CN100536042C

CN100536042C - 基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件

Info

Publication number: CN100536042C
Application number: CNB2006100238975A
Authority: CN
Inventors: 周勇; 丁文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: CN1812011A

Abstract

一种微电子技术领域的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，包括：衬底、引脚、线圈、磁芯材料、氧化铝绝缘材料，闭合的矩形磁芯材料上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈，线圈以衬底为基础，由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成，线圈的两端连接引脚，线圈的底层线圈、顶层线圈、连接导体均通过氧化铝绝缘材料与磁芯材料隔开。其中，所述的磁芯材料为非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜。本发明解决了线圈的立体绕线和层间的绝缘问题及高深宽比的电镀问题，使得微电感器件的高频性能大大提高，具有广泛的用途。

Description

基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的器件，具体是一种非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，特别是以三维非硅材料为主的准-LIGA加工技术成为当前国际上研制微型化多层结构微器件及射频-微机电系统(RF-MEMS)器件的一种最先进的技术。在国际上，采用MEMS技术研制三维结构磁性薄膜微电感器件应运而生。另一方面，由于非晶、纳米晶软磁材料的新进展，国内外采用非晶和纳米晶软磁材料做磁芯制造大型功率变压器、脉冲变压器、磁开关等正在走向商业化。鉴于磁性薄膜微电感器件是磁芯结构，磁芯材料的选择对提高电感器件的性能是极其关键的：(1)高磁导率来获得大电感量；(2)高饱和磁感应强度以保证高饱和电流；(3)高电阻率以降低涡流损耗。另外，磁性薄膜微电感器件要求具有封闭的磁路结构，以减少漏磁通。因此，选用高磁导率、高饱和磁感应强度和高电阻率的非晶和纳米晶软磁材料做磁芯，是提高磁性薄膜微电感器件特性的关键。

经对现有技术的文献检索发现，Kim等(C.S.Kim，S.Bae，S.E.Nam，H.J.Kim)在《IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS》(美国电气和电子工程师学会磁学杂志)(VOL.37，NO.4，pp.2894-2896，JULY，2001)上发表了“Fabrication of high frequency DC-DC converter using Ti/FeTaN filminductor”(用于高频DC-DC变换器的Ti/FeTaN薄膜电感)一文，该文提及了由双矩形纳米晶FeTaN薄膜构成的平面螺旋型微电感器件，尺寸为7.8mm×10mm，在2MHz下电感量为1.6μH，品质因子为2.3。该微电感由玻璃衬底、底层FeTaN薄膜、SiO₂绝缘层、铜平面螺旋线圈、引脚、环氧胶及带有顶层FeTaN薄膜的玻璃衬底组成；Park等(J.W.Park，M.G.Allen)在《IEEETRANSACTION ON MAGNETICS》(美国电气和电子工程师学会磁学杂志)(VOL.39，NO.5，pp.3184-3186，SEPTMEMBER，2003)上发表了“Ultralow-profilemicromachined power inductors with highly laminated Ni/Fe cores：Application to low-Megahertz DC-DC converters”(采用多层Ni/Fe磁芯的超低外形的微机械功率电感：用于低频MHz的DC-DC变换器)一文，该文提及了由多层Ni/Fe薄膜微电感构成的微型化DC-DC变换器，微电感器件的尺寸为11.5mm×5.7mm，在3MHz下电感量为2.3μH，品质因子为9.2。该微电感由玻璃衬底、磁芯螺线管、引脚组成，磁芯螺线管由底层线圈、磁芯、SU8胶、顶层线圈和连接导体组成，磁芯为电镀的多层Ni/Fe薄膜。但至今未见报道将FeCuNbCrSiB薄膜应用于微电感器件的制作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足和市场对微型化微电感器件的需求，提供一种基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，使得到的微电感器件在高频1～10MHz下具有低电阻、高电感量、高品质因子以及高效率、低损耗等特点，可广泛应用于各种便携式电子产品如手机CDMA、网络产品ADSL、计算机系统/外部设备如个人笔记本电脑中的微处理器和DVD等、数码产品如数码照相机和数码摄像机等。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，包括：衬底、引脚、线圈、磁芯材料、氧化铝绝缘材料，闭合的矩形磁芯材料上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈，线圈以衬底为基础，由底层线圈、顶层线圈通过连接导体连接形成，线圈的两端连接引脚，线圈的底层线圈、顶层线圈、连接导体均通过氧化铝绝缘材料与磁芯材料隔开。其中，所述的磁芯材料为非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜。氧化铝绝缘材料不仅绝缘磁芯和上、下层线圈，而且起支撑平台的作用。

