叠层片式电感印刷线的关键技术及发展趋势

李海彬，张世强，任晓庆

（中国电子科技集团第四十五研究所，北京100076）



叠层片式电感印刷线的关键技术及发展趋势

李海彬，张世强，任晓庆

（中国电子科技集团第四十五研究所，北京100076）

摘要：简要介绍了叠层片式电感器特点及行业背景，叠层片式电感印刷线的历史现状、生产工序及关键技术，重点分析了叠层片式电感器及其印刷线的发展趋势。

关键词：叠层片式电感印刷线；生产工序；关键技术

电感器是电子线路三大基础电子元件之一，起到了筛选信号、稳定电流、抑制电磁波干扰等作用，被广泛应用于电脑、消费类电子产品、通讯设备、电子自动化设备等各电子领域。电感器主要分为插装式电感器和片式电感器两大种类，而片式电感又分为叠层片式电感和绕线片式电感。其中叠层片式电感器以体积小、成本低、屏蔽性良好、可靠性高、适合高密度表面安装的优点，成为现阶段的重点科研开发产品（如图1所示）。现阶段，叠层片式电感约占全部片式电感器件85%的市场份额。

近些年，随着人们对手机、笔记本电脑、数码相机、液晶电视、网路设备的电子产品需求量的快速增长，中国市场对电感器件的需求量也迅猛提升，到2015年底，我国电感器行业销售规模已突破100亿元。其中，智能手机的发展最为迅速，预计2015-2020年，中国智能手机产业对电感器的需求量将保持年均10%左右的高速增长，到2020年，智能手机行业对电感器的需求量将达到916亿只。在这种状况下，将会有越来越多的厂商加入电感器的生产与研发之中。

图1　叠层片式电感器外形及构造

丝网印刷（印刷电极图形）是叠层片式电感器生产工艺中的关键工序，我国的叠层片式电感印刷设备从国外购买到仿造，再到自主研发，从半自动化到全自动、高效率化，取得了长足的进步。未来，伴随着电感器件的高速发展及工艺、技术的提升，电感印刷线也将有着巨大的改进提升空间。

1　国内叠层片式电感印刷生产线发展历史与现状

我国电感器件产业开始于20世纪60年代，改革开放后，通过技术引进及高新电子技术的发展，电感器件获得了巨大的发展空间产业。20世纪80年代后期，借助彩电国产化的东风，国内一部分企业率先从国外或港台地区引进了先进的设备与技术。1994年，我国厂商分别引入了日本美国绕线形和叠层型电感生产线；1996年，国内部分厂商建立了片感用磁材与片感元件生产线。

面对市场对叠层片式电感生产相关设备需求量的不断提升，国内的各大装备生产厂家陆续开始了设备的国产化及自主研发。但能够生产国际主流的小型叠层片式电感器的印刷线却迟迟未能研发成功，因为国内设备虽然具有自动上下料功能，但由于设备不具有自动对准功能，无法满足0603型（公制）及更小尺寸的电感生产工艺。直到2015年，中国电子科技集团公司第四十五研究所研制完成了第一台具有视觉对位及自动对准功能的全自动叠层片式电感印刷线（如图2所示），并交付用户进行生产。

图2　中电科技集团公司第四十五研究所研制的叠层片式电感印刷线

2　叠层片式电感印刷线的生产工序

片式叠层电感的生产需要经过13道工艺流程，详见图3所示。

图3　片式叠层电感的生产工艺流程

电感印刷线完成其中的丝印（印刷电极图形）工艺。现在各厂商生产的多为全自动化印刷生产线，由上料、印刷、烘干、下料四道工序组成。其中丝印工序指的是：在丝网一端倒入银导电浆料，通过印刷头上的刮刀对丝网上的浆料部分施加一定压力，同时朝丝网另一端移动，使浆料在移动中被刮板从丝网上图形部分的网孔中挤压到厚约10～30 μm的陶瓷膜片上（见图4所示），从而形成导电线圈图形。率，通过电脑控制，在所需的印刷次数后，擦网机构将自动伸入印刷网版下方，旋转滚轮，带动清洁膜完成擦网。

