一种多层微米级叠片磁心平面螺旋电感器
2009-06-05 17:09:05
来源：《国际电子变压器》2009年6月刊
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1 引言
众多电子产品的微型化和多功能化的发展趋势，对微小型化、供高密度封装使用的元器件、零部件的市场需求量日益增长。其中需求量最大的是应用于电池供电的便携式电子装置和分布式直流电源变换器。对于电源变换器类应用的微型化磁性元件通常要求其具备以下性能：高功率密度、高工作频率、高磁饱和性能、高有效功率变换，低涡流和磁滞损耗，在高密度低高度封装时的高抗EMI能力以及低成本。设计制造具备以上性能的磁性元件，最可能被可以使用的磁性材料和制造工艺所限制。
为了实现高密度封装情况下的磁性元件的上述性能，文章提出来了微米级叠片结构的磁心设计，并经过科技工作者的努力，成功地开发出了一种保护性铜腐蚀工艺的、可以简单地制造磁心叠层——电镀薄膜磁性NiFe合金技术。这些磁性合金材料具有优异的磁性能，如超过许多种铁氧体的高磁饱和性能、低磁滞损耗和高居里温度。本文还阐述采用保护性铜腐蚀工艺制造NiFe合金磁性薄膜叠层磁心和平面型螺旋线圈工艺。这种平面螺旋线圈有如下特点：可以延伸较大范围，与环形电感器线圈比较，虽然它占据了较大的安装面积，但换取了更低的高度和更大的表面积，故有利于整个组件的低高度封装和使电感器有更大的散热面积。
2 叠层磁心的结构分析
图1(a)所示为采用保护性铜(Cu)腐蚀技术研制的叠层环形磁心断面图。使用这种简单的制造工艺即可制成多层叠装的磁心。磁心结构中用一种独有的V型支架作为叠层磁膜的机械支撑，并可以让保护性铜腐蚀溶液进入任何一面腐蚀铜层的中间。图1(b)所示为在叠层磁心顶部和底部之间的“三明治式”平面螺旋线圈。V型磁心膜沿线圈导体重复叠装，每个V型磁心片间存在空隙，以便进行保护性铜腐蚀，但应使用光刻法使该空隙限制在尽可能小的范围。用这种方法设计的叠装磁心，其经过线圈导体产生的磁通将被控制在磁心及气隙中，如图1(b)所示。
3 制造工艺
磁心薄膜材料是选用的可电镀的NiFe合金。
微米级叠片磁心平面螺旋电感器的制造包括两项主要工艺技术：①制造叠层磁心和平面螺旋线圈；②用堆积和机械方法叠装预制的顶部和底部磁心以及螺旋线圈。
3.1 叠装磁心和平面螺旋线圈的制作
顶部和底部磁心的结构基本相同，可以在同时用相同工艺制作。图2所示为叠层磁心制作的工艺技术方法与流程：①用一层稀薄的光刻胶把含有籽晶层的50μm厚的kapton薄膜贴附于作为临时替代品的玻璃片上。然后在kapton薄膜上电镀3μm厚的NiFe合金作为磁心层的基膜；②多次交替地电镀出7层1.8μm/层厚度的NiFe合金膜和7层1μm/层厚度的Cu膜，形成了一个多层的金属结构[图2(c)是其简化的4层结构示图]；③将以上多层金属膜结构的磁心连同kapton薄膜一起从作为临时替代品的玻璃片上剥离下来，并用CuSO4饱和的NH4OH有选择性地腐蚀掉Cu保护层，见图2(d)所示；④采用激光切割技术分别切割制作出7层每层100μm/厚度的铜片，组成7匝的平面螺旋电感器线圈（其照片见图3(a)所示）。在此，为了隔离铜箔线圈层，采用了等离子增强化学汽相沉积工艺（PECVO），在螺旋线圈铜箔上下面上沉积了0.5μm厚的共形SiO2。
3.2 叠层磁心和平面螺旋线圈的机械叠装工艺
首先，将底部叠层磁心、螺旋线圈和顶层叠层磁心用模具对准（应预先在磁心和线圈之间涂敷一层作粘结用的环氧树脂），然后在室温下以机械压力轻压，即可形成完整的电感器。图3(b)所示为NiFe合金磁性薄膜叠装成的微型平面螺旋电感器成品照片。
4 测试结果与讨论
为进行对比分析，特别是了解叠层电感器的涡流损耗减小的情况，特地制作了一组相同几何形状的非叠层磁心电感器作为参照。
供测试的叠层电感器采用如图2的工艺制造，其磁心总厚度的标称值为15.5μm（非叠层电感器的磁心厚度同此值）。使用磁强计测量两种磁心的磁滞特性曲线。两者比较，叠层磁心的起始磁导率小7%，而测得的两种磁心的矫顽力分别为0.9和0.7（oe），而磁性饱和密度均为0.9T。
