CN109416973A - 层叠磁芯 - Google Patents
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Abstract
本文描述的主题涉及层叠磁芯、制造层叠磁芯的方法以及使用层叠磁芯的电子设备。在一些示例中，用于制造层叠磁芯的方法包括沉积第一磁性层并在第一磁性层之上沉积层间层。层间层包括电导率大于或等于10‑4S/cm且小于或等于105S/cm的部分导电的材料。该方法包括在层间层之上沉积第二磁性层。该方法能够包括以交替方式顺序沉积附加的层间层和附加的磁性层，以产生层叠磁芯。
Description
优先权要求
本申请要求于2016年5月26日提交的序列号为62/341,826的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本文描述的主题一般而言涉及层叠磁芯。更具体而言，本文描述的主题涉及层叠磁芯、制造层叠磁芯的方法，以及使用层叠磁芯的电子设备。
背景技术
一般而言，与其非导电对应物相比，导电磁性材料表现出优异的磁特性；但是，在材料的趋肤深度小于磁性材料的厚度的高操作频率(例如，在DC-DC转换器、电池充电器和手持设备中使用的典型0.1-10MHz频率，以及可以在具有集成磁性元件的未来的片上电源系统(PwrSOC)中使用的更高频率(10-100MHz))下的大量涡流损耗限制了这些材料的使用。通过创建具有电导率极低的层间层的薄磁性合金片的微米或亚微米厚的层的堆叠(“层叠”)，即使在MHz频率下，也可以抑制层叠合金的体积内的涡流损耗；这种常规的绝缘叠层对于实现用于高工作频率的磁性材料是理想的。
常规的绝缘叠层可以存在制造问题。鉴于这些问题，存在对于改进的层叠磁芯、制造层叠磁芯的方法以及使用层叠磁芯的电子设备的需要。
发明内容
本文描述了包括具有平衡的电导率(通常在比金属磁性材料低4至6个数量级的范围内)的层间层的层叠结构。层叠结构对于例如在(2)显著降低的制造复杂性下的(1)不被危及的高频性能会是有用的。当层间层的电导率足够高以使得能够随后电沉积金属(例如，下一个层叠层)并且还足够低以使得所制造的层叠合金内的涡流损耗对于感兴趣的特定应用被充分抑制时，可以实现这一点。例如，将涡流损耗抑制到显著低于磁性系统或其中嵌有磁性系统的电气系统中的其它损耗的水平可能仅具有小的效益。此类其它损耗的示例包括磁性层的磁滞损耗(即，由于磁性材料固有的磁化过程引起的损耗)，或者在磁性系统是其中一部分的整个电气系统中的损耗(诸如电力转换器中的开关损耗)。因此，可以允许大于零的层间层电导率。
层叠结构和制造方法对于例如在高频(例如，超过0.1MHz)下操作的小型化电感部件(诸如电感器和变压器)的商业化会是有用的。通过使用其饱和磁通密度高于市售铁氧体磁芯的层叠磁芯，能够显著减小相关最终产品(例如，基于开关的DC-DC电源转换器、电路隔离器、手持电子设备、LED灯)的形状因子。
本文描述的主题涉及层叠磁芯、制造层叠磁芯的方法，以及使用层叠磁芯的电子设备。在一些示例中，用于制造层叠磁芯的方法包括沉积第一磁性层并在第一磁性层之上沉积层间层。层间层包括电导率大于或等于10-4S/cm且小于或等于105S/cm的部分导电的材料。该方法包括在层间层之上沉积第二磁性层。该方法可以包括以交替方式顺序沉积附加的层间层和附加的磁性层，以产生层叠磁芯。
附图说明
图1A-1B图示了示例层叠磁芯；
图2是图示用于制造层叠磁芯的示例方法的图；
图3A图示了示例制造环境；
图3B是示例自动的机器人辅助的多浴电沉积设备的框图；
图4A和4B示出了所制造的层叠合金的示例；以及
图5A、5B和5C图示了可以使用层叠磁芯的示例电子设备。
具体实施方式
图1A-1B图示了示例层叠磁芯100。图1A示出了层叠磁芯100包括磁性层102和104以及以交替方式部署在磁性层之间的层间层106和108。层间层106和108由部分导电的材料形成。例如，部分导电的材料可以具有大于或等于10-4S/cm且小于或等于105S/cm的电导率。在一些示例中，部分导电的材料具有在0.1S/cm和10S/cm之间的电导率。
