片式电感与高频应用
2009-09-05 10:47:33
来源：《国际电子变压器》2009年9月刊
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1 前言
随着电子产品向高频化、高速化和小型化方向的发展，具有短、小、轻、薄、可靠性高等优点的片式元器件获得了广泛应用。在三大主流片式无源器件中，电感器件因结构的复杂性以及受传统的绕线工艺限制，片式化程度发展相对滞后。国外自70年代起开始研制片式电感器，80年代初实现商品化，至目前已取得了长足发展。
众所周知，电感器是用以组成谐振、滤波、相位匹配等电路的基本元件之一，因而在电子仪器设备、消费性电子产品与电力配输设备中得到广泛的应用。电子信息产品（如PC、Notebook）用片式电感器通常应具有较高的电感值，而高频电感特性较差，无法在工作频率较高的通讯设备中使用，研究片式电感的高频特性显得十分重要了。
2 片式电感在技术上的新近发展
电感器发展重点是片式化，全球市场对片式电感器的需求在不断增长；尤其是移动通讯的发展速度惊人，要求大量的各种片式电感。目前，移动通讯用的片式电感器件市场缺口约有三分之一。在片式电感器中，迭层型片式电感器现在居主流地位，其尺寸已由原来的3216(3.2×1.6mm)缩小到目前主流产品1005(1.0×0.5mm)，这类超小型电感器广泛应用于通讯和抗电磁干扰(EMI)及电磁兼容(EMC)设备。在低档应用领域，片式电感器可能被片式磁珠取代，所以，制造商已开始生产含有电容器的集成薄膜片式电感器。为了避免开关电源的开关噪声污染电源网络，在电源输入端均设置铁氧体磁珠输入滤波器。这类滤波器被广泛应用于使用高频开关电源的计算机、程控交换机、电源整流器等领域。
随着数字化浪潮不断发展，整机产品持续向更小型化、多功能化、频段多样化发展，由此带来了元器件行业革命性的变革，表面贴装元件不断走向更小尺寸，更多功能和更高频率以及无源元件集成化，其技术发展方向是：
高频化
移动通信、卫星通信技术的迅速发展，使得频道空间越来越走向高频化，900MHz、1800MHz、2.4GHz的手机频段，以及卫星通信的十几GHz，使得电路元件，必须能够工作在射频(RF)段以及微波段，片式电感产品毫无疑问必须能够安全可靠地工作在这一频段。
以当前技术而言，要求工作在射频与微波段的片式电感必须满足：尺寸足够小，能够满足手机与卫星电话不断小型化趋势；工作频率能够覆盖100M、800M、1.8G、2.4G，甚至几十GHz，亦即在这些频段，电感的Q值必须满足电路需求；电感的自谐振频率SRF必须足够高；电感具有一定的耐电流特性；电感量必须是集中在某一设定需求的感值。
蓬勃发展的纳米技术将给电感的高频化带来重大发展，如果纳米粉料技术走向实用化，则制造高频电感所用的两种重要材料：陶瓷料与Ag粉的颗粒尺寸便要进入纳米级，以纳米料粉为基料的高频电感烧结后便可得到分布均匀的晶粒与晶界。由此可以看到，更高频率电感元件的发展，非常强烈地依赖于纳米粉料技术尽快产业化的进程。
高频电感的发展还依赖着设计技术的变革。目前由于绕制印刷方向的不可互易性，不仅对射频电路性能、对SMT设备的贴装均有影响，要求SMT机器必须具有识别标识的功能，制造电感的机器成本也会提高，工作效率会大幅下降。为了消除这一影响，电感的设计技术必须变革，必须引入高频半导体类器件的设计理念，在设计过程中考虑诸多射频段电磁场影响等因素，消除不良因素的影响并降低制造成本。
小型化
由于手机产品与卫星电话不断向小型化，以及高频率发展，使得目前市场上的高频电感已迅速从0603主导型走向了0402主导型，目前0201电感也已经问世。在射频段以及微波段，常规的集成电路参数分析法已不能适应电路分析，而必须从微波电磁场的理论来分析电路对电感的需求，如果电感要满足在100MHz、800MHz、1.8GHz、2.4GHz甚至更高频率上的Q值能达到电路调谐之需要，则必须从原材料、电感设计、制程方法上进行认真研究与革新。
随着元器件尺寸的进一步减小，从0402到0201，同时要求的公差越来越小，电感的制造方法也必须发生变革。目前，生产上流行的印刷法，由于其存在诸多的变异因素，对尺寸的减小和CPK值的不断提高，起着非常明显的限制作用，所以为了配合手机产品，卫星电话产品对更精确电感的需求，必须研究出高新的制造技术。
复合化
每个人都希望手机越来越小，都希望无论在蓝天上还是在遥远的南极，都能实现自由通信，所以未来手机、卫星电话的一体化复合功能的实现不再遥远。电感(L)、电容(C)以及电阻(R)的集合，一直以来是我们研究电感的一个发展方向。
对于复合化发展所面临的问题同样是材料、设计与制造工艺，如何能实现高频电感的变革性发展，则是必须解决的课题。
