绕线片式电感表面金属化研究进展*

李 洪，林松盛，石 倩，韦春贝，崔 骏，蔡 畅，黄裕坤

1.广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东 广州 510650；2.中山国磁真空技术有限公司，广东 中山 528445

电感作为信息通信技术电子电路中不可或缺的元器件，其质量是该行业快速发展的重要因素.绕线片式电感作为一种常用电感，表面金属化是其制造过程中的核心工序，因此绕线片式电感表面金属化是影响电感行业发展的关键工艺.本文将从电感出发，重点介绍绕线片式电感表面金属化工艺在国内外的研究现状，为电感行业发展提供一定的信息支撑.

1 电感行业现状

随着信息通信技术行业的迅速发展，2018年集成电路产业规模超过5000亿元，电子专用设备产业规模超过6000亿元，物联网产业规模更是超过1万亿元，电感的需求量也随之大幅增长，并朝着微型化的方向发展[1].铁氧体片式电感的电感值大且损耗小，在3C行业、智能装备、航空航天、汽车能源等领域应用广泛[2].常用的铁氧体片式电感可分为叠层片式电感和绕线片式电感.叠层片式电感是采用多层印刷技术和叠层生产工艺制作而成，具有良好的磁屏蔽性、烧结密度高、机械强度好、耐热性好、可焊性好和形状规则等优点，但产品合格率较低、成本高、电感量小、损耗大(Q值小)、ESR值小.绕线片式电感是采用将线圈焊接到软磁材料表面的方法制作而成，具有电感量范围广、电感精度高、损耗低、线圈紧凑、电感量大、损耗小(Q值高)及容许电流大等优点，在电子元器件行业得到广泛应用[3].在制备绕线片式电感的过程中，首先需要对铁氧体陶瓷两端进行金属化，即在铁氧体两端镀上一层金属膜，以便于线圈引线焊接在铁氧体上.国内外普遍采用水电镀工艺和真空镀复合金属化薄膜制备工艺对铁氧体陶瓷进行金属化处理.绕线片式电感表面金属化的质量直接关系到电子元器件的质量，常出现的虚焊、电极早期脱落、钎料扩散至铁氧体致其中毒等问题都与金属化工艺有着直接的关系，同时金属化电极与铁氧体的结合力对铁氧体的稳定性具有重要影响[4].

2 绕线片式电感表面水电镀金属化研究进展

国内外制备绕线片式电感表面金属化薄膜的主要工艺过程包括刷涂银浆-水电镀镍-高温烧结被银，水电镀镍层是金属化薄膜的焊接层，对金属化薄膜的可焊性、膜/基结合力具有重要影响.化学镀Ni法是1946年Brenner和Riddle发现的，镀液的主要成分包括硫酸镍、次磷酸钠、柠檬酸钠和氯化氨，在80～90℃下，利用柠檬酸钠的还原性在活化铁氧体表面将硫酸镍还原得到镍层.由于镍层具有自催化能力，上述反应会自动执行，最后得到Ni-P金属化层.利用化学镀制备的金属化层具有耐蚀性好、硬度高、耐磨性好、孔隙少且不需要电源的优点，但是存在膜层结合力差、抗拉强度低、原材料成本高、工艺较复杂，且沉积过程存在严重的重金属Cr6+污染等问题，现已基本被淘汰.电镀Ni是1950年Brenner等人发现的，电镀是一个化学过程，也是一种氧化还原过程.电镀镍是将零件浸入含硫酸镍、硫酸镁、硼酸和氯化钠的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后，在室温条件下在零件表面就会沉积出金属镍镀层.用电镀法制备的镍层具有结合力强、内应力小等优点，但存在样件均镀能力差、缺陷较多，且沉积过程也存在Cr6+污染等问题[5].针对化学镀及电镀Ni中Cr6+污染的问题，刘海萍等人对无铅无镉电镀镍层结构及性能进行了研究，结果表明用不含铅和镉的镀液制备的镍层，其耐蚀性与传统镀镍层相当[6].镀液中的Cr6+不仅会造成污染，还会造成镀镍层减薄和镀层脆性增加.陈永言等人[7]介绍了一种利用还原剂处理法和碳酸铅沉淀法去除镀镍槽中Cr6+杂质的方法.XIE Zhihui等人研究了硫酸铵对镍沉积速率、次磷酸盐效率、镀液稳定性和化学镀镍-磷沉积物特性的影响，结果表明合适的硫酸铵最佳浓度可以减小镀镍层的晶粒尺寸，改善微观结构及耐腐蚀性[8].由于银具有导电能力强、可焊性好、抗氧化性强等优点，因此银成为国内外最常见的陶瓷表面金属化最外层材料.高温烧结被银法是应用最普遍的方法，其工艺过程是将含铅银的料浆涂布到铁氧体端面，再高温烧结.这种工艺广泛应用于太阳能电池、压电陶瓷以及柔性电路板的制作中[9].但是由于银与敏感陶瓷的机械性能不匹配，不能在陶瓷表面直接形成欧姆接触，使电极的接触电阻较大.不含铅的银电极与陶瓷表面的结合力很弱，这使得元器件的可靠性差，寿命短；而含铅的银浆电极在制备过程中会产生严重的污染[10-11].

