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  • PwrSoC应用了哪些磁性材料和元器件
    发布时间:2017-11-24 来源:本站 点击数:174
    随着IT产业的不断发展,便携式电子设备越来越向着微型化和集成化的方向发展。PwrSoC正是顺应该微型化和集成化发展的产物,来满足现代人关于电子设备携带方便,使用简单的习惯。而限制PwrSoC微型化和集成化进程的主要原因是磁性材料和磁性器件。由于磁性器件的制作与半导体工艺不兼容,加之其性能受到磁性材料的影响,因此以往的电源供应系统要不采用分离元器件进行系统连接,要不采用IC与外加磁性器件的方式进行系统封装。
      近几年,由于LTCC(low-temperature co-fired ceramic)工艺的快速发展,使得PwrSiP(power supply in package)得到了快速发展,并已产生许多商业化的PwrSiP。PwrSiP是通过工艺手段将电感器等无源器件与IC芯片进行集成的技术,这项技术的优点包括易于制作,电感占的体积小,适于嵌入基底以及用厚膜技术来进行高功率转换[1]。然而,LTCC磁芯的集成需要一个相对高的工艺温度,与典型的CMOS工艺技术不兼容,因此,LTCC工艺并不适合实现PwrSoC。PwrSoC目前国内仍处于试验阶段,由于其效率和尺寸还不能与目前商用的转换器相媲美,因此到商业应用还有很大一段距离。
      在一个电源系统中,电感器往往占据整个系统很大的面积,因此,如何将电感器做小是电源系统小型化的重要环节。电感器的小型化受许多方面的影响,包括感值,材料,结构等因素。为了能制成满足需求的电感器,近几十年实验人员做了大量的研究,来探究影响电感器性能与制作的因素。传统的电感由于铁氧体磁芯体积大、密度高,在电路中占据的体积和重量比较大,限制了电源系统小型化与轻量化的发展。而为了适应小型化、轻量化、高精度、高频使用的需求,人们逐渐看到了薄膜电感的潜力,并进行薄膜电感的探究。薄膜电感将三维结构电感推向了二维平面结构,减小了电感所占的体积和重量,同时大大提高了电感密度。
      2 PwrSoC的发展
      由于硅工艺的不断改进,集成电路经过了小规模集成、大规模集成到超大规模集成。随着集成电路工艺的不断更新,想要从有源集成的方向缩小系统规模已经无法跟上现代社会电子设备发展的速度。尤其在电源系统中,由于有源器件的尺寸几乎到达极限水平,因此,想要减少系统体积,只能从无法集成的感性元器件入手。采用分离器件连接电源系统,由于器件之间会造成许多空间的冗余,因此其功率密度会比PwrSoC小许多。为了满足商用小型化的要求,同时保证足够大的功率密度,学者们做了很多尝试。
      Toshiro等人[2]通过溅射CoZrNb薄膜制成磁薄膜电感,并将该电感应用到兆赫兹的开关DC/DC转换器,最终得到尺寸7.0mm×7.0mm×2.0mm的变换器。该变换器在频率为5MHz时的输出功率为1W,功率密度超过9.76W/cm3。尽管该变换器的效率只有50%,与商业应用还有一段距离,但使用薄膜电感完成DC/DC转换器的制作,无疑是一个好的开端。Nakazawa等人[3]在功率IC上使用集成平面电感的DC/DC变换器,该功率IC的结构图与原理图如图1所示。该功率IC的封装尺寸为10mm×10mm×1.8mm,输出功率约为1W,开关频率3MHz,效率80%,功率密度为5.6W/cm3。这是对于PwrSoC的一个尝试,该变换器在效率上与Sato等制作的DC/DC变换器有很大的改进,未来如果能实现更高的效率并改善工艺技术,将有望实现批量生产。复旦大学的ASIC与系统国家重点实验室的研究人员[4],在0.13um CMOS工艺上成功实现了集成片式电感与电容的DC/DC转换器的制作。该变换器集成了一个高Q值的电感,最终的功率转换效率与在外部连接电感的变换器的转换效率相近,同时工作频率为180MHz,负载电流为170mA,输出功率最大到720mW。尽管与商业应用的DC/DC转换器相比,它的性能优势并不显著,但该变换器的高集成度,无疑给未来的PwrSoC的发展指明了一条道路。
