用于磁芯的基于颗粒的各向异性复合材料的制作方法

用于磁芯的基于颗粒的各向异性复合材料


背景技术：

1.本公开大体上涉及磁芯领域，例如在电感器、放大器、变压器和电源设备中使用的磁芯以及此类设备和此类磁芯的制造方法。具体而言，涉及通过施加磁场将铁磁颗粒排列成链而获得的磁芯。
2.磁芯是由具有高导磁率的磁性材料制成的物体。此类材料用于限制和引导各种设备中的磁场。通常，磁芯用于显著增加电磁线圈中的磁场强度。尽管如此，仍会观察到副作用，例如，在变压器和电感器等应用中，这主要由于(交流设备中的)涡流造成。这导致与频率相关的能量损失。已经提出了不同的制造方法，这些方法特别依赖于层压薄膜磁芯、薄膜磁芯的径向磁场定向溅射或均匀分布的颗粒(形成电感器磁芯的复合材料)。


技术实现要素：

3.根据第一方面，本发明体现为磁芯。芯包括各向异性复合材料，本身包括基体材料(例如，电介质、非磁性材料或顺磁性材料)以及磁性排列的铁磁颗粒。颗粒可以例如包括微米和/或纳米颗粒。它们在基体材料中形成颗粒链。这种链形成磁传导的渗透路径。路径沿第一方向延伸，由此各链基本上沿该第一方向延伸。然而，这些链沿着垂直于第一方向的第二方向并且可能沿着垂直于第一和第二方向两者的第三方向保持不同并且彼此远离。复合材料优选包含10至50体积百分比的铁磁颗粒。链可以例如基本上根据平行线配置、同心圆环配置或颗粒链的跑道配置布置。
4.该解决方案依赖于铁磁颗粒的磁性组件，其中在制造期间施加磁场的方向上施加颗粒的渗透，同时在垂直方向上被抑制(或减轻)。这导致在施加磁场的方向上提高有效磁导率，同时抑制(或至少减轻)电传导，从而抑制垂直方向的涡流。即，磁通量沿链的方向增强，而电传导和涡流沿垂直方向减小。正如人们可能意识到的那样，与例如薄膜微制造相比，这种方法有利地允许快速且低成本的制造过程。
5.优选地，颗粒包括第一颗粒(第一类型)和第二颗粒(第二类型)，其中第二颗粒具有比第一颗粒小的平均直径。例如，第一颗粒可以包括微米级的颗粒，而第二颗粒可以包括纳米级的颗粒。第二颗粒可有利地用于在第一颗粒之间形成颈缩桥，沿第一方向桥接后者。
6.第一颗粒和第二颗粒将优选具有显着低于基体材料的熔化温度的平均烧结温度，以允许烧结过程，以加强链的机械稳定性和磁导。
7.根据另一个但相关的方面，本发明体现为包括如上描述的磁芯的磁性装置。该设备尤其可以是电感器、变压器、放大器或电源设备。
8.根据另一方面，本发明体现为一种制造如上描述的磁芯的方法。根据该方法：提供一种基体材料，包含铁磁颗粒，施加磁场以使基体材料中的铁磁颗粒磁性排列，从而形成用于磁芯的各向异性复合材料。与上面提到的本发明的第一方面一致，这被执行以在基体材料内形成颗粒链(例如，包括微米级的颗粒)，其中链形成沿第一方向延伸的磁传导的渗透路径。即，链各自沿着第一方向延伸，同时沿着垂直于第一方向的第二方向彼此不同且远离，如上所述。也如上所述，在基体材料中引入的铁磁颗粒通常可以占所形成的复合材料的
10至50体积百分比。
9.施加的磁场优选地具有至少20mt的强度。可以特别地使用永磁体和/或电磁体来施加磁场。在所有情况下，可以施加磁场使得链根据平行线配置、同心圆环配置或颗粒链的跑道配置布置。
10.优选地，引入的颗粒包括第一颗粒(即，第一类型的颗粒)，以及(第二类型的)第二颗粒，其中第二颗粒的平均直径小于第一颗粒的平均直径。例如，第一颗粒可以包括微米级的颗粒，而第二颗粒可以包括纳米级的颗粒，如前所述。该方法然后可以包括在施加磁场的同时在第一颗粒之间形成颈缩桥，以便由于第二颗粒并且沿着第一方向桥接第一颗粒。颈缩桥的形成还可依赖于烧结工艺，以烧结第一颗粒和第二颗粒。
11.最后，如果需要，例如通过交联基体材料，链被固定在形成的复合材料中，基体材料可以是例如光聚合物或热固化环氧树脂。注意，复合材料可能是通过连续形成该复合材料的层来形成的，这可以通过重复上述方法步骤来实现。
12.在优选实施例中，基体材料被提供在结构化模板中，以限制最终形成的复合材料的形状。
13.为完整起见，所获得的磁芯最终可以集成在一个设备中，以获得例如电感器、放大器或变压器、电源设备等。
