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片式電感器的技術發展趨勢
摘要： 片式電感器是電感領域重點開發的產品，文章綜述了電感的發展，片式電感器的分類，介紹了繞線型片式電感、疊層片式電感、編織型片式電感、激光刻線型片式電感的制造工藝，提出了片式電感器的技術發展方向，并介紹了低溫共燒陶瓷技術和薄膜平面電感。
關鍵字： 片式電感器,技術發展,趨勢
1 引言
電感是電子線路中*的三大基礎電子元件之一，其工作原理是導線內通過交流電時，在導線的內部及周圍產生交變磁通。利用這一性質制成的元器件稱為電感器，簡稱為電感，其主要功能是篩選信號、過濾噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾等。電感廣泛應用于電腦設備、通訊設備、視頻音頻設備、消費類電子產品、電子自動化設備、電信廣播設備等各類電子產品。
片式電感器是電感領域重點開發的產品。文章綜述了電感器的發展，片式電感器的分類，介紹了繞線型片式電感，疊層片式電感，編織型片式電感、激光刻線型片式電感的制造工藝，提出了片式電感的技術發展方向。并介紹了低溫共燒陶瓷技術和薄膜平面電感。
2 電感器的發展
2.1電感的分類
根據制造工藝的不同，電感可分為傳統插裝電感和片式電感兩種。
（1）傳統插裝電感主要采用繞線工藝，即電流在磁芯上繞制的銅線中流動，例如環狀電感、空心線圈等，其特點是電感量范圍廣，電感量精度高，損耗小，功率大，制作工藝簡單，生產周期短、原材料供應充足，但存在生產自動化程度低、生產成本高、難以小型化等缺點。
（2）隨著電子信息產業的飛速發展，具備新設計、新理念、新功能的電子終端產品層出不窮，電子終端不斷向“小型化、集成化、大功率化、多功能化”等方向發展，傳統的插裝電感器已不能適應下游電子整機的需求，而體積小、成本低、屏蔽性能優良、可靠性高、適合于高密度表面安裝的片式電感在移動通訊、計算機、汽車電子、高分辨電視、廣播衛星等領域獲得廣泛應用，逐步成為電感市場的主流發展方向。片式化率也成為衡量一個國家和地區電子元器件制造與電子裝備工藝水平高低的重要標志。
2.2 片式電感的分類
根據性能和用途，片式電感可以分為片式普通電感和片式功率電感。
片式功率電感是相對于片式普通電感而言，兩者的主要差異在于：
（1）性能上的差異
a）片式功率電感的耐受電流遠遠大于片式普通電感，其直流電阻也小于片式普通電感，適合用在小型移動終端產品中的直流轉直流電源模塊，可應用于手機、數碼相機、PDA等諸多以電池供電的電源模塊;
b）片式普通電感則廣泛用于各類電子產品的電路中。
（2）生產流程方面的差異
在生產流程方面，由于內部電路設計結構和電性能參數要求不同，該兩類產品在流延成型、燒結、測試分選等環節存在制作工藝和工藝參數上的差異。
a） 由于具備耐受功率大的特性，在流延成型環節，功率電感較普通電感需增加多層介質層;
b） 在燒結環節，由于功率電感包含的原材料種類較普通電感多，其*燒結溫度和*燒結溫度的控制精度也與片式普通電感不同。
（3）成本方面的差異
成本方面，功率電感由于耐受功率大，其生產制造所需原材料數量較多，且在內部電路設計上較普通電感復雜，片式普通電感的單位成本低于片式功率電感。
2.3 片式電感按制造工藝分類
根據制造工藝的不同，片式電感可以分為繞線型片式電感、疊層片式電感、編織型片式電感、激光刻線型片式電感。
3 片式電感分類
片式電感的材料分為以鐵氧體磁性材料為基體和以陶瓷材料為基體兩個大類。
（1）磁性材料采用鎳鋅系和錳鋅系材料制成各種小型鐵氧體磁芯。大多數片式電感，特別是功率電感，片式EMI抑制器都使用鎳鋅系材料。而錳鋅系材料主要用在片式低頻電感器中。
（2）陶瓷材料采用低介電常數陶瓷制成的高頻片式疊層電感器，在其制作中還考慮了抑制雜散電容的問題，用它做成的疊層電感器可以獲得較高的自諧振頻率，用在亞微波到微波波段，適合向高頻化、網絡化發展的需要。
3.1 繞線型片式電感
繞線型片式電感沿用傳統插裝電感元件的結構模式，采用微小型工字型磁芯，將細的導線繞在軟磁鐵氧體磁芯上，然后將磁芯固定與基座并引出鉤性短引線，再用樹脂封固而成。見圖1。
圖1 工字型磁芯繞線片式電感