      尽管将电感集成到功率IC上,可以减小芯片体积。但在体积减小的过程中,各种寄生问题也接踵而至,这些问题正是目前PwrSoC亟待解决的问题。目前,实验制作的PwrSoC由于工艺条件的限制,效率、开关频率、功率等仍不能达到商用的标准,但其较小的体积、较大的功率密度,让实验者们看到了曙光,只要能在以上的方向有所突破,PwrSoC必将迎来自己的春天。在PwrSoC中,磁性器件的尺寸仍然占据了很大的地位,如何改善磁集成工艺,进一步减小芯片体积,也成为大家关注的方向。同时,由于目前商用IC基本采用CMOS工艺生产,而传统的CMOS工艺又无法集成磁性器件,因此如何改善工艺条件,使得能在CMOS工艺上集成电感元件,成为了很多人研究的方向。目前,已出现的PwrSoC芯片,受到工艺条件的影响都是在有一定妥协的基础上制作出来的,如磁芯材料等。未来制作出更好性能的软磁材料,使之能更好的与现有的工艺相结合,从而制作出性能更优越的器件以致系统,是大家共同努力的目标。
      3 磁性器件与材料的发展
      微电感的出现和磁薄膜的发展可以追溯到二十世纪六七十年代,而近十年薄膜微电感才得到迅猛发展。为了缩小电源的体积,同时保证其性能,不同的研究机构致力于在功率转换器中集成磁性器件来完成此目标。他们使用不同的磁性材料、工艺手段和结构来制作微磁器件。目前电感的制作方式基本大致分为2个方向,一个是采用典型的真空低温CMOS兼容技术,另一个是使用不同的封装或集成技术而不需要真空条件。电感的连接方式是决定功率变换器是属于PwrSiP或者PwrSoC的主要依据。对电感的研究,主要集中在如何在较小的体积上获得大的电感,提高电感的工作频率,提高电感的Q值,减小电感的铁损等。为了弄清楚影响电感性能的因素,研究者通过大量实验对电感结构、磁芯材料等做了研究,并逐渐了解了这些不同因素对电感性能所起到的作用。[#page#]
      3.1 微电感结构
      如何在兼顾感值、效率、尺寸和制作工艺的情况下,来合理的安排微电感器的线圈与磁芯是微电感设计的首要问题。对于功率电感而言,如何增大其储能是设计电感的首选条件,磁芯则是保证在较小体积下,获得较大电感值的必备因素。目前电感的制作大致分为2个方向:第一种是把导体线圈做成平面结构,而用磁芯材料将导体线圈包围起来,形成闭合磁路结构(即为磁性材料/导体、磁性材料结构);另一种是把磁芯材料做成平面结构,而用导体缠绕着磁芯材料(即为导体/磁性材料/导体结构)。螺旋线圈电感和条形电感是第一种电感形式的典型代表,而采用第二种电感形式的有螺旋管和环形线圈电感。对于微电感器而言,ag足彩关注的主要参数是单位面积电感量要高,直流承载能力高,直流电阻要低,同时工作频率和Q值要高。
      在系统小型化的要求下,Sohoo教授[5]于1979年首次提出了薄膜电感的构想。他分析了现有电感器出现的问题,那就是磁芯电感体积较大,而集成小尺寸空心电感不能满足系统对大电感量和高品质因素的追求,且电感的使用频率只能低于100MHz。在提出薄膜电感的同时,也对电感形式进行了简要的阐述,他提出了2种形式,一种为螺旋管型,另一种为三明治螺旋绕线型。两种结构图如图2中所示。这两种结构为现代薄膜电感的发展打下了基础。
