一种薄膜电感器的设计制造及其在小型直流变换器中的应用
2005-07-26 08:55:36
来源：《国际电子变压器》2005年8月刊
1引言
随着手机、便携式笔记本电脑应用的日益广泛和市场的不断扩大，要求其重量轻、体积小、性能优良。这些小型化电子设备中，大都使用容量大、寿命长的锂离子电池或者镍氢电池为电源。而且，这些小型化电子设备中同样需要有相关功能的元器件，因此要求有多种电压的供电电源。在这些小型化电子设备中通常采用直流变换器进行升压、降压或者转换，以便为各种器件提供能源。这类直流变换器一般由半导体开关、控制用IC、整流二极管等半导体器件以及电感器、变压器等磁性元件以及电容器组成。众所周知，提高半导体开关的“开关”频率，有利于缩小这类变换器的体积，但是，电源部件在其中所占有的比例通常是较大的，所以，实现电源的小型化、轻量化最有实际意义，这样就要求电感器、变压器等磁性元件做出贡献。这种电感器、变压器不同于那种由磁心和线圈组成的立体体积式的磁性元件，而是一种薄膜制作的低高度扁平型元件。薄膜磁性元件所以能适用于小型化便携式电子设备，因为其一，薄膜磁性元件本身是扁平型的；其二，薄膜磁性元件可以采用加工半导体器件的一些技术进行生产，它们可同时安装在同一基片上，简化了工序。为此，在小型化电子设备设计中，采用薄膜小型化磁性元件与提高电源的开关频率是同样重要的。
2薄膜电感器
在讨论设计薄膜电感器的结构时，首先将变换器的开关频率设定在MHz级。为此，根据电源设计要求，电感器的电感量L设计为1μH左右、电流在100mA以上，同时为了保证电源有较高的变换效率，线圈的直流电阻RDC应为1Ω左右，品质因数Q（＝ωL/R，式中，ω为角频率，R为损耗电阻）应为10左右。
2.1薄膜电感器的一般结构形式
众所周知，将磁性器件放置在高频交变磁场中时，必须尽量降低交变磁场所造成的磁滞损耗和涡流损耗；降低动态损耗最有效的方法是通过磁化循环来完成磁化过程。但是采用薄式平面线圈的电感器不可能利用磁化循环完成磁化过程，这是由于在平面线圈中，单位面积上电感量最大的线圈形状是螺旋状线圈，而螺旋状线圈中磁体的激磁方向是放射状的，如图1(b)所示。图1(a)是薄膜电感器的基本结构：它是用绝缘膜将相互串联并反向绕制的长方形双螺旋线圈隔开叠合，上下两面则放置软磁材料薄膜。由于矩形线圈在长轴方向上呈现出单轴磁异向性，流入线圈的电流所产生的磁场主要是在磁性薄膜的难磁化轴方向上，为此在上下磁性薄膜之间能够完成循环磁化的过程。
2.2薄膜电感器的设计要素
设计薄膜电感器需要掌握的主要参数有：线圈的匝数、线圈的长度/占空系数，磁性薄膜的厚度、磁性薄膜间的间隙等及其多种特性要素间的相互关系。然后将磁路转换成传输回路，对元件内的磁感应强度分布状况进行解析，以达到结构要素的最优化。对于用于电源的薄膜电感器，可以根据电源电路规格计算出电感值L以及某个量值以上的电流Imax。通常，容许的电流Imax的值是受损耗产生温升的极限值或者线圈磁场产生磁饱和之值决定的。在磁膜厚度为μm级的薄膜电感器中，产生磁膜磁饱和的电流值是个重要的指标。图2所示为经磁场分布分析求得的矩形双螺旋线圈结构薄膜电感器的电感值和允许电流值Imax（磁膜内的平均磁场或与其异向的磁场产生的线圈电流值）。
在图2中，磁膜的饱和磁感应强度为1.5T，异向磁场为HK，磁膜厚度为tm，相对于上、下层磁膜间隙g的电感值为L，容许电流为Imax。集成的电感器尺寸为4×6mm2，线圈为6匝(T)，线圈总长度()/间隙(g)＝180μm/50μm。由图2可见，线圈总长度()与允许电流（Imax）对于异向磁场HK是需要折衷处理的关系，和Imax都随着磁膜厚度的增加而增加。
