CN102870175B - 硅基功率电感 - Google Patents

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Abstract

一提供了用于硅基功率电感（PIiS）的多种方法和系统。在一个实施例中，PIiS包括嵌入到硅衬底中的磁性材料的磁芯，以及具有多个匝的导电线圈，其中，所述导电线圈相邻匝之间具有间隔，至少一部分磁芯被导电线圈围绕。在另一个实施例中，直流-直流转换器包括PIiS,其包括嵌入到硅衬底中的磁性材料的磁芯，具有多个匝的导电线圈，其中，至少一部分磁芯被导电线圈围绕，以及沉积于硅衬底的至少一面上的磁性材料覆盖层。直流-直流转换器还包括安装在硅基功率电感的覆盖层上的集成电路。

Description

硅基功率电感
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2010年2月19日提交的名称为“用于紧凑型电力系统的硅基集成功率电感”的美国临时专利申请61/306,440的优先权，该申请的公开内容通过引用而整体结合于本申请中。
有关美国联邦政府资助的研究和开发的声明
根据国家科学基金授予的ECS-0601294协议，本发明得到了政府支持。政府可享有本发明的一定权利。
背景技术
无源元件，如电感，被广泛应用于各种电信和电力系统中。当与集成电路（IC）芯片配合使用时，电感通常作为单独的元件被安装在电路板上。把电感集成到IC芯片上可以减小尺寸，但这种集成电感的可实现的电感值和/或品质因数（Q）受限于基于集成电路制造工艺的贴片电阻（thin film）。
附图说明
参考以下附图，可以更好地理解本发明的各个方面。附图中的元件不一定是按比例绘制，重点是清楚地显示本发明的原理。此外，附图中同样的附图标记在各视图中指示相应的部分。
图1A-1E是根据本发明不同实施例的一个壶形铁芯硅基功率电感（PIiS）的实施例的不同视图。
图2是根据本发明不同实施例的在图1A-1C中示出不同尺寸的的PIiS的剖视图。
图3以图表形式示出了根据本发明不同实施例的在图1A-1C中示出的PIiS中所使用的磁性材料的特性。
图4A-4D是示出了根据本发明的不同实施例的图1A-1C中的PIiS的两个实施例中的磁通量分布的Maxwell模拟仿真的不同视图。
图5A-5D是包括根据本发明不同实施例的图1A-1C中PIiS的直流-直流转换器的不同视图。
图6A-6B是安装在根据本发明不同实施例的图1A-1C的PIiS上的集成电路（IC）芯片的不同视图。
图7A-7C是根据本发明不同实施例的一种环形磁心状PIiS的实施例的不同视图。
图8A-8B是示出根据本发明不同实施例的图1A-1C和图7A-7C中的PIiS的制造流程图。
图9A-9G和图10是示出制造根据本发明不同实施例的图1A-1C和图7A-7C中的PIiS的剖视图。
图11-13以图表形式示出了图1A-1C中的PIiS和包括根据本发明不同实施例的PIiS的直流-直流转换器的性能。
发明内容
本文所公开的是涉及硅基功率电感（PIiS）的系统和方法的不同实施例。现参照附图所示实施例具体说明，其中相同附图标记在各个视图中指示相同的部分。
本发明描述用于紧凑系统，如电力系统中的PIiS的不同实施例，以及其制造方法。硅基功率电感（PIiS）是一种集成在硅衬底中的功率电感。PIiS包括嵌入在硅衬底中的磁芯和一个或者多个导电线圈。磁芯可以包括不同形状，例如，但不限于将要在下面进一步详细讨论的壶形铁芯状或环形磁心状。在一些实施例中，PIiS包括多个嵌入到硅衬底中的导电线圈。导电线圈可以是铜、银，或其它合适的金属或合金。另外，硅衬底的上、下两面可以用磁性材料封盖住，例如磁性粉末和聚合物的混合物。磁性材料填充在至少一部分线圈之间的间隔中。此外，在一些实施例中，焊锡球安置在至少一部分的线圈，同样，磁性材料也填充在焊锡球之间的间隔中。在一些实施例中，PIiS还包括嵌入的导电线路和贯穿晶片的通孔，在制造紧凑电力系统，例如直流-直流功率转换器时，这些PIiS的实施例可以用做表面贴装的电容和/或集成电路的封装基板。
具体实施方式