      随着薄膜电感的发展,螺旋线圈型电感的线圈结构也先后出现了折线型、圆形螺旋型、矩形螺旋型、以及双矩螺旋型等一系列的线圈结构[6-7],如图3所示。通过大量的研究,人们逐渐认识了不同的线圈结构对电感性能的影响。在刘保元的论文[6]中,对线圈的结构进行了详细的理论分析,并同实际的测试作比较,得出了结论:对折线形线圈结构来说,由于其同层导线间的电流方向相反,使得互感为负,因此折线形线圈结构并不利于电感性能的改善。而圆形螺旋型与矩形螺旋型线圈结构,由于他们的互感增量远大于其自感的增量,因此在相对较小的面积上,就能获得较大的电感量。这种电感还具有直流电阻低和Q值高等优点,由于导体完全被磁性材料所围绕,因此对获得所需的电感值以及减小EMI效应很有好处。这也成为了目前市场上所用的微电感,其线圈结构普遍为后3种的主要原因。由于圆形螺旋型线圈不易实际制作,因此大部分关于电感的研究中,主要集中在矩形螺旋型线圈结构和双矩形螺旋型线圈结构。
      Kowase及其同僚[8]、Ito和Takeuchi等人[9]以及Brandon等[10],都成功制作了线圈结构为矩形螺旋型的性能良好的微电感,并将该电感用到DC/DC转换器中,所制作的DC/DC转换器都具有高效率、大电流、低电压、小体积的优点,这是以往实验中,采用其他结构所不能同时兼顾的。矩形螺旋型线圈结构的电感,受其结构限制,在镀磁芯时在磁芯中诱导出各向异性比较困难,这限制了该结构电感大多只能用于开关频率小于10MHz的DC/DC变换器中。对于双矩螺旋型线圈结构的电感,大家也做了很多研究[7、11-13],并制造出了集成该结构电感的DC/DC变换器。由于可以在磁芯材料中通过退火处理,产生单轴磁各向异性,在相同条件下,双矩形线圈结构电感会比矩形线圈结构电感的电感量更大,这对于实现高功率PwrSoC很有帮助。采用双矩形结构的电感[11-12],其电感值一般在微亨量级,同时兼具较高的Q值,用其制作的DC/DC变换器[7、13]的效率都能达到80%左右,但工作频率依然在10MHz以内。
      为了改善矩形螺旋型线圈结构的电感的性能,使得集成的电感能在更高频段处工作,实验者们将矩形结构进行变换,于是产生跑道型结构电感[14],如图4所示。在图中阴影部分为磁性材料,红色区域为铜导体。用磁性材料缠绕着线圈笔直的那部分,加上磁芯中的单轴各向异性,使得该电感能在10MHz-100MHz频率上工作。Meere等[14]将该线圈结构的电感应用到DC/DC变换器中,使得该变换器能工作在较高频段。与圆形和矩形螺旋型线圈结构电感相比,跑道型线圈结构电感更适合应用到工作频率为10MHz-100MHz,电感值为10nH-200nH的电源系统中。Sullivan和Sanders[15-16]在比较跑道型线圈结构电感与螺旋管型电感的外部磁场分布时认为,这种结构电感由于磁路闭合,将线圈隔离,外部磁场较小,更有利于应用到小型功率转换系统中。
      同时,由于不同的系统对电感参数的不同要求,条形电感也被研究者们所研究。所谓条形电感,是指磁性材料围绕在单匝线圈上,如图5所示[17]。由于该条形只用了单匝线圈,因此避免了折线形线圈结构中匝与匝之间的影响,想要提高其感值,只能通过提高磁芯材料的磁导率来获得。同时其相对于螺旋线圈电感来说较简单的工艺流程,使得该电感比螺旋线圈电感更容易集成在硅衬底上。Sullivan等人[18]将V凹槽条形微电感集成到高电流的变换器中,最终获得了高频、高效率、高电流、低电压的DC/DC转换器。该V凹槽条形电感结构是在硅衬底上采用湿氧腐蚀法腐蚀出一个凹槽,然后在凹槽中按顺序镀上CoZrO2/Cu/CoZrO2夹层结构。由于V型导体较大的截面积,使得电感有较低的直流电阻,提高了电感的Q值,进而改善了转换器的效率。然而受其结构限制,此结构电感只能用于需要电感值较小的转换器中。未来如果可以找到增加其电感值的方法,将可以把这种结构的电感推向更大的发展舞台。
