NiZn系软磁铁氧体材料的种类及应用

NiZn系软磁铁氧体材料的种类及应用1引言铁氧体属于亚铁磁性材料，其磁性来源于被氧离子所隔开的磁性金属离子间的超交换作用。

铁氧体按其晶型结构可分为尖晶石系铁氧体、石榴石系铁氧体和六角晶系铁氧体等几类。

其中，作为软磁应用最多的铁氧体材料主要为尖晶石系的MnZn铁氧体和NiZn铁氧体。

MnZn铁氧体具有饱和磁感应强度和磁导率较高、在2MHz以下功耗较低等优点，但同时也具有电阻率低、烧结时需要气氛保护，且烧结温度较高等缺点。

而NiZn铁氧体材料则能很好的弥补这些缺点。

NiZn铁氧体材料的电阻率比MnZn高3～8个数量级，更加适合于在高频应用，同时，NiZn铁氧体的烧结工艺简单，勿需气氛保护，烧结温度也相对较低，因此通过适当的离子替代和掺杂改性后可与LTCC(低温共烧陶瓷)工艺相兼容。

此外，通过配方及制备工艺的改善，NiZn铁氧体材料也可获得较高的饱和磁感应强度和较低的功耗。

因此，近年来NiZn系铁氧体材料的应用越来越广泛。

本文将对当前应用前景较好的几类NiZn铁氧体材料作一综合介绍，并简单展望其各自的发展前景。

2抗EMI系列铁氧体材料及其应用目前，随着各种电子设备、电视网络、程控交换机、移动通信机及办公自动化的日益普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰(EMI)现象日益严重，并且成为影响电子系统正常工作的突出障碍。

如在IT领域，高频数据线以有线和无线的方式向我们生存的环境注入新的噪音，主板线路中包含大量有源器件，如晶体管、MOS管、振荡回路等，各自以自身的固有振荡频率，通过微电子线路传递给其它器件，产生EMI，影响整个系统的工作状态。

因此在日趋复杂的电磁环境中，使电器、电子设备互不干扰的工作，成为最迫切的需要。

如今，随着人们对电磁干扰影响的日益重视，抗EMI材料已成为软磁铁氧体材料中产量增长最快的领域。

统计表明，目前全球抗EMI铁氧体材料已占据了软磁铁氧体材料产量的30％以上，而且这一比例还在继续扩大。

用抗EMI材料制作的各种滤波器件可广泛应用于通信、音视设备、办公电子设备、汽车电子系统、信号电缆等许多电子相关领域，其作用是阻隔不需要的干扰信号，而让需要的信号几乎无衰减的通过。

此外，采用无源滤波技术也是目前抑制电磁干扰最有效且最经济的手段，其应用方法也非常简单，在电气设备电源线或信号线的入口处插入适当的抗EMI滤波器(EMIF)，就能将通过电源线信号传导的电磁干扰进行充分的抑制，换言之，它既能抑制电气设备内部产生的电磁干扰，又能抑制外界电网传入的电磁干扰。

正因为如此，抗EMI材料和滤波器技术近期发展相当迅速，品种越来越繁多，同时，其应用领域也在不断的拓宽。

我国由于以前对电磁干扰问题的关注不够，导致国产的电子设备在不同程度上都存在电磁干扰问题，近年来随着出口电子产品的急增以及国家相应电磁兼容标准的制定，对抗EMI材料及滤波器件的需求量很大，这对广大软磁铁氧体材料和器件生产厂家来说是一个很好的发展机遇。

