制造工艺对叠层片式电感器可靠性影响因素分析

1、 【摘要】概述了客层片式电感器的三种制造工艺,介绍了其中的交尋印刷法和通路形成 法两种工艺在三个关键程序即制浆、印刷、烧结上对产品的可靠性影响因素，阐述了两种工 艺的区别和对产品可靠性的影响。 【关键词】叠层片式电感器；交屋E卩刷法;通路形成法;可靠性 叠层片式电感器（MLCI）是随看表面安装技术（SMT ）和表面安装器件（SMD）的迅速发 展而诞生的电感器新品种，其结构、制造工艺等方面与传统的绕线式电感器有很大差异，是 采用铁氧体磁性材料和导体浆料交叠印刷低温烧结之后形成的具有独石结构的磁路闭合型 片式电感器，由于其结构特征是一层铁氧体磁性浆料虽一层导体浆料，故而得名屋层片式电 感器（Mul

2、tilayer Chip Inductor） r 简称 MLCIO 不同的制造工艺对MLCI结构、 质星和可靠性的影响因素不同。 硏究和对比不同制造工艺的 差别，分析和认识各种工艺的特点和局限,对提高MLCI产品的可靠性具有重要意义。 1.MLCI的制造工艺 目前叠层片式电感器的制造工艺主要有:1）流延穿孔法（简称：干法）；2）通路形成工艺 （简称：湿法）；3 ）交叠E卩刷法（简称：干湿法1国内干湿法和湿法应用较为广泛。 流延穿孔法：采用流延工艺将浆料制成铁氧体干膜片，再利用机枕 部位穿孔，然后在膜片上印刷导体浆料，同时再通孔中也填满导体浆料,再将印刷有导体浆 料的铁氧体干膜片屋层，精确对位后

3、加压形成一个整体，然后用精密线切割机切割成单个 MLCI生胚芯片。这种激光打孔一致性好、精度高。在三种工艺中，干法工艺上下层导体的 连接精庚最高。但由于干法工艺投资门槛高，目前在国内尚未广泛采用。通路形成法（湿法）: 在流延好的一定厚度的铁氧体基膜上,采用丝网印刷导体线圏图案（常用的有3/4线圏图 案和1/2制造工艺对! 层片式电感器可靠性影响因素分析 E者激光通孔方法在设定 线圈图案）,和线圈连接点，再流延铁氧体膜覆盖导体线圈图案,然后再印刷导体 线圏图案,依次循环,直至最后一个导体线圈图案印刷结束,再流延一走厚度的铁氧体膜覆 盖导体线圈。这种工艺适合制作线圈结构较复杂的产品，成型效率较高、

4、精度较干法；对 于线圈结构简单的产品,成型效率I:匕较高。 交尋E卩刷法（干湿法）:叠压一走厚度铁氧体膜,交屋印刷导体线圈和铁氧体膜，当导体和 铁氧体膜印刷完毕，再1定厚度的铁氧体膜采用等静压工藝屋压成为一体。这种工艺适合 制作线圈结构简单的产品，成型效率高、精度较高；对于线圈结构复杂的产品,成型的效率 较低,且容易变形。 干湿法和湿法对比如表1和图1、图2。 2制造工艺对产品可靠性的影响 虽然干湿法和湿法两种不同的制造工艺在制造MLCI时所用的主要材料主要镇铜锌软磁铁 氧体和导体材料（如银Ag等），但是由于制造工艺不同，使MLCI的结构不同,因此这两 种工艺对产品可靠性的影响既有相同之处（如

5、制浆、烧结）,又存在一走差异（如成型 2.1制浆对产品可靠性的影响 图1干湿法工艺流程图2湿法工艺擁 表1MLCI的两种制造工艺流程 工艺干湿法湿法工艺流程1.制铁氧体浆料1.制铁氧体浆料2用刮刀制成干膜片2.流延铁氧 体膜3叠压膜片并切割成一走尺寸制成基底3.丝网E卩刷线圏图案4.交叠印刷线圈图案和铁 氧体膜4印线圈连接点5 和一走厚度的铁氧体膜通过等静压成为一体5流延铁氧体膜，并 依次重复3、4、56.900C左右共烧形成独石结构6.流延一定厚度的铁氧体膜覆盖导体线圈 图案7.900C左右共烧形成独石结构制浆质呈主要取决于两个因素：1）铁氧体粉料、粘合 列、助熔卿、分散列等配比；2 ）各成