鉴于材料与制造工艺的一些条件限制，选用了以上结构参数。但是，若要使线圈的直流电阻降到1Ω，则必须采用较厚的铜膜来制作线圈。为此，也必然会使磁膜的间隙g增大到几十μm。同时，为了防止由此造成的电感值L的下降，也必须增加磁膜的厚度。对于这些线圈、磁膜的尺寸参数而言，如何降低高频损耗是必须认真考虑的。为此可以采用线圈导体纵向分割，应用多层磁膜，以及进行磁膜的面内分割等综合措施。
3薄膜电感器用磁膜材料的选择
电源用薄膜电感器中的磁膜材料的选择是影响电感器的性能的最重要因素。为了满足薄膜电感器特性要求的条件，则选用的磁性材料的饱和磁感应强度要大，难磁化轴方向上的矫顽力要小，要能够产生磁各向异性，磁致伸缩系数要小，电阻率要高，制造过程中的最高温度要稳定，适合于批量生产等等。经过试验，本设计选用能够基本满足以上要素的FeCoBC系非晶软磁合金材料。该材料是一种在具有金属磁性能的几nm（纳米）粒度的FeCo基非晶态主相晶界面上裹覆着一层绝缘性BC基非晶相的双相非晶态结构，通过对它的成膜工艺条件的控制，此材料可获得1.5T以上的高饱和磁感应强度和40A/m级的低矫顽力，在320℃左右的温度时，旋加100KA/m左右的直流磁场，可以感应1KA/m级的异向磁场，并且能够满足混酸湿腐蚀等工艺条件，表2列出了这种材料的性能参数。
图3所示为FeCoBC典型材料的直流磁化特性和高频磁性能。从该图中可见，该材料具有显著的各向异性特征，而在难磁化轴向表现出良好的软磁材料特性。
4薄膜电感器的制造
图4示出了薄膜电感器的制造工序。由于薄膜电感器并不需要基片来起支承作用，故基片材料的选择可以有较大自由度，一般只需要从材料的成本及其加工要素考虑选择，本设计选用的是5吋的硅基板。
4.1磁膜的制造
实际电感器所用的“磁膜”是FeCoBC软磁材料与AlNX绝缘膜叠合后形成的FeCoBC/AlNX多层复合薄膜，其制造方法是在靶体上用直流磁控溅射方法形成FeCoBC磁膜并烧结，然后通过铝氮氧化反应，形成FeCoBC薄膜和AlNX薄膜相叠合的多层复合薄膜，其结构如图4所示。
制造多层叠合磁膜时，是以抗蚀膜作掩模，将磷酸为主的混酸温度控制在60℃左右进行刻蚀得到薄膜尺寸。另外，在320℃温度和128KA/m的外加直流磁场中将磁膜退火，即可获得单轴磁性各向异性的磁感应特性。
4.2镀铜线圈的制作
薄膜线圈采用硫酸/硫酸铜/其它添加剂为电镀液，通过电解镀铜法形成。首先，利用直流磁控溅射法在绝缘底膜表面形成1μm的铜层/1μm铌层作为电镀的电极膜；然后，将其中的1μm厚铜膜刻蚀成平面线圈图形，再使用AZ系材料涂复保护膜，根据平面线圈图案转换形成保护框膜，即可在铜膜上形成铜线圈。电镀形成的铜线圈的铜膜层厚的误差掌握在±5%以内，以保证其合适的直流电阻值。最后，借助CDE方法将电镀底层的铌膜进行腐蚀，去除掉磁膜的铌保护层。同时，为了保护铜线圈，可通过硅反应溅射法在线圈上蒸镀一层0.3μm厚的SiNx膜。
4.3绝缘膜的形成
薄膜电感器底层磁膜与平面线圈之间的绝缘层是使用硅氮化反应直流磁控溅射法产生一层5μm厚的SiNx薄膜形成的。
深度达50μm的线圈间隙中的绝缘物主要是通过聚酰亚胺以旋转充填涂复而后焙烘来完成的。由于线圈铜导体是倒退拔台阶形状，在常压下涂复聚酰亚胺会混入一些气泡，所以，必须在减压下涂复以减少气泡混入。再则，应应用多次反复地填充涂复与培烧，直到聚酰亚胺的表面粗糙度不大于1μm。然后，利用CF4/02气体的CDE处理方法，腐蚀铜线圈的上层，再将聚酰亚胺用以上同样的形成方法涂复到所要求的厚度，经过焙烘，在线圈与上层磁膜之间形成一层绝缘膜。
