高性能低温烧结多层片式电感器（MLCI）研发总结.doc

高性能低温烧结多层片式电感器（MLCI）技术总结摘 要本文对高性能低温烧结多层片式电感器（MLCI）的制作工艺进行了研究，攻克了流延、丝印、成型、层压、切割、排胶、烧结、电镀等工序中的难关。成功地开发出了具有自身特点的干、湿法相结合的多层片式电感器成型工艺。该工艺具有效率高、工艺简单、易控制、批量大、一致性好、合格率高等系列优点，制成的多层片式电感器达到国外先进水平，并成功进行了铁氧体磁料的国产化，形成了批量生产。一、 前言电子设备日益小型化、轻量高性能化的要求，推动了表面组装技术的发展，片式电子元器件也迅速发展起来。作为三大无源元件的片状电阻器和片状电容器，在世界范围内都已取得了长足发展。而片状电感器在结构复杂，材料及成型工艺难度大，发展则相对较晚，直到八十年代，世界一些发达国家才开始商业化生产。片状电感器根据其制作方法，主要可分为两大类：叠层片状电感器及绕线片状电感器。其中磁导屏蔽结构，漏磁小、体积小、重量轻的优点，比绕线型片状电感器更适合表面安装技术的高密度组装要求，且具有高可靠的优点，并已成为片状电感器发展的潮流。到目前，片状电感器产品中，叠层型已占60%左右。由于片状电感器被广泛应用于BP机、混合集成电路等高科技领域，因此，它越来越为包括中国在内的许多国家重视。目前，全世界片状电感年需求量为150200亿只，且逐年高速增长，而世界主要生产厂家则集中在日本、美国等少数国家，无论在技术还是价格上都形成垄断地位。因此，片状电感器作为高技术产品，也具有高队加值。我国在片状电感器的发展无论是技术水平、生产能力均落后。南京898厂的绕线式片式电感器，深圳南虹的叠层片状陶瓷电感生产线均为国外引进，设备、材料都依赖进口，目前仍处于起步阶段。因此，我国现今58亿只片状电感器的需求绝大部分仍靠进口，严惩阻碍了我国电子工业的发展。发展具有我国自身知识产权的片状电感器生产线势在必行。基于此，广东风华集团投入了多层片式电感器的研制。到目前，已成功开发了干湿法相结合的成型工艺，它具有效率高、工艺简单、易控制、批量大、一致性好、合格率高等系列优点。并建成一条年产1亿只多层片状电感器的生产线，同时建立了ISO90001质量保证体系，取得了良好的社会及经济效益。二、 国内外多层片状电感工艺发展现状目前，在这一领域，日本起步较早，技术也最先进。其中TDK公司领导潮流，它于1980年4月便推出第一枚3216型多层片状电感器。其次有：村田制作所（MURATA）、东光电气公司（TOKO）、太阳诱电（TAIYO YUDDN）；美国AEM公司也有商业化规模生产。据了解，多层片式电感器的主要工艺难点在于其成型方法上。目前国内外多层片状电感器的成型工艺成功以日本TDK、MUEATA和美国AEM三家为代表。1、以日本TDK为代表的流延穿孔法（干法）这种工艺是将低温烧结铁氧体材料加合剂制成浆料，再用陶瓷流延工艺制成瓷膜，在设定的位置用机械方法打通孔，再在铁氧体膜片上用银导体壮举料印刷内线圈，同时在通孔外填充满银浆，再将印刷好的膜片精确对位，通过叠压形成一坯块。再精密切割成单个MLCI生坯，排胶，通过共烧形成独石结构。其主要特点是对设备精度要求高，成本大，且产品易分层。2、以日本村田公司为代表的交叠印刷法（湿法）此工艺是在预先制作的铁氧体基板上印刷1/2（或是/4）周的导体银浆，再用铁氧体浆料印刷覆盖其一半，在露出的导体上再印刷内线圈，再印刷铁氧体瓷浆。如此不断循环，直至印毕所需内线圈数，再制作上基板。3、以美国AEM为代表的印刷穿孔法（湿法）此工艺在用湿法制得下基板上先印刷下引出端，再在其上流覆一层铁氧体瓷浆，用化学方法将引出端显露出来，再在其上重复内线圈流覆铁氧体瓷浆显露连接点的过程，直至所需内线圈制作完毕。