浅析叠层片式大功率电感器的设计和制作技术

浅析叠层片式大功率电感器的设计和制作技术

袁跃宏

广东昭信平洲电子有限公司广东佛山528251

摘要：伴随着科技时代的到来，各种信息技术正在飞速发展，电子元器件也在逐步进化，逐渐实现高频化、片式化、高性能、小型化以及低耗能。电感器发展革新至今，已经逐步实现了片式化以及小型化，叠层片式电感器就是发展产物之一，叠层片式大功率电感器则是最具有代表性的一种。

关键词：电感器；叠层片式；设计；制作

电子线路中有三大基础原件必不可少，即电阻、电感以及电容。其中，电感器的工作原理是交流电通过导线的过程中在其内部以及周围产生磁场，主要的功能是过滤噪声、抑制干扰、筛选信号、稳定电流等等。日常生活、工作、生产中的计算机、视频音频设备、电子自动化设备以及通讯设备都要应用电感器。电感器发展至今已经有多种类型，其中较为常见的就是片式电感器，本文则针对叠层片式大功率电感器展开探讨。

一、叠层片式电感器概述

（一）结构与材料

如下图1所示，叠层片式电感器其外形为矩形，基体材料通常使用铁氧体或陶瓷材料。内部导体线圈是导电部分，一般采用通孔成型技术或是交迭印刷技术制作完成，采用纯金属银作为材料，被外部陶瓷材料包裹。内外部材料进行有效匹配后共同烧结得到独石结构的闭合磁体，其电磁兼容性很好，内外部彼此不发生干扰。叠层片式电感器引出电极没有引线，内部导体线圈与内部导电部分互相连通。外部电极的材料由外到内分别是锡铅合金、镍、银，共三层，能够用于插片、贴片等多种电焊方式。

图1叠层片式电感器结构图

（1、陶瓷本体；2、内部电极（银）；3、引出电极；4、外部电极）

叠层片式电感器的材料组成可以分为三个部分，即电极材料和导体（内部）材料、基体材料以及镀层材料。其中，内部导体所使用的材料通常为银，这要是因为银具有较好的电学性能，能够基本满足电感器的使用要求。基体材料目前主要应用的包括：陶瓷材料，介电常数控制在4.5-8.2之间；镍锌铁氧体材料，磁导率控制在3-500之间。镀层材料端头为银，外部电极材料为Sn，中间电极材料为Ni。

（一）应用现状

叠层片式电感器的主要应用范围在电子信息产业中，伴随着电子产品的逐渐缩小，对于电磁金融性的需求正在逐渐提升，叠层片式电感器的市场正在扩大，美国的AEM公司正是生产层片式电感器的先驱企业。电子信息产业也是我国的支柱产业之一，其发展速度正在逐年增快。

现如今，全球电感行业正在飞速发展，远远超过了电阻以及电容的发展速度，特别是美国、日本等地，高端市场的发展定位令其综合实力大大提升，而我国台湾也凭借着较强的制作能力构建出了较为完整的产业链。

二、叠层片式大功率电感器的设计

（一）结构设计

1、基体结构设计

电感器的基体其主要作用是保护内部线圈提升自身特性，并进行一定的磁屏蔽，设计过程中最需要考虑到的就是提升抗磁能力，所以设计重点就是气隙结构。搜集相关资料，发现想要提升铁氧体电感器的抗磁能力，可以在线圈内部增加介质，令其磁饱和强度增大，另外，若是在基体内部增加磁力线外泄通道，也能提升铁氧体的额定电流。

