21世纪软磁铁氧体材料和元件发展趋势

关键词：软磁、铁氧体
    随着21世纪信息技术和电子产品数字化的发展，对软磁铁氧体和元件提出了新的要求，如器件的小型化、片式化、高频化、高性能、低损耗等。在今后10年内，重点发展高频低功耗、高磁导率材料和片式化的表面贴装软磁元件，在非晶软磁金属材料和磁记录材料方面，发展纳米材料。21世纪是高档产品发展时期，而中低档产品相对逐渐萎缩，如不迎头赶上，中国的磁性材料及产品将会失去市场。根据今后世界工业的发展，我们分析21世纪软磁铁氧体材料和元件的发展趋势。

1  软磁铁氧体材料
    软磁铁氧体材料已经被广泛应用于民用和工业领域，随着近年来信息技术和新型绿色照明发展的要求，材料进一步向高频、高磁导率和低损耗发展，也就是两高一低方向发展。器件向小型化、片式化和表面贴装化发展，也就是三化方向发展。
1.1向高频率发展。
    软磁铁氧体是电源变压器中使用比较早的软磁材料，随着开关电源工作频率越来越高，相应的材料一代接一 代的开发出来。七十年代初，为适应开关电源市场的需要，开发出第一代功率铁氧体材料，如TDK的H35。这种材料由于其功耗大，只适用于工作频率在20kHz左右的民用开关电源。八十年代初，第二代功率铁氧体材料问世，如TDK的H7C1（PC30），这种材料具有功耗负温度系数，随着温度升高，功耗呈下降趋势，适用的工作频率为100kHz左右。八十年代后期，为适应高频开关电源的发展，开发出第三代功率铁氧体材料，如TDK的PC40材料，其工作频率为250kHz左右，这类材料特别适用于工作频率为数百千赫的开关电源，现在被广泛应用于工业类的开关电源中。进入九十年代中期，由于信息技术对器件小型化、片式化的要求，第四代功率铁氧体材料开发成功，如TDK的PC50牌号材料。这种材料的工作频率可达500kHz以上，进一步为开关电源的轻、小、薄作出贡献，是今后软磁铁氧体的发展方向。
    我国新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准，把功率铁氧体材料分为PW1～PW5五类，其适用工作频率也逐步提高。如适用频率为15～100kHz的PW1材料；适用频率为25～200kHz的PW2材料；适用频率为100～300kHz的PW3材料；适用频率为300kHz～1MHz的PW4材料；适用频率为1～3MHz的PW5材料。目前，国内的企业已能生产相当于PW1～PW3材料，PW4材料只有部分企业小批量试生产，PW5材料有待于进一步开发和生产。
1.2向高磁导率发展。
    由于信息产业的高速发展，传统的普通软磁铁氧体已经不能满足新兴的信息网络技术的要求，高磁导率材料成为许多新兴的IT技术不可缺少的组成部分。另外，电子技术应用的日益广泛，特别是数字电路和开关电源应用的普及，电磁干扰问题日趋严重。高磁导率软磁铁氧体磁芯能有效地吸收电磁干扰信号，以达到抗电磁场干扰的目的。随着电子产品向高频、高速、高组装密度发展，在各种电子、电力线路中必须采用抗EMI磁芯，才能满足抗电磁干扰和电磁兼容的要求。高磁导率软磁铁氧体主要特性是磁导率特别高，一般要求在10000以上，从而可以大大地缩小磁芯体积，并且希望提高工作频率。现在，TDK在过去生产的H5C2（μi>10000）的基础上，又先后开发生产H5C3（μi>13000）、H5D（μi>15000）和H5E（μi>18000）等系列的高磁导率材料。目前我国较多企业能大批量生产磁导率在5000～7000的材料，有少量的企业能生产10000的材料，但大于10000的材料还尚处于开发试制的阶段。同时，高磁导率磁芯的表面质量必须很好，必须涂覆一层均匀、致密、绝缘的有机涂层，这是国内产品的一个技术难点。
1.3向低损耗发展。
    为了满足高清晰度电视和计算机显示器回扫变压器的发展要求，以及电子变压器向小型化、高频化、低损耗发展，低损耗软磁铁氧体材料的发展显得十分重要。TDK在九十年代初中期相应地推出用于制作回扫变压器的HV22和HV38低功耗材料和用于开关电源的PC44高频低功纺耗材料。我国这方面材料的开发生产还有较大的差距。

