復(fù)合磁性材料的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的引用
[0002] 本申請基于日本專利申請2014-192013(申請日：2014年9月19日），由該申請主 張優(yōu)先權(quán)。本申請通過參照該申請，包含該申請的全部內(nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實施方式涉及復(fù)合磁性材料的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 目前，將磁性材料應(yīng)用在電感器元件、電磁波吸收體、磁性油墨、天線裝置等各種 設(shè)備的部件中。這些部件根據(jù)目的利用磁性材料所具有的導磁率實部（相對導磁率實部） μ'或?qū)Т怕侍摬浚ㄏ鄬Т怕侍摬浚│?的特性。例如，電感元件或天線裝置利用高的 μ'（且低的μ")，電磁波吸收體利用高的μ"。因此，實際上作為設(shè)備進行使用時，優(yōu)選根 據(jù)機器的利用頻帶控制μ'和μ"。
[0005] 近年來，機器的利用頻帶的高頻化有所發(fā)展，當務(wù)之急是開發(fā)高頻下具備高μ'和 低μ"的特性優(yōu)良的磁性材料。
[0006] 具有高μ'和低μ"的磁性材料被用在電感元件或天線裝置等中，其中特別是近 年來在功率半導體中使用的功率電感元件中的應(yīng)用備受關(guān)注。近年來大為提倡節(jié)能、環(huán)保 的重要性，要求C02排出量減少或?qū)剂系囊揽啃越档汀?br>[0007] 結(jié)果，致力于開發(fā)代替汽油汽車的電動汽車或混合動力汽車。另外，太陽能發(fā)電 或風力發(fā)電等自然能量的利用技術(shù)被稱作是節(jié)能社會的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)達國家正在積極地開 發(fā)自然能量的利用技術(shù)。進而，作為不破壞環(huán)境的省電系統(tǒng)，利用智能電網(wǎng)控制通過太陽 能發(fā)電、風力發(fā)電等發(fā)電的電力，大為提倡在家庭內(nèi)或辦公室、工廠中以高效率進行供需的 HEMS(HomeEnergyManagementSystem，家庭能源管理系統(tǒng)）、BEMS(BuildingandEnergy ManagementSystem，建筑能源管理系統(tǒng)）構(gòu)建的重要性。
[0008] 在這種節(jié)能化的潮流中，起到很大作用的是功率半導體。功率半導體是以高效率 控制高電力或能量的半導體，除了IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor、絕緣柵雙 極型晶體管）、M0SFET、功率雙極晶體管、功率二極體等功率分離式半導體之外，還包含線性 穩(wěn)壓器、開關(guān)式穩(wěn)壓器等電源電路、進而用于對它們進行控制的功率管理用邏輯LSI等。
[0009] 功率半導體被廣泛使用在家電、計算機、汽車、鐵道等所有的機器中，由于可以期 待這些應(yīng)用機器的普及擴大、以及功率半導體在這些機器中的搭載比率擴大，因此預(yù)想到 今后的功率半導體具有大的市場成長空間。例如，搭載于多個家電中的換流器可以說基本 上都使用功率半導體，由此能夠大幅度的節(jié)能。
