在眾多電源模組用主動或被動零組件中，功率電感負責電磁儲能轉換，是高效能及微型化進程中，扮演著重要角色的電子元件。電感用磁芯材料性能與結構參數最佳化設計，將成為突破下世代高頻小型化/大電流瓶頸之關鍵技術，以達到高封裝密度電源模組開發。這些高階電源模組可廣泛應用於5G毫米波小型基站Small Cell、高階伺服器如AI/雲端運算/資料中心、智慧車載等終端電子產品場合，其中以智慧車載應用市場深具發展潛力且具高附加價值。隨著電動車或自駕車應用開始興起，車用功率磁芯電感數量將會持續增加，帶動下一波高階新型被動元件之發展潮流。
本文將從以下大綱，針對功率電感用市場、磁芯、元件及應用等作一系列介紹。
‧前言
‧市場發展
‧磁芯材料
‧電感元件
‧應用場合
‧結論
【內文精選】
前言
隨著電子機械、智慧通訊與光電產業之快速蓬勃發展，終端產品逐漸朝向高頻、高速、輕薄化及低功耗設計之方向演進，使得電源模組亦相對地被要求需具有高整合性、高裝配密度及低裝配成本。故電源模組效能提升及溫升功耗降低等性能，需要不斷深耕開發高負載轉換效能、低雜訊及穩定輸出等關鍵整合技術，成為電源模組研發之重要方向，其中負責電磁儲存轉換之功率電感(Inductor)，更是電源設計不可或缺之重要關鍵零組件。若以行動智慧通訊應用來說，每年全球智慧手機產量超過十億支以上，每一支均使用數十顆以上之薄型功率電感來使電源模組穩定運作及輸出。另外，隨著下世代智慧電動車等車載應用逐漸開始萌芽興起，使得功率電感數量大幅增加，未來也會成為智慧車載用電力模組之關鍵零組件，但在滿足如高溫、耐候、耐震等嚴苛環境測試過程中(AECQ200)，磁芯(Magnetic Core)材料設計必須重新思維，俾逐項克服高環境耐受性及強度等研發挑戰點。
市場發展
圖一為全球被動元件之市場規模，至西元2021年，全球電感數量將以每年8% CAGR持續向上成長。另外，根據Maximize Market Research依全球區域預測整體電感市場規模，如圖二，至西元2026年將成長至49.8億美元，年增長率4.29%，主要以亞洲為最大宗，其次為北美及歐洲。由這兩份市場調查可瞭解到未來幾年內，功率磁芯及電感數量仍會因各種新興應用而不斷持續增加，足見其市場發展潛力大且將帶來優渥商機。
圖一、全球被動元件市場規模
磁芯材料
依IoT/ICT、產業設備或電動車應用來分類，功率磁芯主要分為磁性金屬系及鐵氧磁體系，如圖三。一般來說，磁性金屬系因具有高飽和磁束性質(1.5 T~2.0 T)，製成電感後有助於提升飽和電流及微型化；但磁性金屬之低電阻率產生磁性損失卻不利於頻率提升，截止頻率僅達數百kHz。目前常見之磁性金屬系有鐵鎳鉬合金(MPP)、鐵矽鋁合金(Sendust)、鐵鎳合金(High Flux)及鐵粉芯(Iron Powder)等磁性金屬或其複合體組合。反之，相較於磁性金屬系，鐵氧磁體系具有高導磁及高絕緣性，可提高電感量及降低高頻磁損失，使得截止頻率提升至數十MHz以上；但低飽和磁束(0.35 T~0.5 T)性質較不利於高飽和電流，使得鐵氧磁體磁芯遇到高負載電流時，容易加速飽和使得磁導率急遽下降。鐵氧磁體材料以鎳鋅(NiZn)、錳鋅(MnZn)為主體，若要達到高頻大電流等規格開發，必須適量摻雜各種微量氧化物於尖晶石結構或進行表面修飾改質，調控製程參數來調整晶格匹配、微結構分布等，達到降低應力及提高磁性等關鍵技術開發。
圖三、磁性金屬系及鐵氧磁體系材料及應用
應用場合
電感元件之應用場合相當多，主要分為電磁儲能轉換、高頻RF濾波器、變壓器、馬達及感測器等領域。以智慧車載用電源模組來說（如圖四），當車輛高速行駛過程中，車體溫度依不同功能模組如引擎室、ABS、LED等而產生不同溫升，溫度範圍分布由85˚C至150˚C，尤其是提供動力之引擎室周圍溫度更高達150˚C，如此高溫環境使用環境下，需要穩定電源來提供電子控制單元(Electronic Control Unit; ECU)進行操作及控制，特別是未來無人自駕車開始應用後，更不容許內部功率元件因長時間運作而發生突發性故障，致嚴重時影響到自駕車安全。因此車載用電源功率模組之長久穩定輸出設計必須…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：湯士源、唐敏注／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期，更多資料請見下方附檔。