电感元件的发展趋势及新型磁性材料的开发

关键词: 片式元件；阵列和复合型器件；单片电源；薄膜磁性元件；新型磁性材料

1、21世纪的电子元器件
电感、电容和电阻是构成电子电路的三大基本元件，它们在当前的电子产业中已显得愈益重要。目前，开发人员正在全力加速高频、超高速数字系统和微型/小型化设计等电路元器件新技术的开发。电路元器件技术的更新，使高频电路和功率推动电路和性能正在不断地提高。与此同时，元器件厂商也在尽力提高各种电路元器件的安装密度，改善封装技术。
21世纪电子元器件总的发展趋势是: 加速片式化、微型化的进程，开发各种阵列与复合型器件，高频化、高功能。
1.1 片式元件的主流是0603级
电感、电容和电阻这些基本元件的微型化设计，改善了这些元件的特性，提高了在电路中的安装密度，并扩大了表面安装技术的应用、普及程度。目前，这三大元件的尺寸已从3.2×1.6mm减小到2.0×1.25mm，以后又缩小到1.6×0.8mm，目前的主流产品尺寸已减至1.0×0.5mm(005)。这类超小型元件已广泛用于通信和音像设备。例如，美国Toko America公司开发的LL1005系列叠层式电感器，尺寸仅为1.0×0.5×0.5mm，可用于手持无线通信终端机，特别是最新的1.9GHzPCS机中。此系列产品有17个品种，电感量在1.2~27nH内可选，工作温度(-40~+100)℃典型Q值在1.9GHz超过80。
据元器件厂家预测，在21世纪，对尺寸小于1.0×0.5mm微型化设计元件的需求将日益增长。其中，具有代表性的设计类型是0.6×0.3mm级产品(0663)。0663级的热敏电阻现已进入商品化阶段，这一尺寸的薄膜式或薄膜片状电阻与薄片陶瓷电容器正在开发之中。
1.2 开发各种阵列与复合型器件
数字电路的引入使具有抗噪声特性的阵列器件的应用日益扩大。通常，这些阵列器件是能够处理多条线路信号的单一器件。许多阵列器件乃是作为能构成网络的多重分量器件而设计推出的。这项技术的不断进步，使开发人员能够采用感容（LC）滤波器、阻容（RC）薄片器件和感性阻容（LRC）薄片器件等等，以各种不同类型的复合器件来构成络网。
当前，各大元器件公司正集中全力进行这类阵列与复合型器件的技术开发，并已结构最简单的阵列器件，尤其是在薄膜电阻、薄片陶瓷电容和电感阵列的技术开发中，已取得了很大的进展。目前已经上市，具有代表性的抗EMI阵列产品是叠层片式磁珠阵列，如日本TDK公司推出的MZA3216系列产品，这是一种在3.6×1.6×0.8mm封装尺寸中含有4个片式磁珠的抗干扰器件。最近，该公司采用自己独创的异质材料复合叠层技术，又开发出和MZA3216底面积相同，内置4连EMI滤波器电路的新一代产品——MEA3216系列4连阵列EMI滤 波器，外观尺寸为3.2×1.6×1.1mm。它们是采用各1个L、C元件组成的L型电路，通过优化LC参数，使其噪声衰减特性达到了该公司用T型电路（3个LC元件）滤波器MEM2012TC系列产品相同的水平。
1.3 发展单片电源
多媒体时代的各种电子机器，对于用电池输入，输出为1W左右的小型高效DC-DC变流器的需求量会越来越多。特别是以手表型PHS为代表的产品，各种携带式机器的发展趋势都是薄型化，要求DC-DC变流器薄型化的呼声日益高涨。
到目前为止，DC-DC变流器的小型/薄型化技术，都是通过提高开关频率，使其体积占有率很大的变压器、电感器、电容器等无源元件小型化。然而，仅采用块状磁性元件的构造形式和制备方法，使磁性元件的小型/薄型化是极其有限有。要实现磁性元件的根本变革，必须采用溅射、蒸镀等薄膜工艺，制成薄膜磁性元件。薄膜磁性元件技术的确立，还不仅仅是停留在磁性元件本身的小型/薄型化，最终，它可以和半导体加工一体化，把DC-DC变流器集成在半导体基片上。这就是单片电源。目前，虽然尚未做出模块化单片电源，不过，已有使用单个磁性薄膜元件的混合集成薄型变流器。此外，迈向模块化的第一步，已作出了薄膜变压器与半导体元件集成的芯片。
单片电源的厚度应当在0.5mm左右， 可以装到IC卡上。 现在使用磁性薄膜元件、 芯片元件和支撑芯片的半导体元件的混合集成薄型变流器， 已使其厚度降到了用块状磁性元件产品厚度的一半— 2~3mm， 但离单片电源的要求，还有相当一段距离。
2、薄膜磁性元件
“微电子学”（Microelectroni
cs）、“微磁学”（Micromagnteics）的创立，微制造技术（Mi-cremach
ining Technology）的开发成功，为微型磁性元件的发展奠定了坚实的基础; 溅射、蒸发、电镀、分子束外延（MBE）等各种薄膜制造工艺，以及磁力显微镜等微磁性能测量工具，已成为实现微型磁性元件的可靠保证。可以预料，薄膜磁性元件将成为新世纪磁性元件发展的主流。
薄膜磁性元件，是实现微型高频功率和信号变换、传输、处理装置的关键元件之一。因此，薄膜电感器和薄膜变压器，现已成了应用磁学研究者们开发的热门课题。有关这些研究开发的实例，已有很多文献报导。这里，不再累述。
3、新型磁性材料的开发
软磁铁氧体，具有较好的高频特性，至今仍是构成电感元件的主要磁性材料。为了满足整机进一步高频化、小型/微型化的要求，人们希望开发出磁导率m、饱和磁感应强度Bs、电阻率ρ比软磁铁氧体高，高频损耗PL极低的新型软磁材料。上世纪70年代初上市的非晶软磁合金，后来开发的纳米结晶合金。以及最近正在研制的纳米结晶颗粒膜等，这些都是为了满足上述要求而研究开发新型软磁材料。
3.1 非晶软磁合金
这是一种在结构上与传统结晶材料完全不同的新型磁性材料。其特点是，原子排列无序，不存在影响材料结构特性颗粒尺寸、晶界、气孔率等，磁各向异性为零，因而是理想的磁性均匀性好的软磁材料。
现已开发出实用的非晶软磁合金，大致可分为三大类:
1）零磁致伸缩钴系液体快淬非晶薄带，用作kHz频段的高频磁芯材料;
2）铁系液体快淬非晶薄带，用作功率变压器磁芯材料;
3）钴系溅射非晶薄膜，作MHz频段的高频磁芯材料。
它们的主要磁性能指标与结晶材料比较如下: （见表）

