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選取NiCuZn鐵氧體為磁芯材料，采用絲網(wǎng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，討論了制備工藝和薄膜結(jié)合方式對電感器性能的影響，從實(shí)驗(yàn)上得到了高性能的薄膜電感器。
關(guān)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(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，遵循摩爾定律不斷前進(jìn)，電子產(chǎn)品不斷升級換代，電子系統(tǒng)的尺寸越來越小，集成度和工作頻率越來越高，并且系統(tǒng)中集成的功能越來越多。與此相對應(yīng)，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(wěn)定性、低損耗的方向發(fā)展，以適應(yīng)電子系統(tǒng)的高集成度、高頻、高穩(wěn)定性和低損耗的特點(diǎn)。
電感器作為電路結(jié)構(gòu)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(guān)鍵組成部分，也是射頻網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的重要元件，在電腦、數(shù)碼相機(jī)、儀器儀表、汽車電子、手機(jī)及各種電子信息等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，其市場需求量是十分巨大的。
雖然貼片式電感的出現(xiàn)在一定程度上解決了系統(tǒng)輕量化的問題，但它還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今電子系統(tǒng)高集成度的要求。薄膜電感器的出現(xiàn)，使得電感器從三維結(jié)構(gòu)走向了二維，有效地降低了電感器的質(zhì)量和體積，同時(shí)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(jìn)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(gè)電路系統(tǒng)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(jié)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(jié)合方式都只是使磁路在電感器的薄膜側(cè)閉合，而雙層膜電感器磁路*閉合。試驗(yàn)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(shù)為9.8的陶瓷基片上用絲網(wǎng)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(jīng)過850℃燒結(jié)，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(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑l=5mm，導(dǎo)線寬度W=250μm，導(dǎo)線間隙S=250μm，導(dǎo)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(jù)微波理論，微帶線的寬度設(shè)計(jì)為使其特性阻抗與網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(shí)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(jìn)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(gè)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(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，遵循摩爾定律不斷前進(jìn)，電子產(chǎn)品不斷升級換代，電子系統(tǒng)的尺寸越來越小，集成度和工作頻率越來越高，并且系統(tǒng)中集成的功能越來越多。與此相對應(yīng)，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(wěn)定性、低損耗的方向發(fā)展，以適應(yīng)電子系統(tǒng)的高集成度、高頻、高穩(wěn)定性和低損耗的特點(diǎn)。
電感器作為電路結(jié)構(gòu)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(guān)鍵組成部分，也是射頻網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的重要元件，在電腦、數(shù)碼相機(jī)、儀器儀表、汽車電子、手機(jī)及各種電子信息等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，其市場需求量是十分巨大的。
雖然貼片式電感的出現(xiàn)在一定程度上解決了系統(tǒng)輕量化的問題，但它還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今電子系統(tǒng)高集成度的要求。薄膜電感器的出現(xiàn)，使得電感器從三維結(jié)構(gòu)走向了二維，有效地降低了電感器的質(zhì)量和體積，同時(shí)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(jìn)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(gè)電路系統(tǒng)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(jié)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(jié)合方式都只是使磁路在電感器的薄膜側(cè)閉合，而雙層膜電感器磁路*閉合。試驗(yàn)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(shù)為9.8的陶瓷基片上用絲網(wǎng)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(jīng)過850℃燒結(jié)，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(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑l=5mm，導(dǎo)線寬度W=250μm，導(dǎo)線間隙S=250μm，導(dǎo)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(jù)微波理論，微帶線的寬度設(shè)計(jì)為使其特性阻抗與網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(shí)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(jìn)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(gè)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(wǎng)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(jìn)行了一次高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程如表2所示。用SEM對燒結(jié)后的薄膜進(jìn)行觀察，其表面形貌和截面形貌分別如圖4、5所示，膜實(shí)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(wǎng)印刷工藝，以高溫銀漿為原料，對電感器的圖形進(jìn)行印制，圖形印好以后進(jìn)行烘干、并且在850℃燒結(jié)，至此底層膜電感器制作完畢，其實(shí)物圖如圖7所示，試驗(yàn)中標(biāo)示號為L1。
