CN116646146A - 一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源，其闭合磁芯片上电感结构，包括片上电感设置为三明治型薄膜电感结构，所述三明治型薄膜电感结构为铁磁层和绝缘层交替循环排列的多层膜结构；所述片上电感中相邻所述铁磁层之间磁矩成反平行排布。本申请可以使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求。

Description

一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源
技术领域
本发明涉及技术领域，特别涉及一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源。
背景技术
全集成开关电源能够快速地调配核心的开启或关闭，并且提供更高效率的供电方案，有利于进一步降低能耗。其中开关电源的核心无源器件为片上耦合电感。它需要在较低的片上面积上具有较高的感值，且能够适应全集成开关电源快速响应的工作方式。在现有片上磁芯耦合电感技术中，开路磁芯耦合电感的两相绕组会集成在一个磁芯上，绕组宽度不足，电阻较大，会导致电感直流损耗过大，不适用于高电流供电的模式。各向同性闭合磁路电感的磁芯膜极易受形状各向异性的影响，使得磁膜矫顽力大从而导致高频损耗增加。各向异性闭合磁路电感不易形成有效闭合磁路，漏磁很高。拼接型磁芯膜电感的各向异性磁芯膜和各向同性磁芯膜无法同时沉积，导致工艺良率较低。此外，以上所述电感结构都没有自适应调节感值的功能，无法适应开关电源的快速开启或关断。
因此目前需要一种闭合磁芯片上电感结构，既具备高耦合系数、自适应感值调节的功能，又具备较高的工艺良率，且便于适配全集成开关电源快速响应需求的工作模式。
发明内容
为解决目前片上电感无法满足全集成开关电源高瞬态响应需求的技术问题，本发明提供一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源，具体的技术方案如下：
本发明提供一种闭合磁芯片上电感结构，片上电感设置为三明治型薄膜电感结构，所述三明治型薄膜电感结构为铁磁层和绝缘层交替循环排列的多层膜结构；
所述片上电感中相邻所述铁磁层之间磁矩成反平行排布。
本发明提供的闭合磁芯片上电感结构利用层间交换磁耦合作用，使闭合磁芯耦合电感具备高耦合系数以及自适应感值调节功能，解决现有技术中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等技术缺陷，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求。
在一些实施方式中，所述片上电感的磁芯膜采用各向异性磁芯膜。
本发明提供的闭合磁芯片上电感结构避免采用各相同性磁芯膜，且解决了磁导率低导致漏磁增加，闭合磁路难以形成的技术问题，适用于高频应用场景。
在一些实施方式中，所述片上电感中相邻所述铁磁层之间的易轴磁矩成反平行排布。
本发明提供的闭合磁芯片上电感结构中，磁膜的铁磁层中，相邻层的磁矩呈反平行排布，并利用了层与层之间的交换耦合作用。该磁膜的易轴不同于普通各向异性磁膜，其易轴在一定的磁场区域具备很高的磁导率。
在一些实施方式中，反平行排布的所述磁矩在制备过程中通过改变外部诱导磁场的磁场方向诱导形成。
本发明提供的闭合磁芯片上电感结构通过改变磁场诱导电流方向一次制备形成，制备工艺简单，产品制备流程简便良品率高。
在一些实施方式中，所述铁磁层的材料包括软磁合金磁膜、非晶合金磁膜和纳米颗粒磁膜中任一项。
在一些实施方式中，所述铁磁层的厚度设置为20nm～500nm。
在一些实施方式中，所述绝缘层的材料包括基于MEMS工艺制备的二氧化硅和氮化硅中任一项。
在一些实施方式中，所述绝缘层的厚度设置为20nm以下。
在一些实施方式中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种闭合磁芯片上电感结构的制备方法，包括步骤：
沉积第一铁磁层，并在沉积所述第一铁磁层过程中施加外部磁场形成沿第一方向的磁矩；
在所述第一铁磁层上方沉积绝缘层；
在所述绝缘层上方沉积第二铁磁层，并在沉积所述第二铁磁层过程中改变所述外部磁场形成沿第二方向的磁矩，所述第二方向与所述第一方向相反；
