《磁性材料与器件成型技术（上）》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。《磁性材料与器件成型技术（上）》以应用于电子信息领域的铁氧体磁性材料和磁芯器件设计、成型、测试、分析为主体进行论述。《磁性材料与器件成型技术（上）》上册按软磁尖晶石锰锌晶系、尖晶石镍锌晶系、平面六角晶系、铁电/铁磁晶系和等磁介晶系依次进行磁性材料晶格理论设计、配方优化、制备工艺和磁芯器件成型技术的介绍，每章*后给出一个软磁铁氧体*新器件设计和成型制造方法。下册，给出不同微波/毫米波频段旋磁铁氧体的材料制备和磁芯器件成型技术方法，尤其是*新的低温共烧陶瓷（LTCC）成型技术。包括了石榴石YIG旋磁、尖晶石NiCuZn旋磁、平面六角钡铁氧体旋磁、复合介电-旋磁和尖晶石LiZn旋磁体系的低温共烧结制备技术，并在每一章给出一个典型微带集成器的理论设计及LTCC成型技术的实例。

第1章MnZn功率铁氧体磁芯制备
　　1.1　　绪论
　　1.1.1引言
　　一切电子设备都离不开电源提供能量，电源技术发展到今天，融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为*树一帜的功率电子学。随着5G通信、人工智能、存算一体化等电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛，对电源的要求也越来越高。开关电源因具有体积小、质量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点逐渐取代传统线性稳压电源，并广泛应用于各类电子电器整机设备中，成为现代电子设备的重要组成部分。开关电源现已进入了快速发展时期，并且成为世界各主要国家尤其是发达国家研究的热点。随着电子信息产业的迅速发展，对应用其中的开关电源不断提出新的要求：小型轻量化、高效平面化和高的可靠性。要实现这些目标，需要三个方面的技术保障：①高性能的功率铁氧体材料；②高频、低压大电流或高压大功率的开关晶体管；③高效低成本的电源设计与制造技术（包括控制芯片）。目前，在开关频率低于1MHz的频率范围内，②、③两个问题已得到较好的解决，开关晶体管和控制芯片以及电源设计技术已较成熟，而制约国内开关电源实现小型轻量化、高效平面化和提高可靠性目标的主要问题是应用于其中的功率铁氧体材料。该类材料作为开关电源的核心，完成功率的转换与传输，是开关电源体积和质量的主要贡献者[1]。
　　MnZn功率铁氧体由于具有高饱和感应强度、高磁导率、低损耗等特性，被广泛用作开关电源的磁芯材料[2-8]。但是已有的一般MnZn功率铁氧体有着较强的温度依赖性，其损耗的温度特性*线具有较深的波谷，如图1-1所示。当温度高于或低于谷底温度（Tm）时，单位体积功耗（Pcv）将快速上升，因而限制了它们的应用范围，如露天、地下、南北、冬夏等环境温差大，要求MnZn功率铁氧体具有高的温度稳定性的场合。因此，开展宽温度低损耗MnZn功率铁氧体的研究是十分必要的。立足于自主创新，通过材料配方体系和制备工艺的研究，开发出具有自主知识产权的宽温度低损耗功率铁氧体材料，为我国电子设备小型轻量化和提高效率与可靠性提供材料基础和技术支撑。这对于推动我国开关电源和铁氧体行业产品的升级换代，提高我国铁氧体产品的品质和档次，增强我国铁氧体行业的国际竞争力有重要的意义。
　　图1-1一般MnZn功率铁氧体的Pcv-T*线
　　1.1.2MnZn系功率铁氧体发展历程和国内外研究进展
　　1．MnZn系功率铁氧体发展历程
