片式电感和材料研究现状及应用前景
Current Status of Development and Future of Application of MLCI and Materials
中南大学材料科学与工程系 王长振 谭维 周甘宇 章四琪
摘 要：片式化元器件是目前电子信息业热门话题，片式电感器更是片式器件研究的重 中之重。本文介绍和评述了片式电感的主要制备方法，工艺关键，国内外研究现状，发展方向，并重点介绍了片式电感器用材料的研究现状，同时展望了片式电感的市场应用前景。
关键词：片式电感 研究现状 应用 Ni-Cu-Zn铁氧体


1 前言
随着微电子电路、表面贴装技术（SMT）的应用和不断完善，轻、薄、短、小成为衡量电子整机产品的重要标志。而要使电子设备小型化，首先就要考虑电子元器件的小型化。
片式元器件不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配的高度自动化。小型化片式元器件的广泛应用，使电子产品制造方式发生了深刻变化，制造厂商希望印刷电路板全部采用片式元器件。最近20年来，以轻、薄、短、小，性能可靠，价格低廉且易于装配等为特点的片式无源元件也得到了迅速发展。作为三大无源元件的电阻器和电容器的片式化技术发展很快，早在70年代中期就已达到大批量生产和应用阶段，其产品种类和规格非常齐全，而电感器因受传统的绕线工艺局限，加之片式化的工艺难度大，故起步较晚，发展相对缓慢。为适应现代电子信息技术的需要，从80年代开始，一些发达国家投入大量人力物力来研究开发电感器的片式化技术，从而推动了片式电感器技术和产品的蓬勃发展〔1〕。
2 片式电感的分类
根据线圈形成法，片式电感器可分为绕线型和叠层型两类。前者是将细的导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成，外层一般用树脂封固。其工艺继承性强，但体积小型化有限，目前可做到2.5×2.0mm。而叠层片式电感器是用铁氧体浆料和导电浆料交替印刷、叠层、烧结，形成闭合磁路;它采用先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺，实现了超小型表面贴装。叠层片式电感器可分高频型、高Q值型、高损耗型、低噪声型等几种。目前阻抗为1000Ω的1005型（1.0×0.5mm)产品以及额定电流为6A的大电流叠层片式电感器均已开发上市。
叠层片式电感器是电感领域重点开发的产品，它与绕线片式电感器相比有诸多优点：尺寸小，有利于电路的小型化;磁路封闭，抗EMI性能好，且有利于元器件的高密度贴装；一体化结构，可靠性高；耐热性、可焊性好；形状规整，适合于自动化表面贴装生产。目前这类产品已取得较大进展，并通过改进磁性材料性能、改善内部磁路结构和加速器件小型化等措施，不断拓展其应用市场。尤其是面向便携式电话、PHS等移动通信终端的高频微亨电感器及主要面向个人电脑等高速数字信号处理设备的噪声抑制器，国外相继推出了叠层型片式新产品，达到了高密度贴装中的极小片式元件尺寸，适应了SMT的需要。
高频叠层片式电感现已能用在亚微波到微波波段，它通常以采用低介电常数陶瓷并抑制杂散电容 的方式获得较高的自谐振频率，其内部导体采用高频特性优异的银，以降低导体电阻，获得高Q值；其电感值从数微亨到数十毫亨，容许电流值设计为300mA级。这种电感器的外形尺寸最初为3.2×1.6mm，随着叠层技术的进步，其小型化的速度加快，出现了2.0×1.25mm、1.6×0.8mm、1.0×0.5mm的产品。
