1 前言
随着笔记本电脑在高速度、高存储密度、轻薄化等方面的日益进步，以及以手机为中心的移动通讯技术和有线、无线数字通讯网的不断更新换代，电子产品在过去的 20 年中向着小型化、便携化方向飞速发展。这就带动了由模拟电路向高速数字电路的变革，及表面安装技术（SMT）的崛起。
SMC 片式元件不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配的高速自动化，片式元件的广泛应用，致使电子产品制造方式也发生了深刻变化，制造商希望印刷电路板全部采用片式元件。最近 20 年来，三大无源元件中的电阻器和电容器的片式化技术发展十分迅速，产品种类和规格日趋齐全，已达到大批量应用阶段，而小型化片式磁性元件（包括电感器、磁珠、滤波器、微波铁氧体器件等）由于工艺难度较大，故发展相对缓慢。为适应现代通信、计算机、视听设备、电子办公设备、汽车电子系统、军事电子装置以及电磁兼容（EMC）等的需要。近年来一些国家投入大量人力财力来研究开发磁性元件的片式化技术，从而有力地推动小型化片式磁性元件的发展。随着叠层片式电感器 MLCI 和叠层型片式磁珠 MLCB 以及叠层型片式 LC 组合元件技术的成熟而越来越受到人们的重视，每年以两位数的速度增长，已经成为最重要的片式电子元件之一。
制备 MLCI 和 MLCB 的关键技术之一是制备高性能低温烧结铁氧体粉料。当前世界上最好的低温烧结 NiCuZn 粉料由日本 TDK、村田等提供，这些公司对我国进行技术封锁，不出售它的粉料。
用于制作叠层片式电感器、叠层片式铁氧体磁珠和 LC 滤波器等片式铁氧体元件及复合多片组件（MCM）的铁氧体磁粉料必须具备以下特征：
1) 能够低温烧结。在内导体 Ag 的熔点以下（～450℃）温度烧结时，可获得致密的铁氧体微观结构和优良的电磁性能。
2) 能与 Ag 浆共烧。在 900℃ 左右与 Ag 浆共烧时，不与 Ag 发生化学反应，不出现 Ag 离子扩散现象。
3) 满足流延、印刷工艺的要求，粉末的粒度分布、形貌、表面特征等适应流延、印刷工艺的要求。
4) 满足三层镀工艺要求，用磁粉制成 ML 和 MLCB 后，其表面特性能适应端电极三层镀的条件。
目前的叠层片式铁氧体元件和多片组件，一般都采用低温烧结 NiCuZn 铁氧体粉末，为了提高元器件的性能和满足高频应用的要求正进行三个方面的研究与开发：第一，进一步研究 NiCuZn 铁氧体，努力提高它的物理和电磁性能；第二，开发低应力 MgCuZn 铁氧体和高频用六角晶铁氧体等新的低温烧结粉料；第三，探索新的材料制备工艺，以克服目前工艺技术存在的缺点。
2  高性能低温烧结叠层片式电感器制作工艺
叠层片式电感器由于铁氧体与内线圈的独石结构特点，具有磁屏蔽结构、漏磁小、体积小、重量轻、可靠性高的优点，因而比绕线型电感器更适合表面安装技术的高密度组装要求。
叠层片式电感、叠层片式 LC 滤波器、叠层混合电路、叠层片式磁珠排等叠层片式磁性元件的结构模型示于图 1。近来，就小型化铁氧体叠层片式电感的尺寸规格而言，市场上信息、通信类等电子产品所使用的主流产品已从 1608/0603 型（1.6×0.8mm）转向 1005/0402 型（1.0×0.5mm）。磁珠，作为叠层片式电感的主要低端产品，尺寸规格已降至 0603/0201 型。多磁珠并联的产品磁珠排，可满足多条线路抑制噪声的需要，集成化的磁珠排占用 PCB 面积小，贴装效率高，生产成本低，主要用于家用电器（VCD、DVD、电脑等）的抗电磁干扰。四连排的主流尺寸已为 2010/0804（相当于四个 1005/0402 型磁珠）。