磁性应用技术讲座Ⅳ——微型磁性器件
Applied magnetics 4

上次讲座介绍了平面线圈、绝缘膜、磁性薄膜组合成的小型平面型微型磁性器件在设计上应考虑的各种事项。本次讲座集中介绍现在开发研究的微型磁性器件现状，包括微型电感器、微型变压器、直流变换器、滤波器等。

1微型电感器
微型电感器可作为电抗器或电源电路的电感器，还作为磁性器件的基础正在开发研究。其尺寸和结构随使用目的、频段、功率容量等有所不同。这里按使用频段分类，介绍微型电感器的代表性例子。

（1）数百kHz～数MHz用电感器。
工作在数百kHz～数MHz的微型电感器，用于小型电源。采用软磁性体/平面线圈/软磁性体外磁心的线圈型结构。与外线圈内磁心型结构相比，特点是：①磁屏蔽效果好；②在实际电源电路中，即使靠近其它元件或电路引线，对其它元件工作的影响或引线中感应噪声都小；③比较容易制作成厚膜等。

图4.1是微型电感器的顶视和局部剖面结构图。电感器中两个长方形螺形线圈串联，配置成互感为正。上下磁性薄膜在线圈纵向感应单轴磁性各向异性；元件大部分处于磁化难轴方向励磁。一般外磁心内线圈型电感器，上下磁性薄膜产生的垂直漏磁通大。因此，在磁性薄膜面内和线圈导体面内产生涡流，损耗增加。要抑制损耗，在上下磁性薄膜中开窄缝，把磁性薄膜分割开。还在线圈导体长轴方向开窄缝，也把它分割开。
上下磁性层是由非晶FeCoBC磁性薄膜和氮化铝（AlNx）交替叠层结构，最上层为AlNx。磁性薄膜成分为Fe59Co20B14C7，Bs≈1.6T，Hk≈1400A/m，磁致伸缩系数λ=24×10-6。
下面简单介绍这种电感器的制作方法。依次溅射Nb膜（作为与下部绝缘层聚酰亚胺的密着层）和Cu膜（作为电镀用电极面）；先将Cu膜加工成线圈图形，在形成Cu膜和具有黑白倒置图形的厚膜抗蚀图形（光刻胶）以后，电镀决定Cu膜厚度（Nb膜用作电镀电流通路）；剥离抗蚀层后，采用CF4/O2混合气体的化学干式腐蚀法（CDE），再将Nb膜涂去；为了控制后续工艺（填入聚酰亚胺）中使用的溶剂（N-甲 基-2-比咯烷酮）与Cu线圈的反应，溅射SiNx膜附着在线圈导体侧壁上，形成良好的阶梯覆盖层；由于线圈导体厚达数十μm，绝缘体的填入/平坦化，采用可在减压气氛中涂覆的聚酰亚胺流延机（spin-coater）。
电感器保护用聚酰亚胺、上部层间聚酰亚胺和线圈保护SiNx膜一起，用化学干式腐蚀法打孔，露出Cu表面后，用酸弱腐蚀使Cu表面净化，形成焊接点。焊接点上用溅射法形成接点金属Al/Mo膜，腐蚀加工成接点形状，便于进行焊接。最后，在4kA/m直流磁场中、320℃热处理3h，感应单轴磁性各向异性。
微型电感器中的线圈导体厚50μm，宽度方向用窄缝分开成4部分，导体宽35μm，导体间距50μm。线圈外形尺寸为4.75mm×6.20mm。磁性薄膜由厚度1.5μmFeCoBC膜4层，层间厚0.4μm为AlNx，组成总厚度约为7μm的厚膜。磁性薄膜的短轴方向用窄缝分开成三部分，长轴方向分开成四部分，外形尺寸为5.35mm×6.40mm。电感器允许电流Imax=1.6A(-6dB)，直流电阻0.19Ω，电感0.3μH，2MHz下Q值为7.6。把线圈导体和磁性薄膜用窄缝分开，可大大增加Q值，不分割开时Q值只有4。

（2）数MHz～数百MHz用电感器
微型电感器工作频率达到数百MHz，除磁性薄膜的涡流损耗外，有时由自然共振产生的损耗决定其工作频率上限。必须选用除高电阻外，饱和磁化强度和各向异性场大的磁性薄膜。这里介绍（Co0.92Fe0.08）-Al-O磁性薄膜和SiO2复合多层膜作磁心的外线圈内磁心型电感器，作为数MHz～数百MHz用电感器的一例。它的电感值比外磁心内线圈型电感器大。（Co0.92Fe0.08）-Al-O磁性薄膜饱和磁通密度Bs≈1.4T、Hc≈0.15kA/m、λ=3×10-6ρ≈6μΩm，用（Ar+O2）气氛的反应性磁控管溅射法在10kA/m的磁场中成膜，感应了5kA/m各向异性磁场。