目前，国内外采用水电镀镍和高温烧结被银的方法存在如下问题：一是水电镀过程中容易产生重金属Cr6+等污染，在全国多地电镀已被列为淘汰产业；二是高温烧结银浆的过程中，铅会大量挥发到大气中并产生重金属铅，对环境造成污染，现已受到很多国家的限制.

3 绕线片式电感表面真空镀金属化研究进展

传统绕线片式电感表面金属化制备方法因存在污染而受到限制，因此采用环保型真空镀膜技术在陶瓷表面制备金属化薄膜得到广泛关注.真空镀膜技术主要包括真空蒸发镀、真空磁控溅射镀、真空离子镀、真空束流沉积、化学气相沉积等方法[12-14].21世纪初，日本村田、京陶公司等国际知名电子陶瓷公司采用单机式真空蒸发镀膜技术进行陶瓷表面金属化.真空蒸发镀膜技术是一种清洁工艺，但是由于蒸发的金属原子动能较低，使金属膜层与陶瓷的结合力较差，容易造成电极早期脱落.这种方法还存在膜层厚度不易控制、均匀度与一致性差、材料利用率较低等缺点.真空磁控溅射镀膜技术是在真空环境中，在电场的作用下电子与氩原子发生碰撞，产生Ar正离子和新的电子，新电子飞向样件，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射.在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜.利用磁控溅射技术制备的薄膜致密均匀、表面粗糙度小，工艺过程简单、制备过程无污染[15]，在电感表面金属化领域中得到关注，也是今后绕线片式电感表面金属化的发展方向.

在金属化薄膜结构上单层金属膜无法满足膜/基结合、焊接性能等要求，金属化复合膜一般采用过渡层-保护层-焊接层的结构.过渡层通常是利用Cr，Ti，Ni等活性较高的金属可以与铁氧体陶瓷表面扩散附着基发生化学反应而形成化学键，达到机械铆和，提高金属化薄膜和铁氧体陶瓷基体之间结合力的目的[16-17].对于焊接层，需要选择与焊料具有较好浸润性的涂层材料，浸润性受材料成分、表面氧化物、助焊剂、固体表面粗糙度和温度等因素的影响[18-19].水电镀金属化薄膜具有Ag层表面张力小、导电能力强、可焊性好、抗氧化性强等优点，是真空镀金属化薄膜理想的焊接金属材料[9].保护层主要用于防止金属化薄膜在焊接过程中发生熔蚀，在绕线片式电感焊接工艺过程中首先要在高温焊锡中去除锡包线，这就要求铁氧体陶瓷在超过400℃环境中承受10 s，这一工艺过程对铁氧体金属化膜层的热稳定性提出了更高的要求[20].具有高温稳定性、热扩散系数小的镍及其合金是较理想的保护层材料，因为纯镍是导磁材料，一般选择使用镍钒(镍中掺入7%钒可消除镍的磁性)[21]或镍铜合金作为保护层材料[22-24].通过抗熔蚀试验，发现具有一定厚度的金属化薄膜具有较高的抗熔蚀性能[25].

近年来，众多学者针对磁控溅射镀金属化薄膜技术开展了系列研究，CEN J[26]釆用磁控溅射技术在陶瓷表面成功制备出Cr(Ti)/NiCu/Ag不同膜结构的金属化薄膜，该薄膜能与陶瓷基体形成良好的欧姆接触，而且具有较好的附着性和焊接性能.目前，国内的林芝电子公司和安培龙电子公司已采用上述膜层体系.金浩[27]采用磁控溅射技术在铁氧体陶瓷表面制备出结构为Cr(150nm)/Ni-Cu(460nm)/Ag(200nm)膜层，其平均抗拉强度可达6.15 MPa，焊接合格率大于98%，能在450℃耐受10 s的高温无铅焊锡熔蚀.HAO Y[28]利用磁控溅射技术在陶瓷表面沉积的金属镍层，发现无需热处理就可与陶瓷基体形成良好的结合力.董树荣[29]采用磁控溅射在PZT高频陶瓷表面制备了Cu/Ni/Ag金属化薄膜，这种膜可以改善陶瓷与金属的结合，并减少反浸润发生，显著提高结合力，从而改善器件的电学性能.近年，兴勤、西门子等外资企业采用磁控溅射对陶瓷表面进行金属化，已经实现批量生产[30].

4 结 语

随着各国环保政策的出台，针对铁氧体陶瓷表面的金属化处理，传统的水电镀和高温烧结等工艺逐渐被淘汰.采用环保型的真空磁控溅射技术制备金属化复合薄膜成为国内外学者和企业的研发重点.经过近几年的研究开发，基本固化了磁控溅射镀金属化薄膜结构，即过渡层-保护层-焊接层的结构.随着绕线片式电感的小型化发展，对薄膜的结构提出了更高的要求；对于采用磁控溅射银或银锡合金作为复合薄膜的焊接层，需要控制成本及提高贵金属银利用率等问题.