芯片尺寸级组件(CSM)及其在微型电源IC中的应用
2009-04-08 13:57:35
来源：《国际电子变压器》2009年4月刊
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1 引言
近十多年来，手机、数码相机、数字电视和便携式视频设备等电子产品迅速普及，成了人们日常生活中广泛大量使用的产品，所以，对于驱动便携式电子设备用的电源，要求其尺寸小，厚度薄，重量轻，变换效率高等性能指标日渐提高。同时，在另一方面，还要求这些产品更快地向高功率、多功能、复合化方向发展，故其使用的微处理器数量，消耗的功率都显著增大。再进一步的要求是其供电电源电压的低压化，迫使其开关电源减小尺寸，降低高度，提高性能。为满足这些要求，在三大被动元件轻小薄型化进程中比较后进的磁性元件，应用磁性薄膜研发微小型产品的工作空前活跃起来。但是，作为应用于供电电源的薄膜磁性元件，要达到市场需求的程度尚有许多困难。因此，使用铁氧体磁心的绕线型，印制叠层型、薄膜线圈型等小型化形式仍占主导地位。
图1所示为降压型DC/DC变换器的基本电路结构。图中可见，DC/DC变换器的主要组成构件包括电源IC(控制IC)，电感器和电容器。在 DC/DC 小型化变换器研发中，一些科技工作者以“磁性元件与电源 IC 集成”的概念为指导，首先从薄膜电感器开始进行研究。本文介绍他们从事的芯片尺寸组件(CSM)结构电源模块的构造及技术性能。
2 微型薄膜电感器与IC一体化DC/DC变换器
为实现DC/DC变换器的微小型化，科技工作者应用半导体工艺技术，将制成的薄膜电感器集成在电源IC上。图2所示为微型薄膜电感器与IC一体化DC/DC变换器的平面照片及线圈导体部分的剖面照片。图示结构的薄膜电感器的尺寸为4×4(mm2)其线圈导体的厚度为35μm，宽93μm，线圈共10匝。电感器的制作是用溅射沉积工艺，以Co-Hf-Ta-Pd非晶磁性薄膜(厚度为9μm)置于线圈上下似夹住线圈。然后把该电感器用连续加工法集成到尺寸为4×5(mm2)的电源集成电路的芯片上，形成一个整体。该薄膜电感器的性能如下：直流电阻值Rdc=0.9Ω，工作频率f=3MHz，施加直流电流Idc=300mA时的电感值L=1.12μH，交流等效电阻值Rac=7Ω。
图3所示为输出电压等于3V时的电源变换效率与输出功率之间的关系曲线。由图可见，在输出电压为4V时的电源效率最高，达到82.9%，即可获得比线性调压器更高一些的效率。但从实用要求来说，还不能看作获得了足够的变换效率。这种电源的变换效率较低的原因是因为薄膜电感器的性能较差，即L值低，Rdc、Rac值较大。用作电源的电感器，改善L值的直流叠加性能特别重要，其办法是必须增加磁膜的厚度。本文设计的电感器用磁膜厚为9μm。若要超过这个厚度，则成膜方法要采用真空镀膜工艺，但此法在成膜速度、材料应力等方面还都存在一些困难的问题。此外，为了得到所要求的L值，螺旋线圈需要多达16匝，这样的结果是Rdc值增大，因而直流损耗增大致使难以提高电源的效率。所以使用溅射磁膜电感器的电源效率难以提高。
3 芯片尺寸级组件(CSM)的结构
如上所述，在使用薄膜电感器的时候，将难以提高电源的效率，为此探讨了使用块状铁氧体磁心另作芯片进行一体化组装的技术。如果仅考虑磁性元件小型化，半导体元件用作最终的封装产品，则还不能够实现整体电源模块的小型化。为此，研究人员注重于NiZn铁氧体的绝缘性能，采用铁氧体基片作为器件封装的安装基片，研制出了由磁性元件、电源集成电路和仅仅作为封装密封材料的树脂等构成的芯片尺寸级组件(CSM)。以下介绍CSM的构造及其3.5mm尺寸组件的性能。
3.1 CSM 的结构与制作工艺简介