高附加值的大电流磁珠排和高频磁珠排近来需求高涨，主要用于电源部分的抗电磁干扰和高速数字信号的噪声抑制。日本 TDK 公司的 TDKMP2 型磁珠的最大额定电流为 5A，尺寸有 1608 和 2012 型。该公司用于 GHz 频段，采用 Z 型六角晶系铁氧体材料的抑制噪声片珠已经问世。集成化铁氧体/陶瓷复合组件、叠层片式 LC 滤波器、叠层 DC/DC 变换器等磁性功能模块等，多用于超轻薄、便携式电子产品。目前，随着电子产品设计对高速数字化和高密度表面安装化需要的日益增长，叠层片式电感等叠层片式磁性元件正在向着高频化、小型化、多功能化和集成化方向快速发展。
叠层片式电感的结构是由交互叠加的铁氧体层和内导体层所组成，其制作工艺采用与低温共烧陶瓷（LTCC）技术大致相同的低温共烧铁氧体（LTCF）技术。制作叠层片式电感的主要工艺流程是：将铁氧体粉制成浆料，用流延或湿式印刷法制成铁氧体膜并在其上用银浆印制导电线圈，叠压在一起，穿孔连通各层导电线圈，重复上述步骤就可制成多达数十层的叠层结构。然后，再通过切割、排胶、烧结、倒角、制端电极、检测等后续工序即可完成。
叠层片式电感器制作的主要工艺难点在于其成型方法，目前典型的成型方法有三种：
1) 以日本 TDK 为代表的流延穿孔法（干法），见图2。
这种工艺将低温烧结铁氧体材料加粘合剂制成浆料，再用陶瓷流延工艺制成磁膜，在设定的位置用机械方法打通孔，再在铁氧体膜片上用银导体浆料印刷内线圈，同时在通孔处填满银浆，再将印刷好的膜片精确对位，通过叠压形成坯块，再精密切割成单个片式电感器生坯、经排胶、烧结形成独石结构，其缺点是对设备精度要求高、成本大，且产品易分层。
2) 以日本 Murata（村田）为代表的交迭印刷法（湿法）见图 3。
这种工艺是在预先制作的铁氧体基板上印刷 1/2（或 3/4）周的导体银浆，再用铁氧体浆料印刷覆盖其一半，印刷上 1/2 内线圈，然后在露出的 1/2 导体上印刷铁氧体浆料，再印刷 1/2 内线圈，如此不断循环，直至印毕所需内线圈匝数，再制作上基板。
3) 以美国 AEM 为代表的印刷穿孔法（湿法）
这种工艺在用湿法制得的下基板上先印刷下引出端，再在其上涂覆一层铁氧体浆，用化学方法将引出端显露出来，再在其上重复内线圈→涂覆铁氧体浆→显露连接点的过程，直到所需内线圈制作完毕，再印上了引出电极，制作上基板。
4) 我国广东肇庆风华电子工程开发有限公司结合干、湿法工艺的优点，发明了一种高性能低温烧结叠层片式电感器的制作工艺，该生产工艺过程包括：
① 浆料配制
先将 NiCuZn 铁氧体磁粉，放在专用烘箱内于 150±10℃ 下烘 12 小时，将烘好的铁氧体磁粉、树脂和有机溶剂按 5∶1∶4 比例配制，配方选定后，用球磨罐，按料∶球磨介质=1∶3 的比例进行球磨，将其均匀混合成浆料。通过试验，调整浆料中铁氧体磁粉、树脂、表面活性剂、增塑剂和有机溶剂的比例，以及混浆时间，以达到浆料的粘度，固含量、固体颗粒度和挥发性等技术参数，粘度 28～30Pa。
② 流延
采用干法流延制膜工艺、将浆料取一部分在干式流延机上流延成膜片，再将膜片截取一定数量，叠压成具有一定厚度的上、下保护层。
③ 成形印刷
将保护层粘贴于一载板上作底保护层，在其上印刷底引出端，引出电极和内导线，接着在其上用湿法（丝网印刷法）覆上一层磁膜，并在磁膜上预留通孔，再印刷通过浆料，然后印上一层内导线，依次循环，印完所需圈数的内导线后再印上引出端电极，最后，在坯块上叠压一块上保护层，由于成形过程中上、下保护层浆料与中间磁膜浆料配方一致，因此，干湿法相合的成形工艺制成的坯块，可以形成致密结构，在排胶与烧结过程中不会产生排斥，分层及开裂形象。