在一些示例中，磁性层102和104由软磁性合金(例如，Ni、Fe、NiFe、NiFeCo或类似材料)形成，并且层间层106和108由电导率显著较小的材料(诸如导电聚合物，例如聚吡咯(polypyrrole))形成。在一些示例中，磁性层102和104各自具有小于或等于10μm且大于或等于0.1μm的厚度，并且层间层106和108各自具有小于或等于1μm且大于或等于0.1μm的厚度。
图1B示出了在层叠磁芯100内传导的受抑制的涡流。图1B还图示了磁场以及磁性层的相对于磁性材料的趋肤深度的适当厚度。每个单独层的适当厚度根据多个物理和技术参数(诸如层叠层或层间层或两者的电导率、磁性层中铁磁材料的磁导率，以及电子设备被配置为以其操作的频率范围)而变化。
在一些示例中，层的趋肤深度和电导率可以如下使用：
其中f是以Hz为单位的工作频率，μ是以H/m为单位的层磁导率，σm是以S/m为单位的感兴趣的材料的电导率，并且δ是以m为单位的趋肤深度。金属磁性材料的典型电导率可以是105S/cm的数量级，而用于层间层的常规绝缘材料的典型电导率可以低至10-16S/cm的数量级，以及部分绝缘的层间层的电导率的范围可以从10-4S/cm到接近金属磁性材料的电导率的电导率。
与具有常规绝缘层间层的常规叠层相比，层叠磁芯100的优点可以包括(2)在降低的制造复杂性下的(1)不受危及的高频性能。
层间层106和108的电导率被平衡，使得它(1)足够高以用于在层间层上的期望的磁性材料的随后的电沉积，还(2)与磁性材料相比足够低以将层间传导抑制到适当的水平；因此，层叠合金的制造被简化为磁性层和部分导电的层间层的顺序电沉积。这种层叠材料内的总涡流损耗能够被抑制到期望的水平(例如，磁性层的磁滞损耗的水平，即，由于磁性材料固有的磁化过程引起的损耗的水平)。层叠磁芯100提供简单、成本有效且环境友好的制造方法，以实现具有几乎不受危及的性能的层叠磁性合金的批量实现。
图2是图示用于制造层叠磁芯的示例方法200的图。方法200基于期望的磁性合金和适当选择的导电聚合物(例如，聚吡咯)的顺序多层电沉积。使用导电聚合物作为层间层材料在至少两个方面是有益的。
首先，具有极宽范围电导率(例如，10-3S/cm-103S/cm)的聚合物可以通过使用适当的单体和掺杂剂合成。第二，从保持层叠磁性合金在延长的时间段内的优异性能的观点来看，在环境条件下存储的聚合物的逐渐的沉积后电导率退化(这在常见的导电聚合物系统中被广泛观察到并且对于大多数应用而言是不利的)可以是有益的。在一些示例中，通过随后的电沉积后聚合物退化过程(诸如在升高的温度下的样本加热，或溶剂漂洗)来加速这个效果。
方法200包括制备种子层(201)。方法200包括期望的导电聚合物的阳极电聚合，然后是期望的金属(诸如磁性材料)的阴极电沉积，或者反之亦然(202)。在一些示例中，在种子层之上沉积磁性层，例如，如图2中所示；在一些其它示例中，在种子层之上沉积层间层。方法200包括以交替方式重复地添加层，以制造具有设计的单独层厚度的多层(203)。方法200可选地包括样本漂洗和干燥(204)。方法200可选地包括聚合物退化过程，诸如加热或溶剂处理(样本漂洗、浸渍)(205)。方法(200)可选地包括在磁性材料的电沉积期间施加磁场，以优先改善磁性材料的磁特性。
在任意基板上制备种子层，在种子层上合成层叠磁性合金。种子层可以是金属(例如，金、银、镍、铜、铝、锌、铁)以及非金属(例如，氧化铟锡(ITO)、石墨、石墨烯、碳化SU-8环氧树脂、高掺杂硅)，只要其电导率足以执行步骤2即可。种子层可以通过各种手段制备，包括物理沉积(例如，溅射、蒸发)和化学沉积(例如，无电沉积)两者。
导电聚合物的电聚合在水浴中执行，其中溶解有适量的期望聚合物的单体和盐。各种单体(例如，3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)、苯胺和吡咯)可以用于合成相应的聚合物(例如，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、聚苯胺和聚吡咯)。要注意的是，当沉积的聚合物的电导率被平衡时，单体和盐的选择都适于方法200，使得层间层电导率足够高以使得能够电沉积磁性层，并且又足够低以抑制层叠结构内的层间传导(或者，可替代地，可以通过沉积后处理使其为低)。
