复合磁性材料的制造方法

复合磁性材料的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的引用
[0002] 本申请基于日本专利申请2014-192013(申请日：2014年9月19日），由该申请主 张优先权。本申请通过参照该申请，包含该申请的全部内容。
技术领域
[0003] 本发明的实施方式涉及复合磁性材料的制造方法。
【背景技术】
[0004] 目前，将磁性材料应用在电感器元件、电磁波吸收体、磁性油墨、天线装置等各种 设备的部件中。这些部件根据目的利用磁性材料所具有的导磁率实部（相对导磁率实部） μ'或导磁率虚部（相对导磁率虚部）μ"的特性。例如，电感元件或天线装置利用高的 μ'（且低的μ")，电磁波吸收体利用高的μ"。因此，实际上作为设备进行使用时，优选根 据机器的利用频带控制μ'和μ"。
[0005] 近年来，机器的利用频带的高频化有所发展，当务之急是开发高频下具备高μ'和 低μ"的特性优良的磁性材料。
[0006] 具有高μ'和低μ"的磁性材料被用在电感元件或天线装置等中，其中特别是近 年来在功率半导体中使用的功率电感元件中的应用备受关注。近年来大为提倡节能、环保 的重要性，要求C02排出量减少或对化石燃料的依靠性降低。
[0007] 结果，致力于开发代替汽油汽车的电动汽车或混合动力汽车。另外，太阳能发电 或风力发电等自然能量的利用技术被称作是节能社会的关键技术，发达国家正在积极地开 发自然能量的利用技术。进而，作为不破坏环境的省电系统，利用智能电网控制通过太阳 能发电、风力发电等发电的电力，大为提倡在家庭内或办公室、工厂中以高效率进行供需的 HEMS(HomeEnergyManagementSystem，家庭能源管理系統）、BEMS(BuildingandEnergy ManagementSystem，建筑能源管理系统）构建的重要性。
[0008] 在这种节能化的潮流中，起到很大作用的是功率半导体。功率半导体是以高效率 控制高电力或能量的半导体，除了IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor、绝缘栅双 极型晶体管）、M0SFET、功率双极晶体管、功率二极体等功率分离式半导体之外，还包含线性 稳压器、开关式稳压器等电源电路、进而用于对它们进行控制的功率管理用逻辑LSI等。
[0009] 功率半导体被广泛使用在家电、计算机、汽车、铁道等所有的机器中，由于可以期 待这些应用机器的普及扩大、以及功率半导体在这些机器中的搭载比率扩大，因此预想到 今后的功率半导体具有大的市场成长空间。例如，搭载于多个家电中的换流器可以说基本 上都使用功率半导体，由此能够大幅度的节能。
[0010] 功率半导体目前的主流是Si，为了进一步的高效率化或机器的小型化，认为有效 的是SiC、GaN的利用。SiC或GaN相比较于Si，带隙或击穿电场大，由于可以提高耐压，因 而可以减薄元件。因此，可以降低半导体的导通电阻，对低损耗化、高效化是有效的。另外， SiC或GaN由于载流子迀移率高，因此可以使开关频率为高频、对元件的小型化变得有效。 进而，特别是由于SiC比Si的导热率高，因此放热能力高、高温动作变得可能、可以简化冷 却装置、对小型化变得有效。
[0011] 从以上的观点出发，致力于进行SiC、GaN功率半导体的开发。为了得以实现，正 在开发和功率半导体一起使用的功率电感器元件、即开发高导磁率磁性材料（高μ'和低 y")。此时，作为磁性材料所要求的特性，驱动频带下的高导磁率、低磁损耗是当然的，还优 选可对应大电流的高饱和磁化。饱和磁化高时，则即便施加高磁场也难以引起磁饱和，可以 抑制有效的电感值降低。由此，设备的直流叠加特性提高、系统的效率提高。
[0012] 作为10kHz~100kHz的数kW级系统用的磁性材料，可举出铁硅铝粉（Fe-Si-Al)、 纳米晶系Finemet(Fe-Si-B-Cu-Nb)、Fe基/Co基非晶或玻璃的薄带或压粉体或者MnZn系 铁素体材料。但是，均不满足高导磁率、低损耗、高饱和磁化、高热稳定性、高耐氧化性，不令 人满意。
