超薄带软磁材料发展与应用前景
The Development and Application Prospects of the Ultrathin Strip Magnetic Materials

摘 要 本文介绍了超薄带软磁材料发展及其工艺因素对材料性能影响。认为用超薄带金属软磁材料来取代工艺复杂的薄膜工艺制作超微型磁性材料器件是可行的，并指出这是制造超微型磁性器件的捷径和方向。
关键词 超薄带 软磁 磁性微电子技术 非晶超微晶 表面贴装（SMT）

1 引言
超薄带软磁材料出现在20世纪60年代末期，当时正处于“电源革命”初期，急需研制出适合开关电源用的高频变换器材料。对金属材料而言只有减小材料的厚度、降低涡流损耗才能满足高频需要。这就促使了冶金工作者设法研制比薄带更薄的超薄带（1～20μm厚度）。60年代初到70年代中期世界主要工业发展国家如原苏联、德国、日本等先后研制成功各种软磁材料的超薄带，超薄带成为当时软磁材料的研究热点。就在超薄带研制发展高潮时，美国联化公司推出价格低廉的非晶态系列软磁合金材料，它具有优良的高频磁性得到开关电源研究者的欢迎。它的出现立刻引起磁性材料界的关注，被认为是20世纪磁性材料。人们认为这种节能、高性能的材料完全可取代高能耗超薄带软磁材料，这就使得原超薄带研制陷入低谷，部分冶金工作者也转入到非晶态工艺研究上来。但到20世纪90年代末期，电子工业开始步入SMT（表面贴装技术）的新时期，要求元器件具有轻薄短小及高可靠性以适应表面贴装的要求。进入21世纪信息时代，人们为了进一步提高信号质量，将原来模拟电路改为数字电路，除了要求元件轻薄，还要求高可靠性和高稳定性及高抗干扰性，磁性元件朝着超薄型方向发展。因此人们提出了21世纪是磁性微电子技术的时代。

2 超薄带金属软磁材料与其他软磁比较
虽然铁氧体、非晶超微晶薄带材料高频性能优于金属磁性材料，但仍然无法完全满足超薄型磁性器件要求，即高可靠性和高稳定性，更主要的是工业化大批量生产的稳定性。首先铁氧体材料忽略涡流。磁导率与频率的关系主要是由自旋弛豫决定，其极限频率根据Snock-Rado公式：

可见其频率与成正比。该公式对金属软磁也适用。实际上金属带轧薄到接近于金属材料的极限厚度时，自旋弛豫就起主导作用。从公式（1）可以看出，当高频磁导率与铁氧体相当时，饱和磁感应强度高的高。金属大约为铁氧体2～8倍。可见金属软磁的就比铁氧体大2～8倍。显然金属超薄带可工作频率并不比铁氧体低。

厚度为3μm的36%Ni-Fe超薄带与具有相同静态磁导率的铁氧体比较，不难看出在10MHz的36%Ni-Fe超薄带的磁导率是铁氧体的4倍。换言之，要达到铁氧体同样磁导率超薄带的实际工作频率更高。图一中5-79Ni-Fe超薄带更优。金属软磁的比铁氧体高得多，因此同样功率输出，金属超薄带软磁比铁氧体体积小得多。虽然铁氧体材料电阻率比金属高，但是饱和磁化强度低，很难应用到GHz频率。而金属软磁材料只要用通常工艺减薄材料，控制晶粒尺寸来抑制金属磁性材料的闭合磁畴的形成和涡流的影响就能用到GHz频段。何况制作超薄片铁氧体迄今还没有较为成功的方法，更谈不上大规模生产超薄型磁性器件。而轧制金属超薄带软磁目前工艺相当成熟，用超薄带来代替薄膜应是可行的。只不过超薄型磁性器件设计工作者还没有考虑到。我们已开始着手这方面的工作。表一是几种软磁材料的性能比较。

以上只是在直流状态的最佳数据。钴基非晶和超微晶都比80Ni-Fe金属磁性好。Mn-Zn铁氧体在频率高于500KHz时，涡流和剩余损耗对总损耗的贡献变得更加显著。涡流损耗，其中Ce为尺寸数据，ρ是所在工作频率下的电阻率。实验发现，涡流损耗随着温升提高而增大，这是因为Mn-Zn铁氧体电阻率随温度升高而减少，测试表明频率在10KHz～1MHz时，电阻率下降特别严重。表二是高频的软磁材料损耗比较。

