平面薄膜电感的研究与开发现状
The Present Situation on the Research and Development of Thin-film Inductor

1 引言
随着电子系统向高集成度、高复杂度方向发展，势必要求在更小的基片上集成更多的元器件。这除了要求高密度集成技术的发展外，从器件本身出发，研制小型化、薄膜化的器件，以减小系统的整体体积、重量，无疑为一可行的途径。而作为最重要的磁性元器件之一的电感，它不仅在滤波电路、扼流圈、天线中必不可少，也是构成变压器的基本组成单元，其片式化、薄膜化将带动磁性元件向小型化发展。近十年来日本东芝公司[1，2]、TDK公司、日本Tohoku大学[3]、贝尔实验室[4]、美国斯坦福大学[5]等著名研究机构在这一领域已进行了一系列基础性研究和相关实用化产品的开发，并已取得了较为显著的成果。而在国内，对此领域的研究还基本处于实验阶段。本文将国内外近年来所研发的几种平面薄膜电感作一简单介绍，以供国内同行参考。
2 薄膜电感的类型及结构
2.1 编织结构型电感
编织结构型电感的结构如图1所示。这种电感的磁芯为Co-Fe-Si-B材料，采用RF磁控溅射的方法在光敏微晶玻璃基片上制成。

由于采用这种编织结构，使得电感的结构更为紧密，在单位体积内获得更高的电感；并且磁芯闭合使得磁路闭合，漏磁大大减小，这样可以使电感量大大提高；另外由于其结构特点，整个电感采用了无数多个薄膜磁芯，各自分离的磁芯使随频率增高而增大的涡流不能形成整体的闭合回路，有效地抑制了涡流损耗，使电感的品质因数Q得到了一定的提高。但其制作过程复杂、工艺难度高，重复性不太好。
由日本Tohoku大学研制的这种编织型薄膜电感[3]，其尺寸为2.3×2.3mm，在100MHz附近其品质因数达到最大值，电感量为40～50nH，比其空芯电感（30nH）有了大幅的提高。
另一种结构的编织型电感其磁芯采用若干超细软磁丝线，线圈采用若干细铜丝，以平行的非晶丝带为经，平行的铜丝为纬构成编织状。构成这种电感磁芯的超细非晶丝带可通过化学刻蚀方法得到，刻蚀液稀HNO3要控制在较低的温度，并由刻蚀时间长短来决定非晶丝带的直径大小，因而工艺难度较高，重复性较差，目前尚处于实验阶段。
2.2 螺旋线圈型薄膜电感
螺旋线圈型薄膜电感是最常见的一种薄膜电感，是目前有芯与无芯电感的主要绕线形式。磁芯可选用CoNbZr、FeTaN、FeSiAl[6]等磁性薄膜材料。其绕线采用掩膜或光刻，易于实现，因此是各种薄膜电感中研究最广泛的一种。其结构如图2所示，具体制作方法如图3所示。


日本富士电气公司[7]将上述结构的平面电感集成一微型（4×5mm）DC-DC开关电源上，在开关频率为3MHz时，得到功率密度为5.6W/cm3，转换效率为80%的优良性能。
对于该种结构还可采用磁控溅射与离子刻蚀相结合的方法，使磁芯与导线具有相同的形状，这样可以大大减小漏感，使电感量有大幅的提高[8]，但其工艺难度高。
2.3 “之”字形薄膜电感
“之”字型电感量上述螺旋型薄膜电感的变形，其绕线如图4所示，这种线圈具有众多的转角，增大了有效面积，大大地节省了空间，从而使单位面积内的电感量大大提高。但随着转角的增多，导线长度随之增长，进而导致电阻增大，使Q值有所下降。

2.4 PCB板上制作的双面耦合薄膜电感
前面几种薄膜电感均为单面，我们利用PCB板制版的优势则可制作双面耦合电感，其基本绕线形成为螺旋形（图2）。由于在PCB板上制作线圈比采用光刻、离子刻蚀等方法简单、方便，且成本低；而且由于可以制作双面板、多层板，不但可以增大电感之间的耦合度，还可以在单位面积内获得比单面高2倍的电感量，因而对于在更小的平面内获得更大的电感是一条极有利的途径。我们在7×7mm的PCB板上制作出了线宽为0.2mm、线间距为0.25mm的薄膜电感，其电感量在100MHz时可达到300nH左右，比单面板的几十nH高出了许多。但由于PCB板的平整度、光洁度都不如Si基片和光敏微晶玻璃基片，造成了膜的附着性不太好，进而影响电感量和品质因数的进一步提高。
以上各种薄膜电感器都有其利弊，因而可以根据实际需要选择符合要求的电感形式，以获得满足应用要求的电感。我们相信随着薄膜技术的发展，以及通讯频段向高频扩展的需求，薄膜电感必将在移动通讯、阻抗匹配器、笔记本电脑、集成控制DC/DC变换器等领域得到广泛的应用。
3 结束语
平面薄膜电感作为电感的一个新的发展方向，对其研究和开发是相当重要的。利用它不仅可以实现电感器的平面化，而且也是射频通讯电路实现片上系统的关键。纵观国内外的研究现状，对其研究都处于实验室阶段，且制成的薄膜电感品质因数较低，因而如何在保证其电感量的同时提高品质因数和将其产品化，是平面薄膜电感研究的重点。■

参考文献（略）

（转载自《磁性材料及器件》2003年第2期）