摘要： 选取NiCuZn铁氧体为磁芯材料，采用丝网印刷方法在Al2O3陶瓷基片上制备出尺寸为5mm×5mm的铁氧体薄膜电感器。通过实验数据对比，讨论了制备工艺和薄膜结合方式对电感器性能的影响，从实验上得到了高性能的薄膜电感器。
关键字： 薄膜电感器，铁氧体薄膜，丝网印刷
1 引言
近几十年来，微电子技术取得了突飞猛进的发展，遵循摩尔定律不断前进，电子产品不断升级换代，电子系统的尺寸越来越小，集成度和工作频率越来越高，并且系统中集成的功能越来越多。与此相对应，各种电子元器件也都朝着小型化、平面化、高频化、高精度、高稳定性、低损耗的方向发展，以适应电子系统的高集成度、高频、高稳定性和低损耗的特点。
电感器作为电路结构中重要的三大无源器件之一，是电源、变压器、无源滤波器、振荡器、低噪声放大器等功能模块的关键组成部分，也是射频网络中，实现阻抗匹配的重要元件，在电脑、数码相机、仪器仪表、汽车电子、手机及各种电子信息等领域中有广泛的应用，其市场需求量是十分巨大的。
虽然贴片式电感的出现在一定程度上解决了系统轻量化的问题，但它还远远不能满足当今电子系统高集成度的要求。薄膜电感器的出现，使得电感器从三维结构走向了二维，有效地降低了电感器的质量和体积，同时由于各种低损耗、高性能软磁薄膜的研制成功，使得薄膜电感器自身的性能得到了有效的提高，单位面积上获得了更大的电感量，这样就更进一步减小了电感器的面积，提高了集成度，并且降低了能量损耗，提高了整个电路系统和功能模块的性能，因此薄膜电感器可能成为未来电感器的主流。
2 薄膜电感器制备
薄膜与电感器的基本结合方式有顶层膜电感器、底层膜电感器和双层膜电感器，如图1所示，前两种结合方式都只是使磁路在电感器的薄膜侧闭合，而双层膜电感器磁路完全闭合。试验中我们制备了顶层膜、底层膜和双层膜电感器样品。
(1)顶层膜电感器制备
顶层薄膜电感器的制备是首先在尺寸为25mm×25mm×0.4mm，介电常数为9.8的陶瓷基片上用丝网印刷的方法，以高温银浆为原材料，制作空心电感器平面螺旋线圈，然后烘干并经过850℃烧结，使电感器图形在陶瓷衬底上固化，其示意图如2所示。空心电感器的结构参数为外径l=5mm，导线宽度W=250μm，导线间隙S=250μm，导线厚度t=3μm。图中的螺旋线圈部分是电感器，微带线的制备是为了测量的方便，根据微波理论，微带线的宽度设计为使其特性阻抗与网络分析仪的测试端口阻抗匹配。
铁氧体薄膜的制备与集成依然是使用丝网印刷法，就是将配置好的Ni-Cu-Zn铁氧体浆料直接印刷在制作好的空心电感器上面，烘干后的铁氧体膜厚度大约是5μm，制作好的薄膜电感器实物图如图3所示。为了比较不同后处理工艺对电感器性能的影响，又对制备好的顶层膜电感器进行了不同的后期热处理工艺，编号为U1-U4，如表1所示，其中各个样品在100℃保温240分钟是样品制作好以后的烘干过程。
表 1 顶层薄膜电感器热处理工艺
温度(℃) 100 0-400 0-500 400 500 400-880 880
U1(min) 240 - - - - - -
U2(min) 240 200 - 360 - 160 10
U3(min) 240 200 - 600 - - -
U4(min) 240 - 250 - 600 - -[#page#]
(2)底层膜电感器制备
底层膜电感器的制作是首先将配置好的Ni-Cu-Zn铁氧体浆料丝网印刷在陶瓷衬底上形成薄膜，作为电感器的薄膜磁芯。将刷好并且烘干以后的铁氧体薄膜又进行了一次高温烧结，烧结过程如表2所示。用SEM对烧结后的薄膜进行观察，其表面形貌和截面形貌分别如图4、5所示，膜实物图如图6所示。在制备好了底层铁氧体薄膜以后，第二步就是在Ni-Cu-Zn铁氧体薄膜上面制作电感器图形，仍然用丝网印刷工艺，以高温银浆为原料，对电感器的图形进行印制，图形印好以后进行烘干、并且在850℃烧结，至此底层膜电感器制作完毕，其实物图如图7所示，试验中标示号为L1。
