寬頻高阻抗錳鋅鐵氧體材料工藝技術(shù)的探討

徐仲達(dá)

（浙江春暉復(fù)合材料有限公司，浙江 紹興 312300）

寬頻高阻抗錳鋅鐵氧體材料工藝技術(shù)的探討

徐仲達(dá)

（浙江春暉復(fù)合材料有限公司，浙江 紹興 312300）

寬頻高阻抗錳鋅鐵氧體材料作為用于抗電磁干擾MEI領(lǐng)域中主要材料，既要有優(yōu)良的頻率特性，又要有高阻抗特性，并對(duì)其電感和阻抗的范圍要求非常嚴(yán)格。作者從影響材料頻率特性、阻抗特性的因素及機(jī)理分析入手通過調(diào)整其生產(chǎn)工藝技術(shù)的控制，使產(chǎn)品頻率特性、阻抗特性的性能要求完全滿足質(zhì)量指標(biāo)要求，解決了寬頻高阻抗錳鋅鐵氧體材料大規(guī)模生產(chǎn)中普遍存在的產(chǎn)品一致性差、性能不穩(wěn)定、合格率低的難題，使產(chǎn)品質(zhì)量、性能達(dá)到國(guó)內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)的領(lǐng)先水平。本文的探討總結(jié)希望能夠?yàn)槲覈?guó)規(guī)?；a(chǎn)寬頻、高阻抗抗電磁干擾錳鋅鐵氧體材料提供有益的幫助。

寬頻高阻抗；錳鋅鐵氧體；機(jī)理；因素；工藝控制

0 引 言

隨著電氣電子技術(shù)的日益發(fā)展，家用電器的普及和電子化，廣播電視、電信通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá)，電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡化，使得電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)問題受到各國(guó)政府和生產(chǎn)企業(yè)的廣泛關(guān)注。寬頻、高阻抗錳鋅鐵氧體材料作為抗電磁干擾的主要材料，其用量近年來迅速增加。作為抗電磁干擾材料不僅要有良好的頻率特性，即高的初始磁導(dǎo)率(μi)、并在一定頻率范圍內(nèi)保持磁導(dǎo)率不變(寬頻要求)和相應(yīng)的阻抗特性要求。目前，寬頻、高阻抗錳鋅鐵氧體材料國(guó)際國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)較為領(lǐng)先的是TDK的HS52(μi為5500 25%)、HS72(μi為7500 25%)、HS10(μi為 10000 25%)和東磁的R10kHz、天通的TSR10[1]等牌號(hào)材料。HS52、HS72材料要求磁導(dǎo)率到500 kHz頻率時(shí)保持不掉和相應(yīng)的阻抗特性要求；HS10和東磁的R10kHz、天通的TSR10材料要求磁導(dǎo)率到200 kHz頻率時(shí)保持不掉和相應(yīng)的阻抗特性要求。因?qū)掝l、高阻抗錳鋅鐵氧體材料同時(shí)要求頻譜和阻抗的要求使得在實(shí)際生產(chǎn)中工藝控制難度大大增加，造成在實(shí)際批量生產(chǎn)中常出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量易波動(dòng)，性能不夠穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率低等問題，嚴(yán)重影響著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。我們通過對(duì)寬頻、高阻抗材料的電磁特性的影響因素及機(jī)理的分析，從工藝技術(shù)上有利于獲得良好的頻率、阻抗特性等來進(jìn)行改善和改進(jìn)，從而生產(chǎn)出完全可以替代進(jìn)口的寬頻高阻抗錳鋅鐵氧體材料。目前，大批量生產(chǎn)的RH5K、RH7K材料磁導(dǎo)率到500kHz頻率時(shí)保持不掉，RH10K材料磁導(dǎo)率到300kHz頻率時(shí)保持不掉，對(duì)應(yīng)的阻抗特性優(yōu)良，并且一次燒成性能合格率已達(dá)98%以上，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 寬頻高阻抗錳鋅軟磁鐵氧體材料電磁特性影響因素及機(jī)理分析

寬頻高阻抗錳鋅軟磁鐵氧體材料主要有二大電磁特性要求：優(yōu)良的頻率特性和優(yōu)良的阻抗特性。我們知道，軟磁鐵氧體材料隨著頻率的增加會(huì)引起頻散與吸收,頻率升到一定值時(shí)材料的磁導(dǎo)率會(huì)急劇的下降。每種材質(zhì)都存在著截止頻率(fr)的問題，要在高頻段使用，就必須提高截止頻率(fr)[2]。頻散與吸收主要是由于尺寸共振、磁力共振、疇壁共振和自然共振等多種共振效應(yīng)和渦流效應(yīng)等因素引起的。要改善材料的頻率特性，增大使用頻率的范圍(寬頻)，就要減少產(chǎn)品隨頻率增加的頻散與吸收，盡可能提高多種共振的頻率、減少渦流損耗效應(yīng)。減小晶粒的粒度、增加晶體結(jié)構(gòu)的均勻性、增加材料的電阻率(ρ)能有效提高多種共振頻率、減少渦流損耗效應(yīng)。這就要求我們?cè)谏a(chǎn)工藝上應(yīng)從減少材料的各種缺陷(如空隙、雜質(zhì)及內(nèi)應(yīng)力等)，控制材料密度，減小晶粒粒度、增加晶體結(jié)構(gòu)的均勻性和提高材料的電阻率(ρ)等等方面進(jìn)行考慮，來提高多種共振的頻率和減少渦流損耗效應(yīng)，從而來獲得其比較好的頻率特性和較高的阻抗等特性要求。

