CN103325765A - 一种带有磁芯的硅基电感结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有磁芯的硅基电感结构，属于半导体封装技术领域。其包括两块结构相近的硅基板（100），分别为硅基板Ⅰ（110）和硅基板Ⅱ（120），此两块硅基板（100）通过倒装工艺、相向、错位连接实现封装，形成螺线管型的电感结构，并于电感结构内部设置磁性材料薄膜层（300）。本发明采用晶圆级的凸点制作工艺在硅基螺线管型的电感结构内设置磁性材料和采用厚铜布线，显著提高了电感的感值，且可以得到较低的直流电阻和较小的封装体积，还可以形成电感值可调且电感值可调范围较大的电感结构，有利于电感结构的小型化的进一步发展，有利于推动集成电路的微型化、集成化的发展。

Description

一种带有磁芯的硅基电感结构

技术领域

本发明涉及一种以磁性材料为内芯的硅基电感结构，属于半导体封装技术领域。

背景技术

随着集成电路制造技术按照摩尔定律的高速发展，小型化、低功耗的射频电路在便携式终端设备中得到广泛应用，以满足快速增长的无线通信市场的巨大需求。由于硅衬底集成电路制造成本相对较低，并且便于数字和模拟部分的集成，使得硅CMOS RF集成电路成为较好的选择。而无源器件在RF集成电路中占有很大部分，其中，电感是无源器件中关键元器件之一，可以起到滤波、扼流以及储存能量等作用。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，需要感值大、体积小的电感，而目前体积较小的平面硅基螺旋电感，其电感值的范围一般为1到20nH，电感值偏低，这制约着集成电路微型化、集成化的进一步发展。

发明内容

承上所述，本发明的目的在于克服上述电感的不足，提供一种电感值高的带有磁芯的硅基电感结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种带有磁芯的硅基电感结构，包括硅基板，所述硅基板包括硅基体和沉积于硅基体表面的钝化层，所述钝化层的表面设置布线层，所述布线层的分布范围不超出钝化层的分布范围，

所述布线层包括若干个平行走向的布线，所述硅基板包括硅基板Ⅰ和硅基板Ⅱ，所述硅基板Ⅰ的所述布线层的外围覆盖再钝化层，并于布线的两端开设再钝化层开口，所述硅基板Ⅱ的所述布线的两端设置凸块结构，所述凸块结构的位置与再钝化层开口的位置左右对称，所述硅基板Ⅰ上的布线与硅基板Ⅱ上的布线通过再钝化层开口与凸块结构的相向、错位连接形成螺线管型的电感结构，所述电感结构内部设置与凸块结构绝缘的磁性材料薄膜层。

进一步的，所述磁性材料薄膜层设置于硅基板Ⅰ的再钝化层的表面。

进一步的，所述硅基板Ⅱ的布线层的外围设置再钝化层。

进一步的，所述磁性材料薄膜层设置于硅基板Ⅱ的再钝化层的表面或分别设置于硅基板Ⅰ和硅基板Ⅱ的再钝化层的表面。

进一步的，所述布线层的厚度不小于15微米。

进一步的，所述布线层的厚度不小于40微米。

进一步的，所述凸块结构包括金属柱和焊锡帽，所述焊锡帽设置在金属柱的顶端。

进一步的，所述硅基板Ⅰ的布线与硅基板Ⅱ的布线错位。

进一步的，所述布线为曲线或折线。

进一步的，所述磁性材料薄膜层设置消磁饱和图形，所述消磁饱和图形包括若干个沟槽。

本发明的有益效果是：

1、本发明将两块结构相近的硅基板Ⅰ和硅基板Ⅱ通过倒装工艺、相向、错位连接实现封装，形成立体的螺线管型的电感结构，并于电感结构内部设置磁性材料薄膜层，显著提高了电感结构的电感值；而采用厚铜布线，可以得到较低的直流电阻。

2、本发明的布线数N，N≥2，布线的长度可以根据实际需要确定，在整个布线层的不同位置上设计多个长度大于其他布线的布线，以便于与外部电流连接，形成电感值可调且电感值可调范围较大的电感结构。

3、本发明所提出的电感结构的硅基板Ⅰ和硅基板Ⅱ主要是基于晶圆级的凸点制作工艺来完成的，因此成本较低；同时，通过光刻和电镀的方式可以得到精确的图形尺寸，有利于电感结构的小型化，并可以将本发明的电感结构推广应用于小尺寸电源管理系统级封装中，有利于推动集成电路的微型化、集成化的发展。

附图说明

图1为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的一实施例的硅基板Ⅰ的示意图；

图2为图1 的放大的A-A剖视图；

图3为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的一实施例的硅基板Ⅱ的示意图；

图4 为图3的放大的B-B剖视图；

图5为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的封装示意图；

图6 为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构一实施例电感结构与相同电感结构（不含磁芯）的仿真结果对比。

