随着处理器操作频率的提高，控制功耗变得很重要。精细功率传输需要为每个负载提供快速的电压和功率缩放。每个集成
电压调节器 (IVR) 都可以动态地控制电力输送，从而单独优化对其服务的每个负载的电力输送。一台服务器可以有超过 50 到 100 个负载，可以并行方式对这些负载进行功率优化。
通过将磁性元件与电源系统的其余部分和负载（可能是处理器）紧密集成，可以提高这种粒度电力传输的效率。传统上，PMIC 将整体功率驱动到系统中。IVR 概念用更小、更分布式的解决方案取代了这一方案，该解决方案更靠近负载，因此寄生损耗更低。磁性元件可以直接集成到 IVR 芯片或中介层上。或者，它可以集成在封装基板或 PCB 内。
图 1 显示了这种片上电源 (PwrSoC) 的示例。该图显示了 2021 年 Mac M1 Pro/M1 Max 计算机上使用的 IVR。该图左下角的横截面图显示 IVR 放置在底部，负载芯片放置在基板金属化堆叠的顶部。IVR 采用闭芯结构中由钴锆钽 (CZT) 形成的薄膜平面磁性元件。
使用带状线薄膜设计的集成磁性 IVR 示例。
高频
开关负载中磁性元件面临的挑战
随着开关频率的提高，磁性元件和电容元件的尺寸可以缩小，从而显着节省电源的整体尺寸和成本。磁芯损耗随着频率的升高而增加，并且这些损耗可能构成总电源损耗的重要部分。图 2 描述了较高频率下损耗增加的示例。
描述频率缩放对磁性的影响。
图 2：频率缩放对磁性影响的描述（Sai，2023）
软磁材料的磁芯损耗类型
了解磁芯损耗的各个组成部分对于创建将其化的解决方案至关重要。图 3 显示了三种主要损失。
磁芯损耗的类型。
图 3：磁芯损耗类型（Sai，2023）
磁滞损耗
矫顽力 (H c ) 是使饱和磁芯中的磁通密度回到零所需的反向磁场强度的量度。为此所需的能量以热量的形式耗散，并构成了关键的损失机制之一。磁滞损耗很大程度上与频率无关。与钴 (Co) 基和纳米铁 (Fe) 基材料等软材料相比，铁氧体等硬磁材料具有较高的 H c 。在软磁体中，特别是那些基于非晶或纳米晶合金的软磁体中，当材料的
晶粒尺寸D与铁磁相关长度L o相同或更小时（即D≤L o)，随机各向异性被平均，H c较低。Co的Lo为 5-10 nm，Fe 的 Lo 为 20-40 nm。非晶薄膜通常必须进行退火以减少应力和异常损耗，这将在后面讨论。退火可以使非晶薄膜结晶并增加D，从而提高其H c和磁滞损耗。在 Co 中添加锆 (Zr) 和钽 (Ta) 有助于减少这种影响。该合金称为 CZT。铁基合金可以提供更多的退火腿部空间。
涡流损耗
自由电荷在时变磁通密度下运动产生的电流会产生这种损耗。这种损耗随着频率的增加而迅速增加。使用高电阻率、薄而光滑的层压板可以减少这种损失。在 CZT 合金（称为 CZTB）中添加硼 (B) 可提高其电阻率，从而减少涡流损耗。与 CZTB 相比，FeCo 基合金的电阻率提高了 2 倍，同时饱和磁通密度 (B sat ) 提高了 1.5 倍。将氮 (N) 掺入这些薄膜中可以提高晶粒尺寸和光滑度，减少涡流损失。
异常损失
异常损耗是由材料的不均匀磁化引起的移动磁畴壁周围的微涡流引起的。这种损耗也与频率相关。磁退火会产生各向异性并产生更窄的横向磁畴，从而降低损耗。为此可以使用约500℃的热处理。然而，Co 在这些温度下会结晶，导致磁滞损耗增加。因此，在损失、限制方法中存在固有的权衡。Zr、Ta、Fe、N等的添加有助于防止Co结晶。对于 CZTB，存在层厚度权衡。较厚的薄膜可以减少异常损耗，但代价是磁滞损耗增加。
廷德尔综合磁性材料研究
图 4 显示了廷德尔国家研究所研究活动重点的集成磁性材料。
廷德尔国家研究所集成磁学研究的重点。
图 4：廷德尔国家研究所集成磁学研究重点（Sai，2023）
目前的硅薄膜研究工作基于 CZT/CZTB 基合金、铁基合金和垂直铜结构上的钴基薄膜。对于 CZTB 薄膜，过去通常使用氮化铝 (AlN) 作为电介质。AlN 的问题是它不能进行湿法蚀刻。Tyndall 开发的另一种解决方案是使用 CZTB 氧化膜 (OCZTB) 作为放置在 CZTB 膜之间的层。该叠层可以被湿法蚀刻。图 5 显示了 19 层 CZTB-OCZTB 堆叠的横截面和自上而下视图。该堆叠显示出在高频下使用的前景，在 100 MHz 时相对磁导率?r = 432，Q 因子 = 24.3 ，同时还具有较低的 H c。
CZTB/OCZTB 薄膜硅堆叠的横截面，以及廷德尔国家研究所生产的 OCZTB 薄膜的自上而下的图片。
图 5：CZTB/OCZTB 薄膜硅堆叠的横截面，以及廷德尔国家研究所生产的 OCZTB 薄膜的自上而下的图片（Sai，2023 年）
与在 CZTB 叠层中使用 AlN 相比，使用 OCZTB 电介质表现出更好的性能，在高达 150°C 的退火温度下具有低应力和稳定的 μ 和 Q 值。图 6 比较了一些堆栈属性。
CZTB 与各种介电材料结合时的一些性能比较。
图 6：CZTB 与各种介电材料结合时的一些性能比较（Sai，2023）
软磁材料可以集成到封装中，例如PCB。廷德尔生产的 FeCoN 薄膜表现出光滑的粗糙度。对 N 含量进行了优化，以实现电阻率、应力和 H c之间的权衡。