再印上引出电极制作上基板，则成型完毕。湿法工艺的共同特点是：效率低、成型环境恶劣、工艺难控、且成品率较低。据悉，深圳南虹的片感生产线是从美国AEM公司引进。在查阅国内外有关资料文献，综合以上成型工艺特点及结合本公司在多层片状电容器开发技术及经验、设备特点后，我们确定进行多层片式电感器干湿法相结合工艺的研制。三、 研制过程1、 测试及分析仪器用HP4291A测试阻抗值、电感量、Q值及频率特性，用HP4338B测试直流电阻，用Corlter激光粒度测试仪测试粉体粒度及其分布，用Netze热分析测得热分析曲线，用Piliphs扫描电镜分析样品断口及表面结构，用能谱仪进行成分分析，用Rikgh X-ray衍射仪进行X-ray衍射分析。2、 国外样品分析（见复印页4、5、6）3、 本公司片感生产线材料、结构及设备的选型准备通过对国外样品的分析，本公司决定首先先用日本的铁氧体瓷料及内外电极浆料作为原材料，确定内部印刷结构图型，并结合本公司片状电容成型设备特点，自选设计并制造了一套多层片状电感成型设备。4、 工艺流程图多层片式电感器的工艺流程如下：烘料 配料 制浆 流延 丝网印刷成型 干燥 层压 切割 排胶 烧成 倒角 封端 烧银 电镀测试分选 包装5、 技术难关攻克 A、浆料配制浆料制备是一个将铁氧体材料、树脂和有机溶剂按一定比例配制，并将它们均匀混合的一个工艺过程。浆料的主要参数是粘度、固含量、固体颗粒度和挥发性，首先，最重要的是选择树脂系统。由于我们的成型工艺系统是干湿法相结合的工艺，它必须同时既能运用于干法，又适合于湿法。开始我们选择了一种树脂，在干法流延成膜时效果较为理想，而在湿法成型时，它干燥较困难，当印刷内一圈时易粘网，银层厚度较难控制，图形不清晰。当我们选择了一种在湿法成型，工艺性能较好的树脂系统时，膜片脆性大，制作瓷膜时易干裂、分层。片式电容生产中丰富的生产经验告诉我们，这不仅与选择的成型树脂系统有关，同时党政军与制备出来的浆料粘度、固含量、固体颗粒度和挥发性有关。粘度高，湿法成型时膜层难干；配方中瓷粉含量大膜片也就脆；固体颗粒度大则膜层不均匀；浆料中的溶剂挥发太快，膜片谅脆。这些都是相互关连、相互影响的。最终我们通过同时选用两种树脂相互混合，并不断地通过试验调整浆料中铁氧体瓷粉、树脂、表面活性剂、增塑剂和有机溶剂的比例，并加长混浆时间的方法，使制浆工艺中存在的问题得到解决。见表1配方成份比例（%）成型效果铁氧体瓷粉树脂溶剂增塑剂表面活性剂干法湿法14010400.50.5较差好24015440.50.5差良好338.9519.54010.55良好良好44019190.50.5良好较差54024250.50.5好差B、成型印刷技术成型印刷技术是多层片式电感成型的关键技术。目前在世界片式电感行业都处于保密状态。其关键在于每层线圈的连通。为了找到一种较好的成型方法，我们先后尝试了各种工艺。最后确定采用干湿法相结合的成型工艺。即：先采用干法流延后制成瓷膜叠成制成上下保护层，然后在底保护层上印刷引出电极和线圈，接着在其上用湿法（幕帘或印刷法）覆上一层瓷膜，并在瓷膜上预留通孔，再印刷通孔浆料，然后印上一层线圈，依次循环。印完所需圈数的内电极后可再印上引出端电极，再覆盖上保护层。便完成了多层片式电感的成型（如零件图，图28）。在寻找到正确可行的成型方法后，又遇到了一系列的难题：铁氧体与内电极银浆的匹配、内电极厚度、上、下保护层（干法）与中间成型层（湿法）的匹配。其中内电极厚度的选择要求最为严格。因为内电极印刷太薄，烧结后其直流电阻（RDC）一定会较大而影响产品的额定电流和可靠性；太厚又易造成产品从中间线圈处分层。