選取NiCuZn鐵氧體為磁芯材料,采用絲網印刷方法在Al2O3陶瓷基片上制備出尺寸為5mm×5mm的鐵氧體薄膜電感器。通過實驗數據對比,討論了制備工藝和薄膜結合方式對電感器性能的影響,從實驗上得到了高性能的薄膜電感器。
關鍵字: 薄膜電感器,鐵氧體薄膜,
1 引言
近幾十年來,微電子技術取得了突飛猛進的發展,遵循摩爾定律不斷前進,電子產品不斷升級換代,電子系統的尺寸越來越小,集成度和工作頻率越來越高,并且系統中集成的功能越來越多。與此相對應,各種電子元器件也都朝著小型化、平面化、高頻化、高精度、高穩定性、低損耗的方向發展,以適應電子系統的高集成度、高頻、高穩定性和低損耗的特點。
電感器作為電路結構中重要的三大無源器件之一,是電源、變壓器、無源濾波器、振蕩器、低噪聲放大器等功能模塊的關鍵組成部分,也是射頻網絡中,實現阻抗匹配的重要元件,在電腦、數碼相機、儀器儀表、汽車電子、手機及各種電子信息等領域中有廣泛的應用,其市場需求量是十分巨大的。
雖然貼片式電感的出現在一定程度上解決了系統輕量化的問題,但它還遠遠不能滿足當今電子系統高集成度的要求。薄膜電感器的出現,使得電感器從三維結構走向了二維,有效地降低了電感器的質量和體積,同時由于各種低損耗、高性能軟磁薄膜的研制成功,使得薄膜電感器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器的面積,提高了集成度,并且降低了能量損耗,提高了整個電路系統和功能模塊的性能,因此薄膜電感器可能成為未來電感器的主流。
2 薄膜電感器制備
薄膜與電感器的基本結合方式有頂層膜電感器、底層膜電感器和雙層膜電感器,如圖1所示,前兩種結合方式都只是使磁路在電感器的薄膜側閉合,而雙層膜電感器磁路*閉合。試驗中我們制備了頂層膜、底層膜和雙層膜電感器樣品。
(1)頂層膜電感器制備
頂層薄膜電感器的制備是首先在尺寸為25mm×25mm×0.4mm,介電常數為9.8的陶瓷基片上用絲網印刷的方法,以高溫銀漿為原材料,制作空心電感器平面螺旋線圈,然后烘干并經過850℃燒結,使電感器圖形在陶瓷襯底上固化,其示意圖如2所示。空心電感器的結構參數為外徑l=5mm,導線寬度W=250μm,導線間隙S=250μm,導線厚度t=3μm。圖中的螺旋線圈部分是電感器,微帶線的制備是為了測量的方便,根據微波理論,微帶線的寬度設計為使其特性阻抗與網絡分析儀的測試端口阻抗匹配。
鐵氧體薄膜的制備與集成依然是使用絲網印刷法,就是將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧體漿料直接印刷在制作好的空心電感器上面,烘干后的鐵氧體膜厚度大約是5μm,制作好的薄膜電感器實物圖如圖3所示。為了比較不同后處理工藝對電感器性能的影響,又對制備好的頂層膜電感器進行了不同的后期熱處理工藝,編號為U1-U4,如表1所示,其中各個樣品在100℃保溫240分鐘是樣品制作好以后的烘干過程。
表 1 頂層薄膜電感器熱處理工藝
溫度(℃) 100 0-400 0-500 400 500 400-880 880
U1(min) 240 - - - - - -
U2(min) 240 200 - 360 - 160 10
U3(min) 240 200 - 600 - - -
U4(min) 240 - 250 - 600 - -
近幾十年來,微電子技術取得了突飛猛進的發展,遵循摩爾定律不斷前進,電子產品不斷升級換代,電子系統的尺寸越來越小,集成度和工作頻率越來越高,并且系統中集成的功能越來越多。與此相對應,各種電子元器件也都朝著小型化、平面化、高頻化、高精度、高穩定性、低損耗的方向發展,以適應電子系統的高集成度、高頻、高穩定性和低損耗的特點。