这里介绍的CSM结构电源模块是采用铁氧体磁心的电感器作为封装用基片，把电源IC安装到该基片上构成的。电感器的结构和制作工艺是：先给NiZn铁氧体基片打孔，然后形成包括通孔的铜(Cu)导体布线，制成环形线圈，并同时制成两个电极(即连接电源IC的电极和连接设备的印制电路板的安装电极)。图4所示是该电感器的平面照片：(a)是与电源IC的连接面即前面的视图；(b)是与印制电路板连接的封装背面视图。该电感器的外观尺寸为3.5×3.5(mm2)，铁氧体基片的厚度为0.525mm，在基片上形成的线圈导体为11匝。线圈导体的厚度为35μm。图5所示为芯片尺寸级组件的外观照片及大小示意。CSM外观尺寸与电感器的尺寸相同，即为3.5×3.5(mm2)，组件整体厚度为1.0mm。
图6是CSM的结构示意图。作为和IC芯片一体的平面封装形式，是在IC端电极上形成螺旋栓状凸耳，采用超声焊接连接到电感器的端电极，在IC和电感器之间填充底层树脂填料密封。
3.2 电感器和电源的技术性能
图7所示为电感器在频率f=2MHz时的L值的直流叠加特性。图中可见，L值随施加的直流电流的增大而缓慢地下降。这显示出了闭合磁路结构的特有倾向。在Idc=300mA时，获得的L=1.65μH、Rac=0.82Ω、Rdc=0.18Ω、Q=25。与传统的薄膜电感器相比较，L值提高了，Rac和Rdc值则大幅度降低了。
图8所示为CSM电源效率与输出功率的关系，图中的输入电压是3.6V。采用CSM结构，在输出电源的电压Vout=3.0V时(工作比为0.83)，电源效率高达94%；在Vout=1.5V时(工作比为0.42)，得到的最高效率是83%。这与原设计的集成薄膜电感器产品比较，其电源尺寸则更小，效率等性能大幅度提高。
3.3 电感器漏磁通对电源性能的影响
芯片尺寸级组件结构的特点，是将电感器作为封装基片。但该电感器的性能仍然主要由线圈的长度、线圈导体的厚度、线圈匝数和铁氧体材料磁性能等决定的，因此，其性能受材料和制造工艺的制约较大。在这种结构的组件设计中需着重关注两个问题：①铁氧体基片能否满足作为封装基片的功能要求，也即与电源IC的结合性能，与印制电路基板的封装性能，电极间的绝缘性能以及长期可靠性能否得到保证；②连接电感器基片产生的漏磁通对电源IC运行产生多大影响。磁性元件与电源模块间以仅10μm的近距离连接，电源模块布线之处的交链磁通是否产生涡流等电磁噪声而引起误动作。对于后一个问题，笔者等使用电磁场模拟方法测试了电感器产生的漏磁通对电源模块布线等造成的影响程度。
图9所示为电磁场模拟模型。在该模拟试验中还采用了应用磁矩法的电磁场模拟。试验中，线圈是与实际器件上相同的模型，在硅基片上形成宽40μm、长2.9μm、厚35μm的铝(Al)膜连线，并以这种图形为模式进行电源IC计算。电感器的铁氧体基片和电源IC相距为50μm。计算中用的输入电流是1.2A峰值的三角波，频率为1.6MHz。而铁氧体的磁性取μ=60的恒定线性分布。
图10所示为I=1.2A时的铁氧体内部磁通密度的矢量图。
图11示出了与电源IC上铝膜连线线面垂直方向上的磁通密度B2的略图。
图12是按照每个电流梯级对图11中A—B线段上B2分布的比较。计算结果揭示，B2的最大值达4.0mT，而且在线圈布线的两端附近区域呈现出最大值。
图13为B2值最大时形成的涡流密度分布。由这个涡流密度分布图，可以算出流向该模型铝膜布线上的最大涡流是0.8mA左右。这个涡流值的大小，受实际的电源IC布线图形的控制。不过，如果在漏磁通大的线圈的两个端部附近配置宽且长的布线图形，那样就不容易受到漏磁通的影响。
4 CSM 小型化研究
为了减小CSM的尺寸，我们以3.0×3.0(mm2)尺度开展研究。在小型化研究制作的过程中，将细微加工技术应用于电源IC的设计制作，在考虑降低开关损耗的同时，还对电感器线圈配线和电极置位进行了优化。
4.1 3.0×3.0(mm2)电感器结构与性能
为了把电感器设计制作成3.0mm的方块状，我们通过优化电极的置位和线圈的长度等设计，深入探讨了在不降低电感量L值的前提下，能使电源的效率达到最高的结构。
图14示出了3.0×3.0(mm2)的电感器与电源IC封装在一起的侧表面的平面照片。电感器的尺寸为3.0×3.0(mm2)，铁氧体磁心片厚0.525mm，将IC和基片的封装电极配置在其上下两边，增加了线圈的匝数，也改变了线圈导体的长度，提高了电感器的性能。
