李 洪，林松盛，石 倩，韋春貝，崔 駿，蔡 暢，黃裕坤

1.廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2.中山國磁真空技術(shù)有限公司，廣東 中山 528445

電感作為信息通信技術(shù)電子電路中不可或缺的元器件，其質(zhì)量是該行業(yè)快速發(fā)展的重要因素.繞線片式電感作為一種常用電感，表面金屬化是其制造過程中的核心工序，因此繞線片式電感表面金屬化是影響電感行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵工藝.本文將從電感出發(fā)，重點(diǎn)介紹繞線片式電感表面金屬化工藝在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，為電感行業(yè)發(fā)展提供一定的信息支撐.

1 電感行業(yè)現(xiàn)狀

隨著信息通信技術(shù)行業(yè)的迅速發(fā)展，2018年集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過5000億元，電子專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過6000億元，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模更是超過1萬億元，電感的需求量也隨之大幅增長，并朝著微型化的方向發(fā)展[1].鐵氧體片式電感的電感值大且損耗小，在3C行業(yè)、智能裝備、航空航天、汽車能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2].常用的鐵氧體片式電感可分為疊層片式電感和繞線片式電感.疊層片式電感是采用多層印刷技術(shù)和疊層生產(chǎn)工藝制作而成，具有良好的磁屏蔽性、燒結(jié)密度高、機(jī)械強(qiáng)度好、耐熱性好、可焊性好和形狀規(guī)則等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)品合格率較低、成本高、電感量小、損耗大(Q值小)、ESR值小.繞線片式電感是采用將線圈焊接到軟磁材料表面的方法制作而成，具有電感量范圍廣、電感精度高、損耗低、線圈緊湊、電感量大、損耗小(Q值高)及容許電流大等優(yōu)點(diǎn)，在電子元器件行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3].在制備繞線片式電感的過程中，首先需要對鐵氧體陶瓷兩端進(jìn)行金屬化，即在鐵氧體兩端鍍上一層金屬膜，以便于線圈引線焊接在鐵氧體上.國內(nèi)外普遍采用水電鍍工藝和真空鍍復(fù)合金屬化薄膜制備工藝對鐵氧體陶瓷進(jìn)行金屬化處理.繞線片式電感表面金屬化的質(zhì)量直接關(guān)系到電子元器件的質(zhì)量，常出現(xiàn)的虛焊、電極早期脫落、釬料擴(kuò)散至鐵氧體致其中毒等問題都與金屬化工藝有著直接的關(guān)系，同時(shí)金屬化電極與鐵氧體的結(jié)合力對鐵氧體的穩(wěn)定性具有重要影響[4].

