高磁导率锰锌铁氧体材料的发展.doc

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1、高磁导率锰锌铁氧体材料的发展软磁铁氧体材料是国民经济中一种非常重要的基础功能材料，广泛应用于各类电子产品中，例如：通信设备，家用电器，计算机，汽车等。近年来，电子产品向轻、薄、短、小方向的发展，对软磁铁氧体材料的性能提出了更高的要求，其中高磁导率锰锌材料是随着市场发展变化最快，市场前景最好的材料之一。高磁导率锰锌铁氧体材料主要用于电子电路宽带变压器，综合业务数字网（ISDN）、局域网（LAN）、宽域网（WAN）、背景照明等领域的脉冲变压器，抗电磁波滤波器等领域。这些领域的磁心基本上是在弱场下工作，这时材料的高磁导率就会显示出独特的优越性。 首先，材料的磁导率较高时，较少的线圈匝数就可以获得需求

2、的电感量，进而有效地降低线圈的直流电阻及由其引起的损耗；其次，使用磁导率高的材料能明显减小变压器的体积，有利于器件和系统的小型化、轻量化。这些特点顺应了电子产品的发展趋势，目前其产量已占全部软磁铁氧体总产量的25%以上。随着通信、计算机、网络等电子信息产业的高速发展，其市场需求以年均20%以上的速度高速增长。因此，国内外相关企业对高磁导率MnZn铁氧体的研究都非常重视，研究成果不断涌现。材料研究进展早期高导材料的发展只是片面追求高磁导率和一定的居里温度。然而，这种材料在实际中的应用十分有限，应用市场大量的需求要求材料不仅要具有高的初始磁导率，同时必须具有良好的温度特性、频率特性、低的损耗、高的

3、阻抗和良好的叠加性能等。这就要求在提高磁导率的同时，兼顾其他性能参数，使材料性能达到一个很好的平衡。 高磁导率领域的研究已经从简单的追求高磁导率方面转移到提高综合性能上来，这是当前高磁导率铁氧体的发展趋势，其市场需求具有以下一些显著特征： 1普遍的宽温要求目前，市场需求对许多材料性能都提出了宽温的要求。1）磁导率具有宽温特性。现代通信设备的户外设施，如中继器、增音机、微波接力站、海底电缆、光缆水下设备等，不仅要求耐高温，还要承受严寒，要求通信设备都能可靠稳定地工作。因而很多客户都要求材料在-40+80C，甚至到125C的宽温范围，电感都能满足要求，这就要求材料从低温到高温都具有很高的磁导率。T

4、DK公司的H5C4，是这类材料的典型代表。2）具有高居里点。这种材料主要应用在汽车电子中，由于汽车内的特殊条件，要求工作温度在-50+150，一般高磁导率材料的居里温度很难达到这么高，西门子公司为填补这块空白，专门开发了T39等材料，居里温度大于160。3）阻抗具有宽温特性。对用于抗电磁干扰的器件共模扼流圈来说最重要的一个元件指标是阻抗，一些客户要求材料在很宽的温度范围内阻抗都能够满足要求。上面提到的T39就是这方面的材料之一。4）低谐波失真（THD）具有宽温特性。随着网络技术的快速发展，xDSL调制解调变压器得到了广泛的应用。这类材料的磁心要求具有低的THD。现在许多下游企业对磁心THD的要

5、求，不再仅仅局限在常温，往往要求材料在-20，甚至更宽的温度范围内的都能满足要求。5）高直流叠加具有宽温特性。TDK公司开发出的在-40+85的温度区间具有良好叠加特性的DNW45材料就是为了应对这方面的市场需求。 2低谐波失真（THD）要求近年来，通信技术快速发展，xDSL（包含非对称数字用户线ADSL和对称数字用户线SDSL）技术得到广泛引用。对用来实现隔离、阻抗匹配和高低通滤波功能的高磁导率铁氧体磁心的需求量越来越大，同时对铁氧体磁心提出了更高的要求。为了在信号传输过程中减小波形失真，减少传输错误，延长传输距离，要求变压器具有低的总谐波失真。总谐波失真与磁心材料的性能、磁心的几何形状和变

