Классификация магнитных материалов. Ферриты

Рис. 8. Классификация магнитных материалов

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми – с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

По масштабам применения в электронной технике среди материалов специализированного назначение следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. Детальная классификация магнитных материалов, положенная в основу их изучения, дана на рис. 8.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Общая химическая формула: MO∙M'O∙Fe2O3, где M означает такие двухвалентные металлы, как Ni, Mn, Li, Cu, Pb, a M' – Zn и Cd.

Большое удельное сопротивление ρ, превышающее ρ железа в 103 - 1013 раз, а, следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Получение ферритов. Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Общая технологическая схема производства ферритов во многом аналогична схеме производства радиокерамики. Однако при получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляются более жесткие требования и исходному сырью в отношении его химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. В отличие от электрорадиокерамики ферритовая керамика совершенно не содержит стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и спекания изделий происходят лишь за счет диффузии в твердой фазе.

Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительных обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовые порошок, который идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют, причем в качестве пластификатора обычно используют водный раствор поливинилового спирта.

Формование изделий наиболее часто осуществляют методом прессования в стальных пресс-формах. Высокой производительностью формовки отличается также метод горячего литья под давлением. В этом случае в качестве пластифицирующего и связующего вещества применяют парафин. Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100 – 1400^оС в контролируемой газовой среде. Контроль за составом газовой среды особенно необходим на стадии охлаждения, чтобы предотвратить выделение побочных фаз. Наибольшей чувствительностью к изменению давления кислорода характеризуются ферриты марганца и твердые растворы ни их основе. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зеренную структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства керамики.

Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не позволяющими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку. Для этих видов механической обработки широко используют порошки карбида кремния и абразивные инструменты из синтетических алмазов.

Катушки индуктивности для ГИС. Поскольку высота корпуса ГИС равна 3—6 мм, применение в них обычных каркасных катушек индуктивности невозможно. Требованиям гибридной технологии отвечают лишь миниатюрные катушки, например плоские, на ферритовых сердечниках тороидальной формы и пленочные. К контактным площадкам приваривается эмалированный медный провод. В стандартном исполнении контактные площадки покрывают сплавом серебра и палладия, рассчитаны они на контактирование с проводящим клеем или припоем. Максимально допустимое время пайки при 513 К составляет 10 с. Возможно увеличение до 20 с, для индуктивностей с керамическим каркасом, выполненных по заказу с усиленной металлизацией контактных площадок (медь по золоту).

Чип-индуктивности представляют собой многослойную конструкцию из чередующихся слоев магнитного материала и электропроводящих паст, заключенную в прямоугольный монолитный корпус. Фактически такая конструкция имеет собственный магнитный экран (рис, 9). Удержание магнитного потока внутри корпуса позволяет использовать компонент в аппаратуре с высокой плотностью монтажа, (всего 2,5 мкм один относительно другого), поскольку наводки от него сведены к минимуму.

Рис. 9. Схематическое представление принципа работы (a), структуры (б) и общего вида конструкции чип-индуктивности (в); 1- магнитный материал; 2- внутренний проводник;

3- внешний электрод; 4- силовые линии магнитного поля.

Испытания показали их высокую надежность. Внешние электроды катушек индуктивности изготовляют методом электролитического осаждения, они хорошо выдер­живают тепловые нагрузки при пайке.

Катушки индуктивности для ГИС, изготавливаются с использованием технологии композитных материалов.

Корпуса катушек индуктивности, используемые в ГИС, должны быть тщательно согласованы по ТКЛР с подложками ГИС. Это легко достижимо для изделий в керамических корпусах. Изделия в ферритовых корпусах (на более высокие номиналы индуктивности), хотя и имеют больший ТКЛР, чем их керамические аналоги, обычно остаются совместимыми с керамическими подложками толстопленочных ГИС. Сложнее обстоит дело в случае использования перспективных слоистых пластмассовых подложек, которые на стыке с корпусом смонтированного на поверхность компонента дают сдвиговые напряжения, способные привести к обрыву цепи или даже к повреждению компонента.

