专利名称：压粉磁芯及使用该压粉磁芯的磁性元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于车载用ECU或笔记本电脑用的电子设备的扼流线圈等的压粉磁芯以及使用该压粉磁芯的磁性元件。。
背景技术：
近年来，伴随着电子设备的小型化、薄型化，对他们使用的电子零件及器件也强烈要求小型化、薄型化。另一方面，CPU等LSI正在高速·高集成化，在向其供给的电源电路中，有时供给数A 数IOA的电流。由此，即使在线圈零件中，在小型化、薄型化的同时，也要求抑制直流叠加引起的电感降低。进而，还要求通过使用频率的高频化降低在高频区域的损失。另外，从成本降低的观点出发，期望经简便工序便可组装简单的形状的元件。艮口， 要求更廉价地提供在高频区域应对大电流的、小型化、薄型化的线圈零件。关于这种线圈零件中使用的磁芯，饱和磁通密度越高，越能改善直流叠加特性。另外，导磁率越高越可取得高的电感值，但因为容易磁饱和，所以直流叠加特性变差。因此，根据用途选择期望的导磁率的范围。另外，期望磁芯的磁损低。实际中使用的普通线圈零件为称为EE型或EI型的具有铁氧体磁芯和线圈的元件，但在该元件中因为铁氧体材料自身的导磁率高，饱和磁通密度低，所以磁饱和造成的电感值的下降很大，直流叠加特性变差。为了改善直流叠加特性，也可以相对于磁芯的磁路方向设置空隙，使表观的导磁率降低而使用，但在交流下驱动时，在该空隙部分会发生磁芯的振动，产生噪声。另外，即便使导磁率降低，因为铁氧体材料自身的饱和磁通密度仍然较低， 所以很难实现根本上的改善。于是，作为磁芯材料使用饱和磁通密度比铁氧体大的Fe-Si系、Fe-Si-Al系、 Fe-Ni系合金等狗系金属磁性材料。但是，这些金属磁性材料由于电阻率低，因此近年来使用频率区域高频化达到数百kHz 数MHz时，涡电流损失增加，在成块状态不能使用。于是， 正在开发将金属磁性材料粉末化且在金属磁性粉末间介在有树脂，实现了金属磁性粉末间的绝缘的压粉磁芯。这样的压粉磁芯通常是对由金属磁性粉末和树脂构成的颗粒状的混合物加压成型而制成。可通过混合物与线圈一体成型，将线圈埋设在压粉磁芯内，可制成线圈埋设型磁性元件。线圈埋设型磁性元件由于是通过线圈和混合物的一体成型而制成，所以其制作工序简便，成本降低。另外，线圈埋设型磁性元件与将线圈和压粉磁芯组装而制成的组装型磁性元件相比，在组装型磁性元件中，因为能够在线圈-压粉磁芯间产生的组装尺寸公差等无效腔中填充压粉磁芯，因此可实现磁路长度的缩短及磁路截面积的扩大，有利于元件的小型、薄型化。另一方面，线圈埋设型磁性元件由于线圈与压粉磁芯接触，因此在线圈端子间施加电压时，如果发生压粉磁芯的绝缘崩溃，则会在压粉磁芯内的线圈-线圈间诱发短路。另外，将使用了电阻率低的压粉磁芯的线圈埋设型磁性元件用于电源电路的情况下，有可能诱发漏电流引起的电路效率的下降。因而，压粉磁芯要求能应对线圈埋设型磁性元件用途的电阻率和耐电压。另外，作为有关该申请的发明的现有技术文献，已知有例如，专利文献1及专利文献2。在专利文献1中对于由金属磁性粉末、电绝缘材料、热固化性树脂构成，具有良好的磁特性和耐电压的压粉磁芯及使用该压粉磁芯的线圈埋设型磁性元件的制造方法进行了公开。但是，专利文献1的压粉磁芯在高温耐热试验后的电阻率(DC50V)急剧降低，可靠性方面存在技术问题。作为其技术问题的原因，可以列举专利文献1的压粉磁芯由于高温耐热试验中的历时变化而引起热固化处理后的树脂逐渐反应收缩，压粉磁芯内的金属磁性粉末间的距离缩小、或发生金属磁性粉末彼此的接触。专利文献2中对通过在金属磁性粉末表面的绝缘被膜中使用分子量为200 8000的有机系结合材料，防止高温耐热试验后的电阻率(DC50V)的下降的压粉磁芯。然而，在一部分用于车载用的ECU驱动电路的线圈中，要求在高温耐热试验后 100V左右的耐电压。使用现有的压粉磁芯的线圈埋设型磁性元件，由于不具有高温耐热试验后100V的耐电压，所以在压粉磁芯的进一步高耐压化方面存在技术问题。专利文献专利文献1 日本特开2002-305108号公报专利文献2 日本特开2005-136164号公报