经过长期经难摸索，终于找到印刷银厚的工艺范围（表2）印刷银层烧结银厚直流电阻（RDC）分层状况510251.0无1015580.61.0无15237120.20.6无2530111530.1510825088020日本重化学株式会社46209 910825088020可见，国产瓷料的技术物理参数完全可与日本瓷料相媲美，且价格更便宜。目前，已进入批量投产替代阶段。另外，其他原材料的国产化也在进行中。四、 重点工艺控制多层片式电感生产工序中重点工艺控制点包括：制浆、流延、排胶、烧成、电镀。 这些工序都是影响多层片式电感质量的关键工序。1、 制浆浆料制备是一个将铁氧体瓷料、成型树脂、有机溶剂按一它比例配制后并将它们均匀混合的一个工艺过程。配方选定后必须严格按照配比进行配料，选择适当的球磨时间可控制球磨介质的磨损，但以使浆料达到均匀滋合，颗粒均匀分散的要求。我们采用精密电码的电子秤配料，并选用QM-650RSG型球磨机。并按照浆料：磨球=1：5的比例进行球磨。 出料后，用本公司2#粘度杯对浆料进行粘度测试，粘度在2830S内方可进行生产。2、 流延流延制膜是多层片式电感器成型工艺中的干法部分。浆料配制好后在流延机上将它制成膜片。流延过程中，加热温度、带速、抽风量的大小都会对膜片质量造成影响。控制不当易使膜片产生气泡、针孔、龟裂。在生产中要求严格监控各个工艺参数，定时测量膜片厚度，检测膜片质量。3、 丝网印刷内电极线圈的印刷质量直接影响到线圈的连接状况，成品的直流电阻（RDC）、Q值、可靠性。在印刷过程中应对内电极银浆的粘度、升网高度和刮头压力、刮头速度等各个工艺参数各个工艺参数进行严格控制，使线圈的银层、宽度、厚度、连续性均匀一致，满足工艺要求。由于片式电感器内线圈非常细，如果印刷银浆不清晰极易造成断线或匝间连接不好。当印刷银层过厚时，线圈中线间距太窄，既影响电感量，又易造成短路，并且银层和膜层之间烧结收缩率不一致，在烧结过程中易造成产品的分层，当做成成品时它们便是次品，或存在可靠性低的陷患。4、 排胶排胶是一个将切割后的生坯中的成型树脂从坯体中缓慢排出的工艺过程。其关键在于控制树脂排出的速率。如果排出太快，必将造成产品分层。除了设置一条适合的排胶升温曲线，还必须严格控制排胶箱的进风和抽风速率。其中，曲线3是通过对芯片生坯进行热失重分析结果（见图14），进行研究后确定的，在热分析结果中我们发现，在排胶过程中于173.4和200.5左右产生两个较大的失重速率值。于是我们通过在这两个温度点提前10左右减慢升温速率，并延长该温度点的保温时间，合理增加抽风量，使坯体中的溶剂和树脂缓慢而充分排除。较理想地解决了排胶后产品内部裂纹及分层现象。5、 烧成烧成工序也是片式电感生产中关键的一环。通过烧结使坯体致密，晶粒均匀成长，最终使芯片形成具有一定电感量、Q值的完美的独石结构。在烧成过程中，应严格控制烧成炉渐的波动和保持烧成气氛的均匀一致，使产品每一批及批与批之间的电磁性能差异尽量减少。6、电镀三层电镀工艺的目的在于使芯片适于表面安装，提高芯片的可焊性和而焊性。根据经验镍层厚度应的1.5!3微米之间，而锡层厚度在35微米比较合适。因此，必须严格控制电镀时间、电流、电压大小和镀液浓度、PH值。五、 技术水平A、 我公司采用国产原材料研制样品与其它公司样品性能对比（见表7）。性能参数我公司日本TDK公司尺寸长宽高(mm)3.20.21.60.21.10.13.20.21.60.21.10.1电感量（H）2.2H20%2.2H20%Q值4545自谐频率（MHz）5050直流电阻（ ）0.65050可焊性：浸焊230/3S焊锡覆盖面积95%95%耐焊性：浸焊2605后焊锡仍能覆盖75%，芯片在焊槽能保持时间14S14S端电极强度（Kg）1.01.0B、本公司用国产铁氧体材料制作的多层片式电感器与TDK样品内部晶粒对比（略）。C、 公司