从表中可以看出，80Ni-Fe的超薄带的总损耗比Mn-Zn铁氧体低得多。说明80Ni-Fe在600KHz～1MHz范围完全能替代铁氧体。但总损耗比钴基非晶和超微晶的高，这主要是它们电阻率比80Ni-Fe高近2.5倍。如果80Ni-Fe再减薄，其总损耗可以接近于、甚至低于它们。然而要喷制低于5的钴基非晶和超微晶将遇到难于想象的困难，成本很高。何况经过退火的钴基非晶，特别是超微晶的脆化和粉化，根本就不能与80Ni-Fe超薄带柔性相比，当然更无法加工成超薄型器件。

3 超薄带生产工艺对磁性能影响
当软磁合金的厚度降低到0.01mm以下，矩形比、矫顽力显著增加，和则减少，其组织由三维转变如二维组织，可以代替真空喷涂或电镀铁磁薄膜，它比铁氧体温度稳定性好，使用频率高。实验室里可以制成宽度为6～8mm、厚度为0.001～0.0005mm的超薄带。
当厚度减少，带内的组织和应力发生变化。对于20～1厚度软磁，单轴各向异性Ku随厚度的减少而增加，在1微米时含80%Ni和1%Mo的合金达到了500尔格/；双轴各向异性KD随着Fe和Mo含量的减少而增加，对于具有强烈再结晶立方织构<0的合金带发现≈800尔格/。对于高初始磁导率材料带厚为0.05～0.03mm以下，导磁率下降，增大。基本原因在于随厚度下降，表面层结构成了带横截面一大部分，表面层个别地方固有“损伤”存在，对磁化过程有阻碍。例如外来杂质被轧进表面就是一种损伤，或者一些反应物如氢化物，它们由于金属和退火气氛的互相作用而产生，此外微观的粗糙和不平都属于这种损伤，杂质集中都是由于某些金属原子的挥发和扩散而产生的。首先杂质集中在晶界处，高温处理由于挥发产生“凹坑”。所以一般超坡莫合金金属杂质含量小于0.002%。实验发现合金成分对轧制退火最终组织有影响。当Ni含量由87%减少到75%，立方织构减弱而{231}<335>取得加强。而Mo含量由1%增加到6%，则导致立方织构减弱而局部被{110}<001>代替。一般轧成厚度0.005mm，要求轧制厚度精确到0.00025mm。对于薄带（≤20）≈hn，h是粗糙度的平均极限，n随厚度的减小而增大。由于h/d增大使漏磁场增加是增长的主要原因。另外轧成很薄的金属带材经受很大的压下率都会产生一定的轧制织构。以95%压下率压制成0.005mm厚，经退火后以（100）[001]立方织构为主；以84%压下率压制成0.05mm厚，立方织构弱、漫散，保留冷轧织构。随着厚度的降低，磁畴结构也与厚带不同。当Bloch畴壁间距达到厚度数量级时这一点特别明显。当畴壁间距ι大于带厚时，比损耗不再与有关，而与ι·d乘积有关。
在软磁合金中热处理气氛是非常重要的环节。实验表明对于真空冶炼的材料采取氢气处理比较好，而非真空冶炼时材料采取真空处理适宜。

4 超薄带软磁材料的应用及市场前景
随着微电子技术高度发展，电子设备产生轻小型化、高抗EMI性，对电子元件的微型化提出迫切要求。据统计从50年代到90年代电阻元件体积缩小1/40，电容缩小1/125，同功率的集成电路缩小1/10，000。然而电子变压器等磁性器件并非如此。80年代推出的功率铁氧体和半导体开关电源相组合的新型开关电源其体积也仅比原来电源小1/10左右。如程控交换机用电路共有23个电子元器件和IC电路线。其中一个变压器重量是其他元件总和，所占空间面积几乎为线路板的1/2，如图二。

