外加力與回流焊對高初始磁導率錳鋅鐵氧體性能的影響

摘 要：在對提供的外徑為6mm的初始磁導率高、中、低的三款錳鋅鐵氧體的非涂裝和涂裝磁環施加垂直力分別為0kg/f、1kg/f、2kg/f、3kg/f、4kg/f和5kg/f的力，用Aglient精密型LCR表測試磁環施加垂直力的電感（Ls），另外，磁環經過回流焊（高溫250℃停留3min，總時間7min）處理前后，使用IWATSU全自動功率損耗B-H測試儀測試感值（Ls）、飽和磁通密度（Bm）和磁通量（Hc）的值。研究結果表明，垂直力對外徑為6mm磁環的μi影響顯著，初始磁導率的大小與垂直外加力對初始磁導率影響的大小成正相關性。同時，回流焊中高溫過程對材料的應力釋放有效，Bm表現出變大的趨勢。

關鍵詞：壓應力；初始磁導率；晶粒尺寸；錳鋅鐵氧體

1引言

1931年，日本東京工業大學的加藤和武井合成了立方晶系的鈷氧磁性體[1]，并稱其為軟磁鐵氧體。1933年，兩人發明了燒結鐵氧體[2]，1936年荷蘭菲利普公司Snoek研究出尖晶石結構的含鋅軟磁鐵氧體，1946年出現了軟磁鐵氧體的工業化生產。鐵氧體分為石榴石型、磁鉛石型和尖晶石型三類[3]，工業化生產的為尖晶石型的鐵氧體[4， 5]，軟磁性鐵氧體可分為錳鋅鐵氧體、鎂錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體，錳鋅鐵氧體的產量占軟磁鐵氧體總產量的80%以上[6]，其中錳鋅鐵氧體按照應用范圍可分為功率錳鋅鐵氧體和高初始磁導率錳鋅鐵氧體。

高初始磁導率錳鋅鐵氧體是主成分為鐵、錳、鋅氧化物，并添加KUSArEEkhFZaPjDk1sPNuTU+NGOjrfCkirkaupusHo8=了其他氧化物[7]，經高溫燒結達到足夠的密度和晶粒尺寸，以獲得高初始磁導率[8]的非金屬功能陶瓷材料。其初始磁導率大，但功率損耗往往較差。錳鋅鐵氧體的高初始磁導率是由可逆磁疇轉動和可逆疇壁運動決定的。但初始磁導率大的晶粒尺寸大、密度大、孔隙少、磁化時疇壁易移動，此時疇壁的移動成為主要限制因子[4]。實際上影響的因素會更為復雜，包括主成分、添加劑的配比、預燒工藝、球磨工藝、生胚成型、燒結終溫和氣氛。

高初始磁導率錳鋅鐵氧體廣泛應用于磁性流體、微波設備、計算機存儲芯片、磁性記錄介質、射頻線圈、變壓器、軸承座線圈、噪聲濾波器、記錄航向和桿狀天線的制造[9]。在實際生產過程中去毛邊、運輸碰撞、涂裝、繞線、封裝等工藝會使磁芯內部產生內應力，特別是鐵磁芯涂覆環氧樹脂，環氧樹脂在硬化時收縮，對磁芯施加永久壓應力[10]，磁致伸縮的影響，鐵氧體的磁性能會顯示出對外加應力的敏感性，低磁致伸縮材料通常被認為對應力不敏感[11]。研究垂直壓力對高初始磁導率錳鋅鐵氧體的涂裝、非涂裝磁環應力影響，并探索回流焊的高溫作用對涂裝、非涂裝磁環的鐵磁芯內應力的變化的意義很大，為后續研究內應力和實際生產提供技術性指導。

2 實驗方法

2.1 樣品

越峰電子（廣州）有限公司的三款產品，A043T6*3*3 、A064T6*3*3和 A104T6*3*3以及真空沉積工藝，表面包裹派瑞林材料的A043T6*3*3HP 、A064T6*3*3 HP和 A104T6*3*3 HP。

2.2 測試方法

用數顯固體密度測試儀測試非涂裝磁環的密度；用Aglient精密型LCR表測試磁環在開路電壓50mV，頻率10kHz下的電感Ls；使用推拉力計測試施加垂直壓力的壓力值；利用回流焊，型號T962模擬熱處理過程；使用IWATSU全自動功率損耗B-H測試儀測試Bm，Hc值。