依次递推，由下层至上层依次沉积三明治型薄膜电感结构，并在沉积相邻铁磁层时改变所述外部磁场，使片上电感中相邻所述铁磁层之间磁矩成反平行排布，所述三明治型薄膜电感结构为所述铁磁层和所述绝缘层交替循环排列的多层膜结构。
在一些实施方式中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种电感滤波型开关电源，其特征在于，包括上述闭合磁芯片上电感结构，
在所述开关电源处于开启过程或关闭过程中时，所述开关电源的输出电流在经电感滤波时，该电流在电感磁膜处产生的磁场小于所述片上电感磁膜的易轴矫顽力，此时易轴方向磁导率极低，电感处于低感值，低阻抗状态，所述开关电源处于高瞬态响应状态。
在所述开关电源处于稳态工作过程中时，输出电流在经电感滤波时，该电流在电感磁膜处产生的磁场不小于所述片上电感磁膜的易轴矫顽力，此时易轴方向磁导率很高，电感处于高感值，高阻抗状态，所述开关电源处于低纹波电流，即低交流损耗状态。
本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构及其制备方法、开关电源，至少包括以下一项技术效果：
(1)利用层间交换磁耦合作用，使闭合磁芯耦合电感具备高耦合系数以及自适应感值调节功能，解决现有技术中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等技术缺陷，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求；
(2)避免采用各相同性磁芯膜难轴磁导率低导致漏磁增加，闭合磁路难以形成的技术问题，适用于高频应用场景；
(3)基于层与层之间的交换耦合作用，使磁膜中反平行排布的易轴不同于普通各向异性磁膜，其易轴在一定的磁场区域具备很高的磁导率；
(4)通过改变磁场诱导电流方向一次制备形成，制备工艺简单，产品制备流程简便良品率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中在同一磁芯薄膜上形成反相环绕的两相电感的示意图；
图2为现有技术中在闭合磁路磁芯膜上将两相绕组分开分别布线的示意图；
图3为现有技术中在开路磁芯上采用拼接型磁芯膜的示意图；
图4为本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构的示意图；
图5为为普通各向异性磁膜磁场强度H与磁感应强度B之间的对应关系示意图；
图6为本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构中磁场强度H与磁感应强度B之间的对应关系示意图；
图7为本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构的制备方法的流程图；
图8为本发明提供的一种开关电源的感值变化示意图；
图9为本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构中反平行排布的示意图。
图中标号：绕组布线区域-1、非绕组布线区域-2和三明治型薄膜电感结构-3。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的一个实施例，如图4所示，本发明提供一种闭合磁芯片上电感结构，其中片上电感设置为三明治型薄膜电感结构3，三明治型薄膜电感结构3为铁磁层和绝缘层交替循环排列的多层膜结构，片上电感中相邻铁磁层之间磁矩成反平行排布。
具体地，为了满足全集成开关电源快速响应的工作需求，通常对片上电感往往采用引入高磁导率的高频磁芯膜来提升感值密度、采用高耦合系数的多相电感来提升饱和电流，以及开关电源的瞬态响应、形成闭合磁路的手段来提升磁芯膜的利用效率等措施。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案一是在同一磁芯薄膜上形成反相环绕的两相电感，如图1所示，该方案的优点在于匝与匝之间相互贴近能够获得极高的耦合系数，该方案的缺点在于要在有限空间中完成两相电感的走线，绕组宽度必然会很低，否则就无法获得较高耦合系数；若绕组宽度太高，匝数密度会降低，会降低感值；绕组宽度太低也会导致直流电阻较高，然而开关电源中，电感的主要损耗来源是直流损耗，所以这种电感不适合应用于高电流供电的模式。