（微电子学与固体电子学专业论文）铁氧体膜片式电感器的制备研究.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 随着信息技术的飞速发展，各种电子产品的尺寸在不断地减小，工作频率也不 断地提高。这使得产品中的电子元器件不断地小型化、片式化。作为三大无源元件 之一的电感器，由于受到自身螺旋绕线的限制，其物理尺寸已缩小到物理极限，其 小型化、片式化率远远落后于电阻器和电容器。怎样进一步减片式电感器的尺寸， 或者在较小的面积上制备出更大电感量的电感器，成为电子产品小型化、轻型化的 瓶颈，也引起了国内外众多电感器厂商的高度重视。 本文从片式电感器的起源出发，介绍了片式电感器的国内外研究和发展概况以 及应用领域；阐述了其分类和特点，并以方形平面螺旋电感器为例，研究并分析其 物理模型、 电路模型和高频效应。 实验中采用丝网印刷方法在 al2o3陶瓷基片上制备 出尺寸为 5mm5 mm 的片式电感器； 采用普通陶瓷工艺制备了低温烧结 nicuzn 铁 氧体和 mgcuzn 铁氧体粉料， 将该粉料采用丝网印刷方法制备了 nicuzn 和 mgcuzn 铁氧体膜，以期能应用于制备出的片式电感器，提高片式电感器电感量并优化其性 能。 研究发现， 刷制的低温烧结 nicuzn 铁氧体膜对制备出的片式电感器电感量提升 很大，双层铁氧体膜将空心片式电感器的电感量从 48.54 nh 增加到 65.88 nh，提高 了 35.72 %，在 150 mhz 以下品质因数仍能保持在 4 到 4.87 之间。 关键词：关键词：片式电感器 电感量 磁芯膜 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract with the rapid development of information technology, all kinds of electrical products sizes are constantly decreasing, and their working frequencies get higher and higher. it requires the elementary devices come smaller and thinner. inductor, as one of the three passive elementary devices, its sizes decreasing falls far behind resistor and capacitor because of intrinsic spiral turns. how to further reduce the size of chip inductor or to fabricate inductors with higher inductance on smaller area, becomes the choke point of reducing products dimensions. this dissertation starts with the origin of chip inductor, introduces the research and development home and abroad, and expatiates its sorts and characteristic. then, take the square planar spiral inductor for example, analyze its physics model, circuit model and high frequency effects. in the experiments a kind of chip inductor with 5mm5mm size was made on al2o3 ceramic substrate with silk screen printing method. nicuzn and mgcuzn ferrites powder were made in common ceramic process. nicuzn and mgcuzn ferrites films which could be sintered at low temperature were also made with silk screen printing method. we hope these films could help increase inductance, and better the inductors performance. in our research, we find that the nicuzn ferrites thin films greatly increase the inductance of the 5mm5mm size