小型繞線功率電感磁芯材料及其表面金屬化工藝研究現(xiàn)狀*

崔 駿，蔡 暢，黃裕坤，李 洪，林松盛

1.中山國磁真空技術(shù)有限公司，廣東 中山 528445；2.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

繞線功率電感主要用在電腦、平板、車載等電子設(shè)備中[1]，隨著電子產(chǎn)品的小型化，繞線功率電感的小型化已成為必然趨勢.繞線功率電感的制作過程一般需經(jīng)過磁芯制作、電極金屬化、繞線及封裝等工序，而磁芯材料的選擇以及磁芯電極金屬化工藝對小型繞線功率電感的質(zhì)量至關(guān)重要.

1 小型繞線功率電感磁芯種類及區(qū)別

小型繞線功率電感的磁芯形狀一般為“工字型”，如圖1所示.其結(jié)構(gòu)主要包括下擺、中柱和上擺(也稱之為電極)，其中上擺分為電極橋、線槽.在完成磁芯的制備后，將上擺表面電極橋以外部分進(jìn)行金屬化處理，再將漆包線纏繞中柱上，然后將漆包線兩端分別焊接在上擺兩端線槽處，最后通過浸錫工藝加固及封裝處理，即制得電感成品.

圖1 小型繞線功率電感磁芯的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of miniature winding power inductor core

根據(jù)磁芯尺寸不同，市場上小型繞線功率電感主要有下列幾類：252012系列、252010系列、252008系列、201610系列及201608系列等，其中前4位數(shù)字是指磁芯的長和寬，后兩位數(shù)字指磁芯的高度.

磁芯材料不同，所制備的小型繞線功率電感將應(yīng)用于不同的電子設(shè)備，例如平板電腦、車載等.常用的磁芯材料主要有鎳鋅材料和合金材料兩種.

鎳鋅材料屬于鐵氧體材料的一種，具有尖晶石結(jié)構(gòu).鎳鋅材料小型繞線功率電感的相對初始磁導(dǎo)率為15～70 H/m，矯頑力為238.8～557.2 A/m，居里點(diǎn)為350～450 ℃，電阻率約為5×104Ω·cm[2].鎳鋅材料小型繞線功率電感具有高頻、寬頻、高阻抗及低損耗的特點(diǎn)，一般用于頻率范圍為1～100 MHz的場合[3-5].鎳鋅材料磁芯的生產(chǎn)工藝大體分為干式和濕式兩種.濕式生產(chǎn)工藝是指在混料的過程中加入水，以使粉末混合的更加均勻.但是由于需要在后續(xù)的過程中除去水，耗能較大，此工藝一般只用于高端產(chǎn)品.相對于濕式生產(chǎn)，干式生產(chǎn)工藝主要是在整個混料過程中均不與水接觸，是目前鎳鋅材料磁芯生產(chǎn)的主流工藝.因鎳鋅材料磁芯生產(chǎn)工藝有燒結(jié)工序，并且燒結(jié)溫度通常為800～1000 ℃，所以鎳鋅材料磁芯的結(jié)晶性較好，表面一般較光滑、致密，如圖2(a)所示.

圖2 鎳鋅材料磁芯(a)和合金材料磁芯(b)的表面形貌Fig.2 The SEM of nickel-zinc material core (a) and alloy core (b)

合金材料是近年來新開發(fā)的一種材料，主要成分是鐵、硅、鉻.目前市場上所使用的合金材料電感在100 kHz下初透磁率為(40±25)%，20 kA/m條件下飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1 T，居里溫度大于300 ℃，電阻率約為103 Ω·cm[2].相對于鎳鋅材料小型繞線功率電感，合金材料小型繞線功率電感擁有更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及更低的阻抗，一般用于頻率0.10～4.0 MHz的場合，并且逐漸取代鎳鋅材料小型繞線功率電感.合金材料磁芯的制備工藝主要包括原料粉末磷化處理、沖壓、切割成型.相對于鎳鋅材料磁芯生產(chǎn)工藝，其最主要區(qū)別在于沒有高溫?zé)Y(jié)工序，因此合金材料磁芯表面相對鎳鋅材料磁芯并沒有那么光滑，如圖2(b)所示.圖3顯示，合金材料磁芯表面不僅有“毛刺”，并且因主要成分為鐵，存在生銹的風(fēng)險，對后續(xù)電感的加工工藝以及產(chǎn)品存放條件有了更高的要求.