表 2 底层铁氧体磁性薄膜烧结过程
温度 (℃) 100 0-400 400 400-880 880
L1(min) 240 200 600 48 10
(3)双层膜电感器制备
双层膜电感器是顶层膜电感器和底层膜电感器的结合，其制作过程就是在底层膜电感器的基础上再制作顶层铁氧体薄膜，在制作底层铁氧体薄膜和电感器图形时，所采用的工艺过程与制作底层膜电感器的过程完全一致。制作好底层膜电感器以后，就是要再次将准备的铁氧体浆料直接刷在电感器图形上面，以获得双层膜电感器，在刷制好顶层铁氧体膜以后进行热处理，其烧结工艺如表3所示。
表 3 双层膜电感器热处理工艺
温度 (℃) 150 0-400 400 400-880 880
D1(min) 300 200 540 180 10
从表3中可以看出，与底层膜电感器的薄膜热处理过程表2相比，在对双层膜电感器的顶层膜热处理时，提高了烘干温度并延长了烘干时间，同时也延长了400℃~880℃的升温时间。
3 薄膜电感器测量
薄膜电感器是一个二端子器件，在测量时要将其转换成二端口网络，然后通过矢量网络分析仪Agilent 8722ES对其高频性能进行测量。
电感器为二端子器件，而网络分析仪是测量网络特性的测量设备，所以在测量电感器时通过一根公共的底线，将该二端子器件转换为二端口网络，如图8所示。
从图8中可以看出，当二端口网络中的Port2短路时，等效于电感器二端子器件结构，此时Port1的输入阻抗1/Y11就是电感器的阻抗值，因此电感器的电感量L、电阻值R和品质因数Q的提取关系如式(1)所示[1]。
L=ω-1·Im(1/Y11)，R=Re(1/Y11)
(1)
测量出二端口网络的S矩阵以后，根据二端口网络导纳矩阵与散射矩阵之间的变化关系，求出Y11，再根据式(1)就可以得出电感器的性能参数，由S矩阵到Y11的转换关系如式(2)所示[2]。式中的50为网络分析仪测量端口的端口阻抗值。
(2)
基于电感器的二端口网络测试原理，对薄膜电感器的测量主要是测量其散射参数，在制作电感器的时候制作了用于测量的微带线，如图9所示，微带线的特性阻抗设计为50Ω，与网络分析仪的测试端口的阻抗匹配，所以可以近似的认为，图中的微带线是网络分析仪测试端口线的延长，它的存在不影响信号的传输特性。测试夹具如图10所示。[#page#]
4 结果与讨论
4.1 顶层膜电感器在不同热处理工艺后的特性讨论
根据表1中不同的热处理工艺，编号为U1、U2、U3、U4样品的电感量及品质因数的频率特性如图11所示，其中图中r表示具有相同电感器结构参数而没有引入磁性薄膜的空心电感器，作为讨论时的参考。
从图11(a)中可以看出，在增加了铁氧体薄膜以后，与空心电感器r相比，电感器U1、U2、U3、U4的电感量都获得了有效的提高，r的电感量在50MHz时只有40nH左右，而U1、U2、U3的电感量分别为52nH、53nH、52nH。U4的电感量比U1、U2、U3的都低，可能是由于测量误差引起的。在图11(b)中，U3、U4的品质因数Q在低频时候得到了有效的提高，在50MHz时，其Q值为5.3和5.1，并且U3、U4的峰值分别为8.3和8.2，与空心电感器r的7.4相比其提高幅度为10%左右，分析其原因主要是由两个方面引起的：其一是它们分别在400℃和500℃的长达600分钟的保温使薄膜中的有机溶剂得到了充分的挥发，使薄膜更加致密，降低了薄膜自身的损耗；其二是由于铁氧体薄膜的引入，改变了电感器的磁场分布，使得更多的磁力线沿着薄膜穿过，有效的降低了电感线圈导线中由于临近效应而产生的涡流损耗。电感器U1只经历了烘干的阶段，没有进行烧结，所以其薄膜的磁性颗粒不十分致密，导致了磁性损耗的增加，并且新增加的磁性损耗超过了薄膜的引入所降低的导线中的涡流损耗，因此总的品质因数是降低的。U2经历了880℃的高温烧结，可以推测出其薄膜的有机溶剂已经充分挥发，其品质因数较低，可能是因为400℃时保温时间较短，在这个温度时有机溶剂挥发不充分，当温度迅速升高以后，溶剂的加速挥发导致了薄膜内部孔洞的增加，使得磁损耗增加，或者是880℃高温阶段又引入了其它种类的缺陷。