参照图1A-1C，其示出了壶形铁芯状的PIiS 100的实施例的各个视图，包括俯视图（图1A）、分解图（图1B）和剖视图（图1C）。PIiS 100包括嵌入在硅衬底106中的一个或多个导电线圈103。导电线圈103可以通过电镀嵌入在硅衬底106中。电镀模具可以用硅的深反应离子刻蚀（DRIE）加工。硅的深反应离子刻蚀（DRIE）提供了一个高纵横比（例如约20：1，约10：1，或约5：1），其允许所述导电线圈103的导体延伸到硅衬底106的底部。高纵横比允许导电线圈103的导体宽度被减小到趋肤效应的宽度，同时保持对导电线圈103很低的交流（AC）和直流（DC）电阻。导电线圈103可以是如图1B所示的螺旋形线圈，或其它合适的线圈形状。虽然导电线圈103在图示里是一个圆形的螺旋导线圈，其它的几何构型线圈也可采用，例如，但不限于六边形，八边形，或如图1D所示的矩形螺旋状。虽然图1A-1C示出了单个导电线圈103，一个以上的导电线圈103也可以被嵌入在硅衬底106中。例如，多个导电线圈103可以在硅衬底106中相邻放置。
导电线圈103的导体周围的一部分硅可以被去除，然后用磁性材料109代替。磁性材料109包括磁性粉末和/或磁性复合材料。磁性材料109可以是导电磁性材料和/或非导电性磁性材料。对于导电磁性材料，导电线圈103和磁性材料109之间具有绝缘层。硅衬底106和导电线圈103和/或通孔116的金属之间也可以具有绝缘层。绝缘层可以是一层硅，例如，但不限于二氧化硅（SiO2），或者介电聚合物，例如，但不限于，光刻胶SU-8和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。非导电磁性材料包括，但不限于填充聚合物的磁性粉末。
如图1A-1C所示的实施例中，磁性材料109填充在导电线圈103匝数之间的间隔，以及导电线圈103和硅衬底106之间的间隔中。嵌于硅衬底106中的导电线圈103的一侧或两侧可以被磁性材料109的覆盖层113a和113b所覆盖。在覆盖层113，导电线圈103，硅衬底106，和/或磁性材料109相互之间均可具有绝缘层。在一些实施例中，多个包括导电线圈103的硅衬底106可以叠放式地黏合在一起，如图1E所示。每个硅衬底106和与之相邻的硅衬底106被磁性材料的中间层119隔开。绝缘层也可以形成于中间层119和导电线圈103，硅衬底106，和/或磁性材料109相互之间。在一些实施例中，层叠线圈103可以相互连通以提供所需的电感水平，同时保持一个小的封装尺寸。其它的线圈构造也可以使用，如图7所示的环形磁心状。
PIiS 100还包括穿透硅衬底和/或磁性材料的通孔，以提供了通向导电线圈103的连接，和/或通过PIiS 100的线路。在图1A-1C中，贯穿晶片通孔116a和116b延伸穿过硅衬底106和覆盖层113a和113b，提供到导电线圈103的连接。在其它实施例中，通孔可以穿透硅衬底106以及覆盖层113a或113b中的一个。
再参照图2，如图所示的是壶形铁芯状PIiS的实施例的剖视图，示出了各种尺寸的PIiS。导电线圈203的参数，如线圈厚度（tw）223，导体宽度（w）226，匝数（n），匝圈间距（s）229等可以调节以提供所需的性能。导电线圈203的线圈厚度223可以和硅衬底具有相同的厚度（如图1A-1C所示）或者小于硅衬底206的厚度。例如，线圈厚度223和硅衬底厚度可以在约100微米至约600微米的范围内。在一个实施例中，硅衬底的厚度大约是200微米。由铜制成的导电线圈203的宽度226可约为60微米，因为导电线圈203在6兆赫兹下的趋肤深度大约是30微米。当纵横比为5时，匝圈间距229约为40微米。PIiS 200的其它参数可以在磁性材料被表征后通过模拟进行变化或优化，以提供所需的工作特性。例如，覆盖层厚度（tc）233和/或磁性材料和硅在导电线圈203的匝之间的分布是可以变化的。其它的纵横比和匝圈间距可以基于用途和/或使用的制造设备来采用。
磁性材料可包括混合有粘合剂如聚合物的磁性粉末的复合材料。可利用的磁性材料包括如MnZn、Fe、NiFe、CoNiFe等。比如，磁性材料可以是由约89wt％的完全烧结的NiZn铁氧体粉末（例如，由粉末处理技术有限公司生产的FP350）和约11wt％的Sylgard 184 PDMS（例如，由道康宁生产）的复合材料。在一些实例中，其它磁性材料可以使用。复合磁性材料的磁导率（μr），矫顽（Hc），以及饱和磁通密度（Bsat）在振动样品磁强计（VSM）测试中分别为μr=8奥斯特，Hc=15奥斯特和Bsat=0.2特斯拉。图3示出了混合有完全烧结的NiZn铁氧体粉和PDMS的复合材料的B-H曲线。通过测试带有这种复合磁性材料的手工绕的环形磁心状电感，测得的磁导率在约1至10兆赫兹时约为6。