[0013] 另外，系统的驱动频率随着今后SiC、GaN半导体的普及，预料到会进一步高频化， 优选在100kHz以上的MHz频带下为高导磁率、低损耗。因此，优选开发在满足高饱和磁化、 高热稳定性、高耐氧化性的同时，在100kHz以上的MHz频带下满足高导磁率、低损耗的磁性 材料。
[0014] 另外，高频下具有高μ'和低μ"的磁性材料还优选在天线装置等高频通信机器 的设备中应用。作为天线的小型化、省电化的方法有以下方法：以高导磁率（高μ'、低μ"） 的绝缘基板作为天线基板，卷入从天线到达通信机器内的电子部件或基板的电波，不使电 波送达至电子部件或基板，而是进行收发信号的方法。由此，天线的小型化和省电化变得可 能，但也可同时使天线的共振频率宽频带化，从而优选。
[0015] 在这种应用中，也具有在开发上述功率电感器元件用磁性材料时可以应用的可能 性，因此优选。
[0016] 进而，在电磁波吸收体中，利用高的μ"、将由电子器件产生的噪音吸收、减少电子 器件的误操作等问题。作为电子器件，可举出1C芯片等半导体元件或各种通信机器等。这 种电子器件在各种频带下使用，在规定的频带下要求高的μ"。一般来说，磁性材料在强磁 性谐振频率附近采用高的μ"。但是，如果能够抑制强磁性谐振损耗以外的各种磁损耗、 例如涡电流损耗或磁畴壁谐振损耗等，则在比强磁性谐振频率足够低的频带下，可以减小 μ"、增大μ'。
[0017] S卩，即便是1种材料也可改变使用频带，因此可作为高导磁率部件使用、也可作为 电磁波吸收体使用。因此，在开发上述功率电感器用磁性材料时，即便是作为利用μ"的电 磁波吸收体用，通过使强磁性谐振频率与利用频率相一致，也具有可以应用的可能性。
[0018] 另一方面，通常作为电磁波吸收体所开发的材料是按照将包含强磁性谐振损耗、 涡电流损耗、磁畴壁谐振损耗等各种磁损耗的所有损耗补足、尽量增大μ"的方式进行设计 的。因此，作为电磁波吸收体所开发的材料并不优选在任何频带下、作为上述电感器元件或 天线装置用的高导磁率部件（高μ'且低μ"）进行使用。
[0019] 另外，电磁波吸收体以往是通过将铁素体粒子、羰基铁粒子、FeAlSi薄片、FeCrAl 薄片等与树脂混合的粘合剂成型法来制造。但是，这些材料在高频域内，μ'、μ"均是极低， 并非一定获得令人满意的特性。另外，利用机械合金化法等所合成的材料缺乏长时间的热 稳定性、合格率低。
[0020] 以上，作为功率电感器元件、天线、电波吸收体中使用的磁性材料，之前提出了各 种材料。

【发明内容】

[0021] 本发明要解决的课题在于提供高频下具备高μ'和低μ"的特性优良的复合磁性 材料的制造方法。
[0022] 实施方式的复合磁性材料的制造方法的特征在于，其包含以下工序：准备由第1 磁性金属相和第2相构成的混相材料的第1工序，上述第1磁性金属相由磁性金属构成， 上述第2相含氧（0)、氮（Ν)或碳（C)中的任意一种及非磁性金属；在50°C以上且800°C以 下的温度下对混相材料进行热处理的第2工序；通过减小热处理后的混相材料所含的第1 磁性金属相的平均粒径及粒度分布不均、获得由磁性金属纳米粒子和第2相构成的纳米粒 子集合体的第3工序，所述磁性金属纳米粒子由第1磁性金属相构成；以及在50°C以上且 800°C以下的温度下对纳米粒子集合体进行热处理的第4工序。
[0023] 根据上述构成，可提供高频下具备高μ'和低μ"的特性优良的复合磁性材料的 制造方法。
【附图说明】
[0024] 图1Α-Β是第1实施方式的复合磁性材料的示意图。
[0025] 图2A-C是表示第1实施方式的各工序的特性变化的示意图。
[0026] 图3Α-Β是表示第2实施方式的复合磁性材料的示意图。
[0027] 图4Α-Β是表示第3实施方式的复合磁性材料的示意图。
[0028] 图5Α-Β是第4实施方式的电感元件的示意图。
[0029] 图6Α-Β是第4实施方式的电感元件的示意图。
[0030] 图7是第4实施方式的变压器结构的示意图。