繞線片式電感的特點是電感量范圍廣（mH~H）、電感量精度高，功率大、損耗小（即Q大）、容許電流大，制作工藝繼承性強，簡單、成本低等，特別是以陶瓷為芯的繞制片式電感在高頻率下能夠保持穩定的高精度電感量和相當高的Q值，因而在高頻回路中占據一席之地。
繞制片式電感的缺點是制造成本較高，并且受磁芯尺寸和繞線工藝的限制，其在進一步小型化方面受到限制。
還有一種繞線片式電感是采用H型陶瓷芯，經過繞線、焊接、涂復、環氧樹脂灌封等工藝制成，見圖2。由于電極已預制在陶瓷芯體上，制造工藝更加簡單，而且可以進一步小型化。這類電感的電感量較小，但自諧振頻率高（通常為5~6GHz，zui高達12.5GHz），更適合高頻使用。
圖2 H型陶瓷繞線電感
3.2 疊層片式電感
疊層片式電感的結構是由交互疊加的鐵氧體層和內導體層所組成，其制作工藝采用新型的電子材料及厚膜技術、和低溫共燒鐵氧體（LTCT）技術。制作疊層片式電感的主要工藝流程是：將鐵氧體（如NiMnZn）粉制成漿料，用流延或濕式印刷法制成厚約10μm~30μm的鐵氧體膜，并在其上用銀漿印刷導電線圈，經交替印刷，疊壓在一起，穿孔連通各層導電線圈，形成一條螺旋式線圈，重復上述步驟就可制成多達數十層的疊層結構。然后，再通過切割、排膠、燒結、倒角、制端電極，檢測等后續工序，制成具有獨石結構的疊層片式電感，見圖3。電感工作時，電流是在印刷出來的導體材料（銀、銅等）中流動，這有異于傳統意義上的電感。
圖3 疊層片式電感
由于它采用了先進的厚膜多層印刷技術和疊層工藝，實現了超小型化，且其小型化速度隨著疊層技術的進步而不斷加快，在大部分應用領域逐步取代傳統插裝電感和繞線片式電感，成為新一代片式電感的主流產品，被廣泛應用于通訊領域、計算機及周邊產品、消費類電子、辦公自動化及汽車電子等領域。
疊層片式電感與繞線片式電感相比，疊層片式電感具有顯著的優勢;
（1）尺寸小，有利于電路的小型化;
（2）磁路封閉，具有良好的磁屏蔽性、不會干擾周圍的元件器，也不會受臨近元件的干擾，有利于元器件的高密度安裝;
（3）一體化獨石結構，燒結密度高、機械強度好、可靠性高;
（4）耐熱性、可焊性好;
（5）形狀規則、整齊、適合于自動化表面安裝生產等。
疊層片式電感的不足之處是制作工藝復雜，生產周期長、成本高、功率較小、電感量較小、Q值低，高感值的制作難度大。因此在高頻、大功率領域，繞線片式電感仍占據一定的*。
3.3 編織型片式電感
編織型片式電感是以條狀磁芯為經線，以導體作緯線編織起來的一種片式電感，該種電感理論上具有體積小、在1MHz下的單位體積電感量比其他片式電感大等特點，可用作功率處理的微型磁性元件。但由于該種工藝過于復雜，批量化生產存在困難，該種工藝在行業中實際應用很少。
3.4 激光刻線型片式電感
激光刻線型片式電感采用光刻腐蝕工藝，其內電極集中于同一層面，磁場分布集中，能確保裝貼后的器件變化不大，在100MHz以上呈現良好的頻率特性，具有在微波頻段保持高Q、高精度、高穩定性和小體積的特性。
激光刻線型片式電感的優點是產品一致性高，性能參數好，但由于其制造采用光刻腐蝕的工藝，設備投資大，因而制作成本昂貴，只應用在一些領域，目前只有少數日本廠商從事激光刻線型片式電感的研發生產。
日本松下電子公司采用*的激光切割工藝，開發出比過去制品在800MHz時Q值高20%~80%產品：
（1）以高頻損耗小的氧化鋁為主要原料的整個基體上實施鍍銅導體。按螺旋狀切削基體中間部的導體，形成一層線圈，用高耐熱性樹脂保護線圈，基體兩端的導體上形成電極。
（2）該產品有以下特點：
a）結構、工藝簡單;
b）通過控制激光切割布線，可以制成各種電感;
c）制成品上下左右對稱，不必考慮方向性，用戶在貼裝時方便;
d）因線圈部寄生電容小，高頻特性良好;
e）因線圈部導體與電子間沒有連接點，故可靠性高。
（3）高Q化技術
關鍵是降低了電感器的高頻損耗。具有代表性的損耗有以下幾種：①導體部電阻成分，②渦流損耗，③集膚效應和鄰近效應等因素的高頻損耗。
引人注意的有兩點：首先是實現了*的激光切割布線，其次是去除線圈附近的不需要導體，開發出了高Q新系列產品，并使其商品化。
我國制造的陶瓷體激光刻線型片式電感外形尺寸為1.6mm×0.8mm×0.8mm。外形圖見圖4.
