軟磁鐵氧體材料的發(fā)展及應(yīng)用＊

李栓強(qiáng)

（陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽 712021）

軟磁鐵氧體材料由于具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、低損耗及陶瓷的耐磨性，因而在電視機(jī)的電子束偏轉(zhuǎn)線圈、回掃變壓器、收音機(jī)扼流圈、中周變壓器、電感器、開關(guān)電源、通訊設(shè)備、濾波器、計(jì)算機(jī)、電子鎮(zhèn)流器、抗EMI、新能源、節(jié)能環(huán)保、通信網(wǎng)絡(luò)、光伏產(chǎn)業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用。

1 軟磁鐵氧體發(fā)展過程

一般地，從應(yīng)用角度來分，軟磁鐵氧體材料主要分為功率材料和高磁導(dǎo)率材料2大類。為適應(yīng)世界電子技術(shù)發(fā)展的需要，這2類鐵氧體材料都已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，并且它們各自的分類也越來越細(xì)?，F(xiàn)代功率鐵氧體材料主要分為2大類：一類主要用于高頻開關(guān)電源，即所謂高頻低功耗材料；另一類主要用于高清晰度彩色電視機(jī)和顯示器，即所謂偏轉(zhuǎn)磁芯。

1932 ～1933年，日本的加藤和武井2人研制出銅鋅復(fù)合鐵氧體軟磁材料和鈷鐵氧體永磁材料后，荷蘭菲利普公司以Snoek為首進(jìn)行了各種尖晶石鐵氧體的系統(tǒng)研究，1946年出現(xiàn)了軟磁鐵氧體的商品生產(chǎn)，1950年初立方晶系軟磁鐵氧體材料進(jìn)入商品化。1952年日本岡村敏彥發(fā)明了錳鋅鐵氧體，從而為以后的軟磁鐵氧體材料工業(yè)化打下基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代是軟磁鐵氧體材料發(fā)展歷程中很重要的時間。1960年開始對MnZn鐵氧體的生成氣氛進(jìn)行研究，對控制Fe2＋濃度、Mn離子的變價起著重要的作用，從而為制備高質(zhì)量MnZn鐵氧體鋪平道路。日本TDK公司在國際上最早批量生產(chǎn)各種軟磁鐵氧體磁芯，它既是軟磁鐵氧體磁芯材料的生產(chǎn)者，同時又是各種軟磁鐵氧體磁芯器件的開發(fā)和使用者。因此不論是從材料的開發(fā)上，還是從材料的應(yīng)用上，TDK公司對世界軟磁鐵氧體的發(fā)展都起著重要作用。有關(guān)鐵氧體方面的新材料、新工藝、新技術(shù)，以至新的應(yīng)用領(lǐng)域大都是由TDK公司首先推出的，世界各大鐵氧體生產(chǎn)企業(yè)也都緊跟TDK的發(fā)展步伐。開關(guān)電源變壓器中很早就開始使用軟磁功率鐵氧體材料，隨著開關(guān)電源工作頻率的不斷提高，這種功率鐵氧體材料經(jīng)歷了幾代發(fā)展。最初，為適應(yīng)開關(guān)電源市場的需要，TDK于20世紀(jì)70年代初開發(fā)出第一代功率鐵氧體材料如HC35。由于第一代材料的功耗較大，只能用在中心工作頻率為20kHz左右的開關(guān)電源中。后來TDK于20世紀(jì)80年代初開發(fā)出了第二代功率鐵氧體材料如H7C1（PC30），不僅將中心工作頻率提高到了100kHz左右，大大提高了開關(guān)電源的使用頻率，減小了開關(guān)電源的體積，同時這種材料功耗隨著器件溫度的升高，功耗呈現(xiàn)下降趨勢，在器件溫度達(dá)100℃左右時損耗達(dá)最低，也即目前眾所周知的功耗溫度系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)特性。80年代中后期，為了滿足電子產(chǎn)品小型化、輕量化、薄型化、高效化的發(fā)展要求，第三代功率材料（PC40／6H20／N67／3F3等）將開關(guān)電源頻率提高到100kHz，同時還大大降低了材料的功耗，提高開關(guān)電源的效率。20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，TDK、FDK等公司又相繼開發(fā)成功具有超低損耗的功率鐵氧體材料，并成功地進(jìn)行批量生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代器件小型化、輕量化、薄型化、高效化的發(fā)展趨勢有增無減，開關(guān)電源的工作頻率直指500kHz，為更小體積的發(fā)展提供技術(shù)保證。TDK、FDK、飛利浦、西門子等開發(fā)的第4代功率鐵氧體材料，滿足了開關(guān)電源進(jìn)一步對輕、小、薄的需要，這一發(fā)展方向進(jìn)入新世紀(jì)以來繼續(xù)快速發(fā)展。開關(guān)電源用功率MnZn鐵氧體材料主要有2大發(fā)展趨勢：一是繼續(xù)向超低功耗方向發(fā)展；二是繼續(xù)向高頻化方向發(fā)展。今后功率鐵氧體材料研究開發(fā)的重點(diǎn)仍然是向小型化、高頻化、低損耗化方向發(fā)展，同時要求材料應(yīng)具有更高的室溫及高溫Bs、更好的直流疊加特性及溫度特性等。

