高頻低功耗功率鐵氧體TP4(PC40)材料的研制與生產(chǎn)

磁性材料及器件JURNLOFAGNICMTERILSANDIEVCS1999年第1期No.11999高頻低功耗功率鐵氧體TP4材料的研制與生產(chǎn)*陸明岳摘要簡要介紹了高頻低功耗功率鐵氧體TP4材料的研制和生產(chǎn)過程，對TP4材料制成的鐵氧體磁芯有關(guān)電磁性能及顯微結(jié)構(gòu)作了詳細研究。關(guān)鍵詞TP4材料及磁芯高頻低功耗電磁性能顯微結(jié)構(gòu)TheResearchandManufactureofHighFrequencyLowPowerLossTP4MnZnFerriteMaterialsandCoresLuMingyueHainingTiantongElectronicsCoLT，DHaining314412ABSTRACTThedevelopmentandmanufactureofhighfrequencylowpowerlossTP4MnZnferritematerialandcoreswereintroducedandtheelectromagneticpropertiesandmicrostructurewereinvestigatedinthispaper．KEYWORDSTP4ferritematerialandcores，highfrequencylowpowerloss，electromagneticproperties，microstructurer 、A—前言微型電腦、高頻開關(guān)電源等高科技產(chǎn)品的飛速發(fā)展，對鐵氧體磁芯提出了越來越高的要求，整機的體積越來越趨于小型化并且越來越多地采用表面組裝技術(shù)，迫切需要大量高頻低功耗功率鐵氧體磁芯。日本TDK公司最早開發(fā)了使用頻率可達300kHz（中心頻率為100kHz）的高頻功率鐵氧體PC40材料（當(dāng)時牌號為H7C4），但由于當(dāng)時磁芯工作頻率普遍低于50kHz,只需采用PC30或相當(dāng)于PC30材料（TDK當(dāng)時材料牌號為H7C1）即可。但到了八十年代末和九十年代初，隨著整機體積趨于小型化以及表面組裝技術(shù)的高速發(fā)展，要求鐵氧體磁芯工作頻率越來越高［1］。到了九十年代初期，各國鐵氧體公司紛紛加緊開發(fā)并推出自己的PC40或相當(dāng)于PC40的鐵氧體材料。例如，日本TDK公司的PC40、FDK公司的6H20、TOKIN公司的B25、Nicera公司的NC-2H、日本西海工業(yè)株式會社的SK-104、日本川崎公司的MB3、德國Siemens公司的N87、荷蘭Philips公司的3C90、法國Thomson公司的Fl、韓國Samwha公司的PL-7、韓國Boam公司的J2B以及美國Magnetics公司的R等材料。綜觀各個公司材料技術(shù)指標(biāo)，其功耗水平在100kHzX200mT,100°C條件下為385?450mW/cm3，此性能要大大優(yōu)于PC30材料。世界軟磁鐵氧體磁芯市場在穩(wěn)步增長。美國國際磁性材料咨詢公司高級顧問Hart以及奧地利專家Ruthner⑵對全球軟磁行業(yè)的評估認為，世界軟磁鐵氧體需求量的平均增長速度在今后的幾年中將繼續(xù)保持10％?15％的水平。這樣，到2000年，世界軟磁鐵氧體的總需求量將達到30萬噸左右。其中高頻低功耗功率鐵氧體所占的比例將越來越高。天通公司自1996年底開始研制PC40材料（牌號為TP4），經(jīng)半年多的努力取得了成功，并于1997年下半年順利轉(zhuǎn)入工業(yè)化大生產(chǎn)。工藝與實驗方法TP4鐵氧體材料研制與生產(chǎn)所選擇的主要原材料為FeO、MnO及23 34ZnO，主要微量元素為CaCO或CaCO與SiO的組合。采用普通陶瓷鐵氧3 3 2體生產(chǎn)工藝，原材料按配方MnZnFeO準(zhǔn)確稱量后，經(jīng)混合、0.6」0.242 2.1364+6預(yù)燒、噴霧造粒后，壓成EE33,031環(huán)及其它形狀尺寸的磁芯，在N氣保護推板窯上燒結(jié)。產(chǎn)品經(jīng)磨加工后，與試環(huán)一道在美國V-A-W258功耗儀上測量產(chǎn)品功耗?頻率，及功耗?溫度特性。為保證測試的準(zhǔn)確性與可靠性,將日本Saikai公司提供的由PC40制成的031環(huán)及日本TDK公司由PC40材料制成的EE33磁芯一同對比測試，材料的磁譜特性由HP4284儀表測量。制造工藝對TP4鐵氧體電磁性能的影響成分偏移對電磁性能的影響要生產(chǎn)出性能一致的鐵氧體磁芯，保持鐵氧體粉料成分（配方）的一致性非常重要。而通常，生產(chǎn)工藝對鐵氧體成分有較大的影響。例如，混料設(shè)備上的原材料不能清理干凈，輸送管道沾有不少粉料，往往導(dǎo)致原始配方偏移；此外，球磨或砂磨對成分偏移也有較大的影響，球磨或砂磨過程中，鋼球不斷掉下的Fe、Cr、Mn、Si等雜質(zhì)也摻入鐵氧體粉料之中，對此作者曾作過詳細研究［3］，在此不作介紹。圖1a、b系原始投料配方相同，但采用不同的粉料制備工藝（A工藝,B工藝）而制得的鐵氧體粉料的EDAX成分譜線。其中圖1a成分為：MnZnFeO，圖1b成分為：MnZnFeO。而原始0.68760.23742.154+6 0.68860.24182.13924+6投料成分為：MnZnFeO。0.69 0.242 2.1364+6