发明内容
本发明的压粉磁芯为含有金属磁性粉末、无机绝缘材料和热固化性树脂的压粉磁芯，其构成的特征在于金属磁性粉末的维氏硬度(Hv)在230 SHvS 1000的范围，无机绝缘材料的压缩强度在lOOOOkg/cm2以下且处于机械性破碎状态，在金属磁性粉末间介在有处于机械性破碎状态的无机绝缘材料和热固化性树脂。进而，本发明的磁性元件为在上述的压粉磁芯内埋设了线圈的构成。根据上述构成，可应对大电流，实现高频化及小型化，并且，也可实现耐电压的提尚ο
图1是本发明实施方式1的压粉磁芯的放大图；图2是本发明实施方式1的磁性元件的整体示意图；图3是图2中的磁性元件的A-A线剖视图。
具体实施例方式(实施方式1)下面，对于本发明实施方式1中的压粉磁芯及使用该压粉磁芯的磁性元件进行说明。本发明的实施方式1中的压粉磁芯为含有金属磁性粉末、无机绝缘材料和热固化性树脂的压粉磁芯。其构成为，金属磁性粉末的维氏硬度(Hv)在230彡Hv彡1000的范围。 无机绝缘材料的压缩强度在lOOOOkg/cm2以下。本实施方式的压粉磁芯中，无机绝缘材料和热固化性树脂介于金属磁性粉末之间。
根据该构成，压粉磁芯的磁特性、电阻率及耐电压变得良好。磁特性良好的理由是，通过将金属磁性粉末的维氏硬度和无机绝缘材料的压缩强度设定在上述范围，在压粉磁芯加压成型时，可促进无机绝缘材料的机械性破碎，提高压粉磁芯的填充率。电阻率以及耐电压良好的理由是，在金属磁性粉末间介在有无机绝缘材料，防止金属磁性粉末彼此的接触。另外，即使热固化处理后的树脂逐渐反应收缩，利用上述构成也可防止金属磁性粉末彼此间的接触，在高温耐热试验后，电阻率以及耐电压也良好。具体地说，理想的是，本实施方式中使用的金属磁性粉末为大致球形。因为使用扁平形状的金属磁性粉末时，赋予压粉磁芯磁各向异性，因此会受磁回路限制。理想的是，本实施方式1中使用的金属磁性粉末，将其维氏硬度(Hv)设定在 230 ^ Hv ^ 1000的范围。在维氏硬度小于230Hv的情况下，因为在压粉磁芯加压成型时， 无机绝缘材料不能充分地发生机械性破碎，得不到高填充率，所以得不到良好的直流叠加特性及低磁损。另一方面，维氏硬度大于IOOOHv时，因为金属磁性粉末的塑性变形能力显著降低而得不到高填充率，所以不优选。在此所说的机械性破碎表示在对压粉磁芯进行成型压缩时，绝缘材料被金属磁性粉末压缩，由此变得碎而细，成为绝缘材料介于金属磁性粉末间之间存在的状态。图1表示本实施方式的压粉磁芯的放大图。在金属磁性粉末1之间，无机绝缘材料2以机械性破碎的状态存在。另外，热固化性树脂3以将这些空隙填埋的形式存在。另外，理想的是，本实施方式1中使用的金属磁性粉末含有!^e-Ni系、Fe-Si-Al系、 Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、!^e系的金属磁性粉末中的至少一种以上。以狗为主要成分的上述金属磁性粉末由于饱和磁通密度高，在大电流下的使用中有用。使用!^e-Ni系金属磁性粉末的情况，理想的是，其比率为Ni的含量为40重量％ 以上90重量％以下，其余由!^e及不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免的杂质可以列举例如Mn、Cr、Ni、P、S、C等。Ni的含量少于40重量％时，软磁特性的改善效果不足，多于 90重量％时，饱和磁化的下降很大，直流叠加特性降低。为了进一步改善直流叠加特性，也可以含有1 6重量％的Mo。使用!^e-Si-Al系金属磁性粉末的情况，理想的是，其比率为Si为8重量％以上 12重量％以下，Al的含量为4重量％以上6重量％以下，其余由!^e及不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免的杂质可以列举例如Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通过将各构成元素的含量设定在上述组成范围内，可得到高直流叠加特性和低顽磁力。