CN103000362B

CN103000362B - 一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠螺旋电感的制备方法

Info

Publication number: CN103000362B
Application number: CN201210526634.1A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 郑阳; 孙旭明; 李忠亮
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103000362A

Abstract

本发明涉及微纳加工领域，特别涉及一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠螺旋电感的制备方法。通过平面电感的制备方法和折叠相结合得到的折叠螺旋电感，和折叠之前相比，性能有明显提升；和传统工艺制备的三维立体电感相比，具有工艺步骤简单，成本低的优点。利用本方法制备的电感具有性能好，体积小，柔性（可弯曲可折叠），生物兼容性好，制备方法简单等特点，并可广泛应用于各种生物和非生物微系统中，特别是用于植入式的无线能量传输系统。

Description

一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠螺旋电感的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，特别涉及一种基于柔性衬底（如Parylene等聚合物）的带磁芯（如铁镍磁芯）的折叠螺旋电感的制备方法。

背景技术

微电子机械系统（MEMS）是一种新型多学科交叉的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多种学科。随着MEMS工艺的发展，微米级甚至纳米级的器件和系统已经广泛应用到微流体、生物工程和光学传感器件等多个领域。举例来说，在生物医疗领域，植入式器件已经成为疾病检测和治疗的重要手段。随着MEMS技术的发展，器件尺寸越来越小，能量供给的问题日益凸显。为了同时满足体积小、生物兼容性好、使用寿命长等诸多要求，以MEMS电感为核心的无限能量传输系统应运而生。

在集成电路或微系统中加入电感元件一直被视为挑战，因为现有电感一般都需要占据很大的面积来保证高L值和高Q值，这不仅会带来很大的损耗，而且使得力图实现小尺寸集成电路芯片的目标变得难以实现。为了在保持良好性能的同时减小电感的尺寸，许多新型结构的电感被设计了出来。根据理论计算的结构，线圈和磁芯的厚度对电感的性能影响很大，厚度越大，品质因数越高，即电感的性能越好。因此，三维立体结构的电感具有更好的性能。但是三维结构的电感制备工艺复杂，步骤多，成本高，制备过程周期长，不可控因素多，因此会影响到成品的性能。因此，利用Parylene等聚合物的柔性，由平面电感的制备工艺加上人工折叠的方式就可以得到形状和性能都可以和立体电感类似的折叠电感，并且同时折叠电感还具有制备工艺简单，成本低，不可控因素少等优点。经过设计，折叠电感的层与层之间利用通孔或金属连线两种方式连接起来，和三维电感的外形结构非常类似。

此外，利用电镀铜的方法可以有效减小线圈的阻抗，从而改善电感的性能。在电感线圈的中心加入由软磁材料制成的磁芯（如铁镍合金、钴镍锰磷合金、钴铁合金等）可有效提升电感的性能。根据之前的研究，例如XμmingSun,YangZheng等人在2012年发表的DesignandFabricationofFlexibleParylene-basedInductorswithElectroplatedNiFeMagneticCoreforWirelessPowerTransmissionSystem(IEEE-NEMS2012,p.238-242)（中文题目：用于无线能量传输系统的带铁镍磁芯的柔性Parylene衬底的电感的设计与制备），和不带磁芯的电感相比，中心带有磁芯的电感的性能更为优越。因此，软磁材料可以提高电感的性能。但是，现有的MEMS电感由于结构简单、磁芯面积有限等原因，性能还有待进一步的提高。

聚对二甲苯（Parylene）是一种热塑性晶体聚合物。和其他聚合物相比，Parylene薄膜具有保型性好，化学惰性强，常温下不可溶解，生物兼容性极好，薄膜厚度小，透明，成本低，无毒，无污染等特点，因此在MEMS领域，特别是生物医疗领域的应用中能够发挥重要作用。柔性是Parylene固有属性之一，以Parylene作为柔性衬底的器件在生物医疗等领域中发挥重大作用，是近年来微纳加工领域的研究热点。已知的Parylene的结构有20多种，但可在微加工中使用的只有三种，即ParyleneN，ParyleneC和ParyleneD。以ParyleneC为衬底的电感元件，具有可弯曲可折叠的性质，同时具有生物兼容性好的特点，因此特别适合于作为植入式器件，最大可能地减少了其对人体活动的限制。

柔性是Parylene固有属性之一，以Parylene作为柔性衬底的器件在生物医疗等领域中发挥重大作用，是近年来微纳加工领域的研究热点。已知的Parylene的结构有20多种，但可在微加工中使用的一般有三种，包括ParyleneN，ParyleneC和ParyleneD，其中ParyleneC是普遍采用的一种结构。

除Parylene外，聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等柔性聚合物也具有和Parylene类似的性质，因此也可以用于本发明所述的电感的制备。