图15所示为试制的电感器在频率f=2MHz时，其电感值L、交流电阻Rac的直流叠加特性(研究中以线圈导体长度为1.68mm时作为有代表性的例子)。图15指出，随着线圈匝数的增多，电感值L和交流电阻Rac均增大。当线圈匝数为12匝时，呈现出与3.5×3.5(mm2)的器件相同的性能。
图16示出了电感器的电感值L、交流电阻Rac和品质因素Q与线圈长度的关系。这里的输入直流电流Idc=300mA。从图16可见，若线圈长度增加，L值增大，但线圈长度为1.68mm的电感器的L值有达到饱和状态的趋势。对于电感器来说，由于其主磁路宽度是2倍于闭合磁路宽度的理想状况，故线圈长度超过1.68mm这个值时，L值不会再提高。当线圈的导体增长时，Rac值也呈增大趋势。这是因为在和外部电连接的布线图形置位于线圈导体外围的磁路上，而在这些布线图形的某个区域内的磁通密度增大了，故Rac也会增大。
在线圈长度为1.14mm这样的短尺寸时，品质因素Q值（ωL/R）达到45左右。当线圈长度增加时，Q值下降，线圈长度在1.68mm时的Q值为30。Q值变化的这一倾向表明，R值随线圈长度增加的幅度比L值增加的幅度要大。
4.2 电源的性能
图17所示为线圈长度为1.68mm的电感器所在电源的效率与输出电流的关系曲线。这里的输入电压是7.2V，输出电压为15V（工作比为0.21）。在Idc=0.26A时，所得到的电源效率最高，为82.8%。
图18所示为，在与图17相同的输入、输出电压状况下，线圈长度为1.68mm时的电源效率与线圈匝数间的关系。图中可见，在线圈匝数为14匝时的电源效率最高。从以上结果说明，L值越大，电源效率越高。由此可见，不要使线圈匝数超过14匝，如果超过这一匝数，就要减小线圈导体的宽度，因此致使直流电阻大幅增大，从而将降低电源的变换效率。线圈的长短也有同样的趋势，线圈长的电源则效率也高。前面已经提及，线圈增长，Q值虽然有所下降，但电源效率则将提高。这些结果表明，在要求的工作条件下，即使所采用的磁性材料相同，L的绝对值要比Q值更重要。
参考资料
日本《磁学》杂志，2006年1月号
近十多年来，手机、数码相机、数字电视和便携式视频设备等电子产品迅速普及，成了人们日常生活中广泛大量使用的产品，所以，对于驱动便携式电子设备用的电源，要求其尺寸小，厚度薄，重量轻，变换效率高等性能指标日渐提高。同时，在另一方面，还要求这些产品更快地向高功率、多功能、复合化方向发展，故其使用的微处理器数量，消耗的功率都显著增大。再进一步的要求是其供电电源电压的低压化，迫使其开关电源减小尺寸，降低高度，提高性能。为满足这些要求，在三大被动元件轻小薄型化进程中比较后进的磁性元件，应用磁性薄膜研发微小型产品的工作空前活跃起来。但是，作为应用于供电电源的薄膜磁性元件，要达到市场需求的程度尚有许多困难。因此，使用铁氧体磁心的绕线型，印制叠层型、薄膜线圈型等小型化形式仍占主导地位。
图1所示为降压型DC/DC变换器的基本电路结构。图中可见，DC/DC变换器的主要组成构件包括电源IC(控制IC)，电感器和电容器。在 DC/DC 小型化变换器研发中，一些科技工作者以“磁性元件与电源 IC 集成”的概念为指导，首先从薄膜电感器开始进行研究。本文介绍他们从事的芯片尺寸组件(CSM)结构电源模块的构造及技术性能。
2 微型薄膜电感器与IC一体化DC/DC变换器
为实现DC/DC变换器的微小型化，科技工作者应用半导体工艺技术，将制成的薄膜电感器集成在电源IC上。图2所示为微型薄膜电感器与IC一体化DC/DC变换器的平面照片及线圈导体部分的剖面照片。图示结构的薄膜电感器的尺寸为4×4(mm2)其线圈导体的厚度为35μm，宽93μm，线圈共10匝。电感器的制作是用溅射沉积工艺，以Co-Hf-Ta-Pd非晶磁性薄膜(厚度为9μm)置于线圈上下似夹住线圈。然后把该电感器用连续加工法集成到尺寸为4×5(mm2)的电源集成电路的芯片上，形成一个整体。该薄膜电感器的性能如下：直流电阻值Rdc=0.9Ω，工作频率f=3MHz，施加直流电流Idc=300mA时的电感值L=1.12μH，交流等效电阻值Rac=7Ω。