电聚合期间的阳极电位可能导致下面的层(即，金属种子层或电沉积的金属磁性层)的不期望的腐蚀；在浴中共溶的具体盐(例如，草酸钠、酒石酸钠、糖精钠、水杨酸钠)可以帮助在聚合的最初几秒期间在基板上创建钝化层，这抑制了基板腐蚀。作为进行聚合物电沉积的替代方案，可以使用其它沉积技术(诸如浸涂、旋涂或喷涂)来沉积期望的导电聚合物。
在沉积的导电聚合物层上执行期望的金属的阴极电沉积。各种常见的软磁性金属合金(例如，Ni合金，诸如NiFe、CoNiFe、NiFeMo)可以使用适当设计的电解质浴和沉积条件直接沉积在聚合物层上；但是，对于一些金属，其相对高的阴极沉积电位会将大量溶解的阴离子吸引到聚合物网络，从而扩大了聚合物基质的体积，这导致沉积期间不期望的膜分层。这个问题可以通过预先电沉积其厚度远小于叠层厚度的低沉积电位金属膜(例如，铜、镍)来解决。
图3A图示了用于方法200的示例制造环境300，包括电沉积机器人的机器人臂，其自动地将样本晶片从浴转移到浴。两种沉积反应均在适当设计的固定电位(相对于参考电极)或电流下执行，同时相应浴中的沉积时间被控制，以实现具有期望厚度的各个层。
可以创建大量具有期望的个体层厚度的层叠磁性合金。层叠合金的横向范围可以通过沉积后的自上而下的加工(例如，激光切割)或者自下而上的通过模具的电沉积来限定，该电沉积使用在多层沉积期间始终完整的适当模具材料(例如，SU-8或其它光致抗蚀剂)。任何使得所沉积的聚合物的电导率减小的聚合物退化过程(诸如在升高的温度下的氧化退化过程，或溶剂诱导的退化过程)都可以随之发生，只要沉积的磁性合金的磁性基本上不受负面影响即可。
图3B是示例自动的机器人辅助的多浴电沉积设备的框图。磁性层和聚合物(即，聚吡咯或PPY)层在相应的浴中顺序沉积。在沉积材料之后，将样本移至水浴，以避免浴交叉污染。要注意的是，样本处于正电位(与对电极相比)，以执行阳极聚合。
图4A和4B示出了制造的层叠合金的示例。这种材料包括4层1μm厚的坡莫合金(Ni80Fe20，代表性的软磁性金属合金)以及3层1μm厚的聚吡咯层间。用于聚合物的沉积浴包括吡咯和水杨酸钠。使用4点探针测得的聚吡咯的电导率大约为1S/cm，这比磁性材料的电导率小几乎5个数量级，但仍然足够导电以执行多层电沉积。
图5A-C图示了可以使用层叠磁芯100的示例电子设备。各种电子设备可以使用层叠磁芯100，并且所示设备出于说明的目的呈现。
图5A示出了示例电感器500，其包括层叠磁芯100和围绕层叠磁芯100盘绕的导线502。电感器可以制造成各种尺寸和形状，以适合具体应用。
图5B示出了包括层叠磁芯100的示例变压器510。在这个示例中，层叠磁芯100被制造为具有矩形孔的矩形，以允许将初级绕组512和次级绕组514缠绕在层叠磁芯100周围。变压器510将电能从耦合到初级绕组512的输入端传递到耦合到次级绕组514的负载516。
图5C示出了示例开关模式功率转换器520。开关模式功率转换器520在输入端处耦合到电源522，并且开关模式功率转换器520被配置为将来自源522的功率转换到耦合在输出端处的负载524。开关模式功率转换器520包括开关526和耦合在输入端与开关526之间的电感器500。开关模式功率转换器520还包括开关控制器530，开关控制器530被配置为以超过0.1MHz的频率(例如，在0.1MHz和10MHz之间范围内的频率，或者高达诸如40MHz的更高的频率，以及在一些示例中，高达100MHz)调制开关526。开关控制器530可以被配置为将开关模式功率转换器520作为DC-DC转换器操作并且调节到负载524的输出电压。
因而，虽然本文已经参考具体实施例、特征和说明性实施例描述了方法、系统和计算机可读介质，但是应该认识到的是，本主题的实用性不因此而受到限制，而是扩展到并涵盖基于本文的公开内容的、本主题的领域中的普通技术人员将会想到的许多其它变体、修改和替代实施例。