大功率
随着手机的日益普及，对移动通信基站的大功率要求也就变得日益迫切，加之基站网络的迅速建立，对于功率型片式电感的需要也越来越多。因此，为了顺应这一市场的需求，企业必须开发能够耐受大电流的功率型电感。
目前，制成大功率电感必须解决：进一步研制具有高饱和磁通密度、更好磁滞回线（最好是矩形细窄回线）的铁氧体材料；研制能够耐受大电流的内电极浆料；设计技术的突破。
3 片式电感器在高频电路中的分析
通常，电感是一个二端元件，在实际电路中电感类型很多，电感的范围变化很大，例如高频电路中使用的电感容量可以小到几个mH(1mH=10-6H)，低频滤波电路中使用扼流圈的电感可以大到几亨(H)。它的电路模型可以用一个电感或一个电感与电阻的串联表示，而在工作频率很高的情况下，还需要增加一个电容来构成，如图1所示。
片式电感作为新型基础无源器件，以其良好的性能价格比和便于高密度贴装等显着优点，迅速得到了广泛应用，尤其在移动通讯产品例如以手机为代表的终端设备中，片式电感获得了典型的高频应用，不断推陈出新的通信系统(GSM、CDMA、PCS、3G…)使得片式电感的工作频率逐步达到了2GHz甚至更高。由于RF电路的工作频率不断提升，片式电感在应用方面的性能特点发生了明显变化。因此，为有效提升片式电感的电性能参数，改善RF电路性能，必须进一步分析其频率特性规律。
片式电感器的等效电路如图2所示。
其中： Lo—额定电感量， r—内电极电阻，Ro—电磁漏损等效电阻，Co—寄生电容。
片式电感器的阻抗Z，品质因素Q，电感量L三个主要特性参数都是频率f的函数，即：
Z(f) = R(f) ＋ jX(f)
Q(f) = X(f) / R(f)
L(f) = X(f) / 2πf
当工作频率达到2GHz左右时，信号波长已与器件尺寸相比拟。片式电感的阻抗呈现出明显的分布特性，即不同的参考位置存在不同阻抗。在高频条件下，器件的电路响应可随其尺寸和空间结构的不同而发生相应变化，常规的阻抗测量参数已不能准确反映实际电路中的频响特性。
电磁场理论在工程中常用来分析具有分布特性的高频应用问题。通常在利用阻抗分析仪（如HP-4291B）对片式电感进行的测量中，可通过夹具补偿和仪器校准等手段将测量精度提高到 0.1nH左右，理论上足以保证电路设计所需的精度要求。但不容忽视的问题是，此时的测量结果仅仅反映了匹配状态下（测量夹具设计为精确匹配）电感器件端电极界面之间的参数性能，对电感器件的内部电磁分布情况和外部电磁环境要求却未能反映出来。相同测试参数的电感可能因内电极结构不同而存在完全不同的电磁分布状态。
高频电路（包括高速数字电路）设计中，基于电路性能、器件选择和电磁兼容等因素的考虑，通常是以网络散射分析（S参数）、信号完整性分析、电磁仿真分析、电路仿真分析等手段，来综合考虑实际电路系统的工作性能。针对片式电感器件的“分布影响”问题，一个可行的解决方案是对电感器件进行结构性电磁仿真来作为电路设计的依据，以此有效减小电感器件在高频设计应用中的误差影响。国外（如日本等）主要元器件企业的片式电感产品技术参数大多包含有S参数，通常可用于精确的高频应用分析。
在高频电路中比较常用的片式电感有薄膜电感、片式绕线电感和叠层片式电感三种。由于内电极的结构特点有明显不同，即使参数规格相同情况下，其电路响应却不尽相同。实际电路应用中对电感器件的选择有一定规律和特点，例如：
阻抗匹配：射频电路(RF)通常由高放(LNA)、本振(LO)、混频(MIX)、功放(PA)、滤波(BPF/LPF)等基本电路单元构成。在特性阻抗各不相同的单元电路之间，高频信号需要低损耗耦合传输，阻抗匹配成为必不可少。典型方案是利用电感与电容组合为“倒L”或“T”型匹配电路，对其中的片式电感，匹配性能的好坏很大程度是取决于电感量L的精确度，其次才是品质因素Q的高低。在工作频率较高时，往往使用光刻薄膜电感来确保高精度的L，其内电极集中于同一层面，磁场分布集中，能确保装贴后的器件参数变化不大。
谐振放大：典型的高频放大电路通常采用谐振回路作为输出负载。对其增益和信噪比等主要性能参数来说，片式电感的品质因素Q成为关键。L的少许误差影响可由多种电路形式予以补偿和修正，因而多采用绕线片式电感和叠层片式电感，对工作频率下的Q值要求较高。而薄膜片式电感无论是价格还是性能在此都不适合。
本地振荡：本振电路(LO)必须由含振荡回路的放大电路构成，通常是以VCO－PLL的形式向RF电路提供精确的参考频率，因此本振信号的质量直接影响着电路系统的关键性能。振荡回路中的电感必须具有极高的Q值和稳定度，以确保本振信号的纯净、稳定。由于石英晶体具有相对较宽的阻抗动态补偿，此时对片式电感的L精度要求并不是首要指标，因此叠层片式电感和绕线片式电感多被用于VCO电路。