同时，随着IT技术的高速发展，计算机、数字通信设备、消费类数码产品等电子设备的大量普及，对抗EMI滤波元器件的需求量还将猛增。

因此，开展高性能抗EMI材料及滤波器件的研发必然能带来良好的经济效益和社会效益。

为了满足抑制{司频段电磁十扰的要求，抗EMI铁氧体材料必须要加以系列化。

国外公布的抗EMI NiZn铁氧体材料比较典型的有TDK公司的HF系列材料，其主要性能如表l所示。

国内不少企业和研究机构也有类似的系列产品，在此不再一一罗列。

3射频宽带NiZn铁氧体材料及其应用随着射频铁氧体宽带器件的发展，铁氧体材料磁谱曲线截止频率以上的特性也获得了广泛的应用。

为了适应器件宽频特性的要求，需要采用具有驰豫型磁谱的加铜NiZn系软磁铁氧体材料，对这类材料不仅要求起始磁导率高，而且还要求温度稳定性好，饱和磁感应强度也高。

用高磁导率NiCuZn铁氧体材料制成的射频宽带器件，主要功能是在宽频带范围内实现射频信号的能量传递和阻抗变换，因而对于功率合成与分配、频率合成、信号编码、极性变换、网络匹配以及改善放大器的无耗反馈都起着十分重要的作用。

这类器件包括传输线变压器、阻抗变换器、功率分配／合成器、混频器、定向耦合器、相位检波器等等，由于它们具有频带宽、体积小、重量轻等特点而被广泛应用于雷达、电视、机顶盒、通信、仪器仪表、自动控制、电子对抗等领域。

并且随着通信和射频技术的发展，对高磁导率NiCuZn铁氧体材料及各种射频宽带铁氧体器件的需求量还将不断增多。

此外，近年来光纤同轴电缆混合(HFC)网络系统的改造与建设，也大大刺激了对射频宽带铁氧体材料及器件的需求。

HFC网络系统需要大量的分支器、分配器、功分器、隔直器、放大器和宽带传输变压器等射频宽带器件，而射频宽带NiCuZn铁氧体材料系列则是制造这些器件的关键。

截止2005年，射频宽带铁氧体材料在软磁铁氧体材料中所占的比重已超过l0％。

具有高磁导率的射频宽带Ni0lZn铁氧体材料除了用于制备各种射频宽带器件外，同时也可用于抗EMI领域，特别适合于滤除频率较低的传导干扰。

如在XDSL和LAN通信变压器中，采用高磁导率的NiCuZn铁氧体材料制备的共模扼流圈，不仅有利于器件的小型化，而且也能起到比MnZn系材料更好的干扰抑制效果。

此外，高磁导率NiCuZn铁氧体还可直接用于低频段微波暗室材料的制备。

如果将其与某些非磁性物质进行适当的复合，可将中心吸波频率从几十MHz 到数个GHz这一很宽的频段内进行调整。

根据以上的分析可见，射频宽带NiCuZn铁氧体材料及器件具有十分广阔的应用领域，市场前景十分看好。

目前，国际上公布的高磁导率射频宽带NiZn铁氧体材料包括EPCOS公司的M13( µi=2300)，FDK公司的L68( µi=2000)。

国内绵阳新欣电子公司报道开发出磁导率达到3000的射频宽带NiZn系铁氧体材料。

但为了提高磁导率，配方中ZnO含量过多，导致材料居里温度较低，应用领域和效果受到很大的限制。

目前电子科技大学的张怀武、苏桦等人通过材料制备工艺及掺杂技术的改进，较好地兼顾了材料高磁导率和高居里温度的目标要求，其开发的高磁导率射频技术指标如表2所示。

4功率型NiZn系铁氧体材料及其应用铁氧体功率电感器件(包括各种功率电感器、变压器等)广泛应用于工业、民用及军事电子设备的各个领域，是现代电子系统的重要组成部分。

近年来，表面贴装技术(SMT)在电子整机制造技术中的普及，促使功率电感器件也不断向小型化和片式化方向发展，传统的MnZn功率铁氧体逐渐不能适应这种发展的需求。

根据功率电感器件的工作原理，为了缩小其体积，必须提高其使用频率和饱和磁感应强度。

而MnZn铁氧体的电阻率很低，高频涡流损耗很大，限制了其在高频域的应用。

并且由于其电阻率低，绕线时必须要在MnZn铁氧体磁芯上添加绕组骨架，而不能将漆包线直接绕制在磁芯上，因而也不利于功率电感器件的小型化。

此外，采用MnZn系材料制备的功率电感器件在进行组装时，相互之间必须要保持一定的距离以防止出现“爬电”现象，这也与电子器件高密度组装的发展趋势相悖。

有鉴于此，发展新一代适合于高密度表面贴装的功率铁氧体材料意义十分重大。

由于NiZn系铁氧体具有比MnZn铁氧体高得多(至少高三个数量级以上)的电阻率，不仅在高频的涡流损耗很小，而且通过制备技术的改进，也可获得很高的饱和磁感应强度，因此成为了替代MnZn功率铁氧体材料的首选。