④ 排胶
设置一条合适的排胶升温曲线及严格控制排胶箱的进风和抽空速率，将上述生坯中成形时所加的粘合剂及小量残余溶剂缓慢排除。
⑤ 烧结
经排胶后的坯体，在隧道电炉于 890℃±20℃ 烧结，在烧结过程中，严格控制烧成炉温的波动和保护烧成气氛的均匀一致。
⑥ 电镀
采用三层电极工艺，银内导体引出端，镍和锡-铅镀层。目的在于使芯片适用于表面安装，提高芯片的可焊性和耐焊性，一般要求镍层厚度为 1.5μm～3μm 之间，而锡-铅层厚度为 3μm～5μm。
风华高科叠层片式电感器与日本 TDK 公司产品性能比较见表 1。
表 1  风华高科叠层片式电感器与日本 TDK 公司产品
性能比较
 风华高科试制样品 日本TDK公司样品
长×宽×高（mm） 3.2（±0.2）×1.6（±0.2）×0.85（±0.1） 3.2（±0.2）×1.6（±0.2）×0.85（±0.1）
电感量（μH） 1±10%或±20 1±10%或±20
Q值 45 45
自谐振频率（MHz） 80 85
直流电阻（Ω） ＜0.35 ＜0.35
额定电流（mA） 150 150
可焊性（s）
（浸焊260℃±5℃后焊锡仍能覆盖75%，芯片在焊槽能保护时间） 13 15
端电极强度（kg） 1～2.5 1～2.5

3 低温烧结铁氧体粉料的制备
为了制得高磁性高密度低温烧结铁氧体粉料，最重要的是优化各个工艺条件，包括原材料选择、原料混合、预烧和粉碎等各道工序。
TDK 公司中野敦之等人认为，剩余应力对 NiCuZn 铁氧体和叠层片式电感器、叠层片式磁珠的性能有影响。因此他们采取了降低铁氧体的各向异性常数 K1 和饱和磁致伸缩系数 λs，控制 Ag 内导体的状态措施，以消除应力的影响；他们采用了含 S 和 Cl 含量低的原材料，以抑制来自原材料 Fe2O3 和 NiO 中的 S 离子和 Cl 离子在烧结过程中能与 Ag 离子结合，生成低熔点（450℃～600℃）的 AgS和 AgCl，因而加剧了 Ag 离子的迁移。他们发现延长混料时间，可以提高铁氧体的烧结密度，他们认为铁氧体致密化的条件是原料混合，特别是 CuO 无偏析的均匀混料，在粉碎预烧料时，获得粉末陡直的粘度分布范围，也是提高低温烧结密度和磁性能的重要条件。
太阳诱电公司 Sokiguchi 等人认为要得到高性能的 NiCuZn 铁氧体粉料和叠层片式铁氧体元器件、控制降温过程也是非常重要的，缓慢降温冷却的样品析出物明显减少，能获得高磁导率粉料，实践证明，添加 Bi2O3 作为助熔剂，有利于提高磁性能。
我国清华大学材料工程系李龙士院士和周济教授领导的课题组和华南理工大学电子材料系熊茂仁、凌志远教授领导的课题组与肇庆风华高科技公司密切合作，对 NiCuZn铁氧体进行了广泛深入的研究，对组分和助溶剂的影响，颗粒度与颗粒分布的控制、内导体与铁氧体之间的离子迁移、流延和印刷的工艺性、铁氧体表面特性与端电极三层镀之间的关系等，研制成功低温烧结 NiCuZn 铁氧体磁粉系列，并已在广东肇庆风华高科技公司投产并对外出售磁粉。表 2 列出风华高科低温烧结 NiCuZn 铁氧体磁性能。
西南应用磁学研究所韩志全等人通过对制粉工艺等方面的大量研究，开发出了性能如表 3 所示的低温烧结 NiCuZn。
4 低温共烧 NiCuZn 铁氧体磁粉新工艺开发
目前，制备低温共烧 NiCuZn 铁氧体磁粉的主要工艺是固相反应法。但国内外专家正在开发新的工艺即化学法低温烧结 NiCuZn 铁氧体，虽不成熟，但已取得了很大进展。