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案二是在闭合磁路磁芯膜上将两相绕组分开分别布线，如图2所示，该方案的优点是避免了方案一中绕组空间不足的缺点，容易或得高功率效率和感值密度；该方案的缺点是片上电感不同于非集成电感，其磁芯薄膜非常薄仅数微米左右厚，因此漏磁会非常严重无法形成完美的闭合磁路，也就不会有较高耦合系数，这种电感的磁芯一般会采用两种形式的磁膜：磁芯采用各向异性磁芯膜，即难轴沿绕组产生的磁场方向(纵向)，易轴在面内且与难轴垂直(横向)，横向磁导率将极低，无法有效形成闭合磁路；磁芯采用各相同性磁芯膜，虽然在任意面内方向均一定磁导率，但磁导率不会有各向异性薄膜的难轴磁导率高。磁导率低也会导致漏磁增加，闭合磁路难以形成。此外各向同性磁芯膜受限于snoek极限，其性能极限远低于各向异性磁芯膜遵从的Acher极限，使得电感不宜用于高频应用，各向同性的磁膜的磁畴结构呈混乱取向，且极易受形状各向异性的影响，会增加磁膜矫顽力，从而导致高频损耗增加。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案三是采用拼接型磁芯膜，如图3所示，在绕组布线区域1采用各向异性磁芯膜，在非绕组布线区域2采用各向同性磁芯膜。能够较为有效地形成闭合磁路，使得电感具有了较高的耦合系数，且不会引入方案一和方案二中所述缺点。但其缺点是工艺复杂，因为各向异性磁芯膜和各向同性磁芯膜无法同时沉积，增加了一次光刻、沉积、图形化(如刻蚀或剥离)的步骤，此外两种磁芯的拼接处很难平坦化，且难以完美拼接，良率较低。
本实施例的目的是解决原有技术方案中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等诸多缺点，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，且可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求，克服了方案一中绕组空间受限的缺点，克服了方案二中无法采用各向异性磁膜的缺点，克服了方案三中工艺复杂的缺点。
本实施例提供的闭合磁芯片上电感结构利用层间交换磁耦合作用，使闭合磁芯耦合电感具备高耦合系数以及自适应感值调节功能，解决现有技术中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等技术缺陷，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求。
在一个实施例中，如图5和图6所示，本发明提供的闭合磁芯片上电感结构中片上电感的磁芯膜采用各向异性磁芯膜，片上电感中相邻铁磁层之间的易轴磁矩成反平行排布。
具体地，三明治型结构中层与层之间的易轴磁矩反平行排列，磁矩形成闭合回路易于形成单畴结构，形成层与层之间的交换耦合作用，这样的磁膜易轴不同于普通各向异性磁膜，磁导率μ＝ΔBΔH，图5为普通各向异性磁膜磁场强度H与磁感应强度B之间的对应关系，图中实线表示易磁化轴，虚线表示难磁化轴，图5中易轴磁导率始终较低，图6为具有层间交换耦合作用的各向异性磁膜磁场强度H与磁感应强度B之间的对应关系，图中实线表示易磁化轴，虚线表示难磁化轴，图6中易轴在H大于Hc(Hc为绕组在磁芯处产生的磁场)的磁场区域内具备很高的磁导率，图6中除了再H小于Hc的磁场区域内中间磁导率为1，其余H大于Hc的磁场区域内磁导率效能均稳定在高值水平，图9为本发明提供的一种闭合磁芯片上电感结构中反平行排布的示意图。
进一步地，反平行排布的磁矩在制备过程中通过改变诱导磁场方向形成，磁矩的方向与诱导磁场方向相同，可以通过旋转电磁铁，或改变电磁铁的电流相位改变诱导磁场方向，铁磁层的材料包括软磁合金磁膜、非晶合金磁膜和纳米颗粒磁膜中任一项，铁磁层的厚度设置为20nm～500nm；绝缘层的材料包括基于MEMS工艺制备的二氧化硅和氮化硅中任一项，绝缘层的厚度设置为20nm以下。
本实施例提供的闭合磁芯片上电感结构避免采用各相同性磁芯膜难轴磁导率低导致漏磁增加，闭合磁路难以形成的技术问题，适用于高频应用场景，同时根据层与层之间的交换耦合作用，使磁膜中反平行排布的易轴不同于普通各向异性磁膜，其易轴在一定的磁场区域具备很高的磁导率。
