大電流疊層片式電感器制備技術(shù)研究

黎銳 高泮嵩 徐建平 張孟熙 張肖羽

摘要：本文圍繞大電流疊層片式電感器制備技術(shù)進(jìn)行了探討，重點(diǎn)圍繞電感器鎳鋅鐵氧體材料配方的研制、材料低溫共燒機(jī)理以及摻雜對(duì)鐵氧體材料穩(wěn)定性的影響等方面進(jìn)行了分析，并對(duì)大電流疊層片式電感器關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了論述。旨在推動(dòng)我國疊層片式電感器制備技術(shù)快速發(fā)展，早日擺脫進(jìn)口依賴，邁入全球領(lǐng)先行列。

關(guān)鍵詞：電感器、疊層片式、制作工藝

1引言

當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界電感器生產(chǎn)大國，產(chǎn)量占據(jù)全球產(chǎn)量的約25%，但產(chǎn)品主要集中在技術(shù)含量較小的中低端領(lǐng)域。片式電感器由于受到結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、制作難度高等因素影響，國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)能力不足，片式電感器大部分依賴進(jìn)口。在日益復(fù)雜的國際政治經(jīng)濟(jì)形勢下，加快攻克疊層片式電感器裝備技術(shù)難題，是國內(nèi)企業(yè)及從業(yè)人員關(guān)注和研究的重要問題。

2疊層片式電感器制作工藝分析

疊層型片式電感器主要有干法、濕法、干濕法結(jié)合三種生產(chǎn)工藝。干法工藝采用干法薄膜流延――機(jī)械或激光打孔――疊層印刷的制作流程;濕法工藝分兩種，一種是采用瀑布流延――疊層印刷的流程，另一種是采用交迭印刷方式的制作工藝。干濕法結(jié)合工藝采用烘料――配料球磨――流延――疊層印刷的制作流程。干濕法結(jié)合工藝是鋼帶流延的干法膜片與濕法介質(zhì)結(jié)合。

3大電流疊層片式電感器裝備材料的研制

材料選擇上的設(shè)計(jì)，擬使用Bi2O3、Co3O4、CaO、ZrO2、SiO2等多組摻雜組成的復(fù)合NiCuZn鐵氧體材料，使其在低溫?zé)Y(jié)特性、高電阻率、高Bs、低矯頑力、高居里溫度、低損耗、高頻特性等方面進(jìn)行綜合改善，達(dá)到最優(yōu)的材料特性，滿足智能化裝備需求。主要研究內(nèi)容為：

3.1鎳鋅鐵氧體材料配方

鎳鋅鐵氧體材料應(yīng)用在1MHz以上時(shí)，具有多孔型及高電阻率，低損耗，磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)低，高頻穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于同是軟磁鐵氧體的Mn-Zn鐵氧體，非常適宜在高頻電路中使用，同時(shí)NiZn/NiCuZn可以在空氣中燒結(jié)，工藝比其它鐵氧體簡單。鎳鋅鐵氧體屬于尖晶右型鐵氧體，與天然礦物尖晶石MgAl2O4結(jié)構(gòu)相同。單位晶胞由氧離子面心立方密堆而成，具有立方對(duì)稱性。金屬離子由于半徑較小，故鑲嵌在密堆的氧離子間隙中，會(huì)形成間隙位置，這些空位對(duì)配方不準(zhǔn)所造成的成分偏離及摻雜有利。

3.2材料低溫共燒機(jī)理

基于液相燒結(jié)的傳質(zhì)機(jī)理與動(dòng)力學(xué)原理分析，以液相在晶粒邊界引起的毛細(xì)管壓力及溶解-淀析過程中化學(xué)勢能的變化為燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，將燒結(jié)溫度、時(shí)間與燒結(jié)后的最終晶粒大小、相對(duì)密度聯(lián)系起來，模擬低溫?zé)Y(jié)動(dòng)態(tài)過程中相對(duì)密度的變化趨勢，掌握材料體系致密化過程及匹配共燒的基本控制方法及其規(guī)律，為材料體系的配方設(shè)計(jì)、制備工藝和摻雜技術(shù)的改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

3.3摻雜對(duì)鐵氧體材料穩(wěn)定性的影響

片式電感器需要大電流，常規(guī)材料在大電流條件下?lián)p耗會(huì)增加，導(dǎo)致電感器可靠性降低。降低材料的損耗，主要從降低材料的渦流損耗、磁滯損耗、剩余損耗三個(gè)方面考慮。材料損耗不可避免，降低空間有限，從降低渦流損耗入手是增加電感器穩(wěn)定性的有效途徑。

3.4材料制備工藝技術(shù)

