CN103247606B - 一种高感值硅基平面螺旋电感结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高感值硅基平面螺旋电感结构，属于半导体封装技术领域。其包括硅基平面螺旋电感（100）和薄膜硅帽（200），电感线圈（105a）下方依次为介电层Ⅰ（104）、磁性薄膜层Ⅰ（103）、钝化层（102）和硅基体（101），设置有磁性薄膜层Ⅱ（202）的薄膜硅帽（200）倒扣在硅基平面螺旋电感（100）上，两者通过粘合剂（301）连接，磁性薄膜层Ⅰ（103）和/或磁性薄膜层Ⅱ（202）分别设计成由若干个垂直电感线圈的磁性薄膜条组成。本发明的磁性薄膜层Ⅰ、磁性薄膜层Ⅱ和粘合剂，形成了从电感线圈中心到外部的完整磁回路，加上减小涡流损耗的设计，可以显著提高其电感值，并且利用晶圆级方式实现的工艺，其电感的尺寸可以更小、制造成本更低。

Description

一种高感值硅基平面螺旋电感结构

技术领域

本发明涉及一种高感值硅基平面螺旋电感结构，属于半导体封装技术领域。

背景技术

电感是电路系统中非常常见的无源器件，可以起到滤波、扼流以及储存能量等作用。在功率器件比如直流-直流转换器（DC-DC Convertor）中，电感起到储存能量的作用。电感储存能量的大小与其电感值成正比，为了满足功率系统的性能要求，这种功率电感的感值都较大。目前这种功率电感通常是分离的表面贴装元件，但这种电感体积大，造价高。而体积较小、制造成本相对便宜的平面螺旋电感，其电感值较小，限制了其在电路系统中的使用范围。

发明内容

承上所述，本发明的目的在于克服上述平面螺旋电感感值方面的不足，提供一种电感的尺寸更小、制造成本更低的高感值硅基平面螺旋电感结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种高感值硅基平面螺旋电感结构，包括硅基平面螺旋电感，所述硅基平面螺旋电感包括硅基体、平面螺旋电感线圈，所述硅基体上覆盖钝化层，所述平面螺旋电感线圈包括电感线圈和设置在电感线圈两端的端子，所述钝化层上、电感线圈下方设置磁性薄膜层Ⅰ，所述磁性薄膜层Ⅰ沿电感线圈的环绕方向延伸，所述磁性薄膜层Ⅰ上设置介电层Ⅰ，所述电感线圈设置在介电层Ⅰ上，所述介电层Ⅰ的宽度不大于磁性薄膜层Ⅰ的宽度，所述介电层Ⅰ的两侧或磁性薄膜层Ⅰ的两端设置粘合剂，

还包括薄膜硅帽，所述薄膜硅帽包括硅帽和设置在硅帽内壁及外部边缘的磁性薄膜层Ⅱ，所述硅帽呈内凹的型腔，所述薄膜硅帽倒扣在硅基平面螺旋电感上，所述电感线圈扣在硅帽内，薄膜硅帽上的磁性薄膜层Ⅱ通过粘合剂与硅基平面螺旋电感的磁性薄膜层Ⅰ相连，所述端子露出薄膜硅帽，并通过引线键合的方式连接到外部电路。

可选地，所述磁性薄膜层Ⅰ和/或磁性薄膜层Ⅱ由若干个磁性薄膜条组成，所述磁性薄膜条与电感线圈的走向垂直。

可选地，还包括介电层Ⅱ，所述介电层Ⅱ设置在硅帽和磁性薄膜层Ⅱ之间。

可选地，所述硅帽是一体成形结构或是分离的独立结构。

可选地，所述端子处设置焊盘，所述焊盘设置于钝化层或介电层Ⅰ上。

可选地，所述电感线圈上覆盖保护层，所述保护层为单层或多层。

还包括带状的下通引线和设置在硅基平面螺旋电感四角的凸点，所述凸点包括凸点Ⅰ和凸点Ⅱ，所述下通引线设置在钝化层上，所述下通引线上设置再钝化层和再钝化层开口，所述电感线圈的部分固定在再钝化层上，所述凸点Ⅰ通过设置在再钝化层开口内的凸点下金属固定在下通引线的一端，所述端子通过再钝化层开口固定在下通引线的另一端，所述凸点Ⅰ和凸点Ⅱ的高度均高于薄膜硅帽的上表面，所述凸点下金属是圆形、四边形、六边形或八边形。