[0010] 功率半導體目前的主流是Si，為了進一步的高效率化或機器的小型化，認為有效 的是SiC、GaN的利用。SiC或GaN相比較于Si，帶隙或擊穿電場大，由于可以提高耐壓，因 而可以減薄元件。因此，可以降低半導體的導通電阻，對低損耗化、高效化是有效的。另外， SiC或GaN由于載流子迀移率高，因此可以使開關(guān)頻率為高頻、對元件的小型化變得有效。 進而，特別是由于SiC比Si的導熱率高，因此放熱能力高、高溫動作變得可能、可以簡化冷 卻裝置、對小型化變得有效。
[0011] 從以上的觀點出發(fā)，致力于進行SiC、GaN功率半導體的開發(fā)。為了得以實現(xiàn)，正 在開發(fā)和功率半導體一起使用的功率電感器元件、即開發(fā)高導磁率磁性材料（高μ'和低 y")。此時，作為磁性材料所要求的特性，驅(qū)動頻帶下的高導磁率、低磁損耗是當然的，還優(yōu) 選可對應(yīng)大電流的高飽和磁化。飽和磁化高時，則即便施加高磁場也難以引起磁飽和，可以 抑制有效的電感值降低。由此，設(shè)備的直流疊加特性提高、系統(tǒng)的效率提高。
[0012] 作為10kHz~100kHz的數(shù)kW級系統(tǒng)用的磁性材料，可舉出鐵硅鋁粉（Fe-Si-Al)、 納米晶系Finemet(Fe-Si-B-Cu-Nb)、Fe基/Co基非晶或玻璃的薄帶或壓粉體或者MnZn系 鐵素體材料。但是，均不滿足高導磁率、低損耗、高飽和磁化、高熱穩(wěn)定性、高耐氧化性，不令 人滿意。
[0013] 另外，系統(tǒng)的驅(qū)動頻率隨著今后SiC、GaN半導體的普及，預(yù)料到會進一步高頻化， 優(yōu)選在100kHz以上的MHz頻帶下為高導磁率、低損耗。因此，優(yōu)選開發(fā)在滿足高飽和磁化、 高熱穩(wěn)定性、高耐氧化性的同時，在100kHz以上的MHz頻帶下滿足高導磁率、低損耗的磁性 材料。
[0014] 另外，高頻下具有高μ'和低μ"的磁性材料還優(yōu)選在天線裝置等高頻通信機器 的設(shè)備中應(yīng)用。作為天線的小型化、省電化的方法有以下方法：以高導磁率（高μ'、低μ"） 的絕緣基板作為天線基板，卷入從天線到達通信機器內(nèi)的電子部件或基板的電波，不使電 波送達至電子部件或基板，而是進行收發(fā)信號的方法。由此，天線的小型化和省電化變得可 能，但也可同時使天線的共振頻率寬頻帶化，從而優(yōu)選。
[0015] 在這種應(yīng)用中，也具有在開發(fā)上述功率電感器元件用磁性材料時可以應(yīng)用的可能 性，因此優(yōu)選。
[0016] 進而，在電磁波吸收體中，利用高的μ"、將由電子器件產(chǎn)生的噪音吸收、減少電子 器件的誤操作等問題。作為電子器件，可舉出1C芯片等半導體元件或各種通信機器等。這 種電子器件在各種頻帶下使用，在規(guī)定的頻帶下要求高的μ"。一般來說，磁性材料在強磁 性諧振頻率附近采用高的μ"。但是，如果能夠抑制強磁性諧振損耗以外的各種磁損耗、 例如渦電流損耗或磁疇壁諧振損耗等，則在比強磁性諧振頻率足夠低的頻帶下，可以減小 μ"、增大μ'。
[0017] S卩，即便是1種材料也可改變使用頻帶，因此可作為高導磁率部件使用、也可作為 電磁波吸收體使用。因此，在開發(fā)上述功率電感器用磁性材料時，即便是作為利用μ"的電 磁波吸收體用，通過使強磁性諧振頻率與利用頻率相一致，也具有可以應(yīng)用的可能性。
[0018] 另一方面，通常作為電磁波吸收體所開發(fā)的材料是按照將包含強磁性諧振損耗、 渦電流損耗、磁疇壁諧振損耗等各種磁損耗的所有損耗補足、盡量增大μ"的方式進行設(shè)計 的。因此，作為電磁波吸收體所開發(fā)的材料并不優(yōu)選在任何頻帶下、作為上述電感器元件或 天線裝置用的高導磁率部件（高μ'且低μ"）進行使用。
