某磁性工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目可行性研究報(bào)告(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，色彩鮮麗，要求使用高磁導(dǎo)率材料、抗電磁干擾軟磁磁芯和 高性能聚焦片。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品用軟磁鐵氧體主要是主機(jī)的開關(guān)電源變壓器材料，顯示器回掃變壓器材料、彩偏磁芯、電磁兼容磁芯等，隨著計(jì)算機(jī)的頻率提高，顯示器向高清晰、大屏幕、響應(yīng)速度快方向發(fā)展，要求磁芯材料有較高的工作頻率和較低的功率損耗，這類磁芯國內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量尚不穩(wěn)定。 我省有一大批磁性材料生產(chǎn)企業(yè)，但大多生產(chǎn)規(guī)模偏小，研發(fā)能力 18 差，僅個(gè)別企業(yè)有研發(fā)能力，但市場競爭能力差，缺乏靈活的市場機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制，全省至今沒有一個(gè)專門從事軟磁鐵氧體磁性材料研究開發(fā)的高層次機(jī)構(gòu)，這將嚴(yán)重制約我省的電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，組建某 磁性工 程技術(shù)研究中心是十分必要的，這對推動我省乃至全國電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極其重要的社會意義和良好的經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)外研究進(jìn)展情況 磁性材料、產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子整機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下三個(gè)方面的顯著特征 ： ① 由低頻、恒頻向高頻、變頻方向發(fā)展 ② 由模擬向數(shù)字發(fā)展 ③ 由插針式集中參數(shù)向表貼式分布 參數(shù)發(fā)展，因此應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)品、儀器儀表、家電工業(yè)、通訊等行業(yè)的各種高檔軟磁鐵氧體材料及其器件產(chǎn)品必須適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，有線電話和移動電話裝置需要越來越多的抗干擾磁芯、片式微型化 電感器；節(jié)能燈的應(yīng)用在國外發(fā)展很迅速，需要使用大量的高檔鐵氧體軟磁濾波磁芯、抗干擾磁芯等。由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，各種電子設(shè)備朝高性能發(fā)展，對配套元器件的性能提出更高要求，磁性材料進(jìn)一步向高頻、高磁導(dǎo)率和低損耗發(fā)展，也就是兩高一低方向發(fā)展；器件向小型化、片式化和表面貼裝化發(fā)展，也就是三化方向發(fā)展。功率鐵氧體如日本 TDK 公司的 PC50 牌號材料，這種材料進(jìn)一步為開關(guān)電源的輕、小、薄作出貢獻(xiàn)，是今后軟磁鐵氧體的發(fā)展方向，而軟磁鐵氧體產(chǎn)品中電感、線圈趨向小型化、片式化，這對高磁導(dǎo)率材料提出了更高的要求，目前，移動通 訊用的片式電感、線圈磁芯，市場缺口約有三分之一；另外，電子變壓器主要向小型、輕量、高效和表面貼裝技術(shù)發(fā)展。隨著高清晰度電視和高頻顯示器 19 的普及以及便攜式電腦、掌上系統(tǒng)（ PDA）的發(fā)展，用于這類整機(jī)系 統(tǒng)的高中性能磁芯材料及磁性器件的要求量越來越大。 