表 2 底層鐵氧體磁性薄膜燒結(jié)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(wǎng)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(jìn)行了一次高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程如表2所示。用SEM對燒結(jié)后的薄膜進(jìn)行觀察，其表面形貌和截面形貌分別如圖4、5所示，膜實(shí)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(wǎng)印刷工藝，以高溫銀漿為原料，對電感器的圖形進(jìn)行印制，圖形印好以后進(jìn)行烘干、并且在850℃燒結(jié)，至此底層膜電感器制作完畢，其實(shí)物圖如圖7所示，試驗(yàn)中標(biāo)示號為L1。
表 2 底層鐵氧體磁性薄膜燒結(jié)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(jié)合，其制作過程就是在底層膜電感器的基礎(chǔ)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(shí)，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(zhǔn)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(jìn)行熱處理，其燒結(jié)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(jié)合，其制作過程就是在底層膜電感器的基礎(chǔ)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(shí)，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(zhǔn)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(jìn)行熱處理，其燒結(jié)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(shí)，提高了烘干溫度并延長了烘干時(shí)間，同時(shí)也延長了400℃~880℃的升溫時(shí)間。
3 薄膜電感器測量
薄膜電感器是一個(gè)二端子器件，在測量時(shí)要將其轉(zhuǎn)換成二端口網(wǎng)絡(luò)，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8722ES對其高頻性能進(jìn)行測量。
電感器為二端子器件，而網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量網(wǎng)絡(luò)特性的測量設(shè)備，所以在測量電感器時(shí)通過一根公共的底線，將該二端子器件轉(zhuǎn)換為二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。
從圖8中可以看出，當(dāng)二端口網(wǎng)絡(luò)中的Port2短路時(shí)，等效于電感器二端子器件結(jié)構(gòu)，此時(shí)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(zhì)因數(shù)Q的提取關(guān)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(wǎng)絡(luò)的S矩陣以后，根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣與散射矩陣之間的變化關(guān)系，求出Y11，再根據(jù)式（1）就可以得出電感器的性能參數(shù)，由S矩陣到Y11的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示[2]。式中的50為網(wǎng)絡(luò)分析儀測量端口的端口阻抗值。
（2）
基于電感器的二端口網(wǎng)絡(luò)測試原理，對薄膜電感器的測量主要是測量其散射參數(shù)，在制作電感器的時(shí)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(shè)計(jì)為50Ω，與網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口的阻抗匹配，所以可以近似的認(rèn)為，圖中的微帶線是網(wǎng)絡(luò)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(gè)二端子器件，在測量時(shí)要將其轉(zhuǎn)換成二端口網(wǎng)絡(luò)，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8722ES對其高頻性能進(jìn)行測量。
電感器為二端子器件，而網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量網(wǎng)絡(luò)特性的測量設(shè)備，所以在測量電感器時(shí)通過一根公共的底線，將該二端子器件轉(zhuǎn)換為二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。
從圖8中可以看出，當(dāng)二端口網(wǎng)絡(luò)中的Port2短路時(shí)，等效于電感器二端子器件結(jié)構(gòu)，此時(shí)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(zhì)因數(shù)Q的提取關(guān)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(wǎng)絡(luò)的S矩陣以后，根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣與散射矩陣之間的變化關(guān)系，求出Y11，再根據(jù)式（1）就可以得出電感器的性能參數(shù)，由S矩陣到Y11的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示[2]。式中的50為網(wǎng)絡(luò)分析儀測量端口的端口阻抗值。
（2）
基于電感器的二端口網(wǎng)絡(luò)測試原理，對薄膜電感器的測量主要是測量其散射參數(shù)，在制作電感器的時(shí)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(shè)計(jì)為50Ω，與網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口的阻抗匹配，所以可以近似的認(rèn)為，圖中的微帶線是網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(jù)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(zhì)因數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)而沒有引入磁性薄膜的空心電感器，作為討論時(shí)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(shí)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(zhì)因數(shù)Q在低頻時(shí)候得到了有效的提高，在50MHz時(shí)，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(gè)方面引起的：其一是它們分別在400℃和500℃的長達(dá)600分鐘的保溫使薄膜中的有機(jī)溶劑得到了充分的揮發(fā)，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(dǎo)線中由于臨近效應(yīng)而產(chǎn)生的渦流損耗。電感器U1只經(jīng)歷了烘干的階段，沒有進(jìn)行燒結(jié)，所以其薄膜的磁性顆粒不十分致密，導(dǎo)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(dǎo)線中的渦流損耗，因此總的品質(zhì)因數(shù)是降低的。U2經(jīng)歷了880℃的高溫?zé)Y(jié)，可以推測出其薄膜的有機(jī)溶劑已經(jīng)充分揮發(fā)，其品質(zhì)因數(shù)較低，可能是因?yàn)?