用精细加工制造电感器
2005-12-05 09:36:36
来源：《国际电子变压器》2005年12月刊
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1引言
人们已研制开发出了多种用电镀方法制造的以坡莫合金材料作磁心的电感器，但它们的高频特性比较差，电感量小，品质因数较低，交流电阻大，损耗较大等影响其使用。用精细加工技术制造的电感器则具有电阻值小，电感值大，Q值高等，从而应用广泛，如微小型传感器、滤波器、开关电源变换器、多基片组件、驱动器等中均有采用。特别在下列产品与系统中广泛作用：移动通讯、手提电脑、军用航空航天设备以及其它便携式电子设备电源中的直流变换器。
采用精细加工技术制造的电感器用于小型化直流变换器中可以开发许多潜在优点，如工作频率高、效率高、品质因数高、成本较低、功率损耗小等。在使用高开关频率时，精细加工的电感器可能替代小型化表面贴装型磁性元件。
以精细加工技术制造的磁性元件被设计成完全闭合磁路，这样可使漏磁通最小化。由于漏磁通不被计算在元件的总电感量中，而且它对同一基板上的别的集成电路不产生干扰。本文研究开发的是低温精细加工技术制造电感元件，以降低成本并使电源的变换器件和电子系统完全集成化，采用分层的片状磁心也改善了元件的高频特性。
在本研究课题中，利用了精细加工技术将单个整体的坡莫合金磁心分割成水平的若干薄片，这样可使其在高频工作时增大电感量，提高品质因数，降低磁心损耗。这种分层磁心用矩形坡莫合金薄片构成，片间相互绝缘。这里研究的精细加工电感器有一个闭合的磁心，它是由一块上部磁心，二条边磁片，一块中心磁心和一块底部磁心组成，形成一个封闭的磁路（见图2h）。中心的磁心由几片组成，用两层水平叠装螺旋型线圈环绕。这种精细加工电感器是制作在硅基片上的，与CMOS加工方法雷同。
2精细加工电感器的设计与模型
原先设计的微型电感器大都是传统的平面螺旋状绕组与电镀金属合金磁心相结合的变型。由于螺旋型绕组电感器几何结构形状简单并且加工工艺容易，故多被设计者采用。但由于绕组的圈数较多，这种元件占用的面积就较大，高电感值和高品质因数是因此而获得的。为了避免占用过大面积，必须把线圈导体进行水平叠装，而每层导体可经过孔来连接。同时，水平叠装的螺旋型线圈也有助于提高互感值。绕组的线匝紧贴于磁心减小了线匝之间的空隙从而使总电感量增大。图1为所研制的具有双层水平叠装线圈及闭合磁心的精细加工的电感器的顶视图。在高频工作时，较宽和较厚尺寸磁心的电阻率低并受趋肤效应影响，这是电感器不希望存在的。低电阻率将增加磁心的损耗，趋肤效应则减少了磁心的有效截面积。因此而将较厚和较宽的磁心分解成若干薄片，如图1(b)所示，以增加磁心的电阻率，减小趋肤效应的影响。
3精细加工简介
首先在硅基片上沉积厚度为0.5μm的硅氧化物及种晶层（Cr/Cu/Ti），然后把聚酰亚胺喷涂在种晶层上，以用作形成底层磁心的电镀模板[见图2(b)]。再采用标准的电镀工艺用坡莫合金（Ni80Fe20）充填电镀模板。用旋甩法均匀并固化镀敷的磁心顶部的两层聚酰亚胺涂层，用来作为铜线圈和磁心之间的绝缘层[见图2(c)]。并且在沉积的种晶层（Cr/Cu/Ti）上采用厚的光刻胶形成底层螺旋型导线的电镀模板[见图2(c)和图2(d)]。然后再电镀铜充填电镀模板。在去除掉光刻胶和种晶层以后，以聚酰亚胺喷涂在导线上部，并在300℃的温度下固化1小时。
采用等离子蚀刻工艺形成穿孔模板，然后用直流溅蚀沉积晶层[见图2(e)]。将厚的光刻胶涂敷在种晶层顶部并仿照图2(c)形成顶部螺旋型导线电镀模板[见图2(e)]。然后电镀铜填入电镀模板再去除掉光刻胶模板并湿蚀种晶层。接着，涂敷并固化聚酰亚胺以形成底部铜线圈与磁心间的绝缘层[图2(e)所示]。