图3所示为输出电压等于3V时的电源变换效率与输出功率之间的关系曲线。由图可见，在输出电压为4V时的电源效率最高，达到82.9%，即可获得比线性调压器更高一些的效率。但从实用要求来说，还不能看作获得了足够的变换效率。这种电源的变换效率较低的原因是因为薄膜电感器的性能较差，即L值低，Rdc、Rac值较大。用作电源的电感器，改善L值的直流叠加性能特别重要，其办法是必须增加磁膜的厚度。本文设计的电感器用磁膜厚为9μm。若要超过这个厚度，则成膜方法要采用真空镀膜工艺，但此法在成膜速度、材料应力等方面还都存在一些困难的问题。此外，为了得到所要求的L值，螺旋线圈需要多达16匝，这样的结果是Rdc值增大，因而直流损耗增大致使难以提高电源的效率。所以使用溅射磁膜电感器的电源效率难以提高。
3 芯片尺寸级组件(CSM)的结构
如上所述，在使用薄膜电感器的时候，将难以提高电源的效率，为此探讨了使用块状铁氧体磁心另作芯片进行一体化组装的技术。如果仅考虑磁性元件小型化，半导体元件用作最终的封装产品，则还不能够实现整体电源模块的小型化。为此，研究人员注重于NiZn铁氧体的绝缘性能，采用铁氧体基片作为器件封装的安装基片，研制出了由磁性元件、电源集成电路和仅仅作为封装密封材料的树脂等构成的芯片尺寸级组件(CSM)。以下介绍CSM的构造及其3.5mm尺寸组件的性能。
3.1 CSM 的结构与制作工艺简介
这里介绍的CSM结构电源模块是采用铁氧体磁心的电感器作为封装用基片，把电源IC安装到该基片上构成的。电感器的结构和制作工艺是：先给NiZn铁氧体基片打孔，然后形成包括通孔的铜(Cu)导体布线，制成环形线圈，并同时制成两个电极(即连接电源IC的电极和连接设备的印制电路板的安装电极)。图4所示是该电感器的平面照片：(a)是与电源IC的连接面即前面的视图；(b)是与印制电路板连接的封装背面视图。该电感器的外观尺寸为3.5×3.5(mm2)，铁氧体基片的厚度为0.525mm，在基片上形成的线圈导体为11匝。线圈导体的厚度为35μm。图5所示为芯片尺寸级组件的外观照片及大小示意。CSM外观尺寸与电感器的尺寸相同，即为3.5×3.5(mm2)，组件整体厚度为1.0mm。
图6是CSM的结构示意图。作为和IC芯片一体的平面封装形式，是在IC端电极上形成螺旋栓状凸耳，采用超声焊接连接到电感器的端电极，在IC和电感器之间填充底层树脂填料密封。
3.2 电感器和电源的技术性能
图7所示为电感器在频率f=2MHz时的L值的直流叠加特性。图中可见，L值随施加的直流电流的增大而缓慢地下降。这显示出了闭合磁路结构的特有倾向。在Idc=300mA时，获得的L=1.65μH、Rac=0.82Ω、Rdc=0.18Ω、Q=25。与传统的薄膜电感器相比较，L值提高了，Rac和Rdc值则大幅度降低了。
图8所示为CSM电源效率与输出功率的关系，图中的输入电压是3.6V。采用CSM结构，在输出电源的电压Vout=3.0V时(工作比为0.83)，电源效率高达94%；在Vout=1.5V时(工作比为0.42)，得到的最高效率是83%。这与原设计的集成薄膜电感器产品比较，其电源尺寸则更小，效率等性能大幅度提高。
3.3 电感器漏磁通对电源性能的影响
芯片尺寸级组件结构的特点，是将电感器作为封装基片。但该电感器的性能仍然主要由线圈的长度、线圈导体的厚度、线圈匝数和铁氧体材料磁性能等决定的，因此，其性能受材料和制造工艺的制约较大。在这种结构的组件设计中需着重关注两个问题：①铁氧体基片能否满足作为封装基片的功能要求，也即与电源IC的结合性能，与印制电路基板的封装性能，电极间的绝缘性能以及长期可靠性能否得到保证；②连接电感器基片产生的漏磁通对电源IC运行产生多大影响。磁性元件与电源模块间以仅10μm的近距离连接，电源模块布线之处的交链磁通是否产生涡流等电磁噪声而引起误动作。对于后一个问题，笔者等使用电磁场模拟方法测试了电感器产生的漏磁通对电源模块布线等造成的影响程度。
