沈昌逸、湯士源 / 工研院材化所
電感是電子電路中常見的被動元件，其提供了電磁能的儲存與轉換、雜訊濾除的功能，以確保穩定且高效的電力品質。以鐵氧磁體製作的電感，於高頻應用下擁有良好的性能，但若以傳統陶瓷燒結製程進行鐵氧磁體的製備，將會消耗大量的電能，如此不僅會造成生產成本的增加，更間接導致了極高的碳排放量。基於電子產品製程減碳的迫切需求，本文介紹了非傳統的陶瓷燒結製程，如：液相燒結法、微波燒結法、火花電漿燒結法、冷燒結製程，這些方法可有效降低製備鐵氧磁體所需的燒結溫度，或是縮短燒結時間，以減少電感製程中的耗電量與碳排放量。
【內文精選】
陶瓷材料之低耗能製程技術
以鐵氧磁體製作的電感，於高頻應用下擁有良好的性能，然而如同一般陶瓷材料的製程，鐵氧磁體的製作過程亦需經過高溫燒結，以便使陶瓷粉末形成高緻密度的磁芯塊材。傳統陶瓷燒結製程的燒結溫度約需達到材料熔點的80%，於此高溫下才能有效進行材料的緻密化並降低孔隙率，使燒結體擁有理想的密度。
鐵氧磁體之低耗能製程案例
1. 液相燒結法
鐵氧磁體的磁特性除了取決於化學成分，亦會受到材料微結構的影響。一般而言，降低燒結溫度會直接導致燒結體的密度下降，使微結構中的孔隙增加，此現象會增加磁壁移動的困難度，進而導致材料產生較高的磁芯損耗、較低的飽和磁通密度等負面影響。於燒結製程中添加燒結助劑以產生液相燒結機制，則可在降低燒結溫度的同時，亦促進燒結體的緻密化。
Papazoglou等人研究添加燒結助劑Zn4O(BO2)6對MnZn鐵氧磁體的影響。結果顯示，要使MnZn鐵氧磁體擁有理想的機械強度，燒結體的密度需達到4.70 g/cm3以上，在無添加燒結助劑的前提下，要使燒結體達到此密度，所需的燒結溫度高達1,300˚C，但若添加0.05 wt%的Zn4O(BO2)6，則可在燒結溫度低於1,000ºC之條件下，仍達到密度4.70 g/cm3以上的需求。大致上，隨著燒結溫度的提升，或是增加Zn4O(BO2)6的添加量，皆可使燒結體的密度有所提升，如圖五所示。
圖五、燒結溫度與燒結助劑添加量對MnZn鐵氧磁體密度之影響
4. 冷燒結製程
陶瓷材料的冷燒結製程於近年受到了高度的關注，有別於傳統陶瓷燒結製程往往需在1,000~1,700˚C以上的高溫進行，冷燒結製程可使陶瓷材料在低於300˚C的溫度下進行緻密化，大幅降低陶瓷燒結製程的耗能。陶瓷材料的冷燒結製程如圖七所示。首先需將陶瓷粉末與適當的溶劑混合，溶劑之沸點需低於燒結溫度，以便使溶劑在燒結完成時能完全蒸發---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、冷燒結製程示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》462期，更多資料請見下方附檔。