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      新材料帶動(dòng)電感器與小的系統(tǒng)尺寸同步發(fā)展

      2011年12月09日 14:09:51人氣:668來源:中山市南朗鎮(zhèn)五環(huán)電子廠

      新材料帶動(dòng)電感器與小的系統(tǒng)尺寸同步發(fā)展
      摘要:  五環(huán)電子所有型式的電感器——無論是分立式、片式、磁珠還是線圈——都在試圖跟上以各種不同形式和材料諸如薄膜材料、鐵氧體和陶瓷等設(shè)計(jì)的現(xiàn)代電源小型化的要求。
      關(guān)鍵字:  新材料,電感器,系統(tǒng)尺寸
      1 引言
      線圈型電感器一般被用于涉及大電流和高電壓的電源系統(tǒng)和家用電器設(shè)備。但是,片式電感器的主要使用目標(biāo)是需要低電壓和小電流的移動(dòng)通信裝置,和便于消費(fèi)者攜帶的小型電子產(chǎn)品,而且尺寸小是其關(guān)鍵指標(biāo)。磁珠電感器可同時(shí)用在以上兩大類設(shè)備中。近幾年來,開關(guān)調(diào)整器電源已經(jīng)將尺寸減小了,而且更小尺寸的電感器也被列入了重要的研究課題。在這里,電感器的低高度是必須具有的指標(biāo)。
      遺憾的是,這樣的高頻電感器很稀缺,供不應(yīng)求,已經(jīng)阻礙了將電感器與電源封裝在共同的殼體內(nèi)。具體地說,電感器可以工作于小電流的Buck調(diào)節(jié)器時(shí),這種情況才開始改變。許多現(xiàn)代的buck變換器已與低高度的電感器封裝在同一外殼中。生產(chǎn)這種電源的廠商有5hcoil公司、Micrel半導(dǎo)體公司、Linear科技公司和Fuji器件科技公司等等。這與其說是封裝在共同外殼中的,還不如說是其它電源類型之一種形式。
      的低高度電感5HCOIL Yuden USA生產(chǎn)的線繞型BRL3225系列。為開關(guān)模式dc-dc變換器設(shè)計(jì)的這類電感器用于消費(fèi)者手持的電子產(chǎn)品中,它們被測(cè)出的體積僅有32mm×2.5mm×1.7mm。它們的電感值范圍從1μH100μH,直流(dc)電阻值范圍是從0.043Ω2.5Ω,而飽和電流的zui大值從2400mA270mA。
      Vishay Intertechnology
      公司推介了他們的外殼尺寸為5.18mm×5.49mm×2.00mmIHLP低高度大電流電感器2020型。它的特征頻率范圍可以一直到1MHz,具有的電感值范圍從0.10μH10μH。飽和電流范圍從2A2,典型的直流電阻值范圍從2.7mΩ169.3mΩ2.9mΩ18.2mΩzui大值)和工作溫度范圍從55125
      BI Technologies TT
      電子公司開發(fā)的密集型表面安裝的功率電感器HM69T,測(cè)量得到的尺寸是7.4mm×7.2mm×5.0mm。它們?cè)诰哂?/span>57A52A27A額定電流時(shí),含有90nH、100nH150nH的電感值(如將額定電流改變?yōu)?/span>7、則電感值可以達(dá)到200nH)。典型的直流電阻值是0.298mΩ±3%,工作溫度范圍從-40125。公司也擴(kuò)展了以其為樣板的縮小了尺寸和習(xí)慣用表面安裝器件的電感器系列,的HM72A系列具有6mm×6mm×1.6mm的體積尺寸。用壓制的鐵粉心制造的電感器,其工作頻率在300kHz1MHz時(shí),其電感值的范圍從100nH33μH,而電流飽和電平達(dá)到80A,工作溫度范圍從-40155。
      Murata制作公司提供的單片式電感器(例如LQM系列)和線繞式電感器(例如QH系列)兩者都具有低的高度和大的電流荷載能力。單片式系列包含的電感器具有0.85mm0.5mm1.1mm的高度,它們分別具有的電感值范圍是0.47μH4.7μH、0.47μH2.2μH1.0μH3.3μH,并且它們分別具有的額定電流值為1.2A、1.1A1.。線繞式電感器包含LHQ3NP-GO,它們具有0.9mm3mm×3mm的外殼)的低高度,其電感值的范圍為1.0μH250μH,額定電流為1.52,以及存在0.11Ω的電阻值。這種電感器是磁粉顆粒和樹脂壓制成的封閉磁路結(jié)構(gòu)(見圖1所示)。
