隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)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(shù)正面臨著前所未有的高標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。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(fù)合磁心內(nèi)部模壓成型的，憑借體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、效率高、保持優(yōu)秀電流及飽和電流特性等優(yōu)勢，當(dāng)前呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的趨勢。

（來源：深圳市捷比信實業(yè)有限公司）

由于一體成型電感的性能指標(biāo)與軟磁復(fù)合磁心的磁性參數(shù)有直接關(guān)系，因此軟磁復(fù)合材料性能的優(yōu)化是提升一體成型電感綜合性能的關(guān)鍵。下面從軟磁復(fù)合材料的制備流程出發(fā)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(shè)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(shè)計及制備

合金成分對磁粉的的飽和磁感應(yīng)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(fù)合材料及其構(gòu)成的一體成型電感的性能，如磁心的有效磁導(dǎo)率、直流偏置性能和磁損耗等性能。根據(jù)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(tài)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(chǔ)上經(jīng)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(fā)展方向。

非晶/納米晶體系的成分設(shè)計一般需要滿足三個原則：

（1）由三個或三個以上組元構(gòu)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(fù)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(qū)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致其飽和磁感應(yīng)強度下降，影響電感的直流偏置特性，因此需要根據(jù)經(jīng)實際需求來調(diào)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(guī)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(tài)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(zhì)，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(zhuǎn)水霧化法)工藝，高速旋轉(zhuǎn)的水流可以快速破壞高溫熔融液滴與水接觸瞬間產(chǎn)生的表層氣膜，從而加速粉末冷卻，有效形成非晶態(tài)。

旋轉(zhuǎn)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(fù)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(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強度，但與此同時，由于受到趨膚效應(yīng)（交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用，會引起導(dǎo)體截面上電流分布的不均勻性，具體表現(xiàn)為愈接近導(dǎo)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(diào)節(jié)磁心內(nèi)部氣隙的分布，使磁粉芯形成密實堆積結(jié)構(gòu)，降低氣隙處磁極產(chǎn)生的退磁場，從而大幅度增加了磁導(dǎo)率并減小損耗。

顆粒級配下磁心內(nèi)部退磁場示意（來源：參考文獻1）

三、絕緣包覆

當(dāng)軟磁粉顆粒之間沒有絕緣層時，在高頻、大電流下應(yīng)用容易形成連續(xù)的導(dǎo)電路徑，從而產(chǎn)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(dǎo)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(wěn)定性和直流偏置性能，并降低磁損耗。目前，根據(jù)絕緣介質(zhì)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(huán)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(zhì)，這類材料與軟磁粉有很好的浸潤性和結(jié)合性，不過由于大多數(shù)有機材料的耐溫性較差，高溫環(huán)境下可能會發(fā)生分解或老化，不利于磁心后續(xù)的熱處理，也影響電感器的長期穩(wěn)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(shù)一般則可以分為濕化學(xué)法和干化學(xué)法。其中濕化學(xué)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(xué)反應(yīng)，從而在磁粉表面原位生成無機絕緣層。干化學(xué)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(xué)法相比，濕化學(xué)法需要控制化學(xué)反應(yīng)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(huán)境下保持穩(wěn)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(yōu)點。

四、壓制成型

軟磁復(fù)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(shè)備也相對穩(wěn)定，且生產(chǎn)效率高，但若要提升材料的磁粉密度，進而提高磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強度，則需要增大壓制壓力，因此電感的磁粉密度、產(chǎn)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(xiàn)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(wěn)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(chǎn)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(shù)電）

四、熱處理

在軟磁復(fù)合材料的制備過程中，壓制成型工藝會在粉體內(nèi)產(chǎn)生大量內(nèi)應(yīng)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(dǎo)率并增加磁滯損耗。因此需要通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚行п尫艃?nèi)應(yīng)力、降低雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，進而提高磁心的有效磁導(dǎo)率。

磁心的退火溫度選擇一般應(yīng)控制在合適的溫度范圍，同時要兼容磁粉材質(zhì)、絕緣層熱穩(wěn)定性及具體的應(yīng)用場景。此外，在實際生產(chǎn)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(fù)合材料的制備與磁性能研究[D].華中科技大學(xué).

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

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

粉體圈 Corange