使用Fe-Si系金属磁性粉末的情况，理想的是，其比率为Si的含量为1重量％以上8重量％以下，其余由!^e及不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免的杂质可列举出例如Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通过含有Si，具有减小磁各向异性、磁变形常数(日文原文磁歪定数)，并且提高电阻，减少涡电流损失的效果。Si的含量少于1重量％时，软磁特性的改善效果不足，多于8重量％时，饱和磁化的下降很大，直流叠加特性降低。使用狗-Si-Cr系金属磁性粉末的情况，理想的是，其比率为Si为1重量％以上8 重量％以下，Cr的含量为2重量％以上8重量％以下，其余由！^及不可避免的杂质构成。 在此，所谓不可避免的杂质可列举例如Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通过含有Si，具有减小磁各向异性、磁变形常数、并且提高电阻、减少涡电流损失的效果。Si的含量少于1重量％时，软磁特性的改善效果不足，多于8重量％时，饱和磁化的下降很大，直流叠加特性降低。另外，通过含有Cr，具有提高耐候性的效果。Cr的含量小于2重量％时，耐候性的改善效果不足，多于8重量％时，造成软磁特性的变差，不优选。使用！^系金属磁性粉末的情况，理想的是由作为主要成分元素的！^和不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免的杂质可以列举例如Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通过提高!^e 的纯度，可得到高的饱和磁通密度。另外，除上述结晶性金属磁性粉末以外，即使使用非晶合金或纳米结晶软磁性合金，也可以得到与上述构成同样的效果。上述的将狗作为主要成分的金属磁性粉末，即使在含有至少2种以上的情况下， 也具有同样的效果。另外，对于!^e-Si-Al系之类的塑性变形能力低的金属磁性粉末，通过少量添加塑性变形能力高的狗-附系金属磁性粉末，可进一步提高填充率。另外，理想的是，本实施方式1中使用的金属磁性粉末的平均粒径为1 100 μ m。 因为平均粒径小于Ι.Ομπι时，得不到高的填充率，所以导致导磁率降低，不优选。另外， 由于平均粒径大于ΙΟΟμπι时，在高频区域中涡电流损失会变大，所以不优选。更优选1 50 μ m的范围。另外，理想的是，作为本实施方式1中使用的无机绝缘材料，将其压缩强度设定在 10000kg/cm2以下。压缩强度大于lOOOOkg/cm2的情况，在压粉磁芯成型时，无机绝缘材料的机械性破碎不充分，金属磁性粉末的填充率降低，得不到优异的直流叠加特性及低磁损。另外，作为压缩强度为lOOOOkg/cm2以下的无机绝缘材料，可以举出例如h_BN、 MgO、多铝红柱石(3A1203 · 2Si02)、块滑石(MgO · SiO2)、镁橄榄石(2Mg0 · SiO2)、堇青石 (2Mg0 · 2A1203 · 5Si02)、锆石( · SiO2)等材料。但是，除所述中提到的无机绝缘材料以外，只要是无机绝缘材料的压缩强度为lOOOOkg/cm2以下的无机绝缘材料，就没有特别的问题。另外，作为实施方式1中的无机绝缘材料的配合量，理想的是，当将金属磁性粉末的体积设定为100体积％时，将无机绝缘材料的配合量设定为1 15体积％。因为无机绝缘材料的配合量少于1 %时，压粉磁芯的电阻率及耐电压降低，所以不优选。另外，无机绝缘材料的配合量大于15%时，非磁性部在压粉磁芯中所占的比例增加，造成导磁率的下降，所以不优选。另外，作为实施方式1中的热固化性树脂，可以举出环氧树脂、酚醛树脂、缩醛树脂、氯乙烯树脂、聚酰亚胺树脂、硅酮树脂等。制作线圈埋设型磁性元件时，通过使用添加了热固化性树脂的压粉磁芯，防止与线圈一体成型时所述压粉磁芯的开裂，可取得良好的成型性能。另外，通过对一体成型后的线圈埋设型磁性元件进行热固化处理，产品强度提高， 可提供批量生产优异的磁性元件。在热固化性树脂中，为了改善和金属磁性粉末的分散性， 也可以向金属磁性粉末中少量添加分散剂。另外，理想的是，实施方式1中的压粉磁芯，将其金属磁性粉末的填充率以体积换算计设定在65%以上82%以下。根据该构成能够获得磁特性、电阻率、耐电压及成形体强度良好的压粉磁芯。金属磁性粉末的填充率小于65%时，因为磁特性变差，所以不优选。另外，金属磁性粉末的填充率大于82%时，因为成形体强度降，所以不优选。