　　1952年日本冈村敏彦发明了MnZn铁氧体，此后，MnZn功率铁氧体材料一直是世界各国广大铁氧体工作者的研究重点之一。20世纪70年代初，为了适应开关电源发展的需要，日本、欧洲厂商研究开发出**代功率铁氧体材料，但这类材料功耗较大且温升显著，一般只用于16～25kHz的民用开关电源，如日本TDK株式会社的H35、FDK株式会社的H45。80年代初，用于25～100kHz频率的第二代材料被开发出来，其*大特点是在一定范围内功耗呈现负温度系数，能有效防止温升造成的电磁性能下降，如日本TDK株式会社的H7C1（也称为PC30）、FDK株式会社的6H10、德国Siemens股份公司的N27和荷兰Philips公司的3C80等材料。80年代中后期，国外研发出使用频率为100～500kHz的第三代材料。这类材料特别适用于频率为200kHz左右的高频开关电源，如日本TDK株式会社的H7C4（也称为PC40）、FDK株式会社的6H20和6H40、德国Siemens股份公司的N72、荷兰Philips公司的3C85和3F3等材料。进入90年代后，第四代功率铁氧体材料研发成功，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般达500～1000kHz，如日本TDK株式会社的H7F（也称为PC50）、FDK株式会社的7H10和7H20、德国Siemens股份公司的N49和N59、荷兰Philips公司的3F4、日本TOKIN株式会社的B40等材料。表1-1给出了几种典型的MnZn功率铁氧体材料的主要性能。
　　另一方面，由于在提高应用频率的同时降低了材料的起始磁导率，并且，开关电源的高频化进程并不如预期的那样迅猛，超过1MHz的开关电源在晶体管开关损耗、控制芯片分布参数的提取、工作点的确定、电磁兼容（electromagneticcompatibility，EMC）及经济性方面都还有待于进一步突破，而且目前绝大多数开关电源的应用频率仍低于500kHz，因此，世界各研发机构针对应用于500kHz以下开关电源模块的MnZn功率铁氧体展开了系统研究。日本TDK株式会社针对不同应用情况开发出了PC44、PC45、PC46和PC47材料，这些材料的*小功耗在100kHz，200mT条件下分别为300mW/cm3、250mW/cm3、250mW/cm3和250mW/cm3，比第二代、第三代MnZn功率铁氧体的功耗有了大幅度降低，如图1-2所示。但PC44、PC45、PC46、PC47具有较强的温度依赖性，其功率损耗与温度的特性*线都具有较深的波谷，谷底的温度分别在100℃、75℃、45℃、100℃附近，高于或低于该温度点，材料损耗将快速上升。这类材料*理想的应用情况是器件负荷时的平衡温度恰好是功耗的谷底温度。但实际上，让平衡温度与谷底温度重合并非易事。为此，2003年7月日本TDK株式会社推出了不同凡响的新材料——PC95材料。该材料是一种宽温度、低损耗MnZn功率铁氧体材料，基本上把PC44、PC45、PC46和PC47材料的*低损耗点连接起来，在25～120℃范围内，100kHz，200mT条件下，功率损耗均小于350kW/m3。这在很大程度上改善了MnZn功率铁氧体损耗和起始磁导率的温度特性，增加了材料的温度稳定性。宽温度、低损耗MnZn功率铁氧体材料已成为当前该领域的研究难点和热点，是近年来软磁铁氧体行业技术进步的标志性成果之一，也为这一行业提供了有前景的一个高端市场。因此，国内外许多研究机构争相进行研究开发，陆续推出了各自同类产品。国外研究机构及产品主要有日本FDK株式会社的6H60材料、JFE钢铁株式会社的MBT1/MBT2/MBT3材料、德国EPCOS公司的N95材料、韩国梨树（ISU）集团的PM12材料、Ferroxcube公司的3C95材料等。国内的研发机构主要有电子科技大学、华中科技大学、台湾越峰（ACME）电子材料股份有限公司、广东乳源东阳光磁性材料有限公司、天通控股股份有限公司、横店集团东磁股份有限公司、南京金宁三环富士电气有限公司（JSF）等。表1-2给出了部分宽温度低损耗功率铁氧体产品的性能指标。
　　图1-2几种典型的MnZn功率铁氧体损耗-温度特性*线
　　图1-3为日本JFE钢铁株式会社MBT3材料的单位体积功耗-温度特性*线。在20～140℃温度范围内，100kHz，200mT条件下，该材料的单位体积功耗都低于340kW/m3，其90℃的谷点单位体积功耗为245kW/m3，表明MBT3材料在性能上已经优于PC95材料。