我们还制作了只有螺旋形平面绕组而没有任何磁心的空心电感器样品，用以测试比较叠层电感器、非叠层电感器和空心电感器三者的电感量与Q值。测试结果表明，有磁心电感器的电感量与Q值均大于空心电感器，其原因是绕组顶部与底部的NiFe合金磁心之影响。
我们的测试工作在两种状态下进行：①被测试的电感器远离其它电感，隔离测量电感值和品质因数；②把被测电感器置于镀铜印制电路板接地面附近，将50μm厚度的kapton薄膜放在印制电路板和电感器之间，呈现小间隙，在电子元器件高密度封装的模拟堆积情况下，现场测量电感值和品质因数。
4.1 隔离测量叠层磁心、非叠层磁心和空心磁心电感器
图4(a)和图4(b)分别示出了所测得的三种电感器的电感值和品质因数Q值。由图中可见，非叠层磁心电感器的电感值在50kHz时骤减，而叠层电感器在直到500kHz时电感值都保持着稳定状态。这就表明了叠层磁心螺旋电感器的涡流损耗明显降低了。
叠层磁心电感器的品质因数在0.1~1MHz频率范围的大部分区域都大于4，该值比非叠层磁心电感器大出3~4倍。从图4(b)还可见到，叠层和非叠层磁心电感器的品质因数在低频段时逐步增大，达到一个最大值后在高频区域逐步减小。Q=2πfL/R这个公式可以解释这一现象，式中，R为电感器的有效电阻值。在低频区域，2πfL随频率增加的速度比R增加得快，因而Q值增大。在高频区域，R随频率增大的速度超过2πfL，这是因为涡流增大而L减小，又因涡流与磁滞损耗及铜损增大使有效电阻值快速增大，从而使Q值减小，而且，叠层磁心出现最大Q值的频率通常移向更高的频率，由图4(b)可见，非叠层磁心电感器约在50kHz呈现最大Q值，而叠层磁心电感器则约在200kHz时出现最大Q值。
另外，由于杂散电容的影响，叠层和非叠层磁心电感器的自谐振频率分别为25MHz和95MHz。测得的叠层电感器的直流饱和电流（18%）为0.8A。
在所有测量频率范围，空心电感器的电感值约为1.5μH，为叠层电感器的30%左右，直到500kHz。在兆赫兹频率以上区域，空心电感器的品质因数Q值迅速增大，在10MHz时约达到65。可见空心电感器在高频段时具有良好的品质因数，但由于以下原因，在高功率密度的电子设备中并不实用：首先，现有的固态电源开关技术在实际应用中尚不支持10MHz以上的操作；其次，螺旋空心电感器通常要求一个特定空间用以限定磁通，否则，它所产生的磁场会与邻近的导体或磁性材料发生互耦等作用，导致在其它电路中的电磁干扰，也降低了电感器本身的电感值和Q值。在超低高密度封装的高频电源应用而言，这是空心螺旋电感器的致命缺陷。
4.2 叠层和空心螺旋电感器的实际测量
图4(a)(b)同时示出了在镀铜PCB顶部测得的叠层和空心螺旋线圈电感器的电感值和品质因数。在PCB上实测的叠层磁心电感器的电感值比隔离测量所测值略小，但其减小值不到10%，这表明90%以上的磁通被很好地限定在电感器的叠层磁心内以及四周的气隙中。然而，在1~10MHz时，PCB上实测的空心电感器的电感值比正常测得的电感值明显减小，达到约75%。在PCB上实测得到的叠层磁心电感器的品质因数与正常状态测得的值基本相等。但在正常测量中得到的空心电感器的品质因数明显减小了，这是由镀铜PCB的EMI损耗引起的。我们注意到，在2MHz频率以上，虽然PCB上测得的空心电感器的品质因数比叠层磁心电感器的高，但终究因为空心电感器的电感量小和EMI严重，从而限制了它们在实际产品中的使用。
4.3 叠层磁心电感器在直流升压变换器中的应用
在得出叠层磁心平面螺旋电感器的性能后，我们将其与工作频率为2.2MHz的工业用开关电源调节器芯片LT1930A，以及其它分立元件一起组装了一种直流升压变换器，以验证其性能。当负载电阻器与该变换器输出端连接时，在其0.3~1.9W的输出范围，电压从5V升到10V，变换器的总效率（Vcood·Icood/Vin·Iin）达到70%以上。
5 结束语
设计制造成功的这种多层微米级叠片磁心平面螺旋电感器，应用于高密度封装的电源，表明它比非叠层和空心电感器有着优异的性能。在直流电源变换器中使用这种电感器，输出功率为2W，总的变换效率超过70%。它们在高密度封装的超低高度电子设备中具有良好的应用前景。