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另外，理想的是，实施方式1中的压粉磁芯，将其电阻率设定为105Ω -cm以上。根据该构成，可抑制漏电流，防止电路效率的下降。电阻率不足105Ω 时，在DC/DC换流器电路中安装使用了上述压粉磁芯的线圈埋设型磁性元件(竖6mmX横6mm)时，漏电流增加，有可能诱发电路效率的下降。另外，实施方式1中的磁性元件为在上述压粉磁芯内埋设有线圈的构成。图2中表示本实施方式的磁性元件的整体示意图。图3中表示本实施方式的磁性元件的A-A线剖面图。本实施方式的磁性元件为图2、图3所示那样的线圈埋设型磁性元件，由压粉磁芯4 和线圈部5构成。根据上述的构成，可制造线圈埋设型磁性元件。根据如上的构成，能够得到即使在大电流·高频区域中磁特性及电阻率·耐电压也良好的压粉磁芯。另外，通过在该压粉磁芯内埋设线圈，可提供维持线圈埋设型磁性元件的小型、薄型化，同时兼具在高温耐热试验后的高耐电压的磁性元件。以下，对本发明实施方式1中的压粉磁芯的制造方法进行说明。本发明实施方式1中的压粉磁芯的制造方法包含将金属磁性粉末的维氏硬度(Hv)调高至230 ^ Hv ^ 1000的范围的步骤；在该金属磁性粉末间分散压缩强度为 10000kg/cm2以下的无机绝缘材料，制造复合磁性材料的步骤；将该复合磁性材料和热固化性树脂混合、分散，制造混合物的步骤；以及将该混合物加压而形成成形体的步骤。通过将金属磁性粉末的硬度调高的步骤，在混合物加压成型时可促进无机绝缘材料的机械性破碎，实现压粉磁芯的高填充化。另外，通过在调高硬度后的金属磁性粉末间分散无机绝缘材料的步骤，能够制造出在金属磁性粉末和金属磁性粉末间介在有无机绝缘材料、抑制了金属磁性粉末彼此间的接触的复合磁性材料。因此，可提高压粉磁芯的电阻率及耐电压。另外，通过将复合磁性材料和热固化性树脂混合、分散，制造混合物的步骤，能够制造出在金属磁性粉末间介在有无机绝缘材料和热固化性树脂的混合物。因此，可提高压粉磁芯的填充率、电阻率、耐电压及成形体强度。另外，通过将混合物加压而形成成形体的步骤，能够获得压粉磁芯。另外，通过将混合物和线圈一体成型，能够制作线圈埋设型磁性元件。另外，在形成成形体的步骤后，通过进行对所制作的压粉磁芯的热固化处理步骤， 可进一步提高其强度。另外，通过对将混合物与线圈一体成型而制作的线圈埋设型磁性元件进行同样的热固化处理步骤，可提高磁性元件的强度。根据这种制造方法，提高压粉磁芯的金属填充率，并且，提高电阻率及耐电压，可确保压粉磁芯的强度。其结果为，使用该压粉磁芯的线圈埋设型磁性元件可应对大电流、实现高频化及小型化，且能够在保持电阻率的同时实现高耐电压化。作为在实施方式1中的金属磁性粉末的硬度调高的步骤中使用的装置，可举出例如球磨机。另外，除球磨机以外，只要是例如Hosokawamicron公司制造的混合系统等对金属磁性粉末给予强压缩剪切力而导入加工变形的机械混合的装置，就不特别指定装置。作为在实施方式1中提高硬度后的金属磁性粉末间分散无机绝缘材料而制作复合磁性材料的步骤中使用的装置，可举出例如球磨机。另外，除了这种球磨机以外，使用例如V型混合机及十字旋转混合机等也可达到同样的效果。