在已固化的聚酰亚胺层的上面沉积并仿照以上所述的方法形成两侧和中间磁心的电镀模板[见图2(f)]。采用氧离子蚀刻形成电镀模板，电镀坡莫合金充满电镀模板。然后，把种晶层沉积到电镀的坡莫合金的上面[见图2(f)]。将厚的光刻胶涂敷在种晶层的上面并仿照形成上面的磁心[见图2(g)]。再一次电镀坡莫合金填满电镀模板。去除掉光刻胶模板后湿蚀种晶层。旋甩并固化聚酰亚胺，然后用干蚀来贯通连接焊盘[如图2(h)示]，再湿蚀底部种晶层后，样品即可付诸试验。
图3和图4是在硅基片上用精细加工技术制作的新型电感器的照片。
4实验结果与讨论
用电镀形成的坡莫合金膜层的起始相对磁导率和饱和磁通密度分别为1100和0.9特斯拉。使用精密电感分析仪对精细加工的电感器成品进行测量，其加工的成品率可达90%。表1列出了几种不同几何尺寸的精细加工的电感器。
图5示出了硅基片上的精细加工电感器的电感量和交流电阻值。由图5可见C型电感器具有324片水平薄片磁心，因此它比其它型式的电感器具有更好的高频特性：即在高频时，C型电感器具有最大的电感量和最小的交流电阻值。而A型电感器具有最小的电感量和最大的交流电阻值。图6比较了B型电感器的绕组线圈匝数不同时的电感量和交流电阻值。如图6所示，电感量随绕组匝数的增加而增大，而随频率的提高而急剧减小。这是由于频率增加时趋肤效应和磁导率下降的缘故：在几百kHz以内，交流电阻稍有增加，而在几百kHz以上，因为高频使磁心的损耗增大，交流电阻迅速增大。已制成的精细加工的电感器之电感量很大，范围在4~6μH。这种电感器采用的硅基片的电阻率为3~7Ωcm，厚度为331μm~431μm。
5结论
用精细加工技术在硅基片上制作成功完全集成化的微型电感器，具有双层水平叠装螺旋型线圈和不同几何尺寸的磁心。对不同的电感器进行比较后可见：由多个小片组合成的中心叠片式磁心电感器比其它型式的电感器之高频特性更好。用精细加工技术制作电感器是常温下加工，制作程序与一般形式封装的CMOS加工工序兼容。这种精细加工技术制造的电感器可用于多基片组件、紧凑型电子系统、有封装的微型磁性传感器和集成传动装置中的集成无源器件。
(参考文献略）
人们已研制开发出了多种用电镀方法制造的以坡莫合金材料作磁心的电感器，但它们的高频特性比较差，电感量小，品质因数较低，交流电阻大，损耗较大等影响其使用。用精细加工技术制造的电感器则具有电阻值小，电感值大，Q值高等，从而应用广泛，如微小型传感器、滤波器、开关电源变换器、多基片组件、驱动器等中均有采用。特别在下列产品与系统中广泛作用：移动通讯、手提电脑、军用航空航天设备以及其它便携式电子设备电源中的直流变换器。
采用精细加工技术制造的电感器用于小型化直流变换器中可以开发许多潜在优点，如工作频率高、效率高、品质因数高、成本较低、功率损耗小等。在使用高开关频率时，精细加工的电感器可能替代小型化表面贴装型磁性元件。
以精细加工技术制造的磁性元件被设计成完全闭合磁路，这样可使漏磁通最小化。由于漏磁通不被计算在元件的总电感量中，而且它对同一基板上的别的集成电路不产生干扰。本文研究开发的是低温精细加工技术制造电感元件，以降低成本并使电源的变换器件和电子系统完全集成化，采用分层的片状磁心也改善了元件的高频特性。
在本研究课题中，利用了精细加工技术将单个整体的坡莫合金磁心分割成水平的若干薄片，这样可使其在高频工作时增大电感量，提高品质因数，降低磁心损耗。这种分层磁心用矩形坡莫合金薄片构成，片间相互绝缘。这里研究的精细加工电感器有一个闭合的磁心，它是由一块上部磁心，二条边磁片，一块中心磁心和一块底部磁心组成，形成一个封闭的磁路（见图2h）。中心的磁心由几片组成，用两层水平叠装螺旋型线圈环绕。这种精细加工电感器是制作在硅基片上的，与CMOS加工方法雷同。
2精细加工电感器的设计与模型