本文描述的结构和特征的各种组合和子组合是预期的，并且对于具有本公开的知识的技术人员将是清楚的。除非在本文中相反地指示，否则本文所公开的各种特征和元件中的任何可以与一个或多个其它的公开的特征和元件组合。相应地，如下文所要求保护的主题旨在被广泛地诠释和解释为包括所有在其范围内的这些变体、修改和替代实施例，并且包括权利要求的等同物。
应当理解的是，在不脱离本公开主题的范围的情况下，可以改变当前公开的主题的各种细节。此外，前面的描述仅出于说明的目的，而不是为了限制的目的。
Claims (23)
1.一种层叠磁芯，包括：
多个磁性层；以及
多个层间层，以交替的方式部署在磁性层之间；
其中层间层包括电导率大于或等于10-4S/cm且小于或等于105S/cm的部分导电的材料。
2.如权利要求1所述的层叠磁芯，其中磁性层包括磁性合金。
3.如权利要求1所述的层叠磁芯，其中部分导电的材料是导电聚合物。
4.如权利要求3所述的层叠磁芯，其中导电聚合物是聚吡咯。
5.如权利要求1所述的层叠磁芯，其中磁性层各自具有小于或等于10μm且大于或等于0.1μm的厚度。
6.如权利要求5所述的层叠磁芯，其中层间层各自具有小于或等于1μm且大于或等于0.1μm的厚度。
7.一种用于制造层叠磁芯的方法，该方法包括：
沉积第一磁性层；
在第一磁性层之上沉积层间层，其中层间层包括电导率大于或等于10-4S/cm且小于或等于105S/cm的部分导电的材料；以及
在层间层之上沉积第二磁性层。
8.如权利要求7所述的方法，包括在基板上制备种子层并在种子层上沉积第一磁性层。
9.如权利要求7所述的方法，包括以交替方式顺序沉积多个附加的层间层和多个附加的磁性层，以产生层叠磁芯。
10.如权利要求9所述的方法，包括通过在完成沉积之后的自顶向下的加工或者使用在沉积期间始终完整的模具材料的自下而上的通过模具的电沉积来限定层叠磁芯的横向范围。
11.如权利要求9所述的方法，包括漂洗和干燥层叠磁芯。
12.如权利要求9所述的方法，包括应用一个或多个降低层间层电导率的过程。
13.如权利要求7所述的方法，其中部分导电的材料包括导电聚合物，并且其中沉积层间层包括导电聚合物的阳极电聚合。
14.如权利要求7所述的方法，其中部分导电的材料包括导电聚合物，并且其中沉积层间层包括浸涂、旋涂或喷涂导电聚合物。
15.如权利要求7所述的方法，其中第一磁性层和第二磁性层包括磁性合金，并且其中沉积第一磁性层和第二磁性层包括磁性合金的阴极电沉积。
16.如权利要求14所述的方法，其中沉积第一磁性层和第二磁性层中的每一个包括预先电沉积导电的低沉积电位的金属膜，该金属膜的厚度小于第一磁性层和第二磁性层的厚度。
17.如权利要求7所述的方法，包括在沉积第一磁性层或第二磁性层或两者期间施加磁场。
18.一种开关模式功率转换器，包括：
输入端、输出端、耦合到输出端的开关；
磁能存储元件，耦合在输入端和开关之间；以及
开关控制器，被配置为以超过0.1MHz的频率调制开关；
其中磁能存储元件包括层叠磁芯，该层叠磁芯包括：
多个磁性层；以及
多个层间层，以交替的方式部署在磁性层之间；
其中层间层包括电导率大于或等于10-4S/cm且小于或等于105S/cm的部分导电的材料。
19.如权利要求18所述的开关模式功率转换器，其中磁性层包括磁性合金，并且其中部分导电的材料是导电聚合物。
20.如权利要求18所述的开关模式功率转换器，磁性层各自具有小于或等于10μm且大于或等于0.1μm的厚度，并且其中层间层各自具有小于或等于1μm且大于或等于0.1μm的厚度。
21.如权利要求18所述的开关模式功率转换器，其中开关控制器被配置为将开关模式功率转换器作为DC-DC转换器来操作并且调节输出端处的输出电压。
22.一种电感器，包括如权利要求1所述的层叠磁芯。
23.一种变压器，包括如权利要求1所述的层叠磁芯。
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