[0019] 另外，電磁波吸收體以往是通過將鐵素體粒子、羰基鐵粒子、FeAlSi薄片、FeCrAl 薄片等與樹脂混合的粘合劑成型法來制造。但是，這些材料在高頻域內(nèi)，μ'、μ"均是極低， 并非一定獲得令人滿意的特性。另外，利用機械合金化法等所合成的材料缺乏長時間的熱 穩(wěn)定性、合格率低。
[0020] 以上，作為功率電感器元件、天線、電波吸收體中使用的磁性材料，之前提出了各 種材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明要解決的課題在于提供高頻下具備高μ'和低μ"的特性優(yōu)良的復(fù)合磁性 材料的制造方法。
[0022] 實施方式的復(fù)合磁性材料的制造方法的特征在于，其包含以下工序：準備由第1 磁性金屬相和第2相構(gòu)成的混相材料的第1工序，上述第1磁性金屬相由磁性金屬構(gòu)成， 上述第2相含氧（0)、氮（Ν)或碳（C)中的任意一種及非磁性金屬；在50°C以上且800°C以 下的溫度下對混相材料進行熱處理的第2工序；通過減小熱處理后的混相材料所含的第1 磁性金屬相的平均粒徑及粒度分布不均、獲得由磁性金屬納米粒子和第2相構(gòu)成的納米粒 子集合體的第3工序，所述磁性金屬納米粒子由第1磁性金屬相構(gòu)成；以及在50°C以上且 800°C以下的溫度下對納米粒子集合體進行熱處理的第4工序。
[0023] 根據(jù)上述構(gòu)成，可提供高頻下具備高μ'和低μ"的特性優(yōu)良的復(fù)合磁性材料的 制造方法。
【附圖說明】
[0024] 圖1Α-Β是第1實施方式的復(fù)合磁性材料的示意圖。
[0025] 圖2A-C是表示第1實施方式的各工序的特性變化的示意圖。
[0026] 圖3Α-Β是表示第2實施方式的復(fù)合磁性材料的示意圖。
[0027] 圖4Α-Β是表示第3實施方式的復(fù)合磁性材料的示意圖。
[0028] 圖5Α-Β是第4實施方式的電感元件的示意圖。
[0029] 圖6Α-Β是第4實施方式的電感元件的示意圖。
[0030] 圖7是第4實施方式的變壓器結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0031] 符號說明
[0032] 10 第1磁性金屬相
[0033] 12 第1磁性金屬相
[0034] 14 第1磁性金屬相
[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 復(fù)合磁性材料
【具體實施方式】
[0044] (第1實施方式）
[0045] 本實施方式的復(fù)合磁性材料的制造方法的特征在于，其包含以下工序：準備由第 1磁性金屬相和第2相構(gòu)成的混相材料的第1工序，上述第1磁性金屬相由磁性金屬構(gòu)成， 上述第2相含氧（0)、氮（N)或碳（C)中的任意一種及非磁性金屬；在50°C以上且800°C以 下的溫度下對混相材料進行熱處理的第2工序；通過減小熱處理后的混相材料所含的第1 磁性金屬相的平均粒徑及粒度分布不均、獲得由磁性金屬納米粒子和第2相構(gòu)成的納米粒 子集合體的第3工序，上述磁性金屬納米粒子由第1磁性金屬相構(gòu)成；以及在50°C以上且 800°C以下的溫度下對納米粒子集合體進行熱處理的第4工序。
[0046] 以下使用【附圖說明】實施方式。其中，附圖中相同或類似的位置帶有相同或類似的 符號。
