作為AI算力提升的硬件基礎(chǔ)，AI芯片升級(jí)迫在眉睫，催生了相關(guān)材料發(fā)展機(jī)遇。比如，隨著AI服務(wù)器的CPU主頻越來(lái)越高，具有更高效率、更小體積，能夠更好地響應(yīng)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(shè)最緊缺的硬件環(huán)節(jié)！根據(jù)最新數(shù)據(jù)，全球預(yù)計(jì)今年將需求2000萬(wàn)臺(tái)AI服務(wù)器，而一臺(tái)AI服務(wù)器需要60個(gè)一體成型電感，即今年全球 AI 服務(wù)器預(yù)計(jì)需要12億顆一體成型電感，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)超過(guò)1500億人民幣。目前，即使在各大廠商滿產(chǎn)的情況下，實(shí)際缺口也非常大。接下來(lái)，我們就從材料的角度出發(fā)，了解一下這種供不應(yīng)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(zhuǎn)化為磁能的元器件，在服務(wù)器中承擔(dān)著選信號(hào)、過(guò)濾噪聲、穩(wěn)定電流和抑制電磁屏蔽等關(guān)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(dāng)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(xì)霧化合金粉等金屬磁性粉末內(nèi)部壓鑄而成，取代了傳統(tǒng)的繞組+磁芯的框架結(jié)構(gòu)，實(shí)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(diǎn)：

1、提高集成度、實(shí)現(xiàn)小型化：一體式的設(shè)計(jì)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(shí)，在一體成型工藝中，可以直接將多個(gè)線圈同時(shí)成型，實(shí)現(xiàn)多電感的集成，進(jìn)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(jié)合，能夠充分發(fā)揮磁導(dǎo)率，能夠更快速地響應(yīng)電流變化，提供更穩(wěn)定的供電。同時(shí)，嚴(yán)密的磁屏蔽結(jié)構(gòu)，也提高了抗干擾性能。

3、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高：成型工藝增強(qiáng)了電感機(jī)械強(qiáng)度，提高了其抗沖擊性能，有效防止開(kāi)裂、脫落等問(wèn)題，可靠性大大提高。

一體成型電感結(jié)構(gòu)

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(chǔ)，通過(guò)添加不同的元素來(lái)優(yōu)化性能，獲得相應(yīng)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(jìn)非晶和納米晶材料的形成，但是非鐵磁性元素的添加會(huì)導(dǎo)致其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，影響電感的直流偏置特性，因此需要根據(jù)經(jīng)實(shí)際需求來(lái)調(diào)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(nèi)部呈洋蔥狀結(jié)構(gòu)的硬粉，硬粉經(jīng)過(guò)高溫退火消除洋蔥狀結(jié)構(gòu)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(yīng)強(qiáng)度(2.2 T)，這使得它在需要承受大電流的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，同時(shí)也存在磁導(dǎo)率低和耐蝕性差等缺點(diǎn)，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(zhǎng)時(shí)間高溫老化后存在Q值下降的問(wèn)題，需要通過(guò)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(wú)疑增加了電感的制造成本和環(huán)保成本。

目前市場(chǎng)上主要的羰基鐵粉供應(yīng)商包括德國(guó)巴斯夫（BASF）、悅安新材料（Yue An New Materials）和江蘇天一等。其中，德國(guó)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(jià)格相對(duì)較高。而悅安新材料和江蘇天一的產(chǎn)品則以性價(jià)比高著稱，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有較大的份額。

羰基鐵粉形貌（來(lái)源：參考文獻(xiàn)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(chǔ)上添加了鉻元素，有助于形成Cr₂O₃薄膜，增強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度（通常為1.3-1.5T），高磁導(dǎo)率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)前，鐵硅鉻粉末主要通過(guò)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(guò)碰撞將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬熔體的表面能，使熔融金屬流被擊碎成細(xì)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(guò)程中易流動(dòng)，具有成型均勻、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，電感均勻分布?xì)庀兜目癸柡湍芰Ω鼜?qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)更大的工作電流。

而水霧化法是將熔融金屬通過(guò)高壓水流沖擊，迅速破碎成細(xì)小液滴并冷凝成粉末，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)品粒徑小、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)粉末形貌通常為類球形，球形度相對(duì)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(dǎo)致粉末中含氧量較高。目前，隨著國(guó)內(nèi)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(lái)鐵硅鉻粉末在電感的應(yīng)用將更加廣泛。比如，鉑科開(kāi)發(fā)了多級(jí)水霧化高飽和微細(xì)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(jié)合最新開(kāi)發(fā)的Al₂O₃陶瓷包覆技術(shù)，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(dāng)。

氣霧化法及水霧化法鐵硅鉻合金形貌對(duì)比（來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

3、非晶/納米晶

非晶材料是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一種新型合金材料，其形成過(guò)程是將液態(tài)的金屬，快速冷卻固化，得到的一種短程無(wú)序、長(zhǎng)程有序的帶狀材料。而納米晶材料則是在非晶材料的基礎(chǔ)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(lái)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(chǎng)上很少采用破碎非晶粉末制備一體電感。目前最先進(jìn)的非晶粉末制備工藝為ATMIX采用的SWAP(旋轉(zhuǎn)水霧化法)工藝，該方法是先采用高壓氣體將鋼液破碎成細(xì)小液滴，加上高速旋轉(zhuǎn)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(dá)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(yīng)強(qiáng)度）值。

旋轉(zhuǎn)水霧化法工藝（來(lái)源：非晶合金）

近年來(lái)，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(guó)內(nèi)非晶納米晶粉末逐步取代部分進(jìn)口日本粉末，在中端電感上應(yīng)用上逐步增加。

小結(jié)

隨著人工智能(AI)的增長(zhǎng)，對(duì)電感性能及可靠性要求越來(lái)越高，一體成型電感將保持高速發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)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(yīng)強(qiáng)度的關(guān)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(huì)降低其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此開(kāi)發(fā)具備均勻包覆、耐高溫、防銹等包覆技術(shù)是一個(gè)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(xiàn)：

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

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

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