磁性材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢 就軟磁鐵氧體而言，其最終電磁性能取決于材料配方組成與制備工藝技術(shù)， 近 15 年來，發(fā)達(dá)國家通過深入研究軟磁鐵氧體原材料特性要求（如粒度、含雜等）、鐵氧體合成工藝技術(shù)、添加劑作用機(jī)理以及鐵氧體燒結(jié)技術(shù)等，在軟磁鐵氧體生產(chǎn)技術(shù)方面取得了長足 的進(jìn)展，在高頻功率鐵氧體領(lǐng)域，上世紀(jì) 80 年代，日本 TDK 公司、 FDK 公司以及荷蘭 Philip公司推出了最高實(shí)用頻率達(dá) 150KHz 左右的功率鐵氧體，牌號分別為PC H45 和 3C8， 1984 年通過調(diào)整工藝和優(yōu)化配方， TDK 公司推出了第三代功率鐵氧體材料（ PC40），其主要特點(diǎn)是高頻功耗大幅度降低，在100KHz， 200mT 時(shí)功耗比用普通陶瓷工藝制備的材料功耗下降 25％，1989 年， 該公司又采用噴霧培燒工藝制備鐵氧體粉體，推出了用于 ～1MHz 的高頻低功耗鐵氧體材料（ PC50），其在此頻率范圍內(nèi)功耗比 PC40下降了 50％，同時(shí)， FDK、 Tokin、德國 Siemenz、荷蘭 Philip 等也相繼開發(fā)了可用于 100～ 500KHz 工作頻率的功率鐵氧體，其牌號分別為H49N、 H63B、 2500B 2500B N6 3C85 和 3F3，日立鐵氧體公司開發(fā)了覆蓋 250KHz～ 1MHz 的功率鐵氧體系列（ SB－ 7C、 SB－ 9C、 SB－ 1M 等）， 1992 年日本 Tokin 開發(fā)了用于 ～ 2MHz的 B40 材料，而 1996年，日本 TDK 公司在兼顧磁導(dǎo)率和功率損耗雙重性能的思想指導(dǎo)下，開發(fā)了 PC44 功率鐵氧體，進(jìn)一步提高了高頻功 率鐵氧體的綜合性能，表 2列出了部分功 率鐵氧體的電磁性能，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，這些材料都是通過晶粒細(xì)化、控制摻雜、調(diào)整材料顯微結(jié)構(gòu)等工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)材料性能 20 的改善。在高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料（ 簡稱高 μ 材料）領(lǐng)域，日本和西方工業(yè)國家早在上世紀(jì)七十年代就開始研究了高 μ 材料工藝技術(shù)，并且取得了可喜的研究成果。在實(shí)驗(yàn)室， μi 值已達(dá) 40000，若在工藝上進(jìn)一步采取措施， μi 值還可提高。但是，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn) 室研究之間存在較大差距，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，材料的 μ值很難超過 20000，絕大多數(shù)工廠生產(chǎn)的材料 μ 值在 10000 左右，至今市場上 能夠買到 μi 最高的材料也不過18000，一般為 10000～ 15000。國內(nèi)當(dāng)前可生產(chǎn) μi 最高達(dá) 10000 的材料，并且其一致性和生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，表 3 為國外部分鐵氧體公司高 μ材料的主要性能。 表 2 高頻功率鐵氧體材料的性能 生產(chǎn)廠家及牌號 μi Bs (mT) Br (mT) Hc (A/m) Tc (℃ ) Ρ (Ωm) fmax (KHz) Pc(mW/cm3) (100KHz,200mT) 2 60、 100(℃ ) C xz 2300177。20% 1400177。20% 510 470 95 190 35 215 249 500 500~1000 600 450 410 130 80 80 FDK H49N H63B 1600177。20% 2000177。20% 500 500 150 150 230 200 1 1 100 300 640 440 410 ToKin 2500B2 2500B3 B40 2500177。20% 2500177。20% 1400177。25% 500 500 530 130 80 250 205 205 225 9 200 500 450 200 荷蘭飛利浦 3C85 3F3 2000177。20% 2000177。20% 500 500 140 15 200 200 200 500 230 165 10 80 日立鐵氧體 SB7C 2400 500 150 220 5 300 21 SB9C 2600 490 140 200 5 200 680 450 400 表 3 國外部分鐵氧體公司高 μ 材料的主要性能 性能 日本 TDK 日本東北金屬 荷蘭 飛利浦 德國 西門子 法國 湯姆遜 H5C H5E 7000H 12001H 3E5 T38 T4A 磁導(dǎo)率 μi l 10000 177。