片式电感元件结构、工艺及对铁氧体磁芯的要求

摘 要：叙述适合表面安装的片式电感器、平面变压器结构、工艺过程，以及对铁氧体材料和磁芯的性能结构等要求，由此可了解片式电感铁氧体元件国内外生产现状和发展情况。
关键词：片式电感 平面变压器 结构 工艺 铁氧体材料 磁芯

1 现状和发展
随着电子设备向轻薄短小、集成化，智能化和多功能化方向发展，片式元器件产业在全球范围内迅速增长。据报道，2000年世界片式元器件市场约7000亿只，片式化率达70%，各种元器件都在向表面贴装片式化方向发展，如片式电阻器，片式电容器、变压器，片式滤波器，片式石英晶体器件，表面贴装微型开关，微型连接器等。国际上片式元器件已成为成熟产业，如片式电阻器，片式电容器一个公司的年产量规模已数百亿只，甚至上千亿只，产品的小型化已接近极限，正进一步扩大功率，容量和应用范围。由于电信工业和汽车电子的发展，片式元器件的需要还将继续增长。
铁氧体电感元件由于受制造工艺和物理尺寸限制，较缓慢地加入表面安装设计行列。据报道，20世纪70年代国外开始研制开发片式电感器，80年代初已实现商品化。早年片式电感器主要在日本、美国生产，近年来，欧洲、亚洲一些国家和地区也开发成功并进入批量生产，产量日益增长，生产技术也日趋成熟。我国在80年代开始研制片式电感器，90年代中期通过引进关键设备和自行开发技术，实现了规模化生产。国内片式电感器总产量（不包括三资企业），1999年估计约7-8亿只，2000年约12-13亿只，占国内电感器总产量20%左右。片式电感器的生产品种，主要有片式固定电感器，电磁波干扰抑制器、功率电感器等。主要应用于移动通信设备，便携式电脑，硬盘驱动器，摄录一体机，程控交换机，数字化视频设备等。
在电路中占据较大体积的变压器，实现片式化更为困难。目前，已经实用化的是平面变压器（薄型变压器），采用低矮型铁氧体磁芯，配以平面绕组制成。1994年首先在通信方面得到有价值的应用，目前已扩大应用到笔记本计算机，汽车电子，数码相机，各种液晶显示产品等。
片式电感器和平面变压器都是使用铁氧体材料，主要有NiZn系和MnZn系材料，制成各种小型铁氧体磁芯，对材料特性和制造工艺有更严格的要求。
片式电感元件发展趋势是向更小型化和复合化方向发展，同时要求在小尺寸基础上有更高的电感值和承受更大的电流。随着表面组装技术的普及，对片式电感元件的需求将越来越大，国内生产厂点也会随之增多。目前制约国内片式电感元件发展的因素主要是国内高技术电子产品应用市场尚有一个发展过程，其次是精密、小型电感元件的生产设备主要依赖国外进口，投资费用较大，有待国产化。因此，下面将要主要叙述片式电感元件和铁氧体磁芯的结构、生产设备，供参考。


2 片式电感器结构和工艺
2.1 片式固定电感器
结 构
片式固定电感器品种很多，但从结构工艺分类，则主要分为绕线型和积层型两大类，若从基体材料分类，则主要有以铁氧体磁性材料为基和以陶瓷材料为基两大类，绕线型片式电感器是对传统绕线型电感器的一种改进，通常采用微小工字型磁芯，经绕线、焊接、电极成型，塑封等工序制成（见图1，图2）。国外有日本TDK、松下电子部品、欧洲西门子公司等公司；国内有金宁无线电器材厂生产。这种类型片式电感器的优点：生产工艺简单，电性能优良（电感值L，和品质因素Q均高），适于大电流通过，可靠性好等；缺点是受磁芯物理尺寸和制造工艺限制，进一步微小型化比较困难。目前产品种类主要有2520型、3225型、4532型等，其电感值可覆盖0.01-1000μH，允许最大额定电流通常为530-740MA，日本TDK公司的NLCL532型，最大额定电流可达1050mA。另一种结构的绕线型片式电感器，是采用H型（或Ⅱ型）陶瓷芯，经过绕线、焊接、涂复、环氧树脂气等工艺制成（见图3，4）。由于电极已预制在陶瓷芯体上，制造工艺更为简单，而且可进一步微小型化，这种结构的片式电感器，国外以美国线艺（Coilcraft)公司为代表，国内在贵州、上海、常州、广东已有多家工厂生产。主要产品品种有1608型、2012型、2520型、3216型等，电感值覆盖范围为1.8nH~1.2μH，可见这类电感器电感值较小，但自谐频率高（通常5000~6000MHz，最高达12500MHz），更适合高频使用。

