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2014-191746(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。

【发明内容】

[0006] 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。
[0007] 实施方式的复合磁性材料的制造方法包含以下工序：准备含有磁性金属和非磁性 金属、且粒度分布具有2个以上峰的磁性金属粒子的第1工序，上述磁性金属为选自由Fe、 Co、Ni构成的组中的至少1种，上述非磁性金属为选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Ζη、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；通过将上述磁 性金属粒子粉碎进行再凝集而形成含有磁性金属相和夹杂相的复合粒子的第2工序；以及 在50°C以上且800°C以下的温度对上述复合粒子进行热处理的第3工序。
[0008] 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】
[0009] 图1是本实施方式的复合磁性材料的示意图。
[0010] 符号说明
[0011] 10磁性金属粒子
[0012] 12覆盖层
[0013] 20芯-壳型磁性粒子
[0014] 30金属纳米粒子
[0015] 32夹杂相
[0016] 100复合磁性材料
【具体实施方式】
[0017] 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，C02排出量减少或对化石燃料的依靠性降低变得不可欠缺。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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，由于可以为了提高耐 压，因此可以减薄元件。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。
[0022] 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 μ")。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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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适用的可能 性，因此优选。
[0027] 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'。
[0028]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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] (本实施方式）
[0034] 本实施方式的复合磁性材料的制造方法包含以下工序：准备含有磁性金属和非磁 性金属、且粒度分布具有2个以上峰的磁性金属粒子的第1工序，上述磁性金属选为自由 Fe、Co、Ni构成的组中的至少1种，上述非磁性金属为选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Ζη、 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；通过将上 述磁性金属粒子粉碎进行再凝集而形成含有磁性金属相和夹杂相的复合粒子的第2工序； 以及在50°C以上且800°C以下的温度对上述复合粒子进行热处理的第3工序。
[0035] 通过使用本实施方式的制造方法，能够合格率良好地、且以经时稳定性很高的状 态制造复合磁性材料。此时，不仅可以实现尚饱和磁化、尚导磁率、低磁损耗等优良的磁特 性，还可以实现高强度、高韧性等优良的机械特性。
[0036] 图1是本实施方式的复合磁性材料的示意图。图1 (a)是没有覆盖层12的磁性金 属粒子10的示意图。图1 (b)是芯-壳型磁性粒子20的示意图。10是磁性金属粒子、12 是覆盖层。图1 (c)是复合磁性材料100的不意图。30是金属纳米粒子、32是夹杂相。
[0037] 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100时是有效果 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材料100,上 述磁性粒子是含有金属纳米粒子30和夹杂相32、平均短尺寸为10nm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、优选为10以上的形状的粒子集合体， 上述金属纳米粒子30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32存在于金属纳米粒子30之间并含有选自Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Zn、Mn、 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（〇)、氮（N)或碳（C)中的任意一种，上述金属纳米粒子30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。
[0038] 进而，本制造方法是在合成金属纳米粒子30的平均粒子间距离为0.lnm以上且 5nm以下的复合磁性材料100时适合的制造方法。金属纳米粒子30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。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。
[0039] 关于金属纳米粒子30的平均粒径，可以通过利用TEM(Transmissionelectron microscope，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(X_RayDiffraction，X射线衍射）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，其中，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。
[0040] 金属纳米粒子30可以是多晶、单晶的任意一种形态，优选为单晶。为单晶的金属 纳米粒子30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30的情况相比，可以提尚尚频特性。
[0041] 另外，金属纳米粒子30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 金属纳米粒子30时，更优选使各个金属纳米粒子30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。
[0042] 另外，金属纳米粒子30优选：形成以点或面接触的纳米粒子集合组织，该纳米粒 子集合组织在粒子集合体中取向于主要的某一个方向上。更优选：粒子集合体具有扁平形 状、金属纳米粒子30多个接触、形成棒状的纳米粒子集合组织，纳米粒子集合组织在粒子 集合体的扁平面内取向于主要的某一个方向上。另外，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。
[0043] 在此，在计算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，多个金属纳米粒子30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金属纳米粒子30包裹的方式制成纳米粒子集合组织的轮廓线，从1个 金属纳米粒子30的轮廓线引出相邻金属纳米粒子30的轮廓线时，作为两个金属纳米粒子 30的切线引出轮廓线。例如，当多个相同粒径的球状金属纳米粒子30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