软磁铁氧体现状与发展.doc

软磁铁氧体现状与发展 摘 要：本文讨论分析了软磁铁氧体国内外研究、生产、专用工艺设备、市场现状。详细论讨了高磁导率铁氧体、功率铁氧体、迭层片式电感器用的铁氧体粉料等铁氧体的技术发展动向。1.前言软磁铁氧体应用广，用量大的一种磁性材料。1997年世界产量22万吨，其中我国产量5万吨，预计2000年世界产量将达到30万吨，2005年达到45万吨，预计今年我国将达到6万吨，2005年将超过15万吨，约占全世界软磁铁氧体总量的1/3，占世界第一位。但我国尚存在工艺技术比较低，一些专用工艺设备较落后，造成产品档次不够高等问题，有待进一步解决。在软磁铁氧体的产量中，高磁导率铁氧体约占20，功率铁氧体约占25，宽带射频铁氧体，电子镇流器约占15，其余的如抗电磁干扰（EMI），偏转磁芯等约占40。 技术发展方向2.1 软磁铁氧体制备工艺从80年代以来，我国引进国外先进工艺设备和工艺技术，使生产规模和效率有显著提高，一些产品性能在较短的时间内达到国际水平。但生产的自动化程度还跟不上发达国家著名铁氧体公司，他们生产线用“电脑集成制造”（CIM）和“电脑/人联合集成”（CHIM），用电脑控制自动完成制粉、成型、烧结、磨削及包装等工序，使产品合格率达9599。2.2 高磁导率铁氧体由于高磁导率铁氧体在数字通讯，光纤通讯及电磁兼容等领域中大量应用，促使其制备工艺逐渐完善，不断提高性能，国外研制水平i为2000023000，国内外有关生产水平列于表1。值得提及的表1中列出的i值国内厂家属于小批量生产性能，大批量生产的i值为70008000，研制水平为1200013000。海宁天通电子有限公司陆明岳开发的产品，1999年6月通过省级新产品鉴定i为13000。北京大学与深圳组建的深圳中核集团公司，去年10月投产，年生产能力30吨，产品i稳定在10000以上，最高能达到18000。目前除要求高磁导率铁氧体继续提高磁导率外，要求居里温度Tc高，损耗因数tg/i温度系数i要低，并要求随使用频率增加磁导率衰减慢，使if曲线在较宽频带内保持平直，具有高的截止频率。预计到2002年，国外商品化产品磁导率将提高到25000左右。近年来EMI磁芯发展很快，TDK和美国steward等公司，已有10多种牌号，品种规格很全，国内尚处在小批量生产阶段，是根据用户要求生产产品。2.3 功率铁氧体近几年来，功率铁氧体销售额平均年增长率约10，是80年代后期到90年代初研究重点，其产品主要应用于高频开关电源的主变压器磁芯，具有代表性的产品是以日本TDK公司的PC30、PC40、PC50，国内企业也向这些牌号性能指标努力，现在国内能大批量生产的是PC30，只有个别企业能生产PC40。天通公司大批量生产TP4产品性能与TDK公司的PC40相同，i=230025，在室温（25）时，Bs=510mT，Br=100mT，Hc=14A/m，在100kHz，100下，Pc=410mw/cm3，=6.5.m，Tc215，d4.8/cm3。PC50国内在1994年研制成功，但至今未投产。经过一段时间实践，开关电源主流产品的工作频率是100300kHz，为了适应需要，TDK公司首先推出PC44，FDK、PHILPS、TOK等公司分别推出6H40、3C94、BHI等牌号产品，使功率损耗比PC40材料降低1/41/3。国内天通电子公司等企业也在加紧开发相应性能的产品；另外有的开关电源工作频率发展到0.51MHz，并与其相应的功率铁氧体材料也已商品化，在80100，500kHz，50mT下，磁芯损耗为80100kW/m3。为了提高功率铁氧体工作频率，必须控制其微观结构，使晶粒均匀，细小，提高密度，在配方中掺入适量添加物，以便提高产品晶界阻率，表2列出对样品配方Mn0.74Zn0.18Fe2.06O4进行添加物试验，在1MHz，50mT下，添加物对室温涡流损耗（Pe）和电流电阻（）的影响。从表2中可以看出添加物对降低铁氧体涡流损耗和提高电阻率有一定的好处，因此，在配料时常常掺入适量添加物来提高铁氧体性能。今后功率铁氧体研究开发产品重点仍然向小型化、高频化、低损耗化方向发展。一方面是工作频率100300kHz铁氧体，在100kHz，200mT，100时铁氧体损耗Pc降到150Kw/m3左右，另一方面是工作频率13MHz超高频开关电源，要求低损耗的MnZn铁氧体或NiZn铁氧体。为使软磁铁氧体生产专业化，像永磁铁氧体一样有专门生产预烧料企业提供。