1 引言
便携式电子产品中，微小型化功率变换器的使用非常广泛，对其性能要求也日益提高。电感器等磁性元件在功率变换器中起着贮能和滤波等主要作用。由于磁性元件在电子设备小型化进程中落后于阻容元件的发展，尺寸还较大，所以在近几年中，大量关系磁性元件的研究工作集中在开发制造出集成度高、磁电性能优良以及功率容量大的微加工功率电感器。在高频开关与半导体器件（如 MOSFET 和在 MHz 频段工作的 PWM 控制器）集成的直流变换器的小型化进程中，微制造功率电感器已成功地被广泛应用。不过，对这种电感器性能的提高还需要付出努力，尤其是在廉价的制造技术方面。
2 高频微型电感器制造
为了得到足够的电感量，高频微型电感器常采用磁性材料作为空心电感器的磁心。多年的实践证明，沉积磁心薄膜有许多方法，例如筛网印刷、溅射和电镀等。一些工程师使用铁氧体薄膜开发了一种平面电感器，其 Q 值达到 70，电感量 L=42（nH/mm2）。品质因素的定义为，式中 f—频率，L—串联电感值，R—串联电阻。用筛网印刷成膜的铁氧体层要在 900~1000℃ 的温度下烧结，这是与标准型集成电路制造工艺不相容的。
有报道说，使用 FeCoBN 磁膜和溅射沉积工艺研制成功的一种平面功率电感器，在 7MHz 时，Q 值达到 15，L=22mH/mm2。一般情况下，溅射成膜材料的电阻率虽然比较高，但溅射过程的耗时也长，所以加工成本高。
为了获得所要求厚度的磁心层薄膜，并使加工成本较低，同时又能与标准集成电路制造技术相兼容，电镀成膜则是一种良好的选择。
还有报道称，有一种螺旋线线圈的微型电感器，在 1MHz 时，具有最大 Q 值 1.3~1.5，电感量 L=7.5nH/mm2。
使用电镀成膜的磁性材料磁心的微加工电感器的 Q 值，一般比用溅射技术或用筛网印制技术成膜材料的 Q 值低。其主要原因是由磁性材料的电导率引起的。在电感器的工作频率增高时，磁心的涡流损耗将增大。虽然磁心的涡流损耗是不可避免的，但可以经控制磁心用的磁性薄膜厚度来减小涡流损耗。同时，适度增加电感器磁心的叠层则可以增大电感量，而不会产生更大的涡流损耗。本文作者利用电镀磁性薄膜开发了高 Q 值的微加工功率电感器。该电感器采用跑道形结构，以得到较大的电流容量。并且用开气隙和无气隙两种电感器的性能参数作比较，研究了在高电感值和高直流电流容量之间的折衷解决方案。
微制造高频微型电感器通常采用三种不同的结构形式：①螺旋线型，其方形或圆形螺旋导体置于上下层磁性薄膜之间；②跑道型，其跑道形导体夹置于两磁层之间；③螺线管型，把导线绕在平面磁心周围，形成多层金属线圈。第③种螺线管型结构的制造工作复杂，同时存在潜在的较大数值的通路接触电阻，所以在本文中未作进一步探讨。微制造高频平面电感器的优选结构为第①种螺旋线型。采用这种结构可以得到较大的单位面积电感值，较低的直流电阻和较高的品质因素 Q 值。前两种结构电感器的磁心几何形状特性，使得第①种螺旋线型电感器之内磁心柱区域的磁通密度比外磁心柱区域的磁通密度高得多；与之相反，第②种跑道型结构电感器之整个磁心中的磁通密度是均匀的。这说明跑道型结构电感器所能承载的负载电流将比螺旋线型电感器高。实验揭示，采用跑道型结构还有一个优点，即容易实现磁性材料在难磁化轴方向的磁化。
对于微型电感器选用磁性材料而言，则是电感器能获得高的饱和电流，也即希望磁性材料具有高的饱和磁通密度。为了降低磁心的损耗，还要求磁性材料具有高电阻率和低矫顽力。本文叙述的产品选用 Ni45Fe55 合金作为磁心用材料，其考虑的原因，就是因为它具有较高的饱和磁通密度（1.6T）和较高 的电阻率（45μΩ·cm）。
本文的实验测试以 A、B 两组微型电感器为样品。每一组有两种结构，即无气隙和开气隙两种电感器，开气隙电感器的气隙开在其底部的磁心上，长 20μm。每组两种电感器的其它所有几何尺寸均相同。图 1 所示为开气隙微型电感器的结构示图，(a)为其俯视图，(b)为剖面示图。