发明内容

本申请的目的在于提出一种基于柔性衬底（如Parylene）的折叠螺旋电感制备方法，利用电镀方法在Parylene表面生长金属线圈和磁芯，最后利用手工折叠的方法使平面电感成为多层的立体电感，通过通孔和连线两种方式进行层与层之间的连接，从而实现高性能的螺旋电感。

为达到上述目的，本申请公开了一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠结构螺旋电感的制备方法，具体为

一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠结构螺旋电感的制备方法，按顺序包括如下步骤：

（A）衬底上生长柔性薄膜；

任选的（A1）在薄膜上溅射种子层；

（B）电镀线圈；

（C）电镀磁芯；

任选的步骤（C1）去除光刻胶和去除种子层；

（D）衬底上沉积柔性薄膜；

任选的步骤（D1）反应离子刻蚀薄膜；

（E）剥离电感；

（F）折叠电感并用导电粘合剂将通孔连接起来，干燥；

（G）高温熔融实现聚合物键合，得到多层的折叠结构螺旋电感。

进一步的：

步骤（A）衬底为硅衬底，柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤（B）电镀线圈包括厚胶光刻，定出线圈图形，电镀铜线圈；光刻胶是AZ9260、AZ4620，甩胶的厚度为10-15μm;

步骤（C）电镀磁芯包括厚胶光刻，定出磁芯位置，电镀磁芯;

步骤（D）中沉积的柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤（F）折叠为手工折叠，导电粘合剂为导电银胶。

进一步的：

步骤（A）柔性材料薄膜厚度是8-15μm;

步骤（A1）所述的种子层是Ti/Cu，Ti的厚度是10-30nm，Cu的厚度是100-300nm，先淀积Ti，再淀积Cu;

步骤（B）所述的电镀时间是50-70分钟，电镀时的电流密度为1ASD；

步骤（C）所述的磁芯，是铁镍合金、钴铁合金、钴镍锰磷合金，采用铁镍合金时电镀液中铁和镍的比例是20:80、30:70或40:60；电镀时间是90-120分钟，电镀时的电流密度是2-4ASD；

步骤（C1）为湿法腐蚀去除光刻胶和去除种子层,过程是将样品放入有机溶剂中完成的，去种子层的过程采用了湿法腐蚀的方法；若种子层为Ti和Cu，则方法是先将样品放入铜腐蚀液，待铜腐蚀干净后再将样品放入钛腐蚀液将钛腐蚀干净后取出，并用去离子水冲洗干净；

步骤（D）柔性材料薄膜厚度是3-6μm；

步骤（D1）反应离子刻蚀所用气体是O₂；

步骤（F）所述的手工折叠过程能通过宏观对准标记来减小误差，粘合剂涂完后要将整个样品放入烘箱中加热以提高粘合剂的粘度，对于不同成分的粘合剂，加热的温度和时间有所不用，一般的加热温度是60-90℃，时间为60-120分钟。

步骤（G）的处理温度视不同的衬底材料的熔点而定，一般以110-140℃为宜。

优选：

步骤（A）中薄膜厚度为10μm,薄膜为聚对二甲苯薄膜；

步骤（A1）中Ti的厚度是15nm，Cu的厚度为150nm;

步骤（B）中光刻胶厚度为10μm，曝光时间为130s，显影时间为150s；

步骤（C）电镀铁镍磁芯，使用的镀液成分主要有硫酸镍、氯化镍、硫酸亚铁，电镀脉冲为4ASD，电镀时间为100min；

步骤（C1）中丙酮去胶，铜腐蚀液主要成分为冰醋酸和双氧水，腐蚀Cu时间为60s-70s，钛腐蚀液为氢氟酸，时间为40s-60s；

步骤（D）生长5μm厚的聚对二甲苯薄膜；

步骤（F）干燥为放入烘箱中80℃加热约2小时；

步骤（G）提高温度至140℃使薄膜接近熔融状态，达到聚对二甲苯键合的效果，将样品从烘箱中取出并冷却，得到多层的折叠结构螺旋电感。

本申请并公开了一种多层折叠结构螺旋电感，其特征在于：采用上述方法制备。

这种多层折叠结构螺旋电感的用途，其特征在于：用于各种生物和非生物微系统中，用于植入式的无线能量传输系统。

本申请提出的基于柔性衬底的带磁芯的折叠螺旋电感的制备方法，给出了一种对于解决MEMS电感性能不高和制备工艺复杂的可行的解决措施。与普通的三维立体MEMS电感相比，折叠式MEMS电感的制备工艺节省了三次光刻、两次电镀及一次溅射（对于两层的立体电感而言），这大大降低了制备的难度，而且得到的电感性能和立体电感相似。对于更多层数的电感，本专利的折叠方法将进一步地节省工艺步骤，比如三层的立体MEMS电感需要九次光刻、六次电镀、三次溅射，而且还要考虑表面起伏过大时甩胶效果差的问题。相比之下，折叠式电感仍只需三次光刻、两次电镀、一次溅射，这大大降低了电感的制备成本和次品率，为高性能MEMS制备提供了一种非常理想的方法。并且，在步骤11中利用导电银胶来连接不同层的线圈，可以降低对对准精度的要求，进一步简化制备过程。