電感器作為電路結構中重要的三大無源器件之一,是電源、變壓器、無源濾波器、振蕩器、低噪聲放大器等功能模塊的關鍵組成部分,也是射頻網絡中,實現阻抗匹配的重要元件,在電腦、數碼相機、儀器儀表、汽車電子、手機及各種電子信息等領域中有廣泛的應用,其市場需求量是十分巨大的。
雖然貼片式電感的出現在一定程度上解決了系統輕量化的問題,但它還遠遠不能滿足當今電子系統高集成度的要求。薄膜電感器的出現,使得電感器從三維結構走向了二維,有效地降低了電感器的質量和體積,同時由于各種低損耗、高性能軟磁薄膜的研制成功,使得薄膜電感器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器的面積,提高了集成度,并且降低了能量損耗,提高了整個電路系統和功能模塊的性能,因此薄膜電感器可能成為未來電感器的主流。
2 薄膜電感器制備
薄膜與電感器的基本結合方式有頂層膜電感器、底層膜電感器和雙層膜電感器,如圖1所示,前兩種結合方式都只是使磁路在電感器的薄膜側閉合,而雙層膜電感器磁路*閉合。試驗中我們制備了頂層膜、底層膜和雙層膜電感器樣品。
(1)頂層膜電感器制備
頂層薄膜電感器的制備是首先在尺寸為25mm×25mm×0.4mm,介電常數為9.8的陶瓷基片上用絲網印刷的方法,以高溫銀漿為原材料,制作空心電感器平面螺旋線圈,然后烘干并經過850℃燒結,使電感器圖形在陶瓷襯底上固化,其示意圖如2所示。空心電感器的結構參數為外徑l=5mm,導線寬度W=250μm,導線間隙S=250μm,導線厚度t=3μm。圖中的螺旋線圈部分是電感器,微帶線的制備是為了測量的方便,根據微波理論,微帶線的寬度設計為使其特性阻抗與網絡分析儀的測試端口阻抗匹配。
鐵氧體薄膜的制備與集成依然是使用絲網印刷法,就是將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧體漿料直接印刷在制作好的空心電感器上面,烘干后的鐵氧體膜厚度大約是5μm,制作好的薄膜電感器實物圖如圖3所示。為了比較不同后處理工藝對電感器性能的影響,又對制備好的頂層膜電感器進行了不同的后期熱處理工藝,編號為U1-U4,如表1所示,其中各個樣品在100℃保溫240分鐘是樣品制作好以后的烘干過程。
表 1 頂層薄膜電感器熱處理工藝
溫度(℃) 100 0-400 0-500 400 500 400-880 880
U1(min) 240 - - - - - -
U2(min) 240 200 - 360 - 160 10
U3(min) 240 200 - 600 - - -
U4(min) 240 - 250 - 600 - -
(2)底層膜電感器制備
底層膜電感器的制作是首先將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧體漿料絲網印刷在陶瓷襯底上形成薄膜,作為電感器的薄膜磁芯。將刷好并且烘干以后的鐵氧體薄膜又進行了一次高溫燒結,燒結過程如表2所示。用SEM對燒結后的薄膜進行觀察,其表面形貌和截面形貌分別如圖4、5所示,膜實物圖如圖6所示。在制備好了底層鐵氧體薄膜以后,第二步就是在Ni-Cu-Zn鐵氧體薄膜上面制作電感器圖形,仍然用絲網印刷工藝,以高溫銀漿為原料,對電感器的圖形進行印制,圖形印好以后進行烘干、并且在850℃燒結,至此底層膜電感器制作完畢,其實物圖如圖7所示,試驗中標示號為L1。