参照图4A-4D，示出的是PIiS的两个实施例的剖视图以及相应的磁通量的Maxwell模拟仿真。这两个PIiS实施例示出了在导电线圈的匝之间至少部分的间隔中填充有磁性材料的影响。首先，图4A示出了在导电线圈403的匝之间填充了硅406的PIiS 400的剖视图。磁性材料409环绕导电线圈403设置，匝之间填充有硅406。图4B示出了图4A所示的PIiS 400的磁通量的Maxwell模拟仿真410。磁性材料409的中心部位413的磁通量最密。通过增加中心部位413处磁芯的面积，可以减少在中心部位413的磁通量。如图4B所示，在导电线圈403的匝之间的磁通量是非常低的。
接下来，图4C示出了在导电线圈403的匝之间填充了磁性材料409的PIiS 420的剖视图。图4D示出了图4C所示的PIiS 420的磁通量的Maxwell模拟仿真430。如图4B所示，磁性材料409的中心部位433的磁通量最密。然而如图4D所示，导电线圈403的匝之间的磁通量高于图4B所示。基于图4B和图4D所示的Maxwell模拟仿真结果，在导电线圈403的匝之间填充了磁性材料409的PIiS 420的电感值比在导电线圈403的匝之间填充了硅406的PIiS 400的电感值高约12％。根据预定的性能参数和表征的磁性材料属性，其余的PIiS参数可以通过模拟仿真优化。例如，表1提供了使用完全烧结的NiZn铁氧体粉末和Sylgard184PDMS的复合材料作为磁性材料的一个PIiS实施例的参数。如果选择不同的磁性材料，这些参数将被重新优化。
此外，从图4D中的磁通量分布来看，通过仅在导电线圈403的部分匝之间填充磁性材料409也可以达到类似的效果。在导电线圈403的靠近内侧的前两个间隔416填充磁性材料409增加了有效的磁芯面积。因为其余四个间隔419中的磁通量密度较低，穿过这些间隔419的磁通量对导电线圈403的电感值产生的影响很小，在一些计算中可以忽略。因此，在这四个间隔419中的一个或多个中填充硅406可以用于对PIiS的电感值进行“微调”。
Figure GDA00002282100100071
表1
表面贴装的电子元件，例如集成电路（IC）芯片和电容，可以直接安装在PIiS上，用于电信和功率转换应用。例如，图5A-5D显示了包括壶形铁芯状PIiS 510的紧凑直流-直流转换器500的一个非限制性实施例。图5A是嵌有导电线圈503和磁性材料509形成的磁芯的PIiS 510的硅衬底506的一个视图。虽然导电线圈503被设计为一个圆形的螺旋，其它的几何形状也可以使用，例如，但不限于六边形，八边形，或矩形的螺旋。此外，多个导电线圈503可以被嵌入在相同的硅衬底506上。磁芯可以是非导电性，用于导电线圈503的绝缘。
通孔516用于穿过硅衬底和/或磁性材料509连接导电线圈503和导电线路519。导电线路可以是铜、银，或其它合适的金属或合金。同样，通孔可填充有铜、银，或其它合适的金属或合金，以提供导电通道。可以在硅衬底506中添加导电环523以提供机械框架，提高机械鲁棒性，同时帮助散热。导电环523也可以被用来作为电子接地点。导电环523可以是包括铜，银，或其它合适的金属或合金。在一些实施例中，贯穿晶片通孔516和导电环523是与所述导电线圈503同时形成的，不需要任何额外的工艺步骤。
下面参照图5B-5D，示出的分别是紧凑型直流-直流转换器500的剖视图，俯视图和仰视图。紧凑型直流-直流转换器500是把表面贴装的电容526和功率集成电路芯片529通过例如倒装焊接技术直接安装在PIiS510的顶面上而形成。在PIiS 510制造过程中，包括贯穿晶片通孔516和导电线路519可以用于连接表面贴装的元件，不需要使用另外的引线连接。虽然图5B-5D所示的实例实施例中，包括在PIiS 510的顶面上的导电线路519，其它实施例中，也可包括形成在底面上或在硅衬底506和覆盖层513之间的导电线路519。通孔（比如516a）可完全穿透PIiS 510或只是部分穿透PIiS 510。