14.现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的设备和方法。
附图说明
15.附图，其中相同的附图标记在单独的视图中指代相同或功能相似的元件，并且与下面的详细描述一起并入本说明书并形成本说明书的一部分，用于进一步说明各种实施例并用于根据本公开解释各种原理和优点，其中：
16.图1是示出根据实施例形成在磁芯中的颗粒链的俯视图；
17.图2a和2b示出了实施例中涉及的如图1所示的链的颗粒之间形成的颈缩桥；
18.图3是根据实施例的实际芯的显微镜照片，包括图1中的线性链；
19.图4是图1的装置的线性配置的变体的俯视图。图4示出了根据实施例的呈现同心链的磁芯。
20.图5是根据实施例的磁芯的另一个变体的3维(3d)视图，其中链涉及两个垂直方向上但不在平行的链行之间的渗流路径；
21.图6是根据实施例的包括磁芯的环形电感器的3d视图；
22.图7是表示根据实施例的磁芯中铁磁粒度的可能的多峰分布的图；以及
23.图8是示出根据实施例的磁芯制造方法的高级步骤的流程图。
24.图1、2a、2b和4
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6中所示的附图示出了如实施例中所涉及的装置或其部分的简化表示。特别地，图1、2a、2b、4和5中描绘的颗粒链是有意示意性表示的。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，图中相似或功能相似的元件已被分配相同的附图标记。
具体实施方式
25.参考图1
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5，首先描述本发明的一个方面，涉及磁芯10、10a、10b。注意，附图标记10a、10b是指芯10的变体。虽然本磁芯的特征主要参照图1或2a
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2b的芯10进行描述，但对本领域技术人员来说显而易见的是，芯10a、10b可以包括类似的特征。
26.基本上，芯10包括各向异性的复合材料，该复合材料包括基体材料30以及磁性排列的铁磁颗粒11、12。
27.如图1
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3中所见，此类颗粒11、12在基体材料30中形成颗粒链20。这种链20形成磁传导的渗透路径。传导路径沿第一方向(平行于图1
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2a、2b中的x轴)延伸。即，每个链20形成传导路径并因此沿该第一方向延伸。相反，沿着垂直于第一方向的第二方向(平行于图1
‑
2a、2b中的z轴)，链是不同的并且因此彼此远离。
28.换句话说，磁性排列的颗粒11、12形成不同的链20，确保沿着第一方向延伸的渗透路径。这种链沿着制造期间施加的磁场的方向延伸，如稍后参考本发明的另一方面所讨论的。结果，链基本上平行于该第一方向，同时彼此不同并且因此沿垂直方向彼此远离。
29.颗粒11、12的磁性排列转化为排列颗粒的可识别图案。即，虽然没有完全对齐，但仍然可以观察到清晰的对齐方向以及不同的链，参见图2a、2b。并且如在图2a、2b中进一步看到的，每个链20实际上可能涉及由颗粒11、12的小3d簇组成的链接，这与图1、2b、4和5的“理想”描绘相反，后者表明由单个颗粒11形成的链接。因此，本文所用的颗粒“链”应从广义上解释，例如细丝或颗粒11、12的线，即作为纵向复合结构(例如，具有局部扭曲的圆柱状外壳)由铁磁颗粒11、12形成。颗粒链可以例如包括在垂直于渗流路径的方向上的多个颗粒，如图3所示，同时保持彼此远离。
30.第一方向可以是平行于给定轴(例如，x轴)的直线，产生平行线的配置，如图1