众多电子产品的微型化和多功能化的发展趋势，对微小型化、供高密度封装使用的元器件、零部件的市场需求量日益增长。其中需求量最大的是应用于电池供电的便携式电子装置和分布式直流电源变换器。对于电源变换器类应用的微型化磁性元件通常要求其具备以下性能：高功率密度、高工作频率、高磁饱和性能、高有效功率变换，低涡流和磁滞损耗，在高密度低高度封装时的高抗EMI能力以及低成本。设计制造具备以上性能的磁性元件，最可能被可以使用的磁性材料和制造工艺所限制。
为了实现高密度封装情况下的磁性元件的上述性能，文章提出来了微米级叠片结构的磁心设计，并经过科技工作者的努力，成功地开发出了一种保护性铜腐蚀工艺的、可以简单地制造磁心叠层——电镀薄膜磁性NiFe合金技术。这些磁性合金材料具有优异的磁性能，如超过许多种铁氧体的高磁饱和性能、低磁滞损耗和高居里温度。本文还阐述采用保护性铜腐蚀工艺制造NiFe合金磁性薄膜叠层磁心和平面型螺旋线圈工艺。这种平面螺旋线圈有如下特点：可以延伸较大范围，与环形电感器线圈比较，虽然它占据了较大的安装面积，但换取了更低的高度和更大的表面积，故有利于整个组件的低高度封装和使电感器有更大的散热面积。
2 叠层磁心的结构分析
图1(a)所示为采用保护性铜(Cu)腐蚀技术研制的叠层环形磁心断面图。使用这种简单的制造工艺即可制成多层叠装的磁心。磁心结构中用一种独有的V型支架作为叠层磁膜的机械支撑，并可以让保护性铜腐蚀溶液进入任何一面腐蚀铜层的中间。图1(b)所示为在叠层磁心顶部和底部之间的“三明治式”平面螺旋线圈。V型磁心膜沿线圈导体重复叠装，每个V型磁心片间存在空隙，以便进行保护性铜腐蚀，但应使用光刻法使该空隙限制在尽可能小的范围。用这种方法设计的叠装磁心，其经过线圈导体产生的磁通将被控制在磁心及气隙中，如图1(b)所示。
3 制造工艺
磁心薄膜材料是选用的可电镀的NiFe合金。
微米级叠片磁心平面螺旋电感器的制造包括两项主要工艺技术：①制造叠层磁心和平面螺旋线圈；②用堆积和机械方法叠装预制的顶部和底部磁心以及螺旋线圈。
3.1 叠装磁心和平面螺旋线圈的制作
顶部和底部磁心的结构基本相同，可以在同时用相同工艺制作。图2所示为叠层磁心制作的工艺技术方法与流程：①用一层稀薄的光刻胶把含有籽晶层的50μm厚的kapton薄膜贴附于作为临时替代品的玻璃片上。然后在kapton薄膜上电镀3μm厚的NiFe合金作为磁心层的基膜；②多次交替地电镀出7层1.8μm/层厚度的NiFe合金膜和7层1μm/层厚度的Cu膜，形成了一个多层的金属结构[图2(c)是其简化的4层结构示图]；③将以上多层金属膜结构的磁心连同kapton薄膜一起从作为临时替代品的玻璃片上剥离下来，并用CuSO4饱和的NH4OH有选择性地腐蚀掉Cu保护层，见图2(d)所示；④采用激光切割技术分别切割制作出7层每层100μm/厚度的铜片，组成7匝的平面螺旋电感器线圈（其照片见图3(a)所示）。在此，为了隔离铜箔线圈层，采用了等离子增强化学汽相沉积工艺（PECVO），在螺旋线圈铜箔上下面上沉积了0.5μm厚的共形SiO2。
3.2 叠层磁心和平面螺旋线圈的机械叠装工艺
首先，将底部叠层磁心、螺旋线圈和顶层叠层磁心用模具对准（应预先在磁心和线圈之间涂敷一层作粘结用的环氧树脂），然后在室温下以机械压力轻压，即可形成完整的电感器。图3(b)所示为NiFe合金磁性薄膜叠装成的微型平面螺旋电感器成品照片。
4 测试结果与讨论
为进行对比分析，特别是了解叠层电感器的涡流损耗减小的情况，特地制作了一组相同几何形状的非叠层磁心电感器作为参照。
供测试的叠层电感器采用如图2的工艺制造，其磁心总厚度的标称值为15.5μm（非叠层电感器的磁心厚度同此值）。使用磁强计测量两种磁心的磁滞特性曲线。两者比较，叠层磁心的起始磁导率小7%，而测得的两种磁心的矫顽力分别为0.9和0.7（oe），而磁性饱和密度均为0.9T。
我们还制作了只有螺旋形平面绕组而没有任何磁心的空心电感器样品，用以测试比较叠层电感器、非叠层电感器和空心电感器三者的电感量与Q值。测试结果表明，有磁心电感器的电感量与Q值均大于空心电感器，其原因是绕组顶部与底部的NiFe合金磁心之影响。
