高磁導(dǎo)率錳鋅鐵氧體發(fā)展和過程控制要點

◎李俊

高磁導(dǎo)率錳鋅鐵氧體發(fā)展和過程控制要點

◎李俊

高磁導(dǎo)率錳鋅鐵氧體的五大發(fā)展方向和材料示例及生產(chǎn)過程中成型、燒結(jié)等關(guān)鍵工序為提高電性能水平的控制要點。

在抗電磁干擾技術(shù)領(lǐng)域中，高導(dǎo)錳鋅鐵氧體材料具有高磁導(dǎo)率，較高的飽和磁化強度，優(yōu)良的中高頻阻抗等特點，使電子器件在較少的匝數(shù)下就能得到需要的電感和阻抗，縮小了器件體積并減少了線圈損耗，因此在設(shè)備器件趨向微型化，高效化的今天得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)今高導(dǎo)錳鋅鐵氧體的發(fā)展方向，主要可歸納為五大塊：

低頻率下高磁導(dǎo)率材料，代表材料為東磁R15K，安磁JPH-15，主要在200KHz以下的低頻段有較高的磁導(dǎo)率和感值，常制作成電感器件、EMI濾波器等，此類材料市場較為多見。

優(yōu)頻率特性高阻抗高導(dǎo)材料，代表材料為東磁R10Kz，天通TSR10.主要在200KHz以上頻率磁導(dǎo)率下降較慢，材料體現(xiàn)有較高的更高的截止頻率和阻抗，常制作成電抗器件、EMI濾波器、脈沖變壓器等。

高磁導(dǎo)率高居里溫度材料，代表材料為東磁R10KC，R7KC.此材料在Tc上進行改進，Tc指標(biāo)都高于150℃，可以有效地降低在高溫環(huán)境下電性能因溫度超過居里點而消失的風(fēng)險，主要使用在汽車、軍工類產(chǎn)品中。

低THD高磁導(dǎo)率材料，代表材料為越峰A101，天通TH10。材料著重點在于磁滯損耗系數(shù)ηB要相對較低，為減小ηB就要求鐵氧體材料晶粒細小、均勻，一般此種材料應(yīng)用于數(shù)字、光纖網(wǎng)絡(luò)通信通信中的寬帶變壓器和網(wǎng)絡(luò)變壓器等通訊類電子器件。

寬溫度系數(shù)，此類材料在-20℃～80℃之間磁導(dǎo)率隨溫度的波動較小。代表材料為TDk的DNW45，JFE推出的SK-202G。廣泛適用于航天、軍工等國防武器裝備系統(tǒng)及民用戶外儀器儀表等使用環(huán)境變化較大的設(shè)備設(shè)施。

鐵氧體磁性材料的制程中，高導(dǎo)粉料因燒結(jié)溫度較高，材質(zhì)二峰值要求規(guī)格嚴，對材料雜質(zhì)和成分含量異常敏感，部分雜質(zhì)即使百ppm級別的引入也會使性能相去甚遠，故要求原材料有相對嚴格的管控指標(biāo)。一般工業(yè)大生產(chǎn)要求Fe2O3純度wt%≥95.5%、ZnO純度wt%≥99%、Mn3O4純度wt%≥99%。

成型工序中，影響高導(dǎo)產(chǎn)品合格率的重要因素有是模具設(shè)計和成型密度。根據(jù)材料磁導(dǎo)率ui與磁芯電感系數(shù)AL的有關(guān)的公式：

可推：即同種材料下，產(chǎn)品的燒結(jié)后的電感系數(shù)AL值與局部磁路截面積Ai成正比，與磁路長度成反比。因此，在模具設(shè)計階段，通過調(diào)整產(chǎn)品局部區(qū)域的尺寸收縮比和填料深度，有針對性的設(shè)計局部尺寸密度，在終端客戶要求范圍內(nèi)盡可能提高產(chǎn)品的截面積及減少產(chǎn)品尺寸長度，可以在現(xiàn)有的材料水平上有效地提升感值和合格率。

磁芯燒結(jié)是決定產(chǎn)品性能和合格率的一個關(guān)鍵工序，每種材料因本身的主成分和雜質(zhì)摻雜等結(jié)構(gòu)因素不同，需要單獨地設(shè)計燒結(jié)曲線及擺坯工藝來進行管控。

