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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. PwrSoC應用了哪些磁性材料和元器件
        發布時間:2017-11-24 來源:本站 點擊數:266
        隨著IT產業的不斷發展,便攜式電子設備越來越向著微型化和集成化的方向發展。PwrSoC正是順應該微型化和集成化發展的產物,來滿足現代人關于電子設備攜帶方便,使用簡單的習慣。而限制PwrSoC微型化和集成化進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與半導體工藝不兼容,加之其性能受到磁性材料的影響,因此以往的電源供應系統要不采用分離元器件進行系統連接,要不采用IC與外加磁性器件的方式進行系統封裝。
          近幾年,由于LTCC(low-temperature co-fired ceramic)工藝的快速發展,使得PwrSiP(power supply in package)得到了快速發展,并已產生許多商業化的PwrSiP。PwrSiP是通過工藝手段將電感器等無源器件與IC芯片進行集成的技術,這項技術的優點包括易于制作,電感占的體積小,適于嵌入基底以及用厚膜技術來進行高功率轉換[1]。然而,LTCC磁芯的集成需要一個相對高的工藝溫度,與典型的CMOS工藝技術不兼容,因此,LTCC工藝并不適合實現PwrSoC。PwrSoC目前國內仍處于試驗階段,由于其效率和尺寸還不能與目前商用的轉換器相媲美,因此到商業應用還有很大一段距離。
          在一個電源系統中,電感器往往占據整個系統很大的面積,因此,如何將電感器做小是電源系統小型化的重要環節。電感器的小型化受許多方面的影響,包括感值,材料,結構等因素。為了能制成滿足需求的電感器,近幾十年實驗人員做了大量的研究,來探究影響電感器性能與制作的因素。傳統的電感由于鐵氧體磁芯體積大、密度高,在電路中占據的體積和重量比較大,限制了電源系統小型化與輕量化的發展。而為了適應小型化、輕量化、高精度、高頻使用的需求,人們逐漸看到了薄膜電感的潛力,并進行薄膜電感的探究。薄膜電感將三維結構電感推向了二維平面結構,減小了電感所占的體積和重量,同時大大提高了電感密度。
          2 PwrSoC的發展
          由于硅工藝的不斷改進,集成電路經過了小規模集成、大規模集成到超大規模集成。隨著集成電路工藝的不斷更新,想要從有源集成的方向縮小系統規模已經無法跟上現代社會電子設備發展的速度。尤其在電源系統中,由于有源器件的尺寸幾乎到達極限水平,因此,想要減少系統體積,只能從無法集成的感性元器件入手。采用分離器件連接電源系統,由于器件之間會造成許多空間的冗余,因此其功率密度會比PwrSoC小許多。為了滿足商用小型化的要求,同時保證足夠大的功率密度,學者們做了很多嘗試。
          Toshiro等人[2]通過濺射CoZrNb薄膜制成磁薄膜電感,并將該電感應用到兆赫茲的開關DC/DC轉換器,最終得到尺寸7.0mm×7.0mm×2.0mm的變換器。該變換器在頻率為5MHz時的輸出功率為1W,功率密度超過9.76W/cm3。盡管該變換器的效率只有50%,與商業應用還有一段距離,但使用薄膜電感完成DC/DC轉換器的制作,無疑是一個好的開端。Nakazawa等人[3]在功率IC上使用集成平面電感的DC/DC變換器,該功率IC的結構圖與原理圖如圖1所示。該功率IC的封裝尺寸為10mm×10mm×1.8mm,輸出功率約為1W,開關頻率3MHz,效率80%,功率密度為5.6W/cm3。這是對于PwrSoC的一個嘗試,該變換器在效率上與Sato等制作的DC/DC變換器有很大的改進,未來如果能實現更高的效率并改善工藝技術,將有望實現批量生產。復旦大學的ASIC與系統國家重點實驗室的研究人員[4],在0.13um CMOS工藝上成功實現了集成片式電感與電容的DC/DC轉換器的制作。該變換器集成了一個高Q值的電感,最終的功率轉換效率與在外部連接電感的變換器的轉換效率相近,同時工作頻率為180MHz,負載電流為170mA,輸出功率最大到720mW。盡管與商業應用的DC/DC轉換器相比,它的性能優勢并不顯著,但該變換器的高集成度,無疑給未來的PwrSoC的發展指明了一條道路。