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2a、2b中所假设的。在其他情况下，第一方向也可以是曲线的(由于在制造过程中施加的磁场)，导致链仍然保持平行，如图4中假设的那样。注意，在芯10a的径向部分p(如图4所示)的高度处，链可以被视为平行于相同的、近似直线的方向延伸。通常，所施加的磁场可以被设计成使链20基本上根据期望的图案排列，例如同心圆环的配置(如图4所示)、跑道配置或平行线配置(如图1或5)。
31.本解决方案依赖于基体材料30中的颗粒11、12的磁性组装。在制造期间施加磁场的方向上施加颗粒的渗透，而在垂直方向上被抑制(或至少基本上减轻)。正如人们可能意识到的那样，这提高了施加磁场的方向上的有效磁导率，同时抑制(或至少减轻)垂直方向上的涡流。即，磁通量沿链的方向增强，而涡流在垂直方向上减少，因此各向异性渗透的重要性。注意，渗流路径意味着颗粒11、12的铁磁部分之间有足够的机械接触，以允许磁传导(即，接触点处的磁阻低)。
32.有趣的是，磁传导的渗流路径可能沿着两个垂直方向延伸，如图5的芯10b所示，即沿着第一方向x和第三方向(平行于图5中的轴y)垂直于第一方向和第二方向。因此，颗粒链形成平行的链行。根据发明人进行的测试，发现这种配置在有效渗透率方面提供了最佳结果。如图5所示的磁芯10b可以逐层(在y方向)制造，如稍后讨论的。再一次，应该记住，图5的描述是示意性的；在实践中，真正的链看起来更像图3中的链。
33.在所有情况下，本方法允许快速且低成本的制造工艺，尤其是与薄膜微制造工艺相比时。所得磁芯10、10a、10b可用于各种应用，例如电磁体、变压器、放大器、电源装置、电
动机、发电机、电感器、磁带头和其他磁性组件。
34.现在参考本发明的特定实施例详细描述所有这些。首先，铁磁颗粒11、12优选地包括微米级的颗粒。微型(例如，球形和/或棒状)颗粒可以在各种负载浓度下使用。正如本发明人所观察到的，基于这种微粒获得的复合材料在很宽的频率范围内提供稳定的渗透率。
35.微米级颗粒是其特征尺寸(例如，它们对于球状颗粒的平均直径或对于棒状颗粒的平均横截面直径)在微米长度范围内，即在1μm和100μm之间的颗粒。在微米级颗粒的变体中或除微米级颗粒之外，可以使用亚微米范围内的颗粒，例如，纳米级范围内的颗粒(具有在1纳米和100纳米之间的特征尺寸)。然而，优选的是主要依赖于微粒。然而，出于以下解释的原因，除了微米级颗粒11之外，还优选使用额外的例如纳米级颗粒12。
36.例如，参考图2a、2b，颗粒11、12可以包括第一颗粒11(即第一类型的颗粒)和(第二类型的)第二颗粒12，其中第二颗粒12平均直径小于第一颗粒11。如图2a中所见，第二颗粒12可在较大颗粒11之间形成颈缩桥15，从而沿第一方向桥接颗粒11(也参见图2b)。如前所述，第一颗粒(例如，微粒)之间的颈缩桥15优选通过将纳米尺寸的铁磁颗粒引入复合材料30中来实现。第一颗粒11和第二颗粒12的尺寸通常根据双峰或多峰分布分布，如图7所示，其中d(ρ)代表颗粒的平均直径ρ的分布。当然，可以考虑不同的分布，例如扩展到更大的颗粒大小。
37.相应地，第二颗粒12可以在第一颗粒11的接触区域周围形成颈部15，这赋予整个渗透路径额外的机械稳定性。此外，如图2a所示，第二颗粒12可以形成额外的磁导渗透路径。这通过在微粒的接触点处提供较低磁阻的磁场路径来增强磁导率。由于在施加磁场时由颗粒集合体引起的边缘和收缩场，因此在施加磁场时可以例如自动实现颈缩。
38.注意，颈缩桥15也是各向异性的
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它们在磁场方向上(沿着路径)被施加并在垂直方向上被抑制(在不同链的颗粒之间没有形成颈)。链之间的距离通常会大于(或在相同数量级上)最大颗粒(例如，微米级颗粒)的直径。该距离取决于颗粒的体积分数。
39.虽然由于适当施加的磁场已经可以获得颈缩桥，但是可以另外考虑烧结过程，以改进机械稳定性和磁导。为此，颗粒11、12将优选具有显着低于主体材料30的熔化温度的平均烧结温度。例如，可以使用坡莫合金(镍铁)颗粒，其熔化温度约为1450摄氏度，但在纳米颗粒的情况下可以在200摄氏度下烧结。然而，这种烧结过程是可选的，因为颗粒可以固定在基体材料中并因此保持接触，例如通过固化基体材料。