圖3 合金材料磁芯材料表面“毛刺”Fig.3 The “thorn” of alloy core material

2 小型繞線功率電感電極表面金屬化工藝對比

磁芯電極金屬化是在電感的電極表面鍍上一層指定形狀的金屬薄膜，使其具備以下特點(diǎn)：(1)金屬化膜層必須與焊錫具備一定的浸潤性以及抗溶蝕性，這樣在保證線圈牢固地焊接在金屬化層的同時，金屬化層也不會被焊錫所溶蝕；(2)金屬化膜層必須與基材具備良好的結(jié)合力，不至于在在后續(xù)電感的使用中從電路板中剝離；(3)金屬化膜層的工藝易于產(chǎn)業(yè)化，能夠滿足大批量生產(chǎn)的要求.目前，成熟的磁芯電極金屬化生產(chǎn)工藝主要有電鍍和真空鍍兩種.

2.1 電鍍工藝

電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面鍍一薄層其它金屬或合金的過程.電鍍工藝制備的金屬化膜層結(jié)構(gòu)一般是銀-鎳-錫.工藝流程主要包括：(1)防銹處理，此工序只針對合金材料磁芯，通過對磁芯表面包覆薄膜以實(shí)現(xiàn)防銹，但目前也有企業(yè)不采用此流程，而通過改善鍍鎳、鍍錫工藝來實(shí)現(xiàn)防銹；(2)印銀，通過自動化設(shè)備將銀漿均勻涂覆在電極需要鍍膜的表面；(3)燒結(jié)，對完成印銀工序的磁芯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以形成牢固的銀膜；(4)鍍鎳，將零件浸入鎳鹽溶液中，以銀膜作為陰極、金屬鎳板作為陽極，通入直流電，通過調(diào)節(jié)電流和電鍍時間來沉積鎳鍍層；(5)鍍錫，以同樣的工藝在鎳鍍層表面繼續(xù)沉積錫鍍層.

電鍍工藝最大的優(yōu)勢在于薄膜沉積速率快、工藝簡單、技術(shù)成熟、成本低，但是有其局限性，主要體現(xiàn)：(1)銀漿的燒結(jié)過程中，會不可避免的排放有毒有害氣體，同時銀離子會擴(kuò)散到晶粒晶界，影響材料的使用性能；(2)電鍍廢水中重金屬離子，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[6-7]；(3)對合金材料電感，電鍍需要在電鍍前增加防銹處理步驟，這樣不僅提高了生產(chǎn)成本，且良品率也有所下降；(4)對小尺寸磁芯，滿電極鍍膜良品率較低.

2.2 真空鍍工藝

真空鍍工藝是基于磁控濺射原理鍍膜的過程.真空鍍工藝制備的金屬化膜層結(jié)構(gòu)一般是鉻-鎳-銀，也有公司采用鉻-鎳釩-銀、鉻-鎳銅-銀等結(jié)構(gòu)，每種膜系結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)到之處.工藝流程主要包括：(1)清洗，此工序只針對鎳鋅材料磁芯，主要是因?yàn)殒囦\材料磁芯經(jīng)過燒結(jié)，表面較為光滑，不經(jīng)清洗很難使金屬化膜層有較好的附著力；(2)裝夾，利用自動化設(shè)備，將磁芯先裝夾入指定的治具中，再利用掩膜治具對非鍍膜區(qū)域進(jìn)行遮擋；(3)鍍膜，將完成裝夾后的磁芯放入鍍膜機(jī)，依次鍍上指定薄膜.

相對電鍍工藝，真空鍍工藝作為一種新型工藝，具備以下特點(diǎn)：(1)流程簡單，自動化程度高，極大程度地減少了線上工人的數(shù)量，人員成本相對電鍍工藝明顯減少；(2)整個裝夾和鍍膜過程不與水接觸，避免了合金磁芯生銹的風(fēng)險；(3)整個生產(chǎn)過程中無任何廢氣廢渣廢液產(chǎn)生，屬于綠色環(huán)保工藝.但是該工藝有其局限性：(1)核心設(shè)備真空鍍膜機(jī)一般價值昂貴，一條完整的磁芯金屬化鍍膜線需五百萬至一千萬，屬于重投資，對公司而言，初期投入成本較高，設(shè)備回報周期較長，小型企業(yè)很難介入此行業(yè)；(2)為保證有較高的濺射效率，真空鍍所使用的靶材材料一般為逆磁性材料，而鎳為順磁性材料，需要在鎳中添加釩或銅使之變?yōu)槟娲判訹8]，但合金靶材的成本比純鎳高，提高了生產(chǎn)成本.