通过平面电感的制备方法和折叠相结合得到的折叠螺旋电感，和折叠之前相比，性能有明显提升；和传统工艺制备的三维立体电感相比，具有工艺步骤简单，成本低的优点。利用本方法制备的电感具有性能好，体积小，柔性（可弯曲可折叠），生物兼容性好，制备方法简单等特点，并可广泛应用于各种生物和非生物微系统中，特别是用于植入式的无线能量传输系统

附图说明

图1为由本发明所述的制备方法得到的折叠电感的结构示意图，按图中所示的结构进行柔性衬底的结合即可得到本发明所述的折叠电感（为了画图上的方便而将整体画成“Ζ”字型，但应注意到对于键合后的电感，各层线圈之间应该是紧密粘合在一起的）；

图2为本发明的基于柔性衬底的带铁镍磁芯的折叠电感的制备方法的工艺流程图；

图3为本发明的基于柔性衬底的带铁镍磁芯的折叠电感的制备方法的一种可能的版图设计（两层），加入对准十字以方便折叠时对准；

图4为本发明的基于柔性衬底的带铁镍磁芯的折叠电感的制备方法的一种可能的版图设计（三层）；

图5为本发明所述的制备方法中步骤4的电镀铜之后的电子显微镜照片；

图6为本发明所述的制备方法中步骤6的电镀铁镍磁芯之后的电子显微镜照片。

图7为利用AnsoftHFSS软件对本发明所述的制备方法得到的电感进行性能仿真的结果，为折叠电感和普通的平面电感的品质因数和频率的关系曲线。在3.5GHz左右，折叠电感的峰值接近14，而平面电感的峰值只有8.5左右，即证明了本发明所述制备方法的优越性。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征、优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

下面结合附图1-图6阐述本发明提供的基于柔性衬底的带铁镍磁芯的折叠螺旋电感的制备方法步骤。在本实施例中，选用Parylene作为衬底材料，铁镍合金作为磁性薄膜和磁芯的材料。

步骤1：在硅衬底上生长约10μm厚的Parylene薄膜；

步骤2：在Parylene薄膜上溅射Ti/Cu种子层，先溅射一层约15nm厚的Ti，再溅射一层约150nm厚的Cu；

步骤3：厚胶光刻，定出线圈图形，光刻胶采用AZ9260，旋涂的光刻胶厚度约为10μm，光刻时曝光时间约为130s，显影时间约为150s；

步骤4：电镀铜线圈，使用的镀液成分主要有硫酸铜、稀硫酸、五水合硫酸铜等，电镀脉冲为1ASD，电镀时间约为60min；

步骤5：将步骤3的光刻胶洗干净，重新甩厚胶（AZ9260)，约10μm，然后曝光显影，定出磁芯的位置，曝光和显影的时间和步骤3类似；

步骤6：电镀铁镍磁芯，使用的镀液成分主要有硫酸镍、氯化镍、硫酸亚铁等，电镀脉冲为4ASD，电镀时间约为100min；

步骤7：丙酮去胶，铜腐蚀液（主要成分为冰醋酸和双氧水）腐蚀Cu，时间约为60s-70s，氢氟酸腐蚀Ti，时间约为40s-60s；

步骤8：生长约5μm厚的Parylene薄膜；

步骤9：反应离子刻蚀Parylene薄膜，刻出接触孔；

步骤10：将Parylene电感从硅衬底上剥离；

步骤11：在通孔处涂导电银胶，手工折叠电感，之后放入烘箱中80℃加热约2小时；

步骤12：提高温度至140℃使Parylene接近熔融状态，达到Parylene键合的效果。将样品从烘箱中取出并冷却，得到多层的立体电感。

参照图1，图1为本发明所述的电感的模拟示意图，按照图中所示的方法进行折叠，再对柔性衬底进行高温键合使得层与层之间紧密结合，即可得到本发明所述的折叠电感。

参照图2，图2为本发明的基于柔性衬底的带磁芯的折叠电感的制备工艺流程图，上述各步骤中所述的工艺加工过程即为本发明所述制备方法的步骤，通过三次光刻和两次电镀，就实现了柔性衬底上的高性能折叠电感。对于不同层数的折叠电感，版图设计上有所不同，但制备工艺是完全相同的，只是最后的手工折叠过程略有不同，因此这又极大方便了电感的制备过程。