[0047] 通過使用本實施方式的制造方法，能夠合格率良好地、且以經(jīng)時穩(wěn)定性高的狀態(tài) 制造復(fù)合磁性材料，所述復(fù)合磁性材料由含有含磁性金屬的磁性金屬納米粒子和存在于磁 性金屬納米粒子之間且含非磁性金屬和氧（〇)、氮（N)或碳（C)中的任意一種的夾雜相（第 2相）的納米粒子集合體構(gòu)成。另外，所得的納米粒子集合體（復(fù)合磁性材料）中，磁性金 屬納米粒子的平均粒徑、粒度分布不均、晶體應(yīng)變可以降低，因此特別易于獲得高導磁率、 低磁損耗的磁特性。另外，不僅可以實現(xiàn)高飽和磁化、高導磁率、低磁損耗等優(yōu)良的磁特性， 而且還可以實現(xiàn)高強度、高韌性等優(yōu)良的機械特性。
[0048] 本實施方式的制造方法特別是在制造以下說明的復(fù)合磁性材料時是有效的。即， 能夠合格率良好地、且以經(jīng)時穩(wěn)定性高的狀態(tài)制造具有磁性粒子的復(fù)合磁性材料，上述磁 性粒子是含有磁性金屬納米粒子和夾雜相、平均短尺寸為l〇nm以上且2μπι以下、優(yōu)選為 10nm以上且lOOnm以下且平均長寬比為5以上且1000以下、優(yōu)選為10以上且1000以下 的形狀的粒子集合體，上述磁性金屬納米粒子的平均粒徑為lnm以上且lOOnm以下、優(yōu)選為 lnm以上且20nm以下、更優(yōu)選為lnm以上且10nm以下并含有選自由Fe、Co、Ni構(gòu)成的組中 的至少1種磁性金屬，上述夾雜相存在于磁性金屬納米粒子之間并含有選自Mg、Al、Si、Ca、 Zr、Ti、Hf、Zn、Μη、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu、In、Sn、稀土類元素中的至少 1種非磁性金屬、及氧（0)、氮（N)或碳（C)中的任意一種，上述磁性金屬納米粒子的體積填 充率相對于粒子集合體整體為40體積％以上且80體積％以下。
[0049] 進而，本制造方法是在合成磁性金屬納米粒子的平均粒子間距離為0.lnm以上且 5nm以下的復(fù)合磁性材料時適合的制造方法。上述磁性金屬納米粒子的平均粒徑為lnm以 上且lOOnm以下、優(yōu)選為lnm以上且20nm以下、更優(yōu)選為lnm以上且10nm以下。當使平均 粒徑小于lnm時，有產(chǎn)生超常磁性、磁通量降低的可能性。另一方面，當平均粒徑超過10nm 時，由于磁耦合性減弱，因此不優(yōu)選。為了在保證充分的磁通量的同時增大粒子之間的磁耦 合，最優(yōu)選的粒徑范圍是lnm以上且10nm以下。
[0050] 關(guān)于上述磁性金屬納米粒子的平均粒徑，可以通過利用TEM(Transmission electronmicroscope、透過型電子顯微鏡）觀察多個粒子，將其粒徑平均化來求得，但難 以通過TEM進行辨別時，可以用由XRD測定求得的晶體粒徑進行代用。即，關(guān)于在XRD中 因磁性金屬產(chǎn)生的峰中的最大峰，可以由衍射角度和半幅值、利用Scherrer公式來求得。 Sherrer公式用D= 0. 9λ/ (βcosΘ)表示，在此，D為晶體粒徑、λ為測定X射線波長、β 為半幅值、Θ為衍射布拉格角。但是，需要注意的是利用XRD的Scherrer公式進行的晶體 粒徑解析在約50nm以上的粒徑時難以進行正確的解析。為約50nm以上時，需要通過利用TEM進行的觀察來判斷。
[0051] 上述磁性金屬納米粒子可以是多晶、單晶的任意一種形態(tài)，優(yōu)選是單晶。為單晶的 磁性屬納米粒子時，易于使易磁化軸統(tǒng)一方向，可以控制磁各向異性。因此，與多晶的磁性 金屬納米粒子的情況相比，可以提尚尚頻特性。