清华大学周济教授课题组开发了不加助溶剂的软化学法（溶胶-凝胶的蔓延燃烧法新工艺，他们采用 Cu、Zn、Fe 的硝酸盐及柠檬酸作原料，将适量配方原料溶于去离子水中，盐∶酸的摩尔比为 1∶1，向水溶液中加少量的氧，将pH值调到7左右，在这个过程中，用磁性搅拌器不断地搅拌溶液；然后把混合溶液注入一器皿中，加热到 350℃，并不断搅拌，使混合溶液转变成干胶，在任意处点火时，干燥的凝胶便以自蔓延燃烧的方式燃烧，直到全部燃遍，生成疏松的粉末，加入 5wt% 聚乙烯醇作粘合剂，与制得的铁氧体粉混合，过 60 目筛造粒，成型生坯，在空气中以 900℃ 烧结 2 小时，就可以得到单相致密的尖晶石铁氧体，这种烧结体具有精细粒子（1-2μm）微观结构，比用固相反应法制得的材料的频率稳定性好，Q 值高。实验室水平为μi（870℃）=500，μi（900℃）=900，还完成了μi 为 550、400、250 的系列材料的开发（880℃）烧结。西南应用磁学研究所韩志全课题组也有溶胶凝胶法研制出μi＞1000，Q＞60 温度系数为 0.9×10－6℃－1的低温烧结（880±20℃）NiCuZn 铁氧体 Ni0.75－xZnxCu0.25Fe2O3 材料。他们通过目前研究认为，用溶胶凝胶法制备低温烧结 NiCuZn 铁氧体虽然有较高的磁导率，但 Q 值较低，成本高，性价比远不如用固化反应法（氧化物法）制得的材料。
5 新低温烧结铁氧体粉料的开发
5.1 固相反应法低温烧结 MgCuZn 铁氧体
TDK 公司中野敦之和中烟功等人认为，现用的 NiCuZn 铁氧体λs 值很大，对应力十分敏感，由内导体和基片封装产生的应力会使其性能变坏，为此，他们研究了λs 值比 NiCuZn 铁氧体值的低，磁致伸缩 MgCuZn 尖晶石铁氧体，他们研究发现，取化学组成（摩尔分数）为47.5%Fe2O3、21%ZnO（5.5～13.5）%CuO 和余量的 Mg 时：
(1) 采用 CuO 含量增加，铁氧体的加热收缩曲线转向低温端，尤其是在 CuO 为（5.5～7.5）% 的范围内；
(2) SSA 增大，铁氧体加热的温度移向低温一边，特别是在 SSA=（3～6.5）m2/g 内更显著；
(3) 随预烧温度（Fpres）升高，铁氧体在较低的温度开始收缩，但是当 Tpres≥900℃ 时，就再也难以实现低温烧结了；
(4) 满足 SSA≥7.0m2/g，CuO 含量 ＞7.5mol% 和Tpres=780～850℃ 这些条件，就可以制出收缩特性和 NiCuZn 铁氧体一样的低温烧结粉料，并且有望获得高的技术性能。
5.2 固相反应法高频特性优良的低温烧结六角晶系铁氧体
用低温烧结 NiCuZn 铁氧体制作的叠片式元件和组件，当其工作频率超过 400MHz 时性能会明显地下降。为此 TDK 公司和我国清华大学周济教授课题组用固相反应法研究了能与 Ag 低温共烧的六角晶系Co2Z 铁氧体，用来制造 GHz 频率范围的叠层片式元件（MFCC）。TDK 公司采用的原材料为 Fe2O3、BaCO3 和Co2O4，按摩尔比 3∶2∶12 配料，同时还配制了用 NiO、MnO、ZnO 和 MgO 置换部分 Co2O4 组分，用球磨混料 16h，在空气中 950～1300℃ 预烧 2h，再用球磨粉碎，在这次球磨过程中加入质量分数为 1%～5% 的硼硅玻璃，CuO 和/或 Bi2O3 作为助熔剂。粉体的比表面积为 10m2/g，将粉料压制成长方体和环形坯件，在 930℃ 烧结，经微观结构和电磁性能测试，得出结论是：