积层型电感器不用绕线，是用铁氧体浆料和导电浆料，交替进行多层印刷，然后通过高温共烧结，形成有闭合磁路的电感线圈（见图5，6），或者将微米级铁氧体薄片进行叠层，每个磁性层有印刷的导体图案和孔，孔中填充导体材料，从而把上层图案和下层图连结起来，经过加压，烧结，形成一体化的多层电感器，这类电感器制作工艺更适合尺寸微小型化，容易实现规模化大生产，日本TDK公司1984年就推出了MLF3225，MLF3216型产品，现在最小尺寸已能制成1005型（1.0×0.5×0.5mm)，其电感值为0.047~10μH，稍大尺寸的1608型，电感值为0.047~33μH，3225型，则可制成电感值为39~220μH的产品。这类电感器国内生产能力已达6-10亿只，主要集中在广东地区，积层型电感器的主要特点是有磁屏蔽和直流电阻小，与绕线型相比，电感量和可允许额定电流相对较小，更适合高额下使用，另外一种是用高频陶瓷浆料多层印刷制成的电感器，最小尺寸1005型，电感值为1-100nH，工作频率最高可达12GHz，可适合移动电话向高频化，网络化发展的需要。

随着移动通信向更高频率发展（700-1900MHz)叠层片式电感器的结构也要作相应改进，最近TDK公司报导，已将1005型电感器线圈结构由立式改为卧式。图7所示出过去结构模型图，图8是新结构模型图，过去结构的内导体图案内部不对称，表面安装方向不同会引起电感变化，无法达到产品电感值允许±5％的严格要求，新结构内导体，对积层体中心点呈点对称，其安装方向改变保证电感变化率在1.5％以下，而且减小了分布电容，大大提高了在150MHz以上特高频范围的Q值。

2.2 片式EMI抑制器
随着信息设备和移动通信网络的不断发展，空间电磁波干扰对电子设备和人体健康的影响越来越严重，保护电磁环境，抑制各种形式电磁波干扰已成为当务之急，采用铁氧体磁珠或滤波电感器是抑制线路传导性电磁干扰的有效手段。随着电子设备的小型化和薄型化，对EMI抑制也要求缩小尺寸和采用表面安装技术。目前已生产的品种有表面安装的片式磁珠、片式磁珠排、片式共模扼流圈、片式IC滤波器等。
片式磁珠也有绕线型和积层型之分，前者结构与穿心电感相似，但导线经过打弯后适合表面安装，后者仍用磁性浆料与导电浆料交替印刷制成积层体，在铁氧体层内部有直线状或线圈状的内导体。铁氧体材料多数采用高磁导率材料，在高频时有大的损耗，可消耗和吸收干扰信号的能量，最近为满足笔记本计算机输出线，及液晶显示器外围总线，需要多条线抑制噪声要求，开发了磁珠排产品，如一个3216型磁珠排中，包含有4个同样阻抗的磁珠（见图9），这样可减小线路板上占用面积，提高贴装效率。

在开关式电源的交流电网输入端，以及信号线传输过程中的噪声干扰，常采用带铁氧体磁芯的共模型扼流圈加以抑制，过去采用环形磁芯线圈（或日字型磁芯线圈）制成，现在经过结构改进以后，也可适于表面安装，在中频和高频范围，已有采用积层工艺制得的共模扼流圈，尺寸为3216型、2012型等，适合计算机和移动通信产品使用。

2.3 片式功率电感器

功率电感器是一种能通过大电流的电感器，又称扼流圈，在电路中起储能、滤波等作用。由于通过功率大，这类电感器往往体积较大，随着表面组装技术的进展，这种大功率电感器也逐渐向小型化、平面化、表面贴装方向发展。80年代中期已出现适于表面贴装的高频扼流圈，进入90年代，适于电源回路使用的低频扼流圈也实现表面贴装化。现在已批量生产的表面贴装的功率电感器大致有两种类型。开磁路和闭磁路电感器（见图10），前者采用薄型工字型铁氧体磁芯绕制，并采用适于表面贴装的接线片，后者由工字型和环形磁芯组合而成。例如，由美国线艺公司或日本Sumita公司生产的功率电感器，其外形尺寸通常有Φ5-Φ12，厚度则为1.2-8mm;一种Φ12×8mm的功率电感器，可通过最大直流为10安培，一种采用低矮型EE磁芯制成的功率电感器（尺寸为12.5×5.6mm)，可通过最大电流高达20安培，这类尺寸较小的薄型电感器，已在笔记本计算机、数码相机、光盘驱动器、DC-DC变换器中得到广泛应用。

2.4平面变压器

平面变压器是一种新开发的高技术铁氧体电感元件，应用历史尚不到10年，据报道，1994年首先在通信方面得到有价值的应用，目前已扩大应用到笔记本计算机、汽车电子、数码相机、数字化电视等方面。平面变压器的生产品种，已涉及到常规的铁氧体磁芯变压器（用插针）的各个方面，如功率变压器，宽带变压器和阻抗匹配变换器等。平面变压器适合表面贴装，对电子产品实现轻薄小型化将起关键作用。

在电子设备的电源部分，笨重的变压器常占据很大的体积：采用铁氧体磁芯制成的开关电源变压器后，体积、重量已大大减小。但最近通讯设备使用的模块式电源，对变压器提出更严格的要求，如小尺寸；占空高度小于10毫米，高的输出电流，低的输出电压，最小的电磁辐射，以及良好的机械结构稳定性等，采用平面变压器是最好的解决途径。这种平面变压器用低尺寸的RM型铁氧体磁芯，选用高频功率铁氧体材料制成，在500-700KHz高频下有低的磁芯损耗，在绕组结构方面，由于高频集肤效应影响和要求通过大电流（如12-20安培），普通的绕线技术已不能适应，早期采用冲压铜片与绝缘薄片叠加而成（见图11），但这种结构不能承受回流焊的高温，损坏了胶的粘性，破坏了机械结构稳定性。新设计的绕组采用多层印刷电路板叠合而成（见图12），这种设计有低的直流铜阻，低的漏感的分布电容，可满足准谐振电路的设计要求：而且由于RM型磁芯良好的磁屏蔽，可获得抑制射频干扰的良好效果，采用上述平面变压器制成的5-60W功率范围的DC-DC变换，已应用于电信系统插卡式板上电源。
在汽车电子方面，氙弧灯镇流器用DC-DC变换器，是平面变压器的第二方面应用。这里要求从汽车电池的12伏电压变换成100伏的电源电压。由于汽车中特殊的电气和机械环境，对变压器设计和工艺提出的更严格的要求，如高的环境温度大的加速力，工作电流瞬时容量有时高达100安培，较高的工作频率等。为此，平面变压器采用E型铁氧体磁芯，这种磁芯有大的绕组空间，可允许大电源通过，绕组结构仍采用多印刷电路板，磁芯粘接和多层电路板的粘接要很牢固，可承受大的温度应力的机械加速力。这种平面变压器已经在中等轿车中使用。其次，宽带传输应用的平面变压器，已显示良好的发展前景，众所周知，以因特网为中心的宽带通信市场正在快速增长，传输系统大量地由数字技术代替模拟技术，综合业务数字网络(ISDN）给用户提供了一个高度带宽的语音、文字、数据和图像通信公用平台。当在电话用户与中心交换局之间采用数字化传输技术时，铁氧体电感元件是必不可少的。如接口变压器、隔离变压器，线路扼流圈等，接口变压器实际上是一个传输矩形脉冲信号的宽带变压器，要求有大的初级电感和低的漏磁，绕组要有高度和对称性，以及绕组之间有强的耦合，大的分布电容等。通常使用RM型、EP型、罐型或环形铁氧体磁芯（见图13），采用高磁导率铁氧体材料（磁导率为10000-15000）制成，有的接口变压器要承受直流叠加，则可采用低损耗滤波器用铁氧休材料，或者高饱和磁通密度的铁氧体材料（磁导率为2000）。由于电信网络要求高的安全性，要防止闪电冲击和电压浪涌，变压器应有专门的绝缘，有适当的爬电距离和间隙，抗电强度应能承受3-4千伏高压。为达到小型化，使用表面贴装型的平面变压器，或者把变压器和电流补偿扼流圈集成一个厚膜模块中。

此外，面向21世纪，新一代家电必然数字化、网络化发展，数字电视将开辟在有线电缆电视上进行交互作用的功能，如通过回程通道发送数据，进行电视购物等。为此需要一些宽带电感器件，如阻抗变压器、耦合器、分离器等。通过卫星电视也可实现类似功能，但频率要覆盖4MHz到24GHz的宽频带。采用铁氧体双孔磁芯制成的平面变压器，可以满足上述要求，双孔磁芯实际上可看作两个环形磁芯，当采用高磁导率铁氧休材料时，在截止频率以下有高的电感值，而在高频有低的损耗。为达到高的耦合度，可采用双线并绕方法。
总之，随着电子信息技术的发展，小型化、平面化的铁氧体电感元件将更加引起人们应用的兴趣；目前，薄膜微型变压器也正在开发。相信在某些高技术领域，平面变压器将很快取代传统变压器，并逐步实现规模化生产。
片式电感元件使用的铁氧体材料，大致分为两大类，一类是NiZn系材料，大多数片式固定电感器，片式功率电感器，片式EMI抑制器均使用该材料。另一类是MnZn系铁氧体材料，这类材料主要在片式变压器中使用，也可用于低频片式电感器。

3.1 NiZn系高频铁氧体材料
在片式电感器中使用的NiZn系铁氧体材料，主要有低烧结温度的NiCuZn系材料，高频低损耗NiZn系材料，适于功率电感器或变压器使用的高Bs材料，以及适于抗噪声干扰的具有良好阻抗特性的材料等。
当NiZn铁氧体中附加适量CuO，可促进低温致密化，增大高频磁导率，因此NiCuZn系材料已广泛用于各种片式电感器。积层型片式电感器，要采用低烧结温度的NiZn系铁氧体粉末制成浆料，并实现与Ag导体共烧结，对这类材料不仅要求有高的电阻率，而且要求在900oC以下有足够的烧结密度，而与内导体材料Ag无反应。为达到低温致密化，基本配方中含量调节到低于化学成分含量是必要的。图14示出，含量降低0.5wt%，铁氧体密度可从 4.5g/提高到5.0g/。此外，为实现高性能，少量附加物是必要的。附加会在三晶界和三相点处形成液相，促进了在875-900oC时低温烧结致密化;此第二相也阻碍了晶界移动和防止异常晶粒生长，结果形成较小晶粒尺寸和消除了晶粒内部气孔，由于有较多晶界，也提高电阻率。但过多的附加量会降低磁率，而且会使Ag导体扩散到铁氧体材料中，附加Co0可大大提高Q值。从图15看出，其它附加物，MnO，P等均使Q值下降，唯有CoO提高了高频（50MHz)时Q值。在制造工艺方面，采用高纯原材料是必要的，烧结气氛对性能也有影响，如低氧分压烧结可提高直流电阻率和Q值（见图16）。

另一种促进低温致密化的方法是制成细颗粒铁氧体，因为细粉末或超细粉末有大的比表面积，良好的活性，容易实现低温致密化。有的作者选取合适的泥浆浓度，较长的球磨时间制得0.2-0.5微米小颗粒，900oC时烧结密度可达5.15g/c，并有良好的电磁特性和高的Q值。
关于绕线型片电感器用的铁氧体材料，通常采用具有高Q值的NiCuZn铁氧体材料制成工艺型磁芯，除了要求有良好的电磁特性以外，还要求有好的机械强度，对应力具有不敏感性。S.Murayama等研究了片式电感器用高强度NiCuZn铁氧体，发现添加PbO和(铅玻璃）可以提高铁氧体磁芯抗外来应力的强度。因为Pbo-玻璃与尖晶石晶粒之间线性热膨胀系数是不同的，造成烧结冷却阶段沿晶界Pbo-玻璃相剩余压缩应力，晶界上残留的压应力增加了晶界对抗外来拉伸应力的强度，增加晶界强度即改进了铁氧体的强度。在片式电感器生产工艺中，当树脂模压时会感到外来应力，使线圈电感发生变化，这对生产严格电感公差的片式电感器造成困难。M.Kumagai等在不同成分的NiCuZn铁氧体中添加0.5-5.0wt%。作者认为在缺铁NiCuZn铁氧体中添加少量，将与ZnO形成相，并沿晶粒边界存在，由于与尖晶石晶粒的线性热膨胀数不同，使个应力产生的的应变减小，可以晶界处的实际起了缓冲剂作用，结果含用适量铁氧体显示出应力不敏感性。传统材料封装后电感变化为-5.51％，经改进后新材料的变化为+0.78％。
关于功率电感器或DC-DC变换用的NiZn系铁氧体，要求有高的Bs和低的磁芯损耗。Satoshi Sato等研究了片式复合元件使用NiCuZn系功率铁氧体材料的化学成分，发现随NiO含量增多，磁滞损耗增大，而ZnO含量增多，则涡流损耗增大，两者的平衡，得到μi=700-800附近，磁芯损耗最小。Y.Matsuo等研究了MnO2附加物加NiCuZn铁氧体性能影响，发现适量的MnO2附加物，可减小矫顽力，降低磁滞损耗，并最终降低了磁芯总损耗，结果开发成功磁芯损耗低于200kw/（50KHz，150mT，80oC)的高性能NiZn铁氧体。

对于抗噪声滤波器用的铁氧体磁芯，要求在各种噪声频带有大的阻抗，选择合适铁氧体材料是极重要的，因为不同材料有不同的阻抗-频率曲线，同时磁芯尺寸形状和绕线匝数均直接影响磁芯的阻抗特性。图17示出同一铁氧体材料（K32)，不同磁芯尺寸或不同匝数呈现不同的阻抗-频率特性。磁芯阻抗|Z’|与材料阻抗|Z|关系可用下式表示：

|Z’|=（Ae/le)N2·|Z|
式中，Ae-磁芯平均截面积
le-磁芯平均磁路长度
N-绕线匝数

3.2 MnZn系铁氧体材料

在1MHz以下的频率范围，MnZn系铁氧体材料有优异的磁特性。目前，在片式电感元件中使用的MnZn系材料主要有两类，一类是功率铁氧体材料，制成低矮尺寸EE、EI、ER或EPC型磁芯，除了在各种模块式电源中作DC-DC变换器外，也可制作液晶显示器的驱动变压器，广泛用于笔记本电脑、PDA、数字相机等各种小型电子设备中，日本TDK公司在过去生产PC40，PC44材料基础上，又开发PC45，PC46材料等（见表1），其功耗最低值为250kw/，其中PC45材料，最低值出现在60-80oCPC46材料最低值温度为40-50oC。对于有大的直流迭加时有高的可逆磁导率。欧洲EPCOS公司也开发了新的N45材料，有最佳的直流偏磁特性，在宽带通信平面电感元件中，可制作隔离变压器。

第二类是高磁导率铁氧体材料，主要制作平面贴装宽带变压器、脉冲变压器及其它宽带电感器件，制成的形状有RM型、EP型、双孔磁芯等。日本TDK公司在过去生产H5C2、H5C3材料基础上，又新开发了H5C4、H5C5材料（见表2），H5C5材料磁导率高达30000，比H5C3材料磁导率提高了一倍，制成的变压器可以更小，更薄。H5C4是一种宽温材料，在-20oC时磁导率仍大于9000，在室外使用的宽带通信设备中制成脉冲变压器，在最佳的磁特性。图18示出H5C4，H5C5材料磁导率-温度特性可作参考。