（7）烘干炉温度控制技术：烘干炉内为上下热风循环加热，通过温度感应器和电脑控制，保证炉内各温区温度稳定，控温稳定度达到±1℃，炉膛温度均匀度达±3℃。

图4　丝网印刷工序原理图

3　叠层片式电感印刷线关键技术

叠层片式电感印刷线共由5台设备组成：1台上料机，1台印刷机，1台擦网机，1台烘干炉，1台下料机。关键技术有以下几点：

（1）高速精准上下料技术：上料机料盒内的印刷基片需要被依次送出，并最终依次装入下料机料盒内。料盒的更换不影响设备正常工作。

（2）柔性传输技术：在印刷线各设备之间传送印刷基片，基片为软片，厚度约10～30 μm，传输过程中不能使基片受伤、破损。

（3）精密可调工作台技术：基片吸附在工作台上完成印刷，工作台的精度对印刷质量有着重要影响，且工作台可根据电脑反馈在x、y、θ方向上自动调节。

（4）精密印刷头技术：印刷过程中通过气动控制系统保持恒定的压力数值，目前产业内的压力设定要求为0～100 N，控制精度为±5 N。

（5）CCD自动对准技术：印刷机印刷工位前设置高精度相机，通过寻找基片上的标记点来调控印刷工作台的位置和角度，从而保证叠层电感的精度。

（6）自动擦网技术：为实现自动化与提升效

4　叠层片式电感技术发展方向

随着电子产品的不断研发改进、性能提升，相应的叠层片式电感必将向着小型化、高精度、集成化方向发展：

（1）小型化：轻薄化是触屏手机、液晶电视、平板电脑的电子产品的发展趋势，其为叠层片式电感器的小型化提供了充足的发展空间与动力。国内的公制2012（2.0 mm×1.2 mm，厚度≤1.2 mm）和1608（1.6 mm×0.8 mm，厚度为0.8 mm）尺寸叠层片式电感器生产工艺与技术已十分成熟，各厂家正将重心逐步转移到1005（1.0 mm×0.5 mm，厚度为0.5 mm）尺寸的产品上。目前，广东肇庆风华高科、深圳顺络电子等公司可以生产0603（0.6 mm× 0.3 mm，厚度为0.4 mm）的产品，而日本的TDK，MURATA等已开始生产0402（0.4 mm×0.2 mm）尺寸的叠层片式电感，体积比0603产品减小了近70%。见表1。

表1　片式电感常用尺寸表

（2）高精度：相较于叠层片式电感，传统的绕线式电感器有着电感量精度高、功率大、损耗小等优点。目前片式电感器的精度只能达到±10%，而当精度能控制在±5%以内时，片式电感器将可大范围取代绕线式电感器。

（3）集成化：随着小型化的不断发展，电感器的体积已缩小近极限，而集成化便是解决方法之一，其不仅可以减小体积，又可以降低成本，发展前景广阔。目前电感器的集成化主要利用的是低温共烧陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）技术，LTCC技术可以将电感器与其他主、被动元器件整合在一个复杂的模块中，使面积庞大的电路立体化，形成多层的体积结构，即如同“被动元件的集成电路”（如图5），从而大幅缩小电子组件的体积。

图5　射频模块用LTCC封装

5　叠层片式电感印刷线发展趋势

为满足叠层片式电感器在工艺、技术、需求量等方面的快速提升，相配套的印刷设备也需在自动化、印刷图形、压力控制，图像对准精度等方面进行改进提升：

（1）提升印刷线自动化水平：设备的自动化水平影响着产品的生产效率、成本、占地面积等多方面因素，在叠层片式电感器需求量大幅上升的背景下，有着更高自动化水平的印刷生产线必将更受各生产厂家的欢迎，有着更加广阔的发展前景。