30% 18000 177。30% 7000 177。20% 12000 177。30% 10000 177。20% 10000 177。30% 6000 177。25% 比損耗系數(shù)tgδ/μi 106 7 (10KHz) 45 (100KHz) 15 (10KHz) 75 (100KHz) 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs mT 400 400 350 340 380 380 350 矯頑力 Hc A/m 比溫度系數(shù)αF 106/℃ ~ ~ 0~ 0~ 0~ 居里溫度 ℃ 120 115 110 120 120 130 140 密度 d g/cm3 ~ 因此，從軟磁鐵氧體材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，可以主要?dú)w納為如下幾點(diǎn)： 材料合成技術(shù)的研究與發(fā)展：如日本 TDK 公司的噴霧培燒合成工藝，高 μ材料的濕法化學(xué)合成工藝，俄羅斯的自蔓延高溫合成技術(shù)等 利用添加劑改善 材料電磁性能，如 SiO2CaO 等導(dǎo)致晶界高阻層來降低損耗， Nb2O5 、 Bi2O V2O5 等降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)材料致密，提高磁導(dǎo)率等。 氣氛燒結(jié)控制材料組成和性能：如富氧燒結(jié)防止高 μ材料出現(xiàn)另 22 相和空位，平衡氣氛控制材料電阻率，從而降低損耗等。 低溫?zé)Y(jié)和陶瓷增韌技術(shù)，如通過提高鐵氧體粉體活性，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)、在晶界處控制成分梯度，減小鐵氧體材料的脆性，改善力學(xué)性質(zhì)，提高鐵氧體加工中的成品率等。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國大多數(shù)廠家的軟磁鐵氧體產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)處于中低水平，但一些大型民營企業(yè)和 上市公司已在不斷調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)研發(fā)力度，攻占高檔產(chǎn)品市場。目前，中國軟磁鐵氧體產(chǎn)品相對集中在消費(fèi)類產(chǎn)品，如用功率鐵氧體材料制成的 U 型、 E 型磁芯，主要用于開關(guān)電源變壓器、回掃變壓器、推挽變壓器和行推動變壓器，用高電阻率 MgMnZn 系鐵氧體材料制成偏轉(zhuǎn)磁芯，用高 μMnZn 鐵氧體制成電源濾波器磁芯，如 UF型、 EE 型、 ET 型、 T 型等，還有用 MnZn、 NiZn 材料制成的各種電感線圈、線性變壓器等，如 T 型、 EP 型、 RM 型、 PQ 型、 G 型等。而工業(yè)類磁芯的產(chǎn)量較少，質(zhì)量要求也高，我國大部分產(chǎn)品集中在中低檔次，價(jià)格低廉， 贏利極微薄。國內(nèi)能大批量生產(chǎn)的功率鐵氧體材料的性能僅相當(dāng)于日本 TDK 公司的 PC30 牌號， PC40 檔次的鐵氧體材料只能在少數(shù)企業(yè)小批量生產(chǎn)；高磁導(dǎo)率鐵氧體產(chǎn)品 μ值 8000 左右，少數(shù)企業(yè)能小批量生產(chǎn)磁導(dǎo)率 10000 的產(chǎn)品。抗干擾磁性材料目前能大量生產(chǎn)的 μi 在5000—8000 的材料， μi 在 10000 以上的材料也只能少數(shù)幾個(gè)企業(yè)小批量生產(chǎn)，且極不穩(wěn)定， μi 15000的材料尚處于試制階段。 當(dāng)前，隨著電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，特別是數(shù)字電路和開關(guān)電源應(yīng)用的進(jìn)一步普及，電磁干擾（ EMI）問題日益嚴(yán)重，各國對電子整機(jī)的抗 EMI 性能要求越來越高，以鐵氧體磁芯為基礎(chǔ)的抗 EMI 元器件發(fā)展相 23 當(dāng)快，產(chǎn)品種類繁多，市場需求量龐大，成為電子行業(yè)一個(gè)不容忽視的新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。