采用超细FeNi粉末对FeSiBC非晶软磁复合材料的磁性能进行优化

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Magnetic performance optimization of FeSiBC amorphous soft magnetic composites with ultrafine FeNi powder

　　

摘要

随着人工智能芯片功耗的持续增加，芯片电感器对软磁复合材料（SMCs）在高频下的直流偏置性能和低损耗特性提出了更高的要求。在本研究中，系统地探讨了超细FeNi粉末添加量和退火温度对FeSiBC/FeNi SMCs微观结构和电磁特性的影响。采用EDEM离散元方法计算了不同混合比例下的颗粒堆积行为，并与实测的密度和孔隙率进行了比较。结果表明，添加40%的超细FeNi粉末可以有效填充大尺寸FeSiBC颗粒之间的空隙，从而提高了FeSiBC/FeNi SMCs的实际密度并降低了其孔隙率。SMCs在1 MHz时的有效磁导率从18.97（纯FeSiBC）提高到31.66，经过500 °C退火后进一步提高到40.27，同时磁芯损耗显著降低。此外，尽管FeNi的添加降低了表面绝缘电阻，但由于形成了更连续、更致密的绝缘层，击穿电压从1800 V提高到了3500 V。红外热成像证实，500 °C退火后的样品发热明显减少。最佳综合性能是在添加40% FeNi并在500 °C下退火1小时得到的。上述发现可以为高性能SMCs的配方设计和工艺优化提供实验和理论指导，以满足高频芯片电感器的需求。

引言

人工智能（AI）的快速发展推动了计算能力中心的加速扩张[[1], [2], [3]]。单个AI芯片的功耗已从300 W增加到700 W以上，导致芯片供电电流持续增加[1]。因此，芯片电感器必须具备优异的直流偏置特性，即在高电流条件下保持电感抗[4]。软磁金属粉末的饱和磁感应强度（B_s）是铁氧体的3–5倍[[5], [6], [7]]，使其成为芯片电感器的理想材料。随着第三代半导体在计算中心电源中的广泛应用，开关频率已从100 kHz水平提升到MHz水平[8]。高频运行加剧了磁性元件的磁损耗，其中涡流损耗的增加最为显著。非晶软磁材料由于具有较高的电阻率，在MHz范围内表现出较低的涡流损耗，因此在第三代半导体应用中具有独特优势[9,10]。

尽管非晶软磁复合材料（SMCs）在磁损耗和直流偏置特性方面表现优异，但其高粉末硬度使得在压制过程中难以实现塑性变形[11]，从而导致磁芯密度较低，从而限制了有效磁导率[[12], [13], [14]]。为了解决这个问题，研究人员提出了多组分复合软磁粉末的概念，即在非晶基体中引入其他类型的软磁粉末（如羰基铁粉末（CIP）、FeSi、FeSiAl、FeSiCr和FeNi[[15], [16], [17]]。Chen等人[18]发现，在FeSiBCr非晶粉末中添加60%的较软的CIP后，FeSiBCr/CIP SMCs的磁导率提高了86.3%至68.68，饱和磁化强度（M_s）显著增加至204.17 emu/g。类似地，Wang等人[19]报道，在FeSiBCuNb纳米晶粉末中添加50–60%的FeNi粉末后，磁芯的磁导率提高了66.8–76.9%。

尽管取得了这些进展，但大多数关于多组分非晶SMCs的研究仍停留在经验性的成分筛选上，对颗粒大小比例、致密化行为与磁性能之间的相互作用关注不足。此外，这些研究中采用的处理方法通常涉及较高的压制压力（>1200 MPa）和后续的高温退火（>700 °C），这不仅会引入较大的内部应力，还可能引发磁性组分与绝缘层之间的界面反应[20,21]。

近年来，气水联合雾化技术的迅速发展为高Fe含量的FeSiBC非晶粉末的商业化大规模生产提供了可能[15]。这种粉末的M_s为172 emu/g，显著高于FeSiBNbCu纳米晶粉末（136 emu/g）[6]，表明其具有更优越的直流偏置特性。同时，空气分级技术的进步使得大规模生产D50为1–3 μm的超细粉末成为可能[22]。粗粒FeSiBC（D50 ≈ 19.5 μm）与超细FeNi（D50 ≈ 2.3 μm）之间的显著粒度差异为实现近乎理想的双峰堆积提供了独特的机会，其中细颗粒可以精确填充粗颗粒之间的空隙，从而最大化磁芯密度。然而，目前仍缺乏对混合比例如何影响堆积行为以及由此产生的电磁特性的定量理解。

基于上述背景，本研究选取Fe₇₈Si₆B₁₃C₃非晶粉末作为基体材料，系统地研究了不同添加量的超细FeNi粉末对FeSiBC/FeNi SMCs磁性能的影响。此外，还使用EDEM离散元模拟软件分析了不同混合比例下的孔隙率和密度变化，并将结果与实验测得的密度和孔隙率进行了比较。同时研究了不同成分磁芯的绝缘特性，旨在为高性能软磁复合磁芯的配方设计和工艺优化提供指导。

章节摘要

FeSiBC/FeNi粉末磁芯的制备工艺

丙酮和硬脂酸锌均为分析级试剂，分别从南京化学试剂有限公司和湖北成丰化工有限公司购买。EPICLON HP-4710环氧树脂（超高温耐热级）来自DIC公司（日本）。FeSiBC非晶粉末（名义成分：Si 6%，B 13%，C 3%，Fe其余）采用新型气水联合雾化技术制备，FeNi50合金粉末（Ni 50%，Fe 50%）则通过其他方法制备

原始磁粉的微观结构和形貌

图2显示了FeSiBC和超细FeNi粉末的SEM图像及颗粒尺寸分布曲线。如图2a所示，FeSiBC粉末颗粒整体呈球形，只有少数呈泪滴状和卫星状的颗粒，其表面非常光滑。颗粒尺寸范围从几微米到几十微米不等。相比之下，图2b和图S1中的超细FeNi粉末颗粒尺寸明显更小，且分布更规则

结论

本研究系统地探讨了超细FeNi粉末添加量和退火温度对FeSiBC/FeNi SMCs微观结构、电磁特性和热性能的影响，并利用EDEM离散元模拟揭示了颗粒堆积行为。可得出以下结论：

• (1)
  超细FeNi粉末的添加有效提高了磁芯的实际密度并降低了孔隙率，其中40%的添加量效果最佳

CRediT作者贡献声明

吕思雅：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学设计、数据整理、概念构建。匡春江：写作 – 审稿与编辑、监督。王磊：写作 – 审稿与编辑、监督。马洪秋：项目管理、资金筹措。刘鹏：软件支持。李聪：写作 – 审稿与编辑。

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河北省科技计划（25331001D）的支持。

吕思雅|匡春江|王磊|马洪秋|刘鹏|李聪