用于抑制噪声的叠层片式电感器在低频时主要显示的是电感特性，频率提高后转而以电阻特性为主，随着频率的进一步提高，它将主要起电容器的作用。将这种性质用到抑制噪声的场合，对于传输波形的品质来说，它在高频区增大的电阻将抑制衰减振荡的发生，并平缓地补偿接口电路间的匹配。传输波形不良是噪声发生的原因之一，随传输波形质量的改善，噪声发生量会减少；同时，由于其电阻分量将消耗能量，通过吸收、传递及反射等作用，可望获得抑制辐射和噪声的作用。该类产品现已做到1.6×0.3mm，阻抗高达1000Ω/100MHz。
据专家预测，21世纪的电子信息市场对小于1.0×0.5mm微型化元件的需求将日益增长，0.6×0.3mm及尺寸更小的片式电感器会成为市场主流产品，广泛用于便携式移动电话、摄录一体化VTR、寻呼机等小型化产品。除要求进一步小型化外，高频、高感量是片式电感器的主要发展方向。
国外各大公司也在集中力量进行复合与阵列片式器件的技术开发，将阻容感复合，采用感容滤波器、阻容薄片器件和感性阻容 器件等不同复合器件阵列化以构成阵列网络完成所需要的功能。如在个人电脑的I/O线及液晶显示器外围的总线附近，所使用的众多抑制噪声元件就需要阵列化，目的是为了适合多条线路，并提高贴装效率。面对这种日益高涨的需求，国外现已出现一种阵列式高损耗型叠层片电感器，尺寸为3.2×1.6mm，可适用于四条线，它不仅在性能方面具有互换性，而且能有效克服因阵列化产生的发热、串扰等缺憾。

3 MLCI的关键技术
实现片式电感的产业化，铁氧体粉料与银电极的共烧匹配的关键〔2〕。
在迭层片式电感器生产中，铁氧体粉料是关键，它要求粉料烧结温度低于900oC。一般在870oC烧结后，铁氧体应具有良好磁化、高电阻率、高品质因数、低温度系数、对应力不敏感、有一定的机械强度等。并与Ag浆共烧时不与Ag浆起化学反应。在叠层片式电感用软磁铁氧体材料的研究中，广泛采用的低温烧结方法主要有：
（1）软化学法制备超细颗粒，利用软化学方法，如sol-gel法〔3〕、化学共沉淀法〔4〕、有机树脂法〔5〕、熔盐法〔6〕、微乳液法〔7〕等，可以在材料制备时，减小粉料的粒径，获得具有比表面能高、纯度高、颗粒细，从而增大结动力，促进固相化学反应，显著降低烧结温度。最近岳振星等采用凝胶自然法制备的NiZnCu铁氧体粉末尺寸只有20~60mm，在870oC即可烧结成瓷，而且综合磁性能优良〔8〕。
（2）助烧剂法，一方面助烧剂自身熔点低，易在烧结过程中形成液相，促进材料传质，促进烧结，从而降低烧结温度，宽化烧结范围，另一方面在液相形成时，往往能吸收一些对材料性能不利的杂质，所以能改善晶体显微结构，提高性能。这种方法虽然可使烧结温度大大下降，但明显地使磁性能恶化，尤其是初始磁导率的恶化最为明显，而且在与Ag浆电极共烧时，助长Ag离子迁移〔19〕。
（3）改性法，加入某些离子，如Cu、Zn、Pb等，使之在烧结过程中作为基体材料的组元参与形成具有较低熔点的改性化合物，达到降低烧结温度的目的，如NiZnCu体系的铁氧体已经成功实现低温烧结（≤900oC)并商业化〔9〕。在Ni系铁氧体中，为了降低烧结温度，人们常用低熔点CuO取代部分NiO，再掺入适量，等助熔剂，使形成NiCuZn铁氧体，有人做过的组分和性能的研究列于表1。为了降低NiCuZn铁氧体共烧温度，许正源等人掺入了，提高了密度和电感L，但Q值下降，这是由于掺入共烧时出现液相，增加了Ag的迁移所致。