2  软磁铁氧体产品
2.1电感、线圈趋向小型化、片式化。
    电感器是片式化较为迅速的电元件之一，全球市场对片式电感器的需求在不断增长，尤其是移动通讯的发展速度惊人，要求大量的电磁兼容磁芯，如高频段的防寄生振荡用磁芯、混频器用的磁芯、滤波器磁芯、耦合线圈用磁芯，以及各种片式电感等。目前，移动通讯用的片式电感、线圈磁芯，市场缺口约有三分之一。
    在片式电感器中，叠层型片式电感器现在居主流地位，其尺寸已由原来的3216（3.2×1.6mm）缩小到目前主流产品1005（1.0×0.5mm），这类超小型电感器广泛应用于通讯和抗电磁干扰（EMI）及电磁兼容（EMC）设备。在低档应用领域，片式电感器可能被片式磁珠取代，所以，制造商已开始生产集成有电容器的薄膜片式电感器。如为了避免开关电源的开关噪声污染电源网络，在电源输入端均设置铁氧体输入滤波器。因为开关噪声是共模信号，所以可采用电流补偿原理来避免磁芯饱和，即在磁芯上绕制两组匝数相等的反接串联的线圈，使电流产生的磁场抵消，从而使共模信号被电感阻抗所阻断。这类滤波器被广泛应用于和高频开关电源和计算机、程控交换机和电源整流器等领域。
    片式电感器现在向着高频多层款式方向发展，如在60GHz频率下的高频多层片式电感器。同时，制造商也在提高产品的电感量，如低频片式电感器的电感量由33mH提高到220mH；高频片式电感器电感量从180nH提高到470nH。
    扼流圈（滤波电感器）主要课题是降低产品尺寸和开发片式产品，并向高档化和用户专用方向发展。LCD屏幕的发光电路、变换器和电信设备将继续是扼流圈的主要增长领域。复合化技术是电感线圈的主要发展趋势，如采用感容（LC）滤波器、阻容（RC）片式器件和电感阻容（LRC）薄膜片式器件等，构成不同类型的复合模块器件。如在计算机联网用的网卡中，将局部网隔离器变压器和共模滤波器集成一个封装模块。
2.2电子变压器主要向小型、轻量、高效和表面安装技术发展。
    由于微电子技术的发展，电子设备的体积和重量大大减小；因此，要求电子变压器也要相应地减小体积和重量。开关电源，即采用电网直接整流，后用开关进行直流变换的电源，自从七十年代初起将直流变换器的开关变压器的频率提高到20kHz，从而取代了笨重的50Hz整流变压器。这革命性的技术发展，使电子变压器的体积可减小3-5倍左右，重量可减轻3倍。50Hz电感式霓虹灯变压器改用电子式霓虹灯高频变压器后，体积约减小1-2倍，重量约减轻4倍；更重要的是符合绿色照明工程节能要求。
    随着高频低损耗的软磁铁氧体出现，开关电源的开关频率已从20kHZz提高到10MHz左右，使电子变压器的重量还可进一步减小。所以，电子变压器的高频化是电子设备小型化和轻量化的必然发展趋势。对软磁铁氧体来说，必须解决频率在500kHz以上时具有较小的功率损耗。
    当电子变压器微型化时，通常采用表面贴装技术，电子变压器的绕组采用层叠式印刷导体，软磁铁氧体磁芯设计成低高度和薄膜化磁性元件。在电信设备和数字网络中，为了使传输的模拟信号或数字脉冲信号无明显的失真，要求使用宽带脉冲信号变压器。低功率宽带变压器的频宽与磁导率成正比，因此高磁导率软磁铁氧体被广泛用于宽带脉冲变压器。随着数字电子设备集成化程度的提高，脉冲变压器已成为印刷电路板上最大的功能元件，将成为今后主要的发展方向之一。
    近年来，移动电话、笔记本电脑和数字仪表的发展，使场致发光DC/DC开关电源变压器成为一大新趋势。微型电池的直流电压经由开关电路变成高频交变电压，再通过高磁导率软磁铁氧体磁芯制成的场致发光电源变压器将交变电压升至一定值以后，加到以场致发光片组成的平行板电容器上，使发光片发光。
    程控交换机的话频变压器是目前采用国内企业生产最多的EP13高磁导率磁芯，今后变压器的将采用更小尺寸的EP10磁芯，需进一步提高材料的磁导率。
    今后，高清晰度电视和高频显示器用的回扫变压器将成为厂商的重点开发产品，双聚焦回扫变压器、多层回扫变压器将更为流行。

3  结论
    21世纪的来临，由于产业结构发展变化，各种电子设备朝着高性能发展，对配套元器件的性能提出更高要求。希望软磁功率铁氧体材料能生产相当TDK公司的PC40、PC44和PC50材料，高磁导率材料要求生产磁导率在10000～15000材料。软磁铁氧体电感和变压器，进一步向小型化、片式化和薄膜集成化模块发展，以满足日新月异的信息技术发展需要。
    总之，21世纪磁性产品的市场将发生质的变化，将以高档材料为主体。中国加入WTO以后，市场将无国界之分，我们必须加强科技创新，加强技术改造，加强企业管理，调整产品结构和提高档次，迎接新的机遇和挑战。相信，我国磁性材料工业在实现上述三个加强以后，将不仅是磁性材料工业生产大国，而将成为高性能磁性材料生产强国。