      圆环型电感和螺旋管型电感,是将导体线圈缠绕着磁芯材料制作而成的。同前面所述的电感类型不同,这两种电感均是将金属围绕成一个圈,把平面磁芯包裹起来。两者之间的不同之处在于,前者一般为多绕组结构,后者的磁芯结构则为条状,如图6所示[1]。Ahn和Allen[19]成功制作了能应用于DC/DC变换器中的圆环型电感,该电感在5MHz时的电感值能到0.22μH。这种电感模式设计的缺点,主要是电感的导体通过通孔来进行连接的,这会产生一个相对较高的接触电阻和比较复杂的工艺难度。由于不易在磁芯中诱导单轴的磁各向异性,电感应用到DC/DC变换器的工作频率只能低于10MHz。Lee等人[20]对集成的螺旋管型磁芯电感的高频性能进行了详细的分析,并成功制作了电感值高于70nH,线圈电阻低于1Ω,器件面积低于1mm2的螺旋型电感。该电感的Q值大于5,电感值也是同等条件下空心电感的30倍以上,电感密度高于200nH/mm2。这种电感结构利用在磁芯材料中诱导出各向异性,能使其比圆环型电感工作在更高的频率上。在将这种结构电感应用于DC/DC变换器时,由于功率MOSFET损耗的影响,使得变换器的效率只有52%[21]。因此,为了提高变换器效率,集成该结构电感的工艺条件仍需改进。
      对于功率微电感来说,其结构的选择至关重要,这直接关系着电感的性能以及应用该电感的变换器的性能。为了获得大的电感量、高频下比较小的电阻损耗、大的Q值和高的载流能力,需要严格选择电感结构。通过以往关于电感的研究可以看出,不同结构的电感都有其各自的优劣势,因此根据需求避短扬长,才能做出合适的选择。[#page#]
      3.2 电感用磁性材料
      磁芯是磁性器件获得高电感值的一个快速途径,因此磁性材料的选择对于感性器件来说也是至关重要的。为了制作能用在10MHz-100MHz甚至更高频段上小而高效的微电感,对磁性材料的要求为:低的磁芯损耗,高的饱和磁通密度,较高的各向异性场,低的矫顽力以及高的磁导率。电感器对磁性材料的详细要求如下:
      (1) 磁芯损耗:主要包括两个方面,涡流损耗和磁滞损耗。在低频时,磁滞损耗起主要作用,随着频率的逐渐增加,涡流损耗逐渐增大,并占据主导地位。低的涡流损耗要求软磁材料有高的电阻率和低的矫顽力。
      (2) 电阻率:涡流损耗是指由于材料的导电性,而流失于磁芯材料中的能量损耗,该损耗直接影响着电感器的性能。高电阻率的磁性材料将可以有效的减少材料中流失的能量,同时其具有的大的趋肤深度,会降低磁芯薄膜厚度对磁场强度的影响。
      (3) 矫顽力:磁性材料低的矫顽力将会减小电感器在高频下的磁滞损耗。
      (4) 饱和磁化强度:高的饱和磁化强度可以提高起始磁导率,进而加强电感的载流能力。
      (5) 相对磁导率:相对磁导率高的材料,可以保障其在高频下工作稳定,对增强微电感的高频稳定性很有帮助。
      (6) 各向异性场:高的各向异性场,将能提高微电感的工作频率和载流能力。
    在研究电感器对磁性材料的要求的同时,人们也制作了使用不同的磁性材料作磁芯的电感,并对电感的性能进行了测试。在1998年,Sato等人[22]将纳米晶Fe(Co-Fe)-Hf-O磁性材料应用到微电感器中并与使用非晶态Co-Ta-Hf材料薄膜电感进行比较,得出前者有更高的Q值,应用到DC/DC变换器中会有更高的转换效率。由于单一的软磁材料,想要满足制作电感的种种要求是很困难的,于是对复合软磁材料的研究渐渐增多了起来。Varalaxmi和Kumar[23]对镁铜锌和镍铜锌铁氧体复合材料进行了详细的研究,通过一定的配比制作出了起始磁导率高达9619的软磁材料,若将该材料用于微电感中,对电感性能的提高很有帮助。进一步研究中,研究者发现,如果在线圈外,能采用磁导率离散递增的磁性材料,对提高电感器的性能有很大的作用[24]。