5薄膜电感器的性能检测
薄膜电感器的基本性能已由表1列出，图5所示为电感值L和品质因素Q与频率的关系以及电感值L与叠加电流的关系，由图5的曲线可见，电感值L与频率之间近似水平曲线；品质因数Q在2~3MHz之处的最大值为8，在5MHz之处的最大值为6.5。
图6所示为计算的薄膜电感器的Q值与其实测值和频率之间的关系。从图中可见，当频率超过1MHz时，计算的Q值与实测之间的差别相当明显，而且其差值与频率的平方成正比，涡流损耗也较小。由此可见，这种薄膜电感器用于几瓦级输出的直流变换器是十分合适的。
6薄膜电感器在小型直流变换器中的应用
使用锂电池的便携式电子设备，广泛地采用装有薄膜电感器的小型电源。其规格为：输入电压3.0~4.2V(平均3.6V)，输出电压4.7V，最大输出电流600mA，最大输出功率3W。其电路采用如图7所示的升压斩波直流变换电路，开关电源的频率设定在5MHz。在开发设计这种电源的同时，还研制了控制用IC以及开关元件，并且研究了将薄膜电感器和1608型多层陶瓷电容器安装在同一块基板上的工艺方法。该变换器的主要元器件有：
6.1控制PWM用的IC
控制用IC的模拟部分采用双极型结构，FET的驱动部分由CMOS构成。控制用IC的设定频率高达8MHz，占空比的上限值为85%。对于4.7V的基准电压，输出端将产生反馈，由此可以通过占空比来控制输出电压。驱动器能够以8MHz的频率驱动500PF的负载电容。
6.2开关元件
开关元件要求能够快速通断和低的导通电阻，为此研制了如图8所示的卧式N-ch-MOSFET。这种元件的输入电容容量为70PF，导通阻抗为0.7Ω，Vth=1.8V，额定电流为1A。图9示出了5MHz时的开关波形，开关时间为10nS。与用作电源开关的立式FET相比，其值小了1/2。为此，控制了高频开关损耗的增大。
6.3整流二极管
变换器的整流二极管采用肖特基势垒二极管。这种二极管的正向电压降(Vf)为0.37V(在额定电流值为1A时)，同时其导通电阻小，逆程时间短。
6.4电源装配
装配采用薄膜电感器的直流变换器时，一般使用多层元件封装（MCP）技术与工艺方法。MCP方法是一种将难以制成单片的各种元器混装在一只封装外壳内的新技术。MCP技术非常适合用半导体器件和薄膜电感器等复合器件构成的直流变换器的装配。
图10所示为经过了孔金属化镀复的双面布线印制电路板（PCB）上装配各种元器件的照片。
由于PCB的布线水平与质量对电源噪声的产生有很大影响，故PCB的布线设计应特别仔细并遵循规律。电源电路的装配是将薄膜电感器、各种半导体器件以裸片状态，使用焊膏与片式电容器、电感器一起贴装到PCB基板上。薄膜电感器在这里的另一个优点是它在装配中可以与半导体裸片进行同样的工艺处理。各元器件之间用30μm的金丝连接后再根据变换器的形式充填树脂成形。最终制成的是一只在9.3×25×2(mm3)的容积内装配了所要求元器的平滑的变换器。
6.5小型直流变换器的特性
这种小型变换器的控制特性见图11所示。
从图11可见，小型变换器对于3V~4.2V的输入电压变化范围内的输出电压变化在3%以内，也就是说，变换器从空载状态变化到最大输出电流值为600mA时，其输出电压的变化不会超过1%。由此可见这种变换器具有良好的控制特性。
图12示出了变换效率与输出电流之间的关系。由图12可见，对于锂离子二次电池3.6V的平均电压而言，300mA输出时的变换效率高达81%。
图13所示为输入电压3.6V，输出电流300mA时的输出电压波形。从中可见，电源的脉动噪声相当小，不超过2%。