在一个实施例中，功率集成电路芯片529是TPS62601芯片（高频同步降压直流-直流转换器，由德州仪器生产，体积约1.3x0.9x0.6立方毫米），两个表面贴装的电容526分别是4.7微法和2.2微法。如图5B-5D所示，在紧凑型直流-直流转换器500中，功率集成电路芯片529和两个表面贴装的电容526可以被直接安装在PIiS 510的顶部上。在6兆赫兹下，功率集成电路芯片529可输出500毫安、1.8伏的功率。根据这些规格，PIiS 510的定向电感值约为0.3～0.5微亨，直流电阻约为120毫欧姆和大小约为3x3x0.6立方毫米。
在其它实施例中，用于电信和功率转换的集成电路芯片可以使用晶片级封装技术装配在PIiS上。图6A显示了一个把IC芯片610装配在PIiS 620上的非限制性实施例的立体图。图6B是IC芯片610安装在PIiS 620上的实施例的剖视图。IC芯片610可以在晶片级上直接和PIiS620键合在一起。例如，可以使用IC芯片610实现紧凑型直流-直流转换器。在其它实施例中，IC芯片610可以直接被装配在PIiS 620上。可以在IC芯片610和覆盖层613之间设置通孔和导电线路619以提供到PIiS620的连接。此外，该IC芯片610的块状硅衬底可以被抛光减薄，因为在晶片键合后，PIiS 620可以作为IC芯片610的支撑衬底。
现在参照图7A-7C，其示出的是环形磁心状的PIiS的实施例的多个视图。此PIiS包括一个或多个嵌入在硅衬底706中的环状导电线圈703。虽然图7A-7C只示出了单个导电线圈703，一个以上的导电线圈703可被嵌入在硅衬底706中。图7A是PIiS的硅衬底706的视图。导电线圈703的外侧部分703a和内侧部分703b可以通过电镀嵌入到硅衬底706中。电镀模具可以通过硅的深反应离子刻蚀（DRIE）制得。硅的DRIE提供高的纵横比（例如，约20：1），其允许导电线圈703的外侧和内侧部分（分别是703a和703b）穿透硅衬底706。
导电线圈703的导体周围的一部分硅可以被去除和替换成磁性材料709以形成磁芯。磁性材料709可以是导电性或非导电性的，包括磁性粉末和/或磁性复合材料。如果采用导电性磁性材料，需要添加绝缘层。在图7A-7C所示的实施例中，磁性材料709被填充于导电线圈703的匝之间以及导电线圈703与硅衬底706之间。如图7B所示，导电线圈703的顶部和底部部分703c形成于导电线圈703的外侧和内侧部分（分别是703a和703b）和磁性材料709之上以形成环状构造的导电线圈703。在一些实施例中，导电线圈703的顶部和底部部分703c可以在单独的晶片上制造，然后键合到导电线圈703的外侧部分703a和内侧部分703b。如图7B和7C所示，可以尽量多用导电线圈703的导体覆盖磁性材料709以减少导电线圈703的磁通量泄漏损失。
导电线圈703的顶部和底部部分703c的一面或两面也可以被磁性材料709的覆盖层覆盖。在导电线圈703的顶部和底部部分703c和磁芯和/或覆盖层的磁性材料709之间可包括绝缘层。此PIiS还可以包括穿透硅和/或磁性材料的通孔用于提供到达导电线圈703的连接和/或穿过PIiS的导电线路。图7C是一个环形铁心状的PIiS的导电线圈703的原理图。
下面参照图8A和8B，所示是PIiS制造过程的非限制性实施例的流程图800。另外，图9A-9G是PIiS 900各制造阶段的实施例的剖视图，将结合图8A和8B所示的流程图800进行讨论。
从步骤803开始，提供硅衬底（如图9A中的硅衬底906）。硅衬底906厚度约在100微米至600微米之间，约100微米至500微米之间，以及约200微米至400微米之间。在一些实施例中，硅衬底906约200微米厚。在步骤806中，硅衬底906的底面上沉积了一层初始导电层919（图9A）。初始导电层919可以采用电镀或其它合适的方法，例如，但不限于丝网印刷、汽化、溅射等方法沉积到硅衬底906上。比如沉积10微米铜层到硅衬底906的底面。可以在电镀10微米的铜层之前，溅射一层钛（Ti）（如约
Figure GDA00002282100100101
厚）和一层铜（Cu）（如约
Figure GDA00002282100100102
厚）作为防扩散膜并促进黏合。该导电层可作为后续处理的种子层。此外，导电层在设备制造过程中，为硅壁提供了机械支撑。