2 繞線片式電感表面水電鍍金屬化研究進(jìn)展

國內(nèi)外制備繞線片式電感表面金屬化薄膜的主要工藝過程包括刷涂銀漿-水電鍍鎳-高溫?zé)Y(jié)被銀，水電鍍鎳層是金屬化薄膜的焊接層，對金屬化薄膜的可焊性、膜/基結(jié)合力具有重要影響.化學(xué)鍍Ni法是1946年Brenner和Riddle發(fā)現(xiàn)的，鍍液的主要成分包括硫酸鎳、次磷酸鈉、檸檬酸鈉和氯化氨，在80～90℃下，利用檸檬酸鈉的還原性在活化鐵氧體表面將硫酸鎳還原得到鎳層.由于鎳層具有自催化能力，上述反應(yīng)會自動執(zhí)行，最后得到Ni-P金屬化層.利用化學(xué)鍍制備的金屬化層具有耐蝕性好、硬度高、耐磨性好、孔隙少且不需要電源的優(yōu)點(diǎn)，但是存在膜層結(jié)合力差、抗拉強(qiáng)度低、原材料成本高、工藝較復(fù)雜，且沉積過程存在嚴(yán)重的重金屬Cr6+污染等問題，現(xiàn)已基本被淘汰.電鍍Ni是1950年Brenner等人發(fā)現(xiàn)的，電鍍是一個(gè)化學(xué)過程，也是一種氧化還原過程.電鍍鎳是將零件浸入含硫酸鎳、硫酸鎂、硼酸和氯化鈉的溶液中作為陰極，金屬鎳板作為陽極，接通直流電源后，在室溫條件下在零件表面就會沉積出金屬鎳鍍層.用電鍍法制備的鎳層具有結(jié)合力強(qiáng)、內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，但存在樣件均鍍能力差、缺陷較多，且沉積過程也存在Cr6+污染等問題[5].針對化學(xué)鍍及電鍍Ni中Cr6+污染的問題，劉海萍等人對無鉛無鎘電鍍鎳層結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明用不含鉛和鎘的鍍液制備的鎳層，其耐蝕性與傳統(tǒng)鍍鎳層相當(dāng)[6].鍍液中的Cr6+不僅會造成污染，還會造成鍍鎳層減薄和鍍層脆性增加.陳永言等人[7]介紹了一種利用還原劑處理法和碳酸鉛沉淀法去除鍍鎳槽中Cr6+雜質(zhì)的方法.XIE Zhihui等人研究了硫酸銨對鎳沉積速率、次磷酸鹽效率、鍍液穩(wěn)定性和化學(xué)鍍鎳-磷沉積物特性的影響，結(jié)果表明合適的硫酸銨最佳濃度可以減小鍍鎳層的晶粒尺寸，改善微觀結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性[8].由于銀具有導(dǎo)電能力強(qiáng)、可焊性好、抗氧化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此銀成為國內(nèi)外最常見的陶瓷表面金屬化最外層材料.高溫?zé)Y(jié)被銀法是應(yīng)用最普遍的方法，其工藝過程是將含鉛銀的料漿涂布到鐵氧體端面，再高溫?zé)Y(jié).這種工藝廣泛應(yīng)用于太陽能電池、壓電陶瓷以及柔性電路板的制作中[9].但是由于銀與敏感陶瓷的機(jī)械性能不匹配，不能在陶瓷表面直接形成歐姆接觸，使電極的接觸電阻較大.不含鉛的銀電極與陶瓷表面的結(jié)合力很弱，這使得元器件的可靠性差，壽命短；而含鉛的銀漿電極在制備過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染[10-11].

目前，國內(nèi)外采用水電鍍鎳和高溫?zé)Y(jié)被銀的方法存在如下問題：一是水電鍍過程中容易產(chǎn)生重金屬Cr6+等污染，在全國多地電鍍已被列為淘汰產(chǎn)業(yè)；二是高溫?zé)Y(jié)銀漿的過程中，鉛會大量揮發(fā)到大氣中并產(chǎn)生重金屬鉛，對環(huán)境造成污染，現(xiàn)已受到很多國家的限制.

3 繞線片式電感表面真空鍍金屬化研究進(jìn)展

傳統(tǒng)繞線片式電感表面金屬化制備方法因存在污染而受到限制，因此采用環(huán)保型真空鍍膜技術(shù)在陶瓷表面制備金屬化薄膜得到廣泛關(guān)注.真空鍍膜技術(shù)主要包括真空蒸發(fā)鍍、真空磁控濺射鍍、真空離子鍍、真空束流沉積、化學(xué)氣相沉積等方法[12-14].21世紀(jì)初，日本村田、京陶公司等國際知名電子陶瓷公司采用單機(jī)式真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)進(jìn)行陶瓷表面金屬化.真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)是一種清潔工藝，但是由于蒸發(fā)的金屬原子動能較低，使金屬膜層與陶瓷的結(jié)合力較差，容易造成電極早期脫落.這種方法還存在膜層厚度不易控制、均勻度與一致性差、材料利用率較低等缺點(diǎn).真空磁控濺射鍍膜技術(shù)是在真空環(huán)境中，在電場的作用下電子與氬原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生Ar正離子和新的電子，新電子飛向樣件，Ar正離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射.在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜.利用磁控濺射技術(shù)制備的薄膜致密均勻、表面粗糙度小，工藝過程簡單、制備過程無污染[15]，在電感表面金屬化領(lǐng)域中得到關(guān)注，也是今后繞線片式電感表面金屬化的發(fā)展方向.