          盡管將電感集成到功率IC上,可以減小芯片體積。但在體積減小的過程中,各種寄生問題也接踵而至,這些問題正是目前PwrSoC亟待解決的問題。目前,實驗制作的PwrSoC由于工藝條件的限制,效率、開關頻率、功率等仍不能達到商用的標準,但其較小的體積、較大的功率密度,讓實驗者們看到了曙光,只要能在以上的方向有所突破,PwrSoC必將迎來自己的春天。在PwrSoC中,磁性器件的尺寸仍然占據了很大的地位,如何改善磁集成工藝,進一步減小芯片體積,也成為大家關注的方向。同時,由于目前商用IC基本采用CMOS工藝生產,而傳統的CMOS工藝又無法集成磁性器件,因此如何改善工藝條件,使得能在CMOS工藝上集成電感元件,成為了很多人研究的方向。目前,已出現的PwrSoC芯片,受到工藝條件的影響都是在有一定妥協的基礎上制作出來的,如磁芯材料等。未來制作出更好性能的軟磁材料,使之能更好的與現有的工藝相結合,從而制作出性能更優越的器件以致系統,是大家共同努力的目標。
          3 磁性器件與材料的發展
          微電感的出現和磁薄膜的發展可以追溯到二十世紀六七十年代,而近十年薄膜微電感才得到迅猛發展。為了縮小電源的體積,同時保證其性能,不同的研究機構致力于在功率轉換器中集成磁性器件來完成此目標。他們使用不同的磁性材料、工藝手段和結構來制作微磁器件。目前電感的制作方式基本大致分為2個方向,一個是采用典型的真空低溫CMOS兼容技術,另一個是使用不同的封裝或集成技術而不需要真空條件。電感的連接方式是決定功率變換器是屬于PwrSiP或者PwrSoC的主要依據。對電感的研究,主要集中在如何在較小的體積上獲得大的電感,提高電感的工作頻率,提高電感的Q值,減小電感的鐵損等。為了弄清楚影響電感性能的因素,研究者通過大量實驗對電感結構、磁芯材料等做了研究,并逐漸了解了這些不同因素對電感性能所起到的作用。[#page#]
          3.1 微電感結構
          如何在兼顧感值、效率、尺寸和制作工藝的情況下,來合理的安排微電感器的線圈與磁芯是微電感設計的首要問題。對于功率電感而言,如何增大其儲能是設計電感的首選條件,磁芯則是保證在較小體積下,獲得較大電感值的必備因素。目前電感的制作大致分為2個方向:第一種是把導體線圈做成平面結構,而用磁芯材料將導體線圈包圍起來,形成閉合磁路結構(即為磁性材料/導體、磁性材料結構);另一種是把磁芯材料做成平面結構,而用導體纏繞著磁芯材料(即為導體/磁性材料/導體結構)。螺旋線圈電感和條形電感是第一種電感形式的典型代表,而采用第二種電感形式的有螺旋管和環形線圈電感。對于微電感器而言,我們關注的主要參數是單位面積電感量要高,直流承載能力高,直流電阻要低,同時工作頻率和Q值要高。
          在系統小型化的要求下,Sohoo教授[5]于1979年首次提出了薄膜電感的構想。他分析了現有電感器出現的問題,那就是磁芯電感體積較大,而集成小尺寸空心電感不能滿足系統對大電感量和高品質因素的追求,且電感的使用頻率只能低于100MHz。在提出薄膜電感的同時,也對電感形式進行了簡要的闡述,他提出了2種形式,一種為螺旋管型,另一種為三明治螺旋繞線型。兩種結構圖如圖2中所示。這兩種結構為現代薄膜電感的發展打下了基礎。