高频滤波：低通滤波(LPF)常见于高频电路的电源去耦回路，有效抑制高次谐波在供电回路的传导，额定电流和可靠性是首要关注参数；而带通滤波(BPF)则多用于高频信号的耦合，或同时兼有阻抗匹配的作用。此时插入衰减要尽量小，L、Q是此时的重点参数。综合比较，叠层片式电感最适合这种应用。
4 高频片式电感器
如前述，按制作工艺可将高频片式电感分为高频绕线式片式电感、高频薄膜片式电感及高频叠层式片式电感三类。
4.1 绕线式片式电感
高频绕线式片式电感是将细导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成，外层一般用树脂封固，或用铁氧体套筒磁芯形成磁屏蔽；其关键技术是体积小型化，即在相当小的体积内，缠绕相当多的圈数，因此，拥有精密度较高的绕线技术可获得较高的成品合格率。以目前的技术来看，高频绕线式片式电感的小型化尺寸可能会停留在0402，突破0201尺寸将会面临相当大的技术困难，并且能否带来相对较高的利润仍值得怀疑。高频绕线式片式电感器是三种高频片式电感中品质因子(Q)最高的一种，但是价格也最高；平均每一台移动电话内部大约需要5只高频绕线式片式电感，目前需求的主流尺寸规格为0603或0402；而在第二代与未来的第三代移动电话系统中，高频绕线式片式电感都是必备的组件，但由于价格原因，移动电话厂商会尽量通过优化电路设计以减少使用量。
4.2 薄膜式片式电感
高频薄膜式片式电感是采用薄膜工艺依次淀积并光刻导体和磁芯制成。它是三种高频片式电感中精密度最高的，其误差容限较小且易于小型化，品质因子也比高频叠层式片式电感高，近年来也受到了相当的重视。其前端工艺需借助半导体光刻工艺来蚀刻线路，必须采用真空环境，且高频薄膜式片式电感的需求量比绕线式或叠层式高频片式电感小，因此多数电子器件与组件厂商不愿介入。
4.3 叠层式片式电感
高频叠层型片式电感器采用的是厚膜工艺，将铁氧体浆料和导体浆料交替进行叠层印刷形成电感图形，再进行烧结形成闭合磁路；或者将制有导体和通孔图形的微米级铁氧体片进行叠层，在通孔中填充导体材料以连接上下层导体，再经过加压、烧结形成。高频叠层式片式电感大部分采用精密度较高的干式印刷工艺，亦有部分厂商采用较便宜的半湿式印刷设备生产。高频叠层式片式电感是移动电话中使用量最大的片式电感，其Q值最低，但价格也最低，每台移动电话中大约需要15~20只0402尺寸的产品，以后将采用尺寸更小的0201系列产品。高频叠层片式电感器现已能应用在亚微波波段，在制作工艺上，通常通过采用低介电常数陶瓷材料并抑制杂散电容的方式来获得较高的自谐振频率，内部导体采用高频特性优异的银，以降低导体电阻而获得高Q值；其电感值从数nH到数十nH，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2.0×1.25、1.6×0.8、1.0×0.5(mm)的产品。受磁性介质材料的限制，叠层式片式电感器只局限于工作频率在200MHz以下、感量较低的组件系统。而大感量、高功率和甚高频、超高频的电感类元器件正在寻找合适的材料而促其发展。
现将日本村田制作所的高频片式电感作部分介绍如下：
图3是日本的村田制作所的三种（绕线型、薄膜型和多层型）高频片式电感系列代号，其工作频率是100MHz以上，温度范围: -55℃到+125℃。
两种迭层型的产品特点、用途是：
LQG15HS系列
它是专门为高频应用设计的片状电感。LQG15H系列采用集成层叠工艺制作，用于在高频范围实现稳定特性。集成层叠工艺可实现很宽的电感值范围和低偏差。近来移动电话纷纷配备彩色液晶显示屏和像机模块，使得功耗变大。为了降低功耗，必须降低直流电阻。LQG15HS实现最低的直流电阻。其特点：
1) 在高频段的高Q值和稳定电感的获得得益于独创的结构，该结构将杂散电容降到最小。适合移动通信设备中的高频电路使用。
2) LQG15H尺寸小(1.0×0.5×0.5mm)，适合小而薄的移动设备使用。
3) 外部电极为镍隔板结构，因此具有卓越的焊接耐热性。
4) 电感值范围宽：1-10nH（E24标准），10-270nH （E12标准）
用途：
1) 移动电话中的高频电路，如PA、ANT、VCO、SAW等
2) 移动电话，如GSM、CDMA、PDC等
3) “Bluetooth”
4) 宽带网
5) 一般高频电路
Q 值、电感值L的频率特性如图4所示
LQG18H 系列
LQG18H系列采用集成层叠工艺制作，用于高频范围以实现稳定特性。特点：
1) 在高频段的高Q值和稳定电感的获得得益于独创的结构，该结构将杂散电容降到最小。适合小型、手持设备特别是卡片尺寸设备中的高频电路使用。
