六角晶系铁氧体低温烧结的研究

资源类型:pdf 资源大小:641.00KB 文档分类:工业技术 上传者:刘岚岚

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【作者】 范军  冯则坤  聂彦  陈成 

【关键词】低温烧结 六角晶系铁氧体 现状 片式电感 

【出版日期】2005-05-20

【摘要】介绍了片式电感用低温烧结铁氧体的现状及其发展趋势。用低温烧结六角晶系铁氧体制造的片式电感的使用频率(GHz范围)比用尖晶石铁氧体的(低于300MHz)要高,使得低温烧结六角晶系铁氧体更适于制造高频片式电感。为使铁氧体能与Ag电极共烧来制造片式电感,必须使铁氧体在较低的温度(950℃)以下烧结,实践证明通过复合添加CuO及Bi2O3是降低六角晶系铁氧体烧结温度的有效方法。

【刊名】信息记录材料

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1引言 随着信息技术的迅猛发展,各种信息设备终端 越来越小型化、高频化川,这就对组成它的一些 基本元器件提出了更高的要求。相对片式电容和电 阻来说,片式电感器件的小型化、高频化的进程显 得较慢,其主要原因在于难以寻找合适的磁心材 料。一般片式电感选择Ag作内电极材料,这是由 于Ag是优良的导体,用它制作成的片式电感Q值 高,而且它比Au、R等金属便宜[2]。然而Ag的 熔点低,限制了与它一起烧结成片式电感的磁性材 料的烧结温度,通常要求烧结温度低于950℃〔’」。 在使用频率低于300MHz的范围内〔’」,用尖晶 石结构的NICuZn铁氧体作磁心是比较理想的,在 900℃左右它就可与Ag一起烧结成性能优良的片 式电感。但是NICuZn铁氧体的Snoek乘积比较低, 自然共振频率只在400MHz附近,电感器件的高频 化要求使用频率要达到GHz的范围,用它作磁心 势必损耗急剧增大,电感Q值明显降低,使得它 不再适合用来制造使用频率比较高的片式电感。鉴 于以上原因,必须寻找Snoek乘积高,自然共振频 率高达到GHz以上,烧结温度尽可能低的铁氧体材 料来作磁心。人们的目光自然而然投向Snoek乘 积、自然共振频率相对较高的六角晶系铁氧体,但 其烧结温度高达1巧0℃以上,是其制作高频片式 电感器的障碍{l.‘〕。 为了降低六角晶系铁氧体的烧结温度,人们借 鉴了NICuzn铁氧体随Cu的含量增加而烧结温度 降低的特点,用Cu置换二价元素或直接添加CuO 的方法,可使六角晶系铁氧体烧结温度降低至 1000℃左右。若要使其烧结温度降低至950℃以 下,还须添加一定量的Pbo、VZ 05、WO3及BiZ 03 等低熔点氧化物,但添加的PbO、VZ 05和WO3会 与Ag电极发生反应,促进Ag的扩散而产生不利 结果〔4〕,因而添加一定量BiZ 03成为降低六角晶系 铁氧体的烧结温度的有效手段。目前研究最多的是 Z型和Y型两大类六角晶系铁氧体,通过上述方法 可使其烧结温度降低至950℃以下而不明显影响其 磁学性能,因此六角晶系铁氧体就成为最有前途的 制造高频(300MHz至几GHz)片式电感的磁性材 料[’,6〕。 2低温烧结六角晶系铁氧体的研究现 状 CuO和Bi203等低熔点氧化物的复合添加能有 效地降低六角晶系铁氧体的烧结温度。对于Z型 和Y型六角晶系铁氧体来说,添加氧化物方式略 有不同,对z型CuO采用掺杂的方式添加,而对 Y型CuO采用置换二价CO离子的方式添加的。Y 型铁氧体自然共振频率比Z型的高,因此使用频 率要比Z型高,但Z型的磁导率要比Y型的 白.〔7 .SJ 卜刁。 2.1低温烧结Z型六角晶系铁氧体 Z型铁氧体的材料用一般的固相反应法生成, 采用市售的工业原料FeZ 03、BaCO3、Co。04按 Ba: Co: Fe的原子摩尔比3:2:24称料,用离子水进 行16h的湿式球磨混合,在1 200一1 350℃预烧 Zh。预烧后加入CuO和BiZo:,再用离子水将其球 磨粉碎成比表面积为6.5一22.5m2/g的几种粉料。 将得到的粉料加人IOwt%的PVA水溶液(浓度为 6%)进行造粒,压制成外径11.lmmx内径 5.】mm的圆环状,在930℃的空气中烧结,测量其 磁特性及密度。 Z型六角铁氧体在1300℃预烧得到的Z相重量 比最高,从而呈现最高的川值冈。