图7至图9为图1中的磁性材料薄膜层的放大示意图。

图10为图3的另一实施例的放大的B-B剖视图；

图11 为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的另一实施例的硅基板Ⅱ的示意图；

图12为图11的放大的C-C剖视图；

图中：

硅基板100

硅基板Ⅰ110

硅基板Ⅱ120

硅基体101

钝化层102

布线层103

再钝化层104

再钝化层开口105

凸块结构200

金属柱210

焊锡帽220

磁性材料薄膜层300

沟槽310。

具体实施方式

参见图1至图5，本发明一种带有磁芯的硅基电感结构，其包括两块结构相近的硅基板100，分别为硅基板Ⅰ110和硅基板Ⅱ120，此两块硅基板100通过倒装工艺、相向、错位连接实现封装，形成立体的螺线管型的电感结构，并于电感结构内部设置磁性材料薄膜层300作为内芯。

本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的实施例一中，硅基板100的硅基体101上沉积钝化层102，该钝化层102可以为二氧化硅、氮化硅或者其他绝缘的有机材料涂层，且钝化层102完全覆盖硅基体101的表面。在钝化层102上具有若干个沿同方向走向的平行铜质布线形成的布线层103，该布线层103的分布范围不超出钝化层102的分布范围，且其厚度不小于15微米。为进一步减小电感的直流电阻、提高硅基电感结构的可靠性，优选地，布线层103为厚度不小于40微米的厚铜布线。布线数N，N≥2，相邻布线之间存在间隙。布线的形状不限定为直线，可以是曲线，也可以根据实际需要进行弯折。如图1所示，硅基板Ⅰ110的布线为直线；如图3所示，硅基板Ⅱ120的布线存在弯折，以便后续工艺将硅基板Ⅰ110的布线与硅基板Ⅱ120的布线相向、错位连接。布线两端的宽度可以大于布线的中段宽度；布线的长度也可以不一致，可以根据实际需要确定。为方便与外部电流连接，靠近边缘位置的布线的长度可以大于其他布线的长度，作为焊接端子使用，如图1所示，焊接端子设置在硅基板Ⅰ110上，焊接端子也可以设置在硅基板Ⅱ120上。

硅基板Ⅰ110的布线层103的外围覆盖再钝化层104，并形成再钝化层开口105，再钝化层104填充布线彼此之间的间隙，再钝化层开口105位于全部或部分布线两端的上方，如图1和2所示。再钝化层104的表面设置磁性材料薄膜层300，磁性材料薄膜层300为铁镍合金、铁钴合金等软磁合金或软磁铁氧体材料。磁性材料薄膜层300设置在上下再钝化层开口105的宽度范围内，长度方向上该磁性材料薄膜层300不超过布线层103的分布范围。优选地，长度方向上该磁性材料薄膜层300覆盖所有通电的布线。同时，该磁性材料薄膜层300的形状并不被限定为图示的完整长方形。

硅基板Ⅱ120的布线层103的全部或部分布线的两端设置连接硅基板Ⅰ110的再钝化层开口105的凸块结构200，凸块结构200的位置与再钝化层开口105的位置左右对称。该凸块结构200可以包括金属柱210和金属柱210顶端的焊锡帽220。金属柱210的材质通常为铜。凸块结构200的高度以足够连接硅基板Ⅰ110和硅基板Ⅱ120为准，通常地，凸块结构200的高度在15微米到65微米之间，如图3和图4所示。

封装时，硅基板Ⅱ120倒扣在硅基板Ⅰ110上，硅基板Ⅱ120的凸块结构200与硅基板Ⅰ110的再钝化层开口105错位连接，如图5所示。连接方式如下：硅基板Ⅰ110的上排左起第一个再钝化层开口105与硅基板Ⅱ120的上排右起倒数第一个凸块结构200连接，硅基板Ⅰ110的上排左起第二个再钝化层开口105与硅基板Ⅱ120的上排右起倒数第二个凸块结构200连接；硅基板Ⅰ110的下排左起第一个再钝化层开口105与硅基板Ⅱ120的下排右起倒数第一个凸块结构200连接，硅基板Ⅰ110的下排左起第二个再钝化层开口105与硅基板Ⅱ120的下排右起倒数第二个凸块结构200连接，以此类推，使得硅基板Ⅱ120上的凸块结构200与硅基板Ⅰ110上的再钝化层开口105一一对应。对位好后进行回流焊接，使得硅基板Ⅱ120上的金属柱210通过焊锡帽220与硅基板Ⅰ110上布线层103进行互连。倒装封装后，硅基板Ⅰ110的布线层103和硅基板Ⅱ120的布线层103形成螺线管型的电感结构，磁性材料薄膜层300位于该电感结构的内部，并与凸块结构200绝缘。磁性材料薄膜层300与凸块结构200的绝缘可以通过固定磁性材料薄膜层300的位置使之与凸块结构200不接触实现，必要时，还可以填充绝缘物，图中未示出。

