抗偏置、低损耗低温烧结铁氧体实现机理及特性研究

With the downsizing development of modern electronic products, all kinds of LTCC magnetic integrated devices are also required to realize high power density and low loss. This has brought new challenges to the corresponding low temperature sintered ferrite materials. Based on the requirements, this project plans to do in-depth researches on design, production and application of the new kind ferrite materials with high power density. Firstly, we will combine theoretical researches and experimental results together to reveal the physical and internal mechanisms of the anti-DC-bias and power loss characteristics of the ferrite materials. Secondly, we will explore the methods to decrease sintering temperature and improve power density of the ferrites, and realize custom adjustment of materials’microstructure and macroscopic properties based on the investigations on composition, process and doping programs. Finally, we will solve the compatibility problem between the new materials and LTCC technology by designing and producing several LTCC integrated power devices. And we can verify the application performances of the new materials based on the tests of the integrated power devices. Though our studies, we can finally promote the development of high-power integrated magnetic devices and materials in our country.

为满足现代电子整机系统小型集成化程度不断提升的需要，各种LTCC磁性集成器件也必须向大功率密度和低功耗方向发展，实现相应低温烧结铁氧体（LTCF）材料抗直流偏置和低损耗成为了该方向发展亟待解决的首要问题。本项目将以此为立足点，开展新型抗直流偏置及低损耗LTCF材料设计、研制再到器件应用验证的一体化深入研究。首先，通过理论推导结合实验验证，揭示LTCF材料抗直流偏置和功率损耗特性的影响规律及内在物理机制；其次，在机理研究基础上，探索兼顾降低材料体系烧结温度、提高可承载功率密度的有效途径，并结合材料配方构建、工艺调控以及掺杂改性等诸多手段的协同创新，达到平衡兼顾材料低温烧结、低损耗以及抗直流偏置等诸多述求的目的；最后，解决研制新材料与LTCC流延叠层、匹配共烧等工艺的兼容性问题，通过LTCC集成功率原型器件的设计与试制，验证新材料的应用效能，为促进新型功率磁性集成器件和材料的结合发展奠定基础。

为满足现代电子整机系统小型集成化程度不断提升的需要，各种LTCC磁性集成器件也必须向大功率密度和低功耗方向发展。而提升相应低温烧结铁氧体（LTCF）的性能是亟待解决的首要问题。本项目以此为切入点，针对LTCF材料的抗直流偏置和功耗影响机理进行了深入的理论和实验研究，开展的主要研究内容及取得结果包括：1、建立了LTCF材料有效磁导率与晶粒磁导率、晶粒尺寸以及晶粒宽度之间的理论计算模型，发现为了提高LTCF材料的抗直流偏置特性，采用具有更高晶粒磁导率并配合更大晶界宽度的方式效果最佳。我们通过实验也很好的验证了该计算模型的正确性。在此基础上，我们尝试了多种晶界拓展掺杂方案，成功研发出兼具高磁导率和高抗直流偏置特性的LTCF材料，综合效果达到了国际上已有报道的最高水平。2、将LTCF材料的损耗按磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗进行了分解拟合，发现磁滞损耗是决定LTCF材料损耗的关键。实验发现，通过优化助熔剂的掺杂方案，进一步提升铁氧体致密度、均匀化和细化晶粒，可以有效降低LTCF材料在不同条件下的功率损耗。3、基于研制的抗直流偏置LTCF材料设计并试制了多款LTCC片式功率电感，优化浆料配置方案实现了新材料的良好流延及与Ag内电极的匹配共烧，研制的功率电感相比目前市售片式电感饱和电流有成倍的提升。在此基础上，进一步设计了叠层片式DC-DC变换器，有望在兼顾磁性集成器件小型化和大功率方面取得更大的突破。.通过本项目的研究，我们不仅成功研发出了高性能的抗直流偏置LTCF材料，解决了其在器件应用中的工艺兼容性问题，为促进新材料的应用打下了良好的基础，同时我们目前也正在与对口企业合作，将研发的LTCF材料进行中试量产，推动本项目科研技术成果的产业转化，为促进我国相关技术和产业的发展做出一定的贡献。