2.3 電鍍與真空鍍金屬化薄膜的結(jié)構(gòu)及性能

2.3.1 膜系結(jié)構(gòu)比較

電鍍工藝制備的金屬化膜層結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示.該膜層結(jié)構(gòu)是銀-鎳-錫，其中銀層4～5 μm，鎳層2～3 μm，錫層3～4 μm.三層膜中，銀層為導(dǎo)電層，不僅提供電鍍所必須的導(dǎo)電性，而且也可以作為過渡層，提高鎳與基材之間的結(jié)合力.鎳層為焊接層，既與焊錫具備良好的浸潤性，又可在一定程度阻擋焊錫的溶蝕[9].錫層為保護(hù)層，同時也更利于后續(xù)產(chǎn)品的焊接.

真空鍍工藝制備的膜系結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示.該膜層結(jié)構(gòu)是鉻-鎳-銀，其中鉻層50～100 nm，鎳層1～2 μm，銀層100～200 nm.鉻作為過渡層，主要是提高金屬化膜層與基材之間的結(jié)合力，因此厚度一般不宜太厚.鎳層為焊接層，由于鎳材料的導(dǎo)磁性，有企業(yè)采用鎳釩合金材料以及鎳銅合金材料來替代純鎳材料.銀層為保護(hù)層，一方面是因?yàn)殂y的電導(dǎo)率高、濺射速率快，另一方面銀可以保護(hù)鎳層不被氧化，同時也極易溶于焊錫，不影響產(chǎn)品焊接.

為了進(jìn)一步比較兩種膜系結(jié)構(gòu)的異同，我們選取了2家公司分別采用電鍍工藝和真空鍍工藝金屬化的磁芯產(chǎn)品，對其鍍膜面進(jìn)行了截面分析，如圖5所示.

圖4 電鍍工藝膜系結(jié)構(gòu)(a)與真空鍍工藝膜系結(jié)構(gòu)(b)的對比Fig.4 Comparison of thin film structure between electroplating process(a)and vacuum plating process(b)

圖5 電鍍工藝薄膜截面(a)與真空鍍工藝薄膜截面(b)對比Fig. 5 Comparison of thin film section SEM between electroplating process(a)and vacuum plating process(b)

從圖5可看出，真空鍍膜層[圖5(b)]較致密，而電鍍膜層[圖5(a)]較疏松.電鍍膜層普遍偏厚，在微米級別，而真空鍍的各膜層除中間鎳膜在微米級別外，其余膜層均處于納米級別.二者在實(shí)際使用中，均可達(dá)到相同的效果.

2.3.2 膜系性能區(qū)別

金屬化后磁芯的評判標(biāo)準(zhǔn)主要是從外觀和特性兩個方面.外觀方面要求其表面不可有氣孔及裸露本體，鍍膜面不能出現(xiàn)氧化、變黑；特性方面主要是可焊性、剝離強(qiáng)度以及耐熱性.可焊性是指將鍍膜面浸入松香中5～10 s后，浸入(245±5)℃錫槽中(3±0.5)s，鍍膜面95%以上覆蓋錫層；剝離強(qiáng)度是指將磁芯通過回流焊焊接在專用PCB基板上，用φ0.5 mm測試探頭從磁芯電極橋和上擺側(cè)面方向施加作用力，直至磁芯從PCB板上剝離，測試探頭施加作用力應(yīng)保持勻速10 mm/min.磁芯剝離后，PCB板上需要有80%以上磁芯殘留才可視為合格.耐熱性是指將鍍膜面浸入松香中5～10 s后，浸入(400±5)℃錫槽中(3±0.5)s，鍍膜面95%以上覆蓋錫層.

電鍍工藝作為成熟的生產(chǎn)工藝，制備的磁芯鍍膜的外觀、特性及其他方面性能均能滿足要求.真空鍍作為近年來新開發(fā)的金屬化工藝，依其獨(dú)特的膜系結(jié)構(gòu)，其性能可與電鍍膜層相提并論，并在市場上占據(jù)一席之地.無論是電鍍工藝還是真空鍍工藝，制備的金屬化膜層性能是十分接近的，客戶往往根據(jù)成本、交貨周期等因素，選擇適合自己的磁芯電極金屬化供貨商.

3 結(jié) 語

繞線功率電感小型化是未來繞線功率電感的發(fā)展方向，隨著合金材料磁芯的開發(fā)以及技術(shù)的完善，未來合金磁芯會逐漸取代鎳鋅磁芯，占據(jù)市場主導(dǎo)地位.對磁芯電極表面金屬化薄膜工藝而言，真空鍍工藝比電鍍工藝在薄膜綜合性能及環(huán)保要求上具有一定的優(yōu)勢，是未來主流磁芯電極表面金屬化工藝.