1引言 通信器件和网络信息终端，如蜂窝电话，已变成了随处可见的网络概念。预计到2010年，电能的消耗量可为现在的2倍多。与此同时，大规模集成（LSI）电路的高密度集成LSI加工线宽减至100nm以下，驱动电压则降为1V以下。从节能的观点看，大的电压降产生大的热耗是不允许的，故需要开发高效的微型直流变换器。在将来，这种微型电源与使用替补燃油和太阳能电池一类低密度微型能源无关。 新的微型直流变换器采用低高度微型电感器和电容器，使其适用于芯片埋入芯片（CEC）或者埋入片上系统（SOC）。本文介绍一种新的厚300μm，具有高直流偏置性能的微型电感器。它是应用新的功率MEMS技术、连续成膜技术和磁性薄膜纳米技术开发出来的。这种微型电感器用作倒装芯片式微型电源时高度低，并且不像使用氧化物电感器那样容易断裂。 2实验 微型电感器用沉积在柔性薄基片上的软磁薄膜磁心，即所谓的复合多层磁心（见图1）做成。磁心总厚度240μm，其中含8层聚酰亚胺叠片，每层厚24μm，有16个非晶磁层，每层厚3μm。 磁心运用纳米技术沉积到柔性基片的两个面上，得到厚度（Co79Fe3Si10B8/Ti/SiO2）×n=(100nm/5nm/30nm)×22=3μm。这些膜是使用传统的射频（RF）溅射设备或者用RF+dc多靶连续溅射设备，电镀到聚酰亚胺片上的。 线圈用功率MEMS技术绕到柔性薄基片上，能承载1A的大电流，即电流密度可达104A/cm2。 图2是一个用3层导体和10层磁心构成的厚绕组线圈电感器。这个线圈、矩形线圈导体和磁心的尺寸分别是2mm×2mm×0.75mm，75μm×150μm和30μm×10层。厚300μm的倒装芯片微型电感器，由1层绕组和镀有磁膜的6层聚酰亚胺片组成。 设计师用内、外复合叠层磁心的三维（3D）Maxwell模型，研究和计算微型电感器的效率与直流偏置特性，以及磁通的分布。 3结果与讨论 在研制倒装芯片微型电感器的过程中，计算出多层磁心的磁场强度和电感量。图3示出尺寸为2000μm×300μm×3μm矩形磁心，在易轴（窄的）和难轴（长的）方向上的磁化曲线。由于退磁，难轴方向上的M-H回线显得比易轴方向上的标准。难轴方向上的这部分磁心显示饱和磁化强度1.2T，矫顽力64A/m（0.8Oe），各向异性场Hk=2.1kA/m（26.3Oe）和起始磁导率μ′=Bs/Hk≈460。如图4表明，到1GHz时，μ′都呈现出平滑的频率特性曲线；用Landau-Lifschitz-Gilbert(LLG)公式计算材料的品质因素，Qmat=μ′/μ″(在几兆赫频段大于数百)。由于高频下的计算值与测量结果相当一致，故可以外推出在数兆赫的μ′和μ″值。根据这些结果判定，把这种复合多层磁心用于倒装芯片微型电感器，可以获得良好的性能。 图5绘出2mm×2mm×1.1mm微型电感器在40kHz~10MHz间的电感L与偏置直流间的关系曲线。加0~1A偏置直流，这种微型电感器显示出优异的直流偏置特性，电感量稳定在4μH以上。到1MHz，电阻低至0.4~1Ω，这对厚70μm、宽150μm、40匝绕组厚矩形导体的结果很有利。为了分析恒电感的这种优异直流偏置性能，设计出一种微螺旋形线圈，并用3D Max well模型进行了模拟，图6是这个微型线圈中竖直部分磁层的磁场强度与屏蔽效果，解3D涡流问题用的分析模型，绝缘子间有44颗2000μm×300μm×3μm薄膜磁心，每个绝缘层厚25μm。 图7是微型线圈中心水平载面×（宽度）方向的场强。用200mA和1MHz交流电流驱动磁心产生900G磁通密度时，在磁心之间和Cu导体中都没有产生磁场。计算证明，在螺旋形线圈周围大约有25G漏磁场。 在Z（厚度）方向计算整个22层磁心场强的结果表明，复合多层磁心有图8给出的结果。外部磁层有大到1800G的磁场，而内磁层仅有900G。这说明，增大磁场也不容易使内磁层饱和。这是用25μm厚绝缘层将复合多层磁心划分成单个磁层产生的屏蔽效果。这些结果证实，优异的直流偏置特性是采用复合多层结果获得的。 4结论 总之，复合多层磁心的技术性能优良。使用这种磁心，微型电感器显示出如下的良好特性： a. 复合多层磁心具有突出的软磁性能——矫顽力64A/m（0.8Oe），起始磁导率接近460，且到1GHz也有平滑的频率特性曲线，在几兆赫品质因素大于数百。 b. 运用新的功率MEMS技术和磁性薄膜纳米技术，已开发出300μm厚新的倒装芯片微型电感器。这种器件表现出柔性，而不像使用氧化物的电感器那样容易断裂。 c. 这种新的微型电感器，通过0-1A电流时，电感值恒定在4μH以上都呈现高的直流偏置性能，这是因为采用了复合多层结构的结果。 d. 从计算的结果发现，优异直流偏置性能源于复合多层磁心的屏蔽效应。 参考文献 IEEE Trams. Magn 2003年，39卷第5期，3187-3189页.