40.在这方面，主体(基体)材料30优选地是电介质、非磁性材料或顺磁性材料。应优选避免抗磁性材料，而原则上排除铁磁性材料。例如，基体材料30可由环氧树脂材料组成或包括环氧树脂材料。它可以特别是基于环氧基的负性光刻胶，例如su
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8聚合物或热固化环氧树脂。也可以使用硅树脂和其他粘合剂材料。更一般地，可以考虑其他材料，例如光刻胶材料和光敏粘合剂光聚合物。
41.可以考虑使用各种类型的铁电材料来生产颗粒11、12，从包含过渡金属元素(fe、co、ni)的材料开始，例如过渡金属
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准金属合金，以及稀土磁体。合适的颗粒11、12可作为微米或纳米颗粒商购获得。微粒优选通过热喷涂工艺生产，纳米颗粒优选通过等离子喷涂或液体沉淀工艺生产。
42.在实践中，磁芯10可以包括例如介于10和50体积百分比(vol％)之间的铁磁颗粒11、12。该百分比反映了芯10的组成，包括基体材料30和第一类型的铁磁颗粒11，以及如果
需要，第二类型的颗粒12。它对应于所有铁磁颗粒的体积分数乘以100。即，50体积百分比的分数是指50体积单位的任一类型或两种类型的铁磁颗粒11、12与足够的基体材料30(以及附加材料，如果需要)的混合物，以制成最终体积100个单位。虽然可能考虑稍大的体积分数，但铁磁颗粒11、12的体积分数通常需要受到限制以防止在不希望的方向上渗透。优选地，铁磁颗粒11、12的体积分数在30和45体积百分比之间。例如，在图2a
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2b中假设体积分数为38体积百分比。
43.如果需要，例如当在结构化模板中模制时，芯10的厚度可能小于一(或几)毫米，并且可以小至100微米。如有必要，还可以机械地和/或化学地减薄样品。取决于所寻求的应用，样品10的横向尺寸(长度和宽度)通常会更大，例如在毫米到厘米范围内。
44.更具体地参考图6，现在描述本发明的另一方面，涉及包括如上所述的磁芯10、10a、10b的磁性装置1或设备。即，芯包括各向异性的复合材料，该复合材料包括基体材料30和组装成链20的磁性排列的铁磁颗粒11、12，链20形成磁传导的渗滤路径，如前所述。在实施例中，此类设备可以特别地实现为电感器、变压器、放大器或电源设备，即，可以设想各种应用，包括服务器、微服务器、数据中心中的电源，例如用于云计算，以及集成稳压器，例如用于物联网应用。此类磁性器件还可实现为用于各种信息技术、汽车和航空航天应用中的隔离的小型化变压器，或用于谐振电路的小型化电感器，用于各种应用，例如收发器。
45.图6示出了基于印刷电路板(pcb)技术的作为环形电感器的这种设备1的实现的示例，例如用于在集成电压调节器中使用。电感器利用pcb内部的自由空间来承载磁芯10a，如图4所示。绕组通常涉及pcb金属迹线和通孔。磁芯10a嵌入在pcb内部形成的空腔中。制造限制通常会对芯厚度施加上限，例如几毫米。众所周知，pcb的两侧可用于安装电子元件，或者一侧可用于冷却目的。
46.现在参考图8，描述了本发明的最后一个方面，涉及制造磁芯10、10a、10b的方法，如之前参考图1
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5所述。该方法的方面已经隐含描述；下面仅对它们进行简要介绍。
47.在一个实施例中，该方法依赖于在图8的流程图中的步骤s10提供的基体材料30。该材料30可能已经包括铁磁颗粒11、12。在变体中，铁磁颗粒11、12可以被引入到基体材料30中，例如，在将基体材料填充到空腔中之后，如图8的流程图步骤s20中所假设的。随后施加磁场s30以磁性排列基体材料30中的铁磁颗粒11、12。如前所述，这样做是为了获得用于磁芯10的各向异性复合材料，其中在基体材料30内形成铁磁颗粒11、12的链20。链20形成沿第一方向延伸的磁传导的渗流路径，由此链20各自沿第一方向延伸，同时沿垂直于第一方向的第二方向彼此不同且远离。