3 結果與分析

3.1 高初始磁導率錳鋅鐵氧體密度測試

表1為選用的三款高、中、低初始磁導率錳鋅鐵氧體的磁性特性以及測試的密度值，隨機取5顆測試，剔除最高和最低值后的平均值作為測試的值，可以發現，μi值越大，密度越大。高初始磁導率的材質具有較大晶粒尺寸、無巨晶、高純度、低雜質的特點，燒結工藝燒結溫度對其晶粒的成長影響不可忽略，研究的三款材料燒結終溫變大，晶粒中空隙變小，材料摻雜程度越高，空隙越多，將導致疇壁移動困難，進而材料的初始磁導率就越小。

3.2 垂直力對高初始磁導率錳鋅鐵氧體性能的影響

考慮受力過大，Ui的降幅巨大，垂直力研究范圍為1～5kg/f，測試點取5個整數，分別為：1kg/f、2kg/f、3kg/f、4kg/f、5kg/f。測試方法如圖1所示，將銅線兩端連接Agilent E4980A進行測試，繞線銅線暴露放U型實心鋁塊外部，以防銅線被壓，磁環放在兩U型實心鋁塊間，用推拉力計壓在上方的U型實心鋁塊上，并控制壓力大小，穩定壓力3s后讀出電感Ls。

圖2為不同大小垂直外加力對初始磁導率μi的影響，如圖2所示，垂直力對外徑為6mm的磁環的μi影響顯著，初始磁導率的大小與垂直外加力對初始磁導率影響的大小成正相關性，即初始磁導率越大的材料，垂直力對其μi的影響顯著變高[12]。非涂裝（左）和涂裝磁環（右）均符合。

TDK的Isao Kanada[13]等發現結晶粒徑變大是應力對材質初始磁導率（用μi表示）降幅變大的原因，初始磁導率低的錳鋅鐵氧體，環境溫度變化對其μi的影響較低。在垂直外力作用下，材質的Tsmp點移動不明顯，對初始磁導率的影響較弱[10]。初始磁導率對應力的穩定性受微細結構的影響，鐵氧體的磁致伸縮被認為是其應力敏感性的一個重要原因[10]，壓力通過改變疇壁形貌影響磁化機制。在晶粒范圍（疇壁范圍）存在局部各向異性應力，這種感應的磁彈性各向異性影響疇壁位置，涉及在樣本范圍內疇壁的環形配置的退化[14]。負磁致伸縮越大，引起的各向異性越大，抑制了低μi材質對壓力的敏感性。低μi值材質相對于高μi值的，添加劑較多，在耐應力上表現的好。

3.3 回流焊對高初始磁導率錳鋅鐵氧體性能的影響

表2為Φ0.25mm銅線繞線10圈，回流焊（高溫250℃停留3min，總時間7min）處理前后，使用IWATSU全自動功率損耗B-H測試儀（N1=N2=10，測試頻率f為10kHz，磁場強度H為400A/m）測試感值、飽和磁通密度（Bm）和磁通量（Hc）的值。表2可見，回流焊后電感Ls（根據公式①可算換出對應初始磁導率值）出現提升，說明回流焊中高溫過程對材料的應力釋放有效，特別是高μi（μi=10000材質）非涂裝和涂裝磁環的內應力釋放效果明顯，感值出現較大升幅，涂裝磁環的升幅更大。

樹脂包覆鐵氧體磁芯，可以保證磁芯的耐沖擊性和耐濕性，但樹脂固化和收縮時，應力會直接加在磁芯上，封裝后的鐵氧體磁芯會受到約10 MPa的壓應力，一般來說，初始磁導率較高，應力引起的μi值降幅較大[13]，而回流焊的高溫過程將內涂裝以及材料的內應力釋放。

值得注意的是，經過回流焊后的Bm表現出變大的趨勢。初始磁導率的增大會使飽和磁矩增大。

公式：

μi=Ls× ①

其中μi：初始磁導率；

N：測試時銅線的繞線圈數；

Ls：繞線測試的多圈電感值；

Le：磁芯有效磁路長度；

Ae：磁芯有效面積

4 結論

（1）垂直力對外徑為6mm的磁環的μi影響顯著，初始磁導率的大小與垂直外加力對初始磁導率影響的大小成正相關性，即初始磁導率越大的材料，垂直力對非涂裝和涂裝的磁環μi影響顯著變高。

（2）回流焊中高溫過程對材料的應力釋放有效，特別是高μi（μi=10000材質）的非涂裝和涂裝磁環的內應力釋放效果明顯，感值出現較大升幅，涂裝磁環的升幅更大。經過回流焊后的Bm表現出變大的趨勢。初始磁導率的增大會使飽和磁矩增大。

參考文獻

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