引用本文
范跃农, 冯则坤, 陈中艳, 龚荣洲. 电感器用Ni-Cu-Zn铁氧体薄膜的设计与性能研究. 无机材料学报, 2012, 27(4): 375-378
FAN Yue-Nong, FENG Ze-Kun, CHEN Zhong-Yan, GONG Rong-Zhou. Design and Performance of Ni-Cu-Zn Ferrite Film for Inductor. Journal of Inorganic Materials, 2012, 27(4): 375-378  
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电感器用Ni-Cu-Zn铁氧体薄膜的设计与性能研究
范跃农1,2, 冯则坤1, 陈中艳1, 龚荣洲1
1. 华中科技大学 电子科学与技术系, 武汉 430074
2. 景德镇陶瓷学院 机电系, 景德镇 333403

范跃农(1964-), 男, 博士研究生. E-mail:fanyuenong@smail.hust.edu.cn

基金:高等学校博士学科点专项科研基金(20090142120003);
摘要

采用丝网印刷技术制备Ni-Cu-Zn铁氧体电感器薄膜, 并对其性能进行了表征. XRD分析表明, 铁氧体薄膜具有相同的晶格结构. 研究结果表明, 在引入了铁氧体薄膜后, 电感器的电感量相对于空心电感器有30%左右的提高, 品质因数依频率不同有所改善, 共振频率有所降低. 经400℃后处理的薄膜电感器在低频时性能最好, 50 MHz时电感量提高了27%, 品质因数提高了39%.

关键词: 铁氧体薄膜; 电感量; 品质因数; 丝网印刷
中图分类号:TM277   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)04-0375-04
Design and Performance of Ni-Cu-Zn Ferrite Film for Inductor
FAN Yue-Nong1,2, FENG Ze-Kun1, CHEN Zhong-Yan1, GONG Rong-Zhou1
1. Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2. Department of Mechanical and Electrical, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, China
Fund:Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20090142120003);
Abstract

Ni-Cu-Zn ferrite inductor film was fabricated by screen print technology, and its performances were investigated. XRD results suggest that the as-prepared thin films exhibit the same crystalline structure. The results show that after introducing of ferrite film, the inductance increases by 30%, the quality factor is improved, and the resonance frequency decrease. Ferrite inductor thin films annealed at 400℃ exhibit an optimum performance with high quality at 50 MHz, inductance increased by 27%, the quality factor increased by 39%.

Keyword: ferrite film; inductance; quality factor; screen printing

电感器是电子领域的三大无源元件之一, 被广泛用于低噪声放大器、压控振荡器、变压器和匹配网络等. 传统的平面电感器由于磁耦合比较低, 需要占用大量的芯片面积, 并会带来寄生效应, 从而产生大的能耗. 这些缺点是实现高集成电子系统的瓶颈. 为了减小电感器的尺寸并提高其性能, 许多学者做了大量的研究工作. Jha等[ 1]研究了MEMS基电感器; 另外几个课题组[ 2, 3, 4, 5]研究了特殊基板形式和寄生效应小的3D电感器, 但是制备技术都过于复杂; Chua[ 6]和Yamaguchi[ 7]等研究了CoNbZr 薄膜电感器, 但是由于电阻率低, 引入了更多损耗.

在这种情况下, 铁氧体薄膜由于其电阻率高, 在平面电感器方面具有优异的应用潜力, 铁氧体电感器的电感量和品质因数比目前应用的其它体系 高[ 8, 9, 10, 11]. 本工作用丝网印刷技术制备了结构新颖的Ni-Cu-Zn铁氧体薄膜电感器.

1 制备

按 w(Fe2O3): w(NiO): w(CuO): w(ZnO): w(V2O5): w(Co2O3) = 48 : 13 : 12 : 26 : 0.6 : 0.4称取原料, 球磨2 h后, 在775℃煅烧2.5 h制备Ni-Cu-Zn 铁氧体粉末, 掺入少量的V2O5和Co2O3用来降低烧结温度. 具体的制备工艺如图1所示. 制备好的铁氧体粉末与有机溶剂(松油醇: 乙基纤维素=10 : 1)以2.6:1.0的比例混合得到铁氧体浆料. 空心电感器制作在0.4 mm厚的陶瓷基板上, 如图2(a)所示. 制备中用丝网印刷技术将银浆料印刷在基板上, 然后经850℃的固化烧结[ 12]. 空心电感器的尺寸如表1所示, 其中 W、 S、 R、 n 和 d分别表示线宽、线间隙、外径、圈数和导体厚度.

图1 铁氧体粉末的制备过程Fig. 1 Preparation process of ferrite powder

图2 丝网印刷制备的一种典型铁氧体电感器Fig. 2 A representative graph of inductor prepared from ferrite thin films(a) Air core inductor; (b) Ferrite inductor

表1 空心电感器尺寸参数 Table 1 Size parameters of air core inductor

采用丝网印刷把铁氧体浆料印制在空心电感器上, 得到如图2(b)所示的薄膜电感器, 热处理过程见表2, 对应的电感器样品分别标示为L1~L3, 铁氧体膜的厚度都是5 μm.

