疊層電感現狀及其專利申請分析

國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心 吳肖志

0 引言

作為市場中無線通訊、消費類電子產品等所需的基礎元器件之一，以及傳統的電子線路中三大基礎電子元件之一，電感在電子電器類產品中具有非常廣泛的應用。隨著現有技術的發展，人們對產品尺寸小型化且具有高性能的要求越來與高，使得電子器件中，對基本元器件的尺寸和性能有了較高的需求，尤其是以高性能手機等電子產品的發展和帶動，疊層電感器的朝著小型化、低功耗方向發展，近幾年國內對疊層電感器的年需求量逐年遞增，年增長幅度超過了30%，基于疊層電感器的自身結構優勢，現有一些傳統繞線式電感器正在被被疊層電感器逐步的所取代，因此，對疊層電感研究在電子器件領域占有舉足輕重的作用[1]。

1 疊層電感的基本結構特點

電感是閉合回路的一種屬性，具有通直流阻交流的特性，頻率越高，線圈的阻抗越大。與傳統的繞線式電感器不同的是，疊層電感器是從插件電感器以及片式繞線電感器的基礎上，為了進一步減小電感器的體積而發展起來的一種新型電感器。目前疊層電感器主要有以下兩種方式進行制備：（1）將鐵氧體制作成漿料，同時采用能夠導電的漿料，進行多層交替印刷，接著采用低溫共燒技術制備而成；（2）以鐵氧體為原料，將其制備成微米級鐵氧體薄磁性片，然后將上述鐵氧體磁性薄磁性片進行疊層，在每上述鐵氧體薄磁性層上，采用相應工藝進行印刷，制備相應的導體圖案，同時再改鐵氧體薄磁性層中設置導電通孔，通過導電通孔將相鄰的上下鐵氧體磁性片層圖案導電連接，最后經過均勻壓制和燒結制備而成。

與傳統的繞線式電感器相比較，采用上述方法制備的疊層電感器具有明顯的的優點：（1）疊層電感器的尺寸相對較小，有利于電子器件的小型化；（2）此路在磁性中閉合、磁屏蔽效果更好、對電子設備中周圍電子元器件的影響相對較小，有利于電子元器件的集成化安裝；（3）采用了低溫共燒結技術，其燒結密度相對較高、具有更好的機械強度和可靠性；（4）磁芯材料以及導電圖案材料具有較好的耐熱性，同時電感器也具有更好的可焊性，有利于電感器的大規模、自動化、標準化生產[2]。

2 疊層電感技術發展現狀

20世紀70年代末至80年代初，國外一些公司開始研制疊層電感器，并逐步實現商品化，這一時段疊層電感器的生產主要集中在日本和美國。80年代后期，亞州、歐洲一些國家和地區開始進入這一領域，而我國在80年代才開始相關的研究工作，90年代中期通過引進國外相關技術，并通過自身研發逐步發展了起來[3]。

2001年，Masahiro Yamaguch等人，以Co85Nb12Zr3材料為原料，制作薄膜電感器的磁芯層，并選用金屬銅作為螺旋線圈的材料，制作了具有三明治結構的電感器，采用上述材料制備的電感器，有效減少了漏磁，且其渦流損耗較小[4]。

2002年，Ankur M.Cawford等人，同樣采用CoTaZr為原料，但是優化了上述原料的元素配比，選擇Co91.5Ta4.5Zr4作為疊層電感器的磁芯材料，并在一定的溫度下，進行了相應的退火，同時以硅基片為基板，成功設計除了具有八邊形結構額疊層電感，其中該電感器磁性層厚度僅有400納米，電感量達到6.3nH，截止頻率為3.3GHz[5]。

2004年，Tang Xiao-Li等人，制備了一種新型疊層電感器，該電感器具有多層結構。與傳統單層結構的疊層電感器相比而言，采用該文章的技術制備的多層電感器，其電阻率以及軟磁性能均有了很大程度的提高[6]。

2007年，Donald S.Gardner（Inter實驗室）等人，使用工藝為130納米的感光元件工藝制作出了，具有雙鈷鉭鋯磁性層結構的疊層電感器，該電感器的電量比傳統空心電感器電感量增加了9倍，同時，該疊層電感器的截止頻率高達3GHz[7]。

2008年，Pedram Khalili Amiri等人，選用鐵磁性的鈷鉭鋯材料作為磁芯材料，成功制備除了一種疊層電感器，該疊層電感器有磁性層的電感器電感量以及品質因數分別為無磁性層的電感器的11倍和6倍[8]。