2) LQG18H尺寸小 (1.6×0.8×0.8mm)，适合小型、手持设备，特别是卡片尺寸的设备使用。
3) 外部电极为镍隔板结构，因此具有卓越的焊接耐热性。
用途：
1) 移动电话中的高频电路，如PA、ANT、VCO、SAW等
2) 移动电话，如GSM、CDMA、PDC等
3) “Bluetooth”
4) 宽带网
5) 一般高频电路
其Q值、电感值L的频率特性示于图5中，其它的不再列举。
5 高频片式电感的应用
当前全球移动通讯终端产品的手机已进入3G、多媒体及智能型手机时代，PC进入64位及双核CPU时代，彩电进入大屏幕平板彩电时代，整机电路使用的无源组件，包括片式电容器、片式电阻器、片式电感器等均比上一代整机增加50％以上，元器件产业进入新一轮全面复苏与发展时期。片式电感的高频应用也进入了一个大好时机，在移动通讯产品中的作用日益显现出来（图6）。
就市场而论 目前全世界对片式电感器年需求量在100亿只以上，而生产量仅50亿只左右，产销缺口较大。在研制生产片式电感器方面，日本居世界之首。日本在80年代就先后建立了多条自动化生产线，其生产量约占世界总量的65%。在我国，当前生产的广播电视、收录机、录像机、通信设备、程控交换机、计算机等整机每年所需的近5亿只片式电感器半数以上要靠进口解决。此外，汽车电子、数字式HDTV、液晶显示电视机、袖珍电脑、微型小家电等产品对片式电感器需求量也较大，可见片式电感器的市场前景非常广阔。
目前，高频片式电感在每部移动电话中的使用量约为20~25只左右，在卫星定位系统(GPS)、传呼器、蓝芽相关终端产品等无线通讯产品中也有一定的需求，但由于半导体集成电路的功能不断增强，单一产品中高频片式电感的使用量将逐年下降，然而随着新型无线终端产品的不断推陈出新，预期高频片式电感的总需求量仍将逐年升高。
随着通讯产业的迅猛发展，高频片感的市场显得方兴未艾。而通讯热潮使全球产业形态发生转变，以往厂商与厂商之间的竞争，已转为国家（地区）与国家（地区）之间的竞争（产业链之间的竞争），我国的通讯产业要起飞，除必须大力发展封装业之外，上游元器件更要迎头赶上，才能支持系统厂商实现多样的终端产品设计。未来第三代移动通讯产品、无线家庭网络、蓝芽相关产品等多样化的无线通讯产品仍将不断推陈出新，也唯有发展完整的通讯产业链，才能无后顾之忧的发展通讯领域。目前我国移动电话生产厂商的内部元器件仍由国外进口居多，自制的元器件使用率太低，若能提高通讯用元器件自制率以有效降低生产成本，将在未来无线通讯领域上更具竞争力。
高频绕线式电感器，在国际市场上，Coilcraft公司占据了全球近七成的份额，月产量约在两亿只左右；日本SAGAMI公司次之，拥有1500万只的月生产能力；美国API公司与日本的村田制作所(Murata)也占有一定比重的供应量。
中国台湾地区也有多家厂商从事高频绕线式片式型电感的研发、生产销售，如台达电子、大毅科技、奇力新、千如电机等，其中产量最大的是以电源供应器起家的台达电子，主要供货重心目前放在LG、SAMSUNG等韩国厂商，预计明年国外移动电话大厂向台商下OEM订单量将大幅增加，台湾移动电话厂商将更多地采购本地元器件，台达电子的月产量将会扩大至2500万只。至于在产品的小型化方面，台达电子和外商展开积极竞争，目前台达电子、Coilcraft、SAGAMI等三家厂商已领先其它厂商开发出0402尺寸的产品。
目前从事高频薄膜片式电感研发、量产的厂商有日本东光(TOKO)公司、村田制作所、TDK、中国台湾乾坤科技等。乾坤科技为台湾台达电子的子公司，以其薄膜技术著称，现已开发成功0603与0402尺寸的产品，月产量在300~500万只左右，主要面向世界市场。乾坤科技产量为月产5000万只。
日本厂商是目前高频叠层式片式电感的主要供货商，韩国与中国台湾省则紧随其后。供应高频叠层式片式电感的日本厂商有太阳诱电、东光与村田制作所、富士电气化学、TDK和松下。韩国从事高频叠层式片式电感量产的厂商有三星电子、Samwha、Ceratech、Pilkor等。中国台湾也有多家厂商有意争夺高频叠层式片式电感市场，小量出货的如华新科技、达方电子、璟德电子、奇力新、美磊、台庆等。
6 结束语
移动通讯终端产品发展的需要，研发生产高频片式电感是必然趋势。绕线、薄膜和叠层三类高频片式电感是移动通讯产品特别是手机的基本选择。高频片式电感的市场前景广阔，大力发展并推广应用势在必然。
参考文献
[1] http://www.macrochina.com.cn/
[2] http://www.2dx.cn
[3] 杨帮朝，陈庆 ，《世界电子元器件》5月号，2001
[4] http://www.cnham.com