Таблица 1

Сведения о конструкциях катушек индуктивности и некоторые формулы для определения их основных параметров

№ п/п	Конструкция компонента	Расчетные формулы
1	Однослойная КИ	(1) Для намотки с шагом: (2) Для сплошной намотки: (3), где α- коэффициент неплотности (см. табл.2)
2	Многослойная КИ	(4) где ω - общее число витков. (5,6) где α - коэффициент неплотности (см. табл.2), ω1 - число витков в одном слое; n - число слоев
3	Секционированная КИ	(7), где m - число секций; L1 – индуктивность одной секции

Продолжение таблицы 1

№ п/п	Конструкция компонента	Расчетные формулы
4	Плоская КИ с круглыми витками	(8)
5	Плоская КИ с квадратными витками	(9)
6	Тороидальная КИ на каркасе прямоугольного сечения	(10)
7	Тороидальная КИ на каркасе круглого сечения	(11), где Dср - средний диаметр каркаса; dв - средний диаметр витка намотки
8	Прямой проводник круглого сечения	(12)

Окончание таблицы 1

№ п/п	Конструкция элемента		Расчетные формулы
9	Прямой проводник печатной платы		(13)
10	Кольцо из провода круглого сечения		(14)
11	Кольцо из проводника печатной платы	(15)

Ниже приведены пояснения, характеризующие каждый из элементов табл. 1 и соответствующие расчетные формулы.

Формула (1) пригодна для всех типов однослойных цилиндрических КИ: с шагом и без шага (сплошных), с каркасом и без него, а также катушек с вожженой намоткой. Значения l_ш и D_ср выбираются между центрами проводников намотки. Коэффициентом неплотности α учитывается толщина изоляционной пленки на проводе, его величина определяется из табл. 2. Для промежуточных значений d_пр величину α можно получить линейной интерполяцией.

Таблица 2

Значения коэффициента неплотности для различных

толщин изоляционного слоя

dпр, мм	0,08 - 0,11	0,15 - 0,25	0,35 - 0,41	0,51 - 0,93	Свыше 1,0
α	1,3	1,25	1,2	1,1	1,05

Типичные значения параметров однослойных КИ: L = 0,1 – 100 мкГн, ω = 2 – 200 витков, d_пр =0,1-2 мм, D_ср= 3-12 мм, l/D_ср = 0,5 – 3. Такие катушки применяются в качестве контурных на частотах 1 – 100 МГц, часто снабжаются подстроечными сердечниками.

Диаметр провода рекомендуется выбирать из ряда стандартных значений: 0,03; 0,08; 0,10; 0,12; 0,15; 0,23; 0,25; 0,29; 0,33; 0,35; 0,41; 0,51; 0,55; 0,64; 0,72; 0,80; 0,90; 1,00; 1,20; 1,50 мм.

Формулы (2) и (3) справедливы для всех типов многослойных намоток: рядовой, пирамидальной, "внавал", "универсаль". Типичные значения параметров: L =100 – 3000 мкГн; ω = 50 - 1000 витков; d_np = 0,06 - 0,3 мм; D_ср = 5 - 10 мм; п = 2 - 10. Для секционированных КИ т = 2 - 5. Такие КИ применяются в качестве контурных на частотах 10 - 1000 кГц, и они могут иметь ферритовые сердечники.

Формулы (4) и (5). Конструкция плоских КИ с квадратными витками проще в изготовлении и при равной занимаемой площади дает большую индуктивность, чем плоская КИ с круглыми витками, однако характеризуется меньшей добротностью. Если витки КИ прямоугольные, то нужно пересчитать их, заменив квадратными равной площади. Типичные параметры: L = 0,01 – 10 мкГн; ω = 2 – 1 витков; D_м(A_м) = 3 – 15 мм; D_вм(A_вн) = 1 – 3 мм. Применяются ограниченно на частотах от 1 до 100 мГц. Более точная графо-аналитическая методика расчета плоских КИ приведена в литературе [4].

Формулы (6) и (7) применимы как для однослойных, так и для многослойных тороидальных КИ. Такие КИ используют преимущественно с магнитными сердечниками в качестве дросселей высокой частоты. Обычно D_м (D_вм) = 3 – 20 мм; h(d_в) = 1 – 10 мм; ω = 10 – 250 витков; L = 0,1 – 50 мкГн (без сердечников).

Формулы (8) и (9) используют для расчета индуктивности выводов КИ, которую следует учитывать при малой индуктивности основных КИ. Ориентировочно можно полагать, что 10 мм проводника имеет индуктивность 0,01 мкГн.

Формулы (10) и (11). Чаще всего такие петли появляются в результате недостаточно продуманного конструктивного решения. Если форма петли – неправильная кривая, то для расчета индуктивности ее следует заменить окружностью, охватывающей такую же площадь.