[0052] 另外，上述磁性金屬納米粒子可以是球狀的，也可以是具有大長寬比的扁平狀、棒 狀。特別是優(yōu)選長寬比的平均為2以上、更優(yōu)選為5以上、進一步優(yōu)選為10以上。為長寬 比大的磁性金屬納米粒子時，更優(yōu)選使各個磁性金屬納米粒子的長邊方向（板狀時是寬度 方向、扁平橢圓體時是直徑方向、棒狀時是棒的長度方向、旋轉(zhuǎn)橢圓體時是長軸方向）與磁 性粒子（粒子集合體）的長邊方向（板狀時是寬度方向、扁平橢圓體時是直徑方向、棒狀時 是棒的長度方向、旋轉(zhuǎn)橢圓體時是長軸方向）一致。由此，能夠使易磁化軸的方向統(tǒng)一在一 個方向上，可以提高導磁率和導磁率的高頻特性。
[0053] 另外，上述磁性金屬納米粒子優(yōu)選：形成以點或面接觸的納米粒子集合組織，該納 米粒子集合組織在上述粒子集合體中取向于主要的某一個方向上。更優(yōu)選：上述粒子集合 體具有扁平形狀、上述磁性金金屬納米粒子多個接觸、形成棒狀的納米粒子集合組織，上述 納米粒子集合組織在上述粒子集合體的扁平面內(nèi)中取向于主要的某一個方向上。另外，上 述納米粒子集合組織的長寬比越大越優(yōu)選，長寬比的平均優(yōu)選為2以上、更優(yōu)選為5以上、 進一步優(yōu)選為10以上。
[0054] 在此，在計算上述納米粒子集合組織的長寬比時，如下定義納米粒子集合組織的 形狀。即，多個磁性金屬納米粒子以點或面接觸、形成1個納米粒子集合組織時，以將1個 納米粒子集合組織所含的全部磁性金屬納米粒子包裹的方式制成納米粒子集合組織的輪 廓線，從1個磁性金屬納米粒子的輪廓線引出相鄰磁性金屬納米粒子的輪廓線時，作為兩 個磁性金屬納米粒子的切線引出輪廓線。例如，當多個相同粒徑的球狀磁性金屬納米粒子 以點接觸成直線狀、形成納米粒子集合組織時，是指具有直線狀的棒狀形狀的納米粒子集 合組織。如上所述定義納米粒子集合組織的形狀時，其長寬比是指納米粒子集合組織的長 度變?yōu)樽铋L的方向的組織的尺寸（長尺寸）與在垂直于上述方向的方向上、納米粒子集合 組織的長度變得最短的方向的粒子的尺寸（短尺寸）之比，即"長尺寸/短尺寸"。因此， 長寬比一般是1以上。為完全的球狀時，由于長尺寸、短尺寸均與球的直徑相等，因此長寬 比達到1。扁平狀的長寬比是直徑（長尺寸）/高度（短尺寸）。棒狀的長寬比是棒的長度 (長尺寸）/棒的底面直徑（短尺寸）。但是，旋轉(zhuǎn)橢圓體的長寬比則是長軸（長尺寸）/短 軸（短尺寸）。納米粒子集合組織在上述粒子集合體中是否取向于主要的某一個方向可以 對通過TEM獲得的觀察圖像進行圖像解析來判斷。例如，可舉出以下的各種方法。首先，利 用上述方法決定納米粒子集合組織的長尺寸和短尺寸，進而決定某一個標準線的方向，求 得各個納米粒子集合組織相對于上述標準線取向在幾度的角度（取向角度）。對多個納米 粒子集合組織進行該計算，求得各個取向角度的納米粒子集合組織的存在比例，判斷與無 規(guī)取向時（未取向時）相比、是否在某一個方向上進行了取向。以上這種的解析還可通過 使用了傅立葉變換的圖像解析來進行。通過取得以上這種構(gòu)成，可以使易磁化軸的方向統(tǒng) 一在一個方向上、可以提高導磁率和導磁率的高頻特性，因此優(yōu)選。
[0055] 另外，在磁性金屬納米粒子之間優(yōu)選具有有Ιι?Ω·cm以上的電阻率、且含有選自 由Mg、Al、Si、Ca、Zr、Ti、Hf、Ζη、Μη、Ba、Sr、Cr、Mo、Ag、Ga、Sc、V、Y、Nb、Pb、Cu