[5] http://cn.sm160.com/
随着电子产品向高频化、高速化和小型化方向的发展，具有短、小、轻、薄、可靠性高等优点的片式元器件获得了广泛应用。在三大主流片式无源器件中，电感器件因结构的复杂性以及受传统的绕线工艺限制，片式化程度发展相对滞后。国外自70年代起开始研制片式电感器，80年代初实现商品化，至目前已取得了长足发展。
众所周知，电感器是用以组成谐振、滤波、相位匹配等电路的基本元件之一，因而在电子仪器设备、消费性电子产品与电力配输设备中得到广泛的应用。电子信息产品（如PC、Notebook）用片式电感器通常应具有较高的电感值，而高频电感特性较差，无法在工作频率较高的通讯设备中使用，研究片式电感的高频特性显得十分重要了。
2 片式电感在技术上的新近发展
电感器发展重点是片式化，全球市场对片式电感器的需求在不断增长；尤其是移动通讯的发展速度惊人，要求大量的各种片式电感。目前，移动通讯用的片式电感器件市场缺口约有三分之一。在片式电感器中，迭层型片式电感器现在居主流地位，其尺寸已由原来的3216(3.2×1.6mm)缩小到目前主流产品1005(1.0×0.5mm)，这类超小型电感器广泛应用于通讯和抗电磁干扰(EMI)及电磁兼容(EMC)设备。在低档应用领域，片式电感器可能被片式磁珠取代，所以，制造商已开始生产含有电容器的集成薄膜片式电感器。为了避免开关电源的开关噪声污染电源网络，在电源输入端均设置铁氧体磁珠输入滤波器。这类滤波器被广泛应用于使用高频开关电源的计算机、程控交换机、电源整流器等领域。
随着数字化浪潮不断发展，整机产品持续向更小型化、多功能化、频段多样化发展，由此带来了元器件行业革命性的变革，表面贴装元件不断走向更小尺寸，更多功能和更高频率以及无源元件集成化，其技术发展方向是：
高频化
移动通信、卫星通信技术的迅速发展，使得频道空间越来越走向高频化，900MHz、1800MHz、2.4GHz的手机频段，以及卫星通信的十几GHz，使得电路元件，必须能够工作在射频(RF)段以及微波段，片式电感产品毫无疑问必须能够安全可靠地工作在这一频段。
以当前技术而言，要求工作在射频与微波段的片式电感必须满足：尺寸足够小，能够满足手机与卫星电话不断小型化趋势；工作频率能够覆盖100M、800M、1.8G、2.4G，甚至几十GHz，亦即在这些频段，电感的Q值必须满足电路需求；电感的自谐振频率SRF必须足够高；电感具有一定的耐电流特性；电感量必须是集中在某一设定需求的感值。
蓬勃发展的纳米技术将给电感的高频化带来重大发展，如果纳米粉料技术走向实用化，则制造高频电感所用的两种重要材料：陶瓷料与Ag粉的颗粒尺寸便要进入纳米级，以纳米料粉为基料的高频电感烧结后便可得到分布均匀的晶粒与晶界。由此可以看到，更高频率电感元件的发展，非常强烈地依赖于纳米粉料技术尽快产业化的进程。
高频电感的发展还依赖着设计技术的变革。目前由于绕制印刷方向的不可互易性，不仅对射频电路性能、对SMT设备的贴装均有影响，要求SMT机器必须具有识别标识的功能，制造电感的机器成本也会提高，工作效率会大幅下降。为了消除这一影响，电感的设计技术必须变革，必须引入高频半导体类器件的设计理念，在设计过程中考虑诸多射频段电磁场影响等因素，消除不良因素的影响并降低制造成本。
小型化
由于手机产品与卫星电话不断向小型化，以及高频率发展，使得目前市场上的高频电感已迅速从0603主导型走向了0402主导型，目前0201电感也已经问世。在射频段以及微波段，常规的集成电路参数分析法已不能适应电路分析，而必须从微波电磁场的理论来分析电路对电感的需求，如果电感要满足在100MHz、800MHz、1.8GHz、2.4GHz甚至更高频率上的Q值能达到电路调谐之需要，则必须从原材料、电感设计、制程方法上进行认真研究与革新。
随着元器件尺寸的进一步减小，从0402到0201，同时要求的公差越来越小，电感的制造方法也必须发生变革。目前，生产上流行的印刷法，由于其存在诸多的变异因素，对尺寸的减小和CPK值的不断提高，起着非常明显的限制作用，所以为了配合手机产品，卫星电话产品对更精确电感的需求，必须研究出高新的制造技术。
复合化
每个人都希望手机越来越小，都希望无论在蓝天上还是在遥远的南极，都能实现自由通信，所以未来手机、卫星电话的一体化复合功能的实现不再遥远。电感(L)、电容(C)以及电阻(R)的集合，一直以来是我们研究电感的一个发展方向。
对于复合化发展所面临的问题同样是材料、设计与制造工艺，如何能实现高频电感的变革性发展，则是必须解决的课题。
大功率
随着手机的日益普及，对移动通信基站的大功率要求也就变得日益迫切，加之基站网络的迅速建立，对于功率型片式电感的需要也越来越多。因此，为了顺应这一市场的需求，企业必须开发能够耐受大电流的功率型电感。
