使用FeBN薄膜电感器的兆赫开关直流变换器
A Megahertz Switching DC/DC Converter Vsing FeBN Thin Film Inductor

1 前言
磁性元器件正面临着进一步小型化和提高工作频率的强烈要求。要满足这些要求，只有用薄膜磁性元器件来代替现有的立体元器件。例如，平面电感元器件的高频性能大大优于现有的立体元器件，因此平面电感元器件在电力电子装置（例如开关变换器和逆变器）中的应用，可以促进电子产品的小型化和效率的提高。但是，电力电子装置中电感器和变换器的技术性能强烈依赖于磁芯材料。因此，迫切需要开发高频性良好的高电感磁性薄膜，并制成优质磁性器件以满足强烈的要求。
为了检验薄膜电感器在电力电子装置中的适用性，本文介绍一种电力混合集成直流变换器。其中，电感器为双螺线夹层式薄膜电感器，采用类似光刻的微加工工艺制成。FeBN用作电感器的磁芯材料；改变FeBN膜的沉积参数，以提高其高频性能指标。使用这种薄膜电感器，制成电压箝位零电压开关电压（ZVS-CV）降压型变换器。在1～10MHz频率范围，对ZVS-CV降压变换器性能进行评估。
2 电感器的制作及参数测试

图1是制得的矩形双螺线电感器结构图。器件运用热氧化和等离子体氧体化法制作在Si-（～1μm）晶片上；如图中所示，它包括磁性层（FeBN）/绝缘层（聚酰胺）/螺旋线圈（Cu）/绝缘层（聚酰胺）/磁性层（FeBN）。平面电感器的尺寸是5×5（mm），包括Si基片在内，厚度约为26μm。
用氮气反应射频磁控溅射的沉积态FeBN薄膜（厚～3μm），用作电感器的上、下磁层。在磁性薄膜的沉积期间，用磁棒产生外加磁场，以控制膜的各向异性方向。结果，磁层的难磁化轴就垂直取向于线圈导体电流的方向（见图1）。为了沉积Cu导体线圈，先用射频磁控溅射法淀积Cr（200A）粒晶层；其后加15μm厚光刻胶，制作线圈图形。给图形加掩模之后，有选择地电镀Cu线圈，导体厚～10μm。镀Cu用的电解液，由和蒸馏水组成。去掉光刻胶后，再用刻蚀法消除粒晶层。用作绝缘层的聚酰胺，被旋涂在磁性层和Cu线圈之间。用反应离子刻蚀法，去除电极上的聚酰胺。使用振动样品磁强计和HP4396型网络分析仪，分别测量磁性薄膜的饱和磁化强度（）和有效磁导率（）。用HP4192A型阻抗分析仪，测1～10MHz内器件的电感量。
3 结果与讨论

如图2所示，随着氮气分压（）的变化，值和矫顽力（）分别处于16.7～20.8KG和0.2～30Oe（16～2400A/m）以内。在=3.5%时，Hc显示最低临界点。图3指明，磁导率与频率的关系维持在100～500MHz之间。特别是（=3.5%）膜，磁性能已达到：～18KG（1.8T）和～13Oe（1040A/m）；其电阻率 ～100μΩ·cm，为膜的2倍。这种高电阻率和磁各向异性，可以改进高频特性。另外，铁磁共振（FMR）表示高频段自旋运动会产生损耗，也希望它能改善高频特性。铁磁共振频率用下式表达：

式中，γ——旋磁比，（若频谱分裂g因子的值为2，则γ/2π～2.8MHz/Oe）；——平面内磁各向异性。(=3.5%)膜和(=6.5%)膜铁磁共振频率的计算值分别是～0.7GHz和1.3GHz。
如前所述，沉积态纳米晶FeBN膜同FeXN（X=Hf，Al，Ti等）膜比较，显示出更好的软磁性能和高频特性。为了保证器件的技术性能，这里选用了(=6.5%)膜作电感器的磁芯材料。用这种磁膜，获得了所期望的电感量和品质因素（Q）。图4表示FeBN薄膜电感器电感量和品质因素与频率的关系。从中看出了线圈宽120μm、气隙20μm、导体厚10μm和线圈匝数为5的薄膜电感器，在8MHz的性能达到：L～1μH，Q～5，Rcoil～1Ω。
用上述薄膜电感器设计出混合集成直流变换器，——ZVS-CV降压变换器，用ZVS防止效率下降。图5是这种变换器的电路拓朴，虚线圈起来的电路部分是薄膜电感器。

图6是采用片式电感元件和薄膜电感元件的两种直流变换器照片。薄膜电感器用引线接合接到电路板上的。开关频率1.8MHz，把输入电压3.6V降至2.7V；最大功率1.5W。测量ZVS-CV降压变换器的效率，最大值约为80%；直到负载电流300mA，效率都保持这个值。
■