在综合考虑电感量L和品质因数Q的情况下，经历了400℃后处理工艺的顶层膜电感器U3的性能最为优良，这就使得薄膜电感器的制作可以在较低的温度下实现，并且制备过程简单，可以方便的与其它器件及电路集成。
4.2 不同薄膜结合方式的薄膜电感器的特性对比
将制备的顶层膜、底层膜、双层膜和空心电感器U2、L1、D1、r进行对比，其电感量L和品质因数Q的频率特性如图12所示。
从图12(a)中可以看出，U2、L1、D1的电感量依次增大，在50MHz时候的电感值分别是53nH、56nH和66nH。L1的电感量比U2的大，其原因之一是底层薄膜是直接制备在陶瓷衬底上面的，比顶层膜更加平整；原因之二就是磁性薄膜的引入使得线圈导线所激发的磁场被薄膜限制在导线自身表面附近，这样就在一定程度降低了线圈之间的互感耦合Lmut，而对于顶层膜结构的电感器U2，导线间隙也填充有磁性薄膜，所以与底层膜结构的电感器相比，Lmut的降低就更加明显，这样在磁化贡献相同的情况下，L1的总电感量就比较大。对于双层膜电感器D1而言，可以认为磁路已经闭合，电感量得到了极大提高，也就是说虽然薄膜的引入会在一定程度上更加降低了Lmut部分，但是薄膜的磁化对电感量的贡献Lm要远远大于Lmut减小的部分，所以总电感量是提高的。与空心电感器r相比，在50MHz时，D1的电感值的提高量是25nH，而U2和L1的电感值的提高量分别是12nH和15nH，它们之和为27nH，所以可以看出，双层膜电感器的电感量的提高，近似等于底层磁性薄膜和顶层磁性薄膜对电感量的贡献之和。[#page#]
在图12(b)中，底层膜电感器L1的品质因数的频率特性与顶层膜电感器U2的基本相同，这是由于它们都属于单层膜电感器，集成到电感器中的薄膜材料的量相差不多，并且在集成了薄膜以后的后处理工艺也基本相同，都经历了880℃的高温过程，所以其薄膜的磁性损耗也大致一样。L1和U2的品质因数都比空心电感器r的低，其原因正如在对顶层膜电感器性能的讨论中提到的，可能是由于400℃到880℃的升温过程太快，导致薄膜中的缺陷增加，使得薄膜中磁性损耗的增加超过了由于薄膜的引入而导致的线圈导体中涡流损耗的减少，最终就导致了电感器品质因数的降低，并且随着频率的升高，磁性损耗更加剧烈，Q值随着频率的升高就下降得更快。从图12(b)中还可以看到，尽管D1的电感量是最大的，但是D1的品质因数是最低的，这是因为双层膜电感器中所集成的磁性薄膜最多，并且每层薄膜的引入都经历了880℃的高温过程，虽然这个过程可以增加铁氧体薄膜与衬底的附着力和薄膜本身的坚固程度，但是这个过程不利于降低薄膜的磁性损耗μ"，所以D1的磁性薄膜中的磁性损耗是最大的，就导致了它的品质因数Q最低，并且随着频率的升高，其品质因数下降的也最快。
参考文献
[1] C. Yang， F. Liu， T. L. Ren， et al. Ni-Zn Ferrite Film Coated On-chip RF Inductor Fabricated by A Novel Powder-mixed-photoresist Coating Technique. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp， 2007: 465-468
[2] 李绪益. 电磁场与微波技术(下册). 第二版. 广州: 华南理工大学出版社， 2000: 108-109