          隨著薄膜電感的發展,螺旋線圈型電感的線圈結構也先后出現了折線型、圓形螺旋型、矩形螺旋型、以及雙矩螺旋型等一系列的線圈結構[6-7],如圖3所示。通過大量的研究,人們逐漸認識了不同的線圈結構對電感性能的影響。在劉保元的論文[6]中,對線圈的結構進行了詳細的理論分析,并同實際的測試作比較,得出了結論:對折線形線圈結構來說,由于其同層導線間的電流方向相反,使得互感為負,因此折線形線圈結構并不利于電感性能的改善。而圓形螺旋型與矩形螺旋型線圈結構,由于他們的互感增量遠大于其自感的增量,因此在相對較小的面積上,就能獲得較大的電感量。這種電感還具有直流電阻低和Q值高等優點,由于導體完全被磁性材料所圍繞,因此對獲得所需的電感值以及減小EMI效應很有好處。這也成為了目前市場上所用的微電感,其線圈結構普遍為后3種的主要原因。由于圓形螺旋型線圈不易實際制作,因此大部分關于電感的研究中,主要集中在矩形螺旋型線圈結構和雙矩形螺旋型線圈結構。
          Kowase及其同僚[8]、Ito和Takeuchi等人[9]以及Brandon等[10],都成功制作了線圈結構為矩形螺旋型的性能良好的微電感,并將該電感用到DC/DC轉換器中,所制作的DC/DC轉換器都具有高效率、大電流、低電壓、小體積的優點,這是以往實驗中,采用其他結構所不能同時兼顧的。矩形螺旋型線圈結構的電感,受其結構限制,在鍍磁芯時在磁芯中誘導出各向異性比較困難,這限制了該結構電感大多只能用于開關頻率小于10MHz的DC/DC變換器中。對于雙矩螺旋型線圈結構的電感,大家也做了很多研究[7、11-13],并制造出了集成該結構電感的DC/DC變換器。由于可以在磁芯材料中通過退火處理,產生單軸磁各向異性,在相同條件下,雙矩形線圈結構電感會比矩形線圈結構電感的電感量更大,這對于實現高功率PwrSoC很有幫助。采用雙矩形結構的電感[11-12],其電感值一般在微亨量級,同時兼具較高的Q值,用其制作的DC/DC變換器[7、13]的效率都能達到80%左右,但工作頻率依然在10MHz以內。
          為了改善矩形螺旋型線圈結構的電感的性能,使得集成的電感能在更高頻段處工作,實驗者們將矩形結構進行變換,于是產生跑道型結構電感[14],如圖4所示。在圖中陰影部分為磁性材料,紅色區域為銅導體。用磁性材料纏繞著線圈筆直的那部分,加上磁芯中的單軸各向異性,使得該電感能在10MHz-100MHz頻率上工作。Meere等[14]將該線圈結構的電感應用到DC/DC變換器中,使得該變換器能工作在較高頻段。與圓形和矩形螺旋型線圈結構電感相比,跑道型線圈結構電感更適合應用到工作頻率為10MHz-100MHz,電感值為10nH-200nH的電源系統中。Sullivan和Sanders[15-16]在比較跑道型線圈結構電感與螺旋管型電感的外部磁場分布時認為,這種結構電感由于磁路閉合,將線圈隔離,外部磁場較小,更有利于應用到小型功率轉換系統中。
          同時,由于不同的系統對電感參數的不同要求,條形電感也被研究者們所研究。所謂條形電感,是指磁性材料圍繞在單匝線圈上,如圖5所示[17]。由于該條形只用了單匝線圈,因此避免了折線形線圈結構中匝與匝之間的影響,想要提高其感值,只能通過提高磁芯材料的磁導率來獲得。同時其相對于螺旋線圈電感來說較簡單的工藝流程,使得該電感比螺旋線圈電感更容易集成在硅襯底上。Sullivan等人[18]將V凹槽條形微電感集成到高電流的變換器中,最終獲得了高頻、高效率、高電流、低電壓的DC/DC轉換器。該V凹槽條形電感結構是在硅襯底上采用濕氧腐蝕法腐蝕出一個凹槽,然后在凹槽中按順序鍍上CoZrO2/Cu/CoZrO2夾層結構。由于V型導體較大的截面積,使得電感有較低的直流電阻,提高了電感的Q值,進而改善了轉換器的效率。然而受其結構限制,此結構電感只能用于需要電感值較小的轉換器中。未來如果可以找到增加其電感值的方法,將可以把這種結構的電感推向更大的發展舞臺。