6、压器的设计直接相关。其中与磁心材料性能相关的指标是比磁滞损耗系数B，它表征铁氧体材料在一定磁通密度变化情况下的损耗特性。国内外厂家都十分重视这一市场，并积极应对，开发出了各自相应的低THD材料。典型牌号有EPCOS公司的新T38，磁导率为1000030%，B3直流叠加要求随着局域网（LAN）大规模发展，100Mbps的传输速度成为主流，为了达到器件的小型化和薄型化，满足直流偏置情况下电感的要求，需要大量具有良好叠加性能的铁氧体磁心。在这方面TDK公司先开发出了DN45材料，i=450025%，其使用温度在070之间，与传统的HP5材料（500025%）相比，其直流叠加特性提高30%以上。随后，

7、随着宽温要求的提出，该公司又开发出了能工作在-4085的DNW45新材料，其i=420025%，与DN45相比，其直流叠加特性又提高23%。Steward公司也开发出了类似的46材料。 4高阻抗要求电子技术的迅猛发展，使得电磁污染问题日益突出。为了限制电磁干扰的危害，许多国家都对电子产品制定了电磁兼容标准，要求电子设备本身抗电磁干扰要达到一定的标准，同时对周边的电磁干扰必须限制在一定程度。这就需要大量的抗电磁干扰磁心，其最重要的元件指标就是阻抗。德国EPCOS公司的新T38以及日本TDK公司HS52、 HS72、HS10等材料主要针对的就是这一部分市场。 此外，越来越多的客户还要求材料具有高的

8、稳定性，主要包括：1）应力稳定性，要求材料在由于绕线，封装，压簧等使用过程产生应力后电感的跌落要小；2）时间的稳定性，要求材料减落系数要小；3）温度稳定性，要求温度系数、抗热冲击能力等满足要求；4）磁场稳定性，包括弱磁场下品质因数Q值和比磁滞损耗系数B的稳定性等。表1列出了当前世界各大公司生产的高磁导率锰锌材料的典型类别和一些具有代表性的牌号，其中：类型1）仅要求材料具有高磁导率和一定的居里温度。典型的代表是日本TDK公司的H5C5，其初始磁导率为3000030%，为当前国际行业中最高水平。此外还有德国EPCOS公司的T56，其初始磁导率为2000030%；荷兰Ferroxcube公司的3E8

9、和3E9, 其初始磁导率分别为1800020%和2000020%。类型2） 要求材料具有宽温高磁导率特性。典型材料为TDK公司的H5C4，其初始磁导率为1200025%，-20时，i39000。此外还有FDK的2H15B, 其初始磁导率为1000020%，在-4085都具有较高的磁导率；类型3） 强调材料具有宽频特性。典型代表为Steward公司的40材料，其10000的磁导率能够保持到250kHz以上；类型4） 强调低谐波失真（THD），典型材料为上文提到的TDK公司的DN40，DN70，台湾越峰的A101，赢赛拉公司的10TB；类型5）强调材料具有良好的叠加性能。典型材料为上文提到的TDK

10、公司的DN45；类型6） 要求材料同时具有高磁导率和高Bs特性。典型材料为TDK公司的DN50,其初始磁导率为520020%，Bs=550mT(25)，380mT(100)；类型7） 强调材料的良好的叠加性能，并且能在很宽的温度实现。典型材料为上文提到的TDK公司的DNW45，Steward公司的46材料；类型8） 强调温度特性和高阻抗特性。典型材料为上文提到的EPCOS公司的T39, 其居里温度大于160，并且在从-40150区间有良好的阻抗特性；类型9） 强调材料同时具有宽频特性和高阻抗特性。典型材料牌号为TDK公司的HS52，HS72，HS10。类型10） 强调材料同时具有宽频特性、高阻

11、抗特性和低谐波失真。 典型代表为EPCOS公司的新T38，其初始磁导率为1000030%，阻抗的峰值在700kHz以上，并且比磁滞损耗系数B随着市场需求的变化，新的材料还将不断产生。产业发展趋势近年来，西方发达国家的磁性材料工业纷纷向中国转移。国外主要的高磁导率锰锌材料相关企业，如日本的TDK、FDK、赢赛拉，欧洲的Ferroxcube、EPCOS等都纷纷在大陆投资，创立独资或者合资公司，建立生产基地，产量逐年大幅度增长。并且这种转移还将继续。这主要是由于我国具有：1）廉价的劳动力；2）丰富的原材料资源；3）巨大的国内市场。并且这些特点在今后很长的一段时间仍将存在。这种转移一方面增强了中国的磁