　　图1-3日本JFE钢铁株式会社MBT3材料的单位体积功耗-温度特性*线
　　2．MnZn系功率铁氧体国内外研究状况
　　MnZn系功率铁氧体作为应用于功率转换和传输场合的主流材料，一直是国内外研究机构的研究热点。P.J.vanderZaag[9]采用中子极化实验研究了磁畴形态的临界尺寸。结果表明，在一定晶粒尺寸下，多晶铁氧体是由单畴晶粒构成的。T.Kawano等[10]研究了不同MnZn铁氧体组分下材料中Fe2+含量、复数磁导率及磁芯损耗，分析了磁芯损耗与复数磁导率虚部之间的关系。C.Y.Tsay等[11]采用传统烧结和微波烧结共烧工艺制备了MnZn铁氧体，研究了软磁铁氧体的密度、磁导率的温度特性及高频下的磁芯损耗。W.H.Jeong等[12]详细分析了MnZn铁氧体的磁芯损耗与晶粒尺寸间的关系，重点讨论了剩余损耗与晶粒尺寸间的关系。V.T.Zaspalis等[13]讨论了TiO2添加剂对多晶MnZn铁氧体磁芯损耗及电阻率的影响。研究结果表明，TiO2可促进Ca和Si均匀地聚集在晶界处，这可归因于阳离子空位浓度的增加，而空位浓度增加与四价Ti4+进入尖晶石铁氧体晶格有关。J.Topfer等[14]讨论了MnZn铁氧体的微结构对材料阻抗特性及磁芯损耗的影响。F.J.G.Landgraf等[15]研究了不同环形样品尺寸对MnZn铁氧体磁性能的影响，结果表明，小尺寸的环形样品的磁芯损耗明显低于大尺寸样品。C.Beatricea等[16]研究了MnZn铁氧体的磁损耗、磁导率谱，还分离了畴壁位移贡献的损耗和磁化转动引起的损耗，认为磁化转动产生的损耗为兆赫兹频段主要的磁损耗来源。兰中文等研究了粉体粒度、成型密度和烧结工艺对MnZn功率铁氧体材料性能的影响，指出组分为Mn0.76Zn0.16Fe2.08O4材料的*佳工艺条件，率先在国内得到了与日本TDK株式会社PC50材料性能相近的功率铁氧体。
　　李海华等研究了烧结温度对低损耗MnZn铁氧体材料功耗、起始磁导率、居里温度、电阻率及微观结构等因素的影响。结果表明，随着烧结温度的升高，功耗先下降后上升，Zn挥发严重，饱和磁感应强度和居里温度基本上无变化，晶粒的微观结构也受烧结温度的直接影响。他们还研究了MnZn功率铁氧体在不同温度、频率和磁感应强度下的损耗特性，分析了磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗的机制及其与温度、频率和磁感应强度的关系。结果表明，当频率不高于100kHz时，MnZn功率铁氧体的损耗由磁滞损耗、涡流损耗组成，其中磁滞损耗在低温时占主导，随着频率的升高，即使在磁感应强度较低时，涡流损耗和剩余损耗的影响也不容忽视，且两者随温度升高而增加。聂建华等研究了纳米SiO2及微米SiO2添加剂对MnZn铁氧体磁性能的影响，通过优化纳米SiO2含量，制备了低损耗的MnZn铁氧体[17]。余忠等详细分析了烧结工艺对高频MnZn功率铁氧体的性能影响。研究结果表明，烧结温度越高，晶粒越大，晶界越薄，电阻率越低，磁芯损耗越大，起始磁导率和烧结密度分别在1240℃和1230℃达到*大值。延长保温时间，可以使晶粒充分生长，晶界变薄，电阻率减小，损耗增大。保温3h，起始磁导率和烧结密度可以达到*大值。氧分压越低，材料起始磁导率越高，电阻率越小，损耗越大，但氧分压低于5%后烧结密度不再继续增加。张益栋等研究了Nb2O5对高频MnZn功率铁氧体微结构和性能的影响。结果表明，Nb2O5的适量添加可以细化晶粒，促进晶粒均匀致密，提高材料的起始磁导率和电阻率，降低功率损耗。Nb2O5适宜的添加量为0.015%～0.025%，过量添加会导致晶界处存在较多气孔，材料密度和电阻率降低，功耗上升。余忠等研究了CaO、V2O5添加剂对高频MnZn铁氧体性能的影响。结果表明，对于工作频率高于500kHz的MnZn功率铁氧体，增加CaO的添加量可以提高晶界电阻率，*大程度地降低涡流损耗；

目录
总序
前言
第1章 MnZn功率铁氧体磁芯制备 1