      Wurth Electronics Midcom
      公司提供了大電流的和耐高溫的表面安裝型電感器。其WE-HC/WE-HCA系統(tǒng)產(chǎn)品在從7mm×7mm13mm×13mm的布線軌跡范圍內(nèi)具有0.11μH150μH的電感值。這種電感器的工作溫度從-40155。大電流的WE-HCFT穿線通孔電感器的特征值從10μH15μH,測(cè)量的布線軌跡為22mm×17mm×11.5mm,工作溫度為-40125。線繞電感器是過時(shí)的工藝產(chǎn)品,zui近已證明有了重要進(jìn)步。首先的一個(gè)成果是因?yàn)槔澗€的發(fā)明West Coast Magnetics公司的總裁Weyman Lundquist這樣說。這項(xiàng)技術(shù)成果是Dartmouth大學(xué)創(chuàng)造的*。用它們能制造出低的交流(ac)和直流(dc)電阻值的電感器。它綜合了銅箔電感器的低直流(dc)電阻值和利茲線的低交流(ac)電阻值的特性。借助位移的交流(ac)渦電流來確定配置任何一個(gè)內(nèi)部的繞組是件創(chuàng)造性的工作,這可有效地抑制內(nèi)部的繞組內(nèi)在的渦流損耗影響。這種影響是由磁心支路中的氣隙建立起來的圍繞在銅箔繞組周圍的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。(在磁心中開氣隙通常是用于電感器這類產(chǎn)品的)。
      在這種技術(shù)被采用時(shí),銅箔繞組保持著這類電感器典型的很小的直流電阻值,也具有很小的交流電阻值。一般情況下,其總的損耗低于用利茲線繞制的電感器損耗。這樣得到的小的交流和小的直流銅損相結(jié)合的電感器將會(huì)更加(見圖2)。
      2
      新型薄膜材料
      Toshiba
      材料公司已準(zhǔn)備出售用特殊的磁性材料制作的多層柔性薄膜電感器(見圖3)。這種電感器結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬為5mm×5mm,厚度0.3mm,而且其厚度可在0.1mm0.4mm之間調(diào)整,同時(shí)在10MHz時(shí),具有大于25的高Q值。這種電感器的特點(diǎn)是具有大于1A的大電流之穩(wěn)定性能。zui有力地推進(jìn)這種電感器的廠商之一是Enpirion科技公司,它們已經(jīng)在兩個(gè)鐵氧體磁心之間采用多層螺旋狀銅箔生產(chǎn)出了低高度電感器。該公司的EP5352Q/5362Q(500mA/600mA)電感器特征為僅僅只有1.1mm的低高度,使用4mm×5mmQFN20包裝外殼。它們可以工作在5MHz,其特征輸入和輸出電壓范圍分別是2.4Vdc5.5Vdc0.8Vdc3.3Vdc
      據(jù)有關(guān)專題研討會(huì)的報(bào)道,Enpirion科技公司已著手為下一步制造EN5366Q系列DC-DC變換器之部件低高度MEMS電感器做好了準(zhǔn)備。這種電感器具有1.2V的輸出電壓,產(chǎn)品的功率密度為532W/in3(0.032W/mm3),能輸出6A的電流,顯示達(dá)到了444A/in3(0.027A/mm3)的電流密度。產(chǎn)品的所有這些功能都在10mm×12mm×1.85mm的封裝盒內(nèi)實(shí)現(xiàn)。解決DC-DC變換器性能的關(guān)鍵點(diǎn)在于開關(guān)電源頂部的MEMS電感器(見圖4)。
      在同一個(gè)專題研討會(huì)上,Fuji器件科技公司展出了它們的采用具有優(yōu)良性能水平的常規(guī)電感器制造的FB6831JDC-DC變換器。雖然它們的2.40mm×2.95mm×1.00mm的幾何尺寸比Enpirion組件的尺寸更小,但它具有更大的電流密度比率,大約為0.070A/mm3對(duì)290A/mm3;更低的輸出電流比率大約為0.對(duì)6A
      PwrSoC
      公司2008年的工作目標(biāo)是致力于將研發(fā)的、用于未來的移動(dòng)通信、便攜式電子產(chǎn)品和高性能計(jì)算裝備的小型化開關(guān)電源格式的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。這種多個(gè)元件的產(chǎn)品也可以歸類于在線封裝的電源系統(tǒng)(PSiP)。