inductor. the inductance of sandwich type inductor is 65.88nh, which increases by 35.72% compare with 48.54nh of inductor with no films. the quality of sandwich type inductor keeps 4-6 at frequency below 150mhz. key words: chip inductor inductance magnetic core film 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 随着全球集成电路和通信技术的迅猛发展，各种电子器件在不断地小型化、片 式化。三大无源元件中的电阻器和电容器的片式化、微型化技术发展很快，早在上 个世纪 70 年代中期就已经达到大批量地生产和应用阶段，其产品的种类和规格非常 齐全。而电感器则由于受传统绕线线圈的面积和空间体积的限制，其小型化、片式 化水平远远落后于电阻器和电容器。日本机械电子工业振兴协会（eiat）调查报告 显示1：电阻器、电容器的片式化比例在 1993 年就超过了 70%，而电感器的片式化 比例则仅为 38%左右，明显滞后。 电感器，作为三大无源元器件之一，广泛应用于各种谐振电路。在滤波器、混 频器、变压器、信号发生器、dc/dc 变换器等电子设备中，电感器都扮演着相当重 要的角色。20 世纪七八十年代，电话机、电视机、收音机、天线等使用了大量的电 感线圈；到了 90 年代，汽车电子和工业控制等新兴行业极大地促进了片式电感器的 市场化和商业化，此外 cvd 音响、数字机顶盒、蓝牙耳机、pc 机等新型电子设备 中也大量用到了片式电感器。21 世纪初，随着通信技术与集成电路的飞速发展，各 种便携式电子产品如手机、mp3、掌上电脑等层出不穷，且其集成度、存储容量和 稳定度等性能都在不断地提升，而功耗不断降低。 通常情况下，电子设备中的电感器占据着绝大部分的面积和空间，电感器的尺 寸决定了整个设备的尺寸。从某种层面上来说，电感器的片式化技术的发展，决定 着新型电子设备的出现与革新。因此，进一步缩小电感器的尺寸，成为电子产品行 业亟待解决的关键问题。不少电感器生产厂商认为集成化是小尺寸电感器未来的发 展趋势，将电感器和其它元器件集成在一个复杂的模块上，进而组成一个完整的系 统，这样做既可以降低设备的成本，又可以减小体积、减轻重量。但小型化电感器 要实现集成化，即尺寸小，且制备工艺与其它集成元器件（如集成电阻器、集成电 容器等）兼容，仍需时日。目前市场上的电感器仍停留在片式化、薄膜化阶段，电 感器的片式化研究也受到了国内外专家学者的广泛关注2-5。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.1 国国内内外研究概况外研究概况 电感器的片式化早在上个世纪六七十年代就被提出来，但由于受到电感器本身 绕线工艺的局限，片式化工艺难度大，其真正的发展是在最近二十年。 上个世纪 70 年代末， 缩小集成电路的面积最直接的办法是减小以电感器为主 的无源器件的尺寸。集成化的小尺寸空芯电感器的引入可有效地减小电路的尺寸 和重量，但却不能适应大电感量和高品质因数的要求。对于频率低于 100mhz 的 情况，可以采用有源滤波的形式解决这个问题；但当频率高于 100mhz 时，就难 以解决。 1979 年，美国加利福尼亚大学的 soohoo 教授指出：要实现电感器的小型化， 就必须绕制较少的匝数；与此同时要满足大的电感量，就需要考虑选用高 的磁芯 材料6。基于这两方面因素的考虑，soohoo 教授提出了两种形状的片式电感器。 一种是螺线管型。将传统的螺线管的磁芯做成长方形薄片状，螺线管中的磁场沿膜 面，选用的磁芯材料以易磁化轴沿薄膜表面的材料为宜，如 ni、fe 及其合金等。 螺线管型片式电感器形状如图 1-1 所示，它就是发展到今天的绕线型片式电感器的 雏形。 图图 1-1 螺线管型片式电感器 另一种则是 sandwich 螺旋绕线型，其形状如图 1-2 所示。 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图图 1-2 sandwich 螺旋绕片式电感器 由于磁性层封闭着螺旋线圈，磁路闭合，这种形式的电感器可有效地提高电感 量。它就是目前研究得比较热门的薄膜片式电感器，叠层型片式电感器也是在它的 基础上发展起来的。 日本对片式电感器的研究也比较早。1984 年日本大阪大学的 k. kawabe，h. koyama 和 k. shirae 制备出了环绕型(hoop type)、螺旋型（spiral type）和折线 形（meander type）三种形式的薄膜片式电感器，如图 1-3 所示。每种电感器又分为 线圈被磁芯封闭包围和不封闭包围两种情况7。 (a) (b) (c) 图图 1-3 薄膜片式电感器，(a) 环绕型，(b) 螺旋型，(c) 折线形 图 1-4 示出了这些电感器的电感量和电阻随频率的变化曲线。从图中可看出这 些电感器的自谐振频率非常低，约为 50mhz。尽管如此，他们的研究为近 30 年来 的电感器片式化研究奠定了基础。 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 l/nh q f/mhz 图图 1-4 电感器的电感量和电阻的频率特性 进入世纪之交，成熟的微电子工艺技术、表面封装技术（smt）和新兴的微机 械系统技术（mems）的结合，使得电感器的片式化得到空前的发展。发展到今天， 片式电感器产品主要是绕线型和叠层型两种形式。它们的尺寸都在不断地减小：从 2520（2.5mm 2.0mm）缩小到 2012，1608，发展今天的 1005。其中，1005 绕线型 片式电感器的电感量可达 1.0nh。 国外的片式电感器生产商主要分布在日本、美国和韩国。 日本是生产片式电感器最早的国家，也是目前世界上片式电感器产量最多的 国家，其中尤以生产高频薄膜片式电感器和高频叠层型片式电感器著称。高频叠 层型片式电感器是三类无源片式元件中技术含量最高的一类，有着近百亿美元的 国际市场。tdk、村田电子（murata） 、太阳诱电（taiyou yuden）和东光（toko） 等都是生产高质量片式电感器的企业。在全球高频薄膜片式电感器和高频叠层型 片式电感器市场上， tdk 的市场占有率为 32%，村田电子为 18%，太阳诱电为 16%。 美国主要生产高频绕线型片式电感器。其中 coilcraft 公司占据全球高频绕线型 片式电感器市场的七成左右，日本 sagami 公司次之。 韩国生产片式电感器的厂商有 samwha、samsung、ceratech 和 pilkor 等，这些 公司主要侧重生产高频叠层型片式电感器。 国内电感器的片式化研究起步较晚，落后于国外 10-15 年。日本、美国等发达国 家的片式元器件发展很快，在 2008 年电容、电阻的片式化率已经超过 90%，电感片 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 式化率也达到了 80%；而国内的元器件片式化率只有 70%，其中电感片式化率只有 50%。因此，大力研究并发展电感片式化技术，已成为国内元器件片式化进程中亟待 解决的问题。 2000 年清华大学在用于片式电感器磁芯材料的研究中取得突破8。新型陶瓷与 精细工艺国家重点实验室研究出的低温烧结高磁导率 nicuzn 铁氧体和低温烧结 甚高频平面六角软磁铁氧体均已达到国际领先水平。低温烧结铁氧体，是指在较低 温度下（900以下）烧结时就能形成晶相的一类铁氧体。这个烧结温度，能与片式 电感器中银（熔点 961）导线相兼容，因而可用作片式电感器的磁芯，从而大大推 进电感器的片式化进程。 低温烧结 nicuzn 铁氧体的应用将使高电感量、大功率电感器的片式化成为可 能，而低温烧结甚高频平面六角软磁铁氧体则会使在工作在甚高频段的叠层型电感 器的片式化成为可能。本研究中选用的就是低温烧结 nicuzn 铁氧体，将其刷制在片 式电感器上，制备出了高电感量（60nh 以上）的片式电感器。 目前国内大都仿效国外片式电感器的发展模式，创新性的成果很少。然而，国 内的市场需求量很大，占全世界 30%以上，因此有大量的生产厂家在研发和生产片 式电感器，国外片式电感器厂家也纷纷在国内投资建厂，形成了激烈的竞争局面。 国内的厂商主要集中在我国的台湾和珠江三角洲地区。台湾地区的生产量仅次于日 本，约占全球的 15%。在国际上我国算是片式电感器的生产大国，但利润相对较小， 这是因为我国主要生产常规的片式电感器，新型片式电感器所占的份额微乎其微， 而正是这些新型片式电感器才是利润的源头。 中国台湾地区的台达电子从事高频绕线型片式电感器的研发和生产，其子公司 乾坤科技以薄膜技术著称，已经成功开发出高频薄膜片式电感 1608 与 1005 尺寸的 产品。其它的小公司如华新科技、达方电子、璟德电子在激烈地争夺高频叠层型片 式电感市场。 在内地，生产高频片式电感器的商家相对较少，电感片式化的进程也相当落 后。新兴的厂商如广东风华、深圳南玻、深圳顺络等也正在崛起。特别是深圳顺 络，算是片式电感器生产商中的后起之秀，其产量、技术含量有赶超台达电子集 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 团的势头。 1.2 电感器的发展进程电感器的发展进程 在电感器的发展演化历程中，它始终与线圈有着密切的联系。可以说，没有线 圈，电感器就无从谈起。这是因为，在电感量的定义里就已经包含了线圈。即垂直 通过线圈包围截面的磁通量与产生该磁通量的电流的比值。电感器的发展历程，大 致可以从以下几个方面来说明。 1.2.1 从三维到二维从三维到二维 从电感器线圈的绕法来看，电感器从螺线管型发展到平面螺旋型，空间维数由 三维减少到二维。 