填充有Fe-2.2 wt%、Cr-0.8 wt% Si非晶软磁粉末的半固化复合材料，该粉末表面涂覆有SiO2绝缘层；该材料在高频集成功率电感器中的应用

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Semi-cured composite filled by Fe-2.2?wt% Cr-0.8?wt% Si amorphous soft magnetic powder coated with SiO 2 insulating layer and its application in high-frequency integrated power inductor

SiO?涂层非晶软磁粉末制备及其在高效集成电感中的应用。通过硅烷偶联剂反应在Fe-2.2Cr-0.8Si粉末表面形成纳米级SiO?绝缘层，结合环氧-聚酰亚胺复合基体制备出柔性半固化磁薄膜。80wt%填充量样品在100MHz时磁导率达3.56，损耗角正切0.018，涡流损耗降低52.6%，集成电感性能较空芯电感提升54.65%，峰值效率达99.27%。

　　

周国云|程龙龙|李志鹏|林涛|洪艳|梁志杰|王冲|王守旭|唐显忠|李久娟

中国电子科技大学材料与能源学院，成都610054，中华人民共和国

摘要

在Fe-2.2 wt% Cr-0.8 wt% Si非晶软磁粉末表面成功涂覆了一层非常薄的SiO₂绝缘层，以降低高频功率电感器应用中的涡流损耗。本研究利用硅烷偶联剂的脱水与缩合反应将非晶软磁粉末包裹起来，经过60°C下干燥4小时后形成一层极薄的SiO₂涂层。涂有SiO₂的磁粉随后均匀分散在环氧树脂和聚酰亚胺的混合物中，形成一种可与集成电感器制造工艺兼容的柔性半固化磁复合膜。当磁粉填充量为80 wt%时，该复合膜在100 MHz时的磁导率为3.56（纯磁粉的88%），损耗tanδ为0.018。即使在这种高磁粉填充量的情况下，SiO₂绝缘层的存在仍使磁损耗降低了52.6%。在实际应用中，该复合电感器的性能优于空气芯电感器：在100 MHz时，其电感值高出54.65%，相应的峰值有效电感效率达到99.27%（3.6 V至1 V电压下）。

引言

电子设备性能的迅速提升导致了动态功耗的显著增加，这对电源管理系统提出了更高的要求[[1], [2], [3]]。封装式电源因其成本效益和高效率而受到广泛关注，其中板级集成的磁芯电感器被认为是开发小型化、高效电源模块的关键组件[[4], [5], [6]]。因此，开发具有低高频损耗和良好集成兼容性的磁芯材料对于先进电子产品的小型化至关重要[[7], [8], [9]]。

软磁材料包括金属合金、铁氧体、非晶/纳米晶合金以及软磁复合材料（SMCs），由于具有低矫顽力、较低的磁滞损耗和高磁导率，被广泛用于磁芯电感器[[10]]。当前磁芯材料的发展主要遵循两种途径：（1）通过物理气相沉积（PVD）、旋涂或电沉积等方法，在电感器上沉积金属软磁薄膜（如CoZrTa非晶薄膜、NiZn铁氧体薄膜和NiFe薄膜）[[11,12], [13], [14]]；（2）将金属软磁粉末（如Fe基非晶粉末或羰基铁粉末）与耐热聚合物粘合剂混合制成复合浆料或磁基板，然后通过丝网印刷或热压等方式将其集成到电感器上[[15], [16], [17]]。第一种方法存在电阻率较低的问题，需要层压绝缘层来减少涡流损耗，但PVD的高成本限制了磁芯的厚度（通常只有几微米[[18]]。第二种方法更适合板级集成，尤其是磁基板，因为其制造工艺更为简单，适用于商业应用。然而，目前的磁粉填充量仍不足以显著提升高频下的电磁性能和磁损耗。通过改进磁粉表面处理和聚合物基体改性等策略来提升磁复合基体的性能还有很大的研究空间。

在本研究中，利用硅烷偶联剂介导的反应在Fe-2.2 wt% Cr-0.8 wt% Si非晶软磁粉末表面构建了SiO₂绝缘层，有效抑制了高频涡流损耗。将涂层粉末分散在环氧-聚酰亚胺（PI）混合预聚物基体中，制备出可热压成型的半固化复合磁膜，为高频功率电感器的集成封装提供了简洁高效的解决方案。

实验步骤

涂有SiO₂的非晶软磁粉末

本实验使用的Fe-2.2 wt% Cr-0.8 wt% Si非晶软磁粉末购自徐州源阳磁性材料有限公司，其基本性能见表1。实验中对这种磁粉的改性步骤如下：首先，经过超声清洗和无水乙醇干燥后，将30克磁粉均匀分散在无水乙醇与水的体积比为6:1的混合溶液中。

磁粉的表征

制备了由磁芯和二氧化硅涂层组成的复合颗粒。如图2(a)所示，原始磁粉呈球形，表面较为光滑。经过改性反应后，磁颗粒表面形成了明显的涂层，且随着反应时间的延长，涂层变得更厚、更粗糙（见图2(b)–(d)）。选择反应1小时的磁粉进行后续表征。

结论

本研究开发了一种低损耗、易于集成的半固化柔性复合磁膜，适用于小型化板级电源电感器。涂有SiO₂的磁粉具有945 MΩ·cm的电阻率。含有80 wt%磁粉的固化膜在100 MHz时的磁导率为3.56，损耗tanδ为0.018，表明磁损耗显著降低。与空气芯电感器相比，采用该复合膜的磁芯电感器电感值提高了54.65%。

作者贡献声明

周国云：撰写 – 审稿与编辑。程龙龙：撰写 – 初稿撰写。李志鹏：资金筹集。林涛：资金筹集。洪艳：撰写 – 审稿与编辑。梁志杰：实验研究。王冲：撰写 – 审稿与编辑。王守旭：撰写 – 审稿与编辑。唐显忠：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。李久娟：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢梅州创新与创业团队项目（项目编号：2024HY001TD002）和四川省科技项目（项目编号：2023ZHCG0019）的支持。