◎李俊

高磁导率锰锌铁氧体发展和过程控制要点

◎李俊

高磁导率锰锌铁氧体的五大发展方向和材料示例及生产过程中成型、烧结等关键工序为提高电性能水平的控制要点。

在抗电磁干扰技术领域中，高导锰锌铁氧体材料具有高磁导率，较高的饱和磁化强度，优良的中高频阻抗等特点，使电子器件在较少的匝数下就能得到需要的电感和阻抗，缩小了器件体积并减少了线圈损耗，因此在设备器件趋向微型化，高效化的今天得到了广泛的应用。

现今高导锰锌铁氧体的发展方向，主要可归纳为五大块：

低频率下高磁导率材料，代表材料为东磁R15K，安磁JPH-15，主要在200KHz以下的低频段有较高的磁导率和感值，常制作成电感器件、EMI滤波器等，此类材料市场较为多见。

优频率特性高阻抗高导材料，代表材料为东磁R10Kz，天通TSR10.主要在200KHz以上频率磁导率下降较慢，材料体现有较高的更高的截止频率和阻抗，常制作成电抗器件、EMI滤波器、脉冲变压器等。

高磁导率高居里温度材料，代表材料为东磁R10KC，R7KC.此材料在Tc上进行改进，Tc指标都高于150℃，可以有效地降低在高温环境下电性能因温度超过居里点而消失的风险，主要使用在汽车、军工类产品中。

低THD高磁导率材料，代表材料为越峰A101，天通TH10。材料着重点在于磁滞损耗系数ηB要相对较低，为减小ηB就要求铁氧体材料晶粒细小、均匀，一般此种材料应用于数字、光纤网络通信通信中的宽带变压器和网络变压器等通讯类电子器件。

宽温度系数，此类材料在-20℃～80℃之间磁导率随温度的波动较小。代表材料为TDk的DNW45，JFE推出的SK-202G。广泛适用于航天、军工等国防武器装备系统及民用户外仪器仪表等使用环境变化较大的设备设施。

铁氧体磁性材料的制程中，高导粉料因烧结温度较高，材质二峰值要求规格严，对材料杂质和成分含量异常敏感，部分杂质即使百ppm级别的引入也会使性能相去甚远，故要求原材料有相对严格的管控指标。一般工业大生产要求Fe2O3纯度wt%≥95.5%、ZnO纯度wt%≥99%、Mn3O4纯度wt%≥99%。

成型工序中，影响高导产品合格率的重要因素有是模具设计和成型密度。根据材料磁导率ui与磁芯电感系数AL的有关的公式：

可推：即同种材料下，产品的烧结后的电感系数AL值与局部磁路截面积Ai成正比，与磁路长度成反比。因此，在模具设计阶段，通过调整产品局部区域的尺寸收缩比和填料深度，有针对性的设计局部尺寸密度，在终端客户要求范围内尽可能提高产品的截面积及减少产品尺寸长度，可以在现有的材料水平上有效地提升感值和合格率。

磁芯烧结是决定产品性能和合格率的一个关键工序，每种材料因本身的主成分和杂质掺杂等结构因素不同，需要单独地设计烧结曲线及摆坯工艺来进行管控。

对于MnZn铁氧体烧结曲线设计上，大致可分为四大区域调整，1、第一区域段为室温升温到600℃之间，此段主要生坯水分及粘合剂的排放，升温速率常控制在1℃/min以下来缓解粉料中的有机物质分解挥发而不导致磁芯出现裂纹。2、第二阶段在800℃至保温段，此区域主要为磁芯内部晶粒的生长过程，适当地提高升温速率，可以促进铁氧体固像反应速度，促进晶粒增长。但升温速率不宜高于3.5℃min，过高的升温速率会使晶粒生长速率不受控制，在材料内部出现二次增长形成巨晶，导致晶粒不均影响磁畴位移使磁导率下降。现有烧结工艺中也常在此温度区域用充氮致密化升温，对比于常规空气烧结可提高烧结品的密度，减少材料中气孔的数量，继而提升材料磁导率。3、第三段区域为保温段，提高烧结温度和增加保温时间是有效提升材料磁导率的措施。适当地提高保温温度，可以促进铁氧体固像反应，提升晶粒尺寸，降低内部气孔率和增加材料密度。与此同时合理的保温时间是材料内部固像反应完全的保证，是均匀内部晶粒尺寸的有效手段。一般来说，叠烧式高导产品保温时间需达到5～8h左右，以改善每板内部产品密度和性能一致性。而对于保温段的烧结气氛，现有企业高导产品常使用空气烧结，在某些国外企业甚至采用氧气烧结。目的是减少主配方中非磁性ZnO的挥发对电性能的影响，并能适当地改善磁导率的频普特性。4、第四为冷却降温段，此段的氧含量一般根据平衡气氛法进行调整，1000℃前过氧气氛降温可以改善产品的频率特性，同时二峰值向高温移动；反之，低氧气氛降温能促进Fe3+向Fe2+转变，粉料二峰向低温移动，虽然频率特性会变差，但在多匝数的电子器件并使用在低频的情况下可有效提高器件电感。因此，可根据客户不同的要求可在此区域适当调整匹配。

在烧结工序对性能影响较大的还有毛坯的装烧方式。由于耐火材料中的Si元素扩散渗透及耐火材料主成分Al2O3与磁性中的ZnO反应生成ZnAl2O4使材料成分偏析，生产中常使用同材质垫片或使用氧化锆板来隔离耐火材料对产品的影响。经试验对比，同材质垫片的效果最佳，基本能使接触的毛坯电性能损失10%以内，且产品的整体性能一致性较好，接触面不易结晶。

烧结完成后产品特性基本定型，后面的磨削与检分工序主要需注意要减少碰撞、挤压、震动等外力对产品电性能造成的不可逆的影响。同时针对需要磨削的配合型产品，使用高目数砂轮、低磨削速率进行精磨、使用专用磨削液等手段能有效的提升最终产品的电感水平。

为顺应电子科技发展趋势，高导锰锌铁氧体将朝着高磁导率、高饱和磁化强度、宽温宽频普、低损耗的趋势发展。对于国内企业来说，产品档次主要是中低档，与国际磁性材料顶尖水平还有相当大的差距。为提高自身的核心竞争力，则要求企业突破创新，加大技术投入，与部分高校建立产学研合作，从配方、生产工艺上探讨新思路，才能真正在市场竞争中占据优势。

（作者单位：广东乳源东阳光磁性材料有限公司）