在步骤809中，第一次用深反应离子刻蚀法（DRIE）刻蚀硅衬底906的顶部，以形成一个或多个导电线圈的模具（深入或贯穿硅衬底沟槽）。在图9A所实施例中，模具是刻蚀贯穿了硅基906的沟槽，到达初始导电层919。在步骤813中，如图9B所示，导电层通过电镀或化学镀沉积在刻蚀的硅衬底906上以填充模具。该电镀的导电层形成了导电线圈903的导体（图9）。在步骤816，电镀中溢出的导电层可以通过如图9B所示的化学机械打磨（CMP）方法去除磨平。
在步骤819中，通过第二次DRIE刻蚀硅衬底906。第二次DRIE在硅衬底906上形成深入或贯穿硅衬底沟槽。例如，第二次DRIE可移除导电线圈903匝之间的一部分硅衬底，和/或导电线圈903与硅衬底906之间的一部分硅衬底。在步骤823中，磁性材料909沉积在硅衬底906内的沟槽中，如图9C所示。磁性材料909可通过包括真空室热压烧结，电镀，旋压或喷涂来沉积。磁性材料909通过第二次DRIE基本上填充了硅衬底906上形成的沟槽。在一些实施例中，可以挤压或压缩磁性材料909以获得磁性材料909在沟槽中的均匀分布。为了获得好的粘附性，可以在磁性材料填充前，对含有沟槽的硅衬底906实施氧等离子体表面激活。磁性材料填充后，可将硅衬底906置于真空室（如小于10托，30分钟）中以清除内含气泡，而后加热（如100℃，20分钟）以固化混合物。在步骤826中，硅衬底906中，高出沟槽过多的磁性材料（即，外溢）可通过如CMP等方法移除磨平。图9C显示了磨掉多余磁性材料后的结构的剖视图。
容易理解的是在一些实施例中，流程图800的顺序可以改变。例如，步骤809中，可以在第一次DRIE后沉积和打磨磁性材料909，而在步骤819中，第二次DRIE后沉积和打磨导电层，即转换了步骤813/816和823/826。在其它实施例中，DRIE刻蚀硅衬底906。导电层沉积到刻蚀的硅衬底906上以形成导电线圈903，磁性材料909随后沉积以至少填充导电线圈903匝之间的至少一部分间隔。在可替换的实施例中，在硅衬底906的导电线圈903形成之前，将磁性材料909沉积到沟槽中。
在步骤829中，形成一个或多个线圈连接点（或导体柱）以连接导电线圈903的一部分。在图9D所示实施例中，用银环氧树脂作为黏合剂将第一组焊锡球923沉积在结构的顶部上。在可替换的实施例中，也可以应用其它黏合剂。焊锡球923的这种沉积使其接触至少部分暴露的导体和/或导电线圈903的连接垫。在一些实施例中，焊锡球约300微米直径大小。在其它实施例中，线圈连接点可以是通过铜，银或者其它金属电镀形成的柱。
在步骤833中，将磁性材料909覆压到结构上，形成第一覆盖层913a（图9E）。在一些实施例中，添加磁性材料之前，可以提供绝缘层到导电线圈903，磁性材料909，和/或者线圈连接点上。在步骤836中，可利用例如CMP等方法打磨磁性材料表面，直到线圈连接点（例如第一组焊锡球923）暴露，产生如图9E所示的结构。在步骤839中，一个或多个导电线路926可以电镀到磁性材料909上，如图9F所示。导电线路可以是铜，银或者其它金属。所示实例中，导电线路层大约20微米厚。
在步骤843中，硅衬底906底部的初始导电层919被刻蚀掉。在步骤846中，沉积磁性材料909到底部的硅衬底，并填充第一次DRIE所形成的沟槽。在步骤849中，超出沟槽的多余磁性材料（即，外溢）被打磨掉，如图9F所示。
在步骤853中，可形成一个或多个线圈连接点（或导体柱）以连接一部分导电线圈903。如图9G所示的实施例，用银环氧树脂作为黏合剂将第二组焊锡球929沉积到结构的底部。在可替换的实施例中，其它黏合剂也可应用。焊锡球923的这种沉积使其接触至少部分暴露的导体和/或导电线圈903的连接垫。在一些实施例中，焊锡球923约300微米的直径。在其它实施例中，该线圈连接点可以是通过铜、银或者其它金属电镀形成的柱。
在步骤856中，将磁性材料909覆压到结构的底面，形成第二个覆盖层913b。在步骤859中，打磨磁性材料直到暴露出线圈连接点（如第二组焊锡球929），产生如图9G的剖视图所示的PIiS结构。
对于具有环形导电线圈703的PIiS（图7A-7C），如步骤803到826所讨论的，导电线圈703的内侧和外侧部分（703a和703b）可以在硅衬底706内形成（如图7A），如图7所示。导电线圈703的顶部703c可通过电镀在导电线圈703的外侧和内侧部分（703a和703b）以及磁性材料709之上形成，如图7B和7C所示。可以采用如步骤829-839所讨论的，在导电线圈703的顶部703c上制成连接点、第一覆盖层，和/或导电线路。