[0031] 符号说明
[0032] 10 第1磁性金属相
[0033] 12 第1磁性金属相
[0034] 14 第1磁性金属相
[0035] 20 第 2 相
[0036] 22 第 2 相
[0037] 24 第 2 相
[0038] 26 第 2 相
[0039] 28 第 2 相
[0040] 100 混相材料
[0041] 110 混相材料
[0042] 120 混相材料
[0043]200 复合磁性材料
【具体实施方式】
[0044] (第1实施方式）
[0045] 本实施方式的复合磁性材料的制造方法的特征在于，其包含以下工序：准备由第 1磁性金属相和第2相构成的混相材料的第1工序，上述第1磁性金属相由磁性金属构成， 上述第2相含氧（0)、氮（N)或碳（C)中的任意一种及非磁性金属；在50°C以上且800°C以 下的温度下对混相材料进行热处理的第2工序；通过减小热处理后的混相材料所含的第1 磁性金属相的平均粒径及粒度分布不均、获得由磁性金属纳米粒子和第2相构成的纳米粒 子集合体的第3工序，上述磁性金属纳米粒子由第1磁性金属相构成；以及在50°C以上且 800°C以下的温度下对纳米粒子集合体进行热处理的第4工序。
[0046] 以下使用【附图说明】实施方式。其中，附图中相同或类似的位置带有相同或类似的 符号。
[0047] 通过使用本实施方式的制造方法，能够合格率良好地、且以经时稳定性高的状态 制造复合磁性材料，所述复合磁性材料由含有含磁性金属的磁性金属纳米粒子和存在于磁 性金属纳米粒子之间且含非磁性金属和氧（〇)、氮（N)或碳（C)中的任意一种的夹杂相（第 2相）的纳米粒子集合体构成。另外，所得的纳米粒子集合体（复合磁性材料）中，磁性金 属纳米粒子的平均粒径、粒度分布不均、晶体应变可以降低，因此特别易于获得高导磁率、 低磁损耗的磁特性。另外，不仅可以实现高饱和磁化、高导磁率、低磁损耗等优良的磁特性， 而且还可以实现高强度、高韧性等优良的机械特性。
[0048] 本实施方式的制造方法特别是在制造以下说明的复合磁性材料时是有效的。即， 能够合格率良好地、且以经时稳定性高的状态制造具有磁性粒子的复合磁性材料，上述磁 性粒子是含有磁性金属纳米粒子和夹杂相、平均短尺寸为l〇nm以上且2μπι以下、优选为 10nm以上且lOOnm以下且平均长宽比为5以上且1000以下、优选为10以上且1000以下 的形状的粒子集合体，上述磁性金属纳米粒子的平均粒径为lnm以上且lOOnm以下、优选为 lnm以上且20nm以下、更优选为lnm以上且10nm以下并含有选自由Fe、Co、Ni构成的组中 的至少1种磁性金属，上述夹杂相存在于磁性金属纳米粒子之间并含有选自Mg、Al、Si、Ca、 Zr、Ti、Hf、Zn、Μη、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土类元素中的至少 1种非磁性金属、及氧（0)、氮（N)或碳（C)中的任意一种，上述磁性金属纳米粒子的体积填 充率相对于粒子集合体整体为40体积％以上且80体积％以下。
[0049] 进而，本制造方法是在合成磁性金属纳米粒子的平均粒子间距离为0.lnm以上且 5nm以下的复合磁性材料时适合的制造方法。上述磁性金属纳米粒子的平均粒径为lnm以 上且lOOnm以下、优选为lnm以上且20nm以下、更优选为lnm以上且10nm以下。当使平均 粒径小于lnm时，有产生超常磁性、磁通量降低的可能性。另一方面，当平均粒径超过10nm 时，由于磁耦合性减弱，因此不优选。为了在保证充分的磁通量的同时增大粒子之间的磁耦 合，最优选的粒径范围是lnm以上且10nm以下。
