Automotive Electronics Magnetische Bauelemente für die Autoelektronik von morgen

Die Anforderungen an Bauelemente für die Kfz-Elektronik werden immer härter. Wir zeigen, wie sich die Forscher in den Labors der Vacuumschmelze diesen Herausforderungen der Automotive-Branche stellen.

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Bei magnetischen Bauelementen für automobile Anwendungen kommt es auf Wirkungsgrad und Kosten an. Bisherige integrierte magnetische Bauelemente weisen sehr hohe Ummagnetisierungsverluste auf. Gesucht sind kompakte magnetische Bauelemente, die sich aufgrund ihres Designs und ihrer Geometrie einfach in die Platine integrieren lassen und zudem aus weichmagnetischen Werkstoffen mit kleinen Ummagnetisierungsverlusten, hoher Güte und Sättigungsinduktion bestehen.

Auf der Suche nach Optimierungsmöglichkeiten

Die Entwickler der Vacuumschmelze (VAC) in Hanau arbeiten daran, unter Verarbeitungs-, Umgebungs- und Einsatzbedingungen optimierte weichmagnetische, metallische Werkstoffe und daraus gefertigte Teile der geforderten Funktionalität bereitzustellen. Um dies zu erreichen, werden die Materialeigenschaften wie Permeabilität, Verluste, Güte und Temperaturbeständigkeit der amorphen und nanokristallinen Materialklassen sowie deren werkstofftechnische Optimierungsmöglichkeiten wie Legierungsvariation oder Feldwärmebehandlungsmethoden zur Einstellung diverser magnetischer Anisotropien untersucht. Dazu hat das Hanauer Team sein Untersuchungsequipment u.a. um ein Kerrmikroskop erweitert.

Domänenstruktur an Probenkanten untersucht

Basierend auf den definierten Anforderungen an das weichmagnetische Material wurden planare Proben mithilfe kerrmikroskopischer Domänenuntersuchungen hinsichtlich des Geometrie- und Strukturierungseinflusses und der Verlustmechanismen geprüft. Es wurden Formgebungs- u. Strukturierungsmethoden (z.B. Laserschneiden, Stanzen) an amorphen Co- und nanokristallinen Fe-Basislegierungen untersucht sowie Werkstoffe mit flacher („F“-) und runder („R“-) Hystereseschleifenform charakterisiert. Die Domänenstruktur an Probenkanten (z.B. Schneidkanten) wurde mit dem neu angeschafften Kerrmikroskop untersucht. Zur Verbesserung der Güte im Bereich um 500 kHz wurden gerichtete Anisotropien durch Wärmebehandlungsmaßnahmen in das weichmagnetische Material eingebracht.

Für integrierte planare Induktivitäten wären Güten >20 im Frequenzbereich bis 500 kHz interessant. Durch entsprechende Laserstrukturierungen (Schlitzen der Proben mit Lasern) konnten deutliche Gütesteigerungen erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass schmale Schlitze in der Materialebene planarer Induktivitäten aus nanokristallinem Material zu einer Verdopplung der Güte führen. Dies lässt sich einerseits über die Unterbrechung der Wirbelströme in der Plättchenebene und andererseits über die entstehende Domänenverfeinerung im Vergleich zu nicht geschlitzten Plättchen erklären. Wie Bild 1 zeigt, konnte der Domänenverfeinerungseffekt mit Kerrmikroskop-untersuchungen bestätigt werden.

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