如步骤843-849所述所讨论的，去除导电层，准备制备硅基的底部。导电线圈703的底部导体703c通过电镀形成于导电线圈703的外侧和内侧部分（703a和703b）以及磁性材料709之上。如步骤853-859所述方法所讨论的，连接点，和/或第二覆盖层形成于导电线圈703的底部703c上，从而实现PIiS。
在一些实施例中，导电线圈903，磁性材料909，和/或硅衬底906之间可包括绝缘层。参照图10，示出了具有贯穿硅衬底的沟槽（或者模具），并带有绝缘层933的硅衬底906的剖视图。绝缘层933可以是沉积到沟槽侧壁的一层硅（如SO2）或者聚合物（如SU-8或者PDMS），以作为导电线圈903，磁性材料909，和/或硅衬底906之间的电介质阻挡。这样，初始导电层919在沟槽底部暴露出来，作为导电线圈903的电镀金属和/或者电镀的磁性材料909（如NiFe和CoNiFe）的种子层。在其它实施例中，绝缘层933可以是非导电性磁性材料909（聚合物和磁性粉末的复合材料），或者是硅或聚合物层和一层非导电性磁性材料909的组合。
参照图8A中的流程图800，步骤803中给出一个硅衬底906（图10）。在步骤806中，在硅衬底906的底面沉积初始导电层919（图10）。例如，溅射
Figure GDA00002282100100131
的Ti或者
Figure GDA00002282100100132
的Cu到硅衬底906的背面作为防扩散膜和黏合加强层，然后电镀10微米铜层作为初始导电层919。在步骤809中，通过第一次DRIE刻蚀硅衬底906的顶部以形成沟槽（或模具）。可用光刻胶镀膜和形成图案以限定第一次DRIE形成的沟槽。
然后，通过均匀沉积一层硅到沟槽的侧壁以形成绝缘层933（图10）。例如，可以用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）沉积SiO2作为约0.6微米厚的绝缘层933。沟槽底部上的SiO2可以用各向异性氧化物刻蚀法移除，以暴露初始导电层919，同时仍保留沟槽的侧壁上的SiO2。在各向异性氧化物刻蚀中，负角度倾斜的侧壁（即沟槽的上部开口直径比沟槽的下部直径小）可减少沟槽侧壁上的SiO2暴露于高定向离子束中的程度。在步骤813中，导电线圈903的材料可以通过电镀在沟槽中形成，如图9B所示。在其它实施例中，磁性材料909可以在沟槽中电镀形成（如步骤823）。多余电镀的部分可如步骤816（或826）所示用CMP移除。
在可替换的实施例中，初始形成沟槽作为聚合物绝缘层933的模具。用聚合物（如SU-8或PDMS）填充这些初始形成的沟槽，并将多余填充部分用CMP移除。例如，沟槽可以用SU-8填充（或可用Thinner P稀释的SU-8以减少粘度），加热（如60℃，30分钟）以去除沟槽内捕获的气泡。然后，预先烘烤带有聚合物绝缘层933的硅衬底906，温度为90℃，时间约60分钟（从60℃，以4℃/分钟的速度递增温度到90℃）。而后缓慢冷却。以约540mJ/cm2的强度用365nm紫外线曝光聚合物，而后在90℃下后烘45分钟（从60℃，以4℃/分钟的速度递增温度到90℃），缓慢冷却。打磨硅衬底906直到移除其顶部表面的聚合物。
高分子聚合物绝缘层933之间的硅基可以通过DRIE刻蚀去除，并为以产生用于沉积导电线圈903的材料（如步骤813所述）和/或沉积磁性材料909（如步骤823所述）的槽具（如贯穿衬底的沟槽）。DRIE后聚合物绝缘层933上的硅残留可以通过短时间各向同性硅干法刻蚀去除。多填充的材料可以通过打磨去除（如步骤816或步骤826）。
通过试验实验验证了一个PIiS。特别地，将一个应用于降压转换器（即降压直流-直流转换器）的PIiS实施例加工制成约3×*3×*0.6立方毫米。该PIiS带有如图5A所示的壶形铁芯状壶形芯式导电线圈。表1给出了试验实验测得的该PIiS的参数。测试结果（图11-13）与表1仿真模拟的结果一致。通过倒装焊接技术，利用焊锡球和银环氧树脂将制造的PIiS安装在一个测试的印刷电路板（PCB）上，然后将集成电路芯片和表面贴装的电容安装在PIiS顶面，与如图5C所示的方式类似。通过4探针工作台测量该制造的PIiS在降压转换器中的直流电阻（RDC）为140mΩ。该直流电阻高于表1所预测的117mΩ。所测RDC与计算RDC之间的差异可能是由于多次打磨或者移除底部种子层时的过度刻蚀减少了导电线圈的厚度。另外，所测RDC与计算RDC之间的差异也可能是因为为形成导电线圈而在衬底上电镀的铜层的电阻率的原因，其电阻率大于理想铜材料的电阻率。