可选地，所述凸点Ⅰ和凸点Ⅱ是焊球。

可选地，所述凸点Ⅰ和凸点Ⅱ包括金属柱和金属柱上的焊球。

可选地，所述下通引线为单层或多层金属布线层。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在硅基平面螺旋电感线圈下面制备磁性薄膜层Ⅰ，并在其上倒扣设置有磁性薄膜层Ⅱ的薄膜硅帽，通过带有磁性的粘和剂连接磁性薄膜层Ⅰ形成闭合磁路，在电感线圈的周期内形成高磁导率材料的磁通路结构，从而有效地提高了硅基平面螺旋电感的感值。在确保磁路完整的情况下，将该磁性薄膜层Ⅰ和/或磁性薄膜层Ⅱ分别设计成由若干个垂直电感线圈的磁性薄膜条，可减小硅基平面螺旋电感的涡流损耗，以进一步提升螺旋电感的感值；

2、电感线圈与磁性薄膜层Ⅰ之间设置的介电层Ⅰ，介电层Ⅰ的宽度不大于磁性薄膜层Ⅰ的宽度，降低了系统的损耗；硅帽与磁性薄膜层Ⅱ之间增加的介电层Ⅱ，进一步使硅帽与磁性薄膜层Ⅱ绝缘，同样可降低系统的损耗，提升螺旋电感的感值；

3、硅基平面螺旋电感的电感线圈的端子处可以设置焊盘，可以通过引线键合的方式连接到外部电路；

4、硅基平面螺旋电感的电感线圈下设置下通引线，通过该下通引线将位于硅基平面螺旋电感内部的端子引到硅基平面螺旋电感的外部，并在硅基平面螺旋电感的电感线圈的端子的延伸处设置凸点Ⅰ，在后续使用中可以通过该凸点Ⅰ将电感倒扣连接到外部线路上，而在其他部位放置的无功能连接的凸点Ⅱ可保持该电感结构倒扣后的平衡。

附图说明

图1为本发明一种高感值硅基平面螺旋电感结构的实施例一的示意图；

图2为图1中未设置磁性薄膜硅帽结构的示意图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为图1的另一A-A剖视图；

图5为本发明一种高感值硅基平面螺旋电感结构实施例二的示意图；

图6为图5的B-B剖视图。

其中：

硅基平面螺旋电感100

硅基体101

钝化层102

磁性薄膜层Ⅰ103

介电层Ⅰ104

平面螺旋电感线圈105

电感线圈105a

端子105b

凸点下金属层105c

下通引线106

再钝化层107

凸点Ⅰ108

金属柱108a

焊球108b

凸点Ⅱ109

薄膜硅帽200

硅帽201

磁性薄膜层Ⅱ202

介电层Ⅱ203

粘合剂301。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种高感值硅基平面螺旋电感结构，包括硅基平面螺旋电感100和薄膜硅帽200。所述硅基平面螺旋电感100包含硅基体101、平面螺旋电感线圈105，所述硅基体101上沉积钝化层102，该钝化层102可以为二氧化硅、氮化硅或者其他具有绝缘特性的有机材料涂层，且钝化层102完全覆盖硅基体101的上表面。所述平面螺旋电感线圈105包括电感线圈105a和设置在电感线圈105a两端的端子105b。电感线圈105a呈平面螺旋结构，螺旋结构可以是长方形、方形、圆形或其他类似形状，如椭圆形，电感线圈105a的匝数通常大于2，图中以5匝的椭圆形螺旋电感结构示例。

在钝化层102上、电感线圈105a下方设置磁性薄膜层Ⅰ103，磁性薄膜层Ⅰ103沿电感线圈105a的环绕方向延伸，该磁性薄膜层Ⅰ103可以为磁性金属或合金如NⅠ、FeNⅠ、FeCo等，也可能是铁氧体等无机材料。该磁性薄膜层Ⅰ103的形状并不被限定为图示的不连续的两块长方形，也可以是沿着电感线圈105a的环绕方向延伸的连续的椭圆形或是椭圆形的局部。