      目前,广泛用于电感器磁芯中的磁性材料为Co基系列和Fe基系列材料,这主要是由于他们较高的电阻率、饱和磁化强度以及各向异性场。为了使电感器能工作在更高的频段,同时保证良好的性能,需要探索出性能更加优越的软磁材料。
      4 磁性材料与器件的集成技术
      目前集成电感常用的工艺为丝网印刷技术、溅射技术和电镀技术,但每种技术都有其优缺点。丝网印刷技术一般适合沉积非金属薄膜,它提供了相对简单的工艺来沉积低损耗的磁芯。但由于需要高温退火来实现所需的磁性能,因此该技术与典型的硅基MEMS制作工艺不兼容。
      溅射技术是目前常用的集成磁性材料和器件的技术,该技术的特点有(1)溅射的物质范围广泛,无论是金属、半导体、绝缘体、化合物或者混合物。只要是固体,几乎都可以使用溅射沉积到基片,并且在进行磁控溅射的过程中,氧化物等绝缘的材料和合金基本不发生分解和分馏。(2)溅射的薄膜不易脱落。在溅射过程中会产生高能原子,当这些高能原子淀积到基板上时与基板之间进能量交换,会释放出较高的能量,这样增强了原子与基板间的粘附力。(3)溅射的薄膜纯度较高,由于溅射需要一定的真空度,因此受到其他的污染的可能性较低。(4)溅射的薄膜膜厚较易控制,同时也方便重复制作。同时溅射与低温CMOS工艺技术兼容。但该技术也有缺点,对于需要沉积厚膜,溅射技术将会是一个昂贵并且缓慢的过程。
      电镀技术对于沉积厚膜来说,是一个不错的选择,而且工艺成本不高,与典型的IC制作过程兼容。最常采用电镀技术沉积的薄膜是坡莫合金,这种材料有很高的磁导率、低的磁滞损耗和接近为零的磁致伸缩系数。通过电镀技术与MEMS技术相结合的方式来集成磁性材料与磁性器件,是目前实现PwrSoC不错的途径,但在批量生产商仍然存在不足。同时,电镀技术已经有比较完善的仪器与工艺条件,实现起来比较简单。典型的集成磁性材料与器件的工艺流程如图7所示[25]。
      由于磁性器件对工艺的严格要求,致使在传统的半导体工艺线上集成微电感几乎是不可能的事。若能通过改善工艺,使得能将电感集成到IC芯片内或者将制作成功的电感与IC芯片进行系统集成无疑为系统的小型化做出了一大贡献。采用溅射(电镀)工艺集成微电感,低温CMOS (MEMS)工艺集成功IC,是目前实现PwrSoC的两大实验途径。目前硅基上集成微电感尽管也有效率高达93%的样品出现[26],但离实际商业应用的片式电感95%-96%的要求还有一段距离。因此,想要实现PwrSoC的商用化,仍需对工艺做出改进。
      5 结语
      受老一代PwrSiPag足彩体积小而功率密度高的冲击,新一代的PwrSoC技术必须具有这些优点,同时还应做到更好,这样才能在未来的市场中占有一席之地。磁性材料与器件的集成,对于PwrSoCag足彩来说将会是一个推进器,也是同以往ag足彩进行区分的一个分水岭。
      尽管目前已出现的PwrSoCag足彩,获得了不错的性能和效率,但同商业应用以及人们的需求之间仍存在一定的差距。PwrSoC的发展所需解决的不仅仅是改善磁性器件的性能,同时还包括系统的设计和兼容问题。兼容问题包括制作工艺之间的兼容,器件之间所产生影响其性能的寄生效应和干扰,封装和集成问题以及长期使用的可靠性问题等。而设计问题包括系统的协同设计与优化,方案验证和CAD仿真。总之,ag足彩需要从磁性材料,磁性器件,制作工艺等等方面入手,不断的进行改善,不断的突破障碍才能让PwrSoCag足彩从实验室走向市场。同时也希望通过本文的介绍,能给国内PwrSoC的发展带来一定的帮助。
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