          圓環型電感和螺旋管型電感,是將導體線圈纏繞著磁芯材料制作而成的。同前面所述的電感類型不同,這兩種電感均是將金屬圍繞成一個圈,把平面磁芯包裹起來。兩者之間的不同之處在于,前者一般為多繞組結構,后者的磁芯結構則為條狀,如圖6所示[1]。Ahn和Allen[19]成功制作了能應用于DC/DC變換器中的圓環型電感,該電感在5MHz時的電感值能到0.22μH。這種電感模式設計的缺點,主要是電感的導體通過通孔來進行連接的,這會產生一個相對較高的接觸電阻和比較復雜的工藝難度。由于不易在磁芯中誘導單軸的磁各向異性,電感應用到DC/DC變換器的工作頻率只能低于10MHz。Lee等人[20]對集成的螺旋管型磁芯電感的高頻性能進行了詳細的分析,并成功制作了電感值高于70nH,線圈電阻低于1Ω,器件面積低于1mm2的螺旋型電感。該電感的Q值大于5,電感值也是同等條件下空心電感的30倍以上,電感密度高于200nH/mm2。這種電感結構利用在磁芯材料中誘導出各向異性,能使其比圓環型電感工作在更高的頻率上。在將這種結構電感應用于DC/DC變換器時,由于功率MOSFET損耗的影響,使得變換器的效率只有52%[21]。因此,為了提高變換器效率,集成該結構電感的工藝條件仍需改進。
          對于功率微電感來說,其結構的選擇至關重要,這直接關系著電感的性能以及應用該電感的變換器的性能。為了獲得大的電感量、高頻下比較小的電阻損耗、大的Q值和高的載流能力,需要嚴格選擇電感結構。通過以往關于電感的研究可以看出,不同結構的電感都有其各自的優劣勢,因此根據需求避短揚長,才能做出合適的選擇。[#page#]
          3.2 電感用磁性材料
          磁芯是磁性器件獲得高電感值的一個快速途徑,因此磁性材料的選擇對于感性器件來說也是至關重要的。為了制作能用在10MHz-100MHz甚至更高頻段上小而高效的微電感,對磁性材料的要求為:低的磁芯損耗,高的飽和磁通密度,較高的各向異性場,低的矯頑力以及高的磁導率。電感器對磁性材料的詳細要求如下:
          (1) 磁芯損耗:主要包括兩個方面,渦流損耗和磁滯損耗。在低頻時,磁滯損耗起主要作用,隨著頻率的逐漸增加,渦流損耗逐漸增大,并占據主導地位。低的渦流損耗要求軟磁材料有高的電阻率和低的矯頑力。
          (2) 電阻率:渦流損耗是指由于材料的導電性,而流失于磁芯材料中的能量損耗,該損耗直接影響著電感器的性能。高電阻率的磁性材料將可以有效的減少材料中流失的能量,同時其具有的大的趨膚深度,會降低磁芯薄膜厚度對磁場強度的影響。
          (3) 矯頑力:磁性材料低的矯頑力將會減小電感器在高頻下的磁滯損耗。
          (4) 飽和磁化強度:高的飽和磁化強度可以提高起始磁導率,進而加強電感的載流能力。
          (5) 相對磁導率:相對磁導率高的材料,可以保障其在高頻下工作穩定,對增強微電感的高頻穩定性很有幫助。
          (6) 各向異性場:高的各向異性場,將能提高微電感的工作頻率和載流能力。
        在研究電感器對磁性材料的要求的同時,人們也制作了使用不同的磁性材料作磁芯的電感,并對電感的性能進行了測試。在1998年,Sato等人[22]將納米晶Fe(Co-Fe)-Hf-O磁性材料應用到微電感器中并與使用非晶態Co-Ta-Hf材料薄膜電感進行比較,得出前者有更高的Q值,應用到DC/DC變換器中會有更高的轉換效率。由于單一的軟磁材料,想要滿足制作電感的種種要求是很困難的,于是對復合軟磁材料的研究漸漸增多了起來。Varalaxmi和Kumar[23]對鎂銅鋅和鎳銅鋅鐵氧體復合材料進行了詳細的研究,通過一定的配比制作出了起始磁導率高達9619的軟磁材料,若將該材料用于微電感中,對電感性能的提高很有幫助。進一步研究中,研究者發現,如果在線圈外,能采用磁導率離散遞增的磁性材料,對提高電感器的性能有很大的作用[24]。
