激光加工超小型多层片式电感器的高精度印刷技术
2006-01-17 09:17:56
来源：《国际电子变压器》2006年2月刊
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1前言
近年来，以便携式电话为代表的移动通讯设备正在加快向小型化和高性能化发展。面对此要求，以多层无源元件尺寸为1005的电容器、电阻器为代表的产品，已实现了小型化。电感器同电容器和电阻器比较，因结构复杂，小型化的进展比较缓慢。
电感器小型化滞后的原因是要得到高电感值和高频下的高Q值，必须形成三维内部导体螺旋结构（图1）。因此，过去称作空心线圈的金属丝绕成弹簧状或在印刷线路板上形成二维的轨迹图形，所制成的电感器都用于高频电路（图2）。前者，可获得高Q值和高电感值，但很难小型化，遇到振动和冲击，就会改变螺旋状态，这时的电感值就会起变化。后者，根据二维图形形成螺旋状，获得的Q值不很高，而且在基板上占的面积很大。
为了解决上述问题，我们对多层片式电感器着眼于新的印刷技术和迭层技术以及激光通孔加工技术，并实现了小型化。
具体措施确立了以低温烧结、低ε的玻璃陶瓷材料与100%的内部Ag导体作为基本材料，在厚度30μm的玻璃陶瓷片上的高精度迭层技术、导电带带宽小于70μm的高精度印刷技术以及利用激光消蚀技术在生片上加工微细通孔技术。多层片式电感器除了维持高Q值和较宽的电感值外，实现了尺寸达到1005规格的小型化产品。特别是采用激光消蚀技术在生片上形成通孔，这将使得模具冲孔和NC钻孔不能做到的微细高精度通孔变为现实。
在移动通讯设备中，用多层片式电感器置换过去的空心线圈和印刷式电感器，这是对小型化和高性能化做出的最大贡献。作者在本文中详细介绍了在生片上进行激光加工的方法和在经过微细通孔加工的生片上进行高精度印刷及其应用。
2激光加工的方法
生片上的加工，就是生片吸收激光能量后，使其变热，构成生片的材料在一瞬间气化。因此，加工所需要的能量估计是利用其材料的能量吸收率，在构成生片材料的温度达到沸点之前消除所需要的能量和气化潜热。实际上，考虑到热量对周围的影响，上述的能量在一定范围内的能级一定要稳定。应在极短的时间内不要发生向周围的热扩散。激光的输出是指固体激光，利用从励磁管的输出控制激光的粗细，这种加工方式可在短时间内使高能量照射在被加工物的微小区域内。
在生片上进行激光加工的优缺点见表1。为了便于比较，表中还列举了过去所采取的冲孔和NC钻孔等加工方法。采用本加工方法，可以在生片上形成精度高达几十μm的微细通孔（图3）。
3高精度印刷
采用激光加工方法，可以形成几十μm的微细通孔，不过，假设不能经微细通孔中充填内部导体浆料，就没有任何意义。为此，必须开发向微细通孔中适合高充填性的内部导体浆料。图4示出了开发内部导体浆料的关键技术。确立此项关键技术，使内部导体浆料适应微细通孔的高充填性和形成细线。作为实例，叙述了金属含量对微细通孔的高充填性和形成细线的影响。
3.1实验方法
将玻璃陶瓷弄成厚度为30μm的生片，生片上用激光加工成通孔。然后往生片上印刷内部导电浆料，使其构成迭层的3维内部导体螺旋结构。迭层体经过层压，切割成1005尺寸的成型品，再进行烧结，然后涂敷外部电极，就构成了1005规格尺寸的多层片式电感器。
3.2实验结果
