高磁导率MnZn铁氧体磁芯制造工艺与应用

摘 要：本文简要地比较了高锰锌铁氧体的两种制造工艺，即共沉淀工艺与氧化物工艺的不同特点，介绍了美、日、欧等各大公司高导环形磁芯产品标准以及应用前景。
关键词：软磁材料 MnZn 高铁氧体 共沉淀工艺 环形磁芯标准 应用

1.前言
2000年，全世界软磁铁氧体的产量约为30万吨，其中，镁锰锌（MgMnZn）铁氧体材料大约占25%，镍锌（NiZn）铁氧体约占20%，而锰锌（MnZn）铁氧体占总产量的50%以上。目前，工业化生产的MnZn铁氧体主要有：高磁导率铁氧体和高频低功耗铁氧体两类，前者又称为高铁氧体，后者也被叫做功率铁氧体。
在我国，六、七十年代时，初始磁导率 5000即认为是高铁氧体，尽管当时德国西门子公司已开发出 40000的MnZn铁氧体材料，但由于居里温度仅40℃，所以一直未能实用。九十年代以后，人们通常将 10000以上称为高铁氧体。TDK公司在1996年法国召开的第七届国际铁氧体会议（ICF7）上，宣布开发出了具有实用价值的为23000的高磁导率锰锌铁氧体材料，可称为水平最高的高铁氧体，但实际上目前最高生产水平还是为15000-18000的高磁导率锰锌铁氧体材料，应用最广的是10000-15000的宽频、宽温高锰锌铁氧体。
本文对高铁氧体的两种制造工艺，即共沉淀工艺与氧化物工艺作了简要的比较，并介绍了美、日、欧等各大公司高磁导率环形磁芯的产品标准以及应用前景。

2.两种工艺路线的比较
目前国内外批量生产高铁氧体磁芯有两种不同的制造工艺，即共沉淀工艺与氧化物工艺。其中，共沉淀工艺的生产规模在国际上也是少见的，可以说具有中国特色。
共沉淀工艺路线是：将一定比例的铁、锰、锌和硫酸反应，生成硫酸盐，再在一定条件下加入碳酸氢氨和氨水进行化学反应，生成碳酸盐沉淀物，再经过漂洗提纯，预烧分解，生成氧化物，作为生产高磁导率MnZn铁氧体的原材料。工艺流程为：精选原料→加入附加成份→配料溶解→过滤→碳酸盐共沉→脱水洗涤→配制料浆→喷雾干燥→预烧→砂磨机细磨→配制料浆→喷雾造粒→压制成型→烧结→磨加工→清洗→检测。
共沉淀工艺的关键是：（1）溶解提纯：在搪瓷反应釜中，加入一定量的硫酸溶液，再依次加入铁、锰、锌，待溶解完后进行过滤提纯，获得高纯度硫酸盐溶液；（2）共沉洗涤：将一定的碳酸氢氨和氨水混合加热到一定温度，再缓慢加入硫酸盐溶液，产生沉淀物，再经甩干洗涤，生成共沉料；（3）预烧制粉：将共沉料烘干，经窑炉预烧，初步形成铁氧体，再经过砂磨、制浆、喷雾干燥造粒，形成颗粒料。锰锌铁氧体共沉料粉粒度细、杂质少、活性好，有利于提高初始磁导率。但由于粒度细，有的可达纳米级，给成型带来困难；此外产品一致性也难以控制，建线时环保要求比较高，投资较大。
氧化物工艺亦即通常所说的陶瓷工艺，工艺流程为：精选原料→配方称料→干混→造球→预烧→砂磨机细磨→制浆→喷雾造粒→压制成型→烧结→磨加工→清洗→检测。目前也有厂家采用两次喷雾造粒，即在预烧前增加一次喷雾造粒工艺。这种工艺的特点是工序较少，便于微机控制，可实现管道化文明生产，产品一致性较易控制，但有害杂质去除较难，初始磁导率不易提高。一般认为，共沉淀工艺可生产 18000及以上产品，而氧化物工艺要达到 15000也不容易。