圖4 陶瓷體激光刻線型片式電感器外形
4 片式電感器的技術發展方向
4.1小型化
未來可攜式電子產品功能更加復雜化，而體積要求卻越來越小，與之相應，電感器技術發展趨勢必將朝小型化和片式化方向的發展。近年來，國內電子行業已經由原來的公制2012（2.0mm×1.2mm）和1608（1.6mm×0.8mm）尺寸電感逐步轉移到1005（1.0mm×0.5mm）尺寸的產品上，深圳順絡電子公司可以提供0603（0.6mm×0.3mm）的片式電感樣品。而日本企業如TDK，MURATA等已開始生產0402（0.4mm×0.2mm）尺寸的疊層片式電感，體積比0603產品減小了70%。可以預測，未來10年內，小型化仍然是電子元件發展的zui主要趨勢之一，片式電感器的體積將越來越小。
4.2 高頻化
為了提高通訊品質、傳輸距離及傳輸容量，目前通訊產品的傳輸頻率正在向高頻發展。在電子及通訊產品朝高頻化發展的趨勢推動下，電感器本身的應用頻率也必須隨之提高，而傳統利用磁性材料所制成的的電感器，受限于本身材料特性的影響，無法大幅度提高使用頻率，因此，陶瓷材料便應運而生，目前幾乎所有的高頻電感均使用陶瓷材料制成，疊層陶瓷電感的目前的使用自諧振頻率已經由原來的1GHz附近提高到6GHz以上，正在朝10GHz甚至更高頻率發展。
4.3 復合化
目前電感在復合化方面，主要是利用LTCC技術將電感器與其他主、被動元器件復合。在產品發展趨勢上，復合電感器與電容器所制成的濾波器、耦合器、平衡非平衡轉換器等產品技術已趨于成熟。在復合電感器與其他主、被動元件所制成的模組產品方面，目前主要廠商已開發出包括RF射頻模組、VCO模組、藍牙模組等產品。
4.4 大功率化
隨著芯片的低壓大電流化發展趨勢，以及低功耗綠色產品的環保需求，必然也要求周邊元器件具有較低的直流電阻和較高的耐受電流能力。目前疊層電感的耐受電流由上世紀的毫安級提高到安培級，微亨級電感量的疊層產品甚至能取代繞線功率電感。對于這種疊層功率電感，日本的MURATA、TDK等公司已經量產
4.5 高感量
原來高感量電感都是傳統電感，隨著成型技術和磁粉材料技術的提高，片式電感的電感量范圍不斷提升，市場需求量巨大。
4.6 高穩定、高精度
目前鐵氧體類多層片片電感器精度只能達到±10%，耐焊接熱變化率普通在20%以上（業內zui高水平TDK為12%），若能將精度控制在5%以內，則可以大范圍取代繞線電感。我國絕大部分片式電感生產廠商目前瞄準的市場依然是消費類電子產品，如DVD、PC、數字電視等一些低檔的數碼產品，真正應用于通訊領域和汽車電子領域的不多。
5 低溫共燒陶瓷
5.1 低溫共燒陶瓷技術簡介
低溫共燒陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic LTCC）技術是一門新興的集成封裝技術，LTCC技術就是以陶瓷材料作為基板，利用無機陶瓷粉加上有機黏結劑混成泥狀的漿料，經過刮刀成型以及干燥后制成一張張的薄生胚，再利用絲網印刷技術將電路印在上面，并于各層打出成千上萬個供訊號垂直傳遞的通孔，填入銀膏作為電極，zui后將所需的生胚疊層壓并在1000℃以下的溫度，將金屬與陶瓷一次燒結，形成緊密結合的LTCC組件。
由于將電阻、電容、電感等被動元件燒結在同一基板內，使得原本面積龐大的電路立體化，形成多層的體積結構，即如同“被動元件的集成電路”、大幅縮小電子組件的體積。
至于其它不能埋入的組件如IC、收發器等則承載于基板表面，即可構裝成完整的系統封裝模塊。
zui后將整塊LTCC模塊黏到電路板上，這樣除了可以大幅縮減組件之間的空間外，由于原本黏于基板上的電阻、電容、電感等被動組件及部分連接線路制作成多層結構內藏在基板中，而縮小基本使用面積，從而還可以減少電路板的錫焊點，降低高頻所生產的不必要的寄生效應。