在本文所用实验样品微型电感器制作中，不同于以往微型变压器制造工艺的一点是，这次镀膜时，电镀了两个磁性材料底层并制成图形，而以前只电镀单层。采用这种工艺方法可以同时电镀一个以上的磁心层，并与底部磁心的下层相结合形成一个闭合磁路，从而增加了电感值。在电镀所有的磁性层时，都施加了外磁场，以控制 NiFe 合金膜的各向异性方向——磁性层的难磁化轴取垂直于跑道型铜绕组的方向。
3 高频微型电感器的测试与分析
两组电感器的技术规格和测得的电性能参数见表 1 所列。图 2 和图 3 为测量所得的四种电感器的电感值和 Q 值。
表 1  四种电感器的技术规格和电性能参数
参数名称              电感器编号 A1 A2 B1 B2
磁心厚度，tc(μm)
导体宽度，Ww(μm)
导体间隔，Ws(μm)
气隙长度，lg(μm)
线圈匝数，Nr
磁心长度，Lc(μm)
安装所占面积，(mm2)
低频时的电感值，(μH)
直流电阻值，Rdc(Ω)
单位面积电感值，(nH/mm2) 5
50
35
无
3
4000
5.69
0.160
0.261
28.1 5
50
35
20
3
4000
5.69
0.127
0.258
22.3 5
70
35
无
3
4000
6.44
0.147
0.184
22.8 5
70
35
20
3
4000
6.44
0.111
0.182
17.2

串联电感值和电阻值使用 HP4285A 型 LCR 测试仪和 HP4284l 偏流源、HP42842C 偏流试验夹具进行测定。用后两者接到 LCR 测试仪端子的操作器上直接探测电感器的键合点。测试时，应校准与电缆有关的寄生参数，校准探头和测试夹具。如图 2 所示，在低频下测得的电感值 110~160（nH）时，在 5MHz 以内是平滑的。正如以上所述，开气隙电感器（表 1 中 A2 和 B2）的电感值比无气隙的电感器要低些；而无气隙电感器 A1 的电感值比 B1 的则稍高些，开气隙电感器 A2 的电感值又高于 B2，这是因为 A 组电感器的绕组宽度（50μm）小于 B 组电感器绕组（70μm）的宽度，而使其磁路长度变得稍短，故电感值稍高。使用有限元分析可知，如 A1 尺寸的空心电感器的电感值约为 39μH。与曾见过报道的微型电感器比较，本文的两组电感器的直流电阻值 Rdc 都比较低。在 4MHz 时，四种电感器的最大 Q 值均约为 6（见图 3）。
将微型电感器用作功率转换时，最重要的是其电感值 L 和直流偏置电流之关系的特性曲线。图 4 所示为两组微型电感器中开气隙和无气隙电感器的电感值与直流偏置电流关系曲线。在此，将饱和电流定义为：在不加直流偏置电流，所测电感量下降 20% 时的电流值。由图 4 可见，无气隙微型电感器（A1 和 B1）的直流饱和电流约为 500mA；开气隙微型电感器（A2 和 B2）在其底部磁心上存在 20μm 宽的气隙时，其饱和电流值达到约 700mA。
4 结束语
采用与低温集成电路制造技术兼容的电化学工艺，在硅片上用微加工技术制作无气隙和开气隙微型高频电感器是可行的。无气隙电感器的电感值大于开气隙的电感器，但无气隙电感器的电感值随偏置电流的增加而严重减小。这种特性与期望是一致的。开气隙电感器在偏置电流 0.7A、工作频率 4MHz 时，其 Q 值达到 6，电感值为 100 多 nH，直流饱和电流为数百 mA。如图 1(b) 所示，在电感器底部电镀 2 层磁心层和在其顶部电镀 1 层磁心层以形成一个闭合磁路。如果电镀多层的顶部磁心，则可获得叠层型磁心，将进一步增大电感值和 Q 值。

主要参考资料
[1] N. Wang， et al， J.Magn Magn.Mater(2005 Vol， 290-291)， 1347~1350