另外，实施方式1中的复合磁性材料和热固化性树脂的混合、分散方法没有特别限定。另外，实施方式1中的加压成型方法没有特别限定，可举出使用单轴成型机等的通常的加压成型方法。另外，在形成实施方式1中的成形体的步骤后，进行压粉磁芯的热固化处理步骤时，其热固化处理方法没有特别限定，但通常使用干燥炉进行。热固化处理在热固化性树脂的实际固化温度下进行。下面，具体地说明使用各种金属磁性粉末制造压粉磁芯的情况。准备平均粒径为8 μ m的表1所示的金属磁性粉末。通过在旋转式球磨机中对该金属磁性粉末进行处理，增高金属磁性粉末的硬度(下面，将该步骤表示为硬度提高步骤)。 金属磁性粉末的硬度使用微小表面材料特性评价系统(株式会社Mitutoyo公司制)进行测定。而且，相对于该硬度提高后的100体积％的金属磁性粉末，配合表1表示的平均粒径 1. 5 μ m的无机绝缘材料5. 5体积％，经行星式球磨机将该金属磁性粉末和无机绝缘材料分散，制作复合磁性材料。另外，表1所述的无机绝缘材料的压缩强度为使用微小压缩试验机测定的结果。然后，制作相对于100体积％的该复合磁性材料，将10体积％的环氧树脂作为热固化性树脂混合而成的混合物。使用所得的混合物在室温下，以表1中记载的成型压力进行加压成型，制作成形体。随后在150°C进行2小时的热固化处理，制作磁性特性评价用的压粉磁芯及耐电压评价用的试验片。另外，制作的压粉磁芯的形状为外径15mm、内径 10mm、高度3mm左右的圆环形状。另外，制作的试验片的形状为直径10mm、高度1mm左右的圆盘状。另外，作为比较例制造不添加无机绝缘材料的混合物，用同样的方法制作压粉磁芯以及试验片。对于热固化处理后的试验片，进行作为线圈零件需要的耐热可靠性试验即相当于 1500C -2000小时的热处理后，在上下面涂布形成^i-Ga电极，在其上推入电极，在100V的电压下测定试验片的上下面间的电阻率。对于所得的压粉磁芯，进行使直流叠加地流动时的导磁率(以下称为直流叠加特性)及作为压粉磁芯的磁特性之一的磁损进行评价。关于直流叠加特性，用LCR测量器(HP 公司制；4294A)测定外加磁场:550e，频率:lMkHz，匝数20的电感值，根据所得到的电感值和压粉磁芯的试样形状计算导磁率。关于磁损，用交流B-H曲线测试仪(岩通计测株式会社制；SY-8258)，以测定频率1MHz、测定磁通密度25mT的条件实施测定。直流叠加特性、 磁损及耐电压特性良好的情况符合本实施方式。表1表示所得的评价结果。[表 1]
权利要求
1.一种压粉磁芯，其包含金属磁性粉末、无机绝缘材料以及热固化性树脂，其中， 所述金属磁性粉末的维氏硬度Hv在230 ^ Hv ^ 1000的范围，所述无机绝缘材料的压缩强度在lOOOOkg/cm2以下且处于机械性破碎状态， 所述处于机械性破碎状态的无机绝缘材料和所述热固化性树脂介于所述金属磁性粉末之间。
2.如权利要求1所述的压粉磁芯，其中，所述金属磁性粉末含有!^e-Ni系、Fe-Si-Al 系、Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、！^系的金属磁性粉末中的至少一种以上。
3.如权利要求1所述的压粉磁芯，其中，将所述金属磁性粉末的平均粒径设定在1 100 μ m0
4.如权利要求1所述的压粉磁芯，其中，相对于100体积％的所述金属磁性粉末，配合 1 15体积％的所述无机绝缘材料。
5.如权利要求1所述的压粉磁芯，其中，将所述金属磁性粉末的填充率以体积换算计， 为65%以上82%以下。
6.如权利要求1所述的压粉磁芯，其中，电阻率为105Ω· cm以上。
7.—种磁性元件，其中，将线圈埋设在权利要求1所述的压粉磁芯内。
全文摘要
本发明提供一种可应对大电流、实现高频化以及小型化、且还可实现耐电压的提高的压粉磁芯及使用该磁芯的磁性元件。本发明的压粉磁芯为含有金属磁性粉末、无机绝缘材料及热固化性树脂的压粉磁芯，其构成中，金属磁性粉末的维氏硬度(Hv)在230≤Hv≤1000的范围，无机绝缘材料的压缩强度设定在10000kg/cm2，且处于机械性破碎状态，在金属磁性粉末间介在有处于机械性破碎状态的无机绝缘材料和热固化性树脂。
文档编号B22F1/00GK102341869SQ20108001078
公开日2012年2月1日 申请日期2010年1月14日 优先权日2009年3月9日
发明者松谷伸哉, 若林悠也, 高桥岳史 申请人:松下电器产业株式会社