在NiCuZn铁氧体制备进程中，在工艺上也很重要，有人做过试验，在不掺入任何助溶剂的配方中，配料时扣除0.5％（质量）的，用直径1/4英寸钢球，料水比为1：1球磨72h，获得粉料平均粒径为0.2~0.5μm，在900oC烧结时，获得密度为5.1g/cm3，性能良好。在共烧时还要严格控制冷却速度，防止在快冷时Cu析出分布在晶粒边界上，引起晶粒畸变，L下降，虽然慢冷对L影响不大，但要注意导电带与铁氧体附着力和生产成本〔10〕。日本的TDK公司已经用交迭印刷法制造了高性能的MLCI及LC组合元件，所采用的即为NiZnCu铁氧体，而且是缺铁配方，这样可在烧结时出现较多的氧离子空位，促进离子扩散，从而达到降低烧结温度的目的。Cu和助熔剂的引入使磁导率大大下降，因此使用这类材料无法获得高电感量的叠层片式电感器，此外，一些研究显示，铁氧体中Cu的析出造成电极中的银向铁氧体层扩散，是器件性能恶化的主要因素。同时，元件尺寸的减小也迫切要求材料磁导率的提高。清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室发展了一种有效的凝胶化学过程制备铁氧体纳米粉方法，所制备的铁氧体微粉尺寸在20~50nm。对于NiZnCu体系，所制备的微粉在无添加剂和低Cu含量的条件下即可在900oC以下烧成具有优异显微结构的铁氧体瓷体，材料的磁导率提高一倍多，达550，掺入微量的Mn，对材料磁导率的影响有益，并且对截止频率没有明显的影响。显微结构分析结果显示，利用上述微粉制备的铁氧体瓷体晶粒细小而且均匀，平均晶粒尺寸约1~2μm，因此有利于进一步提高材料的其它电磁性能，如电阻率，损耗等。在溶胶凝胶制备NiZnCu铁氧体过程中，尝试以液相的形式（可溶性)引入少量的液相助熔剂，取得了良好的效果，初始磁导率不仅没有下降，反而有所升高。NiZnCu低温烧结铁氧体是目前制造MLCI达到实用化程度的唯一一种铁氧体材料。但是由于掺入Cu，使得NiZn铁氧体高磁导率特性没能充分发挥出来，这也是各国学者目前竞相进行该项研究的主要原因〔19〕。
低温烧结Li铁氧体还处在研制阶段，尚未获得理想的综合性能，我国成都电子科大陈泽化，钱汝彪等人做了许多工作，他们在化学式中掺入0.4％（质量）的，850oC保温2h，在1MHz频率下测得，，，，。在化学式中掺入适量的和V2O5来降低烧结温度，获得，D=4.95~5.0g/，当掺入1.0％（质量）的，在860oC保温2h，μi为450。FDK公司在Li铁氧体中掺入低熔点锂玻璃也获得较好的性能。在LiCuZn、LiZnTi、LiZnMgTi铁氧体基础上进一步做工作，有可能满足迭层片式电感器粉料要求〔10〕。
低介玻璃陶瓷尖晶石体系软磁铁氧体材料由于畴壁共振，在高频范围（≥300MHz)已经不能使用，平面六角晶系软磁铁氧体的使用频率也不超过2000MHz。低介玻璃陶瓷以其烧结温度低，介电常数小（≤5），截止频率高而引起人们极大的研究兴趣，依靠先进的叠层技术与激光熔蚀通孔工艺，使低介玻璃陶瓷在MLCI领域取得极大进展，已有1005型（单层厚度约20μm，最大电感约33nH)产品问世。不过与低介玻璃陶瓷相关的技术目前还大多是以“技术决窍”（“Ｋnow How”)的形式为少数公司如TDK所拥有〔19〕。

由于微型电感器要达到足够的电感量和品质因数（Q)比较困难，同时由于磁性元件中电路与磁路交织在一起，制作工艺比较复杂，故作为三大基础无源元件之一的电感片式化，明显滞后于电容器和电阻器〔2〕。
20世纪70年代末，日美等国为适应SMT需要，开始了片式电感器的研究开发，并很快实现了产业化。片式电感器主要生产厂商分布在日本、美国、欧洲、韩国和台湾。日本是生产片式电感器最早的国家，TDK、村田、Tokin和太阳诱电等公司都是具有规模生产能力的制造商。美国的AEM也是开发生产多层片电感器（MLCI）的先驱，在工艺上有重大创新。