一般用多层，薄磁膜的目的，是通过静磁耦合提高软磁性能、降低各向异性分散性和减少涡流损耗。这里，采用图4.2的复合多层膜作磁心也是为了达到这些效果，多层薄膜的SiO2部分起提高软磁性能的作用；多层膜总厚度要考虑100MHz以上还不出现涡流损耗。但是，SiO2厚度小于30A，在约200℃热处理温度下，SiO2会扩散，破坏多层结构，使磁心中出现垂直磁化分量。因此SiO2膜厚度在50A以上。厚SiO2膜的厚度还要考虑降低涡流损耗，应在0.3～1.0μm范围内。

图4.3的薄膜电感器由依次制作的下部线圈、绝缘层、磁性薄膜、绝缘层、上部线圈五层构成。线圈导体宽90μm、导体间距20μm、匝数20。磁心尺寸为宽300μm、长2mm。磁心部分用平版印刷术形成图形，用下吊（lift off）法制作。Cu膜厚6μm。在80kA/m的旋转磁场中100～300℃下进行电感器最终热处理。

图4.4是复合多层磁性薄膜作磁心的微型电感器的电感L（nH）和品质因数Q与频率f的关系。图中的REA表示旋转磁场热处理。从图中看出，电感器置于旋转磁场中在160℃热处理，控制制作薄膜时预先感应的各向异性磁场的大小，可改善L、Q特性，在180MHz下L=26nH，Q=25.5。
后面介绍，这种复合多层膜磁心电感器与薄膜电容器组合，已在高频滤波器中试用。

（3）GHz频段用电感器
以手机为代表的移动通信终端用单片微波集成电路（MMIC）中，采用空心电感器匹配阻抗或作电源扼流圈。由于是空心，要获得需要的电感值，尺寸必须增大。在使用昂贵的GaAs基片时，这就成了大问题，希望用磁性体来尽量减小电感器尺寸。但是，这时如果将电感器直接做入半导体器件中，要注意它对半导体的污染，因此有人提出在半导体工艺结束后，在空心螺形线圈上面形成磁性薄膜，来组成电感器。电感器中用Al-Si形成4匝正方形螺旋线圈，中间为聚酰亚胺，在上面形成磁性薄膜。沿磁性薄膜的易磁化轴方向开宽度2μm的窄缝，将磁性薄膜分开成宽度11μm的长方形，以控制各向异性大小，降低涡流损耗。线圈导体宽度11μm，导体间距11μm，厚2.6～3.5μm，外形尺寸为337μm×337μm。用0.1μm厚Fe61Al13O26薄膜作磁性薄膜，Hc≈40A/m，ρ=6μΩm，Hk=2.8kA/m，Bs=1.2T，自然共振频率fr=1.8GHz。在1GHz下，电感器的电感L=7.7nH，R=7.0Ω，Q=7.0。

2微型变压器
以手机为代表的各种便携式电子装置，除体积小重量轻而外，还要求使用时间长。为此，要使装置省电和用Li电池等高能密度电池。Li电池输出电压比较高，而且电压变动也大。因此，为了有效利用电能，需要小型变换效率特性好的直流变换器。

图4.5中的单磁心正激式变换器采用变压器电路方式，输出电压设定的自由度大，一直广泛用于把高电压变换为低电压的电源装置。这里介绍一种外线圈内磁心型微型变压器，可作为图4.5中的变压器（TR）。图4.6是微型变压器示意图。在基片上的中间绝缘膜中先形成下部线圈图形；再在上面依次形成绝缘膜、磁性薄膜图形、绝缘层、上部线圈图形。
初级和次级线圈图形是并列配置的，利用通孔将上下部线圈图形分别连接起来。磁性薄膜是先用离子束溅射沉积CoZrRe膜，再用离子束刻蚀法形成图形。 磁性薄膜饱和磁通密度为1.25T、膜厚约8μm、尺寸为3.5mm×3.9mm。层间绝缘膜的形成是先用偏置溅射法（bias spullering）淀积SiO2膜，再用光刻胶均一刻蚀进行平坦化处理。线圈导体图形是用离子束溅射法制作Cu膜，再用离子束刻蚀法形成图形。线圈导体厚10μm、宽100μm、间距25μm。制成的微型变压器尺寸的为4mm×4mm、厚0.3mm。电感值在40MHz以下为一定值350nH，单位面积电感量为25nH/mm2。微型变压器用于图4.5中电路，在变换频率32MHz时工作良好。