表 2 底層鐵氧體磁性薄膜燒結過程
溫度 (℃) 100 0-400 400 400-880 880
L1(min) 240 200 600 48 10
底層膜電感器的制作是首先將配置好的Ni-Cu-Zn鐵氧體漿料絲網印刷在陶瓷襯底上形成薄膜,作為電感器的薄膜磁芯。將刷好并且烘干以后的鐵氧體薄膜又進行了一次高溫燒結,燒結過程如表2所示。用SEM對燒結后的薄膜進行觀察,其表面形貌和截面形貌分別如圖4、5所示,膜實物圖如圖6所示。在制備好了底層鐵氧體薄膜以后,第二步就是在Ni-Cu-Zn鐵氧體薄膜上面制作電感器圖形,仍然用絲網印刷工藝,以高溫銀漿為原料,對電感器的圖形進行印制,圖形印好以后進行烘干、并且在850℃燒結,至此底層膜電感器制作完畢,其實物圖如圖7所示,試驗中標示號為L1。
表 2 底層鐵氧體磁性薄膜燒結過程
溫度 (℃) 100 0-400 400 400-880 880
L1(min) 240 200 600 48 10
(3)雙層膜電感器制備
雙層膜電感器是頂層膜電感器和底層膜電感器的結合,其制作過程就是在底層膜電感器的基礎上再制作頂層鐵氧體薄膜,在制作底層鐵氧體薄膜和電感器圖形時,所采用的工藝過程與制作底層膜電感器的過程*一致。制作好底層膜電感器以后,就是要再次將準備的鐵氧體漿料直接刷在電感器圖形上面,以獲得雙層膜電感器,在刷制好頂層鐵氧體膜以后進行熱處理,其燒結工藝如表3所示。
表 3 雙層膜電感器熱處理工藝
溫度 (℃) 150 0-400 400 400-880 880
D1(min) 300 200 540 180 10
雙層膜電感器是頂層膜電感器和底層膜電感器的結合,其制作過程就是在底層膜電感器的基礎上再制作頂層鐵氧體薄膜,在制作底層鐵氧體薄膜和電感器圖形時,所采用的工藝過程與制作底層膜電感器的過程*一致。制作好底層膜電感器以后,就是要再次將準備的鐵氧體漿料直接刷在電感器圖形上面,以獲得雙層膜電感器,在刷制好頂層鐵氧體膜以后進行熱處理,其燒結工藝如表3所示。
表 3 雙層膜電感器熱處理工藝
溫度 (℃) 150 0-400 400 400-880 880
D1(min) 300 200 540 180 10
從表3中可以看出,與底層膜電感器的薄膜熱處理過程表2相比,在對雙層膜電感器的頂層膜熱處理時,提高了烘干溫度并延長了烘干時間,同時也延長了400℃~880℃的升溫時間。
3 薄膜電感器測量
薄膜電感器是一個二端子器件,在測量時要將其轉換成二端口網絡,然后通過矢量網絡分析儀Agilent 8722ES對其高頻性能進行測量。
電感器為二端子器件,而網絡分析儀是測量網絡特性的測量設備,所以在測量電感器時通過一根公共的底線,將該二端子器件轉換為二端口網絡,如圖8所示。
從圖8中可以看出,當二端口網絡中的Port2短路時,等效于電感器二端子器件結構,此時Port1的輸入阻抗1/Y11就是電感器的阻抗值,因此電感器的電感量L、電阻值R和品質因數Q的提取關系如式(1)所示[1]。
L=ω-1·Im(1/Y11),R=Re(1/Y11)
(1)
測量出二端口網絡的S矩陣以后,根據二端口網絡導納矩陣與散射矩陣之間的變化關系,求出Y11,再根據式(1)就可以得出電感器的性能參數,由S矩陣到Y11的轉換關系如式(2)所示[2]。式中的50為網絡分析儀測量端口的端口阻抗值。
(2)
基于電感器的二端口網絡測試原理,對薄膜電感器的測量主要是測量其散射參數,在制作電感器的時候制作了用于測量的微帶線,如圖9所示,微帶線的特性阻抗設計為50Ω,與網絡分析儀的測試端口的阻抗匹配,所以可以近似的認為,圖中的微帶線是網絡分析儀測試端口線的延長,它的存在不影響信號的傳輸特性。測試夾具如圖10所示。