图5示出了通孔直径Ф50、70、100μm的内部导体浆料金属含量与导通率的关系。图6是印刷带宽50、70、100μm时的内部导体浆料金属含量与导通率的关系。关于通孔直径，当内部导体浆料金属含量为70wt%时，由于通孔直径小，导通率明显不好，75wt%以上，导通率达到100%，关于印刷带宽，当内部导体浆料金属含量为70wt%时，导通率全部达到100%。内部导体浆料金属含量为90wt%时，印刷带宽也会变窄，使导通率恶化。
由以上结果判明，要满足Ф50μm微小通孔的充填性和形成带宽50μm的细线，内部导体浆料金属含量应在75%~85%范围内。这样就可以使关键技术最佳化，充分满足几十μm微细通孔的高充填性和形成几十μm的细线。
4多层电感器的应用
综上所述，采用激光加工微细通孔技术和高精度印刷技术，开发出了过去技术不可能实现的1005规格尺寸的高频多层片式电感器。图7是高频多层片式电感器的电性能。随着激光通孔技术和高精度印刷技术的不断进步，1005规格产品在维持低直流电阻的基础上，获取的电感值可达到MAX100nH。特别是电感器至10nH的产品，适用于功率放大器模块等的PDC的匹配。今后，伴随着生片的薄层化，微细激光加工等技术的继续研究，1005规格的产品还可实现更高的电感值。
表2示出了尺寸公差规格；表3为电感值的分布误差。1005规格产品在迭层精度上有了惊人的提高，尺寸公差只是1608规格产品的三分之一。同时，电感量的分布范围窄，可保证JIS标准的J公差。
5结束语
采用高精度激光加工技术，可形成精度高的几十μm微细通孔。采用高精度印刷技术可形成向几十μm的微细通孔内充填的高充填性和几十μm的细线。采用这些技术成功的开发出了1005规格的多层片式电感器。
今后在激光加工技术方面，还应提高微小孔的加工技术。另外，加工形态不光要圆，而且对应生片厚度方向，应充分发挥至中途的加工等激光加工特长。进一步提高加工的自由度。在印刷技术方面，预计要以阵列化、复合化为出发点，提高激光加工微小孔的高充填性，高细线化和窄间距。今后还要扩大视野，开发溅射等的薄膜布线技术。
近年来，以便携式电话为代表的移动通讯设备正在加快向小型化和高性能化发展。面对此要求，以多层无源元件尺寸为1005的电容器、电阻器为代表的产品，已实现了小型化。电感器同电容器和电阻器比较，因结构复杂，小型化的进展比较缓慢。
电感器小型化滞后的原因是要得到高电感值和高频下的高Q值，必须形成三维内部导体螺旋结构（图1）。因此，过去称作空心线圈的金属丝绕成弹簧状或在印刷线路板上形成二维的轨迹图形，所制成的电感器都用于高频电路（图2）。前者，可获得高Q值和高电感值，但很难小型化，遇到振动和冲击，就会改变螺旋状态，这时的电感值就会起变化。后者，根据二维图形形成螺旋状，获得的Q值不很高，而且在基板上占的面积很大。
为了解决上述问题，我们对多层片式电感器着眼于新的印刷技术和迭层技术以及激光通孔加工技术，并实现了小型化。
具体措施确立了以低温烧结、低ε的玻璃陶瓷材料与100%的内部Ag导体作为基本材料，在厚度30μm的玻璃陶瓷片上的高精度迭层技术、导电带带宽小于70μm的高精度印刷技术以及利用激光消蚀技术在生片上加工微细通孔技术。多层片式电感器除了维持高Q值和较宽的电感值外，实现了尺寸达到1005规格的小型化产品。特别是采用激光消蚀技术在生片上形成通孔，这将使得模具冲孔和NC钻孔不能做到的微细高精度通孔变为现实。
在移动通讯设备中，用多层片式电感器置换过去的空心线圈和印刷式电感器，这是对小型化和高性能化做出的最大贡献。作者在本文中详细介绍了在生片上进行激光加工的方法和在经过微细通孔加工的生片上进行高精度印刷及其应用。
2激光加工的方法