(1) 采用Fe2O3 68.7mol%、BaCO3 21.0mol%、Co3O4 10.3mol% 的配方，在 1300℃ 预烧，获得 Z 相的质量分数最大；
(2) 在Z型六角晶铁氧体材料中复合添加 5wt%CuO＋5wt%Bi2O3 是促进铁氧体在 Ag 熔点以下（930℃）温度烧结致密化的有效手段。
(3) 复合添加 5wt%CuO＋5wt%Bi2O3 制得 Co2Z 型六角晶铁氧体 μ' 为 3.6，上限频率是 1.75GHz。
(4) 用在 930℃ 烧结的 Co2 型六角晶铁氧体制成容法片式磁珠（1608 型、2.5 匝）可在 1.4GHz 频段有效工作。
我国清华大学周济教授等人采用凝胶自蔓延燃烧法，成功制出低温烧结 Co2Z 型六角晶铁氧体料粉，他们将添加有 Bi2O3 的铁氧体粉料压制成生坯，在 900℃ 于空气中烧结，得到了晶粒均匀致密的微观结构，没有出现巨晶，这种低温烧结 Co2Z 型六角晶铁氧体全是单相（Z 相），烧结体磁导率随频率变化的曲线揭示，用固相反应法制得的 CoZ 型材料，在烧结温度为 930℃ 时，μ'＜4，而用于凝胶自蔓延燃烧法制备的 CoZ 型材料，烧结温度为 870℃ 时，μ'=5，若将烧结温度提高到 920℃，μ' 可上升到 6 以上，可见，用干凝胶自蔓延燃烧法制得的低温烧结 Co2Z 型六角晶铁氧体粉料制成 GHz 频率用叠层片式元器件，性能更好些。
6 低温烧结铁氧体粉料的发展趋势
低温烧结 NiCuZn 铁氧体经过 20 年的研究与开发，在制备工艺、制粉技术、工装设备以及减缓内应力等方面均取得了相当大的进展。为了进一步满足叠层片式电感等叠层片式磁性元件提高性能的需要，在低温烧结铁氧体粉料的研制方面，预期会有如下发展趋势：
(1) 提高起始磁导率和密度。低温烧结产品的 μi 最高为 400-1000，而高温烧结的 NiCuZn 铁氧体产品的 μi 值最高可达 2000-2500，因此，还有较大的提高余地。主要技术途径有添加剂的研究、铁氧体材料系列的开发、制粉技术的改进等。
(2) 降低功耗，改善直流叠加特性。用以满足开关电源变压器、局域网脉冲变压器等的叠层片式化、高频化的要求，提高额定电流和功效。对功耗来说，缓解应力是减小磁滞损耗的重要途径。
(3) 减小应力的影响。降低 λs、改进工艺以减缓应力引起的性能恶化。
(4) 铁氧体/介质一体化片式工艺研究。为满足多功能复合片式组装芯片的要求，需要消除因铁氧体与 TiO2 基陶瓷介质线膨胀系数不同（前者为11.5×10－6K－1，后者为9.5×10－6K－1）而在界面处引起的内应力。太阳诱电公司Yamaguchi等人提出了可供参考的中间加入线膨胀系数介于两者之间的应力释放层的方法来抑制内应力。
(5) 高性能 GHz 频段片式磁珠用六角晶系 Co2Z 等铁氧体低温烧结技术的开发。
(6) 可靠性增长技术研究与开发。
7 叠层片式电感器及相关复合元件的应用
叠层片式电感器是用低温共烧铁氧体浆料和导体浆为交替印刷、叠层、烧结、形成闭合磁路，采用了先进的厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺，实现了超小型表面安装。
叠层片式电感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，不会干扰周围的元件，也不会受临近元件的干扰，有利于元件的高密度安装；一体化结构，可靠性高；耐热性、可焊性好；形状规整，适合于自动化表面安装生产。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路、PHS 等移动通信终端的高频毫微亨级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，达到了高密度安装中的极小片式元件尺寸，适应了 SMT 的需要。