螺线管型电感器是最早出现的电感器，根据其铁芯的形状，依次出现了长直螺 线管、绕线磁环、变压器等种种样式，其中变压器是目前应用得最广泛的大型电感 器。这些电感器都具有体积大、重量重、电感量大、效率高的特点。平面螺旋型电 感器由于采取平面螺旋，其厚度可以缩小到微米甚至纳米量级，真正实现了片式电 感器，可与其它片式元器件兼容。虽然平面螺旋型电感器的磁芯只能由薄膜状的磁 性材料替代，且线圈之间的耦合没有螺线管型的强烈，电感量较小，但是这类电感 面积小、片式化、易集成，能工作在更高的频率段，已经成为目前片式电感器的主 流。 1.2.2 从绕线型到叠层从绕线型到叠层片型片型 绕线型和叠层片型式是目前电感器市场上最常见的两种基本形式。 绕线型片式电感器是螺线管型电感器向二维发展过程中的一个产物。将引头做 成适合表面贴装的端电极结构，采用高超的绕线技术在高精度的磁芯骨架绕制线圈， 对传统的电感器进行技术改进，缩小了体积，减小了寄生电容，提高了自谐振频率。 这种电感器目前的应用比较广泛，平均每一部手机大约需要 5 只高频绕线型片式电 感器。但由于固有的三维螺旋线圈限制，其尺寸进一步的减小仍面临着相当大的挑 战。 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 叠层片型电感器形状上与绕线型电感器类似，但其制备工艺则复杂得多。其中 的平面螺旋线圈与磁芯膜交替叠层，每层线圈的接头穿过磁性膜彼此良好接触，形 成一个独石结构，两头的电极做成表面贴装器件结构。这种电感器片式化技术成熟， 在同样面积的片式电感器中可获得更大的电感量，工作频率也较高。然而叠层片型 电感器制备工艺复杂， 成本高。 高频叠层片式电感器数量占手机用片式电感器的 70% 左右，每部手机需要约 20 只 1005 型（1.0mm 0.5mm）的产品。尺寸更小的 0603 型 产品也正在研发中。 1.2.3 从低频小功率到高频大功率从低频小功率到高频大功率 电感器应用范围很广， 工作频率范围很宽。 低到有工作在工频 50hz 的家用电器， 高到有工作在数 ghz 的手机，当然还有工作在更高频率的通信、卫星、航天等设备。 尤其在通信领域，更宽的信道带宽决定了通信设备必须使用在更高的频率。因而片 式电感器的使用频率也在不断地提高。 另一方面，功率电子学的发展，要求电感器能更有效地转换与传输大功率信号， 在处理高能量脉冲信号的领域，电感器的作用显得尤为重要。集成电路中芯片的低 压大电流趋势，也要求片式电感器的功率更高。如今, 叠层型片式电感器的耐受电流 已提高到数安培，而微亨级电感量的叠层型片式电感器甚至能取代绕线型功率电感 器。 1.3 片式电感器的种类及其特点片式电感器的种类及其特点 片式电感器从上个世纪末发展到今天，已经出现了各种各样的形式。片式电感 器从制造工艺来分，主要有 4 种类型，即绕线型、叠层型、编织型和薄膜片式电感 器，其中常见的是绕线型和叠层型两种。 1.3.1 绕线型片式电感器绕线型片式电感器 如前所述，绕线型片式电感器是传统螺旋型电感器小型化的产物。 通常情况下高频绕线片式电感器都做成工字型，如图 1-5 所示，两端的接头做 成表面贴装型器件。绕线型片状电感器的工作频率主要取决于骨架材料，空心或铝 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 骨架的绕线型片式电感器工作频率高，铁氧体骨架的则工作在中、低频段9。 图图 1-5 工字型绕线片式电感器 绕线型片式电感器的特点是电感量范围广（几 nh 到数 mh）且精度高，损耗小 （即 q 大） ，功率大，制备工艺简单、成本低等，缺点是在进一步小型化方面受到限 制。 1.3.2 叠层型片式电感器叠层型片式电感器 叠层型片式电感器是片式化元器件中技术含量最高的器件。它采用多层印刷技 术和叠层生产工艺制备而成，体积比绕线型片式电感器小，是电感元件领域重点开 发的产品。 先在衬底（绝缘层）上用导电浆料（本研究中采用的是银浆）印刷一段导体的 图案并留出螺旋图案的一头，其余部分印刷铁氧体磁性浆料，接着再连接先前导体 图案露出的一头，在磁性浆料上再次形成一段导体图案。如此依次把磁性体和导体 交替叠层，保证各层导体依次连接形成一圈圈的螺旋图案，到达要求圈数后，一起 共烧以制得叠层型片式电感器10。 与绕线型片式电感器相比，叠层型片式电感器有诸多优点：尺寸小，有利于 电路的小型化，磁路封闭，不会干扰周围的元器件，也不会受临近元器件的干扰， 有利于电子设备的高密度安装；一体化结构，可靠性高；耐热性、可焊性好；形 状规整，适合于自动化表面安装。不足之处是合格率低、成本高、电感量较小、 q 值低。 1.3.3 编织型片式电感器编织型片式电感器 编织结构的电感器如图 1-6 所示， 采用编织结构可以较大程度地提高电感量以及 品质因数11。 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图图 1-6 编织型电感器 一方面，编织结构使得电感导线的长度更长，而且由于磁芯相互之间靠得非常 紧密，使得漏磁很小，提高了相同面积内所获得的电感量。