本发明的磁性薄膜螺线管微电感具有尺寸小，是以非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜为磁芯材料的螺线管微电感，采用氧化铝薄膜作为绝缘材料而不是SiO₂薄膜或SU-8胶，底层线圈、顶层线圈、连接导体、磁芯材料的周围均填充了氧化铝薄膜。衬底为玻璃衬底。

电感器件是电路中的一个基本的元器件，是一种储能元件。当电感器件通以变化的电流时，变化的电流将产生磁场，产生自感电动势，自感电动势具有对抗电流变化的特性，是电感器件中电流变化的一种特殊阻力。在正弦交流电路中，自感电动势对正弦电流呈现的阻力叫感抗，用X_L表示，X_L＝2πfL，L是电感器件的电感量，f为频率。电感器件的储能U与电感量L、电流I的平方成正比，即

U = \frac{1}{2} {LI}^{2} .

因此，要获得大的储能，电感器件的电感量要大，电流的承载容量要大。另外，电感器件本身存在电阻R，要消耗电能的，要获得大的储能，器件的品质因子Q要高，

Q = \frac{X_{L}}{R} .

本发明的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，采用了新型的FeCuNbCrSiB软磁材料，可以获得大的电感量，新型的FeCuNbCrSiB软磁材料具有高的饱和磁感应强度，具有较大的承载电流的能力，采用MEMS技术绕制磁芯螺线管电感线圈，具有低的电阻，可以获得高的品质因子，可以储存更多的剩余磁场能量。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：(1)本发明是三维立体结构，在频率1MHz～10MHz下电感量大于1μH，品质因子大于2，尺寸小于4mm×4mm，可广泛用于各种便携式电子产品如手机、笔记本电脑、数码照相机、MP3等；(2)本发明采用非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜作为磁芯材料，有利于提高器件的高频性能，具有工作频率高、低的电阻、高的电感量、高品质因子、高效率、低损耗等优点；(3)本发明可与现有的集成电路工艺集成，构成电路功能模块如振荡器、滤波器、DC-DC变换器等；(4)本发明采用氧化铝薄膜做绝缘材料和采用精密抛光技术，提高了器件加工工艺过程中基片的平整度、均匀性和成品率；(5)本发明可封装成SMD器件；(6)本发明是采用薄膜技术和MEMS技术研制的，制作技术可以与大规模集成电路工艺完全兼容，易于大批量生产和低成本等。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1结构沿A-A方向剖面示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明包括：衬底1、引脚2、线圈3、磁芯材料4、氧化铝绝缘材料6，闭合的矩形磁芯材料4上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈3，线圈3以衬底1为基础，由底层线圈5、顶层线圈8通过连接导体7连接形成，线圈3的两端连接引脚2，线圈3的底层线圈5、顶层线圈8、连接导体7均通过氧化铝绝缘材料6与磁芯4隔开，其中，所述的磁芯4材料为非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜。

线圈3的形状为螺线管，每一匝导体的宽度为20μm，厚度为5～20μm，各匝之间的间隔为35μm。

底层线圈5和顶层线圈8的导体长度为1580μm，匝数为80匝，高频1MHz～10MHz下微电感器件的电感量大于1μH，最高的品质因子为2-6。

连接导体7的空间形状为四棱柱体，高度为19～22μm。

磁芯4，厚度为3～6μm。

氧化铝绝缘材料6为氧化铝薄膜。

Claims

1、一种基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，包括：衬底(1)、引脚(2)、线圈(3)、磁芯(4)、氧化铝绝缘材料(6)，其特征在于：所述的磁芯(4)的材料为非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜，磁芯(4)为闭合的矩形，磁芯(4)上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈(3)，线圈(3)以衬底(1)为基础，由底层线圈(5)、顶层线圈(8)通过连接导体(7)连接形成，线圈(3)的两端连接引脚(2)，线圈(3)的底层线圈(5)、顶层线圈(8)、连接导体(7)均通过氧化铝绝缘材料(6)与磁芯(4)隔开。

2、如权利要求1所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，线圈(3)的形状为螺线管，每一匝导体的宽度为20μm，厚度为5～20μm。

3、如权利要求2所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，线圈(3)各匝之间的间隔为35μm。

4、如权利要求1所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，底层线圈(5)和顶层线圈(8)的导体长度为1580μm，匝数为80匝。

5、如权利要求4所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，在高频1MHz～10MHz下的电感量大于1μH，最高的品质因子为2-6。

6、如权利要求1所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，连接导体(7)的空间形状为四棱柱体。

7、如权利要求1或者6所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，连接导体(7)的高度为19～22μm。

8、如权利要求1所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，磁芯(4)的厚度为3～6μm。

9、如权利要求1所述的基于非晶FeCuNbCrSiB磁性薄膜的螺线管微电感器件，其特征是，氧化铝绝缘材料(6)为氧化铝薄膜。