圖5為典型的LTCC基片示意圖，由此可知，采用LTCC工藝制作的基板具有可突現IC芯片封裝、內埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。以多層LTCC開發的產品具有系統面積zui小化、高系統整合度、系統功能*化、較短的上市時間及低成本等特性，從而具有相當的競爭力。
圖5 LTCC基板示意圖
5.2 LTCC技術優點
相對于傳統的封裝集成技術LTCC技術具有如下優點。
（1）陶瓷材料具有優良的高頻高Q特性，使用頻率可高達幾十GHz，具有較好的溫度特性，較小的熱膨脹系數，較小的介電數溫度系數;
（2）可以制作層數很多的電路基板，并可將多個無源元件埋入其中，除L、R、C外，還可以將敏感元件、EMI抑制元件、電路保護元件集成在一起，有利于提高電路的組裝密度;
（3）能集成的元件種類多，參量范圍大，可以在層數很多的三維電路基板上，用多種方式鍵連IC和各種有源器件、實現無源/有源集成;
（4）可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應用于惡劣環境;
（5）LICC技術以其優異的電學、機械、熱學及工藝特性，將成為未來電子器件集成化、模塊化的方式，從技術成熟程度、產業化程度以及應用廣泛程度等角度來評價，目前LICC技術是無源集成的主流技術。
6 薄膜平面電感
南京金寧電子集團有限公司與華中科技大學電子科學與技術系共同研制了鐵氧體薄膜電感，薄膜與電感的基本結合方式有頂層膜電感、底層膜電感和雙層膜電感，如圖6所示，前兩種結合方式都只是使磁路在電感的薄膜側閉合，而雙層膜電感磁路*閉合。
圖6 薄膜電感器常見結構截面圖
（1）頂層電感制備
首先在尺寸為25mm×25mm×0.4mm，介電常數為9.8的A12O3陶瓷基片上用絲網印刷的方法，以高溫銀獎為原材料，制作空心電感平面螺旋線圈，然后烘干并經850℃燒結，使電感圖形在陶瓷襯底上固化，示意圖如圖7所示。空心電感的結構參數為外徑l=5mm，導線寬度w=250μm，導線間隙s=250μm，導線厚度t=3μm。
圖 7 空心電感器實物圖
鐵氧體薄膜的制備與集成：將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧體漿料直接印刷在制作好的空心電感上面，烘干后的鐵氧體薄膜厚度大約是5μm。制作好的薄膜電感如圖8所示。
圖 8 頂層膜電感器實物圖
（2）底層膜電感制備
首先將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧機漿料絲網印刷早陶瓷襯底上形成薄膜，作為電感的薄膜磁芯，如圖9所示，將制好并且烘干以后的鐵氧薄膜又進行一次高溫燒結。
圖9 底層鐵氧體薄膜
第二步就是在Ni-Cu-Zn鐵氧體薄膜上面制作電感圖形，以高溫銀漿為原料，對電感的圖形進行印刷，圖形印好以后進行烘干，并且在850℃燒結。制作好的底層薄膜如圖10所示。
圖10 底層膜電感器
（3）雙層膜電感制備
雙層膜電感是頂層膜電感和底層模電感的結合，其制作過程是在底層膜電感的基礎上再制作頂層鐵氧體膜。制作好底層膜電感以后，就是要再次將準備的鐵氧體漿料直接刷在電感圖形上面，以獲得雙層膜電感。
通過實驗數據對比，從實驗上得到了高性能5mm×5mm的鐵氧體薄膜電感。
薄膜平面電感的出現，使得電感從三維結構走向了二維，有效的降低了電感的質量和體積，同時由于各種低損耗、高性能軟磁薄膜的研制成功，使得薄膜電感自身的性能得到了有效的提高，單位面積上獲得了更大的電感量，這樣就更進一步減小了電感的面積，提高了集成度，并且降低了能量的損耗，提高了整個電路系統和功能模塊的性能，因此薄膜電感可能成為未來電感的主流。