目前对非晶软磁合金的研究，集中在探索磁致伸缩为零的合金成分，采用应力退火，以减少即使在低温下也容易产生的磁各向异性，得到理想的软磁特性; 探索块状非晶材料的制备工艺。
特别值得一提的是，钴系溅射非晶薄膜用作高频薄膜磁性元件非常有利。以控制其零磁致伸缩 （添加微量元素）为基础，可以开发 Bs 值极高和高频磁导率好的薄膜材料，如这些膜厚约数μm，在1MHz μ=10，000。为了进一步提高工作频率，可将其与绝缘层叠层，制成多层膜，如磁层厚约500A、层厚数10A的多层膜，在10MHz左右，也可以得到数1000这样高的磁导率。
3.2 纳米结晶软磁合金
这是在非晶磁性合金的基础上，采取添加晶粒细化成分并在最佳条件下退火，使其结晶而成的材料。由于它们的晶粒尺寸均在10纳米（nm）左右，故一般都称其为纳米晶磁性材料。
现已开发出来的纳米晶软磁合金，按其组成和制备工艺的不同分类，大致有三种:
1）液体快淬FeSiBNbCu薄带，商品名“Finement”，即在Fe-Si-B合金中同时添加微量（2~3%）晶粒细化成分Nb和Cu， 由非晶退火而形成纳米晶材料，最先由日立金属（株）开发成功。它的Bs可高达1.3T，磁致伸缩λs小，高频磁导率也大，可用作数100MHz以下工作的磁芯材料。还有一种不含Cu的Fe-M-B(M=Zr，Hf，Nb）系薄带材料，Bs高达1.7T，可用作高频变压器。
2）溅射FeMC(M=Ti，Zr，Hf，Nb，
Ta)合金薄膜，是用热处理溅射非晶后结晶，使精细MC碳化物在Fe晶界析出，以抑制Fe晶粒长大，整体形成体心立方铁基纳米结晶合金，结果获得Bs=1.7T，且在700℃左右的高温下软磁性能也很稳定。这种材料最早由日本阿尔卑斯开发成功，商品名为“Nanomax”，已用作MIG磁头的磁芯。
后来的研究证明，用氮转换Fe-M-C合金中的碳（C），可获得更加优良的软磁特性，故又开发出新一种FeMN系纳米晶薄膜。还证明，在FeMC合金中添加Si或Al，可制得磁晶各向异性小的体心立方Fe-Si、Fe-Al纳米晶，在1MHz可得到超过10000的起始磁导率，高频特性得到很大改善;
3）铁基纳米晶人工格膜，如FeC/NiFe多层膜，Fe/FeHfC、FeNb/FeNbN多层膜等。这是在人工合成薄膜的过程，通过插入中间层来抑制晶粒长大，在整体上形成纳米结晶状态。这些薄膜材料的Bs可高达2.0T，在1MHz有5000左右的μ值，在500℃以上磁性能仍然稳定。
3.3 金属-非金属纳米结晶颗粒膜
最近，对电感元件提出了在GHz频段工作的要求，因此，急需开发高电阻率软磁薄膜。使强磁性金属与绝缘体以纳米级晶粒混合制备的高电阻软磁薄膜，十分引人注目，称之为金属-非金属纳米颗粒膜。
最初，是采用在Fe靶上配置BN片，于氮和氩混合气氛中溅射，制得细Fe和BN的混合结构材料，这种材料既具有强的软磁性，又有BN绝缘，可使其ρ值高达1000μΩ.cm。后来又开发了(Fe，Co)-(B，Si，Hf，
Zr，Al，Mg)-(F，O，N)等多种系列。如CoAlO系纳米颗粒膜，在数100 MHz，Bs=1.15T，μ=100，ρ=500μΩ.cm，其厚度约1.96mm。它们的高频软磁特性约比铁氧体高1个数量级。可望用作超高密度记录磁头，超高频电源变压器，滤波器等薄膜磁芯。目前，尚在研制阶段。