12、性材料生产总量和产品的档次，壮大了中国磁性材料工业队伍，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售的市场；另一方面使得中国磁性材料市场的竞争更加剧烈。由于这些企业具有技术优势，同时获得了国内廉价的劳动力资源和原材料资源，对国内的企业造成十分大的压力。 为迎接挑战，增强竞争能力，可以从以下几个方面入手。 1进一步壮大经营规模中国磁性材料工业发展速度惊人，现在基本形成了自己的产业体系，同时出现了一批行业龙头企业。高磁导率锰锌铁氧体相关企业天通股份和金瑞高科已经上市，天通和东磁，产量上已经排在世界前列。但是与国外大公司相比，经营规模仍然太小。例如2005财政年度中国最大的磁性材料生产企业年销售额在25

13、.2亿；而厦门TDK公司销售额就达到27.6亿,日本TDK公司年净销售收入约61.48亿美元（496.3亿人民币）。中国磁性材料企业只有进一步壮大规模，强强联合，优势互补，在搞好主营业务的前提下，进行多元化经营，才能进一步增强企业的抗风险能力。同时，规模壮大，企业才更有实力进行高端产品开发投入，提高产品的利润率，增强其竞争优势。行业的龙头日本TDK公司2005财政年度用于研究开发的经费达到了363亿日元（25.5亿人民币），比我国最大的磁性材料生产企业的销售额还要多。 2提升产品开发能力，实施知识产权战略过去，中国磁性材料行业基本上走的是低成本扩张战略，产品档次主要是中低档。如今，国外具有技术

14、优势的企业进入中国，同样获得了廉价的劳动力，我国企业的低成本优势将不再明显，这导致国内磁性材料企业在竞争中处于劣势，许多企业将被淘汰。在这种情况下，中国高磁导率锰锌铁氧体相关企业必须注重技术进步，提升研发能力，使产品性能紧跟国际市场，并发展出自己的独特优势，获得专有的知识产权，使其他企业无法替代，这样才能在市场竞争中立于不败。在这种背景下，中国高磁导率锰锌铁氧体相关企业开始重视技术进步，加大技术投入。大型企业开始自建研究所，注意人才的引进、培养和使用，许多企业聘请了国内、国外专家指导研究开发和参与生产管理，并加强与大学，科研院所的合作，行业技术水平得到了大幅度提高。今后高磁导率锰锌铁氧体相关企

15、业将在技术进步方面进行更大的努力，这样才能在国际竞争中取得优势。 3重视上下游产业的联合上下游产业的联合是企业发展自己的重要方式。与上游原材料企业联合一方面可以稳定原材料供应，保证产品性能的一致性；另一方面可以减小原材料涨价的影响，提高企业的抗市场风险能力。而做好与下游客户的沟通，进行联合开发，根据客户要求，及时做出反馈，开发出适应市场需求的新材料，是企业提高产品利润，占据市场的重要方式。这要求企业有一批高素质的中间人才，既要懂材料、元器件，又要了解下游器件、整机。这样才能进行良好的沟通，提供良好的服务，建立客户对企业的信心，不断扩大自己在同业中的优势。此外，中国高磁导率锰锌铁氧体相关企业还必

16、需提高管理水平和信息化水平并解决行业内部企业自律差、恶性竞争等问题，才能真正在市场竞争中占据优势。铁氧体材料在滤波中的应用电磁干扰抑制铁氧体磁环、磁珠等由于使用方便、价格低廉而倍受设计人员的青睐，它的主要优点如下：1)使用非常方便，直接套在需要滤波的电缆上即可。2)不象其它滤波方式那样需要接地，因此对结构设计、线路板设计没有特殊的要求。3)作为共模扼流圈使用时，不会造成信号失真，这对于传输高频信号的导线而言非常可贵。电磁干扰抑制铁氧体与普通铁氧体的最大区别在于它具有很大的损耗，用这种铁氧体做磁芯制作的电感，其特性更接近电阻。它是一个电阻值随频率增加而增加的电阻，当高频信号通过铁氧体时，电磁能量

17、以热的形式耗散掉。要充分发挥铁氧体的性能，下面一些注意事项十分重要：A)铁氧体磁环（磁珠）的效果与电路阻抗有关：电路的阻抗越低，则铁氧体磁环或磁珠的滤波效果越好。因此，在一般铁氧体材料的产品手册中，并不给出铁氧体材料的插入损耗，而是给出铁氧体材料的阻抗，铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果也越好。B)电流的影响：当穿过铁氧体的导线中流过较大的电流时，滤波器的低频插入损耗会变小，高频插入损耗变化不大。要避免这种情况发生，在电源线上使用时，可以将电源线与电源回流线同时穿过铁氧体。C)铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗

18、越小。D)铁氧体磁环的尺寸确定：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在铁氧体磁环内径包紧导线的前提下，尽量使用体积较大的磁环。E)共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。F)电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。G)铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。H

19、)与电容式滤波连接器一起使用效果更好：由于铁氧体磁环的效果取决于电路的阻抗，电路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的效果更明显。铁氧体磁芯的线圈在频率较低时，仍然是一个电感，对于这种单个电感构成的滤波电路而言，截止频率为：Fco = 1 / (2? RsL)，Rs是源电路阻抗与负载电路阻抗的串联值。小型化片式磁性元件的发展状况随着微电子电路、表面安装技术（SMT）的采用和不断发展完善，轻、薄、小成为衡量电子整机产品的重要标志。而要使电子设备小型化，首先就要考虑电子元件的小型化。 SMC片式元件不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配

20、的高度自动化。小型化片式元件的广泛应用，致使电子产品制造方式发生了深刻变化，制造厂商希望所印制电路板全部采用片式元件。最近20年来，三大元源元件中的电阻器和电容器的片式化技术发展十分迅速，产品种类和规格日趋齐全，已达到大批量应用阶段，而小型化片式磁性元件（包括电感器、磁珠、滤波器、微波铁氧体器件等），由于工艺难度较大，故发展相对缓慢。为适应现代通信、计算机、视听设备、电子办公设备、汽车电子系统、军事电子装备以及电磁兼容（EMC）等的需要，近年来，一些国家投入大量人力财力来研究开发磁性元件的片式化技术，从而有力地推动了小型化片式化磁性元件的发展。 片式电感器及其相关复合元件 我们通常所指的电感器

21、包括广义的电感器件如变压器、线圈、扼流圈、磁珠以及与电感器相关的复合元件。从结构上看，片式电感器可分为绕线型和叠层型两类。前者是将细的导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成，外层一般用树脂封固。其工艺继承性强。但体积小型化有限，目前尺寸为2.52.0mm的产品已商品化。而叠层片式电感器则不用绕线，是用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷、叠层、烧结，形成闭合磁路；它采用先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺，实现了超小型表面安装。 近来，在个人电脑的I/O线及液晶显示器外围的总线附近，所使用的众多抑制噪声元件不仅需要小型化，而且要求多连化（像多连片状电阻器一样），目的是为了适合多条线路，并提高安装效率。面对这种日

22、益高涨的需求，国外已出现一种阵列式高损耗型叠层片式电感器，尺寸为3.21.6mm，可适用于四条线，它不仅在性能方面具有互换性，而且能有效克服因阵列化产生的发热、串扰等缺憾。与此同时，在叠层片式磁珠的基础上也发展出将若干个磁珠集成到一起的片式磁珠阵列（磁珠排），这是一种能有效抑制电磁辐射和电磁噪声的小型化片式元件。根据相邻磁珠间的不同耦合方式，磁珠阵列分为常模和共模两类产品，主要用于高密度组装、功能强大的笔记本电脑、计算机主板接口、电源总线母线排以及数据总线时钟信号等多出口位置。 作为电源负载的电子机器，一旦内部产生电磁波干扰信号，它就会变成天线，向外放射噪声，影响周围电子机器正常工作。为此，在

23、电源输出端需使用片式直流电源线路用EMI滤波器。这种滤波器由于大容量四端结构的叠层陶瓷电容器、穿心电容器和磁珠组成，可除去450KHz1GHz的宽频带噪声。 片式信号线路EMI滤波器由于有陡直的衰减特性，特别适合有效信号频率与噪声频率接近的场合，如用于RGB信号线路和数字机器高速数字信号线路。 小型化片式微波铁氧体器件 小型化片式微波铁氧体环形器、隔离器是为满足军事装备和现代通信整机高可靠性、高度集成化的需要而发展起来的一类新型微小型、超小型铁氧体器件，它们包括单片式微带器件、“落入式”（Dropin）或“插入式”（Plugin）器件以及用于微波低频段的薄膜集中器件。国外把它们统称为“落入式”。由于这类器件“没有接头”，靠引线或者中心导体延伸线与其它集成电路连接，具有尺寸小、重量轻、磁屏蔽、可直接贴装到带线或微带是上等优点，因而在雷达、导弹、收发机、导航、数据通信线路、移动通信、电子对抗、测量仪器中得到大量应用。