另一方面，由于磁芯被 分成一个个的小区域，各个区域之间没有直接的电导，使得整个器件的涡流损耗大 为减小，品质因数得到改善，大大提高了器件应用于高频范围的能力。但编织型电 感器的结构相对于其它电感器结构而言比较复杂，制备难度大，成本高。 1.3.4 薄膜片式电感器薄膜片式电感器 薄膜片式电感器主要是由平面螺旋线圈、绝缘层和磁性膜构成。区别于叠层型 片式电感器，它只有一层线圈，磁芯膜是用于微波频段的高性能纳米磁性薄膜。如 果磁芯膜的电阻率足够大，如铁氧体等，也可以不用绝缘层。 该结构中，线圈中心处的接头如何引出是制作该薄膜片式电感器的技术难点， 也是引起电感器寄生电容的主要原因。通常情况下，中心接头可以通过焊接技术引 入到绝缘层/衬底，然后从绝缘层/衬底中引出到外边缘，这个引出线被称为下导线。 若做成表面贴装型器件，则中心的接头可直接穿过绝缘层引出与外电路相连，但须 注意与磁性层绝缘。 薄膜片式电感器的特点是：工作频率高，常工作在微波频段；尺寸小，集成电 路的微型电感器大多采用这种形式。夹心状的薄膜片式电感器磁场分布集中，主要 在膜内，不会影响其它器件的工作；电感量小，精度高；由于寄生电容小，其品质 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 因数很高。 然而，由于高频薄膜式片式电感的制作需要微电子工艺的相关技术，因而成本 较高。 1.4 片式片式电感器的发展趋势电感器的发展趋势及应用前景及应用前景 电感器作为三大无源器件之一，主要应用于移动通讯、计算机、家电、汽车电 子、工业控制等领域。根据这些领域相关的发展趋势和要求，未来的片式电感器将 有以下发展趋势12： （1）小型化。这是当今各类电子设备共同的发展趋势。未来的电子设备的功能 将更加复杂，而体积则越来越小。这尤其对片式电感器提出了进一步小型化、片式 化的要求。深圳顺络电子股份有限公司总经理施红阳预测：未来 10 年内，小型化仍 然是电子元件发展的最主要趋势之一，片式电感器的体积将越来越小。 （2）高电感量。在高电感量的领域中通常采用的是传统的螺旋线圈绕组。而片 式电感器由于其电感量比较小，难以应用于高电感量的领域。该领域中的电子设备 的小型化，要求小型的片式电感器也能有较大的电感量。随着绕组技术优化和新型 磁芯材料的研制，绕线型片式电感器的电感量将会越来越大。片式电感器的电感量 是本研究中关注的非常重要的一个参数。 （3）高频化。随着时代的发展，通信领域要求信息传输的信道容量越来越大， 这就要求通信设备工作在更高的频率。因此，这些设备中的片式电感器必须有更高 的自谐振频率。目前薄膜片式电感器的工作频率已经提高到 ghz 量级，随着进一步 的研究，其工作频率必将提高到 10ghz 的量级。 （4）低损耗。能源问题是当今全世界都关注的问题。任何器件在工作时自身都 会消耗一定的能量，片式电感器也不例外。由于导线自身的电阻，片式电感器会消 耗一定的能量。高品质因数的电感器是目前研发的热点与追求。本研究中也考虑了 品质因数这个参数。 （5）高精度。目前市场上提供的片式电感器标称的电感量都带有 10%的偏差， 精度高的也有 5%。这对于要求精确时钟的数字电路来说，容易产生误差和不稳定 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 状态，严重时会造成信号输出紊乱，甚至烧毁电源。随着电路的工作频率愈来越高， 电感器的电感量精度与稳定度显得愈来越重要。 （6）微型化、集成化。这是片式电感器的尺寸缩小到物理极限后的必然趋势。 集成化可以在整体上减小设备的体积、重量，并优化系统的性能。目前，由于电磁 干扰的影响，片式电感器与片式电容器、片式电阻器的集成仍处于研究阶段。 片式电感器的主要应用领域有移动通信、计算机、音像产品、家电、办公自动 化等，基本上遍布了现代化生活的方方面面，其市场前景非常广阔。以下仅以 lc 滤 波电路及 dc/dc 变换器两个实例13，来介绍片式电感器的应用。 lc 滤波电路中的电容，由于集成电路里的微电子工艺的发展，非常容易集成到 电路上，但电感器的集成确有些困难。 图图 1-7 集成单片 lc 滤波器 片式电感器的出现使得 lc 滤波器的片式化成为可能。 yamaguchi m 等人的研究 表明， 在不影响 lc 滤波器的其它性能的情况下，采用薄膜电感器代替传统的电感器 大大减小了 lc 滤波器的插入损耗14。此外还减小了 lc 滤波器的尺寸和重量，提高 了它的集成度。图 1-7 显示了该集成单片 lc 滤波器的示意图。 dc/dc 变换器是片式电感器应用得较多的领域。 dc/dc 变换器是指将直流变为 直流的器件。由于片式电感器的应用，dc/dc 变换器的集成度能大大地提升。日本 fuji公司研制开发了一款dc/dc 微变换器， 其中片式电感器的尺寸仅为4mm 4mm， 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 但开关频率可达 3mhz，功率密度达 5.6w/cm3，可实现的转换效率大于 8015。 