图9所示为电磁场模拟模型。在该模拟试验中还采用了应用磁矩法的电磁场模拟。试验中，线圈是与实际器件上相同的模型，在硅基片上形成宽40μm、长2.9μm、厚35μm的铝(Al)膜连线，并以这种图形为模式进行电源IC计算。电感器的铁氧体基片和电源IC相距为50μm。计算中用的输入电流是1.2A峰值的三角波，频率为1.6MHz。而铁氧体的磁性取μ=60的恒定线性分布。
图10所示为I=1.2A时的铁氧体内部磁通密度的矢量图。
图11示出了与电源IC上铝膜连线线面垂直方向上的磁通密度B2的略图。
图12是按照每个电流梯级对图11中A—B线段上B2分布的比较。计算结果揭示，B2的最大值达4.0mT，而且在线圈布线的两端附近区域呈现出最大值。
图13为B2值最大时形成的涡流密度分布。由这个涡流密度分布图，可以算出流向该模型铝膜布线上的最大涡流是0.8mA左右。这个涡流值的大小，受实际的电源IC布线图形的控制。不过，如果在漏磁通大的线圈的两个端部附近配置宽且长的布线图形，那样就不容易受到漏磁通的影响。
4 CSM 小型化研究
为了减小CSM的尺寸，我们以3.0×3.0(mm2)尺度开展研究。在小型化研究制作的过程中，将细微加工技术应用于电源IC的设计制作，在考虑降低开关损耗的同时，还对电感器线圈配线和电极置位进行了优化。
4.1 3.0×3.0(mm2)电感器结构与性能
为了把电感器设计制作成3.0mm的方块状，我们通过优化电极的置位和线圈的长度等设计，深入探讨了在不降低电感量L值的前提下，能使电源的效率达到最高的结构。
图14示出了3.0×3.0(mm2)的电感器与电源IC封装在一起的侧表面的平面照片。电感器的尺寸为3.0×3.0(mm2)，铁氧体磁心片厚0.525mm，将IC和基片的封装电极配置在其上下两边，增加了线圈的匝数，也改变了线圈导体的长度，提高了电感器的性能。
图15所示为试制的电感器在频率f=2MHz时，其电感值L、交流电阻Rac的直流叠加特性(研究中以线圈导体长度为1.68mm时作为有代表性的例子)。图15指出，随着线圈匝数的增多，电感值L和交流电阻Rac均增大。当线圈匝数为12匝时，呈现出与3.5×3.5(mm2)的器件相同的性能。
图16示出了电感器的电感值L、交流电阻Rac和品质因素Q与线圈长度的关系。这里的输入直流电流Idc=300mA。从图16可见，若线圈长度增加，L值增大，但线圈长度为1.68mm的电感器的L值有达到饱和状态的趋势。对于电感器来说，由于其主磁路宽度是2倍于闭合磁路宽度的理想状况，故线圈长度超过1.68mm这个值时，L值不会再提高。当线圈的导体增长时，Rac值也呈增大趋势。这是因为在和外部电连接的布线图形置位于线圈导体外围的磁路上，而在这些布线图形的某个区域内的磁通密度增大了，故Rac也会增大。
在线圈长度为1.14mm这样的短尺寸时，品质因素Q值（ωL/R）达到45左右。当线圈长度增加时，Q值下降，线圈长度在1.68mm时的Q值为30。Q值变化的这一倾向表明，R值随线圈长度增加的幅度比L值增加的幅度要大。
4.2 电源的性能
图17所示为线圈长度为1.68mm的电感器所在电源的效率与输出电流的关系曲线。这里的输入电压是7.2V，输出电压为15V（工作比为0.21）。在Idc=0.26A时，所得到的电源效率最高，为82.8%。
图18所示为，在与图17相同的输入、输出电压状况下，线圈长度为1.68mm时的电源效率与线圈匝数间的关系。图中可见，在线圈匝数为14匝时的电源效率最高。从以上结果说明，L值越大，电源效率越高。由此可见，不要使线圈匝数超过14匝，如果超过这一匝数，就要减小线圈导体的宽度，因此致使直流电阻大幅增大，从而将降低电源的变换效率。线圈的长短也有同样的趋势，线圈长的电源则效率也高。前面已经提及，线圈增长，Q值虽然有所下降，但电源效率则将提高。这些结果表明，在要求的工作条件下，即使所采用的磁性材料相同，L的绝对值要比Q值更重要。
参考资料
日本《磁学》杂志，2006年1月号
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