在一个实施例中，如图7所示，本发明还提供一种闭合磁芯片上电感结构的制备方法，包括步骤：
S100沉积第一铁磁层，并在沉积第一铁磁层过程中施加外部磁场形成沿第一方向的磁矩。
S200在第一铁磁层上方沉积绝缘层。
S300在绝缘层上方沉积第二铁磁层，并在沉积第二铁磁层过程中改变外部磁场形成沿第二方向的磁矩。
具体地，第二方向与所述第一方向相反。
S400依次递推，由下层至上层依次沉积三明治型薄膜电感结构，并在沉积相邻铁磁层时改变外部磁场，使片上电感中相邻铁磁层之间磁矩成反平行排布。
具体地，三明治型薄膜电感结构为铁磁层和所述绝缘层交替循环排列的多层膜结构。
进一步地，为了满足全集成开关电源快速响应的工作需求，通常对片上电感往往采用引入高磁导率的高频磁芯膜来提升感值密度、采用高耦合系数的多相电感来提升饱和电流，以及开关电源的瞬态响应、形成闭合磁路的手段来提升磁芯膜的利用效率等措施。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案一是在同一磁芯薄膜上形成反相环绕的两相电感，如图1所示，该方案的优点在于匝与匝之间相互贴近能够获得极高的耦合系数，该方案的缺点在于要在有限空间中完成两相电感的走线，绕组宽度必然会很低，否则就无法获得较高耦合系数；若绕组宽度太高，匝数密度会降低，会降低感值；绕组宽度太低也会导致直流电阻较高，然而开关电源中，电感的主要损耗来源是直流损耗，所以这种电感不适合应用于高电流供电的模式。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案二是在闭合磁路磁芯膜上将两相绕组分开分别布线，如图2所示，该方案的优点是避免了方案一中绕组空间不足的缺点，容易获得高功率效率和感值密度；该方案的缺点是片上电感不同于非集成电感，其磁芯薄膜非常薄仅数微米左右厚，因此漏磁会非常严重无法形成完美的闭合磁路，也就不会有较高耦合系数，这种电感的磁芯一般会采用两种形式的磁膜：磁芯采用各向异性磁芯膜，即难轴沿绕组产生的磁场方向(纵向)，易轴在面内且与难轴垂直(横向)，横向磁导率将极低，无法有效形成闭合磁路；磁芯采用各相同性磁芯膜，虽然在任意面内方向均一定磁导率，但磁导率不会有各向异性薄膜的难轴磁导率高。磁导率低也会导致漏磁增加，闭合磁路难以形成。此外各向同性磁芯膜受限于snoek极限，其性能极限远低于各向异性磁芯膜遵从的Acher极限，使得电感不宜用于高频应用，各向同性的磁膜的磁畴结构呈混乱取向，且极易受形状各向异性的影响，会增加磁膜矫顽力，从而导致高频损耗增加。
现有技术中在开路磁芯上形成高耦合系数的方案三是采用拼接型磁芯膜，如图3所示，在绕组布线区域1采用各向异性磁芯膜，在非绕组布线区域2采用各向同性磁芯膜。能够较为有效地形成闭合磁路，使得电感具有了较高的耦合系数，且不会引入方案一和方案二中所述缺点。但其缺点是工艺复杂，因为各向异性磁芯膜和各向同性磁芯膜无法同时沉积，增加了一次光刻、沉积、图形化(如刻蚀或剥离)的步骤，此外两种磁芯的拼接处很难平坦化，且难以完美拼接，良率较低。
本实施例中提供的闭合磁芯片上电感结构制备方法可以解决原有技术方案中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等诸多缺点，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，且可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求，克服了方案一中绕组空间受限的缺点，克服了方案二中无法采用各向异性磁膜的缺点，克服了方案三中工艺复杂的缺点。
本实施例提供的闭合磁芯片上电感结构制备方法，可以通过改变磁场诱导电流方向一次制备形成闭合磁芯片上电感结构，使闭合磁芯耦合电感具备高耦合系数以及自适应感值调节功能，解决现有技术中绕组布线受限、闭合磁路难以形成、无法完全采用各向异性磁芯膜、工艺复杂等技术缺陷，并同时使薄膜电感具备较高的感值和耦合系数，可以满足全集成开关电源高瞬态响应的需求，且制备工艺简单，产品制备流程简便良品率高。