3直流变换器
高频下的直流变换器，电感器和电容器体积小。与此相反，半导体器件开关损耗增大，因此，减小体积，降低高度和提高效率之间有一个折衷关系。
还有，近年开发的低开关损耗器件，已可在高频下工作。另外，开发出在Si基片上制作CMOS信号处理电路，同时集成薄膜电感器，对CMOS电路几乎没有影响。这里介绍两个研究项目的情况：其一是将功率集成电路（Power IC）制作在Si基片上后，中间加绝缘膜，再集成薄膜微型电感器，构成1W级的降压型直流，将所有元器件都集成在一块Si基片上的单片式电源，其二是另行制作微型电感器，与半导体器件和电容器一起作为分立元件组装成片上式升压型微型电源。
（1）单片式降压型直流变换器

把薄膜电感器集成在电源集成电路中，与把微型电感器作为另置外接元件相比，体积更小。但是变换器用的薄膜电感器特性、尺寸设计，以及与功率集成电路的集成化工艺等都是问题。图4.7是单片式直流变换器电路结构图。图中的功率集成电路兼作承载薄膜电感器的基片，外形尺寸为4mm×5mm，由主开关MOSFET和PWM控制电路构成。
为了使薄膜电感器以电感器损耗小的电流连续方式工作，单片式直流变换器的开关频率设定为3MHz。PWM控制电路由产生PWM信号的误差放大器、三角波发生器、比较器和MOSFET驱动器等构成。MOSFET采用横型二重扩散MOSFET，比纵型MOSFET速度快，适合于集成化。薄膜微型电感器制作在功率集成电路基片上，尺寸为4mm×4mm。放在螺形平面线圈下面的磁性薄膜，为厚9μm的Co88.8Hf4.5Ta5.9Pd0.8单层膜。饱和磁通密度Bs=1T、Hc=40A/m、λ=2～5×10-7，成膜后在48kA/m的旋转磁场中经375℃热处理后，为感应单轴磁各向异性，在同样强度的静磁场中经400℃热处理，感应了1kA/m的各向异性磁场。
线圈导体用Cu；导体图形是把感光性聚酰亚胺图形化后用电镀法形成的。尺寸为厚35μm、宽93μm、间距20μm、匝数16。制得的电感器在3MHz、0.35A下L=0.96μH，直流电阻0.9Ω，3MHz、0.35A下的交流电阻4.2Ω。
用制成的单片式直流变换器，再安装片式元件，制成降压斩波型电源模块。组件性能是：输入电压3.5～5V，输出电压3V，额定输出功率1W，功率密度5.6W/cm3，外形尺寸10mm×10mm，高1.8mm。输入电压4V、输出电压3V时，输出0.6W和1W的效率分别为83.3%和81.9%，工作时效率相当高。

（2）片上式升压型直流变换器

图4.8是装有图4.1中微型电感器的升压型直流变换器制成的微型电源电路图。用于驱动数字式蜂窝型手机的发送放大器，周期20ms，占空比1/3，脉冲串式输出4.7V、600mA。输入使用Li电池，输入电压在4.2～3.0V间变动。电源中用厚0.5mm的BT树脂板作电路基板，图4.8中的元件全部安装在上面，尺寸为25.0mm×9.3mm×2.0mm（体积0.47cm3）。图中微型电感器性能为：L=0.3μH，Q=8，R=0.19Ω。电感直流叠加特性为：电感下降3dB的电流为1A。主开关用高速开关的2个（FET1，FET2）横型N沟道MOSFET，FET的输入输出电容约70pF，导通电阻约0.75Ω，开关时间约10ns。PWM控制IC中装有用1.2μm双CMOS工艺制作的、能以10ns高速驱动500pF电容负载的驱动器。工作频率可在0.7～8MHz的范围内设定，此微型电源设定在5MHz。二极管采用Vf=0.35V的肖特基二极管；输入输出电容器采用1μF的叠层陶瓷电容器；输出端接有控制脉冲串式输出的P沟道MOSFET（FET3），如果在Vrem控制端外加3V电压，FET3就导通。
在连续工作条件下，试制的微型电源输出2W时的效率，最高为86%（输入4.2V），最低为75%（输入3.0V）；输入3.6V、输出600mA时的效率为77%。输入3.6V、输出2W时电源输出噪声电平峰值电压为80mVp-p左右。
如上所述，直流变换器微型电源的研究取得显著进展。电源小型化的最大问题是伴随功耗产生的热（温升），有效的散热方法和提高效率，是必不可少的。发热问题的研究是今后电源能微型化到什么程度的重要课题之一。