改善材料的頻率特性就是要提高其截止頻率(fr)。根據(jù)斯諾克公式，對(duì)立方晶系軟磁鐵氧體材料來說，fr與μi減1的乘積基本由材料內(nèi)稟特性(旋磁比γ和磁矩MS)決定的常數(shù)[3]。

由(1)式可知，對(duì)某種軟磁材料μi控制的越高，fr就會(huì)越小。要提高材料的fr，就要適當(dāng)控制μi；適當(dāng)降低μi有利于fr的提高。

眾所周知，材料阻抗是電阻、感抗、容抗的復(fù)數(shù)組合。

(2)式中，R為電阻、XL為感抗(ωL)、XC為容抗(1/ωC)、ω為角頻率(2πf)。由(2)式可知，阻抗隨電感值L及頻率f的增大而增大的。因此，對(duì)某一配方的材料來說(R已基本不變)，某一頻率下要達(dá)到一定阻抗，產(chǎn)品達(dá)到一定的電感值是必須的。

根據(jù)(1)、(2)兩式的分析，寬頻高阻抗材料既要求寬頻；又要求高阻抗其實(shí)是一致的。寬頻要求高頻時(shí)電感值L越高越好。高阻抗要求對(duì)應(yīng)頻率時(shí)電感值L越高，其阻抗也就越高。只是在頻率1 kHz時(shí)的電感值(對(duì)應(yīng)著μi)不能太高，影響fr的提高，最終影響頻率特性的提高。這就要求大生產(chǎn)時(shí)工藝上要兼顧考慮。

材料的電阻率(ρ)提高對(duì)材料減小渦流效應(yīng)，降低比損耗系數(shù)，改善頻率特性和提高阻抗都是有利的。因此，提高材料的電阻率是提高寬頻高阻抗材料性能最有效的辦法。這就要求材料能盡可能提高電阻率。提高材料的電阻率(ρ)要從提高晶粒內(nèi)的電阻率(ρ)和提高晶界層的電阻率(ρ)兩方面考慮。晶粒內(nèi)和晶界層ρ的提高除用配方中摻雜工藝方法來提高本身的ρ外，還可通過后續(xù)燒成工藝的調(diào)整控制Fe2+的含量、減小晶粒細(xì)度、增加晶界數(shù)量和厚度來提高材料的ρ。

2 寬頻、高阻抗錳鋅軟磁鐵氧體主要生產(chǎn)工藝控制

根據(jù)以上的影響因素及機(jī)理分析，生產(chǎn)寬頻高阻抗錳鋅軟磁鐵氧體材料工藝上主要應(yīng)圍繞盡可能提高材料的電阻率(ρ)、提高材料的截止頻率(fr)，從而來獲得寬頻和高阻抗的電磁特性要求。

2.1 提高材料電阻率(ρ)的工藝調(diào)整控制

提高材料的電阻率(ρ)就是要提高晶粒內(nèi)和晶界層的ρ。晶粒內(nèi)ρ的提高主要是減少或抑制Fe2+的出現(xiàn)。因此，可通過調(diào)整配方、燒成工藝來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整配方通過摻雜和缺鐵配方來抑制或減少Fe2+量。摻雜選用Mn2+、Co2+，摻雜量都在0.4mol%左右。燒成工藝上在保證μi的前提下，適當(dāng)降低燒成溫度和保溫時(shí)間。既有利于Fe2+的減少，又有利于減小晶粒的粒度和增加晶界層的厚度，也有利于fr的提高。同時(shí)在燒成氣氛上適當(dāng)增加氧含量，高溫段氧含量可提高到12-14%左右。在拐點(diǎn)(1050 ℃)前，氧含量可提高到0.4%左右。晶界層ρ的提高主要采用了配方摻雜使晶界層形成高電阻層的工藝方法。摻雜選用SiO2與CaO、ZrO2、V2O5等組合，加入量SiO2為0.03mol%左右,其它各為0.2-0.5mol%。通過以上幾方面的工藝調(diào)整控制，材料的電阻率(ρ)得到了大大提高，滿足了產(chǎn)品電磁性能的要求。