在一个实施例中，如图8所示，本发明还提供一种开关电源，包括上述实施例中公开的闭合磁芯片上电感结构，在开关电源处于开启过程或关闭过程中时处于低输出电流状态；开关电源的电感元件产生的磁场小于磁芯膜易轴矫顽力，开关电源处于高瞬态响应状态；在开关电源处于稳态工作过程中时处于高输出电流状态；开关电源的电感元件产生的磁场不小于所述磁芯膜易轴矫顽力，开关电源处于低交流功耗状态。
具体地，本实施例提供的开关电源中片上电感具有自适应功能，在电源开启或者关闭时，开关电源的输出电流处于很小的状态，此时I小于Ic(Ic为绕组电流)，则电感上绕组产生的磁场强度H小于Hc(Hc为绕组在磁芯处产生的磁场)，诱导易轴不提供磁导率，易轴不工作，难轴工作，感值较低为L，即开启关断时阻抗较小，使得开关电源具备高瞬态响应。
而当开关电源正常工作时，电源输出较高电流，电感具有较高直流偏置，因此会产生大于Hc的直流偏置磁场，此时易轴处于工作状态磁导率较高，形成了闭合磁路，整个磁路工作，耦合形成，增加其余电感ΔL，感值提升为L+ΔL，耦合系数增加，实现自适应调节功能，有利于降低开关电源纹波系数，从而使开关电源的开关频率不需要工作在较高频率，降低了开关损耗。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
应当说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
片上电感设置为三明治型薄膜电感结构，所述三明治型薄膜电感结构为铁磁层和绝缘层交替循环排列的多层膜结构；
所述片上电感中相邻所述铁磁层之间磁矩成反平行排布。
2.根据权利要求1所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
所述片上电感的磁芯膜采用各向异性磁芯膜。
3.根据权利要求1所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
反平行排布的所述磁矩在制备过程中通过改变诱导磁场方向形成，所述磁矩的方向与所述诱导磁场方向相同。
4.根据权利要求3所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
通过旋转电磁铁，或，改变所述电磁铁的电流相位改变所述诱导磁场方向。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
所述铁磁层的材料包括软磁合金磁膜、非晶合金磁膜和纳米颗粒磁膜中任一项。
6.根据权利要求5所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
所述铁磁层的厚度设置为20nm～500nm。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
所述绝缘层的材料包括基于MEMS工艺制备的二氧化硅和氮化硅中任一项。
8.根据权利要求7所述的一种闭合磁芯片上电感结构，其特征在于，
所述绝缘层的厚度设置为20nm以下。
9.一种闭合磁芯片上电感结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
沉积第一铁磁层，并在沉积所述第一铁磁层过程中施加外部磁场形成沿第一方向的磁矩；
在所述第一铁磁层上方沉积绝缘层；
在所述绝缘层上方沉积第二铁磁层，并在沉积所述第二铁磁层过程中改变所述外部磁场形成沿第二方向的磁矩，所述第二方向与所述第一方向相反；
依次递推，由下层至上层依次沉积三明治型薄膜电感结构，并在沉积相邻铁磁层时改变所述外部磁场，使片上电感中相邻所述铁磁层之间磁矩成反平行排布，所述三明治型薄膜电感结构为所述铁磁层和所述绝缘层交替循环排列的多层膜结构。
10.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1～8中任一项所述的闭合磁芯片上电感结构，
在所述开关电源处于开启过程或关闭过程中时，处于低输出电流状态；
所述开关电源的电感元件产生的磁场小于磁芯膜易轴矫顽力，所述开关电源处于高瞬态响应状态；
在所述开关电源处于稳态工作过程中时，处于高输出电流状态；
所述开关电源的电感元件产生的磁场不小于所述磁芯膜易轴矫顽力，所述开关电源处于低交流功耗状态。
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