1.1 绪论 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 MnZn系功率铁氧体发展历程和国内外研究进展 2
1.1.3 MnZn铁氧体磁芯制备工艺研究 8
1.2 宽温度低损耗MnZn系功率铁氧体研制方案 9
1.2.1 研制方案 9
1.2.2 工艺流程 13
1.2.3 分析表征 14
1.3 MnTiZn和MnSnZn四元系功率铁氧体材料研究 15
1.3.1 研究方案 15
1.3.2 MnTiZn四元系功率铁氧体材料研究 15
1.3.3 MnSnZn四元系功率铁氧体材料研究 26
1.4 MnTiSnZn和MnCoTiZn五元系功率铁氧体材料研究 29
1.4.1 引入五元系 29
1.4.2 MnTiSnZn五元系功率铁氧体材料研究 29
1.4.3 MnCoTiZn五元系功率铁氧体材料研究 35
1.5 宽温度低损耗MnCoTiZn功率铁氧体材料添加剂技术研究 38
1.5.1 添加剂引入 38
1.5.2 Ta2O5对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响 39
1.5.3 Nb2O5对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响 43
1.5.4 ZrO2对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响 47
1.6 宽温度低损耗MnZn系功率铁氧体材料工艺技术研究 50
1.6.1 MnZn系工艺引入 50
1.6.2 预烧温度的研究 51
1.6.3 二次球磨时间的研究 56
1.6.4 烧结温度的研究 62
1.7 宽温度低损耗MnCoTiZn功率铁氧体应用研究 64
1.7.1 磁芯变压器制备 64
1.7.2 开关电源变压器的原理及组成 65
1.7.3 开关电源变压器的优化设计 70
1.7.4 开关电源变压器的研制与应用 79
参考文献 80
第2章 NiCuZn铁氧体制备研究 83
2.1 绪论 83
2.1.1 研究的背景和意义 83
2.1.2 低温烧结铁氧体材料技术要求 85
2.1.3 低温烧结NiCuZn铁氧体降温途径 86
2.1.4 低温烧结NiCuZn铁氧体的制备方法及研究进展 87
2.1.5 叠层片式电感器件发展趋势及对LTCF材料提出的要求 90
2.2 低温烧结NiCuZn铁氧体关键特性参数的理论分析 91
2.2.1 NiCuZn铁氧体材料特点 91
2.2.2 关键特性参数的理论分析 93
2.3 氧化物法制备低温烧结NiCuZn铁氧体材料研究 109
2.3.1 氧化物法制备NiCuZn铁氧体工艺流程 109
2.3.2 低温烧结NiCuZn铁氧体配方影响研究 110
2.3.3 氧化物法制备工艺对低温烧结NiCuZn铁氧体影响研究 116
2.3.4 掺杂方案对低温烧结NiCuZn铁氧体性能影响研究 121
2.4 采用遗传算法进行氧化物法材料配方设计研究 130
2.4.1 引入的意义 130
2.4.2 遗传算法概述 130
2.4.3 遗传算法基本过程 131
2.4.4 遗传算法在低温烧结NiCuZn材料配方设计中的应用 133
2.4.5 程序设计 141
2.5 溶胶-凝胶法及复合法制备低温烧结NiCuZn铁氧体 143
2.5.1 溶胶-凝胶法概述 143
2.5.2 制备工艺流程 144
2.5.3 合成粉末的相结构 144
2.5.4 样品烧结性能及磁性能 145
2.5.5 复合法的提出 147
2.5.6 复合法实验过程及分析 147
2.6 片式电感结构优化设计和制备工艺研究 151
2.6.1 材料器件一体化制备技术 151
2.6.2 Ansoft HFSS仿真软件简介及设计过程 153
2.6.3 片式电感结构设计及优化 155
2.6.4 实际片式电感制备工艺过程 164
2.6.5 片式电感性能分析 166
参考文献 169
第3章 高频Co2Z型六角铁氧体材料 171
3.1 绪论 171
3.1.1 引言 171
