一种薄膜电感器的设计制造
摘要： 文章介绍一种薄膜电感器的设计与制造工艺，并列举了一例在高速DC/DC电源变换器中应用的结果。这种微型贴装式薄膜电感器为移动通信等等便携式小型轻量化高性能电子设备的发展进步作出了重要贡献。
关键字： 薄膜电感器，设计，制造，DC/DC变换器，便携式电子设备
1 引言在近十多年的时间内，以移动通信和笔记本电脑为代表的轻型便携式电子设备的市场不断扩大，技术与性能指标大幅度提高，在这个过程中，体积小、重量轻、性能优的电子元器件作出了重大贡献。众所周知，这些便携式电子设备的供电系统大多采用容量高、寿命长的镍氢电池或锂离子电池等单电源电压，然而在那些电子设备内，必须使用多种多样的功能元器件，所以，必须将单电源电压变换成多电源电压。通常情况下，是通过DC/DC变换器进行升压、降压或变换使各种器件得到所要求的电力。DC/DC变换器由半导体器件、控制用IC、整流二极管等半导体器件和电感器、变压器等磁性元件以及电容器、电阻元件等组成。为了缩小这种变换器的体积，人们首先提高了半导体开关的开关频率，以此压缩DC/DC变换器的体积。但是，电源部分仍然占有电子设备体积中的很大比例，一般达到25%以上。所以，电子设备电源系统的小型、轻量化具有关键作用。随电子元器件集成度的提升，电源系统的小型、轻量化将会长足进步。本文介绍的薄膜电感器即由此应运而生。
薄膜电感器、薄膜变压器与早前生产使用的由磁心、线圈组成的体积式磁性元件有很大不同，尤其是体积重量。其原因是：薄膜磁性材料本身可与薄、小、轻型磁性器件的要求相适应；薄膜磁性器件可以采用半导体加工技术与集成电路加工技术相类似的工艺生产，这些因素为多种元器件集成为功能模块提供了条件，因此促进了它们的轻小型化。
2 磁性薄膜电感器
提高变换器的开关频率是磁性器件小型化的主要背景之一。在本薄膜电感器的结构设计时，设定的开关频率为MHz级。根据电源技术条件的要求，本电感器的设计技术参数设定为：电感量等于1μH左右，电流大于100mA；为了提高电源的变换效率，电感线圈的直流电阻值RDC为1Ω左右，品质因数Q（ωL/R，此处ω为角频率，R为损耗电阻值）应达到10左右。
2.1 磁性薄膜电感器的基本结构
通常情况下，将磁性体放置在高频交变磁场中时，必须尽可能地降低因磁场变换所引起的磁滞损耗和涡流损耗。众所周知，降低其动态损耗的最有效方法虽然并不是通过磁畴壁的移动而是通过磁化回转来完成磁化过程的，但是，对于采用平面线圈的薄膜电感器结构来说，欲达到这个目的通常是比较困难的。因为对平面线圈而言，能够在单位面积中获得最大电感量的线圈形状是螺旋状线圈。然而，对于螺旋状线圈，其磁性体的激磁方向是放射形状，所以，我们不可能利用磁化回转来完成磁化过程。
薄膜电感器的结构如图1所示。这是一种采用绝缘材料薄膜把串联且互相反绕的长方形螺旋型线圈的上下面与软磁性材料薄膜叠合在一起的多层平面结构。由于长方形螺旋线圈的长轴方向存在单轴磁异向性，流入线圈的电流所产生的磁场主要在磁性薄膜的难磁化轴的方向，所以，在上下层磁性薄膜之间能够完成实质性的回转磁化过程，从而减小了磁滞损耗和涡流损耗。
2.2 磁性薄膜电感器的设计
对于设计磁性薄膜电感器而言，首先要掌握电感线圈的匝数、线圈的长度、占空比、磁性薄膜的厚度和磁性薄膜间的间隙等各种结构要素以及各种特性之间的关系，这些要素对于元器件的设计极为重要，不可或缺。为了掌握这些结构要素，必须进行各种仔细的分析。按照将磁性回路置换成传输回路的模式，采用元件内磁感应强度分布的解析方法，可以达到结构要素的最优化。
如上所述，作为用于电源的电感器，可根据电源电路的技术要求计算得到电感量L以及在某个量值上的电流Imax。通常情况下，容许多大的电流Imax是由焦耳损耗产生的温升极限值或者由线圈磁场产生的磁饱和决定的。但是，对于软磁薄膜的厚度为μm级的薄膜电感器而言，在许多应用场合，造成磁性体磁饱和的电流值是一项重要的指标。图2所示为通过磁场分析所求得的长方形双螺旋型线圈结构薄膜电感器的电感值和容许的电流值（磁性体面内磁场的平均值是与磁性体异向磁场产生的线圈电流值相等的）。从图2可见，磁性薄膜的饱和磁感应强度为1.5T，异向磁场为HK，磁性薄膜厚度为tm，相对于上下磁性薄膜间隙g的电感值为L，容许电流为Imax。这时，集成块的尺寸为4mm×6mm，线圈的匝数为6匝，线圈的总长度(l)/空隙(s)=180/50μm。从以上数据可以看出，电感值L与Imax对于HK是折衷关系，L和Imax都随磁性膜厚度的增加而增加。