高频叠层片式电感器现已能用在亚微波到微波波段，它通常以采用低介是常数陶瓷材料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；其电感值从数毫微亨到数十微亨均有，容许误差很小，容许电流值设计为 300mA 级。这种电感器的外形尺寸最初为 3.2×1.6(mm)，随着叠层技术的进步，其小型化的速度加快，出现了 2×1.5、1.6×0.8、1×0.5(mm) 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 L 特性、频率提高后转而以 R 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R将抑制衰减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R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1.6×0.3(mm)，阻抗高达1000Ω/100MHz。
近来，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不仅需要小型化，而且要求多连化（像多连片状电阻器一样），目的是为了适合多条线路，并提高安装效率。面对这种日益高涨的需求，国外已出现一种阵列式高损耗型叠层片电感器，尺寸为 3.2×1.6(mm)，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、串拢等缺撼。与此同时，在叠层片式磁珠的基础上发展出将若干个磁珠集成到一起的片式磁珠阵列（磁珠排），这是一种能有效抑制电磁辐射和电磁噪声的小型化片式元件。根据相邻磁珠间的不同耦合方式，磁珠阵列分为常模和共模两类产品，主要用于高密度组装、功能强大的笔记本电脑、计算机主板接口、电源总线母线排以及数据总线时钟信号等多出口位置。
利用近年来发展的铁氧体——陶瓷叠层共烧技术，可以将若干个铁氧体叠层电感器和陶瓷叠层电容器集成在一起，经过共绕制构成截止特性锐敏的片式电磁干扰（EMI）滤波器，用于抑制数字式电子整机产生的 EMI 噪声。按具体用途，EMI 滤波器可分为电源线路用 EMI 滤波器和信号线路用 EMI 滤波器两大类。
电子机器接上交流电源后，一通电，就等于接上了一个不定的噪声源。这种电源噪声的频率分布在从低频到高频的宽带范围内；在这里，必须使用片式交流电源线路滤波器。它除了抑制电源噪声外，还应能防止机内产生的各种噪声，故它应同时兼容有强的抗扰性和抗机内噪声发生这两种功能。一般的片式交流电源滤波器都有由能够同时除去共模和常模两种噪声的电路网络构成，它包括两个共模扼流圈（L1，L2）、一个跨接线（Across-the line）电容器（CL）和两个线路旁通电容器（CB1，CB2）三种元件。L1，L2用于除去低频共模噪声，CL除去低频常模噪声，CB1和CB2除去高频常模、共模噪声。
作为电源负载的电子机器，一旦内部产生电磁波干扰信号，它就会变成天线，向外放射噪声，影响周围电子机器正常工作。为此，在电源输出端需使用片式直流电源线路用EMI滤波器。这种滤波器由大容量四端叠层陶瓷电容器、穿心电容器和磁珠组成，可除去 450kHz～1GHz 的宽频带噪声。