在Cuo和BiZ O。的含量一定的情况下,为了降低烧结温度采取 的措施是增大烧结前的粉料的比表面积,使其在较 低的温度下致密化。远藤真视、中野敦之等人球磨 了比表面积为6.5、1 1.5、16.5、20.5和22.5m2/ g的几种粉料进行烧结,比表面积为16.5m2/g的 粉料烧结收缩率比6.5、n.5m2/g的明显地大,但 20.5和22.5m2/g粉料烧结收缩率比16.sm,/g增 大并不显著〔礴了,且20.5和22.5m2/g粉料的生产成 本比16.sm,/g大得多,从生产成本和收缩率的综 合考虑,选择比表面积为16.sm“/g的粉料进行烧 结为宜。 对于Cuo和BiZo3的添加量对收缩率的影响远 藤真视、中野敦之等人也作了定量的研究,根据研 究结果通过swt%CuO和swt%Bi203的复合添加, 获得最好的收缩效果。经过对晶界及其附近化学成 分的分析,BiZO3主要分布在晶界,而Cuo主要分 布在晶粒中,因此可推测液相的BiZO3促进了晶界 物质的扩散,且Cu促进了晶粒内物质的移动。由 此知道CuO和Bi203的复合添加,更进一步达到了 致密化的效果。 综上所述,复合添加swt%CuO和swt%Bi:03 烧结而成的Z型六角铁氧体的林;为3.6,截止频率 为1.75GHz。用低温烧结的Z型六角铁氧体制备的 画 多层片式电感(1608型2.5匝)的阻抗相对于用 Nicuzn铁氧体向高频方向移动(见图1),因此该 材料更适合制造工作频率在GHz频率范围的高品 质因素的小型铁氧体电感器件。 =共二书牛牛抖件片=二 阵 二丰井韦 手 乒三兰 俘莽卜 拜 片士= 巨 用 卜邵、‘一吮广长尸~ 俘 厂 卜十汁 什 {一 阵 尸 开干 附 卜 阵 阵 田 曰—沙护_ 斗开 十 斗千 干 汗 -飞二二城黑弊远 }!} 汗 {} 盯 用 土 亚 仁__ 土 } 斗 壮 巨 区 工 幸 目 斗 麟 幕 阵 阵 葬 阵 到 降 瀚 奔 阵 津 早 阳 十 开 卜一 州十 + 二产. 甲 --tt 围 { 日万 { {}} 牙 {产- 冈丁 叮 一门 )刀 吕 里 翼 扭 葬 上 二弓之 / 里 其 里 牛 牛二 目 用 茸 平三三 澳 目 干汗 幸 并一 目 目 甲 渊 目 甲 ] 即 姗 氏尸 尸 月升 汁 }一 翻 州 田 一 } m瓦 甲 / 可万 { }} l}} )1 {, 四 …{ / {…… …… 朋 阳 C、撼圈 频率/MHZ 图12型六角铁氧体与NICuzn铁氧体阻抗比较 2.2低温烧结Y型六角晶系铁氧体 Y型六角晶系铁氧体样品制备方法和Z型的基 本相同,只不过Cuo是以置换二价元素的方式加 人的,在预烧前就与其它元素氧化物进行球磨混 合。按一定的比例称取工业原料Baeo。、eo3 04、 FeZ 03、Cuo、Zno,用钢制球磨机进行16小时的 湿式球磨混合后在900一1 100℃的空气中预烧2 小时。预烧后再加人Bi20,,用球磨法将其粉碎成 比表面积为5.0m2/g的粉料。将得到的粉料加入 10wt%的PVA水溶液(浓度为6%)进行造粒, 压制成外径H.lmmx内径5.lmm的园环状(T- 5),将得到的样品在950一1 200℃的空气中烧结。 烧结体的电磁特性的采用同轴法测量,通过HPS slOC网络分析仪在45MHz一IOGHz的频率范围内 测量S参数计算得出。 众所周知,Y型六角晶系铁氧体BaZCoZFe,2022 (以下简称C02Y)成为单相的温度为1 100℃,烧 结温度在1 150一1 200℃之间,为了能和Ag电极 同时烧成片式电感,必须将其烧结温度降低至 950℃以下。梅田秀信等人用cu置换一部分Co来 进行低温烧结实验,在BaZCo:_xCu、Fe12O22(以下 简称CoZ_xCuxY)中,以X为变量在0一2.0的范 围内取X=0、0.5、1 .0、1 .5、2.0等5个点来做 实验,实验结果以X=1.0时生成单相的温度最 低,而且烧结温度降低至10(X)℃左右。为了能与 Ag共烧此烧结温度仍然偏高,再考虑在Co.。Cul。 Y的配方中添加低熔点氧化物BiZ 03来获得更低的 烧结温度。实验结果如图2所示,当BiZ 03添加量 为5.Owt%时收缩率达巧%的温度降低至900℃以 下。由此可见10mol%的Cuo的置换及5.Owt%的 Bi20。