3 薄膜電感器測量
薄膜電感器是一個二端子器件,在測量時要將其轉換成二端口網絡,然后通過矢量網絡分析儀Agilent 8722ES對其高頻性能進行測量。
電感器為二端子器件,而網絡分析儀是測量網絡特性的測量設備,所以在測量電感器時通過一根公共的底線,將該二端子器件轉換為二端口網絡,如圖8所示。
從圖8中可以看出,當二端口網絡中的Port2短路時,等效于電感器二端子器件結構,此時Port1的輸入阻抗1/Y11就是電感器的阻抗值,因此電感器的電感量L、電阻值R和品質因數Q的提取關系如式(1)所示[1]。
L=ω-1·Im(1/Y11),R=Re(1/Y11)
(1)
測量出二端口網絡的S矩陣以后,根據二端口網絡導納矩陣與散射矩陣之間的變化關系,求出Y11,再根據式(1)就可以得出電感器的性能參數,由S矩陣到Y11的轉換關系如式(2)所示[2]。式中的50為網絡分析儀測量端口的端口阻抗值。
(2)
基于電感器的二端口網絡測試原理,對薄膜電感器的測量主要是測量其散射參數,在制作電感器的時候制作了用于測量的微帶線,如圖9所示,微帶線的特性阻抗設計為50Ω,與網絡分析儀的測試端口的阻抗匹配,所以可以近似的認為,圖中的微帶線是網絡分析儀測試端口線的延長,它的存在不影響信號的傳輸特性。測試夾具如圖10所示。
結果與討論
4.1 頂層膜電感器在不同熱處理工藝后的特性討論
根據表1中不同的熱處理工藝,編號為U1、U2、U3、U4樣品的電感量及品質因數的頻率特性如圖11所示,其中圖中r表示具有相同電感器結構參數而沒有引入磁性薄膜的空心電感器,作為討論時的參考。
從圖11(a)中可以看出,在增加了鐵氧體薄膜以后,與空心電感器r相比,電感器U1、U2、U3、U4的電感量都獲得了有效的提高,r的電感量在50MHz時只有40nH左右,而U1、U2、U3的電感量分別為52nH、53nH、52nH。U4的電感量比U1、U2、U3的都低,可能是由于測量誤差引起的。在圖11(b)中,U3、U4的品質因數Q在低頻時候得到了有效的提高,在50MHz時,其Q值為5.3和5.1,并且U3、U4的峰值分別為8.3和8.2,與空心電感器r的7.4相比其提高幅度為10%左右,分析其原因主要是由兩個方面引起的:其一是它們分別在400℃和500℃的長達600分鐘的保溫使薄膜中的有機溶劑得到了充分的揮發,使薄膜更加致密,降低了薄膜自身的損耗;其二是由于鐵氧體薄膜的引入,改變了電感器的磁場分布,使得更多的磁力線沿著薄膜穿過,有效的降低了電感線圈導線中由于臨近效應而產生的渦流損耗。電感器U1只經歷了烘干的階段,沒有進行燒結,所以其薄膜的磁性顆粒不十分致密,導致了磁性損耗的增加,并且新增加的磁性損耗超過了薄膜的引入所降低的導線中的渦流損耗,因此總的品質因數是降低的。U2經歷了880℃的高溫燒結,可以推測出其薄膜的有機溶劑已經充分揮發,其品質因數較低,可能是因為400℃時保溫時間較短,在這個溫度時有機溶劑揮發不充分,當溫度迅速升高以后,溶劑的加速揮發導致了薄膜內部孔洞的增加,使得磁損耗增加,或者是880℃高溫階段又引入了其它種類的缺陷。
在綜合考慮電感量L和品質因數Q的情況下,經歷了400℃后處理工藝的頂層膜電感器U3的性能zui為優良,這就使得薄膜電感器的制作可以在較低的溫度下實現,并且制備過程簡單,可以方便的與其它器件及電路集成。
4.2 不同薄膜結合方式的薄膜電感器的特性對比