过去几年上海宝钢和天通电子公司联合生产功率铁氧体预烧粉料，他们充分利用宝钢酸洗钢液提纯，然后将各成分氯化物溶液经Ruthner喷雾焙烧炉而获得MnZn铁氧体粉料，这种方法制备粉料的优点是颗粒均匀，活性好，不需要预烧。目前处在推广使用阶段。2.4 迭层片式电感器用铁氧体粉料随着电子设备小型化，迭层片式电感器用量日益增多，全球需求量200亿只，我国15亿只。这项技术首先是TDK、太阳诱电、村田等公司开发。随后美国AEM公司创造了叠层技术。1992年国内898厂等单位引进生产绕线式片式电感器设备，具有4亿只年生产能力，1994年深圳南虹电子陶瓷公司从美国AEM公司引进生产线。生产全系列迭层片式电感器、片式磁珠、片式LC组合件等，年生产能力为8亿只。在迭层片式电感器生产中，铁氧体粉料是关键，它要求粉料烧结温度低于900。一般在870烧结后，铁氧体应具有良好磁化、高电阻率、高品质因数、低温度系数、对应力不敏感、有一定的机械强度等。并与Ag浆共烧时不与Ag浆起化学反应。根据这些要求，在Ni系和Li系铁氧体中，在配方和工艺上采取有效的措施有可能达到要的功率铁氧体材料也已商品化，在80100，500kHz，50mT下，磁芯损耗为80100kW/m3。为了提高功率铁氧体工作频率，必须控制其微观结构，使晶粒均匀，细小，提高密度，在配方中掺入适量添加物，以便提高产品晶界阻率，表2列出对样品配方Mn0.74Zn0.18Fe2.06O4进行添加物试验，在1MHz，50mT下，添加物对室温涡流损耗（Pe）和电流电阻（）的影响。从表2中可以看出添加物对降低铁氧体涡流损耗和提高电阻率有一定的好处，因此，在配料时常常掺入适量添加物来提高铁氧体性能。今后功率铁氧体研究开发产品重点仍然向小型化、高频化、低损耗化方向发展。一方面是工作频率100300kHz铁氧体，在100kHz，200mT，100时铁氧体损耗Pc降到150Kw/m3左右，另一方面是工作频率13MHz超高频开关电源，要求低损耗的MnZn铁氧体或NiZn铁氧体。为使软磁铁氧体生产专业化，像永磁铁氧体一样有专门生产预烧料企业提供。过去几年上海宝钢和天通电子公司联合生产功率铁氧体预烧粉料，他们充分利用宝钢酸洗钢液提纯，然后将各成分氯化物溶液经Ruthner喷雾焙烧炉而获得MnZn铁氧体粉料，这种方法制备粉料的优点是颗粒均匀，活性好，不需要预烧。目前处在推广使用阶段。2.4 迭层片式电感器用铁氧体粉料随着电子设备小型化，迭层片式电感器用量日益增多，全球需求量200亿只，我国15亿只。这项技术首先是TDK、太阳诱电、村田等公司开发。随后美国AEM公司创造了叠层技术。1992年国内898厂等单位引进生产绕线式片式电感器设备，具有4亿只年生产能力，1994年深圳南虹电子陶瓷公司从美国AEM公司引进生产线。生产全系列迭层片式电感器、片式磁珠、片式LC组合件等，年生产能力为8亿只。在迭层片式电感器生产中，铁氧体粉料是关键，它要求粉料烧结温度低于900。一般在870烧结后，铁氧体应具有良好磁化、高电阻率、高品质因数、低温度系数、对应力不敏感、有一定的机械强度等。并与Ag浆共烧时不与Ag浆起化学反应。根据这些要求，在Ni系和Li系铁氧体中，在配方和工艺上采取有效的措施有可能达到要的功率铁氧体材料也已商品化，在80100，500kHz，50mT下，磁芯损耗为80100kW/m3。为了提高功率铁氧体工作频率，必须控制其微观结构，使晶粒均匀，细小，提高密度，在配方中掺入适量添加物，以便提高产品晶界阻率，表2列出对样品配方Mn0.74Zn0.18Fe2.06O4进行添加物试验，在1MHz，50mT下，添加物对室温涡流损耗（Pe）和电流电阻（）的影响。从表2中可以看出添加物对降低铁氧体涡流损耗和提高电阻率有一定的好处，因此，在配料时常常掺入适量添加物来提高铁氧体性能。今后功率铁氧体研究开发产品重点仍然向小型化、高频化、低损耗化方向发展。一方面是工作频率100300kHz铁氧体，在100kHz，200mT，100时铁氧体损耗Pc降到150Kw/m3左右，另一方面是工作频率13MHz超高频开关电源，要求低损耗的MnZn铁氧体或NiZn铁氧体。为使软磁铁氧体生产专业化，像永磁铁氧体一样有专门生产预烧料企业提供。过去几年上海宝钢和天通电子公司联合生产功率铁氧体预烧粉料，他们充分利用宝钢酸洗钢液提纯，然后将各成分氯化物溶液经Ruthner喷雾焙烧炉而获得MnZn铁氧体粉料，这种方法制备粉料的优点是颗粒均匀，活性好，不需要预烧。目前处在推广使用阶段。