图6所示为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的实施例一与相同电感结构（不含磁芯）的仿真结果对比，在该实施例中，铜布线的宽度为100微米，长度为1000微米，铜布线间距为40微米，布线数为13匝，磁性材料薄膜层300的磁性薄膜为相对磁导率为300、厚度为4微米的FeNi合金。在此仿真模拟中，不包括磁性材料薄膜层300时，该电感的感值为8nH左右，引入磁性材料薄膜层300后其电感提升到90nH以上，其直流电阻仅为100毫欧。由此可见，磁性材料的引入可以显著提升电感的感值。

在具体设计中，为克服电感磁饱和现象的产生，可以在该磁性材料薄膜层300里设置若干个沟槽310，形成栅状、网状、棋状等消磁饱和图形，如图7至图9所示。消磁饱和图形同时还可以降低磁性材料薄膜层300的涡流损耗。

图10、图11和图12所示为本发明一种带有磁芯的硅基电感结构的另外三种实施例的示意图。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，在图10所示的实施例中，硅基板Ⅱ120的布线层103的外围设置再钝化层104，以保护铜质布线。在图11和图12所示的实施例中，硅基板Ⅱ120的布线层103的外围设置再钝化层104，磁性材料薄膜层300可以仅设置在硅基板Ⅱ120的再钝化层104的表面，磁性材料薄膜层300设置在上下凸块结构200的宽度范围内，长度方向上该磁性材料薄膜层300不超过布线层103的分布范围，优选地，长度方向上该磁性材料薄膜层300覆盖所有通电的布线，该磁性材料薄膜层300的形状并不被限定为图示的完整长方形；磁性材料薄膜层300也可以分别设置在硅基板Ⅰ110和硅基板Ⅱ120的再钝化层104的表面，磁性材料薄膜层300设置在上下再钝化层开口105和凸块结构200的宽度范围内，长度方向上该磁性材料薄膜层300不超过布线层103的分布范围，优选地，长度方向上该磁性材料薄膜层300覆盖所有通电的布线，该磁性材料薄膜层300的形状并不被限定为图示的完整长方形，以便于进一步巩固或提升电感的感值。

此外，由于布线数N，N≥2，且布线的长度可以根据实际需要确定，在整个布线层103上可以多设计几个长度大于其他布线的布线，分别设置于布线层103的不同位置，以便于与外部电流连接，使该电感结构成为电感值可调且电感值可调范围较大的电感结构。

本发明所提出的电感结构的硅基板Ⅰ110和硅基板Ⅱ120主要是基于晶圆级的凸点制作工艺来完成的，因此成本较低。同时，通过光刻和/或电镀的方式可以得到布线、凸块结构200、再钝化层开口105、磁性材料薄膜层300的沟槽310等精确的图形尺寸，有利于电感结构的小型化的进一步发展。 

Claims (10)

1.一种带有磁芯的硅基电感结构，包括硅基板（100），所述硅基板（100）包括硅基体（101）和沉积于硅基体（101）表面的钝化层（102），所述钝化层（102）的表面设置布线层（103），所述布线层（103）的分布范围不超出钝化层（102）的分布范围， 

其特征在于：所述布线层（103）包括若干个平行走向的布线，所述硅基板（100）包括硅基板Ⅰ（110）和硅基板Ⅱ（120），所述硅基板Ⅰ（110）的所述布线层（103）的外围覆盖再钝化层（104），并于布线的两端开设再钝化层开口（105），所述硅基板Ⅱ（120）的所述布线的两端设置凸块结构（200），所述凸块结构（200）的位置与再钝化层开口（105）的位置左右对称，所述硅基板Ⅰ（110）上的布线与硅基板Ⅱ（120）上的布线通过再钝化层开口（105）与凸块结构（200）的相向、错位连接形成螺线管型的电感结构，所述电感结构内部设置与凸块结构（200）绝缘的磁性材料薄膜层（300）。

2.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述磁性材料薄膜层（300）设置于硅基板Ⅰ（110）的再钝化层（104）的表面。

3.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述硅基板Ⅱ（120）的布线层（103）的外围设置再钝化层（104）。

4.如权利要求3所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述磁性材料薄膜层（300）设置于硅基板Ⅱ（120）的再钝化层（104）的表面或分别设置于硅基板Ⅰ（110）和硅基板Ⅱ（120）的再钝化层（104）的表面。

5.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述布线层（103）的厚度不小于15微米。

6.如权利要求5所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述布线层（103）的厚度不小于40微米。

7.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述凸块结构（200）包括金属柱（210）和焊锡帽（220），所述焊锡帽（220）设置在金属柱（210）的顶端。

8.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述硅基板Ⅰ（110）的布线与硅基板Ⅱ（120）的布线错位。

9.如权利要求1或8所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述布线为曲线或折线。

10.如权利要求1所述的一种带有磁芯的硅基电感结构，其特征在于，所述磁性材料薄膜层（300）设置消磁饱和图形，所述消磁饱和图形包括若干个沟槽（310）。

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