備一體電感。霧化法則是將一定成分配比的合金熔融，利用高壓氣流使液態金屬從噴嘴中噴出，通過氬氣等惰性氣體（氣霧化法）或者水（水霧化法）作為霧化介質，使金屬液滴冷卻而形成流動性好、有利于包覆的高球形度磁粉。目前最先進的非晶粉末制備工藝為ATMIX采用的SWAP(旋轉水霧化法)工藝，高速旋轉的水流可以快速破壞高溫熔融液滴與水接觸瞬間產生的表層氣膜，從而加速粉末冷卻，有效形成非晶態。

旋轉水霧化法工藝（來源：非晶合金）

二、粉末級配

磁粉的粒徑大小和粒度分布對軟磁復合材料的磁性能也有一定的影響。通常大粒徑的磁粉不易團聚，磁粉芯的成型密度會增高，進而可以提升磁導率和飽和磁感應強度，但與此同時，由于受到趨膚效應（交變電流通過導體時，由于感應作用，會引起導體截面上電流分布的不均勻性，具體表現為愈接近導體表面，電流密度越大）的影響，磁粉芯的渦流損耗也增大，磁滯損耗則隨之降低。

因此為了改善材料的綜合性能，制備一體成型電感時，往往需要形成合理的顆粒級配，以此調節磁心內部氣隙的分布，使磁粉芯形成密實堆積結構，降低氣隙處磁極產生的退磁場，從而大幅度增加了磁導率并減小損耗。

顆粒級配下磁心內部退磁場示意（來源：參考文獻1）

三、絕緣包覆

當軟磁粉顆粒之間沒有絕緣層時，在高頻、大電流下應用容易形成連續的導電路徑，從而產生較大的渦流損耗。通過絕緣包覆，則可以有效地隔斷這些導電路徑，顯著降低渦流損耗，同時防止顆粒間的物理接觸和磁性相互作用，改善磁心在高頻、大電流下使用時的頻率穩定性和直流偏置性能，并降低磁損耗。目前，根據絕緣介質的材料體系，絕緣包覆可分為有機絕緣包覆和無機絕緣包覆。

1、有機絕緣包覆：

有機絕緣包覆一般以聚環氧樹脂、聚對二甲苯（PPX）等高電阻率的熱固性或熱塑性樹脂為絕緣介質，這類材料與軟磁粉有很好的浸潤性和結合性，不過由于大多數有機材料的耐溫性較差，高溫環境下可能會發生分解或老化，不利于磁心后續的熱處理，也影響電感器的長期穩定性。

2、無機絕緣包覆

目前常用的無機絕緣層包括無機氧化物（如SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO等）、無機金屬鹽（磷酸鹽、硝酸鹽等）和軟磁鐵氧體（如Ni-Zn鐵氧體、Mn-Zn鐵氧體、Ni-鐵氧體等）。在制備方法上，無機絕緣包覆技術一般則可以分為濕化學法和干化學法。其中濕化學法是將待處理的金屬磁粉與無機絕緣劑在溶液中進行化學反應，從而在磁粉表面原位生成無機絕緣層。干化學法則是在一定溫度和氣氛下，將金屬磁粉氧化，從而在表面生成無機絕緣層。與干化學法相比，濕化學法需要控制化學反應的時間、溫度、溶液成分和pH值等因素，使得工藝難以精確控制。

各類無機絕緣層的特性（來源：參考文獻2）

與有機材料相比，無機包覆材料通常具有較高的耐溫性和高電阻率，能夠在高溫環境下保持穩定的性能。不過也存在成型性、粘接性等機械性能較差的缺點，所以目前許多研究采用有機-無機雙層包覆的包覆方法，綜合有機包覆與無機包覆的優點。

四、壓制成型

軟磁復合材料的壓制成型是將表面絕緣包覆過的金屬磁粉、粘接劑和潤滑劑等混合均勻，并將繞組本體埋入，以一定的壓力壓制成塊體。目前，壓制成型工藝主要有冷壓、溫壓等方式。冷壓通常在室溫25℃的情況下進行，工藝較為成熟、設備也相對穩定，且生產效率高，但若要提升材料的磁粉密度，進而提高磁導率和飽和磁感應強度，則需要增大壓制壓力，因此電感的磁粉密度、產品特性、線圈的傾斜/變形三者之間的矛盾一直無法有效平衡，一般常用于大尺寸的一體成型電感器。而熱壓則通過控制溫度與壓力，在高溫（一般在100℃以上）低壓下實現一體成型電感粉末壓鑄及電感連接與封裝，既大大減少線圈變形，提高電路的可靠性與穩定性，同時也大幅降低了電感總體損耗，適用于制備小尺寸一體成型電感，不過熱壓成型方式對磁粉特性要求及廠家的生產工藝要求較高。

一體成型電感壓制成型示意（來源：小魚教你模數電）

四、熱處理

在軟磁復合材料的制備過程中，壓制成型工藝會在粉體內產生大量內應力和位錯，不僅降低了機械強度，而且會增加材料的矯頑力，在磁心被磁化時會阻礙疇壁位移，從而降低磁導率并增加磁滯損耗。因此需要通過適當的熱處理，有效釋放內應力、降低雜質體積分數，進而提高磁心的有效磁導率。

磁心的退火溫度選擇一般應控制在合適的溫度范圍，同時要兼容磁粉材質、絕緣層熱穩定性及具體的應用場景。此外，在實際生產中由于受限于線圈的耐受溫度，一體成型電感一般在低溫下進行烘烤。

參考來源：

1、董博儒.一體成型電感用軟磁復合材料的制備與磁性能研究[D].華中科技大學.

2、李春龍.基于SiO₂絕緣包覆工藝的軟磁復合材料磁性能的研究[D].華南理工大學.

3、周瑞霖,文美琪,李奇,等.基于軟磁復合磁心的一體成型電感設計及性能分析[J].磁性材料及器件.

粉體圈 Corange