表2 铁氧体薄膜电感器的后处理 Table 2 Post-treatment of ferrite inductor film
2 结果与讨论
2.1 铁氧体薄膜分析

为了深入分析薄膜电感器, 单独制备了相应的铁氧体薄膜, 对应 L1~L3, 铁氧体薄膜标示为f1~f3薄膜样品. 由于制备工艺的相似性, 各样品的SEM形貌与f3的基本相似, 而且各样品的测量结果也基本相似, 以f3样品的测量结果来加以说明. f3薄膜的SEM形貌如图3所示, 从图3(a)中可以看到, 铁氧体膜是磁性颗粒的堆积, 并且疏松多孔, 表明磁性颗粒不够致密, 这可能是由于退火时有机溶剂挥发引起的, 但从图3(b)中可以看出, 制备的薄膜的表面还是比较平整.

图3 f 3样品的SEM照片(a) Top view; (b) Cross-sectional viewFig. 3 SEM images of ferrite film sample f3

铁氧体薄膜的XRD分析如图4所示, 只经历100℃烘干过程的f 1 薄膜的谱线与86-0507卡匹配良好, 这说明铁氧体的尖晶石结构在浆料阶段已经形成, 所有样品中的铁氧体薄膜晶格结构相同.

图4 铁氧体薄膜的XRD图谱Fig. 4 XRD patterns of ferrite films

用振动样品磁强计(VSM)分析了铁氧体薄膜的磁特性, 如图5所示. 从 M– H曲线中可以看出, f3 的饱和磁化强度、剩余磁化强度最大, 矫顽力最小, 这可能是910℃烧结过程使得磁性颗粒更加致密, 同时晶粒有所长大引起的. 前者可以增加饱和磁化强度, 后者可以降低矫顽力[ 13], f3高的剩余磁化强度不利于电感器应用. f2的饱和磁化强度和剩余磁化强度都很小, 这可能是磁性颗粒之间孔隙度大引起的. f1薄膜的饱和磁化强度和剩余磁化强度都居中, 但是矫顽力较高. 铁氧体薄膜的磁性能如表3所示, Hc, Ms和 Mr分别表示矫顽力、饱和磁化强度和剩余磁化强度.

图5 不同样品的铁氧体薄膜磁滞回线Fig. 5 Ferromagnetic hysteresis loops of different ferrite films

表3 各铁氧体薄膜样品的磁性能 Table 3 Magnetic property of different ferrite films
2.2 铁氧体薄膜电感器性能

薄膜电感器的分析基于如图6所示的电感器模型, 参数提取参见文献[ 14]. S参数由网络分析仪(Agilent 8722ES)测试获得, L和 Q分别表示电感量和品质因数, 薄膜电感器的性能如图7所示, 图中 L0 是作为参考比较用的空心电感器.

图6 用于铁氧体薄膜电感器性能分析的π等效电路模型Fig. 6 Equivalent circuit model for performance analysis of ferrite thin film inductor

从图7 (a)可以看出, 相比于空心电感器L0, 所有薄膜电感器的电感量在50~300 MHz频段内都有效提升. 50 MHz时, L1、L2和L3的电感量分别为52、52和53 nH, 相对空心电感器分别增长了27%、27%和30%, 在300 MHz时相应的增长为35%、52%和23%. 这些增长源于铁氧体薄膜的引入, 其本质是铁氧体薄膜的磁化储能的增加. 从图7(a)中也可以看出, 虽然f 1、f 2和f 3的饱和磁化强度不同, 但是L1、L2和L3的电感量在低频时基本相等, 但是在高频时, 高饱和磁化强度样品的电感量具有更加稳定的频率特性.

图7 不同薄膜电感器的性能Fig. 7 Performance of different ferrite film inductors(a) Inductance; (b) Quality factor

图7(b)显示了铁氧体薄膜电感器的品质因数的频率特性. 50 MHz时, L2的品质因数( Q)是5.3, 与空心电感器L0相比提高了39%, 并且品质因数峰值是8.2, 增长了15%. L1和 L3的品质因数比L0低, 这可能是由于磁性薄膜中的剩余磁化强度高引起的, 它代表能量的损耗. 从图8(b)中还可以看出, 所有铁氧体薄膜电感器的品质因数峰值对应的频率都低于空心电感器的相应频率值, 这意味着铁氧体薄膜电感器的共振频率有所降低.

综合考虑电感量和品质因数, 可以发现, 在经历了高于400℃的热处理后的电感器样品L2在低频时具有更加优越的性能.

3 结论

采用丝网印刷技术制备了Ni-Cu-Zn铁氧体薄膜电感器, 研究了材料的电感性能. 结果表明, 经历了400℃退火处理的薄膜电感器在低频时性能最优, 50 MHz时电感量提高了27%, 品质因数提高了39%, 有望应用于薄膜电感器领域.

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