新材料带动电感器与小的系统尺寸同步发展
摘要： 五环电子所有型式的电感器——无论是分立式、片式、磁珠还是线圈——都在试图跟上以各种不同形式和材料诸如薄膜材料、铁氧体和陶瓷等设计的现代电源小型化的要求。
关键字： 新材料,电感器,系统尺寸
1 引言
线圈型电感器一般被用于涉及大电流和高电压的电源系统和家用电器设备。但是，片式电感器的主要使用目标是需要低电压和小电流的移动通信装置，和便于消费者携带的小型电子产品，而且尺寸小是其关键指标。磁珠电感器可同时用在以上两大类设备中。近几年来，开关调整器电源已经将尺寸减小了，而且更小尺寸的电感器也被列入了重要的研究课题。在这里，电感器的低高度是必须具有的指标。
遗憾的是，这样的高频电感器很稀缺，供不应求，已经阻碍了将电感器与电源封装在共同的壳体内。具体地说，电感器可以工作于小电流的Buck调节器时，这种情况才开始改变。许多现代的buck变换器已与低高度的电感器封装在同一外壳中。生产这种电源的厂商有5hcoil公司、Micrel半导体公司、Linear科技公司和Fuji器件科技公司等等。这与其说是封装在共同外壳中的，还不如说是其它电源类型之一种形式。
的低高度电感5HCOIL Yuden USA生产的线绕型BRL3225系列。为开关模式dc-dc变换器设计的这类电感器用于消费者手持的电子产品中，它们被测出的体积仅有32mm×2.5mm×1.7mm。它们的电感值范围从1μH到100μH，直流（dc）电阻值范围是从0.043Ω到2.5Ω，而饱和电流的zui大值从2400mA到270mA。
Vishay Intertechnology公司推介了他们的外壳尺寸为5.18mm×5.49mm×2.00mm的IHLP低高度大电流电感器2020型。它的特征频率范围可以一直到1MHz，具有的电感值范围从0.10μH到10μH。饱和电流范围从2A到2，典型的直流电阻值范围从2.7mΩ到169.3mΩ（2.9mΩ到18.2mΩzui大值）和工作温度范围从55℃到125℃。
BI Technologies TT电子公司开发的密集型表面安装的功率电感器HM69T，测量得到的尺寸是7.4mm×7.2mm×5.0mm。它们在具有57A、52A和27A额定电流时，含有90nH、100nH和150nH的电感值（如将额定电流改变为7、则电感值可以达到200nH）。典型的直流电阻值是0.298mΩ±3%，工作温度范围从-40℃到125℃。公司也扩展了以其为样板的缩小了尺寸和习惯用表面安装器件的电感器系列，的HM72A系列具有6mm×6mm×1.6mm的体积尺寸。用压制的铁粉心制造的电感器，其工作频率在300kHz到1MHz时，其电感值的范围从100nH到33μH，而电流饱和电平达到80A，工作温度范围从-40℃到155℃。
由Murata制作公司提供的单片式电感器（例如LQM系列）和线绕式电感器（例如QH系列）两者都具有低的高度和大的电流荷载能力。单片式系列包含的电感器具有0.85mm、0.5mm和1.1mm的高度，它们分别具有的电感值范围是0.47μH到4.7μH、0.47μH到2.2μH和1.0μH到3.3μH，并且它们分别具有的额定电流值为1.2A、1.1A和1.。线绕式电感器包含LHQ3NP-GO，它们具有0.9mm（3mm×3mm的外壳）的低高度，其电感值的范围为1.0μH到250μH，额定电流为1.52，以及存在0.11Ω的电阻值。这种电感器是磁粉颗粒和树脂压制成的封闭磁路结构（见图1所示）。
Wurth Electronics Midcom公司提供了大电流的和耐高温的表面安装型电感器。其WE-HC/WE-HCA系统产品在从7mm×7mm到13mm×13mm的布线轨迹范围内具有0.11μH到150μH的电感值。这种电感器的工作温度从-40℃到155℃。大电流的WE-HCFT穿线通孔电感器的特征值从10μH到15μH，测量的布线轨迹为22mm×17mm×11.5mm，工作温度为-40℃到125℃。线绕电感器是过时的工艺产品，zui近已证明有了重要进步。“首先的一个成果是因为利兹线的发明”，West Coast Magnetics公司的总裁Weyman Lundquist这样说。这项技术成果是Dartmouth大学创造的*。用它们能制造出低的交流（ac）和直流（dc）电阻值的电感器。它综合了铜箔电感器的低直流（dc）电阻值和利兹线的低交流（ac）电阻值的特性。借助位移的交流（ac）涡电流来确定配置任何一个内部的绕组是件创造性的工作，这可有效地抑制内部的绕组内在的涡流损耗影响。这种影响是由磁心支路中的气隙建立起来的围绕在铜箔绕组周围的电磁场产生的。（在磁心中开气隙通常是用于电感器这类产品的）。
在这种技术被采用时，铜箔绕组保持着这类电感器典型的很小的直流电阻值，也具有很小的交流电阻值。一般情况下，其总的损耗低于用利兹线绕制的电感器损耗。这样得到的小的交流和小的直流铜损相结合的电感器将会更加（见图2）。
2 新型薄膜材料