磁性薄膜层Ⅰ103上设置介电层Ⅰ104，在介电层Ⅰ104上设置电感线圈105a，介电层Ⅰ104使电感线圈105a与磁性薄膜层Ⅰ103不导通，其形状根据磁性薄膜层Ⅰ103和电感线圈105a的放置位置而定。介电层Ⅰ104的宽度不大于磁性薄膜层Ⅰ103的宽度。介电层Ⅰ104的宽度小于磁性薄膜层Ⅰ103的宽度时，在磁性薄膜层Ⅰ103上、介电层Ⅰ104的两侧设置粘合剂301；介电层Ⅰ104的宽度不小于磁性薄膜层Ⅰ103的宽度时，钝化层102上、磁性薄膜层Ⅰ103的两端设置粘合剂301。电感线圈105a两端的端子105b处设置用于与外部进行互联的焊盘，焊盘设置于钝化层102或介电层Ⅰ104上，焊盘的水平位置可以根据具体的设计需求而定。

所述薄膜硅帽200被倒扣放置在上述的硅基平面螺旋电感100上，用于互联的焊盘露出薄膜硅帽200，并通过引线键合的方式连接到外部电路。如图3的A-A剖视图所示，所述薄膜硅帽200的硅帽201有若干个，且呈下凹的型腔，型腔的形状可以为梯形、长方形等其他形状，电感线圈105a扣在硅帽201内。在该实施例的示意图中，薄膜硅帽200的两个硅帽200是一体成形结构。此外，薄膜硅帽200也可以是若干个硅帽201分离的独立结构。在硅帽201内壁及外部边缘设置有磁性薄膜层Ⅱ202，可以为磁性金属或合金如NⅠ、FeNⅠ、FeCo等，也可能是铁氧体等无机材料。薄膜硅帽200内的磁性薄膜层Ⅱ202通过粘合剂301与硅基平面螺旋电感100上的同一块磁性薄膜层Ⅰ103连接。粘合剂301中也可混合磁性材料粉末，成为磁性胶。综上所述，在该实施例中，磁性薄膜层Ⅰ103、磁性薄膜层Ⅱ202和粘合剂301均带有磁性，形成了从电感线圈105a中心到外部的完整的磁回路，从而可以显著提高其电感值。在具体设计中可以在确保磁路完整的情况下，将磁性薄膜层Ⅰ103和/或磁性薄膜层Ⅱ202设计成分别由若干个磁性薄膜条组成，磁性薄膜条与电感线圈105a的走向垂直，从而减小硅基平面螺旋电感的涡流损耗。

在实际的实施结构中，硅帽201与磁性薄膜层Ⅱ202之间还可以增加介电层Ⅱ203，以确保硅帽201与磁性薄膜层Ⅱ202绝缘，同样可降低系统的损耗，提升螺旋电感的感值。如图4所示。

图5所示为本发明另一实施例结构的示意图，图6为图5中沿B-B线的剖视图。在此不再重复与上述实施例相同或相似的特征。有别于前述实施例，该实施例中还包括带状的下通引线106和设置在硅基平面螺旋电感100四角的凸点，凸点包括用于与外部线路进行倒装互联的凸点Ⅰ108和用于平衡作用的凸点Ⅱ109。凸点Ⅰ108与凸点Ⅱ109的水平位置不做具体限定。下通引线106设置在钝化层102上，通常为单层金属层或多层金属层。所述下通引线106上设置再钝化层107和再钝化层开口，电感线圈105a的部分压在再钝化层107上，该再钝化层107通常是绝缘的有机材料，与介电层Ⅰ104位于同一层。所述凸点Ⅰ108通过设置在再钝化层开口内的凸点下金属105c固定在下通引线106的一端，凸点下金属层105c与下通引线106形成欧姆接触；所述端子105b通过再钝化层开口固定在下通引线106的另一端，该下通引线106穿过电感线圈105a下方后将内部端子105b引到电感线圈105a的外部。所述凸点Ⅰ108和凸点Ⅱ109的高度均高于薄膜硅帽200的上表面，以确保在进行倒装互连时凸点Ⅰ108与外部电路焊盘105b形成有限的电气连接。该金属凸点Ⅰ108和凸点Ⅱ109均可以是焊锡球108b或者是金属柱108a与焊锡球108b的复合结构。所述凸点下金属105c和金属柱108a是圆形、四边形、六边形、八边形等其他多边形，通常，金属柱108a为铜柱。