3.高环形磁芯尺寸标准
由于环形磁芯的产量，特别是小磁芯的产量在高铁氧体磁芯中占有较大的比例，而且，随着磁芯的尺寸越来越小，尺寸精度要求越来越高，所以制造模具的成本也就越来越高。因此，国际电工委员会，即IEC曾希望将IEC525：《磁性氧化物或铁粉制成的环形磁芯的尺寸》（1976）标准扩展，制订出一个能为世界上大多数国家普遍接受的有关磁芯尺寸的新标准。为此，欧洲电工技术标准化委员会（CENELEC）、美国磁性材料制造商协会（MMPA）和IEC日本国家委员会分别提交了本国或本地区有关未经涂覆的磁性氧化物制成的环形磁芯尺寸的基本情况。由于众所周知的原因，美、日、欧等国至今未能就此协商一致，因此IEC也未能推出相关的新标准。

这里，作者打算简要介绍一下美、日、欧三个环形磁芯尺寸的区域性标准：欧洲电工技术标准化委员会制订了EN 125500号标准；MMPA制订了MMPA FTC 410号标准；日本则制订了JIS C 2569号标准。详细的内容请查阅相应的IEC文件及有关标准。表1、2、3分别列出了上述三个标准中的尺寸系列。
表1、2、3中的 、和 h分别为环形磁芯的外径、内径和磁芯高度。欧洲标准用R代表环形磁芯，规定了用于小信号变压器和EMI元件的15种尺寸；日本则采用FOR作为环形磁芯的的标识，规定了16种尺寸，主要用于各种电源模块中，并积极向亚洲地区推广；美国用T代表环形磁芯，规定了16种尺寸，其中，外径10 mm以下的小磁芯有6种，十分引人注目。


4. 高铁氧体应用前景
初始磁导率 10000以上的高磁导率MnZn铁氧体主要用于小型宽带变压器、脉冲变压器、微型电感器和低频变压器等，还可用作常模和共模扼流圈以及小型滤波器等EMI元件等。以下仅举几例，说明其典型应用。
（1）程控交换机等通讯设备中用的各种音频变压器，通常采用EP型高磁导芯，为10000--12000，菲利浦现有：EP7、EP10、EP13、EP17和EP20等磁芯，目前应用最多的是EP13，越高，则音频变压器的尺寸就越小，所以，随着通讯设备的不断小型化，EP10将会替代EP13而成为通讯设备音频变压器的主流，要求其值为12000左右。
（2）计算机网卡中的变压器/滤波器组件。用于联接局域网的计算机网卡，需要采用高磁导MnZn铁氧体磁芯绕制成隔离变压器，为提高抗干扰性能，还需采用EMI共模滤波器，通常将两者集成在一个组件中。此外，手提电脑等液晶显示器的场致发光电源变压器也需高磁导率磁芯。

（3）宽带数字网络技术的发展带动了宽带变压器的市场需求。为使数字信号或模拟信号在宽带数字网络传输过程中不产生明显的失真，宽带变压器，包括宽带信号变压器和脉冲变压器是必不可少的，而工作带宽是与的大小成正比的，所以采用高磁导率MnZn铁氧体磁芯绕制成的宽带变压器市场前景良好。目前脉冲变压器已成为PCB中体积最大的元件之一，可见开发生产高磁导率MnZn铁氧体的重要性和迫切性。
（4）电磁兼容技术呼唤高性能抗EMI元器件的发展。计算机、通讯和网络等电子设备和系统的电磁兼容性不但关系到设备和系统的可靠性、安全性，还与人类的电磁环境密切相关。为此，抗电磁干扰元器件，即EMI元器件应运而生，在低频段，采用高磁导率MnZn铁氧体磁芯制成的常模扼流圈、共模扼流圈以及小型滤波器等EMI元件得到了广泛的应用。
此外，高磁导率MnZn铁氧体也可用于电流互感器、脉冲延迟线和晶体管驱动变压器中。
目前，国内外著名大公司如：菲利浦、TDK等生产的高磁导率MnZn铁氧体磁芯，为10000左右的通常做成RM、P、EP、E、ER和环形磁芯，但为15000及以上的一般均为环形小磁芯，从表1-3中可见，美国标准中外径10 mm以下的小磁芯就有6种，说明其应用之广泛。随着电子信息产业的飞速发展，电脑、通讯等电子整机越来越轻薄短小化，外径5 mm以下的小磁芯品种也越来越多，市场需求也越来越大。除高磁导率MnZn铁氧体小磁芯外，NiZn小磁芯的需求也在不断增长，尤其在变压器/滤波器/EMI抑制器等组件及多功能模块中的应用前景值得密切关注。
应当指出的是，高磁导率MnZn铁氧体磁芯的生产及应用过程中还必须解决环形小磁芯的质量分检技术、磁芯表面涂复技术和耐压测试技术等关键技术，否则很难实现规模化批量生产。■