CN101447275A - 螺旋电感结构及其制备方法与封装结构 - Google Patents

Abstract

一种螺旋电感结构及其制备方法与封装结构。在一个实施例中，所述方法包括提供基材，在该基材上方形成螺旋图案化导体层，用以形成平面螺旋导体。介层洞形成于螺旋图案化导体层内部的基材中，该介层洞通过硅通孔技术制成。之后，以核心层填充该介层洞，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。本发明能够提高螺旋电感结构的品质因数，并可将其整合于IC芯片上。

Description

螺旋电感结构及其制备方法与封装结构

技术领域

本发明涉及一般螺旋电感结构的制备方法，且特别涉及一种具有高品质因数(Q)的螺旋电感结构的制备方法、螺旋电感结构、以及利用该电感结构为封装元件的封装装置。

背景技术

电感是一种阻抗装置，一般包括线圈，且可具有核心，使得电子电路具有电感值。变压器(transformer)与电抗器(inductive reactor)两者都属于电感。各种电感被核心材料(如亚铁盐)包覆，形成如线圈的形状。通过核心材料的磁导率(permeability)可增加既有线圈的电感值(inductance)。该核心一般以条状或是环状的形状存在。为了得到高电感值，线圈一般会绕很多圈。将线圈缠绕于封闭铁回路或是亚铁盐核心上更可增加电感值。为了尽可能获得纯的电感值，缠绕线圈的直流电阻应该降到最低。

电感结构也可以应用于半导体装置上。微电子或半导体装置一般由半导体基材制备而成，其上形成图案化导体层且被介电层分隔。随着微电子技术的进步，整合度与功能化的程度也提升，所以不只是传统微电子或半导体结构(如：晶体管、电阻器、二极管或电容)可用于半导体装置，非传统的结构(如：电感)也可用于半导体或是微电子装置。在半导体或微电子装置中，特别是应用于高频率的应用，如移动通信，时常需要在半导体或微电子装置上应用电感结构。

现有技术中已公开各种微电子导体结构，很多结构具有螺旋设计，其在电感平面上具有一圈或多圈螺旋。例如：美国专利号US5396101公开一种平面螺旋微电子电感结构，其中心为核心层。

美国专利号US6002161公开一种半导体装置，包括电感元件，其包括：螺旋结构的第一导体薄膜图案，其形成于半导体基材的主要表面上；隔绝的第二导电薄膜图案，经由层间绝缘层的接触洞电性连接到第一导电薄膜图案，并且以重叠关系延伸至该第一导电薄膜图案。

美国专利号US6287932公开由一种半导体基材制成的螺旋电感，其具有大的电感值但只占据小的表面积。磁性材料形成于电感之上或之下，用以增加电感的电感值。磁性材料也扮演屏障层，其将产生于螺旋导体的电子噪声限制于该螺旋电感所占据的面积上。通过堆叠式(stacked)螺旋电感之间的一层磁性材料，可使堆叠式螺旋电感的一对电感值增加。

上述所有的方法都具有相同的目标，亦即增加电感的品质因数(Q)，得到最大的电感值，以及降低电感上方的表面积。如本领域技术人员所公知，微电子电感结构的Q值一般是以电感结构中的能量储存电容(energy storagecapacity)与功率消耗(power dissipation)的比例表示的。由于传统电感需要足够的装置空间，并且因电感复杂的线圈结构造成制备上的困难，因此，传统电感具有低品质因数。

因此，业界亟需改良的螺旋电感结构，其具有高品质因数，能整合于IC芯片上。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种具有增加品质因数的电感结构的制备方法。根据本发明的一个实施例，该方法包括提供基材，在该基材上方形成螺旋图案化导体层，以制成平面螺旋导体。介层洞形成于螺旋图案化导体层内部的基材中，该介层洞由硅通孔(through silicon via)技术制成。因此，该介层洞被核心层填充，其中该核心层从该基材下表面延伸到上表面。

上述螺旋电感结构的制备方法中，该介层洞可通过硅通孔技术制成。

上述螺旋电感结构的制备方法中，该核心层可由高导磁材料构成。

本发明的再一目的就是提供一种螺旋电感结构，该螺旋电感结构包括：基材；螺旋图案化导体层，形成于基材上，该螺旋图案化导体层形成平面螺旋导体；介层洞，形成于该螺旋图案化导体层内部的基材中；以及核心层，由填充该介层洞而得，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。