目前，制成大功率电感必须解决：进一步研制具有高饱和磁通密度、更好磁滞回线（最好是矩形细窄回线）的铁氧体材料；研制能够耐受大电流的内电极浆料；设计技术的突破。
3 片式电感器在高频电路中的分析
通常，电感是一个二端元件，在实际电路中电感类型很多，电感的范围变化很大，例如高频电路中使用的电感容量可以小到几个mH(1mH=10-6H)，低频滤波电路中使用扼流圈的电感可以大到几亨(H)。它的电路模型可以用一个电感或一个电感与电阻的串联表示，而在工作频率很高的情况下，还需要增加一个电容来构成，如图1所示。
片式电感作为新型基础无源器件，以其良好的性能价格比和便于高密度贴装等显着优点，迅速得到了广泛应用，尤其在移动通讯产品例如以手机为代表的终端设备中，片式电感获得了典型的高频应用，不断推陈出新的通信系统(GSM、CDMA、PCS、3G…)使得片式电感的工作频率逐步达到了2GHz甚至更高。由于RF电路的工作频率不断提升，片式电感在应用方面的性能特点发生了明显变化。因此，为有效提升片式电感的电性能参数，改善RF电路性能，必须进一步分析其频率特性规律。
片式电感器的等效电路如图2所示。
其中： Lo—额定电感量， r—内电极电阻，Ro—电磁漏损等效电阻，Co—寄生电容。
片式电感器的阻抗Z，品质因素Q，电感量L三个主要特性参数都是频率f的函数，即：
Z(f) = R(f) ＋ jX(f)
Q(f) = X(f) / R(f)
L(f) = X(f) / 2πf
当工作频率达到2GHz左右时，信号波长已与器件尺寸相比拟。片式电感的阻抗呈现出明显的分布特性，即不同的参考位置存在不同阻抗。在高频条件下，器件的电路响应可随其尺寸和空间结构的不同而发生相应变化，常规的阻抗测量参数已不能准确反映实际电路中的频响特性。
电磁场理论在工程中常用来分析具有分布特性的高频应用问题。通常在利用阻抗分析仪（如HP-4291B）对片式电感进行的测量中，可通过夹具补偿和仪器校准等手段将测量精度提高到 0.1nH左右，理论上足以保证电路设计所需的精度要求。但不容忽视的问题是，此时的测量结果仅仅反映了匹配状态下（测量夹具设计为精确匹配）电感器件端电极界面之间的参数性能，对电感器件的内部电磁分布情况和外部电磁环境要求却未能反映出来。相同测试参数的电感可能因内电极结构不同而存在完全不同的电磁分布状态。
高频电路（包括高速数字电路）设计中，基于电路性能、器件选择和电磁兼容等因素的考虑，通常是以网络散射分析（S参数）、信号完整性分析、电磁仿真分析、电路仿真分析等手段，来综合考虑实际电路系统的工作性能。针对片式电感器件的“分布影响”问题，一个可行的解决方案是对电感器件进行结构性电磁仿真来作为电路设计的依据，以此有效减小电感器件在高频设计应用中的误差影响。国外（如日本等）主要元器件企业的片式电感产品技术参数大多包含有S参数，通常可用于精确的高频应用分析。
在高频电路中比较常用的片式电感有薄膜电感、片式绕线电感和叠层片式电感三种。由于内电极的结构特点有明显不同，即使参数规格相同情况下，其电路响应却不尽相同。实际电路应用中对电感器件的选择有一定规律和特点，例如：
阻抗匹配：射频电路(RF)通常由高放(LNA)、本振(LO)、混频(MIX)、功放(PA)、滤波(BPF/LPF)等基本电路单元构成。在特性阻抗各不相同的单元电路之间，高频信号需要低损耗耦合传输，阻抗匹配成为必不可少。典型方案是利用电感与电容组合为“倒L”或“T”型匹配电路，对其中的片式电感，匹配性能的好坏很大程度是取决于电感量L的精确度，其次才是品质因素Q的高低。在工作频率较高时，往往使用光刻薄膜电感来确保高精度的L，其内电极集中于同一层面，磁场分布集中，能确保装贴后的器件参数变化不大。
谐振放大：典型的高频放大电路通常采用谐振回路作为输出负载。对其增益和信噪比等主要性能参数来说，片式电感的品质因素Q成为关键。L的少许误差影响可由多种电路形式予以补偿和修正，因而多采用绕线片式电感和叠层片式电感，对工作频率下的Q值要求较高。而薄膜片式电感无论是价格还是性能在此都不适合。
本地振荡：本振电路(LO)必须由含振荡回路的放大电路构成，通常是以VCO－PLL的形式向RF电路提供精确的参考频率，因此本振信号的质量直接影响着电路系统的关键性能。振荡回路中的电感必须具有极高的Q值和稳定度，以确保本振信号的纯净、稳定。由于石英晶体具有相对较宽的阻抗动态补偿，此时对片式电感的L精度要求并不是首要指标，因此叠层片式电感和绕线片式电感多被用于VCO电路。