4滤波器
高频滤波器一般采用电介质滤波器、表面弹性波滤波器和LC片式滤波器。近年开发出电感器的通信用薄膜LC滤波器。同时，随着通信系统的高频化、数字化，系统中产生共振噪声，为了降低它，又开发出薄膜噪声滤波器。下面介绍这两种滤波器。

（1）薄膜滤波器

薄膜滤波器有低通滤波器和带通滤波器。如图4.9所示，薄膜滤波由微型电感器L和薄膜电容器构成。都是三级滤波器，低通滤波器尺寸为2.8mm×3.5mm；带通滤波器尺寸为3.0mm×3.5mm。采用的微型电感器是图4.3中的外线圈内磁心型薄膜电感器：Cu导体宽100μm、间距10μm、匝数17。磁心用的磁性薄膜是零磁致伸缩的非晶Co-Fe-Si-B膜和SiO2膜组成的多层膜，尺寸为0.3mm×2.0mm，磁心总厚度为3μm。磁心和线圈间的绝缘层是将光刻胶在200℃固化形成的。电感值调整通过改变磁性薄膜总厚度进行。高频下多层结构因总膜厚不同，损耗大小有差异。因此，要求高电感（即磁性层总厚度厚）电感器的低通滤波器中，把0.1μm厚非晶Co-Fe-Si-B膜和0.05μm厚的SiO2膜交替叠层；而在要求低电感（即磁性层总厚度薄）电感器的带通滤滤器中，则将0.02μm厚非晶Co-Fe-Si-B膜和0.03μm厚的SiO2膜交替叠层。

薄膜电容器采用上下电极间夹电介质薄膜的夹层结构。电介质膜是在含5%氧的Ar气氛中将SiO2靶溅射而成，耐压70KV/mm。图4.10是图4.9(a)中L1=150nH、C1=31.9pF、L2=149nF、C2=12.9pF、L3=157nH、C3=3pF时的三级低通滤波器的衰减特性。从图中看出，在200MHz~2.8GHz和250MHz~2.0GHz的频段内分别可实现30dB以上和50dB以上的衰减。
以前为了除去辐射噪声，在信号线上装滤波器，使共模噪声不至于逸出装置以外。现有的噪声滤波器采用铁氧体磁心，尺寸为φ1～2cm，长数cm。但是，为了使通信装置高密度组装，强烈要求噪声滤波器体积小；重量轻。由于Snoek极限的限制，铁氧体噪声吸收频带的上限（磁导率虚部μ″有极大值的频率）约为1GHz，频率超过它不会有噪声抑制效果。在这样的背景下，希望研制更小的高频下也能用的噪声滤波器。
近年，在聚酰亚胺膜上形成单层坡莫合金薄膜，再将此薄膜卷成卷状滤波器，研讨了它的共模噪声抑制效果。所用的坡莫合金薄膜用溅射法制作，成分为零磁致伸缩的79.0wt%Ni-13.3wt%Fe-3.9wt%Cu-3.8wt%Mo，膜厚4μm。由于要卷在电缆上使用，用厚25μm聚酰亚胺膜做基片。坡莫合金薄膜各向异性场约为500A/m，Hc≈12A/m，Bs=0.72T，磁化轴方向的磁导率为1100。薄膜阻抗在100MHz以上大致为电阻性的。检测了此薄膜在1MHz～1GHz频段内的辐射噪声特性。在长210cm的12对总线电缆上串列卷上6张5cm×30cm的坡莫合金薄膜，可得到与铁氧体大致相同的噪声衰减量。6张坡莫合金膜的体积为2.7cm3，与铁氧体体积约4cm3相比，大约小于三分之一。另外，在电缆总长度范围内，每1m卷上660cm2的坡莫合金薄膜时，平均辐射噪声衰减10dB。相当于串列装上6个铁氧体磁心。现在的辐射噪声限制频段为30MHz～1GHz。但今后随着通信装置的高频化，更高频段噪声也会成为限制对象。因此，今后要开发研究以噪声滤波器为代表的解决EMC问题的磁性元件。

参考文献
日本应用磁气学会2000年vol24第10期，1313～1318页。