在实际的实施结构中，硅基平面螺旋电感100的电感线圈105a上还可以覆盖单层或多层有机保护层（图中未示出），来保护电感线圈105a，从而避免电感线圈105a的腐蚀与氧化等。以上变通结构均在该专利的限定范围以内。

本发明所提出的电感结构的主要工艺都是以晶圆级方式实现的，因此成本较低、尺寸可以更小，而通过光刻和电镀的方式还可以得到精确的电感线圈105a图形尺寸。

Claims (10)

1.一种高感值硅基平面螺旋电感结构，包括硅基平面螺旋电感（100），所述硅基平面螺旋电感（100）包括硅基体（101）、平面螺旋电感线圈（105），所述硅基体（101）上覆盖钝化层（102），所述平面螺旋电感线圈（105）包括电感线圈（105a）和设置在电感线圈（105a）两端的端子（105b），

其特征在于：所述钝化层（102）上、电感线圈（105a）下方设置磁性薄膜层Ⅰ（103），所述磁性薄膜层Ⅰ（103）沿电感线圈（105a）的环绕方向延伸，

所述磁性薄膜层Ⅰ（103）上设置介电层Ⅰ（104），所述电感线圈（105a）设置在介电层Ⅰ（104）上，所述介电层Ⅰ（104）的宽度不大于磁性薄膜层Ⅰ（103）的宽度，所述介电层Ⅰ（104）的两侧或磁性薄膜层Ⅰ（103）的两端设置粘合剂（301），

还包括薄膜硅帽（200），所述薄膜硅帽（200）包括硅帽（201）和设置在硅帽（201）内壁及外部边缘的磁性薄膜层Ⅱ（202），所述硅帽（201）呈内凹的型腔，所述薄膜硅帽（200）倒扣在硅基平面螺旋电感（100）上，所述电感线圈（105a）扣在硅帽（201）内，薄膜硅帽（200）上的磁性薄膜层Ⅱ（202）通过粘合剂（301）与硅基平面螺旋电感（100）的磁性薄膜层Ⅰ（103）相连，所述端子（105b）露出薄膜硅帽（200），并通过引线键合的方式连接到外部电路。

2.如权利要求1所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述磁性薄膜层Ⅰ（103）和/或磁性薄膜层Ⅱ（202）由若干个磁性薄膜条组成，所述磁性薄膜条与电感线圈（105a）的走向垂直。

3.如权利要求1所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：还包括介电层Ⅱ（203），所述介电层Ⅱ（203）设置在硅帽（201）和磁性薄膜层Ⅱ（202）之间。

4.如权利要求1或3所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述硅帽（201）是一体成形结构或是分离的独立结构。

5.如权利要求1所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述端子（105b）处设置焊盘，所述焊盘设置于钝化层（102）或介电层Ⅰ（104）上。

6.如权利要求1所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述电感线圈（105a）上覆盖保护层，所述保护层为单层或多层。

7.如权利要求1或2或3所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：还包括带状的下通引线（106）和设置在硅基平面螺旋电感（100）四角的凸点，所述凸点包括凸点Ⅰ（108）和凸点Ⅱ（109），所述下通引线（106）设置在钝化层（102）上，所述下通引线（106）上设置再钝化层（107）和再钝化层开口，所述电感线圈（105a）的部分固定在再钝化层（107）上，所述凸点Ⅰ（108）通过设置在再钝化层开口内的凸点下金属（105c）固定在下通引线（106）的一端，所述端子（105b）通过再钝化层开口固定在下通引线（106）的另一端，所述凸点Ⅰ（108）和凸点Ⅱ（109）的高度均高于薄膜硅帽（200）的上表面，所述凸点下金属（105c）是圆形、四边形、六边形或八边形。

8.如权利要求7所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述凸点Ⅰ（108）和凸点Ⅱ（109）是焊球（108b）。

9.如权利要求7所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述凸点Ⅰ（108）和凸点Ⅱ（109）包括金属柱（108a）和金属柱（108a）上的焊球（108b）。

10.如权利要求7所述的平面螺旋电感结构，其特征在于：所述下通引线（106）为单层或多层金属布线层。