在金屬化薄膜結(jié)構(gòu)上單層金屬膜無法滿足膜/基結(jié)合、焊接性能等要求，金屬化復(fù)合膜一般采用過渡層-保護(hù)層-焊接層的結(jié)構(gòu).過渡層通常是利用Cr，Ti，Ni等活性較高的金屬可以與鐵氧體陶瓷表面擴(kuò)散附著基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)鍵，達(dá)到機(jī)械鉚和，提高金屬化薄膜和鐵氧體陶瓷基體之間結(jié)合力的目的[16-17].對于焊接層，需要選擇與焊料具有較好浸潤性的涂層材料，浸潤性受材料成分、表面氧化物、助焊劑、固體表面粗糙度和溫度等因素的影響[18-19].水電鍍金屬化薄膜具有Ag層表面張力小、導(dǎo)電能力強(qiáng)、可焊性好、抗氧化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是真空鍍金屬化薄膜理想的焊接金屬材料[9].保護(hù)層主要用于防止金屬化薄膜在焊接過程中發(fā)生熔蝕，在繞線片式電感焊接工藝過程中首先要在高溫焊錫中去除錫包線，這就要求鐵氧體陶瓷在超過400℃環(huán)境中承受10 s，這一工藝過程對鐵氧體金屬化膜層的熱穩(wěn)定性提出了更高的要求[20].具有高溫穩(wěn)定性、熱擴(kuò)散系數(shù)小的鎳及其合金是較理想的保護(hù)層材料，因?yàn)榧冩囀菍?dǎo)磁材料，一般選擇使用鎳釩(鎳中摻入7%釩可消除鎳的磁性)[21]或鎳銅合金作為保護(hù)層材料[22-24].通過抗熔蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有一定厚度的金屬化薄膜具有較高的抗熔蝕性能[25].

近年來，眾多學(xué)者針對磁控濺射鍍金屬化薄膜技術(shù)開展了系列研究，CEN J[26]釆用磁控濺射技術(shù)在陶瓷表面成功制備出Cr(Ti)/NiCu/Ag不同膜結(jié)構(gòu)的金屬化薄膜，該薄膜能與陶瓷基體形成良好的歐姆接觸，而且具有較好的附著性和焊接性能.目前，國內(nèi)的林芝電子公司和安培龍電子公司已采用上述膜層體系.金浩[27]采用磁控濺射技術(shù)在鐵氧體陶瓷表面制備出結(jié)構(gòu)為Cr(150nm)/Ni-Cu(460nm)/Ag(200nm)膜層，其平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)6.15 MPa，焊接合格率大于98%，能在450℃耐受10 s的高溫?zé)o鉛焊錫熔蝕.HAO Y[28]利用磁控濺射技術(shù)在陶瓷表面沉積的金屬鎳層，發(fā)現(xiàn)無需熱處理就可與陶瓷基體形成良好的結(jié)合力.董樹榮[29]采用磁控濺射在PZT高頻陶瓷表面制備了Cu/Ni/Ag金屬化薄膜，這種膜可以改善陶瓷與金屬的結(jié)合，并減少反浸潤發(fā)生，顯著提高結(jié)合力，從而改善器件的電學(xué)性能.近年，興勤、西門子等外資企業(yè)采用磁控濺射對陶瓷表面進(jìn)行金屬化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[30].

4 結(jié) 語

隨著各國環(huán)保政策的出臺，針對鐵氧體陶瓷表面的金屬化處理，傳統(tǒng)的水電鍍和高溫?zé)Y(jié)等工藝逐漸被淘汰.采用環(huán)保型的真空磁控濺射技術(shù)制備金屬化復(fù)合薄膜成為國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn).經(jīng)過近幾年的研究開發(fā)，基本固化了磁控濺射鍍金屬化薄膜結(jié)構(gòu)，即過渡層-保護(hù)層-焊接層的結(jié)構(gòu).隨著繞線片式電感的小型化發(fā)展，對薄膜的結(jié)構(gòu)提出了更高的要求；對于采用磁控濺射銀或銀錫合金作為復(fù)合薄膜的焊接層，需要控制成本及提高貴金屬銀利用率等問題.