参照图3和图4，图3是两层折叠电感的版图设计方案，底层和顶层的两层线圈靠中间的通孔进行连接。图4是三层折叠电感的版图设计方案，底层和中层的线圈靠中间的通孔进行连接，而中层和顶层的线圈考外部引出的金属线来连接，这就避免了背面刻蚀的要求，使得不同层数的电感可以有相同的制备工艺步骤。对于四层或更多层数的电感，只要通过合理的设计，都可以用本发明提供的折叠电感制备工艺制备出来，层数越多，折叠电感的优势越明显。

参照图5，图5为本发明所述的电感经过步骤4的电镀后的电子显微镜照片。

参照图6，图6为本发明所述的电感经过步骤6的电镀后的电子显微镜照片。

以上对本发明所提供的基于柔性衬底的代词新的折叠螺旋电感制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于柔性衬底的带磁芯的折叠结构螺旋电感的制备方法，按顺序包括如下步骤：

步骤(A)衬底上生长柔性薄膜；

步骤(A1)在薄膜上溅射种子层；

步骤(B)电镀线圈；

步骤(C)电镀磁芯；

步骤(C1)去除光刻胶和去除种子层；

步骤(D)衬底上沉积柔性薄膜；

步骤(D1)反应离子刻蚀薄膜；

步骤(E)剥离电感；

步骤(F)折叠电感并用导电粘合剂将通孔连接起来，干燥；

步骤(G)高温熔融实现聚合物键合，得到多层的折叠结构螺旋电感；

其中：

步骤(A)衬底为硅衬底，柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤(B)电镀线圈包括厚胶光刻，定出线圈图形，电镀铜线圈；光刻胶是AZ9260或AZ4620，甩胶的厚度为10-15μm；

步骤(C)电镀磁芯包括厚胶光刻，定出磁芯位置，电镀磁芯；

步骤(D)中沉积的柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤(F)折叠为手工折叠，导电粘合剂为导电银胶；

其中：

步骤(A)柔性薄膜厚度是8-15μm；

步骤(A1)所述的种子层是Ti/Cu，Ti的厚度是10-30nm，Cu的厚度是100-300nm，先淀积Ti，再淀积Cu；

步骤(B)所述的电镀时间是50-70分钟，电镀时的电流密度为1ASD；

步骤(C)所述的磁芯，是铁镍合金、钴铁合金或钴镍锰磷合金，采用铁镍合金时电镀液中铁和镍的比例是20:80、30:70或40:60；电镀时间是90-120分钟，电镀时的电流密度是2-4ASD；

步骤(C1)为湿法腐蚀去除光刻胶和去除种子层,过程是将样品放入有机溶剂中完成的，去种子层的过程采用了湿法腐蚀的方法；若种子层为Ti和Cu，则方法是先将样品放入铜腐蚀液，待铜腐蚀干净后再将样品放入钛腐蚀液将钛腐蚀干净后取出，并用去离子水冲洗干净；

步骤(D)柔性薄膜厚度是3-6μm；

步骤(D1)反应离子刻蚀所用气体是O₂；

步骤(F)所述的手工折叠过程能通过宏观对准标记来减小误差，粘合剂涂完后要将整个样品放入烘箱中加热以提高粘合剂的粘度，对于不同成分的粘合剂，采用不同的加热温度和时间，加热温度是60-90℃，时间为60-120分钟；

步骤(G)的处理温度视不同的衬底材料的熔点而定，以110-140℃为宜。

2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(A)中薄膜厚度为10μm,薄膜为聚对二甲苯薄膜；

步骤(A1)中Ti的厚度是15nm，Cu的厚度为150nm；

步骤(B)中光刻胶厚度为10μm，曝光时间为130s，显影时间为150s；

步骤(C)电镀铁镍磁芯，使用的镀液成分主要有硫酸镍、氯化镍或硫酸亚铁，电镀脉冲为4ASD，电镀时间为100min；

步骤(C1)中丙酮去胶，铜腐蚀液主要成分为冰醋酸和双氧水，腐蚀Cu时间为60s-70s，钛腐蚀液为氢氟酸，时间为40s-60s；

步骤(D)生长5μm厚的聚对二甲苯薄膜；

步骤(F)干燥为放入烘箱中80℃加热2小时；

步骤(G)提高温度至140℃使薄膜接近熔融状态，达到聚对二甲苯键合的效果，将样品从烘箱中取出并冷却，得到多层的折叠结构螺旋电感。

3.一种多层折叠结构螺旋电感，其特征在于：采用权利要求1-2之一的方法制备。

4.一种如权利要求3所述的多层折叠结构螺旋电感的用途，其特征在于：用于各种生物和非生物微系统中。

5.一种如权利要求4所述的多层折叠结构螺旋电感的用途，其特征在于：用于植入式的无线能量传输系统。