6、分混合均匀度。 对于镇铜锌软磁铁氧体这类具有磁吸引力的磁性颗粒来说，浆料的分散机理方面除了双电层 的静电排斥稳走机理和高聚物大分子的空间位阻稳走机理还需要考虑磁吸引作用。根据赵爰 华等人的硏究,在铁氧体材料中,若要使磁性颗粒有效分散，除了需要克服范德华作用还要 克服磁吸引力作用。磁性颗粒在范德华力和磁吸弓I力的共同作用下，颗粒之间的团聚 倾向比无磁性颗粒的团聚倾向更明显，因此磁性粒子更容易团聚，所以铁氧体材料较之其他 材料更不容易实现有效分散。 如果浆料配比合适、混合均匀，则内部的固体颗粒排列类彳以图3所示： 图3浆料内部结构示意图反之,如果酉d比不合适、混合不充分均匀，浆料则会出现图4所 示

7、状态： 图4浆料内談吉构示意图如图4所示，铁氧体粉料团聚成较大颗粒（或助熔割出现团聚）, 不能和溶列、粘结卿等充分均匀混合；如果配比不合适，还可造成粘结列不能充分混合、分 散于浆料中而出现异常的结块。对于干湿法和湿法工艺，这种混合不均匀的荥料会导致在制 膜时出现细微裂纹、膜厚局部不均匀、小气泡和针孔等四种缺陷。 这四种缺陷造成的失效模式分别如下：细微裂纹出现在产品表面,饶结后则可能形成裂纹, 如图5所示,如果出现在导体层之间，则可能造成短路失效；膜厚局部不均匀,将会造成 部分产品厚度异常或变形,如果膜厚不均匀岀现在导体层间,将会造成导体变形,出现产品 的电性能参数（如自谐频率、耐电流特性等）超

8、差失效；小气泡出现在产品表面，烧结后将 形成表面孔洞,如图6所示,如果出现在导体层间,将造成短路或开路失效。 图5表面裂纹图6表面孔洞 浆料混合不均匀，还会出现产品烧结后表面状态不一致，电镀后会出现如图7所示的局部 色斑和如图8所示的水印等异常现象。 图7色斑图8水印 色斑产生的一般原因是铁氧体粉料颗粒过分团聚部位烧结效果较差（未形成陶瓷结构）,电 镀时受到腐蚀形成色斑。水印是由于产品表面较大面积的烧结效果较差，电镀时被 侵蚀，如图8中颜色较暗、明显凹陷下去的左半部分。 通过以上分析可见，制浆工序工艺质呈对干法工艺、干湿法工艺制造的MLCI产品的质臺和 可靠性影响是较为显著的。 2.2烧结对产

9、品可靠性的影响 饶结通常是在850C900C的高温下将铁氧体和导体线圈共烧成一个整体的过程。在该过 程中应严格控制烧结温度、饶结时间和升温降温速度，力求产品达到最佳的烧结状态。 在磁体结构及产品外观方面：饶熟的产品磁体结构均匀致密,其内部结构如图9所示；而 未烧熟的产品外观呈铁氧体粉料的颜色，磁体结构疏松；过烧的产品如图10 ,会岀现助熔 列析出,逬而造成磁体结构多孔疏松,以致产品脆变。在产品制造过程中，欠烧和过烧均可 能造成产品表面绝缘电阻降氐。 图9烧熟状态下的结构另外，如果饶结气氛不好,还会造成铁氧体中某些金属成分析出如 图11中的白点，通常认为这些金属成分为铜（Cu ）或者锌（Zn 1

10、这些金属成分可显薈降 低MLCI产品的表面绝缘电阻。 图10表面析出透明物质图11白点 由图10可看见铁氧体表面黑色的圆点处析出了一层透明状的物质,为制浆时添加的助熔痢 Bi2O3 ;样品表面绝缘电阻为704MOo由图11可见另一只样品表面岀现很多白点，表面 绝缘电阻465MOo而通常表面绝缘电阻的合格判走条件为大于1000MQo 在产品电性能方面： 欠烧的产品，初始磁导率和品质因数Q会很低；烧熟的产品，初始磁 导率和品质因数Q较高;过烧的产品，则容易造成短路或开路。取一款干湿法制作的lOOpH 产品和湿法制作的IOJJH产品分三组，做不同烧结条件下的产品性能对比，由表2和表3 可知，烧结工艺