/span>400℃時(shí)保溫時(shí)間較短，在這個(gè)溫度時(shí)有機(jī)溶劑揮發(fā)不充分，當(dāng)溫度迅速升高以后，溶劑的加速揮發(fā)導(dǎo)致了薄膜內(nèi)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(zhì)因數(shù)Q的情況下，經(jīng)歷了400℃后處理工藝的頂層膜電感器U3的性能zui為優(yōu)良，這就使得薄膜電感器的制作可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)，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(jié)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(jìn)行對比，其電感量L和品質(zhì)因數(shù)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(shí)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(dǎo)線所激發(fā)的磁場被薄膜限制在導(dǎo)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(jié)構(gòu)的電感器U2，導(dǎo)線間隙也填充有磁性薄膜，所以與底層膜結(jié)構(gòu)的電感器相比，Lmut的降低就更加明顯，這樣在磁化貢獻(xiàn)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(rèn)為磁路已經(jīng)閉合，電感量得到了極大提高，也就是說雖然薄膜的引入會(huì)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(xiàn)Lm要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，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(xiàn)之和。在圖12（b）中，底層膜電感器L1的品質(zhì)因數(shù)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(jīng)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(zhì)因數(shù)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(dǎo)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(dǎo)致的線圈導(dǎo)體中渦流損耗的減少，zui終就導(dǎo)致了電感器品質(zhì)因數(shù)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(zhì)因數(shù)是zui低的，這是因?yàn)殡p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(jīng)歷了880℃的高溫過程，雖然這個(gè)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(jiān)固程度，但是這個(gè)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(dǎo)致了它的品質(zhì)因數(shù)Qzui低，并且隨著頻率的升高，其品質(zhì)因數(shù)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(jù)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(zhì)因數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)而沒有引入磁性薄膜的空心電感器，作為討論時(shí)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(shí)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(zhì)因數(shù)Q在低頻時(shí)候得到了有效的提高，在50MHz時(shí)，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(gè)方面引起的：其一是它們分別在400℃和500℃的長達(dá)600分鐘的保溫使薄膜中的有機(jī)溶劑得到了充分的揮發(fā)，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(dǎo)線中由于臨近效應(yīng)而產(chǎn)生的渦流損耗。電感器U1只經(jīng)歷了烘干的階段，沒有進(jìn)行燒結(jié)，所以其薄膜的磁性顆粒不十分致密，導(dǎo)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(dǎo)線中的渦流損耗，因此總的品質(zhì)因數(shù)是降低的。U2經(jīng)歷了880℃的高溫?zé)Y(jié)，可以推測出其薄膜的有機(jī)溶劑已經(jīng)充分揮發(fā)，其品質(zhì)因數(shù)較低，可能是因?yàn)?/span>400℃時(shí)保溫時(shí)間較短，在這個(gè)溫度時(shí)有機(jī)溶劑揮發(fā)不充分，當(dāng)溫度迅速升高以后，溶劑的加速揮發(fā)導(dǎo)致了薄膜內(nèi)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(zhì)因數(shù)Q的情況下，經(jīng)歷了400℃后處理工藝的頂層膜電感器U3的性能zui為優(yōu)良，這就使得薄膜電感器的制作可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)，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(jié)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(jìn)行對比，其電感量L和品質(zhì)因數(shù)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(shí)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(dǎo)線所激發(fā)的磁場被薄膜限制在導(dǎo)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(jié)構(gòu)的電感器U2，導(dǎo)線間隙也填充有磁性薄膜，所以與底層膜結(jié)構(gòu)的電感器相比，Lmut的降低就更加明顯，這樣在磁化貢獻(xiàn)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(rèn)為磁路已經(jīng)閉合，電感量得到了極大提高，也就是說雖然薄膜的引入會(huì)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(xiàn)Lm要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，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(xiàn)之和。在圖12（b）中，底層膜電感器L1的品質(zhì)因數(shù)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(jīng)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(zhì)因數(shù)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(dǎo)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(dǎo)致的線圈導(dǎo)體中渦流損耗的減少，zui終就導(dǎo)致了電感器品質(zhì)因數(shù)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(zhì)因數(shù)是zui低的，這是因?yàn)殡p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(jīng)歷了880℃的高溫過程，雖然這個(gè)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(jiān)固程度，但是這個(gè)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(dǎo)致了它的品質(zhì)因數(shù)Qzui低，并且隨著頻率的升高，其品質(zhì)因數(shù)下降的也zui快。
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