我们的测试工作在两种状态下进行：①被测试的电感器远离其它电感，隔离测量电感值和品质因数；②把被测电感器置于镀铜印制电路板接地面附近，将50μm厚度的kapton薄膜放在印制电路板和电感器之间，呈现小间隙，在电子元器件高密度封装的模拟堆积情况下，现场测量电感值和品质因数。
4.1 隔离测量叠层磁心、非叠层磁心和空心磁心电感器
图4(a)和图4(b)分别示出了所测得的三种电感器的电感值和品质因数Q值。由图中可见，非叠层磁心电感器的电感值在50kHz时骤减，而叠层电感器在直到500kHz时电感值都保持着稳定状态。这就表明了叠层磁心螺旋电感器的涡流损耗明显降低了。
叠层磁心电感器的品质因数在0.1~1MHz频率范围的大部分区域都大于4，该值比非叠层磁心电感器大出3~4倍。从图4(b)还可见到，叠层和非叠层磁心电感器的品质因数在低频段时逐步增大，达到一个最大值后在高频区域逐步减小。Q=2πfL/R这个公式可以解释这一现象，式中，R为电感器的有效电阻值。在低频区域，2πfL随频率增加的速度比R增加得快，因而Q值增大。在高频区域，R随频率增大的速度超过2πfL，这是因为涡流增大而L减小，又因涡流与磁滞损耗及铜损增大使有效电阻值快速增大，从而使Q值减小，而且，叠层磁心出现最大Q值的频率通常移向更高的频率，由图4(b)可见，非叠层磁心电感器约在50kHz呈现最大Q值，而叠层磁心电感器则约在200kHz时出现最大Q值。
另外，由于杂散电容的影响，叠层和非叠层磁心电感器的自谐振频率分别为25MHz和95MHz。测得的叠层电感器的直流饱和电流（18%）为0.8A。
在所有测量频率范围，空心电感器的电感值约为1.5μH，为叠层电感器的30%左右，直到500kHz。在兆赫兹频率以上区域，空心电感器的品质因数Q值迅速增大，在10MHz时约达到65。可见空心电感器在高频段时具有良好的品质因数，但由于以下原因，在高功率密度的电子设备中并不实用：首先，现有的固态电源开关技术在实际应用中尚不支持10MHz以上的操作；其次，螺旋空心电感器通常要求一个特定空间用以限定磁通，否则，它所产生的磁场会与邻近的导体或磁性材料发生互耦等作用，导致在其它电路中的电磁干扰，也降低了电感器本身的电感值和Q值。在超低高密度封装的高频电源应用而言，这是空心螺旋电感器的致命缺陷。
4.2 叠层和空心螺旋电感器的实际测量
图4(a)(b)同时示出了在镀铜PCB顶部测得的叠层和空心螺旋线圈电感器的电感值和品质因数。在PCB上实测的叠层磁心电感器的电感值比隔离测量所测值略小，但其减小值不到10%，这表明90%以上的磁通被很好地限定在电感器的叠层磁心内以及四周的气隙中。然而，在1~10MHz时，PCB上实测的空心电感器的电感值比正常测得的电感值明显减小，达到约75%。在PCB上实测得到的叠层磁心电感器的品质因数与正常状态测得的值基本相等。但在正常测量中得到的空心电感器的品质因数明显减小了，这是由镀铜PCB的EMI损耗引起的。我们注意到，在2MHz频率以上，虽然PCB上测得的空心电感器的品质因数比叠层磁心电感器的高，但终究因为空心电感器的电感量小和EMI严重，从而限制了它们在实际产品中的使用。
4.3 叠层磁心电感器在直流升压变换器中的应用
在得出叠层磁心平面螺旋电感器的性能后，我们将其与工作频率为2.2MHz的工业用开关电源调节器芯片LT1930A，以及其它分立元件一起组装了一种直流升压变换器，以验证其性能。当负载电阻器与该变换器输出端连接时，在其0.3~1.9W的输出范围，电压从5V升到10V，变换器的总效率（Vcood·Icood/Vin·Iin）达到70%以上。
5 结束语
设计制造成功的这种多层微米级叠片磁心平面螺旋电感器，应用于高密度封装的电源，表明它比非叠层和空心电感器有着优异的性能。在直流电源变换器中使用这种电感器，输出功率为2W，总的变换效率超过70%。它们在高密度封装的超低高度电子设备中具有良好的应用前景。
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