MEMS平面磁芯螺旋微电感的制造技术研究

论文摘要

便携式产品的小型化促使其中的电源管理芯片如DC/DC变换器向着微型化方向发展,同时为了提高电路性能如降低电感电流纹波、提高最大负载电流,提高整个系统转换效率等等使得在不降低芯片效率的同时需要提高开关频率、所以需要选用性能较好的微电感作为主要元器件。这使得市场对研制高功率、低损耗的微型化器件提出了迫切的需求。目前应用于DC/DC变换器的集成微电感需要满足如电感量和Q值相对较大、器件占用面积小、饱和电流大以及工艺兼容等要求。MEMS技术的迅速发展为研制高性能的集成电感提供了可行性,将薄膜技术融入到MEMS技术中可以研制出具有低电阻、高电感量、高品质因子及可以批量化生产的集成微电感,满足于各种应用下的电源管理系统。本文完成的工作主要包括采用Agilent E4991A射频阻抗/材料分析仪和振动样品磁强计（VSM）对磁芯材料性能进行测试研究;从电磁场理论出发,结合平面线圈电感计算、磁头理论的基本模型以及片上电感的简化π模型对微电感进行建模设计;采用MEMS技术包括光刻、电镀、溅射、刻蚀及聚酰亚胺相关工艺等研制出所设计的不同参数的微电感器件,最后采用HP4194A以及Agilent E4991A射频阻抗/材料分析仪对微电感器件进行了性能测试及分析。结果表明高温退火的FeCuNbSiB纳米晶薄带适合用作微电感的磁芯材料,同时匝数在1020之间的电感在1-10MHz下具有较为合适的电感量和Q值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微电感的研究进展
• 1.2 微电感器件结构特点
• 1.2.1 螺线管型电感器件
• 1.2.2 曲折结构电感器件
• 1.2.3 夹心条状结构电感器件
• 1.2.4 平面螺旋型电感器件
• 1.3 磁芯材料的分类及其性能
• 1.3.1 坡莫合金
• 1.3.2 铁氧体
• 1.3.3 非晶/纳米晶软磁材料
• 1.4 微电感的损耗机制
• 1.4.1 欧姆损耗
• 1.4.2 磁性材料的损耗
• 1.4.3 衬底损耗
• 1.5 微电感的应用
• 1.5.1 微电感在基本电路中的应用
• 1.5.2 微电感在DC/DC 变换器中的应用
• 1.6 本课题研究的意义及主要内容
• 1.6.1 本课题研究的意义
• 1.6.2 本课题研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 微电感磁芯材料的磁学性能研究
• 2.1 磁芯材料高频磁导率的测量
• 2.1.1 测量原理
• 2.1.2 测试样品的制作工艺
• 2.1.3 高频磁导率测试结果分析
• 2.2 磁芯材料的磁滞回线测量
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 平面磁芯螺旋微电感的模拟设计
• 3.1 电感器件的物理基础
• 3.2 线圈和磁芯模型及计算
• 3.2.1 无磁芯方形平面螺旋电感模型及其计算
• 3.2.2 磁芯模型
• 3.2.3 电感量的计算
• 3.3 品质因子Q
• 3.3.1 Q 值的定义
• 3.3.2 集成电感的Q 值
• 3.4 电感的参数计算
• 3.4.1 线圈导体模型
• 3.4.2 寄生电容
• 3.5 微电感的模拟设计结果
• 3.5.1 线圈匝数对微电感性能的影响
• 3.5.2 导体线宽对微电感性能的影响
• 3.5.3 导体间距对微电感性能的影响
• 3.5.4 退火磁芯对微电感性能的影响
• 3.5.5 磁芯厚度对微电感性能的影响
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 平面磁芯螺旋微电感的 MEMS 制备工艺
• 4.1 基本工艺过程
• 4.1.1 光刻工艺
• 4.1.2 微电镀工艺
• 4.1.3 溅射沉积
• 4.1.4 刻蚀工艺
• 4.1.5 聚酰亚胺工艺
• 4.1.6 工艺检测
• 4.2 平面磁芯螺旋微电感的工艺流程
• 4.3 平面磁芯螺旋微电感的样品图
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 平面磁芯螺旋微电感的测试与分析
• 5.1 微电感的测试原理
• 5.2 平面磁芯螺旋微电感的性能测试
• 5.2.1 相同磁芯材料下不同结构微电感的性能测试
• 5.2.2 相同线圈结构下不同磁芯的电感性能测试
• 5.3 结果分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文、专利