作為AI算力提升的硬件基礎，AI芯片升級迫在眉睫，催生了相關材料發(fā)展機遇。比如，隨著AI服務器的CPU主頻越來越高，具有更高效率、更小體積，能夠更好地響應大電流變化的一體成型電感正在接替光模塊，成為算力建設最緊缺的硬件環(huán)節(jié)！根據(jù)最新數(shù)據(jù)，全球預計今年將需求2000萬臺AI服務器，而一臺AI服務器需要60個一體成型電感，即今年全球 AI 服務器預計需要12億顆一體成型電感，市場規(guī)模預計超過1500億人民幣。目前，即使在各大廠商滿產(chǎn)的情況下，實際缺口也非常大。接下來，我們就從材料的角度出發(fā)，了解一下這種供不應求的AI算力元器件吧！

什么是一體成型電感？

電感是能夠把電能轉化為磁能的元器件，在服務器中承擔著選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流和抑制電磁屏蔽等關鍵功能。傳統(tǒng)的電感采用鐵氧體作為磁芯，飽和電流比較低且體積大，損耗較低，已很難滿足當前電源模塊小型化和電流增加的發(fā)展需求。而一體成型電感采用了全新的成型工藝，將繞組本體埋入羰基鐵粉、超細霧化合金粉等金屬磁性粉末內部壓鑄而成，取代了傳統(tǒng)的繞組+磁芯的框架結構，實現(xiàn)了電感線圈和座體的一體化，因此相比傳統(tǒng)鐵氧體電感具有如下特點：

1、提高集成度、實現(xiàn)小型化：一體式的設計大大減小了電感的體積，同樣的感值下，一體成型電感的體積僅為普通電感的20%左右。同時，在一體成型工藝中，可以直接將多個線圈同時成型，實現(xiàn)多電感的集成，進一步縮小產(chǎn)品占用空間。

2、提升電性能：由于電感線圈與磁心緊密結合，能夠充分發(fā)揮磁導率，能夠更快速地響應電流變化，提供更穩(wěn)定的供電。同時，嚴密的磁屏蔽結構，也提高了抗干擾性能。

3、結構穩(wěn)定，可靠性高：成型工藝增強了電感機械強度，提高了其抗沖擊性能，有效防止開裂、脫落等問題，可靠性大大提高。

一體成型電感結構

一體成型電感的核心材料

金屬軟磁粉體作為一體成型電感核心材料，其配方?jīng)Q定著一體成型電感的核心參數(shù)。用于電感的磁心材料以鐵為基礎，通過添加不同的元素來優(yōu)化性能，獲得相應的特性要求，如添加硅可以降低矯頑力和提升電阻率從而降低損耗，鉻可以增加材料的防銹能力和熱穩(wěn)定性，硼、鈮、鉻、銅等元素可以促進非晶和納米晶材料的形成，但是非鐵磁性元素的添加會導致其飽和磁感應強度下降，影響電感的直流偏置特性，因此需要根據(jù)經(jīng)實際需求來調配粉末配方。

目前一體成型電感用金屬粉體主要有羰基鐵粉、鐵硅鉻合金粉、非晶和納米晶粉末等。

1、羰基鐵粉

羰基鐵粉是一體電感磁心主要原材料之一，由五羰基鐵Fe(CO)₅熱分解制取，得到內部呈洋蔥狀結構的硬粉，硬粉經(jīng)過高溫退火消除洋蔥狀結構后，則可得到一體成型電感磁心所需的羰基鐵軟粉。羰基鐵粉具有高飽和磁感應強度(2.2 T)，這使得它在需要承受大電流的應用中具有顯著優(yōu)勢。不過，同時也存在磁導率低和耐蝕性差等缺點，成型后電感值較低、防銹特性差等，羰基鐵粉末制備的電感在長時間高溫老化后存在Q值下降的問題，需要通過后端的電感噴涂處理解決其耐鹽霧和潮濕環(huán)境的不足，無疑增加了電感的制造成本和環(huán)保成本。

目前市場上主要的羰基鐵粉供應商包括德國巴斯夫（BASF）、悅安新材料（Yue An New Materials）和江蘇天一等。其中，德國巴斯夫的羰基鐵粉以其穩(wěn)定的性能和較低的損耗著稱，但價格相對較高。而悅安新材料和江蘇天一的產(chǎn)品則以性價比高著稱，在國內市場占有較大的份額。