特别是SMT技术发展完善和应用，使电子变压器等磁性器件的体积和重量矛盾更加突出，推动了磁性器件向片式薄型发展。80年代初，世界一些工业发展国家针对着SMT技术要求开发了片式电子变压器。通过十多年努力，现在已形成新的产业。从目前看来，片式电感与片式变压器十分看好，主要用在视频、高频设备、程控交换机、通讯设备、计算机、汽车电子设备及军用、航空航天电子设备中。目前，全世界对片式磁性器件的需求量约100亿只，而年产量仅20余亿只，并以30%年增长率发展，需求缺口很大。
片式磁性器件第一代产品是绕线型，即用细导线绕在软磁铁氧体磁芯上，外层用树脂封闭，还没有离开老的思路。体积小型化有限，漏磁较大，最小尺寸2.0×2.5×2.0mm，电感量达110μH，允许电流大。90年代开发出第二代片型磁性元件，为叠层型，即用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷叠层，烧结成形。磁路闭合，采用先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺。叠层电感器在体积、形状规则、价格等方面比绕线型电感器优越，特别是叠层电感器磁路闭合，不会产生干扰，也不会受到外来干扰，满足集成化的要求。我国叠层型片式电感的生产厂家已发展到两家，年产量4亿只。而叠层式变压器为当前国外重点开发产品。现在片型变压器最小尺寸为3×3×2mm，再减小就困难了。目前我们国家还没有引进。第三代就是超薄型磁性器件。用类似于半导体集成电路工艺制造磁性微型器件，尺寸仅为几十微米。磁性材料采用薄膜，厚度从几个毫到几个微米，从结构上看有单层和多层。磁性材料的选取上是晶态膜、微晶膜、非晶态膜。这就是21世纪提出的磁性微电子结构，也是21世纪超小型电感和变压器的发展方向。研制过程中最重要的是选材。如前所述金属薄膜，非晶、超微晶薄膜都有它们致命的缺点。我们认为用超薄带来替代薄膜不但性能优越，而且加工简便。一般薄膜制作工艺如图三：

实际上磁性膜要经过退火才能使膜上的元素均匀扩散，甚至要高温退火或磁场退火才能得到最佳性能。而按照以上的工艺流程很难做到这一点。所以作为磁性其性能没得到充分发挥。又由于各种膜的膨胀系数不同，加热处理时各膜伸缩不一致，会产生应力（张应力、压缩应力）。这种应力会使磁性膜性能严重恶化，结构畸变。这也是许多工业发达的国家如日本、美国等只停留在实验里的原因。如果我们直接用超薄带代替磁性膜，工艺就简单得多。首先将超薄带截剪成需要尺寸，再经过必要的退火后放在基板上，再把先做好的带有绝缘层的导电线圈放入两超薄带之间，经过特殊工艺复合固化，如图四：

显然，该工艺比镀膜工艺简单得多，成本也降低，成品率高得多，可取代叠层式器件，有利于大批量生产。一旦工艺成熟市场需求量极大。又因为超薄型电感或变压器有利于散热，磁路闭合，又无引线的元件，不但可作超小型电源变压器和滤波器，还可作抗EMI器件。这也是一个广阔的应用领域。因为在信息时代的今天，人类的生存环境中的电磁能逐年增加，随着汽车、电子、通讯、计算机等电气设备进入家庭，空间的电磁能每年以7%～14%的速度增长。估计50年后可增加700倍。这日益恶化的电磁环境，反过来对人类日益依赖的通讯、计算机等各种电子系统造成灾难性的危害，这也是21世纪急需解决的问题。而由超薄型磁性器件组装的超小型电子设备，由于它的抗干扰性强，使电子设备的电磁波干扰降低，成为绿色电器，大大降低空间电磁能。电源专家为此已着手把大功率电源改成分布式电源供电大大改善空间环境的污染。同时促使磁性元件微型化和SMT工艺发展。
从90年代我国引进第一条绕线型片式电感生产线及积层型电感生产线以来，目前积层型已形成年产量5亿只能力。绕线型则已有10余条生产线，也有近4亿只年生产能力，但规格单一，各家规格雷同，与世界水平相比，不仅规模小，而且叠层型电感合格率低，工艺不成熟。因为是引进设备和技术，产品开发能力薄弱，再加上成本控制手段差，因此配套生产力跟不上，大部分原料、辅助料靠进口，增加资金占用和制造成本，直接影响我国产品在国际市场的竞争力。国内市场大部分被美国线艺和日本TDK、村田占有。我们认为，引进技术同时也受到技术设备的限制。如果像宝钢一样，在引进同时加以发展改造成具有独立知识产权技术，事业才能发展。从长远看特别是进入WTO以后，问题就更加突出。我国现在片型磁性器件的厂家面临着考验和挑战。
从以上的分析不难看出用超薄带制作超薄型磁性器件是器件微型化的方向。它不但安全可靠，价格低廉，而且工艺简单，适合于大生产。它的出现对第二代叠层式磁性器件产生了冲击，同时也推动加速了电子设备小型化、超薄型化发展的进程。■