提升自动化水平可以从多方面入手，例如改进印刷线内各设备间传输方式（见图6）：传统的瓷膜片传输方式为皮带传输，当换成电缸、气缸、吸盘等组成的机械手传输机构，可使膜片的传输更加快捷精准，并且印刷线中烘干炉因工艺要求传动速度很低，而结合电缸多点定位的特点后，可使多片基片近乎同时进入烘干炉，大大提高了生产效率。

（2）使印刷图形线宽更细：印刷图形的线宽，直接关系着叠层片式电感的小型化、集成化程度，而影响图形线宽的，主要是丝网和浆料这两点。

其中丝网的目数及丝径决定着印刷图形的宽度，其公式是K=2S+R（K为线条的宽度，S为丝网径宽度值，R表示网孔的宽度），相同大小的丝网目数越多，网上的孔宽度和丝径宽就越小，则图形线宽就越细。在实际生产中，我们多使用丝径细、目数大的不锈钢丝网，且图形线宽已能缩小到50 μm甚至35 μm，如想要进一步缩小线宽，则需要在丝网的材质和制作工艺上进一步研究。

图6　机械手传输方式

为保证印刷质量，我们要求丝网网格的孔长为浆料粉体颗粒粒径的2.5～5倍。因为当丝网越稠密，网孔越小时，浆料的通过性就越差，所以丝网工艺达到缩小印刷图形线宽的条件后，浆料中的粉体颗粒粒径也应相应缩小。

（3）改善印刷头压力控制系统：印刷压力是印刷机设计和油墨向承印物表面转移的基础，决定着印刷图形精度与质量，现有的全自动印刷线上，印刷头升降、印刷压力控制等机能多通过气缸、调压阀、电磁阀等气动元器件来实现，其多为手动控制印刷压力，很难实时反映压力的变化并自动调节。为了提高精度及整体效率，可以使用步进电机与导轨丝杠的组合，这种印刷头升降机构配合压力感应器，能及时反馈每次印刷的压力数值，并根据程序设置好的数值进行调整，精准简便，提升了

印刷质量。

（4）提高图像对准精度：视觉系统指的是通过机器视觉产品（图像摄取装置，分COMS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转换成数字化信号。

在印刷线上，视觉控制是印刷过程中的重要一步，影响着印刷定位精度，其通过双摄像机观察瓷膜片上的标记定位点，在x、y、θ方向上对工作台进行自动调整，使标记定位点与摄像机中心点重合（见图7）。目前国外部分设备及中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的印刷机的图像对准精度已能达到±5 μm左右，而为了实现更高的对准精度，不仅要从机械方面提升（如改进摄像机支撑结构，减小整机运行中产生的震动对其的影响等），还应进行电气硬软件升级，采用更高分辨率的摄像机及更先进的图像转换程序。

图7　视觉定位

6　结束语

随着国内叠层片式电感需求量的不断提升，各电感器生产企业对能够实现全自动生产的印刷线都有着强烈的购买欲望，但国产的叠层片式电感印刷线刚刚研发成功，市场占有率还很低。相信只要设备生产厂家能够紧跟叠层片式电感生产工艺的发展步伐，不断改进提升生产线的性能与品质，国产设备在未来必将能够占领国内市场，甚至进军全球。

参考文献：

［1］张世强，李万河，徐品烈.硅太阳能电池的丝网印刷技术［J］.电子工业专用设备, 2008，37（6）：55-59.

［2］王麦茹，魏兵团，陈睿，等.电感器的现状和发展趋势［J］. 2013，（8）：130-131.

The Key Technology and Development Trend of MLCI Line

LI Haibin，ZHANG Shiqiang，REN Xiaoqing
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100076，China）

Abstract:Briefly introduce the characteristics and the background of MLCI，the history and current situation and the production process and key technology of MLCI line，focusing on the development trend of MICI and MLCI line.

Keywords:MLCI line；Production process；Key technology

中图分类号：TN605

文献标识码：A

文章编号：1004-4507（2016）05-0001-05

收稿日期：2016-04-16