考虑到材料和生产工艺条件的限制。电感器设计中选择了以上参数。但是，要使线圈的直流电阻下降到1Ω，必须使用较厚的铜膜作线圈。这样，必然会使间隙g增大到几十μm。再则，为了防止由此而引起的电感值L下降，就必须增加磁性薄膜的厚度。对于降低电感器的高频损耗而言，选择这种线圈以及磁性薄膜的尺寸参数是重要的。为此，通常需要采取将线圈导体进行纵向分割，使用多层磁性薄膜以及进行磁性薄膜的面内分割等综合措施。
表1所示为电感器的结构及性能设计值。
表 1 磁性薄膜电感器的结构及特性设计值
长方形双
螺旋线圈 匝数 长度/间隙 厚度 尺寸
3×2 35(×4根)/50mm 50mm 4.75×6.20mm2
上下磁性
薄膜 厚度 磁导率 间隙 尺寸
1.5mm×4层 1100 60mm 6.35×6.40mm2
设计值 电感量 线圈直流电阻 容许电流
0.33mH 0.19Ω 1.6A
3 磁性薄膜电感器所用磁性材料
用于DC/DC变换器的磁性薄膜电感器所用磁性薄膜材料的选择是非常关键的工作。首先必须满足电源技术条件的要求，为此，它的饱和磁感应强度要大，难磁化轴方向的矫顽力要小，能够产生磁各向异性，磁致伸缩常数要小，电阻值要大，生产过程中的最高温度要稳定，同时能够批量生产。为此，设计工程师对多种磁膜材料进行了研究选择，然后选择了一种能够基本满足以上需要的Fe基非晶材料FeCoBC系列。这是一种FeCo基非晶态为主相、晶界涂敷一层绝缘性BC基非晶相的双非晶态结构的金属磁性薄膜，其FeCo基非晶态主相仅几nm厚。这种材料在成膜过程的控制下，可以获得1.5T以上的高饱和磁感应强度和40A/m级的低矫顽力。而且，在320℃左右的温度下施加100kA/m左右直流磁场时，可以感应产生1kA/m级的异向磁场，同时能够满足混酸湿腐蚀等条件。
图3所示为典型磁性薄膜材料的直流磁化特性和高频磁性能。从图3可见，这种材料有明显的磁多向异性，而且，在难磁化轴方向具有良好的软磁性能。但是，磁性薄膜电感器实际使用的薄膜材料是把FeCoBC系磁性薄膜和AlNX绝缘膜叠合的FeCoBC/AlNX多层膜。
4 磁性薄膜电感器的制造工艺
磁性薄膜电感器的制造工艺过程如图4所示。由于该工艺中不再需要基板起到支承薄膜电感器的作用，所以，材料的选用相对地较为自由。考虑到材料的成本和材料加工工艺要求等因素，工艺师选用了5英寸的硅基板。
以下简要说明磁性薄膜电感器的主要生产工艺。
4.1 磁性薄膜的形成工艺
形成FeCoBC磁性薄膜的方法是采用烧结体靶的直流磁控溅射法，然后通过铝氮化反应形成AlNX膜和FeCoBC膜相叠合而构成多层薄膜。这种多层磁性薄膜的结构和磁性能如表2所列。
表 2 多层磁性薄膜的结构及其磁性能
磁性薄膜的成分 Fe59Co20B14C7(%)
磁性薄膜结构 异非晶态（用电镜观察）
饱和磁感应强度Bs ~1.6T
各向异性磁场HK ~1200A/m
磁致伸缩Ls ~24ppm
多层结构 AlNX/[FeCoBC/AlNX]·n/AlNX
制造多层磁性薄膜时，要以抗腐蚀膜作为掩模，用以磷酸为主的混酸将其温度控制在60℃左右进行腐蚀。磁性薄膜单轴磁性各向异性是在器件制造过程结束以后，经320℃温度和128kA/m直流磁场的情况下进行退火后获得的。
4.2 镀铜线圈的形成工艺
铜箔线圈的形成是采用“硫酸/硫酸铜/其它添加剂”为电镀液，通过电解电镀法完成的。其基本工艺过程为：首先，采用直流磁控溅射法在绝缘底膜的表面形成1μm铜膜和1μm铌膜作为电镀的底电极膜；然后，将其中的1μm铜膜腐蚀成平面线圈；其三，利用Az系材料在铜膜上涂敷一层保护膜；其四，根据平面线圈的转换图案形成保护框膜，在底谷间形成线圈导体。电解电镀铜线圈的膜厚控制在要求厚度的±5%以内为好。为能够形成良好的电镀膜，可以通过测定膜的电阻值进行控制；最后，去除掉铜膜的保护层，并采用CDE方法将电镀底层的铌腐蚀掉。
为了保护铜箔线圈，工艺上采用硅氮化反应性溅射法，在线圈的表面上蒸镀一层0.3μm厚度的SiNX膜。