原先设计的微型电感器大都是传统的平面螺旋状绕组与电镀金属合金磁心相结合的变型。由于螺旋型绕组电感器几何结构形状简单并且加工工艺容易，故多被设计者采用。但由于绕组的圈数较多，这种元件占用的面积就较大，高电感值和高品质因数是因此而获得的。为了避免占用过大面积，必须把线圈导体进行水平叠装，而每层导体可经过孔来连接。同时，水平叠装的螺旋型线圈也有助于提高互感值。绕组的线匝紧贴于磁心减小了线匝之间的空隙从而使总电感量增大。图1为所研制的具有双层水平叠装线圈及闭合磁心的精细加工的电感器的顶视图。在高频工作时，较宽和较厚尺寸磁心的电阻率低并受趋肤效应影响，这是电感器不希望存在的。低电阻率将增加磁心的损耗，趋肤效应则减少了磁心的有效截面积。因此而将较厚和较宽的磁心分解成若干薄片，如图1(b)所示，以增加磁心的电阻率，减小趋肤效应的影响。
3精细加工简介
首先在硅基片上沉积厚度为0.5μm的硅氧化物及种晶层（Cr/Cu/Ti），然后把聚酰亚胺喷涂在种晶层上，以用作形成底层磁心的电镀模板[见图2(b)]。再采用标准的电镀工艺用坡莫合金（Ni80Fe20）充填电镀模板。用旋甩法均匀并固化镀敷的磁心顶部的两层聚酰亚胺涂层，用来作为铜线圈和磁心之间的绝缘层[见图2(c)]。并且在沉积的种晶层（Cr/Cu/Ti）上采用厚的光刻胶形成底层螺旋型导线的电镀模板[见图2(c)和图2(d)]。然后再电镀铜充填电镀模板。在去除掉光刻胶和种晶层以后，以聚酰亚胺喷涂在导线上部，并在300℃的温度下固化1小时。
采用等离子蚀刻工艺形成穿孔模板，然后用直流溅蚀沉积晶层[见图2(e)]。将厚的光刻胶涂敷在种晶层顶部并仿照图2(c)形成顶部螺旋型导线电镀模板[见图2(e)]。然后电镀铜填入电镀模板再去除掉光刻胶模板并湿蚀种晶层。接着，涂敷并固化聚酰亚胺以形成底部铜线圈与磁心间的绝缘层[图2(e)所示]。
在已固化的聚酰亚胺层的上面沉积并仿照以上所述的方法形成两侧和中间磁心的电镀模板[见图2(f)]。采用氧离子蚀刻形成电镀模板，电镀坡莫合金充满电镀模板。然后，把种晶层沉积到电镀的坡莫合金的上面[见图2(f)]。将厚的光刻胶涂敷在种晶层的上面并仿照形成上面的磁心[见图2(g)]。再一次电镀坡莫合金填满电镀模板。去除掉光刻胶模板后湿蚀种晶层。旋甩并固化聚酰亚胺，然后用干蚀来贯通连接焊盘[如图2(h)示]，再湿蚀底部种晶层后，样品即可付诸试验。
图3和图4是在硅基片上用精细加工技术制作的新型电感器的照片。
4实验结果与讨论
用电镀形成的坡莫合金膜层的起始相对磁导率和饱和磁通密度分别为1100和0.9特斯拉。使用精密电感分析仪对精细加工的电感器成品进行测量，其加工的成品率可达90%。表1列出了几种不同几何尺寸的精细加工的电感器。
图5示出了硅基片上的精细加工电感器的电感量和交流电阻值。由图5可见C型电感器具有324片水平薄片磁心，因此它比其它型式的电感器具有更好的高频特性：即在高频时，C型电感器具有最大的电感量和最小的交流电阻值。而A型电感器具有最小的电感量和最大的交流电阻值。图6比较了B型电感器的绕组线圈匝数不同时的电感量和交流电阻值。如图6所示，电感量随绕组匝数的增加而增大，而随频率的提高而急剧减小。这是由于频率增加时趋肤效应和磁导率下降的缘故：在几百kHz以内，交流电阻稍有增加，而在几百kHz以上，因为高频使磁心的损耗增大，交流电阻迅速增大。已制成的精细加工的电感器之电感量很大，范围在4~6μH。这种电感器采用的硅基片的电阻率为3~7Ωcm，厚度为331μm~431μm。
5结论
用精细加工技术在硅基片上制作成功完全集成化的微型电感器，具有双层水平叠装螺旋型线圈和不同几何尺寸的磁心。对不同的电感器进行比较后可见：由多个小片组合成的中心叠片式磁心电感器比其它型式的电感器之高频特性更好。用精细加工技术制作电感器是常温下加工，制作程序与一般形式封装的CMOS加工工序兼容。这种精细加工技术制造的电感器可用于多基片组件、紧凑型电子系统、有封装的微型磁性传感器和集成传动装置中的集成无源器件。
(参考文献略）
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