目前商品化的MLCI以通用型为主，外形尺寸有1608、1210、1206、0805和0603等规格，电感量从nH级到数百μH，额定电流从1mA到几百mA，自谐振频率从数MHz到10GHz以上。虽然MLCI的尺寸还可缩小，但已接近于极限。因此，国外和我国台湾的MLCI制造商，重点是进一步扩大通用型产品的生产规模，并致力于显微波到微波等专用MLCI及片式EMI滤波器、LC滤波器、LC陷波器、片式扼流圈和片式中周变压器等片式电感元件及片式复合元件的开发与生产。
我国SMT/SMC及SMD起步较晚，而片式电感器更是滞后。我国有50多家电感器生产企业，自1990年后，上无6厂、上无28厂、715厂、898和899厂等企业对片式电感器的研究开发都做过前期准备工作，也试制出样品，但因其技术难度高，引进生产线投资规模大，自感心有余而力不足。从“八五”末期开始，国内陆续引进了3条MLCI生产线，其中深圳南虹电子陶瓷公司于1994年从AEM公司引进的生产线，目前MLCI、片式磁珠及片式LC组件的年生产能力已达8亿只。我国绕线型片式电感器的年生产能力已超过4亿只，主要生产企业有贵州讯达电器公司、南京898厂、上海从玺微电子公司和常州无线电元件6厂等。由于我国片式化率仅约10%，在规模、品种和水平上，与美、日等国相比，差距很大。目前还有一些单位正在或计划引进片式电感器生产线，其中清华同方和山东鲁颖电子股份公司在山东临沂市（沂南工业区）引进的MLCI生产线项目已经启动〔2〕。
据专家预测，21世纪的电子信息市场对小于1005的微型元件的需求将日益增长，0603及更小的片式电感器会成为市场主流产品。因此，开发具有高磁导率的铁氧体是研究的热点。目前，主要通过添加〔11〕，PbO〔12〕，〔13〕，，〔14〕等低熔点氧化物和改进工艺〔15，16，17〕来提高磁导率。我国清华大学材料科学与工程系和新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室通过凝胶自然烧法制得了超细高活性超高磁导率Ni-Zn-Cu铁氧体粉〔18，19〕。除向高磁导率方向发展，高频，高感量也是片式电感的主要发展方向〔20〕。

5 MLCI应用市场
从市场来看，目前世界片式电感器的总需求量在100亿只以上，其中视频领域需求量最大，约占40％；移动通信领域占30％左右。日本在研制生产片式电感器方面居世界之首，其产量约占世界总量的65％。
据日本机械电子工业振业协会（EIAJ)调查，目前日本电容器、电阻器的片式化比例都超过了75％，片式电感器则为52％，明显滞后。我国的差距更大，落后发达国家10~15年，电容器、电阻器的片式化率仅15％左右，而片式电感器因难度大，占电感器的比例尚不到5％。据了解，由于“八五”、“九五”期间我国花了很大力量进行SMT技术的引进和改造工作，故预计今后几年内我国SMT技术将有一个崭新的发展，为确保跟上SMT技术的发展步伐，片式元器件特别是目前处于落后状况的片式电感器的发展就应该有一个提前期，必须从现在开始抓起。
片式电感器的市场十分看好，在各种视听家电产品中电感器用量最多，如彩电和收录机每台各需电感器20~40只，在计算机、移动通信设备、汽车电子装备以及军事电子武器装备中，片式电感器都是不可缺少的。从国际市场看，目前世界片式电感器年需求量在100亿只以上，而产量仅50亿只左右，产销缺口较大，出口形势良好。国内市场也是如此，我国当前生产的广播电视、收录机、录像机、通信设备、程控交换机、计算机等整机每年所需的近5亿只片式电感器半数以上要靠进口解决。此外即将在我国形成开发生产热潮的汽车电子装备系统、数字式HDTV、液晶显示电视机、袖珍电脑、微型小家电等产品也都大量需要片式电感器，可见片工电感器的市场前景非常广阔，其需求量会越来越大〔1〕。

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