a）A工藝（b）B工藝

圖1粉料的EDAX成分譜線在同樣的燒結(jié)工藝下，鐵氧體磁芯功耗水平對成分具有極大的依賴性。圖2是鐵氧體磁芯（試環(huán)）功耗隨Feo含量的變化，其中鐵氧體粉料制備工藝完全相同，粉料被壓制成031mmX2OmmX7mm的圓環(huán)，在N2氣推板窯中燒結(jié)，性能測試條件為：f=100kHz,B=200mT,t=100°C。m因此保持鐵氧體成分的一致性是非常重要的。圖2鐵氧體功耗對成分的依賴性成型密度對電磁性能的影響通常對于成型密度對電磁性能的影響研究較少，然而由圖3可以明顯看出，鐵氧體磁芯功耗對毛坯密度亦有較大的依賴性。圖中結(jié)果是通過對各個不同的燒結(jié)試環(huán)(成型時毛坯密度不同)性能測試而獲得的，測試條件是：f=100kHz,B=200mT,t=100°C。m由圖3可以看出，似乎最佳成型密度在2.9?3.0g/cm3，而當(dāng)成型密度為3.1g/cm3時功耗反而上升，估計成型壓力過大內(nèi)部反而容易出現(xiàn)裂紋或起層等現(xiàn)象。圖3成型密度對鐵氧體磁芯功耗的影響如何在較低的壓力下獲得較高的成型密度，這就要求鐵氧體粉料必須具有較好的壓縮特性，有關(guān)這方面的研究很多［4?7］。另外噴霧干燥造粒工藝過程的控制也是十分重要的［8］。平衡燒結(jié)氧分壓對電磁性能的影響鐵氧體磁芯要獲得良好的電磁性能必須在平衡氣氛中燒結(jié)，早在1961年，Blank就給出了各種鐵氧體燒結(jié)的通用平衡氣氛圖［9］。從理論和實驗上揭示平衡燒結(jié)氧含量與鐵氧體配方以及所要求的鐵氧體中Fe2＋的含量之間直接的依賴關(guān)系。圖4為鐵氧體031mm試環(huán)在真空爐中以不同的平衡氧分壓燒結(jié)時磁芯功耗情況，燒結(jié)溫度為1330C，測試條件為f=100kHz、B=200mT，t=100C。在各個不同的氧分壓燒結(jié)條件下，磁芯功耗的離散性略有不同。磁芯最佳平衡燒結(jié)氧含量為p°2=8%?16%。圖4平衡燒結(jié)氧分壓p對磁芯功耗的影響o2TP4材料及磁芯電磁性能與顯微結(jié)構(gòu)眾所周知，鐵氧體磁芯損耗主要由三部分組成［10］，即P—P+P+P—f.fHdB+cB2f2/p+P (1)Vherr式中P為磁滯損耗,P為渦流損耗,P為剩余損耗。當(dāng)工作頻率f>600kHzher時，損耗近似以下式表示［11］：P—CBsf+CB2fzD2/p+P (2)Vher式中C,C分別為磁滯損耗系數(shù)與渦流損耗系數(shù)。he降低磁芯損耗必須嚴格控制其顯微結(jié)構(gòu)，一個更為有效的途徑就是添加適量的雜質(zhì)，如CaCO-SiO,此法于30多年前就被Akashi發(fā)現(xiàn)問,32迄今仍然是世界各鐵氧體公司普遍采用的獲得低功耗功率鐵氧體的主要方法。圖5為TP4鐵氧體材料磁譜特性，不難看出TP4鐵氧體材料截止頻率為f—2MHz，圖中實線與虛線分別反映的是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部p'與r虛部p＂隨頻率的變化。鐵氧體材料的增量磁導(dǎo)率隨外加磁場的變化即磁導(dǎo)率的直流迭加特性如圖6所示，當(dāng)外加直流磁場強度超過30A/m時，磁導(dǎo)率p.將隨外加直流磁場的增加而迅速下降。圖7為TP4材料(031試環(huán))在100°C時，不同頻率下功耗隨磁通密度峰值的變化情況。在不同頻率與磁通密度峰值條件下功耗隨溫度的變化情況如圖8所示，材料的最低功耗點在95?100C之間。圖6TP4鐵氧體材料的增量磁導(dǎo)率隨外加磁場的變化圖7在不同頻率與磁通密度條件下，TP4材料的功耗特性呑一艸呑一艸mmm圖8TP4材料的功耗隨溫度的變化圖9為TP4鐵氧體材料的顯微結(jié)構(gòu)。鐵氧體材料電磁性能及機械特性屬于結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，良好的顯微結(jié)構(gòu)對獲得高性能的鐵氧體材料是至關(guān)重要的。對于高頻功率鐵氧體，要求顯微結(jié)構(gòu)細而均勻，以便盡量降低材料的渦流損耗。為了獲得較低的磁滯損耗，要求晶粒內(nèi)部含有較少的雜質(zhì)，并且氣孔出現(xiàn)在晶界處而不是晶粒內(nèi)部。TP4材料的平均粒徑為10“m。