48.通常使用永磁体和/或一个或多个电磁体来施加磁场s32。例如，在引入颗粒之前或之后，可以将永磁(偶极)磁铁布置在样品架的每一侧，基体材料被放置在样品架的每一侧上。例如，可以使用圆柱形偶极磁体的磁场，其中心具有近恒定场的间隙，以对齐颗粒11、12。在变体中，可以从堆叠的电流回路获得类似的场配置。其他变体依赖于电磁体(例如，马蹄形磁铁)，实际上它可以作为永磁体的补充或变体使用。在所有情况下，磁场线应优选地与重力场方向对齐，以避免磁场干扰使链20变形。另一种不太优选的可能性是在链形成和固定期间，在重力场中旋转由样品、样品架和磁铁组成的系统。因此，可以在制造期间处理重力场，以最小化或相反地利用其对链20的影响以获得期望的链设计。然而，原则上，重力效应对链几何形状的影响很小。
49.如上所述，在步骤s20引入的颗粒11、12优选包括微粒11，可能补充有纳米颗粒12。引入基体材料30中的铁磁颗粒11、12将优选占最终获得的复合材料的10至50体积百分比。通常，施加的磁场需要至少20mt的强度，以获得所需的链20。
50.假设颗粒11、12包括平均直径小于第一颗粒11的铁磁颗粒12，该方法可以进一步包括在第一颗粒11之间形成s34颈缩桥15。在施加s32磁场的同时形成桥，以便由于第二颗粒12并且沿着第一方向桥接第一颗粒。如前所述，链20仍然沿垂直方向保持未连接(或没有连接)。
51.由于在制造期间施加的唯一磁场s32，可以实现颈缩，这导致接触区域水平的边缘和/或收缩场。颈缩是各向异性的，因为它在施加磁场的方向上被施加，而在垂直方向上被抑制(或至少减轻)。同样如前所述，优选地包括烧结过程s34，以加强传导路径。即，颈缩桥15可以通过烧结s34第一和第二颗粒11、12、通过施加热量来完善，从而压实颗粒并形成尽可能沿第一方向渗透的链20。在磁场仍然存在的情况下进行烧结。颗粒11、12通常在基本上低于基体材料30的熔化温度的温度下烧结s34。
52.最后，链20可能需要在获得的各向异性复合材料中固定s36。这通常是通过固化基体材料来实现的(例如，通过交联光聚合物或热固化环氧树脂)，同时磁场仍然存在。更一般地，可以通过加热基体材料同时保持磁场来实现固定。
53.在实施例中，基体材料被提供在结构化模板中(例如，形成在装置1的表面上)，以限制最终形成的复合材料的形状。例如，一个或多个微加工凹槽、空腔等可用于在特定方向上限制复合材料11、12、30作为一个整体的最终形状。如上所述，可以实现低至100微米的厚度，而横向尺寸可以大得多(实际上可达毫米到厘米)。
54.如果需要，各向异性复合材料形成为逐层工艺，即通过连续形成复合材料的层，这可以例如通过重复如上所述的s50步骤s10
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s36容易地实现。如图5所示的芯10b可以例如使用这样的逐层工艺生产。即，可以获得颗粒链20，沿第一方向x延伸但在第二垂直方向z上彼此远离，并且形成沿第一方向x和第三方向y延伸的磁传导的渗流路径，其中后者垂直于第一方向x和第二方向z，以提高性能。
55.最终，s36获得的芯材料可以例如使用这种装置的常用制造技术被包装用于运输或集成s60在诸如上述的特定用途的装置1中。
56.虽然已经参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定的实施例、变体或图中所示出的特征(类似设备或方法)可以与另一个实施例、变体或图中的另一个特征组合或替换另一个特征。可以相应地设想关于任何上述实施例或变体描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多小的修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。此外，可以设想除以上明确涉及的许多其他变体。例如，可以设想除了那些明确提到的材料之外的其他材料，只要它们表现出所需的磁性。如果需要，可以使用附加材料来调整复合材料的化学(例如，聚合物链的交联特性)或机械(例如，流变学、粘度等)特性。