2009年，同樣是Donald S.Gardner等人，選用具有非晶態結構的鈷鉭鋯磁性材料做為疊層電感器的磁芯材料，并在工藝為90nm的CMOS工藝制作疊層電感器，該疊層電感器的電感量與2007年制備的疊層電感器相比有了很大程度的提高，為原來的31倍，且密度高達1700Nh/mm2[9]。

2012年，Yu-Che Huang等人采用了螺旋形線圈制備薄膜電感，而這種薄膜電感與空芯的薄膜電感、平面磁膜電感螺旋、磁膜與螺旋線圈對齊的電感相比，電感值最大[10]。

2014年，樊應縣等人采用電子掃描電鏡和能譜分析研究了疊層片式電感器端電極的三層結構對焊接性的影響。試驗結果證明前處理酸洗工藝能夠有效改善產品鍍層的可焊接性。制備疊層電感的過程中，選用質量分數為2%的氫氟酸進行酸洗，能夠非常好的去除端電極銀鍍層上的玻璃相成分，從而使電感器鍍層表面上錫覆蓋率大于90%[11]。

2017年，尚小東等人針對疊層片式電感器用銀端電極漿料領域，通過對主要原材料金屬粉、無機粘結劑、有機體系的研究，并結合采用封端燒結制樣后電鏡分析的表征方法，成功研發一種低銀含量低溫燒結銀端電極漿料，用于匹配疊層片式電感器產品的生產[12]。

3 疊層電感技術專利申請情況

本文采用準確的關鍵詞、分類號，在中國專利文摘數據庫（CNABS）和德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）進行檢索，并將檢索結果作為專利分析的樣本數據，在S系統中進行了統計分析。本次專利分析的檢索數據包括截止到2018年3月底公開的專利申請。

圖1 全球專利申請地域分布

經統計分析，疊層電感的全球專利申請中，申請最早、申請量最多的是日本，其疊層電感的專利申請領占據了該領域全球申請量的56.5%，占有絕對有的優勢，日本疊層發展較早，掌握了較多疊層電感領域的核心技術，并擁有相當數量的核心專利，具有很強的競爭力。目前，美國、韓國、分別位居第二、三位，但是兩國的申請量較小，美國和韓國的申請量基本上為日本的1/4。中國的專利申請排名位居全球4，占據了全球的10.4%，為日本的1/5，相對于美國、韓國，中國起步較晚，但是總申請量相差不大，說明中國疊層電感的發展具有廣闊的發展前景。

圖2 全球申請量前十位申請人

如圖2所示，給出了全球十大申請人排名，在全球專利申請量前十位的申請人中，除了美國IBM、中國順絡電子、韓國三星電機三家公司外，其余的七家公司均是日本企業。可見，日本是疊層電感領域的領頭羊，在全球占有舉足輕重的作用。同時，中國的順絡電子股份有限公司在全球十大申請人中位列第十位，但是申請量相對排名第一的村田制作所差距較大，表明，目前中國在該領域的實力不足，但是潛力巨大。

4 結語

疊層電感器產業屬于朝陽產業，隨著低溫共燒結技術的不斷發展，全球疊層電感器行業保持了快速的增長態勢。從申請人來看，疊層電器的主要生產企業分布在日、美、韓國等國家的企業。其中日本TDK、村田、太陽誘電等公司居于世界領先水平。疊層電感器在中國的起步較晚，但是最近些年有了快速的發展，尤其是中國的深圳順絡電子有限公司，在全球排名中國位居第十，為中國唯一一位全球申請人排名前十的公司，可見，中國疊層電感無論從產品定位還是企業競爭力都取得了長足的進步，但是，產業鏈分布以及產品的結構上來看，中國疊層電感技術發展仍處于初級階段，核心專利發明的申請量較少，建議應加強專利布局、提高對疊層電感的研發投入，提高專利申請的質量，增強自身的核心競爭力。

[1]王麥茹.電感器的現狀和發展趨勢[J].科技資訊,2013(23)：130-131.

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[7]Gardner DS Schrom G,Hazucha P,et al.Integrated On-Chip Inductors with Magnetic Films[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(6)：2615-2617.

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[9]Gardner DS Schrom G,et al.Review of On-Chip Inductors Structures with Magnetic Films[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10)：4760-4766.

[10]Huang Y,Jang B,Fang W.Micromachined inductor intergrated with a patterned soft magnetic thin film[C].IEEE International Conference on Nano/micro Enginerred and Molecular Systems,2013：1096-1099.

[11]樊應縣.酸洗前處理對疊層片式電感器焊接性的影響[J].電子元件與材料,2013,32(2)：51-53.

[12]尚小東.疊層片式電感器用低燒低銀漿料的研究[J].廣東化工,2017,44(14)：90-92.