高频滤波：低通滤波(LPF)常见于高频电路的电源去耦回路，有效抑制高次谐波在供电回路的传导，额定电流和可靠性是首要关注参数；而带通滤波(BPF)则多用于高频信号的耦合，或同时兼有阻抗匹配的作用。此时插入衰减要尽量小，L、Q是此时的重点参数。综合比较，叠层片式电感最适合这种应用。
4 高频片式电感器
如前述，按制作工艺可将高频片式电感分为高频绕线式片式电感、高频薄膜片式电感及高频叠层式片式电感三类。
4.1 绕线式片式电感
高频绕线式片式电感是将细导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成，外层一般用树脂封固，或用铁氧体套筒磁芯形成磁屏蔽；其关键技术是体积小型化，即在相当小的体积内，缠绕相当多的圈数，因此，拥有精密度较高的绕线技术可获得较高的成品合格率。以目前的技术来看，高频绕线式片式电感的小型化尺寸可能会停留在0402，突破0201尺寸将会面临相当大的技术困难，并且能否带来相对较高的利润仍值得怀疑。高频绕线式片式电感器是三种高频片式电感中品质因子(Q)最高的一种，但是价格也最高；平均每一台移动电话内部大约需要5只高频绕线式片式电感，目前需求的主流尺寸规格为0603或0402；而在第二代与未来的第三代移动电话系统中，高频绕线式片式电感都是必备的组件，但由于价格原因，移动电话厂商会尽量通过优化电路设计以减少使用量。
4.2 薄膜式片式电感
高频薄膜式片式电感是采用薄膜工艺依次淀积并光刻导体和磁芯制成。它是三种高频片式电感中精密度最高的，其误差容限较小且易于小型化，品质因子也比高频叠层式片式电感高，近年来也受到了相当的重视。其前端工艺需借助半导体光刻工艺来蚀刻线路，必须采用真空环境，且高频薄膜式片式电感的需求量比绕线式或叠层式高频片式电感小，因此多数电子器件与组件厂商不愿介入。
4.3 叠层式片式电感
高频叠层型片式电感器采用的是厚膜工艺，将铁氧体浆料和导体浆料交替进行叠层印刷形成电感图形，再进行烧结形成闭合磁路；或者将制有导体和通孔图形的微米级铁氧体片进行叠层，在通孔中填充导体材料以连接上下层导体，再经过加压、烧结形成。高频叠层式片式电感大部分采用精密度较高的干式印刷工艺，亦有部分厂商采用较便宜的半湿式印刷设备生产。高频叠层式片式电感是移动电话中使用量最大的片式电感，其Q值最低，但价格也最低，每台移动电话中大约需要15~20只0402尺寸的产品，以后将采用尺寸更小的0201系列产品。高频叠层片式电感器现已能应用在亚微波波段，在制作工艺上，通常通过采用低介电常数陶瓷材料并抑制杂散电容的方式来获得较高的自谐振频率，内部导体采用高频特性优异的银，以降低导体电阻而获得高Q值；其电感值从数nH到数十nH，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2.0×1.25、1.6×0.8、1.0×0.5(mm)的产品。受磁性介质材料的限制，叠层式片式电感器只局限于工作频率在200MHz以下、感量较低的组件系统。而大感量、高功率和甚高频、超高频的电感类元器件正在寻找合适的材料而促其发展。
现将日本村田制作所的高频片式电感作部分介绍如下：
图3是日本的村田制作所的三种（绕线型、薄膜型和多层型）高频片式电感系列代号，其工作频率是100MHz以上，温度范围: -55℃到+125℃。
两种迭层型的产品特点、用途是：
LQG15HS系列
它是专门为高频应用设计的片状电感。LQG15H系列采用集成层叠工艺制作，用于在高频范围实现稳定特性。集成层叠工艺可实现很宽的电感值范围和低偏差。近来移动电话纷纷配备彩色液晶显示屏和像机模块，使得功耗变大。为了降低功耗，必须降低直流电阻。LQG15HS实现最低的直流电阻。其特点：
1) 在高频段的高Q值和稳定电感的获得得益于独创的结构，该结构将杂散电容降到最小。适合移动通信设备中的高频电路使用。
2) LQG15H尺寸小(1.0×0.5×0.5mm)，适合小而薄的移动设备使用。
3) 外部电极为镍隔板结构，因此具有卓越的焊接耐热性。
4) 电感值范围宽：1-10nH（E24标准），10-270nH （E12标准）
用途：
1) 移动电话中的高频电路，如PA、ANT、VCO、SAW等
2) 移动电话，如GSM、CDMA、PDC等
3) “Bluetooth”
4) 宽带网
5) 一般高频电路
Q 值、电感值L的频率特性如图4所示
LQG18H 系列
LQG18H系列采用集成层叠工艺制作，用于高频范围以实现稳定特性。特点：
1) 在高频段的高Q值和稳定电感的获得得益于独创的结构，该结构将杂散电容降到最小。适合小型、手持设备特别是卡片尺寸设备中的高频电路使用。
2) LQG18H尺寸小 (1.6×0.8×0.8mm)，适合小型、手持设备，特别是卡片尺寸的设备使用。
3) 外部电极为镍隔板结构，因此具有卓越的焊接耐热性。