1.5 本课题的研本课题的研究意义究意义 随着科学技术的飞速发展，电感器的小型化已成为了迫切的需求。在不增加成 本、不降低电感器性能的情况下，怎样进一步缩片式电感器的尺寸，是众多电感器 生产厂商共同思考的问题。 解决此问题，通常的做法是研究制备出高品质的磁芯材料。对于绕线型片式电 感器，磁芯骨架里的材料可选用高磁导率的 nicuzn 铁氧体材料16；对于薄膜片式 电感器，则可使用高性能的纳米磁性薄膜材料。本课题围绕着 nicuzn 铁氧体材料， 对制备的片式电感器进行性能改良，并不断地结合电感器性能结果的反馈，修正磁 芯材料的制备工艺，以期得到一组最佳的工艺参数，来提高片式电感器的电感量和 品质因数。 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 平面螺旋电感器的理论基础平面螺旋电感器的理论基础 本章讨论平面螺旋电感器的理论知识。 薄膜片式电感器可看作是空心的平面螺旋电感器和磁芯膜共同作用的结果。因 此，熟知空心的平面螺旋电感器的理论对于研究薄膜片式电感器相当重要。 平面螺旋电感器按照螺旋的形状可分为正方形螺旋电感器、六边形、八边形螺 旋电感器和圆形螺旋电感器。 有研究表明17，在其它条件（如圈数、导线宽度、间隙宽度和导线厚度等）相 同的情况下，圆形螺旋电感器有着最高的品质因数 q，但电感量 l 最小；而正方形 螺旋电感器有着高的电感量 l，但品质因数 q 最低；六边形、八边形螺旋电感器的 两个参数都是居中。 在实际电路中，方形结构的器件是最容易与其它器件集成以做成一个整体模块， 并且其设计、生产方便，因而方形螺旋电感器是目前研究和应用的热点。由于矩形 螺旋电感器与正方形螺旋电感器相比，电感量 l 和品质因数 q 都低一些，因而，一 般在应用领域，都采用正方形的螺旋电感器。也有学者对双矩形螺旋电感器作过较 深入的研究18。 2.1 平面螺旋电感器的电路模型平面螺旋电感器的电路模型 平面螺旋的线圈（包括下导线）可用电阻与电感器串联的简单物理模型来表示， 如图 2-1 所示： 图图 2-1 片式电感器的简单物理模型 其中 l 为片式电感器自身电感量，r 为其绕线电阻。 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 考虑到下导线与各圈螺旋线的交叠，电感器本身自带了电容，并且各段相邻螺 旋线之间也有电容，因此模型变为图 2-2： 图图 2-2 考虑下导线交叠片式电感器的电路模型 随着频率的升高，考虑到绝缘层和衬底的介电效应，绝缘层本身存在着电容； 另外高频信号在衬底中会产生的涡流损耗，可用一等效电阻代替。从网络传输的角 度，可将电感器看作是双端口网络。因此高频下，空心的平面螺旋电感器模型可用 图 2-3 表示19-20： rsls cs rsub csi rsub csi cox cox 图图 2-3 空心电感器等效电路模型 图中， s l和 s r分别表示片式电感器自身的电感量和电阻。 s c为电感线圈与下导线之间的寄生电容，可以公式(2-1)进行近似计算（忽略下 层导线厚度影响） 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 s= ox ox cn w t (2-1) 式中，n为螺旋线圈圈数，w为导线宽度， ox 为线圈与下导线间绝缘层的介电 常数、 ox t为绝缘层厚度。 ox c表示电感线圈与衬底间的绝缘层电容，其表示式为： ox 1 = 2 ox ox cl w t (2-2) 其中，l为螺旋线圈的总长度。 si c为衬底耦合电容，其表示式为： 1 = 2 sisub cl w c (2-3) si r为漏电电阻，其表示式为： si sub 2 = g r l w (2-4) 其中 sub c和 sub g分别是衬底的单位面积电容和单位面积电导。 2.2 方形平面螺旋电感器电感量的计算方法方形平面螺旋电感器电感量的计算方法 平面螺旋电感器的电感量由其自身参数（如圈数、导线宽度、导线间距、外径 等）决定。众多的参数，使得要精确地计算出电感量相当困难。 常用的计算方法有 greenhouse 分段叠加算法21、 jenei 的整体平均值算法22和一 些电感量拟合公式23。这些方法大多是在直流或频率很低（忽略高频效应）的情况 下计算出电感量的， 其中 greenhouse 算法最精确， 其它公式虽精确度不如 greenhouse 算法，但运算效率一般比 greenhouse 算法高24。以下简要介绍 greenhouse 算法的基 本原理25。 方形平面螺旋电感器是用金属直导线在一个平面内绕制成的。与其它电感器一 样，方形平面螺旋电感器的电感量也由自电感和互电感两部分组成。f. w. grover 总 结出一种广泛接受的电感计算公式，可以用来计算任何由直金属导线绕成的三维电 感。 greenhouse 在 grover 公式基础上推导出方形平面螺旋电感器电感量的计算公式。 