3.1.2 国内外研究现状 173
3.1.3 实验合成方法 180
3.2 Z型六角铁氧体的固相反应合成 183
3.2.1 Z型六角铁氧体引入 183
3.2.2 固相反应法制备Z型六角铁氧体的相转变过程分析 185
3.2.3 工艺条件对Z型六角铁氧体微观结构和磁性能的影响 189
3.3 Z型六角铁氧体的掺杂改性 200
3.3.1 掺杂改性引入 200
3.3.2 Y2O3掺杂对Z型六角铁氧体微观结构和电磁性能的影响 201
3.3.3 Nb2O5掺杂对Z型六角铁氧体微观结构和电磁性能的影响 205
3.3.4 PZTS掺杂对Z型六角铁氧体微观结构和电磁性能的影响 212
3.4 Z型六角铁氧体的低温液相烧结 217
3.4.1 低温液相烧结引入 217
3.4.2 Bi2O3助熔Z型六角铁氧体材料的微观结构及电磁性能 218
3.4.3 Bi2O3-SiO2助熔Z型六角铁氧体材料的微观结构及电磁性能 232
3.5 Z型六角铁氧体的软化学合成 236
3.5.1 软化学合成引入 236
3.5.2 溶胶-凝胶法合成Z型六角铁氧体 237
3.5.3 纳米-微米颗粒组配工艺制备低温烧结Z型六角铁氧体 238
参考文献 241
第4章 铁电/铁磁复合材料 243
4.1 绪论 243
4.1.1 引言 243
4.1.2 高性能铁电/铁磁复合材料 244
4.1.3 低温共烧陶瓷技术 247
4.2 低温烧结BaTiO3(CaTiO3)/NiCuZn铁氧体复相陶瓷研究 253
4.2.1 两种复相陶瓷的制备 253
4.2.2 相组成、烧结性能与微结构分析 254
4.2.3 磁性能研究 257
4.2.4 介电性能研究 268
4.3 化学合成BaTiO3对低温烧结铁电/铁磁复相陶瓷性能的影响 274
4.3.1 铁电/铁磁复相陶瓷的制备 274
4.3.2 相组成、烧结性能与微结构分析 275
4.3.3 磁性能研究 279
4.3.4 介电性能研究 284
4.4 低温烧结多元氧化物掺杂铁电/铁磁复相陶瓷性能研究 286
4.4.1 Li2CO3-V2O5对BaTiO3微结构和性能的影响 286
4.4.2 Bi2O3-Li2CO3-V2O5掺杂铁电/铁磁复相陶瓷性能研究 288
4.5 低温烧结铁电/铁磁/玻璃复合材料性能研究及器件制作 296
4.5.1 BBSZ玻璃对铁电/铁磁复相陶瓷性能的影响 296
4.5.2 LTCC低通滤波器的设计与制作 303
4.6 低温烧结Bi4Ti3O12/NiCuZn铁氧体复相陶瓷性能研究 314
4.6.1 Bi4Ti3O12掺杂NiCuZn铁氧体性能研究 314
4.6.2 Bi4Ti3O12/NiCuZn铁氧体复相陶瓷性能研究 320
参考文献 323
第5章 等磁介铁氧体-复合软磁 326
5.1 绪论 326
5.1.1 研究背景 326
5.1.2 磁介铁氧体材料发展现状 327
5.1.3 低温共烧陶瓷/铁氧体技术以及甚高频微带天线 333
5.2 Cd2+取代对Mg和Mg-Co铁氧体结构及磁介性能的影响 337
5.2.1 Cd2+取代的意义 337
5.2.2 Mg-Cd铁氧体制备及性能研究 339
5.2.3 Mg-Cd-Co铁氧体制备及性能研究 349
5.3 Sm3+取代对Mg-Cd铁氧体结构及磁介性能的影响 356
5.3.1 Sm3+取代的意义 356
5.3.2 Mg-Cd-Sm铁氧体制备及性能研究 357

5.4 Ga3+取代对Mg-Cd铁氧体结构及磁介性能的影响 364
5.4.1 Ga3+取代的意义 364
5.4.2 Mg-Cd-Ga磁性铁氧体制备及性能研究 365
5.4.3 Mg-Cd-Ga铁氧体在不同合成温度下的制备及性能研究 371
5.5 基于磁介材料的宽频带圆极化微带天线研究 377
5.5.1 磁介材料微带天线的优点 377
5.5.2 磁介材料生瓷料带及铁氧体基片工艺制备研究 379
5.5.3 基于磁介材料的圆极化微带天线的设计加工与测试 382
参考文献 391
关键词索引 393