          目前,廣泛用于電感器磁芯中的磁性材料為Co基系列和Fe基系列材料,這主要是由于他們較高的電阻率、飽和磁化強度以及各向異性場。為了使電感器能工作在更高的頻段,同時保證良好的性能,需要探索出性能更加優越的軟磁材料。
          4 磁性材料與器件的集成技術
          目前集成電感常用的工藝為絲網印刷技術、濺射技術和電鍍技術,但每種技術都有其優缺點。絲網印刷技術一般適合沉積非金屬薄膜,它提供了相對簡單的工藝來沉積低損耗的磁芯。但由于需要高溫退火來實現所需的磁性能,因此該技術與典型的硅基MEMS制作工藝不兼容。
          濺射技術是目前常用的集成磁性材料和器件的技術,該技術的特點有(1)濺射的物質范圍廣泛,無論是金屬、半導體、絕緣體、化合物或者混合物。只要是固體,幾乎都可以使用濺射沉積到基片,并且在進行磁控濺射的過程中,氧化物等絕緣的材料和合金基本不發生分解和分餾。(2)濺射的薄膜不易脫落。在濺射過程中會產生高能原子,當這些高能原子淀積到基板上時與基板之間進能量交換,會釋放出較高的能量,這樣增強了原子與基板間的粘附力。(3)濺射的薄膜純度較高,由于濺射需要一定的真空度,因此受到其他的污染的可能性較低。(4)濺射的薄膜膜厚較易控制,同時也方便重復制作。同時濺射與低溫CMOS工藝技術兼容。但該技術也有缺點,對于需要沉積厚膜,濺射技術將會是一個昂貴并且緩慢的過程。
          電鍍技術對于沉積厚膜來說,是一個不錯的選擇,而且工藝成本不高,與典型的IC制作過程兼容。最常采用電鍍技術沉積的薄膜是坡莫合金,這種材料有很高的磁導率、低的磁滯損耗和接近為零的磁致伸縮系數。通過電鍍技術與MEMS技術相結合的方式來集成磁性材料與磁性器件,是目前實現PwrSoC不錯的途徑,但在批量生產商仍然存在不足。同時,電鍍技術已經有比較完善的儀器與工藝條件,實現起來比較簡單。典型的集成磁性材料與器件的工藝流程如圖7所示[25]。
          由于磁性器件對工藝的嚴格要求,致使在傳統的半導體工藝線上集成微電感幾乎是不可能的事。若能通過改善工藝,使得能將電感集成到IC芯片內或者將制作成功的電感與IC芯片進行系統集成無疑為系統的小型化做出了一大貢獻。采用濺射(電鍍)工藝集成微電感,低溫CMOS (MEMS)工藝集成功IC,是目前實現PwrSoC的兩大實驗途徑。目前硅基上集成微電感盡管也有效率高達93%的樣品出現[26],但離實際商業應用的片式電感95%-96%的要求還有一段距離。因此,想要實現PwrSoC的商用化,仍需對工藝做出改進。
          5 結語
          受老一代PwrSiP產品體積小而功率密度高的沖擊,新一代的PwrSoC技術必須具有這些優點,同時還應做到更好,這樣才能在未來的市場中占有一席之地。磁性材料與器件的集成,對于PwrSoC產品來說將會是一個推進器,也是同以往產品進行區分的一個分水嶺。
          盡管目前已出現的PwrSoC產品,獲得了不錯的性能和效率,但同商業應用以及人們的需求之間仍存在一定的差距。PwrSoC的發展所需解決的不僅僅是改善磁性器件的性能,同時還包括系統的設計和兼容問題。兼容問題包括制作工藝之間的兼容,器件之間所產生影響其性能的寄生效應和干擾,封裝和集成問題以及長期使用的可靠性問題等。而設計問題包括系統的協同設計與優化,方案驗證和CAD仿真??傊?,我們需要從磁性材料,磁性器件,制作工藝等等方面入手,不斷的進行改善,不斷的突破障礙才能讓PwrSoC產品從實驗室走向市場。同時也希望通過本文的介紹,能給國內PwrSoC的發展帶來一定的幫助。
          文章來源互聯網,轉載請注明軟磁性材料



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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