不同磁芯材料在微电感中的应用

摘要：叙述了坡莫合金，铁氧体和非晶、纳米晶软磁等材料用作微电感磁芯的磁性材料的特性及其对微电感性能的影响，如电感量和Q值。并介绍了螺线管型微电感的制作工艺过程。

关键词：磁芯材料；为电感；电感量；Q值

中图分类号：TN55 文献标识码：A 文章编号：1003-353X（2005）10-0058-04

1 引言

近年来便携式电子产品向小型化和微型化发展，并以大爆炸的形式进入人们的生活。磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压器、DC-DC变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐器等是电子线路中必不可少的重要元器件[1～3]。因此研制高性能、高效率和高电感量的微型化磁性薄膜微电感器件，已成为世界各国研究人员的热门话题。衡量电感器件的两个重要物理参数为电感量和Q值。而电感量的表达式为[1]

式中，μ0和μr分别为真空磁导率和磁芯材料的相对磁导率；N为线圈的匝数；Ac为磁芯的横截面积；Ic为磁芯的长度。

Q值，即品质因子，实质上是表征电感器件的能量损耗情况。其值越大，损耗越小。它的定义为

从式(1)可以看出，电感量L取决于磁芯的物理特性(电感器件的几何尺寸)和磁芯材料的磁导率，并与其成正比，因此磁芯材料的选择对提高电感器件的性能是极其关键的。作为磁芯材料，要求具有如下的物理性能，以获得优越的器件性能：①高磁导率μ来获得大电感量；②高饱和磁感应强度Bs以保证高饱和电流；③低的矫顽力Hc，Hc值越低，其损耗越小；④高电阻率以降低涡流损耗。根据设计要求和用途的不同，微电感器件可使用各种磁芯材料来满足不同的需求。目前，主要有三种类型的磁性材料，即坡莫合金、铁氧体、非晶和纳米晶软磁材料应用于微电感的制造。

2 磁芯材料

2．1 坡莫合金

坡莫合金是由35%～85%Ni-Fe(并进一步添加Mo，Cu，W等)系合金组成的高磁导率材料群的通称，具有较高的磁导率和很小的矫顽力，因而广泛用于电子器件的各种铁芯和磁屏蔽部件等，是一种重要的软磁材料[4]。为提高磁导率和磁感应强度值。世界许多国家都进行了大量研究。如添加元素Nb提高了合金磁导率值μ，降低了矫顽力Hc但磁感应强度值Bs却降低不多。目前作为电感器件的磁芯材料(坡莫合金)成分一般为Ni78Fe22左右，通过电镀方式获得。在这个成分范围内，该合金的各向异性常数K和λs接近于零，能获得的磁导率。该磁芯材料在低频使用时，能获得高的电感量；当频率升高时，由于磁导率随着频率的升高而降低，所以电感量下降。笔者通过电镀的方式获得了如所示的坡莫合金磁芯结构。经测试，在1MHz时，其电感量达到04μH；文献报道[s]，当频率达1GHz时，电感量为几个纳亨。Park等人[6]研究了Ni80Fe22和Ni50Fe50两种成分合金材料对螺线管电感性能的影响，结果发现，使用Ni80Fe20的器件具有更高的电感量。坡莫合金以其优越的磁性性能将在很长一段时间内成为电感器件的重要磁芯材料之一。

2．2 铁氧体

铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物，如Ni-Zn，Mn-Zn，Cu-Zn等几种类型。其合成方法主要有：喷雾热解法、醇盐水解法、水热合成法、微乳液法、共沉淀法、溶胶-凝胶法。相对于软磁材料，铁氧体材料作为磁芯的优点是它的高电阻率，而别的性能均不如软磁材料。低频时，它的饱和磁导磁化强度是软磁合金的1／5；但高频时，或弱磁场时，高μ铁氧体由于其损耗小，使得电感器件能保持高的电感量。正因为这种特性促使人们对铁氧体和Si衬体IC集成工艺进行深入的研究。