磁粉工藝流程：

原材料處理→一次配料→一次球磨→干燥→打粉或過篩→預(yù)燒→二次配料→超細(xì)磨→混漿→干燥→打粉或過篩→包裝、入庫。

原材料處理及配料過程先采用球磨工藝，然后再與主材料FeNiCuZn鐵氧體材料配料，使添加劑分布更加均勻，顆粒粒度小，比表面積大，適合低溫?zé)Y(jié)。

4大電流疊層片式電感器設(shè)計(jì)

4.1片式電感器設(shè)計(jì)

①電感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用鐵氧體材料、高銀材料、非導(dǎo)磁材料共燒的方式，以及介質(zhì)膜濕法流延方式，電極采用高精密印刷方式，每一層與非導(dǎo)電極與電極之間的連接方式為精密印刷與化學(xué)排斥相結(jié)合。為了提高電流，繞圈內(nèi)部摻入非導(dǎo)磁介質(zhì)材料從電感器工作的磁路上進(jìn)行間隙短距離隔離，這樣既不影響電感感量及損耗，又能夠提升電流疊加特性。

4.2關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

①流延漿料的配制與制備技術(shù)：開發(fā)新型的綠色環(huán)保流延溶劑和分散劑，改善流延漿料的流動(dòng)性和穩(wěn)定性;系統(tǒng)研究高性能材料與流延黏合劑、增塑劑、分散劑、溶劑等的優(yōu)化配比關(guān)系，并配合適當(dāng)?shù)牧餮庸に噮?shù)制作符合應(yīng)用要求的流延膜片;

②內(nèi)電極圖形設(shè)計(jì)：為提升電感器應(yīng)用中的轉(zhuǎn)換效率，降低電感器在電源中的能量損耗，必須大大降低電感器本身內(nèi)阻。一方面通過使用高導(dǎo)的銀漿降低內(nèi)阻，另一方面通過設(shè)計(jì)電極圖形在同樣感量的基礎(chǔ)上降低設(shè)計(jì)圈數(shù);

③成型印刷技術(shù)：印刷工藝中的難題是在表面不是很平整的條件下一次性印刷小于8μm的均勻介質(zhì)及一次性印刷大于30μm的介質(zhì)或電極。通過控制選擇合適的銀漿及根據(jù)不同膜厚要求、印刷圈數(shù)等情況，制備不同技術(shù)參數(shù)的介質(zhì)漿料;

④由于電極厚度偏厚，電極寬度偏寬，產(chǎn)品內(nèi)部電極面積增加，減少了層與層之間的介質(zhì)結(jié)合力，通過對(duì)層壓進(jìn)行前處理及后處理，保證內(nèi)部結(jié)合致密，同時(shí)解決使用高固含量內(nèi)電極銀漿和介質(zhì)磁體收縮率匹配一致性的問題;

⑤晶粒的大小及均勻性直接影響電感產(chǎn)品的電流疊加特性及電感量值，采用控制介質(zhì)材料的粒度及比表面積，控制材料的最高溫度而改變燒結(jié)曲線從而控制鐵氧體材料的晶粒生長，保證晶粒尺寸;

⑥產(chǎn)品燒結(jié)過程中有高導(dǎo)銀漿、鐵氧體材料、非導(dǎo)磁材料，完全共燒是非常關(guān)鍵的問題，一方面通過前期材料特性的控制達(dá)到匹配的效果，另一方面通過層壓及排膠、燒結(jié)曲線的試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)其共燒;

⑦鐵氧體材料配方體系限制了其燒結(jié)后表面電阻率相對(duì)比較低，產(chǎn)品在沉積過程中易發(fā)生爬鍍現(xiàn)象，采用沉積前后處理，保證電感表面絕緣電阻更高，使產(chǎn)品在沉積過程中不會(huì)產(chǎn)生爬鍍現(xiàn)象。

5大電流疊層片式電感器應(yīng)用

大電流疊層片式電感器具有高自諧振頻率、高可靠性、100MHZ以上的高頻設(shè)計(jì)、可實(shí)現(xiàn)高密度安裝、無引線端頭、寄生電容小等技術(shù)優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于各種高頻回路、移動(dòng)通信設(shè)備終端、輕型化便攜電子裝備，如移動(dòng)電話、衛(wèi)星通訊、手機(jī)等電子設(shè)備直流電源線的濾波、扼流線路上。在航天、航空、船舶、兵器等軍用電子領(lǐng)域也有較大的需求。

6結(jié)語

大電流疊層片式電感器可靠性高，廣泛應(yīng)用于軍用和高端民用等多電子領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前全球電感器產(chǎn)業(yè)市場需求已超過100億美元，未來5年將繼續(xù)以超過2%的年均復(fù)合增長率發(fā)展，市場空間廣闊。本文對(duì)大電流疊層片式電感器裝備應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了論述，旨在推動(dòng)國內(nèi)大電流疊層片式電感器制備技術(shù)水平不斷提升，滿足國內(nèi)新型電子組裝技術(shù)發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)

[1]疊層片式電感器制造工藝及小型化研究[R]，樊應(yīng)縣，電子科技大學(xué)，2011