將制備的頂層膜、底層膜、雙層膜和空心電感器U2、L1、D1、r進行對比,其電感量L和品質因數Q的頻率特性如圖12所示。
從圖12(a)中可以看出,U2、L1、D1的電感量依次增大,在50MHz時候的電感值分別是53nH、56nH和66nH。L1的電感量比U2的大,其原因之一是底層薄膜是直接制備在陶瓷襯底上面的,比頂層膜更加平整;原因之二就是磁性薄膜的引入使得線圈導線所激發的磁場被薄膜限制在導線自身表面附近,這樣就在一定程度降低了線圈之間的互感耦合Lmut,而對于頂層膜結構的電感器U2,導線間隙也填充有磁性薄膜,所以與底層膜結構的電感器相比,Lmut的降低就更加明顯,這樣在磁化貢獻相同的情況下,L1的總電感量就比較大。對于雙層膜電感器D1而言,可以認為磁路已經閉合,電感量得到了極大提高,也就是說雖然薄膜的引入會在一定程度上更加降低了Lmut部分,但是薄膜的磁化對電感量的貢獻Lm要遠遠大于Lmut減小的部分,所以總電感量是提高的。與空心電感器r相比,在50MHz時,D1的電感值的提高量是25nH,而U2和L1的電感值的提高量分別是12nH和15nH,它們之和為27nH,所以可以看出,雙層膜電感器的電感量的提高,近似等于底層磁性薄膜和頂層磁性薄膜對電感量的貢獻之和。在圖12(b)中,底層膜電感器L1的品質因數的頻率特性與頂層膜電感器U2的基本相同,這是由于它們都屬于單層膜電感器,集成到電感器中的薄膜材料的量相差不多,并且在集成了薄膜以后的后處理工藝也基本相同,都經歷了880℃的高溫過程,所以其薄膜的磁性損耗也大致一樣。L1和U2的品質因數都比空心電感器r的低,其原因正如在對頂層膜電感器性能的討論中提到的,可能是由于400℃到880℃的升溫過程太快,導致薄膜中的缺陷增加,使得薄膜中磁性損耗的增加超過了由于薄膜的引入而導致的線圈導體中渦流損耗的減少,zui終就導致了電感器品質因數的降低,并且隨著頻率的升高,磁性損耗更加劇烈,Q值隨著頻率的升高就下降得更快。從圖12(b)中還可以看到,盡管D1的電感量是zui大的,但是D1的品質因數是zui低的,這是因為雙層膜電感器中所集成的磁性薄膜zui多,并且每層薄膜的引入都經歷了880℃的高溫過程,雖然這個過程可以增加鐵氧體薄膜與襯底的附著力和薄膜本身的堅固程度,但是這個過程不利于降低薄膜的磁性損耗μ",所以D1的磁性薄膜中的磁性損耗是zui大的,就導致了它的品質因數Qzui低,并且隨著頻率的升高,其品質因數下降的也zui快。
4.1 頂層膜電感器在不同熱處理工藝后的特性討論
根據表1中不同的熱處理工藝,編號為U1、U2、U3、U4樣品的電感量及品質因數的頻率特性如圖11所示,其中圖中r表示具有相同電感器結構參數而沒有引入磁性薄膜的空心電感器,作為討論時的參考。
從圖11(a)中可以看出,在增加了鐵氧體薄膜以后,與空心電感器r相比,電感器U1、U2、U3、U4的電感量都獲得了有效的提高,r的電感量在50MHz時只有40nH左右,而U1、U2、U3的電感量分別為52nH、53nH、52nH。U4的電感量比U1、U2、U3的都低,可能是由于測量誤差引起的。在圖11(b)中,U3、U4的品質因數Q在低頻時候得到了有效的提高,在50MHz時,其Q值為5.3和5.1,并且U3、U4的峰值分別為8.3和8.2,與空心電感器r的7.4相比其提高幅度為10%左右,分析其原因主要是由兩個方面引起的:其一是它們分別在400℃和500℃的長達600分鐘的保溫使薄膜中的有機溶劑得到了充分的揮發,使薄膜更加致密,降低了薄膜自身的損耗;其二是由于鐵氧體薄膜的引入,改變了電感器的磁場分布,使得更多的磁力線沿著薄膜穿過,有效的降低了電感線圈導線中由于臨近效應而產生的渦流損耗。