通常铁氧体磁芯是通过球磨机，印刷术技术将预先制作的铁氧体粉末和聚合物混合体甩到基体上，然后在几百℃到800℃对该混合体进行烘焙。一般情况下，该方法获得的铁氧体的磁导率μ为20～30。随着高频无线电技术的要求，人们采用溅射法和脉冲激光沉积法制作铁氧体薄膜。一般来说，采用测射方法获得的薄膜高度无序或非晶态，表现出很差的磁性性能，薄膜常需要在沉积后高于1 000℃退火。而脉冲激光沉积法获得的高质量(Mn，Zn)铁氧体薄膜具有块状材料相同的磁性能，且只要在400～600℃下处理获得。YasutakaFukuda等人[7]报道，使用NiZn铁氧体材料，在5MHz下，Q值达到40～70，涡流损耗小于2.4％。

虽然目前，还没有一种成熟的技术将铁氧体材料应用于GHz电感器件上，但研究者和研究机构已经意识到它的应用，对电感器件性能产生重要影响。在这一点上，它与别的软磁材料是完全不同的，因此，未来在这一领域的研究将具有非常重要的意义。
2．3 非晶、纳米晶软磁材料

非晶金属磁性材料主要包括铁基和钴基两大类。前者具有很高的饱和磁通密度(Bs)，但有磁致伸缩不易减小到零和很难得到很大磁导率(μ)等缺点；然而后者则具有很大的μ，但B却很小。纳米晶合金综合了铁基和钴基非晶合金两者的优点，具有很高的μ和Bs值。纳米晶软磁材料的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上，对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火，得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来，也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。用该类材料制成的元件具有体积小、输出功率大、效率高、温度稳定性好等特点，所以可广泛地用于高频变压器、大功率铁芯、传感器、扼流圈、互感器、滤波互感元件、霍尔电流传感器集束磁芯及各类电焊机、电源等的磁芯。因此，纳米晶软磁材料将成为磁性材料领域的新热点和发展前沿。

由于非晶、纳米晶软磁材料的优越性能，市场对磁性元件的日益薄膜化、小型化和集成化的要求，促使研究者将其使用在电感的磁芯方面上。但是纳米晶软磁材料无法采用干法刻蚀，因此研究者试图寻找采用湿法刻蚀的方法。笔者经过不断实践，找到一种专用化学配方刻蚀纳米晶软磁材料，利用光刻胶作掩膜，刻蚀的纳米材料的线宽达100μm()。H．J．Ryu等人[8]使用纳米晶材料作磁芯，通过计算机模拟得出结论，其电感量和Q值远远高于使用坡莫合金的数值。Shin等人[9]研制了由双矩形纳米晶FeTaN薄膜构成的微电感器件，在5MHz下电感量为1.1μH，品质因子为7。

3 螺线管型微电感的制作过程

鉴于坡莫合金在微电感中具有重要的作用，因此笔者结合自己经验，介绍螺线管型微电感的制作过程()：(a)在清洗过的基片上溅射种子层Cr／Cu；(b)甩正胶，然后烘干，曝光与显影后，电镀铜底层线圈；(c)甩正胶，然后烘干，曝光与显影后，电镀铜引脚和连接导体；(d)用丙酮去除所有的光刻胶后，用物理刻蚀方法刻蚀种子层；(e)甩聚酰亚胺，然后进行固化，抛光聚酰亚胺，直到连接导体和引脚暴露为止；(f)溅射磁芯种子层，甩正胶，然后烘干，曝光与显影后，电镀磁芯，材料为坡莫合金；(g)甩正胶，然后烘干，曝光与显影后，电镀铜引脚和连接导体；(h)用丙酮去光刻胶后，刻蚀种子层；(i)重复步骤(e)；(i)溅射Cr／Cu种子层，甩正胶，然后烘干，曝光与显影后，电镀铜顶层线圈；(k)用丙酮去除光刻胶后，刻蚀种子层，终得到螺线管型微电感器件。

4 结束语

随着薄膜技术和微电子技术的快速发展，市场对微电感器件性能的要求不断提高，研究者拟采用各种措施来满足不同的需求。而磁芯材料的选择，对电感性能具有非常重要的影响。根据性能要求的不同，主要有三种类型的磁芯材料。从目前来看，对坡莫合金和铁氧体材料的研究历史较长，应用也比较多。而随着非晶、纳米晶等高性能材料的应用和发展，未来研制出的微电感器件在性能上将得到更大的提高。