對于MnZn鐵氧體燒結(jié)曲線設(shè)計上，大致可分為四大區(qū)域調(diào)整，1、第一區(qū)域段為室溫升溫到600℃之間，此段主要生坯水分及粘合劑的排放，升溫速率?？刂圃?℃/min以下來緩解粉料中的有機物質(zhì)分解揮發(fā)而不導(dǎo)致磁芯出現(xiàn)裂紋。2、第二階段在800℃至保溫段，此區(qū)域主要為磁芯內(nèi)部晶粒的生長過程，適當(dāng)?shù)靥岣呱郎厮俾?，可以促進鐵氧體固像反應(yīng)速度，促進晶粒增長。但升溫速率不宜高于3.5℃min，過高的升溫速率會使晶粒生長速率不受控制，在材料內(nèi)部出現(xiàn)二次增長形成巨晶，導(dǎo)致晶粒不均影響磁疇位移使磁導(dǎo)率下降。現(xiàn)有燒結(jié)工藝中也常在此溫度區(qū)域用充氮致密化升溫，對比于常規(guī)空氣燒結(jié)可提高燒結(jié)品的密度，減少材料中氣孔的數(shù)量，繼而提升材料磁導(dǎo)率。3、第三段區(qū)域為保溫段，提高燒結(jié)溫度和增加保溫時間是有效提升材料磁導(dǎo)率的措施。適當(dāng)?shù)靥岣弑販囟?，可以促進鐵氧體固像反應(yīng)，提升晶粒尺寸，降低內(nèi)部氣孔率和增加材料密度。與此同時合理的保溫時間是材料內(nèi)部固像反應(yīng)完全的保證，是均勻內(nèi)部晶粒尺寸的有效手段。一般來說，疊燒式高導(dǎo)產(chǎn)品保溫時間需達到5～8h左右，以改善每板內(nèi)部產(chǎn)品密度和性能一致性。而對于保溫段的燒結(jié)氣氛，現(xiàn)有企業(yè)高導(dǎo)產(chǎn)品常使用空氣燒結(jié)，在某些國外企業(yè)甚至采用氧氣燒結(jié)。目的是減少主配方中非磁性ZnO的揮發(fā)對電性能的影響，并能適當(dāng)?shù)馗纳拼艑?dǎo)率的頻普特性。4、第四為冷卻降溫段，此段的氧含量一般根據(jù)平衡氣氛法進行調(diào)整，1000℃前過氧氣氛降溫可以改善產(chǎn)品的頻率特性，同時二峰值向高溫移動；反之，低氧氣氛降溫能促進Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)變，粉料二峰向低溫移動，雖然頻率特性會變差，但在多匝數(shù)的電子器件并使用在低頻的情況下可有效提高器件電感。因此，可根據(jù)客戶不同的要求可在此區(qū)域適當(dāng)調(diào)整匹配。

在燒結(jié)工序?qū)π阅苡绊戄^大的還有毛坯的裝燒方式。由于耐火材料中的Si元素擴散滲透及耐火材料主成分Al2O3與磁性中的ZnO反應(yīng)生成ZnAl2O4使材料成分偏析，生產(chǎn)中常使用同材質(zhì)墊片或使用氧化鋯板來隔離耐火材料對產(chǎn)品的影響。經(jīng)試驗對比，同材質(zhì)墊片的效果最佳，基本能使接觸的毛坯電性能損失10%以內(nèi)，且產(chǎn)品的整體性能一致性較好，接觸面不易結(jié)晶。

燒結(jié)完成后產(chǎn)品特性基本定型，后面的磨削與檢分工序主要需注意要減少碰撞、擠壓、震動等外力對產(chǎn)品電性能造成的不可逆的影響。同時針對需要磨削的配合型產(chǎn)品，使用高目數(shù)砂輪、低磨削速率進行精磨、使用專用磨削液等手段能有效的提升最終產(chǎn)品的電感水平。

為順應(yīng)電子科技發(fā)展趨勢，高導(dǎo)錳鋅鐵氧體將朝著高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強度、寬溫寬頻普、低損耗的趨勢發(fā)展。對于國內(nèi)企業(yè)來說，產(chǎn)品檔次主要是中低檔，與國際磁性材料頂尖水平還有相當(dāng)大的差距。為提高自身的核心競爭力，則要求企業(yè)突破創(chuàng)新，加大技術(shù)投入，與部分高校建立產(chǎn)學(xué)研合作，從配方、生產(chǎn)工藝上探討新思路，才能真正在市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

（作者單位：廣東乳源東陽光磁性材料有限公司）