上述螺旋电感结构中，该介层洞可通过硅通孔技术制成。

上述螺旋电感结构中，该核心层可由高导磁材料构成。

上述螺旋电感结构中，该高导磁材料可包括：铁、镍、锰锌亚铁盐、镍锌亚铁盐、镍铁亚铁盐、镍铜锌合金、其他亚铁盐、磁屏蔽材料或磁屏蔽合金。

上述螺旋电感结构中，该核心层可包括多个彼此分开且绝缘的个别元件。

本发明的另一目的是提供一种封装结构，该封装结构包括：基材，其上形成一装置；螺旋图案化导体层，形成于该基材之上，该螺旋图案化导体层形成平面螺旋导体；介层洞，形成于该螺旋图案化导体层内部的基材中；以及核心层，由填充该介层洞而得，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。

上述封装结构中，该介层洞可通过直通硅晶穿孔技术制成。

上述封装结构中，该核心层可由高导磁材料构成。

上述封装结构中，该高导磁材料可包括：铁、镍、锰锌亚铁盐、镍锌亚铁盐、镍铁亚铁盐、镍铜锌合金、其他亚铁盐、磁屏蔽材料或磁屏蔽合金。

上述封装结构中，该核心层可包括多个彼此分开且绝缘的个别元件。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作如下详细说明。

本发明能够提高螺旋电感结构的品质因数，并可将其整合于IC芯片上。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电感结构的平面图。

图2为图1的电感结构的剖面图。

图3为本发明另一实施例的电感结构的平面图。

图4为图3的电感结构的剖面图。

其中，附图标记说明如下：

10～电感结构

15～导体层

20～基材

22～基材上表面

24～基材下表面

30a～第一焊盘

30b～第二焊盘

40～核心层

50～介电层

具体实施方式

本发明已以数个优选实施例公开于以下说明书中，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可作任意的更动与修改。在一些例子中，为了避免混淆本发明，已知的结构与工艺未进行详细说明。

在说明书中的参考例子中，“一种实施例”或“一个实施例”意思是指本发明的至少一个实施例中特定的图案、结构或特征。因此，出现于说明书中的用语，如“一种实施例”或“一个实施例”，不需要都代表相同的实施例。甚至于，特殊的图案、结构或特征可依任何适合的方法结合于一个或多个实施例中。以下的图案不是按照比例画出的，这些图案只是用于举例说明。

请参见图1，其显示本发明一个实施例的电感结构10的平面图。该电感结构10制备于基材20之上，该基材可以是硅(Si)、绝缘层上硅(silicon-on-insulator，SOI)或蓝宝石硅(silicon-sapphire，SOS)。导体层15通过传统的工艺，包括但不限定于气相沉积和溅镀，形成于该基材之上。导体层15由非磁性金属和非磁性金属合金组成，例如但不限于铝、铝合金、铜和铜合金；导体材料，例如但不限于磁性金属以及磁性金属合金，如高导磁合金。在一个实施例中，该导体层15以螺旋排列或大体上是方形。然而，应可了解的是该导体层15不限定于本实施例的形状，而可以是圆形、正方形、三角形、椭圆形或是更高阶的多角形构形。

应可了解的是该导体线宽取决于设计上的需求与所使用的工艺。在一个实施例中，导体层15的线宽范围从2μm到20μm。导体层15终止于第一焊盘30a和第二焊盘30b，其中第一焊盘30a以底层通道连接到螺旋图案化导电层15的内部，而第二焊盘30b形成于螺旋图案化导电层15的外部。

形成该电感结构10的核心层40之前，介层洞形成在介电层50中，且介层洞为位于螺旋图案化导电层15的中心凹洞。在本发明的一个实施例中，该介层洞是由硅通孔技术(through silicon via，TSV)制成的。硅通孔技术是利用蚀刻硅晶圆形成垂直通道之后，再填充金属的工艺。这些孔洞允许多个芯片堆叠在一起，且允许不同的芯片元件堆叠更紧密，以用于更快、更小且功率更低的系统。

形成介层洞之后，以核心层40填充介层洞。请参见图2，图2为图1的电感结构的剖面图，显示中心核心层40被导体层15包围。如图1所示，核心层40是平面的，整体实质上是方形的，由高导磁材料构成，形成铁磁材料，例如：铁、镍、锰锌亚铁盐(MnZn ferrite)、镍锌亚铁盐(NiZn ferrite)、镍铁亚铁盐(NiFe ferrite)、镍铜锌合金(NiCuZn alloy)、其他亚铁盐(ferrite)、磁屏蔽材料(mumetal)或磁屏蔽合金(mumetal alloy)。

在传统的电感结构中，核心层一般会部分延伸到基材内，但不会全部从基材的一端延伸到另一端。根据本发明的一个实施例，核心层40从基材20的下表面24延伸到上表面22。由硅通孔技术形成核心层40，而该核心层40从基材20的下表面24延伸到上表面22，因此本发明的电感结构10可以增进其Q值。