参照图11，示出了在降压转换器中的该制造的PIiS的电感（L）1103，品质因数（Q）1106，以及交流电阻（RAC）1109的频率依赖性。所测L1103，Q 1106，RAC 1109相对于频率（Hz）而绘制。如图11所示，在约6MHz，所测L 1103约为为390nH，Q 1106约为10，Rac 1109约为1.13Ω。
另外，同时测量降压转换器中的制造的PIiS的效率。图12示出了在约3.6V输入电压（Vin）和1.8V输出电压（Vout）条件下，该降压转换器中的PIiS相对于输出电流（A）的效率（%）1203。如图12所示，该降压转换器中制造的PIiS的所测峰值效率1203约为80%。在100摄氏度℃的温升内，该降压转换器的效率仅降低约2%，如图13所示。图线1303和1306显示了装配有使用PIiS的电压转换器分别在202mA和101mA输出电流下效率（%）与温度的关系。
在评估中，降压转换器中的所制PIiS获得了10Q值，1Ω电阻，其带宽可达到10MHz。并成功展示了一个基于PIiS的紧凑型降压转换器，其中内置的贯穿晶片的通孔可作为信号通路和热传递路径（thermalplug）。
由于所述的PIiS可以批量制造，PIiS可以比封装式电力系统（PSiP，即在一个封装模块内，将集成电路堆叠到功率电感上）更加节约成本。而且，PIiS制造的每一个步骤都有较大的公差，而制造流程步骤少而简单。同时，PIiS具有表面贴装兼容性，可实现晶片级制造，因而可进一步减少制造成本。另外，由于PIiS的制造，如图8内流程800所示，可以在一个相对低温的环境内完成，因此PIiS的制造并不会对其它集成电路造成不利影响。
另外，PIiS是相当紧凑的，因为PIiS的绝大部分空间被用来安放导电线圈、磁芯、线圈连接点和散热组件。因而，PIiS可以应用于需要体型小，成本低的电力系统的手提式电子设备。虽然PSiP通常具有高达数十安培的功率处理能力，超过10的高Q值甚至在MHz范围内，但其尺寸的减少程度与PIiS相比是有限的。
同时，与具有贴片电阻式电感的芯片上电力系统（PSoC）相比，PIiS有更大的电感值和更高的Q值。而且，PIiS的直流损耗更低。由于PIiS内以衬底为模具的导体可以获得与硅衬底一样的厚度（如200-500微米范围内），从而实现更大的横截面，PIiS获得了更低的直流线圈电阻。
基于PIiS的直流-直流转换器也比现有直流-直流转换器拥有各种优势。例如，由于系统整合可以通过晶片-晶片的键合或者倒装焊接等技术，直流-直流转换器可以用更低的成本制造。此外，由于PIiS可以作为封装衬底，并不需要增加额外的封装衬底或者焊接框架；另外，由于贯穿晶片通孔可提供连接点，包括PIiS的直流-直流转换器不需要焊线。这些贯穿晶片金属也是很好的热扩散路径，以帮助直流-直流转换器中的集成电路以及功率电感的热量消散。额外的金属插件可与贯穿晶片金属一起电镀，而不需要额外的步骤制造金属插件。最后，由于PIiS和集成电路可在同一个半导体铸造厂生产，可实现进一步节省生产包括PIiS的直流-直流转换器的成本。
需强调的是，本发明的上述实施例仅仅是为了更好地理解公开内容的原理而提供的可能的实施例。许多变化和修改可应用于以上所述的实施例而不实质地偏离所公开内容的精神和原理。所有这种变化和修改属于该公开内容的范围并为下述权利要求所保护。
应该注意的是比率、浓度、数量，和其它数值可表达为范围的格式。应当理解的是这样一个范围的格式是为了方便和简洁，因此应该解释为不仅包括数值明确定义的范围区间，而且还包括包含在该范围内所有的单个数值或子范围，如果这些单个数值和子范围被明确引用。举个例子，“约0.1%至约5%”的浓度范围应该是解释为不仅包括明确记载的浓度为约0.1wt%至约5wt%，而且也包括单个数值的浓度（例如，1%、2%、3%、4%）和所指示的范围内的子范围（例如，0.5%、1.1%、2.2%、3.3%和4.4%）。术语“大约”可包括根据数值的有效数字的传统舍入。此外，短语“约‘x’到‘y’”包括“约‘x’至约‘Y’。

Claims (27)

1.一种硅基功率电感，包括：
嵌入硅衬底中的磁性材料的磁芯，和