高磁導(dǎo)率鐵氧體材料也經(jīng)歷了類似的發(fā)展歷程，20世紀(jì)60年代德國Siemens公司的研究人員就在實(shí)驗(yàn)室制得初始磁導(dǎo)率μi＝40 000的材料，盡管其TC只有40℃，實(shí)用價值不大，但是至今仍保持著最高的μi記錄。日本TDK公司早在1986年就在生產(chǎn)的 H5C2（μi＞104）的基礎(chǔ)上成功地開發(fā)出了商品化的系列高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料如 H5D（μi＞15 000）和 H5E（μi＞18000）等，但這2種材料的適用頻率范圍分別低于50kHz和10kHz，高頻特性很差，因而大大限制了其應(yīng)用范圍。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在抗電磁干擾噪聲濾波器、電子電路寬帶變壓器、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）、局域網(wǎng)（LAN）、寬域網(wǎng)（WAN）、背景照明等領(lǐng)域中需要大量頻率特性優(yōu)良的高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料。

2 軟磁鐵氧體材料發(fā)展趨勢

由于電子元器件向高穩(wěn)定、高可靠、輕薄短小、寬適應(yīng)性等方向發(fā)展，對各種磁性材料提出了更高的要求，即高性能、高穩(wěn)定和高可靠、寬適應(yīng)性。軟磁鐵氧體發(fā)展有以下幾方面：

1）為滿足開關(guān)電源小型化、輕量化、高性能化要求，功率鐵氧體將向高頻化、低功耗方向發(fā)展。

2）為適應(yīng)多媒體通信、數(shù)字通信和移動通信及光纖通信小型化和寬頻帶，高磁導(dǎo)率材料將向更高磁導(dǎo)率和更高的工作頻率發(fā)展。

3）為滿足寬屏幕、高清晰度電視及高分辨計(jì)算機(jī)顯示器的要求，應(yīng)開發(fā)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低的損耗和嚴(yán)格的形狀尺寸公差的軟磁鐵氧體磁芯。

4）為適應(yīng)高檔小型電感器及減少、抑制、消除電磁污染和干擾的需要，高頻軟磁鐵氧體材料及器件將向高性能、高可靠、片式化、貼裝化、薄膜化方向發(fā)展。

由于開關(guān)電源、射頻通訊、抗電磁干擾、高清晰度電視、新型節(jié)能照明燈具及環(huán)保等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加上家電產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、程控交換機(jī)等工業(yè)發(fā)展長盛不衰，軟磁鐵氧體應(yīng)用范圍及市場需求將保持高速增長。

3 軟磁鐵氧體材料的應(yīng)用

軟磁鐵氧體材料經(jīng)過幾十年發(fā)展，得到廣泛應(yīng)用，特別是在IT、綠色照明、通信、新能源、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域同樣得到廣泛應(yīng)用。

3.1 綠色照明和節(jié)能設(shè)備

節(jié)能環(huán)保是目前全人類面臨的共同課題，前景無限美好。綠色照明節(jié)能設(shè)備正在成為全球數(shù)億個家庭的必用品，這形成了目前和未來軟磁材料最龐大的市場之一。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來LED的應(yīng)用市場結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生較大的變化，LED背光源市場規(guī)模將成為最大應(yīng)用領(lǐng)域，功能性及普通照明的市場規(guī)模也將快速增長。

3.2 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)

光伏發(fā)電是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的一種可再生能源發(fā)電方式。由于它利用潔凈太陽光能，有利于環(huán)境保護(hù)，無可動部件，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器中，軟磁鐵氧體磁心制備的器件得到應(yīng)用。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)

磁性電子元器件，特別是軟磁器件在通訊中有著極其重要的作用。在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，磁性材料必須滿足高頻率、小型化、高磁性能、低損耗和抗電磁干擾的要求。通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展將給軟磁鐵氧體器件發(fā)展提供巨大空間。

3.4 新能源汽車和汽車電子

我國汽車工業(yè)發(fā)展世界矚目，汽車電子的迅猛發(fā)展給軟磁鐵氧體提供了一個廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。新能源汽車自身發(fā)展優(yōu)勢，將會帶動軟磁鐵氧體發(fā)展。

3.5 IT產(chǎn)業(yè)

隨著筆記本電腦里電子元件的時鐘頻率的提高和小型化，應(yīng)用的元件也必須相應(yīng)的高頻化，片式化，使軟磁鐵氧體發(fā)展具有廣闊的發(fā)展前景。

3.6 彩色電視機(jī)

彩電在中國消費(fèi)類電子產(chǎn)品中一直占主導(dǎo)地位，同樣是軟磁鐵氧體材料使用量比較大的一個行業(yè)。自從20世紀(jì)80年代電視機(jī)逐步發(fā)展以來，軟磁鐵氧體得到迅速發(fā)展，隨著平板電視的發(fā)展壯大，將為軟磁鐵氧體材料發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

軟磁鐵氧體材料是應(yīng)用最廣、用量最大的一種磁性材料。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇及快速增長，國際國內(nèi)對軟磁鐵氧體的大生產(chǎn)工藝技術(shù)、相關(guān)設(shè)備、應(yīng)用技術(shù)及其發(fā)展方向的研究不斷深入，各種新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級改造，將給軟磁鐵氧體材料帶來廣闊的應(yīng)用空間。