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 其思想是把平面螺旋电感器分成若干段直导线，由于相互垂直的导线之间没有磁场 叠加，其互感为零。总的电感量等于各段导线的自感 i l和任意两段相互平行的直导 线之间的互感( , )m i j之和： s 111, =( , ) nnn i iijj i llm i j (2-5) 其中，n为电感螺旋线圈划分出的直导线段数。 下面分别计算具体的自感和互感，各计算公式中电感量的单位为 nh，长度单位 为 cm。 每段直导线自感 i l为： 2 0.002ln1.25 4 i ii i lamd llt gmdl (2-6) 其中 i l为各段直导线的长度，为导体相对磁导率（银、铜约为 1） ，t为频率 修正因子（低频段下约为 1） ，gmd为直导线截面的几何平均距离，amd为直导线 截面的代数平均距离。对于矩形截面导线来说，有： 0.2232()gmdtw (2-7) 3 tw amd (2-8) 其中，t和w为线圈的厚度和宽度。 互感的计算则比较复杂25。对于任意两段平行的第i根和第j根直导线，其示意 图如图 2-4 所示： p d mq l 图图 2-4 任意两段平行直导线示意图 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 其中，p和q是指短导线j少于长导线i两端的距离， m gmd为两段导线的几何 平均距离，其计算公式为 111 248 ln()ln( )1260168 m ddd gmdd www (2-9) 其中，d为两根直导线中心线的距离。 若两根直导线中电流方向相同，则互感和为： ( , )( , ) m pm qpq m i jm j immmm (2-10) 若两根直导线中电流方向相反，则互感和为： ( , )( , ) pqm pm q m i jm j immmm (2-11) 上式中形如 x m的计算公式为： 2 xx mxu (2-12) 其中 x u为互感参数，其计算公式为： 11 22 22 22 ln11 mm x mm gmdgmdxx u gmdgmdxx (2-13) 至此，片式电感器的电感量可以完全用公式计算出来。它只与片式电感器本身 的参数如圈数、导线宽度、导线厚度、导线材料、间隙宽度和内径等有关。然而， 在实际应用中，片式电感器一般都工作在较高的频率下，频率修正因子将不再为定 值 1，而是更复杂的表达式。因而，各种高频的效应不容忽略。 2.3 片式电感器的高频寄生效应片式电感器的高频寄生效应 如上所述，常用的方形平面螺旋电感器电感量的计算公式，大多只适用频率很 低情况下的计算。随着频率的提高，必须考虑高频寄生效应。高频效应主要从以下 几个方面对电感器电感量计算产生影响26。 （1）涡流效应 当电感器工作在较高频率时，涡流效应会相当显著。通过导体的电流会在以导 18 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 体为中心的空间产生磁场。由电磁场与电磁波的知识我们可以知道，变化的电场会 产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场。高频时，在平面螺旋电感器 中，相互平行的直导线处在彼此产生的变化磁场中，会在导线内部产生涡流。图 2-5 表示电感器螺旋线圈由外往里的三段直导线，直导线通有电流 coil i， coil i产生交变磁 场 coil b，由于磁场叠加，越靠近螺旋线圈中心， coil b越大。 icoil icoil icoilieddy bcoil 图图 2-5 螺旋电感涡流效应示意图 若线圈中心密度较大，则会有很大的磁通量通过中心线圈。由楞次定律知， coil b 会在线圈内部产生涡流 eddy i， eddy i又会产生交变磁场 eddy b， eddy b的方向与 coil b相反， 削弱了总的磁感应强度，导致电感量的减小。另一方面，从图中可看出，中心线圈 靠近内侧的电流 coileddy ii比靠近外侧的电流 coileddy ii大，这造成了线圈中电流分布 不均，从而增大了螺旋线圈的电阻，在频率越高时增大得越明显27。总之，内圈导 线短，对电感量的贡献小，高频时又增大了串联电阻，大大地减小了品质因数。 实验证明，在其它条件都相同的情况下，螺旋线圈内径越大的电感器获得了越 大的品质因数。当然，这种中空结构的螺旋线圈会占据更大的面积，因而需要在品 质因数和版图之间折中考虑。 另一方面， coil b也会在衬底和磁芯膜中引起涡流，如图 2-6 所示。 衬底/磁芯膜中的涡流方向与其对应上方/下方的导线中的电流方向相反。衬底和 磁芯膜中的涡流损耗，会极大地降低电感器的品质因数。在大多微电子工艺里衬底 19 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 采用的是半导体硅，因而衬底中的涡流损耗很严重，是电感器的主要损耗。