圖9TP4鐵氧體材料的顯微結(jié)構(gòu)表1為天通公司031環(huán)與西海工業(yè)株式會社提供的PC40(SK-104)樣環(huán)性能實測對比；表2為天通公司用TP4材料和TDK公司用PC40材料制成的EE33/28磁芯性能實測對比。TDK公司產(chǎn)品目錄中EE33/28(PC40)磁芯功耗指標(biāo)在f=100kHz,B=200mT,t=100°C條件下總功m耗V3.6W,換算成體積比功耗為V460mW/cm3。表1天通公司031樣環(huán)與西海工業(yè)株式會社提供的PC40(SK-104)樣環(huán)性能實測對比樣 品M1(25C)B/mTs(25C)P/mW.cm-3(f=100kHz, B=200mT)c m25C60C80C90C100C110C120C天通公司(TP4)樣環(huán)1#24485155994804023903844204772#24194986235184284224254314783#2358509602475420386383403430西海工業(yè)株式會社(PC40)樣環(huán)1#22685016404904254053953954102#23785106655054454304354504953#2250495645515465450455470500表2天通公司以TP4材料和TDK公司以PC40材料制成EE33/28磁芯

性能實測對比樣 品電感因數(shù)AL/nH.N-2B/mTs(25C)P/mW.cm-3(f=100kHz, B=200mT)c m25C60C80C90C100C110C120C天通公司(TP4)EE33磁-H-芯1#39404906834804544144144404762#39604856844824624174184424673#3890497689499477430410412437日本TDK(PC40)EE33磁-H-芯1#38404877055425114504364424602#38004907025304944544414464633#3870492710535498460448452470必須說明的是，上述材料及磁芯的有關(guān)性能數(shù)據(jù)是1997年12月27

日由浙江省科委和省電子工業(yè)局聯(lián)合主持召開的省級新產(chǎn)品生產(chǎn)定型鑒

定會現(xiàn)場抽樣與國外樣品對比測試結(jié)果。鑒定委員會對該項目給予了很

高的評價，認為TP4材料及磁芯達到國際同類產(chǎn)品先進水平，天通公司

成為國內(nèi)首家通過PC40生產(chǎn)定型的企業(yè)。“高頻低功耗功率鐵氧體TP4

材料及磁芯研制”項目于1998年獲得了浙江省人民政府頒發(fā)的科技進

步一等獎。作者簡介：陸明岳男，30歲。1990年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系磁學(xué)專業(yè)。現(xiàn)為海寧市天通電子有限公司研究所所長，主要從事軟磁鐵氧體材料及生產(chǎn)工藝的研究工作。迄今共發(fā)表論文25篇。作者單位：海寧市天通電子有限公司浙江海寧314412參考文獻WanodersJW．IEEEDiscussionMeeting．London，1991：22RuthnerMJ.ICF-7.1996：53?56陸明岳．磁性材料及器件，1997（3）MorellAetal.ICF-5.India，1989.RambaldiniPetal.ICF-5.India，1989.陸明岳.第九屆全國磁學(xué)與磁性材料會議論文集.洛陽，1996：101?102陸明岳.第九屆全國磁學(xué)與磁性材料會議論文集.洛陽，1996：541?544陸明岳.Procee