参考文献（略）
随着手机、便携式笔记本电脑应用的日益广泛和市场的不断扩大，要求其重量轻、体积小、性能优良。这些小型化电子设备中，大都使用容量大、寿命长的锂离子电池或者镍氢电池为电源。而且，这些小型化电子设备中同样需要有相关功能的元器件，因此要求有多种电压的供电电源。在这些小型化电子设备中通常采用直流变换器进行升压、降压或者转换，以便为各种器件提供能源。这类直流变换器一般由半导体开关、控制用IC、整流二极管等半导体器件以及电感器、变压器等磁性元件以及电容器组成。众所周知，提高半导体开关的“开关”频率，有利于缩小这类变换器的体积，但是，电源部件在其中所占有的比例通常是较大的，所以，实现电源的小型化、轻量化最有实际意义，这样就要求电感器、变压器等磁性元件做出贡献。这种电感器、变压器不同于那种由磁心和线圈组成的立体体积式的磁性元件，而是一种薄膜制作的低高度扁平型元件。薄膜磁性元件所以能适用于小型化便携式电子设备，因为其一，薄膜磁性元件本身是扁平型的；其二，薄膜磁性元件可以采用加工半导体器件的一些技术进行生产，它们可同时安装在同一基片上，简化了工序。为此，在小型化电子设备设计中，采用薄膜小型化磁性元件与提高电源的开关频率是同样重要的。
2薄膜电感器
在讨论设计薄膜电感器的结构时，首先将变换器的开关频率设定在MHz级。为此，根据电源设计要求，电感器的电感量L设计为1μH左右、电流在100mA以上，同时为了保证电源有较高的变换效率，线圈的直流电阻RDC应为1Ω左右，品质因数Q（＝ωL/R，式中，ω为角频率，R为损耗电阻）应为10左右。
2.1薄膜电感器的一般结构形式
众所周知，将磁性器件放置在高频交变磁场中时，必须尽量降低交变磁场所造成的磁滞损耗和涡流损耗；降低动态损耗最有效的方法是通过磁化循环来完成磁化过程。但是采用薄式平面线圈的电感器不可能利用磁化循环完成磁化过程，这是由于在平面线圈中，单位面积上电感量最大的线圈形状是螺旋状线圈，而螺旋状线圈中磁体的激磁方向是放射状的，如图1(b)所示。图1(a)是薄膜电感器的基本结构：它是用绝缘膜将相互串联并反向绕制的长方形双螺旋线圈隔开叠合，上下两面则放置软磁材料薄膜。由于矩形线圈在长轴方向上呈现出单轴磁异向性，流入线圈的电流所产生的磁场主要是在磁性薄膜的难磁化轴方向上，为此在上下磁性薄膜之间能够完成循环磁化的过程。
2.2薄膜电感器的设计要素
设计薄膜电感器需要掌握的主要参数有：线圈的匝数、线圈的长度/占空系数，磁性薄膜的厚度、磁性薄膜间的间隙等及其多种特性要素间的相互关系。然后将磁路转换成传输回路，对元件内的磁感应强度分布状况进行解析，以达到结构要素的最优化。对于用于电源的薄膜电感器，可以根据电源电路规格计算出电感值L以及某个量值以上的电流Imax。通常，容许的电流Imax的值是受损耗产生温升的极限值或者线圈磁场产生磁饱和之值决定的。在磁膜厚度为μm级的薄膜电感器中，产生磁膜磁饱和的电流值是个重要的指标。图2所示为经磁场分布分析求得的矩形双螺旋线圈结构薄膜电感器的电感值和允许电流值Imax（磁膜内的平均磁场或与其异向的磁场产生的线圈电流值）。
在图2中，磁膜的饱和磁感应强度为1.5T，异向磁场为HK，磁膜厚度为tm，相对于上、下层磁膜间隙g的电感值为L，容许电流为Imax。集成的电感器尺寸为4×6mm2，线圈为6匝(T)，线圈总长度()/间隙(g)＝180μm/50μm。由图2可见，线圈总长度()与允许电流（Imax）对于异向磁场HK是需要折衷处理的关系，和Imax都随着磁膜厚度的增加而增加。