解决的 办法是可以将线圈下方的衬底镂空25或者采用多孔硅的衬底28。 图图 2-6 衬底中的涡流 （2）趋肤效应 趋肤效应是指电磁波在介质中传播时，电场、磁场在介质中分布不均匀，它们 的幅值会从表面向内部逐渐减小的现象。此时，电场、磁场仅集中在介质表面极薄 的一层里传输。同样当导线中传输的电流频率很高时，电流在通过导体时已经不能 像直流时那样充分地利用均匀地整个横截面，而是集中在导线四周的表层，越靠里 电流密度越小。 由表及里， 导体中的电流密度减小为外表面电流密度的 1/e 时的深度称为趋肤深 度，其计算表示为： 0 2 r (2-14) 式中， 0 为真空中的磁导率，其大小为 410-7h/m。由上式可知，频率越高、 导体的磁导率越大、电阻率越低，趋肤深度越小，趋肤效应也越严重。因此，在实 际应用中的片式电感器，一般都要求用磁导率很低的金属材料如铜、银、金等。它 们的电阻率相差不大，银、金由于较贵用得较少，大部分电感器都采用铜导线。在 极高频率和特别要求下，也用到银、金。 本文采用丝网印刷技术，浆料采用的是高温银浆。当频率 1ghz 之间时，银导 线的趋肤深度约为 2m。 20 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 由于趋肤效应，片式电感器的寄生电阻在高频下的计算表达式应修正为： 1 s t l r we (2-15) 式中为线圈导体电阻率、l为电感线圈总长度、w为线圈宽度、t为线圈厚度。 （3）邻近效应 如涡流效应中所述，每一根直导线不仅处于自身的电流产生的磁场中，同时还 处于其它直导线的电流产生的磁场中。显然，这时各个直导线中的电流分布和它单 独存在时不一样，它们都会受到邻近的直导线的影响，这种现象称为邻近效应29。 显然，频率越高，导体靠得越近，邻近效应越严重。与趋肤效应类似，邻近效 应会使导体的电流分布不均匀，从而使得高频时片式螺旋电感器的串联电阻增大， 品质因数降低，性能恶化。 21 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 实验实验研究研究及及性能表征性能表征 3.1 片式电感器片式电感器制制备备前的准备工作前的准备工作 在制备片式电感器之前，需要考虑到以下因素： 3.1.1 图案的设计图案的设计 片式螺旋电感器虽然形状各异，但以方形设计、绘制最为简便。这是因为在电 路绘图软件中，相对于六边形、八边形、圆形等图案，方形螺旋图案的绘制容易一 些。另外在实际电感线圈的实现过程中（本实验采取的是丝网印刷技术） ，方形螺旋 图案很容易实现，也能较好地与其它器件的形状要求相兼容。 基于对以上因素的考虑，本实验制备的片式电感器均采用方形图案。然而，方 形螺旋线圈四角的度数与其它形状相比较小，为了减小由于直导线之间的连接而产 生的电阻，方形螺旋线圈的四角最好以圆角连接实现。另外，螺旋线圈的外径、圈 数、导线宽度、间隙宽度等片式电感器自身参数的设计也需考虑。为了适应后期溅 射镀膜的需求， 本实验制备的所有片式电感器都以边长为5mm的正方形基片为衬底。 3.1.2 导导体体材料的选取材料的选取 绕制螺旋线圈时，为了尽可能地减小自身电阻以提高品质因数，通常要求导体 材料的电导率越高越好。常态下导电性能最好的金属依次是银、铜、铝、金等。铝 化学性质不稳定易被氧化，昂贵的金会增加器件的成本，因而片式电感器的导体材 料通常都选为铜或银。 此外，我们还需考虑导体材料与衬底、与磁芯膜之间的附着力、热膨胀系数等 因素。铜和环氧树脂的附着力较好，这也是目前 pcb 版均采用铜作为原料的原因之 一，但是环氧树脂不能承受高温（通常情况下不得超过 200） ；银与陶瓷附着力较 强，但与铁氧体的热膨胀系数有一定差别。 实验中我们采用丝网印刷技术将高温银浆刷在 al2o3陶瓷基片上， 然后烧结固化 银。 22 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3.1.3 衬底材料的选取衬底材料的选取 衬底材料的选取除了需要考虑其与导体材料之间的附着力、热膨胀系数等因素 之外，还需要具备以下三个因素： （1）高的电阻率 如前所述，衬底也处于流经螺旋导线的电流 coil i产生的磁场 coil b中，因而，在衬 底中也会产生感应电动势u。若衬底的电阻率较小，则衬底中也有较大损耗： 2 u p r (3-1) 有研究表明，若增大片式电感器衬底的电阻，极限情况下增至无穷大，片式电 感器的品质因数能有较大的提高30。另有学者研究表明，在高频情况下，衬底损耗 在整个片式电感器损耗机制中占主导地位26。由此看来，片式电感器衬底材料的电 阻率应是越高越好。 （2）低的介电常数 从片式电感器的物理模型中很容易看出，衬底电容由于其面积大（遍布整个电 感器） ， 其电容值不容忽略。 片式电感器自谐振频率决定了电感器能使用的频率范围。 通常情况下，要求自谐振频率越高越好。自谐振频率计算式为： 1/ 2