[0050] 关于上述磁性金属纳米粒子的平均粒径，可以通过利用TEM(Transmission electronmicroscope、透过型电子显微镜）观察多个粒子，将其粒径平均化来求得，但难 以通过TEM进行辨别时，可以用由XRD测定求得的晶体粒径进行代用。即，关于在XRD中 因磁性金属产生的峰中的最大峰，可以由衍射角度和半幅值、利用Scherrer公式来求得。 Sherrer公式用D= 0. 9λ/ (βcosΘ)表示，在此，D为晶体粒径、λ为测定X射线波长、β 为半幅值、Θ为衍射布拉格角。但是，需要注意的是利用XRD的Scherrer公式进行的晶体 粒径解析在约50nm以上的粒径时难以进行正确的解析。为约50nm以上时，需要通过利用TEM进行的观察来判断。
[0051] 上述磁性金属纳米粒子可以是多晶、单晶的任意一种形态，优选是单晶。为单晶的 磁性属纳米粒子时，易于使易磁化轴统一方向，可以控制磁各向异性。因此，与多晶的磁性 金属纳米粒子的情况相比，可以提尚尚频特性。
[0052] 另外，上述磁性金属纳米粒子可以是球状的，也可以是具有大长宽比的扁平状、棒 状。特别是优选长宽比的平均为2以上、更优选为5以上、进一步优选为10以上。为长宽 比大的磁性金属纳米粒子时，更优选使各个磁性金属纳米粒子的长边方向（板状时是宽度 方向、扁平椭圆体时是直径方向、棒状时是棒的长度方向、旋转椭圆体时是长轴方向）与磁 性粒子（粒子集合体）的长边方向（板状时是宽度方向、扁平椭圆体时是直径方向、棒状时 是棒的长度方向、旋转椭圆体时是长轴方向）一致。由此，能够使易磁化轴的方向统一在一 个方向上，可以提高导磁率和导磁率的高频特性。
[0053] 另外，上述磁性金属纳米粒子优选：形成以点或面接触的纳米粒子集合组织，该纳 米粒子集合组织在上述粒子集合体中取向于主要的某一个方向上。更优选：上述粒子集合 体具有扁平形状、上述磁性金金属纳米粒子多个接触、形成棒状的纳米粒子集合组织，上述 纳米粒子集合组织在上述粒子集合体的扁平面内中取向于主要的某一个方向上。另外，上 述纳米粒子集合组织的长宽比越大越优选，长宽比的平均优选为2以上、更优选为5以上、 进一步优选为10以上。
[0054] 在此，在计算上述纳米粒子集合组织的长宽比时，如下定义纳米粒子集合组织的 形状。即，多个磁性金属纳米粒子以点或面接触、形成1个纳米粒子集合组织时，以将1个 纳米粒子集合组织所含的全部磁性金属纳米粒子包裹的方式制成纳米粒子集合组织的轮 廓线，从1个磁性金属纳米粒子的轮廓线引出相邻磁性金属纳米粒子的轮廓线时，作为两 个磁性金属纳米粒子的切线引出轮廓线。例如，当多个相同粒径的球状磁性金属纳米粒子 以点接触成直线状、形成纳米粒子集合组织时，是指具有直线状的棒状形状的纳米粒子集 合组织。如上所述定义纳米粒子集合组织的形状时，其长宽比是指纳米粒子集合组织的长 度变为最长的方向的组织的尺寸（长尺寸）与在垂直于上述方向的方向上、纳米粒子集合 组织的长度变得最短的方向的粒子的尺寸（短尺寸）之比，即"长尺寸/短尺寸"。因此， 长宽比一般是1以上。为完全的球状时，由于长尺寸、短尺寸均与球的直径相等，因此长宽 比达到1。扁平状的长宽比是直径（长尺寸）/高度（短尺寸）。棒状的长宽比是棒的长度 (长尺寸）/棒的底面直径（短尺寸）。但是，旋转椭圆体的长宽比则是长轴（长尺寸）/短 轴（短尺寸）。纳米粒子集合组织在上述粒子集合体中是否取向于主要的某一个方向可以 对通过TEM获得的观察图像进行图像解析来判断。例如，可举出以下的各种方法。首先，利 用上述方法决定纳米粒子集合组织的长尺寸和短尺寸，进而决定某一个标准线的方向，求 得各个纳米粒子集合组织相对于上述标准线取向在几度的角度（取向角度）。对多个纳米 粒子集合组织进行该计算，求得各个取向角度的纳米粒子集合组织的存在比例，判断与无 规取向时（未取向时）相比、是否在某一个方向上进行了取向。以上这种的解析还可通过 使用了傅立叶变换的图像解析来进行。通过取得以上这种构成，可以使易磁化轴的方向统 一在一个方向上、可以提高导磁率和导磁率的高频特性，因此优选。
[0055] 另外，在磁性金属纳米粒子之间优选具有有Ιι?Ω·cm以上的电阻率、且含有选自 由Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Ζη、Μη、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu