多层片式电感元器件工艺技术和市场的发展

1.前言
现代电子仪器、设备、系统的发展趋势是小型化、微型化、多功能化、数字化和移动化。这就促使电子产品向新的电子组装方式如表面贴装技术（SMT)和高密度组装发展。高组装密度和高速数字电路对电子元器件提出了新的要求，各种多层片式元器件应运而生。
电子元器件向片式化方向发展是一个潮流。片式电阻器和片式多层电容器发展已近三十年。其西方市场片式化率已占总量电阻器和电容器的50％~70%。性能不断提高，如多层片式电感尺寸不断缩小从早期的3216型到90年代的1608型、1005型0804型发展。目前主流的多层片式电感为0603型。工艺技术不断进步，以多层片式电感为例，采用PTC膜流延法制膜工艺厚膜印刷技术使介质基体和导体电路交替印刷，可使生片膜层厚度至4~6μm，叠层数可上百层。
相对于片式电阻和片式电容器，多层片式电感器的磁路设计技术和制造工艺方法都比较困难，因而直到80年代，在日本和美国才有所突破。片式电感元器件是磁性材料行业的热点和焦点。磁性元器件的片式化不仅是产品的升级换代，亦是工艺技术，检测手段的一大进步。片式电感元器件是高新技术，是材料和器件的统一体，但磁路设计和制造工艺技术远未完善。片式元器件在我国刚起步，需加强这方面的研究。

2.片式电感元器件的磁路设计
多层片式电感器由于磁路是用厚膜印刷工艺将Ag浆、Pd-Ag浆或Au浆印刷至NiCuZn软磁材料膜片上，导体线路过层是在按设计要求在膜片相应位置上留孔或开孔，叠层印刷时将导电浆料注入通孔中实现层间连通。
由于多层片式电感器的磁路与普通电感器不同，用传统的计算方法设计是不理想的。国外有的学者采用三维有限元分析法进行磁路设计。将计算空间分为10000~20000个基本元素，假设边界上的磁场是平行的。通过韦克斯韦方程计算磁场分布。模拟的片式电感器磁路是铁氧体NiCuZn材料，其相对磁导率是从铁氧体标环磁芯测得，将电感器的层厚，线圈匝数，导体图形形状做为设定数据输入。其实验数据与计算曲线符合很好。工程上可考虑几乎所有的目前可定量化的参数，在计算中，采用由电阻、电感、电容等集中参数元件构成的等效电路，考虑闭磁路中的分布磁通，分布电容及其引起的共振，并做相应补偿，校准。建立等效电路模型将铁氧体材料磁导率、线圈匝数、外径、内径、导线宽度、厚度、铁氧体基膜厚度等数据输入，进行设计。

3.片式电感元器件的制造工艺

多层片式电感元器件较成熟的工艺方法有日本TDK公司的交迭印刷法（湿法）、日本村田公司的流延——印刷法（半干法）和美国kemet公司的埋孔连接法（干法）。见图1、图2。各种工艺都已形成批量产品，各有优点。
多层片式电感器的坯件不是一个个单独制做，而是在大张膜片上排列设计。如150mm×150mm上可排列100×50=5000个0603型单层电感膜片，经厚膜印刷，压制，切割成单个电感。
在片式电感元器件制造工艺中。铁氧体膜片是关键一环。流延法制膜工艺是最适于大生产的工艺，具有生产效率高，产品一致好，膜厚适中，性能稳定的优点。流延法又叫带式法和刮刀法，是将介质材料和铁氧体材料粉（粒度1μ~10μm）与溶剂、增塑剂、分散剂、粘结剂、去泡剂混合经球磨混合成近胶体，经刮刀的作用下在基带上流延出连续、厚度均匀的浆料层，由于表面张力的作用形成光滑的自然平面膜片，膜片在钢带上通过干燥炉，经干燥后形成柔软有弹性的皮革状的膜带。控制膜片公差、表面质量的因素有：
1）铁氧体浆料的均匀性和粘度控制
流延用的浆料必须非常均匀，其中的铁氧体粉料粒度应严格控制在要求的范围内，并充分分散均匀。当有未分散好的硬块时，会在膜带上产生米粒状缺陷。烧结后收缩不同会产生缺陷。浆料的粘度也是制膜质量的另一个重要因素。浆料的粘度过低或过高，都会影响到膜的厚度以及烧成的收缩率。
2）刮刀的光洁度、刮刀与钢带的间隙
刮刀的光洁度是保证膜片厚度均匀和表面平整光滑的重要因素。在流延膜片时，注入的地方膜层较厚，另侧则较薄，必须调节刮刀刃面曲线以满足膜层厚度控制要求。
3）流延干燥制度
流延后的浆料膜层经10m左右干燥带，初步排除有机熔剂。在流延机头部，干燥温度应较低，确保有机溶剂缓慢挥发，使膜层内溶剂的扩散速度与表面挥发速度相当，防止开裂，起泡，皱折等缺陷。在流延时，空气温度和湿度是重要的环境因素。
交迭印刷工艺（湿法）是另一种实用的生产多层片式电感元器件的工艺技术，是将铁氧体介质和导体浆料用厚膜丝网交迭印刷，达到规定的层数和电感量。湿法印刷的关键工艺是厚膜丝网印刷，根据片式电感的要求不同，可将磁性介质印成不同的厚度。然后再在介质层上印刷导体浆料。磁性介质厚度的控制可通过改变丝网目数和增加印刷次数方法进行。日本TDK等公司到九十年代，通过系统研究磁性介质浆料、内电极导体浆料和相互匹配的关系。对生产线路结构和工艺路线进行了合理布局，使湿法印刷制作多层片式电感元件工艺技术进入了全自动、大规格生产阶段。