生片上的加工，就是生片吸收激光能量后，使其变热，构成生片的材料在一瞬间气化。因此，加工所需要的能量估计是利用其材料的能量吸收率，在构成生片材料的温度达到沸点之前消除所需要的能量和气化潜热。实际上，考虑到热量对周围的影响，上述的能量在一定范围内的能级一定要稳定。应在极短的时间内不要发生向周围的热扩散。激光的输出是指固体激光，利用从励磁管的输出控制激光的粗细，这种加工方式可在短时间内使高能量照射在被加工物的微小区域内。
在生片上进行激光加工的优缺点见表1。为了便于比较，表中还列举了过去所采取的冲孔和NC钻孔等加工方法。采用本加工方法，可以在生片上形成精度高达几十μm的微细通孔（图3）。
3高精度印刷
采用激光加工方法，可以形成几十μm的微细通孔，不过，假设不能经微细通孔中充填内部导体浆料，就没有任何意义。为此，必须开发向微细通孔中适合高充填性的内部导体浆料。图4示出了开发内部导体浆料的关键技术。确立此项关键技术，使内部导体浆料适应微细通孔的高充填性和形成细线。作为实例，叙述了金属含量对微细通孔的高充填性和形成细线的影响。
3.1实验方法
将玻璃陶瓷弄成厚度为30μm的生片，生片上用激光加工成通孔。然后往生片上印刷内部导电浆料，使其构成迭层的3维内部导体螺旋结构。迭层体经过层压，切割成1005尺寸的成型品，再进行烧结，然后涂敷外部电极，就构成了1005规格尺寸的多层片式电感器。
3.2实验结果
图5示出了通孔直径Ф50、70、100μm的内部导体浆料金属含量与导通率的关系。图6是印刷带宽50、70、100μm时的内部导体浆料金属含量与导通率的关系。关于通孔直径，当内部导体浆料金属含量为70wt%时，由于通孔直径小，导通率明显不好，75wt%以上，导通率达到100%，关于印刷带宽，当内部导体浆料金属含量为70wt%时，导通率全部达到100%。内部导体浆料金属含量为90wt%时，印刷带宽也会变窄，使导通率恶化。
由以上结果判明，要满足Ф50μm微小通孔的充填性和形成带宽50μm的细线，内部导体浆料金属含量应在75%~85%范围内。这样就可以使关键技术最佳化，充分满足几十μm微细通孔的高充填性和形成几十μm的细线。
4多层电感器的应用
综上所述，采用激光加工微细通孔技术和高精度印刷技术，开发出了过去技术不可能实现的1005规格尺寸的高频多层片式电感器。图7是高频多层片式电感器的电性能。随着激光通孔技术和高精度印刷技术的不断进步，1005规格产品在维持低直流电阻的基础上，获取的电感值可达到MAX100nH。特别是电感器至10nH的产品，适用于功率放大器模块等的PDC的匹配。今后，伴随着生片的薄层化，微细激光加工等技术的继续研究，1005规格的产品还可实现更高的电感值。
表2示出了尺寸公差规格；表3为电感值的分布误差。1005规格产品在迭层精度上有了惊人的提高，尺寸公差只是1608规格产品的三分之一。同时，电感量的分布范围窄，可保证JIS标准的J公差。
5结束语
采用高精度激光加工技术，可形成精度高的几十μm微细通孔。采用高精度印刷技术可形成向几十μm的微细通孔内充填的高充填性和几十μm的细线。采用这些技术成功的开发出了1005规格的多层片式电感器。
今后在激光加工技术方面，还应提高微小孔的加工技术。另外，加工形态不光要圆，而且对应生片厚度方向，应充分发挥至中途的加工等激光加工特长。进一步提高加工的自由度。在印刷技术方面，预计要以阵列化、复合化为出发点，提高激光加工微小孔的高充填性，高细线化和窄间距。今后还要扩大视野，开发溅射等的薄膜布线技术。
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