2.2 提高材料截止頻率(fr)的工藝調(diào)整控制

除上述提高材料電阻率(ρ)，減少高頻渦流效應(yīng)，提高材料的fr外，還可通過以下的工藝改進(jìn)改善頻率特性，提高材料的fr。首先要控制好μi，原則上同一配方的批次材料μi控制的較低有利于fr的提高。因此，要根據(jù)材料批次調(diào)整好燒成的最高溫度和高溫保溫時(shí)間。如μi較高、頻率特性較差時(shí)，可適當(dāng)降低最高燒結(jié)溫度和減少高溫保溫時(shí)間，以改善頻率特性。如μi較低、而頻率特性還有余地時(shí)，可適當(dāng)提高最高燒結(jié)溫度和增加高溫保溫時(shí)間，以確保產(chǎn)品有較高的電感系數(shù)(AL：nH/N2)，以獲得較高的阻抗值。其次要控制好產(chǎn)品晶粒的粒度及均勻性，原則上產(chǎn)品晶粒細(xì)小、均勻性好、缺陷少、晶界清晰等有利于減少多種共振效應(yīng)，有利于頻率特性的改善。因此，第一，在配方中摻雜能細(xì)化晶粒的氧化物PbO或BaO，用量控制0.02mol%左右；第二，要控制好成型毛坯密度(2.95-2.98 g/ cm3)及各部位的均勻性；第三，要控制好燒成溫度、氣氛的均勻性及冷卻速率。特別要注意裝燒排坯方式，必須墊燒和留有一定空隙，保證四周受熱及氣氛的均勻，從而保證產(chǎn)品晶粒結(jié)構(gòu)的均勻。高溫(1370 ℃左右)至1200 ℃應(yīng)快速冷卻以保證晶體的粒度細(xì)小均勻及晶界清晰。通過以上的工藝改進(jìn)fr能得到較大的提高。

通過以上的多方面生產(chǎn)工藝的調(diào)整和改善，保證了產(chǎn)品能獲得優(yōu)良的頻率和阻抗特性。

3 結(jié) 語

隨著國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的迅速發(fā)展，寬頻、高阻抗錳鋅軟磁鐵氧材料作為EMC的主要材料，近幾年發(fā)展更為迅猛，前景更加看好。寬頻、高阻抗錳鋅軟磁鐵氧材料的基礎(chǔ)理論雖已相當(dāng)成熟。但在規(guī)模化生產(chǎn)中，特別是氮?dú)獗Ｗo(hù)推板窯的連續(xù)生產(chǎn)中還是有許多工藝技術(shù)問題需要克服解決，許多工藝技術(shù)上的難題應(yīng)從其機(jī)理上去尋找突破。本文所提出的一些工藝技術(shù)的控制和改進(jìn)是自身在生產(chǎn)實(shí)踐中的一點(diǎn)膚淺認(rèn)識(shí)。希望通過本文起到拋磚引玉的作用，共同為我國(guó)錳鋅軟磁鐵氧體企業(yè)在這一領(lǐng)域中能夠全面實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口產(chǎn)品的生產(chǎn)，為軟磁鐵氧體行業(yè)的升級(jí)換代做出應(yīng)作的貢獻(xiàn)。

[1] 李俊. 高磁導(dǎo)率錳鋅鐵氧體發(fā)展和過程控制要點(diǎn)[J]. 環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào), 2016.8.11.

[2] 華南工學(xué)院等. 陶瓷材料物理性能[M]. 高等學(xué)校試用教材, 1985.

[3] 南京電子工業(yè)職工大學(xué). 磁性材料[M]. 職工高等學(xué)校教材, 1986 .

Broadband High Impedance MnZn Ferrite Material and Technology

XU Zhongda
(Zhejiang Chunhui Composite Material Co., Ltd., Shaoxing 312300, Zhejiang, China)

Broadband high impedance MnZn ferrite material is the main material used in the field of anti-electromagnetic interference (MEI). It has good frequency characteristic and high impedance characteristic. And its inductance and impedance range requirements are very strict. Based on the analysis of the factors influencing the frequency characteristics and impedance characteristics of the material, the production technology is adjusted to meet the requirements of frequency and impedance characteristics to solve the poor consistency, performance, instability, and low pass rate of the products commonly occurring in mass production, so that the product quality and performance can reach the leading level of large scale production in China. It is hoped that this study will provide useful help for the large-scale production of Mn-Zn ferrite materials with wide bandwidth and high resistance to electromagnetic interference.

broadband high impedance; MnZn ferrite; mechanism; factors; process control

TQ174.75

A

1006-2874(2016)05-0028-03

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.05.006

2016-05-20。

2016-05-25。

徐仲達(dá)，男，高級(jí)工程師。

Received date:2016-05-20. Revised date: 2016-05-25.

Correspondent author:XU Zhongda, male, Senior Engineer.

E-mail:ada_66@126.com