鉴于材料与制造工艺的一些条件限制，选用了以上结构参数。但是，若要使线圈的直流电阻降到1Ω，则必须采用较厚的铜膜来制作线圈。为此，也必然会使磁膜的间隙g增大到几十μm。同时，为了防止由此造成的电感值L的下降，也必须增加磁膜的厚度。对于这些线圈、磁膜的尺寸参数而言，如何降低高频损耗是必须认真考虑的。为此可以采用线圈导体纵向分割，应用多层磁膜，以及进行磁膜的面内分割等综合措施。
3薄膜电感器用磁膜材料的选择
电源用薄膜电感器中的磁膜材料的选择是影响电感器的性能的最重要因素。为了满足薄膜电感器特性要求的条件，则选用的磁性材料的饱和磁感应强度要大，难磁化轴方向上的矫顽力要小，要能够产生磁各向异性，磁致伸缩系数要小，电阻率要高，制造过程中的最高温度要稳定，适合于批量生产等等。经过试验，本设计选用能够基本满足以上要素的FeCoBC系非晶软磁合金材料。该材料是一种在具有金属磁性能的几nm（纳米）粒度的FeCo基非晶态主相晶界面上裹覆着一层绝缘性BC基非晶相的双相非晶态结构，通过对它的成膜工艺条件的控制，此材料可获得1.5T以上的高饱和磁感应强度和40A/m级的低矫顽力，在320℃左右的温度时，旋加100KA/m左右的直流磁场，可以感应1KA/m级的异向磁场，并且能够满足混酸湿腐蚀等工艺条件，表2列出了这种材料的性能参数。
图3所示为FeCoBC典型材料的直流磁化特性和高频磁性能。从该图中可见，该材料具有显著的各向异性特征，而在难磁化轴向表现出良好的软磁材料特性。
4薄膜电感器的制造
图4示出了薄膜电感器的制造工序。由于薄膜电感器并不需要基片来起支承作用，故基片材料的选择可以有较大自由度，一般只需要从材料的成本及其加工要素考虑选择，本设计选用的是5吋的硅基板。
4.1磁膜的制造
实际电感器所用的“磁膜”是FeCoBC软磁材料与AlNX绝缘膜叠合后形成的FeCoBC/AlNX多层复合薄膜，其制造方法是在靶体上用直流磁控溅射方法形成FeCoBC磁膜并烧结，然后通过铝氮氧化反应，形成FeCoBC薄膜和AlNX薄膜相叠合的多层复合薄膜，其结构如图4所示。
制造多层叠合磁膜时，是以抗蚀膜作掩模，将磷酸为主的混酸温度控制在60℃左右进行刻蚀得到薄膜尺寸。另外，在320℃温度和128KA/m的外加直流磁场中将磁膜退火，即可获得单轴磁性各向异性的磁感应特性。
4.2镀铜线圈的制作
薄膜线圈采用硫酸/硫酸铜/其它添加剂为电镀液，通过电解镀铜法形成。首先，利用直流磁控溅射法在绝缘底膜表面形成1μm的铜层/1μm铌层作为电镀的电极膜；然后，将其中的1μm厚铜膜刻蚀成平面线圈图形，再使用AZ系材料涂复保护膜，根据平面线圈图案转换形成保护框膜，即可在铜膜上形成铜线圈。电镀形成的铜线圈的铜膜层厚的误差掌握在±5%以内，以保证其合适的直流电阻值。最后，借助CDE方法将电镀底层的铌膜进行腐蚀，去除掉磁膜的铌保护层。同时，为了保护铜线圈，可通过硅反应溅射法在线圈上蒸镀一层0.3μm厚的SiNx膜。
4.3绝缘膜的形成
薄膜电感器底层磁膜与平面线圈之间的绝缘层是使用硅氮化反应直流磁控溅射法产生一层5μm厚的SiNx薄膜形成的。
深度达50μm的线圈间隙中的绝缘物主要是通过聚酰亚胺以旋转充填涂复而后焙烘来完成的。由于线圈铜导体是倒退拔台阶形状，在常压下涂复聚酰亚胺会混入一些气泡，所以，必须在减压下涂复以减少气泡混入。再则，应应用多次反复地填充涂复与培烧，直到聚酰亚胺的表面粗糙度不大于1μm。然后，利用CF4/02气体的CDE处理方法，腐蚀铜线圈的上层，再将聚酰亚胺用以上同样的形成方法涂复到所要求的厚度，经过焙烘，在线圈与上层磁膜之间形成一层绝缘膜。