用途：
1) 移动电话中的高频电路，如PA、ANT、VCO、SAW等
2) 移动电话，如GSM、CDMA、PDC等
3) “Bluetooth”
4) 宽带网
5) 一般高频电路
其Q值、电感值L的频率特性示于图5中，其它的不再列举。
5 高频片式电感的应用
当前全球移动通讯终端产品的手机已进入3G、多媒体及智能型手机时代，PC进入64位及双核CPU时代，彩电进入大屏幕平板彩电时代，整机电路使用的无源组件，包括片式电容器、片式电阻器、片式电感器等均比上一代整机增加50％以上，元器件产业进入新一轮全面复苏与发展时期。片式电感的高频应用也进入了一个大好时机，在移动通讯产品中的作用日益显现出来（图6）。
就市场而论 目前全世界对片式电感器年需求量在100亿只以上，而生产量仅50亿只左右，产销缺口较大。在研制生产片式电感器方面，日本居世界之首。日本在80年代就先后建立了多条自动化生产线，其生产量约占世界总量的65%。在我国，当前生产的广播电视、收录机、录像机、通信设备、程控交换机、计算机等整机每年所需的近5亿只片式电感器半数以上要靠进口解决。此外，汽车电子、数字式HDTV、液晶显示电视机、袖珍电脑、微型小家电等产品对片式电感器需求量也较大，可见片式电感器的市场前景非常广阔。
目前，高频片式电感在每部移动电话中的使用量约为20~25只左右，在卫星定位系统(GPS)、传呼器、蓝芽相关终端产品等无线通讯产品中也有一定的需求，但由于半导体集成电路的功能不断增强，单一产品中高频片式电感的使用量将逐年下降，然而随着新型无线终端产品的不断推陈出新，预期高频片式电感的总需求量仍将逐年升高。
随着通讯产业的迅猛发展，高频片感的市场显得方兴未艾。而通讯热潮使全球产业形态发生转变，以往厂商与厂商之间的竞争，已转为国家（地区）与国家（地区）之间的竞争（产业链之间的竞争），我国的通讯产业要起飞，除必须大力发展封装业之外，上游元器件更要迎头赶上，才能支持系统厂商实现多样的终端产品设计。未来第三代移动通讯产品、无线家庭网络、蓝芽相关产品等多样化的无线通讯产品仍将不断推陈出新，也唯有发展完整的通讯产业链，才能无后顾之忧的发展通讯领域。目前我国移动电话生产厂商的内部元器件仍由国外进口居多，自制的元器件使用率太低，若能提高通讯用元器件自制率以有效降低生产成本，将在未来无线通讯领域上更具竞争力。
高频绕线式电感器，在国际市场上，Coilcraft公司占据了全球近七成的份额，月产量约在两亿只左右；日本SAGAMI公司次之，拥有1500万只的月生产能力；美国API公司与日本的村田制作所(Murata)也占有一定比重的供应量。
中国台湾地区也有多家厂商从事高频绕线式片式型电感的研发、生产销售，如台达电子、大毅科技、奇力新、千如电机等，其中产量最大的是以电源供应器起家的台达电子，主要供货重心目前放在LG、SAMSUNG等韩国厂商，预计明年国外移动电话大厂向台商下OEM订单量将大幅增加，台湾移动电话厂商将更多地采购本地元器件，台达电子的月产量将会扩大至2500万只。至于在产品的小型化方面，台达电子和外商展开积极竞争，目前台达电子、Coilcraft、SAGAMI等三家厂商已领先其它厂商开发出0402尺寸的产品。
目前从事高频薄膜片式电感研发、量产的厂商有日本东光(TOKO)公司、村田制作所、TDK、中国台湾乾坤科技等。乾坤科技为台湾台达电子的子公司，以其薄膜技术著称，现已开发成功0603与0402尺寸的产品，月产量在300~500万只左右，主要面向世界市场。乾坤科技产量为月产5000万只。
日本厂商是目前高频叠层式片式电感的主要供货商，韩国与中国台湾省则紧随其后。供应高频叠层式片式电感的日本厂商有太阳诱电、东光与村田制作所、富士电气化学、TDK和松下。韩国从事高频叠层式片式电感量产的厂商有三星电子、Samwha、Ceratech、Pilkor等。中国台湾也有多家厂商有意争夺高频叠层式片式电感市场，小量出货的如华新科技、达方电子、璟德电子、奇力新、美磊、台庆等。
6 结束语
移动通讯终端产品发展的需要，研发生产高频片式电感是必然趋势。绕线、薄膜和叠层三类高频片式电感是移动通讯产品特别是手机的基本选择。高频片式电感的市场前景广阔，大力发展并推广应用势在必然。
参考文献
[1] http://www.macrochina.com.cn/
[2] http://www.2dx.cn
[3] 杨帮朝，陈庆 ，《世界电子元器件》5月号，2001
[4] http://www.cnham.com
[5] http://cn.sm160.com/
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