羰基鐵粉形貌（來源：參考文獻1）

2、鐵硅鉻合金

鐵硅鉻粉末屬于合金粉末，由于在鐵硅的基礎上添加了鉻元素，有助于形成Cr₂O₃薄膜，增強了材料的防銹和抗老化特性，此外，還具有較高的飽和磁感應強度（通常為1.3-1.5T），高磁導率、低成本等優(yōu)點。

當前，鐵硅鉻粉末主要通過氣霧化和水霧化生產(chǎn)，氣霧化法利用高速氣流沖擊金屬熔體，通過碰撞將氣體的動能轉化為金屬熔體的表面能，使熔融金屬流被擊碎成細小液滴，然后在氣流氛圍中快速冷卻凝固形成粉末，通常粉末粒徑較大，呈球形，因此在壓制過程中易流動，具有成型均勻、可靠性高等優(yōu)點，電感均勻分布氣隙的抗飽和能力更強，容易實現(xiàn)更大的工作電流。

而水霧化法是將熔融金屬通過高壓水流沖擊，迅速破碎成細小液滴并冷凝成粉末，具有操作簡單、成本低、產(chǎn)品粒徑小、環(huán)境友好的優(yōu)勢，不過粉末形貌通常為類球形，球形度相對較差，容易出現(xiàn)部分尖角，且由于金屬液滴與水的接觸，可能導致粉末中含氧量較高。目前，隨著國內大力發(fā)展霧化合金粉末，水霧化生產(chǎn)的粉末球形度也不斷優(yōu)化，與日本粉末的差距逐步縮小，未來鐵硅鉻粉末在電感的應用將更加廣泛。比如，鉑科開發(fā)了多級水霧化高飽和微細球形鐵硅鉻粉末SPC05，粉末粒徑(D50約10 μm)與普通水霧化粉末粒徑一致，具有近乎球形的形貌，比表面積為普通水霧化鐵硅鉻粉末的一半，結合最新開發(fā)的Al₂O₃陶瓷包覆技術，其抗飽和特性、防銹特性和耐高溫特性與日本ATMIX生產(chǎn)的鐵硅鉻粉末相當。

氣霧化法及水霧化法鐵硅鉻合金形貌對比（來源：參考文獻1）

3、非晶/納米晶

非晶材料是20世紀70年代問世的一種新型合金材料，其形成過程是將液態(tài)的金屬，快速冷卻固化，得到的一種短程無序、長程有序的帶狀材料。而納米晶材料則是在非晶材料的基礎上經(jīng)熱處理得到，為在非晶基體中形成均勻分布、納米尺度的晶粒。相比合金和羰基鐵粉末，非晶/納米晶材料具有高電阻率、更低的矯頑力、磁滯損耗和渦流損耗，是未來一提成型電感軟磁材料的重要發(fā)展方向。

非晶/納米晶粉末主要有帶材破碎粉末和霧化粉末，帶材破碎粉末形貌不規(guī)則，影響粉末的后端包覆且容易刺破線包，因此市場上很少采用破碎非晶粉末制備一體電感。目前最先進的非晶粉末制備工藝為ATMIX采用的SWAP(旋轉水霧化法)工藝，該方法是先采用高壓氣體將鋼液破碎成細小液滴，加上高速旋轉水流，快速破壞高溫熔融液滴與水接觸瞬間產(chǎn)生的表層氣膜，從而加速粉末冷卻，有效形成非晶態(tài)，其冷卻速度可以達到106℃/s，有助于提高非晶材料的含鐵量獲得更高的B_s（飽和磁感應強度）值。

旋轉水霧化法工藝（來源：非晶合金）

近年來，安泰科技、鉑科新材等都推出了各自的非晶/納米晶粉末，隨著電感成本的不斷壓縮，國內非晶納米晶粉末逐步取代部分進口日本粉末，在中端電感上應用上逐步增加。

小結

隨著人工智能(AI)的增長，對電感性能及可靠性要求越來越高，一體成型電感將保持高速發(fā)展趨勢，相關金屬軟磁材料需求也愈發(fā)旺盛。金屬軟磁材料中，鐵含量是決定材料飽和磁感應強度的關鍵因素，而硅、鉻的添加則提升粉末的防銹和高溫老化特性，但也會降低其飽和磁感應強度，因此開發(fā)具備均勻包覆、耐高溫、防銹等包覆技術是一個重要的研究課題。此外，為了降低渦流損耗和磁滯損耗，提升電感效率，采用高電阻率和低矯頑力的非晶和納米晶粉末是重要方向。

參考文獻：

1、肖強,郭雄志,劉家良,等.一體成型電感用軟磁粉末應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J/OL].磁性材料及器件.

2、董博儒.一體成型電感用軟磁復合材料的制備與磁性能研究[D].華中科技大學.

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