2、内电极线圈设计

内电极线圈设计是通过其导体进行交替印刷而螺旋成形，最后形成需要的线圈。如下图2所示，线圈有多种类型，包括1/2、3/4、7/8等线圈结构。

设计内部线圈结构要在保证电感量足够的前提下尽量减小导线长度，另外还要保证具备良好的散热性。设计原则为：使用矩形结构、单元图案比例要大。

图2内电极线圈设计图（从左至右是1/2、3/4、7/8线圈结构）

3、外电极设计

外电极分为三层，最外层是锡层、中间是镍层、最底层是银层，可以批量加工，可靠性相对较好。其中，锡层的作用是保证其抗氧化性，通过电镀方式镀在中间的镍层上，同时保证其焊接性良好；中间层则是通过电镀的方式镀在底层的银层上，能够有效阻止水分子的侵蚀，并提升抗寒性；底层是电感器两端粘附一定的银浆以后烧结而成。

（二）材料设计

1、铁氧体材料

大功率叠层片式电感器所采用的铁氧体材料要选用大功率软磁铁氧体材料，这种材料电阻率较高，具有良好的化学稳定性，损耗相对较小，烧结要求温度较低，能够有效叠加，主要用于开关电源和彩电显示器中。这种材料的未来发展一方面要实现低功耗，同时还需要实现高频化。

2、内电极银浆

内电极银浆的组成材料不只是银金属，还包括粘合剂、氧化物添加剂以及有机溶剂等等，印刷性能较好。

3、端电极银浆

端电极银浆需要为电感器的焊接性能提供优质保障，选择合适的材料，避免出现气孔、针孔或是排胶不当等问题。叠层片式大功率电感器对于端电极银浆的要求是保证易干燥，能够和基体有效结合，烧结过后不会出现气泡、针孔以及玻璃体浮出等问题。

（三）可靠性设计

叠层片式大功率电感器的可靠性设计包括三个主要方面：

热设计，温度升高通常会导致材料发生物理化学变化，严重时可能会失效，因此，必须对电子元件进行特定耐高温设计，其温度应力系数为：

耐电应力设计。主要针对的是电流应力所造成的冲击，若是设计不当，大电流很容易引起电路烧毁失效。实际设计中要保证内部线圈导体的截面积尽量大，线条均匀，端电极具备较好的焊接性以及可靠性。

抗机械应力设计。电子元件由于冲击、振动、碰撞、谐振以及跌落等问题很容易受到机械应力，造成结构损坏。因此，叠层片式大功率电感器在烧结期间要尽量避免出现裂纹或分层问题，保证机械强度。

三、叠层片式大功率电感器的制作

叠层片式电感器的制造工艺流程为：球磨，将基体材料通过球磨方式有效混合；成型，这是制造工艺中最为重要的一个环节，利用流延工艺制作生膜片，印刷好导体线圈，再将生膜片与导体线圈叠在一起，构成生坯阵列；切割，将生坯按照设计好的尺寸进行分割；排胶，排出生坯中的粘合剂；烧结，在一定温度下烧成稳定的结构；倒角，将半成品和磨介混合到一起，倒成圆角；封端，外电极和内部导体连接起来，进行高温烧结；端头处理，在外电极表面电镀可焊接层；测量分选，选出符合合格标准的产品；外观分选，利用显微镜将不合格的产品筛出；筛选，将失效产品排出；成品测量，根据产品标准选测出合格品；AB组检验，确定产品质量；包装入库，成品进行合理包装后存入到合适的环境中。

结语：

叠层片式电感器发展过程中，大功率是非常重要的发展方向。伴随着电子材料成本的逐渐上涨，相关企业必须加紧开发出更能适应当今市场发展的高性能新式电感器，在满足电子产品更小、更薄的基础上，实现大功率化。

参考文献：

[1]高永毅.叠层片式大功率电感器的设计与制作技术[D].电子科技大学，2012.

[2]蒋锦艳.叠层片式电感器开路、短路失效模式研究[D].电子科技大学，2012.

[3]樊应县.叠层片式电感器制造工艺及小型化研究[D].电子科技大学，2011.

[4]钱媛媛.论叠层片式电感器甲基磺酸盐镀锡及锡后处理[D].电子科技大学，2013.

[5]陈晖，李红兵，季幼章.片式电感器的技术发展趋势[J].电源世界，2012（11）.