低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體（LTCF）材料及疊層片式電感應(yīng)用研究.pdf

1、從模擬向數(shù)字、定頻向變頻、接插件向平面片式化的發(fā)展是當(dāng)前電子信息技術(shù)變革的主要方向，而疊層片式電感器件及其相關(guān)的低溫共燒鐵氧體材料則是實(shí)現(xiàn)無源接插件向平面片式化發(fā)展的技術(shù)瓶頸問題。本文的研究工作正是圍繞這一主體中的理論、工藝及應(yīng)用而展開的。旨在通過理論分析、材料研制以及器件應(yīng)用驗(yàn)證三位一體的研究模式，實(shí)現(xiàn)從材料微觀、宏觀性能的分析到材料研制途徑和工藝的優(yōu)化以及片式器件設(shè)計(jì)及制備的綜合調(diào)控，為開發(fā)高性能的低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體材料及疊

2、層片式電感器件奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。 在理論研究方面，本文首先分析了決定低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體材料主要磁性能：包括起始磁導(dǎo)率、品質(zhì)因數(shù)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、居里溫度和矯頑力等的關(guān)鍵影響因素，為材料研制過程中如何控制和改善這些磁性能提供重要的理論指導(dǎo)。然后又從物質(zhì)遷移的角度探討了促進(jìn)NiCuZn鐵氧體低溫?zé)Y(jié)和致密化的有效途徑。此外，為了實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體能夠根據(jù)磁導(dǎo)率目標(biāo)要求進(jìn)行材料配方的“量身定制”，本文還結(jié)合理論推

3、導(dǎo)和數(shù)值擬合得到NiCuZn鐵氧體磁導(dǎo)率的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并基于遺傳算法建立配方優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，大大提高了材料研發(fā)的效率和速度。 在材料實(shí)驗(yàn)研究方面，本文分別采用了三種方法，即氧化物法、溶膠-凝膠法以及復(fù)合法對低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體展開研究。在氧化法材料研制過程中，首先明確了NiCuZn鐵氧體配方設(shè)計(jì)的基本原則，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了主配方中CuO含量對材料燒結(jié)特性、微觀形貌及電磁性能的影響，確定當(dāng)主配方中CuO含量為10.2

4、mol％時(shí)能較好的兼顧材料低溫?zé)Y(jié)和高電磁性能的目標(biāo)要求。此后通過對比實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了預(yù)燒溫度、球磨時(shí)間以及升溫速率等制備工藝控制參數(shù)對材料燒結(jié)特性和電磁性能的影響。確定了低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體最佳的預(yù)燒溫度為800℃；最佳的二次球磨時(shí)間為24h；最佳的升溫速率應(yīng)≤2.5℃/min。最后研究了不同的摻雜組合模式對材料性能的影響，明確了獲得高磁導(dǎo)率的摻雜模式為：1.5wt％Bi<,2>O<,3>+0.3wt％WO<,3>；兼顧高磁導(dǎo)率和

5、高品質(zhì)因數(shù)的摻雜模式為：1.5wt％Bi<,2>O<,3>+0.3wt％WO<,3>+0.2vqt％Co<,2>O<,3>。 在溶膠-凝膠法低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體材料研制過程中，首先對工藝過程中形成的干凝膠、自蔓延燃燒粉木以及最終燒結(jié)樣品的晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。明確了經(jīng)過自蔓延燃燒后的粉末已經(jīng)鐵氧體化，且粉末顆粒尺寸僅為幾十納米，具有很好的表面自由能。然后將溶膠一凝膠法與氧化物法制備樣品的燒結(jié)特性和電磁性能進(jìn)行了綜合的對比，詳

6、細(xì)分析了兩種低溫?zé)Y(jié)鐵氧體制備方法各自的技術(shù)優(yōu)劣。此后，本文又采用了綜合氧化物法和溶膠一凝膠法的復(fù)合法進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體材料的研制。研究發(fā)現(xiàn)納米鐵氧體微粉摻雜對促進(jìn)NiCuZn鐵氧體的低溫?zé)Y(jié)效果明顯。這是由于具有高活性的納米微粉均勻混合到氧化物法制備的微米量級的粉料中，有效的增大了顆粒之間的接觸面積及互擴(kuò)散的緣故。同時(shí)，復(fù)合法能夠避免氧化物法和溶膠一凝膠法各自技術(shù)上的一些缺陷，因而有望獲得更好的材料電磁性能。在片式電感應(yīng)用

7、研究方面，本文首先基于有限元計(jì)算和電磁場仿真的思想，借助HFSS軟件進(jìn)行片式電感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能的仿真預(yù)測。明確了對于0603型片式電感，當(dāng)采取繞線長邊長a=1200μm，短邊長b=500μm，繞線線寬w=100μm，繞線距上下邊距u=150μm時(shí)，能獲得較好的片式電感性能。同時(shí)，通過擬合得到片式電感的感量與疊層匝數(shù)之間的指數(shù)關(guān)系。此后，對片式電感制備工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了一些工藝控制的關(guān)鍵技術(shù)。最后，采用本文研制的低溫?zé)Y(jié)