导电线圈，所述导电线圈具有多个匝，其邻近匝之间有间隔，并且所述磁芯至少有一部分被所述导电线圈所围绕，
其中，所述导电线圈的邻近匝之间的所述间隔至少有一部分由包括混有聚合物的磁性粉末的复合材料的磁性材料填充。
2.根据权利要求1所述的硅基功率电感，其中，所述导电线圈的邻近匝之间的所述间隔至少有一部分由硅填充。
3.根据权利要求1所述的硅基功率电感，其中，所述磁性材料是包含完全烧结的NiZn铁氧体粉和聚合物的复合物。
4.根据权利要求1所述的硅基功率电感，其中，所述导电线圈是铜。
5.根据权利要求1所述的硅基功率电感，进一步包括导电环。
6.根据权利要求1所述的硅基功率电感，进一步包括在硅衬底的至少一面上的磁性材料覆盖层。
7.根据权利要求6所述的硅基功率电感，其中，所述覆盖层的磁性材料是一种复合磁性材料。
8.根据权利要求1所述的硅基功率电感，进一步包括多个线圈连接点，每个线圈连接点与导电线圈的一部分接触。
9.根据权利要求8所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈连接点包括第一组焊锡球，沉积在所述导电线圈的一部分上的每个焊锡球暴露在硅衬底的第一个面。
10.根据权利要求9所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈连接点包括第二组焊锡球，沉积在所述导电线圈的一部分上的每个焊锡球暴露在硅衬底的第二个面上。
11.根据权利要求8所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈连接点包括电镀铜柱。
12.根据权利要求1所述的硅基功率电感，进一步包括在硅衬底的至少一面上的磁性材料覆盖层，以及多个线圈连接点，每个线圈连接点与导电线圈的一部分接触，其中，所述磁性材料覆盖层填充在所述多个线圈连接点之间的间隔。
13. 一个直流-直流转换器，包括：
硅基功率电感，其包括：
嵌入硅衬底中的磁性材料的磁芯；
具有多匝的导电线圈，所述线圈的邻近匝之间有间隔，所述磁芯的至少有一部分被所述导电线圈所围绕；
沉积于硅衬底至少一面的磁性材料覆盖层；以及
安装在硅基功率电感的覆盖层上的集成电路，所述集成电路交互式地耦合到所述导电线圈，
其中，所述集成电路包括集成电路芯片和至少一个安装于所述硅基功率电感的覆盖层上的电容。
14.根据权利要求13所述的直流-直流转换器，其中，所述磁芯是壶形铁芯状。
15.根据权利要求13所述的直流-直流转换器，其中，所述磁芯是环形。
16.根据权利要求13所述的直流-直流转换器，其中，所述集成电路通过穿透所述覆盖层的多个线圈连接点交互式地耦合到所述导电线圈，每个线圈连接点与所述导电线圈的一部分接触。
17.根据权利要求16所述的直流-直流转换器，其中，所述多个线圈连接点包括多个焊锡球，每个焊锡球沉积在所述导电线圈的一部分上。
18.根据权利要求13所述的直流-直流转换器，其中，所述导电线圈的邻近匝之间的间隔的至少一部分由所述磁性材料所填充。
19.根据权利要求18所述的直流-直流转换器，进一步包括在所述导电线圈和所述磁性材料之间的绝缘层。
20.根据权利要求13所述的直流-直流转换器，其中，所述磁性材料是包括完全烧结的NiZn铁氧体粉和聚合物的复合材料。
21. 一种制造硅基功率电感的方法，包括：
在硅衬底上沉积初始导电层；
在所述硅衬底中刻蚀沟槽；
在所述沟槽的至少一部分中形成导电线圈；以及
在所述沟槽的至少一部分，所述导电线圈围绕的磁性材料的至少一部分沉积包括混有聚合物的磁性粉末的复合材料的磁性材料。
22.根据权利要求书21所述的方法，其中，所述沟槽是穿透衬底的沟槽。
23.根据权利要求书21所述的方法，其中，所述磁性材料在形成所述导电线圈之前沉积在所述沟槽中。
24.根据权利要求书21所述的方法，其中，所述导电线圈由电镀形成。
25.根据权利要求书21所述的方法，其中，所述磁性材料通过在真空室内热压进行沉积。
26.根据权利要求书21所述的方法，其中，在所述硅衬底中刻蚀沟槽包括在形成所述导电线圈和沉积所述磁性材料之前刻蚀初始沟槽，并在形成所述导电线圈和沉积所述磁性材料之间刻蚀额外的沟槽。
27. 根据权利要求书21所述的方法，进一步包括在所述至少一部分沟槽的侧壁上形成绝缘层。
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