      在那些專題研討會(huì)上,來自大學(xué)的電力電子研究實(shí)驗(yàn)室、Cork公司、Ireland公司等等單位的科學(xué)家們,根據(jù)工作在15MHz65MHz頻率范圍的單片式MOSFET和驅(qū)動(dòng)器功率系列的集成電路(IC),論證了工作在20MHz0.的微型電感器。在3mm3印制電路板軌跡和100MHz工作頻率時(shí),可以得到的效率電平高于95%。
      MEMS
      的研究方法使得電感器證明了其用于高性能dc-dc變換器和射頻(RF)移動(dòng)通信中的價(jià)值,在便攜式設(shè)備中,是非常需要它們的。MEMS電感器工作特性的大部分內(nèi)容已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功地得到了驗(yàn)證,它們進(jìn)入市場(chǎng)后,將使得大量的其它類型的電感器有效成本受到極大的挑戰(zhàn)。
      Georgia技術(shù)研究所,科學(xué)家們?yōu)榱双@得高功率密度的緊湊型開關(guān)變換器,正在努力瞄準(zhǔn)將渦流損耗減到zui小的低功率電感器的研發(fā)。為了在沒有人工干預(yù)的情況下制造出厚的磁心兼顧大量的超微疊裝技術(shù),它們研制了自動(dòng)化的電鍍系統(tǒng)。這些電感器存在大的電感量值、高的品質(zhì)因數(shù),實(shí)現(xiàn)了大的功率處理能力。微小型化的DC-DC變換器可有效地變換10W的功率,見圖5(a)和圖5(b)的說明。
      IBM
      公司T.J.Watson研究中心的科學(xué)家們論證了用傳統(tǒng)的光刻蝕技術(shù)在芯片上制作高性能厚銅箔電感器的方法。他們也采用MEM'S電感器驗(yàn)證了更高水平的性能。
      他們開始采用具有4μm厚度銅箔下穿通道的高電阻率(75Ω-cm)4μm厚銅螺線管以減少電阻性損耗。這樣,螺線管與下穿通道間的電容值也減小了。為了進(jìn)一步減小電容性損耗,用另一種6.1μm厚度的夾層電介質(zhì)從基板中分隔下穿通道。在3.8GHz18GHz的諧振頻率上,可以獲得26.6的高峰值Q值。
      使用第二種方法,一個(gè)與掩模CMOS共存的微機(jī)械方案可被用來消除基片損耗。它可立刻*除去電感器下部的硅基板。這種結(jié)果使人們更加相信在8.2GHz27GHz的諧振頻率上具有52.8的高峰值Q值。
      用作可塑性有機(jī)基板上的嵌入式電感器的高磁導(dǎo)率磁心材料的新功能也顯示出了希望。香港科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究所用低溫凝固膠開發(fā)制作了高磁導(dǎo)率的雙晶相鎳鋅鐵氧體(NZF)磁心。
      結(jié)晶體的鎳鋅鐵氧體(NZF)磁粉被摻入到凝膠狀NZF母材中。這種溶液在不同的溫度上可沉積成類似于薄膜并經(jīng)過了熱處理的基材。
      結(jié)果顯示,添加NZF磁粉將會(huì)導(dǎo)致低溫凝膠狀NZF晶相轉(zhuǎn)彎為250時(shí)的高磁導(dǎo)率晶相。這個(gè)大約350的溫度低于純粹的NZF凝膠體薄膜的轉(zhuǎn)變溫度。用雙晶相的NZF制成的2層螺線電感器磁心的電氣測(cè)量結(jié)果,顯示出其電感值在與不存在雙晶相的NZF磁心電感器的電感值比較將會(huì)增加3倍。
      Belgium's IMEC研究所,用經(jīng)濟(jì)的方法研制成功了片上高Q值電感器。他們利用對(duì)準(zhǔn)的掩模平板印刷技術(shù)和薄片的水平封裝法,使得銅導(dǎo)線和芯片空間尺寸的相互連接與小體積的要求更相適應(yīng),這也就能更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用,如圖6所示。
      據(jù)報(bào)道,他們已經(jīng)為印刷夾層和Via以及電感器的金屬,生產(chǎn)出了石板印刷溶液。這種工藝技術(shù)允許印刷進(jìn)一步分層,zui后與片上襯墊尺寸相匹配。這種技術(shù)使生產(chǎn)具有品質(zhì)因數(shù)(Q)大于30的高性能器件取得了低成本的手段。
       
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