11、也是MLCI产品可靠性的重要影响因素。 表2干湿法制100pH产品 饶结状态欠饶饶熟过烧电感星(pH ) 85.3104.7115.2品质因数Q11.641.039.6开路率 2%3%28%短路率0%0%30%表3湿法制10pH产品 饶结状态欠烧烧熟过烧电感星(pH ) 8.2110.311.2品质因数Q14.758.453.9开路率 1%3%23%短路率0%2%47%2.3成型对产品可靠性的影响 成型是最为关键的一个工序，而干湿法和湿法两种不同的工艺方:去最大的区别也是在成型工 序上。 (1)干湿法 干湿法的成型过程：在MLCI基底上印刷一层导体线圈，接着印刷铁氧体荥料覆盖一部分导 体线圈,

12、再印刷导体线圈,依次重复,形成闭合线圈，最后W铁氧体上盖罢压成型。所以, 干湿法成型中不同层的导体线圈是直接连接。 在成型中常见的问题有：导体线圈厚度或克度不均匀和不完整；铁氧体膜厚度级差大， 易出现孔洞等。导体线圈不均匀或不完整如图12所示，通常为导体浆料不均匀和丝网缺陷 图12不均匀或不完整的导体线圈线条导体线圈的不均匀或不完整会造成直流电阻增大和电 感呈偏差增大。铁氧体膜厚级差大，会造成导体线圈形状不规则和产品电感星级差大；孔洞 会导致导体线圈短路，如图13所示,其中虚线为短路部位。当铁氧体膜在导体线圈位置出 现孔洞时,会导致虚线部位连通，此时两个导体线圏等效为两个电阻，电流就会改变方向

13、， 形成短路。试制铁氧体膜存在孔洞的产品,取其中严重失效产品，处理后看到产品切面如图 14所示（白色部分为导体线圈线条）: 图13膜厚不均匀导致短路图14导体线圈不均匀导致短路（2 ）湿法 湿法的成型过程：在流延好的基板上印刷导体线圈，再印刷导体连接点，接着流延铁氧体膜, 然后E卩刷下一个导体线圈,依次重复，最后形成闭合线圈,最后再流延铁氧体膜覆盖导体线 圈。所以，湿法成型中不同层的导体线圈是靠导体连接点连接的。 在湿法成型中的关键有：导体线圈对位（对干湿法印刷同样重要）；导体线圈的印刷； 连接点的连接；铁氧体膜的均匀度。 导体线圈对位偏差会导致电感呈漂移和分散，如图16所示。连接点或导体线圈

14、的对位偏差， 可造成产品有效磁通面积减小 （如图15所示） 或增大。 根据电感臺的经典计算公式： L=pO|jiN2Ae/l 当有效磁通面积Ae减小时，电感量将减小。 图15线圈连接点对位不齐同干湿法印刷绍以，导体线圈的不均匀或不完整会造成直流电阻 增大，电感量偏差增大。 连接点的有效高度，决走了在流延铁氧体膜后连接点的显露状况；铁氧体膜厚度也制约看连 接点的显露。如果连接点太低或铁氧体膜过厚，可造成连接点不完全显露,直接可导致产品 直流电阻增大甚至开路。如图16所示，当铁氧体膜厚超过线圈连接点的高度时，会把连接 点覆盖住；此时下一层E卩刷的导体线圈和连接点无法连接，形成开路。 图16铁氧体膜

15、过厚另外，在湿法成型過程中,铁氧体膜厚度级差和孔洞、气泡等,可造成 与干湿法类似的导体线圈变形等缺陷,可引发短路失效。 综上可知,成型工序对产品的可靠性影响非常突出，是工艺控制的关键工序。 3结论 综合以上分析，干湿法和湿法两种工艺对于产品可靠性的主要影响的工序包括：制荥、烧结、 成型。制浆决走了成型过程中铁氧体膜的质星;浆料不均匀或者成分不合适,扌各导致铁氧体 膜形成各种缺陷(如裂纹、膜厚不均匀、孑L洞、甚至断裂等)，将直接造成产品的报废或者 形成影响产品可靠性的隐患(短路、电参数偏差等如果烧结温度过彳氐,磁体结构疏松, 电感呈和品质因数均偏低;烧结温度过高,磁体变脆，电感呈偏高,开短路率增加;烧结气 氛不合适.可造成产品的表面绝缘电阻低。成型过程中,铁氧体膜的质呈和导体图形的对位 质星，以及导体连接的质量决走了产品