的添加,可获得在900℃以下低温烧结的Y 型六角晶系铁氧体材料。 性场;HaZ为包含C轴磁化旋转的各向异性 场;7为旋磁比。 、之赣林藉叶攫 二____{_盆_)一{_____;__; 添加BiZO3 —0 .0 wt% -----一0.5 wt% —1 .0 wt% -----一5,Owt% 一_)_{…_ }冬{、, l::三三:’二: ,一宁于乍巴卜了l 石::::}: 二三:三’于: 牙弓粤考性.矛1卜佗 i于::三::: l:万::::’ l宁介r个少于色.嘴 …________之_川_片润 ‘:王::上11:! !二止牙共{!: }、:曰 {一山… 丰;1 11泉流; 泪:::::上 石苏仁::::: t巴叮性l性性考寸 l:三:::’: l:,::: ha Me Zn Mg N! C005Zn05 _CO 不 下下…;一二.呈一洲一“沐 。二一二二;:一二一、一*一井,一泞一州 于令)音1111! 万州 一;{{{;i; 频率/eHZ,了 享、讲姗邹 图3 Me不同时的磁导率实部频散特性 温度,℃ 图2添加不同重t的BiZ 03的Col.。Cul.。Y铁氧体收缩率曲线 、之锥翎哥即攀 以上得到的低温烧结的Y型六角晶系铁氧体 材料的磁导率为2.3,Snoek乘积高达12.SGHz。 由于Snoek乘积高,可以通过改变材料的各向异 性,获得既具有高的磁导率又具有高的自然共振频 率的磁性材料。为了弄清用其它二价金属离子置换 CO时对磁导率和自然共振频率的影响,梅田秀信 等人研究了添加Bi的Me,.。Cul。Y(Me:Ni、Mg、 zn、Coo.szn。,)的磁导率的频散特性(如图3、4 所示),与Me是Co的情况相比较,Me为Ni、 Mg、Zn时的低频磁导率均较高,其中以Me为Zn 磁导率达到最大值(9.7),可推测在磁导率控制 方面,以Zn置换Co是比较有效的。因此在低温 烧成Y型六角晶系铁氧体中,通过二价金属离子 的置换可以控制其磁导率在2.3一9.7,共振频率 在1.0一5.7GHz之间变化。 现在简单的分析一下通过二价金属离子的置换 可以获得高磁导率的原因;由旋转磁化而引起的磁 导率和共振频率如式(l)、(2)所示〔,」: },;三{三 …;_一{一…一…{i;; !卜一、_‘…;‘{) 火 Me Zn Mg _NI C005Zn05 —CO 频率zGHz100 图4 Me不同时的磁导率虚部频散特性 一般认为磁导率主要是旋转磁化的贡献L4〕。 由于二价金属离子的置换,Ha.的值降低,Ni、Mg 置换时,各向异性场Ha,的降低是磁导率上升的主 要原因,虽然饱和磁通密度Is略有减少,但磁导 率还是上升的。而在Zn置换时跟Ni、Mg置换稍 有不同,不仅各向异性场Ha,的值降低而且饱和磁 通密度Is增加,从而磁导率的增加也最大。由此 可推测,通过二价金属离子置换而引起磁导率的上 升是由于元素的置换引起各向异性场的变化和饱和 磁通密度的变化所造成的。由Ni、Mg、zn等二价 离子的置换,各向异性场的降低,根据(2)式的 计算,六角晶系铁氧体材料自然共振频率向低频方 向移动。 根据以上结果总结如下,由于Cu的置换.获 、、口产、,产 ,l,‘ 子产口胜、Z‘、 拜一l Is 私。Hal fr二于产石瓦~ 乙7r 式中户为共振频率;拜。为真空磁导率;Is为饱和 磁通密度;Hal为在面内磁化旋转的各向异 皿 得Y型单相的温度降低,以10md%的CuO置换 时,在950℃预烧,可以得到单相。再添加swt% 的Bi203,在900℃温度下烧结可得到Y型六角晶 系铁氧体。对低温烧结的Co一。zn。Cu,。Y铁氧体, 当a二1,0时得到最大磁导率为9.7,通过改变a 的值可使磁导率在2.3一9.7之间变化。Zn置换之 所以能得到最大磁导率是由于各向异性场Ha.的减 少以及饱和磁通密度的增大而引起的〔’,。 3低温烧结存在问题及展望 (l)添加CuO’和BiZO3等低熔点氧化物的六角 晶系铁氧体,烧结时容易出现晶粒不均匀生长川, 从而影响其磁导率的提高,今后需要对低温烧结成 六角晶系铁氧体如何获得均匀微细结构的问题进行 研究。 (2)对于z型六角晶系铁氧体来说,目前只 研究了采用掺杂的方式添加

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