采用NiZn 系功率铁氧体材科制备的功率电感器件，不仅在耐压方面大大优于MnZn铁氧体功率器件，而且可采用无骨架结构，大大减小了器件本身的体积及成本，在密集组装时也能很好地避免“爬电”现象，特别适于表面贴装技术。

因此，随着功率电感器件向小型化和片式化方向变革的不断深入，NiZn系功率铁氧体材料的应用前景将十分看好。

基于NiZn系功率铁氧体SMD电感器件体积小、耐高温和大电流、适于表面安装等技术特点，特别受新型数码电子设备和系统的青睐，如移动通讯系统、计算机、高分辨电视、广播卫星、消费类数码产品等，同时在高频无极灯、液晶背光源等小型化电源模块中也大有用武之地。

随着全球电子产品的迅猛发展及新兴产品的不断涌现，SMD功率电感器件的国内外市场需求还在日益上升。

截止2005年底，国际市场对SMD功率电感器件的年需求量已超过100亿只，而产量仅60亿只左右，产销缺口较大，尤其体现在高档次的SMD电感器件上。

当前我国也正在加快进行SMT技术的引进和改造工作，这为SMD功率电感器件应用的进一步推广和普及也提供了一个很好的契机，可以预见，NiZn功率铁氧体及其SMD功率电感器件将具有更大的市场发展空问。

目前，国内的电子科技大学和浙江天通电子股份有限公司都在NiZn功率铁氧体材料研究领域取得了较大的进展，开发的NiZn功率铁氧体磁导率从400～1200不等，达到的主要技术指标如表3所示。

5低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其应用从模拟向数字、定频向变频、接插件向平面片式化的发展是当前电子信息技术变革的主要方向，而低温共烧陶瓷材料及叠层片式器件则是实现无源接插件向平面片式化发展的技术关键。

目前，我国在片式电阻和片式电容领域技术发展已较为成熟，均已有系列化的产品面世。

而在片式电感领域由于其技术含量高、工艺难度大，始终未能取得关键性的突破。

为了开发高性能的叠层片式电感器件，必须要解决两大技术难题：一是掌握能与内导体Ag低温共烧的系列铁氧体制备技术；二是要能够实现先进的叠层片式工艺技术。

近年来，在急剧增加的市场需求和丰厚的利润回报驱动下，国内多家企业和研究机构陆续引进了国外先进的片式电感生产线，积极开展对片式电感器件的研究和开发。

这些企业和研究机构虽然都已具备了实现叠层片式电感工艺的技术条件，但在低温烧结系列铁氧体材料制备技术方面始终未能取得有效突破。

为了实现铁氧体材料和Ag导体材料的共烧结，不仅要求铁氧体烧结温度低、电阻率高、不与内导体发生反应，而且收缩率也要与Ag内导体的相近，此外，还要保证铁氧体材料具有优良的电磁性能，因此其研制的技术难度很大。

目前国内自主研发的材料电磁性能与国外发达国家水平差距较大，难以真正实用化。

片式电感用低温烧结铁氧体材料制备及改性的方法，始终作为“技术诀窍”被日本和美国为数不多的几个大公司所垄断。

目前，国内所有片式电感生产线所采用的低温烧结铁氧体材料绝大部分都依靠从美国、日本进口，不仅片式器件产品的大部分利润被国外厂商所攫取，而且由于关键材料不能国产，处处受制于人，严重阻碍了我国片式电感产业的发展。

因此，开发拥有自主知识产权的高性能低温烧结系列铁氧体材料，不仅对发展我国民用高新电子技术、航空航天、国防军事技术等具有十分重要和迫切的现实意义，而且也能带来十分丰厚的利润回报。