對于抗 EMI 磁性元器件的研制，我國起步不久，特別是在開發(fā)低噪聲濾波器和鐵氧體吸收與抑制元件方面，與國外的差距還很大，尚未系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。因此，我國目前在軟磁鐵氧體領(lǐng)域內(nèi)與國外的差距是明顯的，必須奮起直追。 存在的主要問題 目前國內(nèi)磁性行業(yè)在技術(shù)方面存在以下主要問題： （ 1）當(dāng)前世界范圍內(nèi)應(yīng)用的功率鐵氧體主流材料電磁性能相當(dāng)于日本 TDK 公司 PC40～ PC44 材料， PC50 材料在 MHz 級功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已有小規(guī)模的應(yīng)用。而我國目前大多數(shù)中小企業(yè)僅能生產(chǎn)相當(dāng)于 PC30 水平的功率鐵氧體，少數(shù)規(guī)模企業(yè)能生產(chǎn) PC40 材料，但在工藝穩(wěn)定性方面尚待進(jìn)一步提高，日本正向國際市場大量供應(yīng) PC44～ PC50 功率鐵氧體，而我國要批量生產(chǎn) PC44 材料還存在設(shè)備和工藝技術(shù)上的困難。 （ 2）當(dāng)前日本等發(fā)達(dá)國家，已能穩(wěn)定地生產(chǎn)和供應(yīng)磁導(dǎo)率 18000～20000 的高 μ 材料，而我國生產(chǎn)企業(yè)只能生產(chǎn) 8000～ 10000 的高 μ材料，且一致性和工藝穩(wěn)定性急待改進(jìn)，差距是明顯的。 （ 3）國外在軟磁鐵氧體材料，尤其 是高 μ材料的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性方面進(jìn)行了大量的研究，取得了明顯的進(jìn)展，而我國尚未開展這方面的研究。 （ 4）國外使用 MnZn、 NiZn 鐵氧體材料制備的各種抗 EMI 磁芯，EMI 濾波器、 EMI 抑制元件、扼流圈、噪聲截止變壓器等產(chǎn)品已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、而我國此領(lǐng)域的工作才剛剛起步。 （ 5）在表面貼裝片式器件領(lǐng)域，國外（如日本 TDK、村田、美國 24 AEM 等）在低溫?zé)Y(jié)高性能鐵氧體技術(shù)的支撐下，采用流延磁膜工藝，已能大規(guī)模生產(chǎn)各種型號的片式電感器，其最小尺寸可達(dá)到 （ mm），并且可與電容、電阻等集成構(gòu) 成濾波器陣列產(chǎn)品，而我國尚不能生產(chǎn)能與 Ag 電極共燒結(jié)的低溫?zé)Y(jié)鐵氧體材料，并且對于片式電感器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝技術(shù)也未能掌握。 （ 6）電子整機(jī)系統(tǒng)的小型化、輕量化要求磁性器件向小型平面化、集成板式化方向發(fā)展，國外在高、精、尖小型磁芯的加工工藝技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，而我國針對小型平面化、集成板式化磁芯的磁路設(shè)計(jì)和加工技術(shù)研究不夠，磁芯加工成品率低，高頻器件分布參數(shù)尚不能控制。 （ 7）對磁性材料的電磁性能與顯微結(jié)構(gòu)的研究尚不深入，對工藝條件與材料的性能關(guān)系缺乏規(guī)律性的認(rèn)識，尤其是對納米磁性效應(yīng)對鐵氧體性能的影 響和控制尚未展開深入研究和分析。 技術(shù)發(fā)展需求及急待解決的關(guān)鍵技術(shù) 技術(shù)發(fā)展的需求 由于磁性材料被廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)領(lǐng)域，在通訊、電子數(shù)據(jù)處理、聲音和圖象處理、照明、家用電器、汽車電子、測量、自動化控制、醫(yī)療檢測、電動工具、郵政服務(wù)和設(shè)備等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展、人民生活提高、國防現(xiàn)