2.4 迭层片式电感器用铁氧体粉料随着电子设备小型化，迭层片式电感器用量日益增多，全球需求量200亿只，我国15亿只。这项技术首先是TDK、太阳诱电、村田等公司开发。随后美国AEM公司创造了叠层技术。1992年国内898厂等单位引进生产绕线式片式电感器设备，具有4亿只年生产能力，1994年深圳南虹电子陶瓷公司从美国AEM公司引进生产线。生产全系列迭层片式电感器、片式磁珠、片式LC组合件等，年生产能力为8亿只。在迭层片式电感器生产中，铁氧体粉料是关键，它要求粉料烧结温度低于900。一般在870烧结后，铁氧体应具有良好磁化、高电阻率、高品质因数、低温度系数、对应力不敏感、有一定的机械强度等。并与Ag浆共烧时不与Ag浆起化学反应。根据这些要求，在Ni系和Li系铁氧体中，在配方和工艺上采取有效的措施有可能达到要求。在Ni系铁氧体中，为了降低烧结温度，人们常用低熔点CuCO3取代部分NiO，再掺入适量Li2O，V2O5等助熔剂，使形成NiCuZn铁氧体，有人做过的组分和性能列于表3。为了降低NiCuZn铁氧体共烧温度，许正源等人掺入了Bi2O3，提高了密度和电感L，但Q值下降，这由于掺入Bi2O3共烧时出现液相，增加了Ag的迁移所至。笔者认为掺入Bi2O3(2%wt)量可能多些，如果减小到0.51.0%wt，有可能Ag迁移率减小，并对铁氧体性能有好处。在NiCuZn铁氧体制备过程中，在工艺上也很重要，有人做过试验，在不掺入任何助熔剂的配方中，配料时扣除0.5%wt的Fe2O3，用直径1/4英寸钢球，料水为11球磨72h，获得粉料平均粒径为0.20.5m，在900烧结时，获得密度为5.1g/cm3，性能良好。在共烧时还要严格控制冷却速度，防止在快冷时Cu析出分布在晶粒边界上，引起晶粒畸变L下降，虽然慢冷对L影响不大，但要注意导电带与铁氧体附着力和生产成本。总之NiCuZn铁氧体配方、制备工艺等环节上都要严格控制，才能获得良好磁性能。低温烧结Li铁氧体还处在研制阶段，尚未获得理想的综合性能，我国成都电子科大陈泽化，钱汝彪等人做了许多工作，他们在化学式Li0.2Zn0.6Fe2.2O4中掺入0.4%wt的Bi2O3，850保温2h，在1MHz频率下测得i=220，Tc=220，=3104K1（2080），D=4.978/cm3，=2.5108.m。在化学式Li0.275Zn0.5Mn0.035Ti0.15Fe1.84O4掺入适量的Bi2O3和V2O5来降低烧结温度，获得=2.5106.m，D=4.955.0g/cm3，当掺入1.0%wt的Bi2O3，在860保温2h，i为450。FDK公司在Li铁氧体中掺入低熔点锂玻璃也获得较好的性能。在LiCuZn、LiZnTi、LiZnMgTi铁氧体基础上进一步做工作，有可能满足迭层片式电感器粉料要求。3 工艺设备新工艺、新技术、新材料的发展依赖于专用工艺设备和仪器的进步。80年代我国20多家企业引进了软磁铁氧体生产设备，取得了良好的经济效益和社会效益，为专用设备国产化提供了样板。目前国产N2气氛保护隧道窑、钟罩炉、高纯度的N2生产设备等均具有生产能力，为我国发展高性能软磁铁氧体打下很好的基础。众所周知，高i的MnZn铁氧体烧结工艺要求有特定的N2气氛和温度曲线，严格控制烧结和冷却过程中氧分压，使Fe和Mn得到合适的氧化棗还原状态，使产品的晶粒大而均匀、气孔少、内应力小，有利于形成畴壁和畴壁位移。国外一般i低于10000的MnZn铁氧体产品在N2隧道窑中烧结，i大于10000的产品在N2气氛保护钟罩炉中烧结。笔者在FDK公司考察时，看到该公司就用钟罩炉烧结，这种形式烧结炉电子43所已设计生产出来。电子48所也已设计生产出来28m长全自动N2气氛保护推板窑，N2耗量30m3/h，温差5，年产量248吨左右。烧结中、高档MnZn铁氧体产品都需要高纯度N2保护。同行们对制N2设备非常关心，去年10月我们利用开会机会参观了温州瑞气企业空分设备有限公司，该公司1979年创建，生产规模较大，曾获9项国家专利，设备可靠性好。经钝化处理的N2的技术指标：纯度99.9995%，杂质含量：O21ppm，CO25ppm，露点：60。他们根据用户要求，露点和纯度不变，也可以把杂质含量调整为O25ppm，H21 ppm。许多同行认为N2纯度达到99.999%可以满足要求。目前一些大企业，从经济效益考虑，逐步用制N2设备取代瓶装N2。这样更显示出制N2设备的重要性。国内只有不断地开发拥有自己产权的专用工艺设备和检测仪器，来支持和促进软