4.多层片式工艺技术的新发展
各种多层片式工艺路线各有利弊，如采用流延—印刷工艺其设备成熟，适于大生产，且磁性介质可用传统的球磨制粉工艺制得。由于多层片式电感元件依据不同的需要，可分为通用（基本）型片式电感，脉冲型片式电感、高功率片式电感、片式磁珠阵列式以及迭层片式LC滤波器。使用流延—印刷工艺可实现柔性生产线，依据不同的需要使用球磨制粉，制浆即可。但是流延工艺制膜时膜片易出现中间高，边沿低或一边高、一边低的“枕形效应”；膜片中针孔和皱折难免；磁性膜片大叠片的过程中，层和层之间不可避免出现气隙，如烧成制度不理想，产品易产生“分层”现象。世界各个生产流延设备的公司与软磁生产企业合作已生产了一些新型的多层片式电感膜片的流延机。如加宽钢带从6英寸g9英寸g24英寸的宽带流延机，在流延机上加装膜带自动卷轴，膜厚自动测定动态显示，自动切膜叠片。最前端的流延不采用钢带而采用PTC，膜流延法制膜工艺，可使生片膜层厚度至4~6μm，叠层数可上百层。
湿法工艺所用的软磁磁料必须使用化学方法（如共沉淀、溶胶凝胶法等），其粒度才能满足厚膜丝网印刷的要求。所以，对材料的制备又提出了新要求。如随着材料的工艺手段的进步，纳米磁性材料可大规模生产，则可充分表现湿法工艺的先进性。
除了膜片生产工艺外，在其他工艺环节如涂端工序，研制自动端电极涂覆系统。测试中对片式元器件的结构缺陷研制采用超声波扫描等无损检测。
此外，西欧国家正在进行胶膜胚法(solufill)工艺研究。其特点是将磁性材料与涤纶，尼龙之类的热塑性树脂辊轧、混炼，其磁性材料均匀分布于高分子链中。成型时又通过机械力拉伸、定向，故薄至2~3μm仍有足够的机械强度和柔韧性。用于制作片式电感元件可减少线圈的高度，在一定厚度的片式体积内，增加线圈匝数，减少分布电容、提高电感量，由于采用高分子弥散剂还可增加绝缘性。

5.片式元器件市场的发展
片式元器件作为混合集成电路外贴片在上世纪60年代已开始应用。其发展经历了三个阶段：（1）以小型化、系列化为目标（2）以提高性能扩大应用领域为目标（3）改善工艺条件、提高元器件的生产率。片式元件无引线或短引线、微小型化、适合表面安装技术。其特点是①小而轻②形状简单③寄生效应小④使用时基板无引线孔⑤标准化和程度高。

电子设备的小型化、轻型化、标准化的要求，表面组装技术的发展，促进了片式元器件的高速发展。表1列举了中国2000年片式元器件生产情况。
据统计虽然2002年全世界手机和家用计算机的销售形势处于调整时期，但由于数码相机、扫描仪、DVD以及军事需求旺盛。全世界2002年片式元器件出货量比2001年片式元器件出货量增加23％，从4400亿只，增加到5400亿只。
片式元器件的另一个发展趋势是向全面化发展。进入本世纪后，与厚膜工艺、集成电路技术结合，迅速多功能化、复合化、组件化。见表2