Toshiba材料公司已准备出售用特殊的磁性材料制作的多层柔性薄膜电感器（见图3）。这种电感器结构的长宽为5mm×5mm，厚度0.3mm，而且其厚度可在0.1mm到0.4mm之间调整，同时在10MHz时，具有大于25的高Q值。这种电感器的特点是具有大于1A的大电流之稳定性能。zui有力地推进这种电感器的厂商之一是Enpirion科技公司，它们已经在两个铁氧体磁心之间采用多层螺旋状铜箔生产出了低高度电感器。该公司的EP5352Q/5362Q（500mA/600mA）电感器特征为仅仅只有1.1mm的低高度，使用4mm×5mm的QFN20包装外壳。它们可以工作在5MHz，其特征输入和输出电压范围分别是2.4Vdc到5.5Vdc和0.8Vdc到3.3Vdc。
据有关专题研讨会的报道，Enpirion科技公司已着手为下一步制造EN5366Q系列DC-DC变换器之部件低高度MEMS电感器做好了准备。这种电感器具有1.2V的输出电压，产品的功率密度为532W/in3（0.032W/mm3），能输出6A的电流，显示达到了444A/in3（0.027A/mm3）的电流密度。产品的所有这些功能都在10mm×12mm×1.85mm的封装盒内实现。解决DC-DC变换器性能的关键点在于开关电源顶部的MEMS电感器（见图4）。
在同一个专题研讨会上，Fuji器件科技公司展出了它们的采用具有优良性能水平的常规电感器制造的FB6831J型DC-DC变换器。虽然它们的2.40mm×2.95mm×1.00mm的几何尺寸比Enpirion组件的尺寸更小，但它具有更大的电流密度比率，大约为0.070A/mm3对290A/mm3；更低的输出电流比率大约为0.对6A。
PwrSoC公司2008年的工作目标是致力于将研发的、用于未来的移动通信、便携式电子产品和高性能计算装备的小型化开关电源格式的产品推向市场。这种多个元件的产品也可以归类于在线封装的电源系统（PSiP）。
在那些专题研讨会上，来自大学的电力电子研究实验室、Cork公司、Ireland公司等等单位的科学家们，根据工作在15MHz到65MHz频率范围的单片式MOSFET和驱动器功率系列的集成电路（IC），论证了工作在20MHz和0.的微型电感器。在3mm3印制电路板轨迹和100MHz工作频率时，可以得到的效率电平高于95%。
MEMS的研究方法使得电感器证明了其用于高性能dc-dc变换器和射频（RF）移动通信中的价值，在便携式设备中，是非常需要它们的。MEMS电感器工作特性的大部分内容已经在实验室中成功地得到了验证，它们进入市场后，将使得大量的其它类型的电感器有效成本受到极大的挑战。
在Georgia技术研究所，科学家们为了获得高功率密度的紧凑型开关变换器，正在努力瞄准将涡流损耗减到zui小的低功率电感器的研发。为了在没有人工干预的情况下制造出厚的磁心兼顾大量的超微叠装技术，它们研制了自动化的电镀系统。这些电感器存在大的电感量值、高的品质因数，实现了大的功率处理能力。微小型化的DC-DC变换器可有效地变换10W的功率，见图5（a）和图5（b）的说明。
IBM公司T.J.Watson研究中心的科学家们论证了用传统的光刻蚀技术在芯片上制作高性能厚铜箔电感器的方法。他们也采用MEM'S电感器验证了更高水平的性能。
他们开始采用具有4μm厚度铜箔下穿通道的高电阻率（75Ω-cm）4μm厚铜螺线管以减少电阻性损耗。这样，螺线管与下穿通道间的电容值也减小了。为了进一步减小电容性损耗，用另一种6.1μm厚度的夹层电介质从基板中分隔下穿通道。在3.8GHz和18GHz的谐振频率上，可以获得26.6的高峰值Q值。
使用第二种方法，一个与掩模CMOS共存的微机械方案可被用来消除基片损耗。它可立刻*除去电感器下部的硅基板。这种结果使人们更加相信在8.2GHz和27GHz的谐振频率上具有52.8的高峰值Q值。
用作可塑性有机基板上的嵌入式电感器的高磁导率磁心材料的新功能也显示出了希望。香港科学技术大学研究所用低温凝固胶开发制作了高磁导率的双晶相镍锌铁氧体（NZF）磁心。
结晶体的镍锌铁氧体（NZF）磁粉被掺入到凝胶状NZF母材中。这种溶液在不同的温度上可沉积成类似于薄膜并经过了热处理的基材。
结果显示，添加NZF磁粉将会导致低温凝胶状NZF晶相转弯为250℃时的高磁导率晶相。这个大约350℃的温度低于纯粹的NZF凝胶体薄膜的转变温度。用双晶相的NZF制成的2层螺线电感器磁心的电气测量结果，显示出其电感值在与不存在双晶相的NZF磁心电感器的电感值比较将会增加3倍。
在Belgium's IMEC研究所，用经济的方法研制成功了片上高Q值电感器。他们利用对准的掩模平板印刷技术和薄片的水平封装法，使得铜导线和芯片空间尺寸的相互连接与小体积的要求更相适应，这也就能更加经济实用，如图6所示。
据报道，他们已经为印刷夹层和Via以及电感器的金属，生产出了石板印刷溶液。这种工艺技术允许印刷进一步分层，zui后与片上衬垫尺寸相匹配。这种技术使生产具有品质因数（Q）大于30的高性能器件取得了低成本的手段。
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