采用Ti/FeTaN 薄膜电感的高频DC-DC变换器的制造

1引言
电子的快速发展需要更小和更薄的电源电路，如DC-DC变换器。将平面型薄膜电感器应用于DC-DC变换器中将有利于微型化。FeTaN磁膜具有良好的软磁性和较高的磁饱和度，很适于作薄膜电感器的磁芯材料。近来的趋向是在DC-DC变换器工作频率不断增加的趋势下，要求软磁芯薄膜具有良好的高频特性。
本文研究了双层Ti/FeTaN磁膜，并辅助以磁场退火处理，以改进FeTaN磁膜的高频特性。利用Ti/FeTaN磁膜，制造出一种螺旋型薄膜电感器，并对其进行了评价。最后，用这种电感器，制造出零电压开关电压箝位（ZVS-CV）降压型变换器。

2试验过程
在总气压为1.5 m Torr (毫托)，直流功率200W的条件下，采用反应溅射法把FeTaN薄膜沉积在玻璃衬底（19×19mm）上达1厚。Ta成分由Fe 靶子上的Ta碎片的面积比例控制。使用的气体是由15％的氮气和85％的氩气混合而成。 薄膜成分由电子能谱术钻孔器控制，为78.81％的铁，8.17％的钽和12.71％的氮。若要得到Ti/FeTaN双层薄膜，就需要把厚度为500A的Ti层和1厚的FeTaN层顺次沉积。在200～600℃下，对准备好的样品进行30分钟无磁场退火（NFA）或磁场退火 (MFA) 处理，磁场的磁通密度为700高斯。有效磁导率（）采用图8线圈法，在磁场强度为3.8毫奥斯特下测量。各向异性磁场（）可根据薄膜的易磁化轴和非易磁化轴的磁滞曲线B-H确定。
把铜线圈夹入Ti/FeTaN层中，制造出平面电感器。首先把FeTaN磁膜沉积在下面达1厚，然后经溅射沉积1厚的，最后通过选择性电镀法，形成20的铜线圈。为了制造上面磁性层，把Ti/FeTaN磁性膜沉积在分开的玻璃上，再把两块玻璃结合在一起，接触面用环氧树脂粘接。用网络分析器和阻抗为50Ω的微波传输线，通过分布参数法测出其电感值。
用Ti/FeTaN薄膜感应器，制造了一个混合型DC-DC变换器，其电路拓扑是一个零电压开关电压箝位降压型变换器（ZVS-CV）。

3 结果和讨论
3.1 Ti/FeTaN薄膜的磁性
FeTaN单层薄膜和Ti/FeTaN双层薄膜的磁导率 都随沉积后所用退火温度的变化而变化，图1给出了两者之间的比较，同时也给出了其各自的难磁化轴向和易磁化轴向之间的比较。观察经过NFA退火的FeTaN单层薄膜（图1中上面一幅），其难磁化轴向和易磁化轴向的磁导率都随退火温度的升高而增大，直到温度升高至500℃时达最大，此时其近似值分别为2500和1800。FeTaN薄膜的这种各向同性品质即使在MFA情况下，也没有太大改变。

Ti衬底的添加，再结合磁场退火处理，大大增强了各向异性磁导率，如图1中下面一幅图所示。尽管在500℃左右时，难磁化轴磁导率高达1500，易磁化轴磁导率却在任何温度下都接近零。
通过测量各向异性磁场（）也可以观察到，由于添加的Ti衬底，沿单方向的轴向异性特性大大增强。图2是分别根据FeTaN单层薄膜和Ti/FeTaN双层薄膜的磁滞曲线B-H测定的值。从图中可以看出，FeTaN单层薄膜在NFA和MFA两种情况下，其值都很小（大约1奥斯特），相反，经过MFA处理的Ti/FeTaN，其 值最大可达到约11奥斯特。
为了研究其频率特性，在频率增大直到100MHz的过程中，测量了非易磁化轴向的磁导率的变化曲线。FeTaN单层薄膜和Ti/FeTaN双层薄膜之间的结果比较如图3。由图3可见，尽管FeTaN单层薄膜在频率达10MHz以上后，其值迅速下降，Ti/FeTaN双层薄膜的值却直到100MHz都保持恒定值。据报道阻碍FeTaN磁膜高频响应改善的障碍是铁磁共振损耗，而不是涡流损耗。从这点考虑，Ti/FeTaN磁膜高频响应的改善，是由于其值的提高，使得铁磁谐振频率增大了的缘故。

3.2 用Ti/FeTaN磁膜制成的平面电感器的特性
图4给出了制造电感器的示意图。对大电流应用如DC-DC变换器，电感器的载流容量是一个重要因数。有人报道了通过增大磁膜的值，可以提高其载流容量。上面已说过，具有较高值的Ti/FeTaN，其载流容量也较大，最大负载电流可达300mA。调整Ti/FeTaN磁膜的难磁化轴向与磁通量方向一致（即与纵向线圈磁力线垂直的方向），可以获得最大电感和载流容量。

电感器特性曲线如图5。频率达10MHz时，电感值（L）大约是1.6μΗ。直流电阻（R）的初始值大约是2Ω，频率从2MHz向上增加时，其值迅速增大。品质因数Q的最大值在2MHz时获得，为2.3。

3.3 ZVS-CV降压型DC-DC变换器的特性
设计了一个零电压开关电压箝位（ZVS-CV）降压型变换器，通过零电压开关补偿效率下降，电路图如图6。虚线框内的电路器件是薄膜电感器。ZVS-CV降压型变换器与传统型转换器之间的效率比较见图7，两者对应的开关频率都是1.2MHz，输入电压4.5V，输出电压3.5V，SWI(开关1)的占空比为0.72。
ZVS-CV降压型变换器的测量效率最大值达80％，且直到负载电流达300mA，该值都是稳定的。与传统型变换器相比，ZVS-CV降压型转换器在最大负载时效率也提高了约4％。

4结论
用Ti/FeTaN磁膜，制造了薄膜电感器。与FeTaN相比，Ti/FeTaN的值的提高，大大改善了其频率特性。制成的电感器，性能良好，其最大品质因数约为2.3（在2MHz时获得），对应电感约为1.6μΗ。最后，采用薄膜电感器制成的ZVS-CV降压型变换器的，在1.2MHz时，其转换效率约为80％，允许负载电流达300mA。■