在片式元源器件中，与片式电阻和片式电容器相比，由于电感器设计技术工艺技术中的“绕线”和过层技术复杂。其涉及低温烧结铁氧体材料技术，图型精确CAD设计，导体过层和准确电极对位，导体浆料与铁氧体基片匹配技术等关键技术难点，进展很慢。到了90年代，由于对铁氧体NiCuZn材料的深入研究，选定了Bi2O3、V2O5等降温烧结助熔剂，可使烧结温度降低至880oC~950oC，即可得磁参数满意的电感材料。从而实现铁氧体与Ag或Ag-Pd内电极浆料的匹配、共气氛烧结。厚膜工艺的合理运用，片式电容、片式电阻技术的移植，有利的促进了片式电感元件的研制和生产。
与传统电感器相比，多层片式电感器有显著的优点：①尺寸标准化、系列化，有利于电路设计；②磁路封闭，不会干扰其周边的元器件，也不会成为干扰源，有利于元器件高密度封装；③一体化结构，可靠性高；④可焊性好，适合于自动化表面封装技术。
日本片式元器件中电感器片式化率达41％、LC滤波器片式化率占LC滤波器7％。TDK、村田等利用叠层共烧技术将电感和电容集成在一起，制成叠层片式LC滤波器。目前最热门的领域是蓝牙技术所用的片式元器件，如叠层片式铁氧体蓝牙天线等。

6.片式电感器材料设计技术

多层片式电感元件材料有LiZn铁氧体材料、纳米晶铁氧体材料和铁氧体NiZn，LiZn铁氧体材料晶粒过大，对导体银浆要求太高，纳米晶铁氧体材料工艺不成熟。NiZn铁氧体材料系列具有低温烧成、高电阻率、与导体材料不发生化学反应、良好的频率特性温度稳定性。从目前看铁氧体NiCuZn系列是较佳选择。对NiCuZn材料必兼顾低温烧结和电磁特性。从我们的研制多层片式电感器件的实践中，我们体会对NiCuZn材料的基本要求是①低温烧成，烧结温度880oC~960oC，其材料做成标环测定：μi≥150，Q>120(测试频率：1M~5M)；②较高电阻率：ρ≥109Ω·cm；③与导体材料不发生化学反应，在烧成中，两者收缩率和温度膨胀系数必在一定范围内相当。④良好的频率特性和温度稳定性。
对多层片式电感铁氧体材料的研究在初期应做好材料设计研究。
A、低温烧结NiZn材料设计
降低铁氧体烧结温度的方法有三种：①引入低熔点物质或能与配方中某些成分形成低共熔点物质添加剂，以便在较低温度下形成液相或过渡液相烧结降低铁氧体烧结温度②引入某些异价离子或配合适当气氛，在烧结过程中形成高浓度的离子缺陷以促进烧结③采用纳米技术，利用超细粒子具有的高表面活化能作为烧结推动力，实现低温烧结。
低温烧结NiZn材料设计是通过在NiCuZn铁氧体材料中掺杂Bi2O3实现NiZn材料的低温烧结。
B、NiZn材料宽频设计
分析NiZn铁氧体材料相图，在IV区域可以生成单相NiZn铁氧体材料，使用频率1~300MHz；在IV区域配方可以加入一定的CuO得到NiCuZn铁氧体材料，作为EMI材料使用频率1~1000 MHz以上，符合多层片式电感元件宽频设计要求。
从片式元器件和新型电子组装技术的发展的实践来看，新型电子组装技术（如SMT)的发展牵动了片式元器件的发展，而片式元器件的发展又促进了新型电子组装技术的进步。从西方发达国家看，两者的同步率在±5年时间。我国在“八五”和“九五”期间为适应计算机、通信工程，高档家用电器和军事电子工程的需要，花费了上百亿资金对新型电子组装技术进行引进，消化和技术改造。随着我国加入WTO磁性材料面临重大的机遇和挑战。多层片式电感器件和其他各种片式元器件是系统化的高新技术，关键工艺技术都很保密。我们应认真总结“八五”和“九五”期间引进片式电阻和片式电容生产线和工艺技术的经验教训，尤其是“洋机吃洋米”的教训。对多层片式电感元器件走自主创新和引进先进工艺技术、仪器设备、质量监测手段相结合的道路，开辟磁性材料新的研发领域和应用目标，满足国内新型电子组装技术发展的需要。■