電感器U1只經歷了烘干的階段,沒有進行燒結,所以其薄膜的磁性顆粒不十分致密,導致了磁性損耗的增加,并且新增加的磁性損耗超過了薄膜的引入所降低的導線中的渦流損耗,因此總的品質因數是降低的。U2經歷了880℃的高溫燒結,可以推測出其薄膜的有機溶劑已經充分揮發,其品質因數較低,可能是因為400℃時保溫時間較短,在這個溫度時有機溶劑揮發不充分,當溫度迅速升高以后,溶劑的加速揮發導致了薄膜內部孔洞的增加,使得磁損耗增加,或者是880℃高溫階段又引入了其它種類的缺陷。
在綜合考慮電感量L和品質因數Q的情況下,經歷了400℃后處理工藝的頂層膜電感器U3的性能zui為優良,這就使得薄膜電感器的制作可以在較低的溫度下實現,并且制備過程簡單,可以方便的與其它器件及電路集成。
4.2 不同薄膜結合方式的薄膜電感器的特性對比
將制備的頂層膜、底層膜、雙層膜和空心電感器U2、L1、D1、r進行對比,其電感量L和品質因數Q的頻率特性如圖12所示。
從圖12(a)中可以看出,U2、L1、D1的電感量依次增大,在50MHz時候的電感值分別是53nH、56nH和66nH。L1的電感量比U2的大,其原因之一是底層薄膜是直接制備在陶瓷襯底上面的,比頂層膜更加平整;原因之二就是磁性薄膜的引入使得線圈導線所激發的磁場被薄膜限制在導線自身表面附近,這樣就在一定程度降低了線圈之間的互感耦合Lmut,而對于頂層膜結構的電感器U2,導線間隙也填充有磁性薄膜,所以與底層膜結構的電感器相比,Lmut的降低就更加明顯,這樣在磁化貢獻相同的情況下,L1的總電感量就比較大。對于雙層膜電感器D1而言,可以認為磁路已經閉合,電感量得到了極大提高,也就是說雖然薄膜的引入會在一定程度上更加降低了Lmut部分,但是薄膜的磁化對電感量的貢獻Lm要遠遠大于Lmut減小的部分,所以總電感量是提高的。與空心電感器r相比,在50MHz時,D1的電感值的提高量是25nH,而U2和L1的電感值的提高量分別是12nH和15nH,它們之和為27nH,所以可以看出,雙層膜電感器的電感量的提高,近似等于底層磁性薄膜和頂層磁性薄膜對電感量的貢獻之和。在圖12(b)中,底層膜電感器L1的品質因數的頻率特性與頂層膜電感器U2的基本相同,這是由于它們都屬于單層膜電感器,集成到電感器中的薄膜材料的量相差不多,并且在集成了薄膜以后的后處理工藝也基本相同,都經歷了880℃的高溫過程,所以其薄膜的磁性損耗也大致一樣。L1和U2的品質因數都比空心電感器r的低,其原因正如在對頂層膜電感器性能的討論中提到的,可能是由于400℃到880℃的升溫過程太快,導致薄膜中的缺陷增加,使得薄膜中磁性損耗的增加超過了由于薄膜的引入而導致的線圈導體中渦流損耗的減少,zui終就導致了電感器品質因數的降低,并且隨著頻率的升高,磁性損耗更加劇烈,Q值隨著頻率的升高就下降得更快。從圖12(b)中還可以看到,盡管D1的電感量是zui大的,但是D1的品質因數是zui低的,這是因為雙層膜電感器中所集成的磁性薄膜zui多,并且每層薄膜的引入都經歷了880℃的高溫過程,雖然這個過程可以增加鐵氧體薄膜與襯底的附著力和薄膜本身的堅固程度,但是這個過程不利于降低薄膜的磁性損耗μ",所以D1的磁性薄膜中的磁性損耗是zui大的,就導致了它的品質因數Qzui低,并且隨著頻率的升高,其品質因數下降的也zui快。
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2025中國鄭州衡器與計量技術設備展覽會
展會城市:鄭州市展會時間:2025-11-07