如本领域技术人员所知，品质因数(Q)与电感值(L)相关，关系式如式(1)：

$Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(1\right)$

其中R、L与C分别代表电路的电阻、电感值和电容。

目前，选择具有电流i(t)的电流回路(δS)。根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart law)，电流i(t)在r处建立磁通量密度：

$B(r,t)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}i\left(t\right)}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{\mathrm{\δS}}\frac{\mathrm{dl}\×\hat{r}}{r^2}$

目前磁通量通过该回路包围的表面S，得到式(2)：

$\mathrm{\Φ}\left(t\right)={\∫}_{S}B(r,t)\·\mathrm{dA}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}i\left(t\right)}{4\mathrm{\π}}{\∫}_S{\∫}_{\mathrm{\δS}}\frac{\mathrm{dl}\×\hat{r}}{r^2}\·\mathrm{dA}=\mathrm{Li}\left(t\right)---\left(2\right)$

由此，可以用式(3)表示电流回路的电感值：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}{4\mathrm{\π}}{\∫}_S{\∫}_{\mathrm{\δS}}\frac{\mathrm{dl}\×\hat{r}}{r^2}\·\mathrm{dA}---\left(3\right)$

其中

μ₀：自由空间中的磁导率(4π×10^-7H/m)，

μ_r：电感中材料的相对磁导率，

dl：电流回路元件的微分长度向量，

：从电流元件到电场点r的单位位移向量，

r：从电流元件到电场点r的距离，

dA：表面积A的微分向量单元，数值无限小且方向垂直表面S。

由式(3)和固定形状的电感得知，电感值L会随着所选择的μr(即电感中材料的相对磁导率)而增加。由式(1)得知，L值越大，Q值越大。

图3和图4显示平面图和剖面图，个别的电感结构10中，核心层40被分成很多小的、个别的元件，且彼此绝缘。这些小元件整体形成核心层40。多个个别的核心层40可降低损失于变压器或电感核心的涡流功率(eddy-current power)。降低涡流功率的损失也可降低电感结构产生的热。

在本发明的示范实施例中，根据本发明制备的微电子电感结构，磁性的核心层40具有增加的Q值。虽然图中显示的核心层40为方形以符合螺旋图案化导体层15，但使用圆形螺旋线圈时，也可以是圆形或者是其他用于螺旋形式无关的形状。上述情况也适用于个别的核心层。

虽然本发明已通过数个优选实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可作任意的更动与修改，因此本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种螺旋电感结构的制备方法，包括以下步骤：

提供基材；

在该基材上方形成螺旋图案化导体层，该螺旋图案化导体层形成平面螺旋导体；

在该螺旋图案化导体层内部的基材中形成介层洞；以及

以核心层填充该介层洞，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。

2.如权利要求1所述的螺旋电感结构的制备方法，其中该介层洞是通过硅通孔技术制成的。

3.如权利要求1所述的螺旋电感结构的制备方法，其中该核心层是由高导磁材料构成的。

4.一种螺旋电感结构，包括：

基材；

螺旋图案化导体层，形成于基材上，该螺旋图案化导体层形成平面螺旋导体；

介层洞，形成于该螺旋图案化导体层内部的基材中；以及

核心层，由填充该介层洞而得，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。

5.如权利要求4所述的螺旋电感结构，其中该介层洞是通过硅通孔技术制成的。

6.如权利要求4所述的螺旋电感结构，其中该核心层是由高导磁材料构成的。

7.如权利要求4所述的螺旋电感结构，其中该高导磁材料包括：铁、镍、锰锌亚铁盐、镍锌亚铁盐、镍铁亚铁盐、镍铜锌合金、其他亚铁盐、磁屏蔽材料或磁屏蔽合金。

8.如权利要求4所述的螺旋电感结构，其中该核心层包括多个彼此分开且绝缘的个别元件。

9.一种封装结构，包括：

基材，其上形成一装置；

螺旋图案化导体层，形成于该基材之上，该螺旋图案化导体层形成平面螺旋导体；

介层洞，形成于该螺旋图案化导体层内部的基材中；以及

核心层，由填充该介层洞而得，其中该核心层从该基材的下表面延伸到上表面。

10.如权利要求9所述的封装结构，其中该介层洞是通过直通硅晶穿孔技术制成的。

11.如权利要求9所述的封装结构，其中该核心层是由高导磁材料构成的。

12.如权利要求9所述的封装结构，其中该高导磁材料包括：铁、镍、锰锌亚铁盐、镍锌亚铁盐、镍铁亚铁盐、镍铜锌合金、其他亚铁盐、磁屏蔽材料或磁屏蔽合金。

13.如权利要求9所述的封装结构，其中该核心层包括多个彼此分开且绝缘的个别元件。

Images