4.3 绝缘膜的形成工艺
下部磁性薄膜与平面线圈之间的绝缘膜是通过硅氮化反应性直流磁控溅射法形成的一层5μm的SiNX薄膜。
深度为50μm的线圈间隙部分的绝缘物主要是通过填充聚酰亚胺（用旋转涂覆/焙烘的方法）完成的。加工中必须注意的是，由于线圈导体呈倒退拔型，台阶形状较大，常压下填充聚酰亚胺时会混入许多气泡，所以，只有在减压的情况填充涂覆才能避免发生这些问题。同时，应该多次反复地进行涂覆/焙烘，直到聚酰亚胺的表面粗糙度在1μm以下。然后，利用CF4/02气体的CDE处理方法，腐蚀至线圈上端，再将聚酰亚胺涂覆到所需要的厚度，经过焙烘即在线圈与上层磁性薄膜之间形成了一层绝缘膜。
4.4 背衬的形成工艺
对背衬部分的聚酰亚胺/AlNX膜的孔进行CED(CF4/02)处理，当背衬部分的铜表面露出以后，整体形成了1μm铝/1μm钼薄膜。最后，仅对背衬部分（即保留的铝/钼膜）进行图案腐蚀。
5 磁性薄膜电感器的特性分析
图5所示为薄膜电感器的特性曲线，其性参数见表1。
由图5可知，电感量L与频率之间几乎成水平关系。品质因数Q在2-3MHz频率时的最大值为8；在5MHz处的最大值为6.5。对于直流电流为零时的电感器而言，降低6db的电流值为1.6A，与设计值完全一致。
图6所示为计算的Q值和实测的Q值与频率之间的关系。从图6可见，当频率超过1MHz时，计算的Q值与实测的Q值差别显著，而且，其差值与频率的平方成正比，涡流损耗较小。由此可知，这种磁性薄膜电感器用于几W量级的输出变换器上，其性能是十分良好的。
6 磁性薄膜电感器的应用举例——MHz驱动DC/DC变换器
磁性薄膜电感器广泛应用于采用锂离子电池的二次电源的便携式电子设备中。其常用电源的规格为：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，最大输功率约3W。电源电路采用如图7所示的升压斩波型DC/DC变换电路，开关电源的工作频率设定为5MHz。
6.1 PWM控制用集成电路(IC)
控制用IC的模拟部分由双极型晶体管构成，EFT的驱动部分由CMOS构成。这种控制用IC的设定频率高达8MHz，占空比的上限为85%。对于4.7V的基准电压，输出端将产生反馈，从而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50PF的负载容量。
6.2 开关元件
根据开关元件要求快速响应和低导通电阻特性，我们采用了N-ch-MOSFET。这种元件的输入容量为70PF，导通电阻为0.7Ω，Vth为1.8V，额定电流为1A。
图9所示为5MHz时的开关波形，开关时间表为10ns。与用作电源开关的立式FET比较要小1位，为此就能控制高频开关损耗的增大。
6.3 整流二极管
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（1A额定电流时），而且其导通电阻小，逆程时间短。
6.4 电源的安装
在采用磁性薄膜电感器的安装中使用了多层元件封装(MCP)技术。这是一种将难以单片化的多种元件混合组装在一个封装壳体内的技术，它们非常适合用于由半导体器件和薄膜电感器等类型的复合器件构成的DC/DC变换器的装配。图10所示为经过双面孔金属化镀覆布线的树脂基板上安装了多种元器件构成的DC/DC变换器照片。
器件装配中的布线质量对电源噪声会产生很大影响，所以，布线设计时应特别重视。磁性薄膜电感器和所有裸片状的半导体器件，利用银浆把电容器和片式电阻一起贴装在基板上。
磁性薄膜电感还具有另外一些特点，例如其安装时能和半导体裸片同样处理，各元器件之间用30μm的金丝连接，然后再根据变压器的形式充填树脂成形。这样就组装制成了一款体积为9.3×25×2mm3的装有电感元件和平滑电容器的变换器。
6.5 超小型化DC/DC变换器的有关特性
图11示出了该DC/DC变换器的控制特性。从图可见，这种变换器在其输入电压由3V变化到4.2V时，其输出电压的变化仅为±3%以下，即使从空载状态变化到最大输出电流为600mA，其输出电压的变化仍在1%以下。由此
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