5薄膜电感器的性能检测
薄膜电感器的基本性能已由表1列出，图5所示为电感值L和品质因素Q与频率的关系以及电感值L与叠加电流的关系，由图5的曲线可见，电感值L与频率之间近似水平曲线；品质因数Q在2~3MHz之处的最大值为8，在5MHz之处的最大值为6.5。
图6所示为计算的薄膜电感器的Q值与其实测值和频率之间的关系。从图中可见，当频率超过1MHz时，计算的Q值与实测之间的差别相当明显，而且其差值与频率的平方成正比，涡流损耗也较小。由此可见，这种薄膜电感器用于几瓦级输出的直流变换器是十分合适的。
6薄膜电感器在小型直流变换器中的应用
使用锂电池的便携式电子设备，广泛地采用装有薄膜电感器的小型电源。其规格为：输入电压3.0~4.2V(平均3.6V)，输出电压4.7V，最大输出电流600mA，最大输出功率3W。其电路采用如图7所示的升压斩波直流变换电路，开关电源的频率设定在5MHz。在开发设计这种电源的同时，还研制了控制用IC以及开关元件，并且研究了将薄膜电感器和1608型多层陶瓷电容器安装在同一块基板上的工艺方法。该变换器的主要元器件有：
6.1控制PWM用的IC
控制用IC的模拟部分采用双极型结构，FET的驱动部分由CMOS构成。控制用IC的设定频率高达8MHz，占空比的上限值为85%。对于4.7V的基准电压，输出端将产生反馈，由此可以通过占空比来控制输出电压。驱动器能够以8MHz的频率驱动500PF的负载电容。
6.2开关元件
开关元件要求能够快速通断和低的导通电阻，为此研制了如图8所示的卧式N-ch-MOSFET。这种元件的输入电容容量为70PF，导通阻抗为0.7Ω，Vth=1.8V，额定电流为1A。图9示出了5MHz时的开关波形，开关时间为10nS。与用作电源开关的立式FET相比，其值小了1/2。为此，控制了高频开关损耗的增大。
6.3整流二极管
变换器的整流二极管采用肖特基势垒二极管。这种二极管的正向电压降(Vf)为0.37V(在额定电流值为1A时)，同时其导通电阻小，逆程时间短。
6.4电源装配
装配采用薄膜电感器的直流变换器时，一般使用多层元件封装（MCP）技术与工艺方法。MCP方法是一种将难以制成单片的各种元器混装在一只封装外壳内的新技术。MCP技术非常适合用半导体器件和薄膜电感器等复合器件构成的直流变换器的装配。
图10所示为经过了孔金属化镀复的双面布线印制电路板（PCB）上装配各种元器件的照片。
由于PCB的布线水平与质量对电源噪声的产生有很大影响，故PCB的布线设计应特别仔细并遵循规律。电源电路的装配是将薄膜电感器、各种半导体器件以裸片状态，使用焊膏与片式电容器、电感器一起贴装到PCB基板上。薄膜电感器在这里的另一个优点是它在装配中可以与半导体裸片进行同样的工艺处理。各元器件之间用30μm的金丝连接后再根据变换器的形式充填树脂成形。最终制成的是一只在9.3×25×2(mm3)的容积内装配了所要求元器的平滑的变换器。
6.5小型直流变换器的特性
这种小型变换器的控制特性见图11所示。
从图11可见，小型变换器对于3V~4.2V的输入电压变化范围内的输出电压变化在3%以内，也就是说，变换器从空载状态变化到最大输出电流值为600mA时，其输出电压的变化不会超过1%。由此可见这种变换器具有良好的控制特性。
图12示出了变换效率与输出电流之间的关系。由图12可见，对于锂离子二次电池3.6V的平均电压而言，300mA输出时的变换效率高达81%。
图13所示为输入电压3.6V，输出电流300mA时的输出电压波形。从中可见，电源的脉动噪声相当小，不超过2%。
参考文献（略）
暂无评论