CN104538383A - 一种高效率的集成电感结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高效率的集成电感结构，包括第一衬底、第二衬底，嵌入所述第一衬底中的第一金属线条层，嵌入所述第二衬底中的第二金属线条层，所述第一金属线条层和第二金属线条层通过金属导体层相向、错位连接形成螺线管形状，所述第一金属线条层通过金属通孔与第一衬底的另一表面电学连接。本发明提供的集成电感可实现较大的金属线条厚度值，有利于实现小的电阻，同时控制磁芯的横截面积还可实现大的电感，从而得到高效率的集成电感及变压器。

Description

一种高效率的集成电感结构

技术领域

本发明涉及电感器，尤其涉及一种用于电源管理的高效率的集成电感结构。

背景技术

电感在电路中具有广泛的应用，尤其在电源管理集成电路中，电感是最难在集成电路中实现的元件，它的性能参数直接影响着电路的性能。随着移动和可穿戴电子设备的电源管理的快速发展，高性能的集成电感及变压器具有了更加迫切的市场需求。高性能的集成功率电感及变压器需要具有高的集成度、大的电感和小的直流电阻，这就要求集成功率电感及变压器的器件结构能够紧凑有效地实现具有大的横截面积的金属线圈线条以及具有大的横截面积的磁芯。

发明内容

本发明提出了一种高效率的集成电感结构，该集成电感包括两个带有金属线条层的衬底，两层金属线条层均嵌入相应的衬底中，所述两层金属线条层和连接两层金属线条层的金属导体层形成螺线管形状，两层金属线条层之间还可设置磁芯。本发明集成电感可实现较大的金属线条厚度值，有利于实现小的电阻，同时控制磁芯的横截面积还可实现大的电感，从而得到高效率的集成电感及变压器。

本发明的技术方案如下：

一种高效率的集成电感结构，包括第一衬底11、第二衬底12，嵌入所述第一衬底11中的第一金属线条层21，嵌入所述第二衬底12中的第二金属线条层22，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22通过金属导体层4相向、错位连接形成螺线管形状，所述第一金属线条层21通过金属通孔23与第一衬底11的另一表面电学连接。

进一步地，所述第一金属线条层21与第二金属线条层22之间还有磁芯5，所述磁芯5设置于第一金属线条层表面或设置于第二金属线条层表面，所述第一金属线条层21、第二金属线条层22和金属导体层4组成的螺线管形状的金属线圈环绕磁芯5。

进一步地，所述第一金属线条层21和金属通孔23与第一衬底11之间设置第一绝缘层31。

进一步地，所述第二金属线条层22与第二衬底12之间设置第二绝缘层32。

进一步地，所述第一金属线条层21表面和面向第二金属线条层22的第一衬底表面设置第三绝缘层33，所述第二金属线条层22表面和面向第一金属线条层21的第二衬底表面设置第四绝缘层34。

进一步地，所述第三绝缘层33和第四绝缘层34之间还有磁芯5，所述磁芯设置于第三绝缘层表面或者设置于第四绝缘层表面，所述第一金属线条层21、第二金属线条层22和金属导体层4组成的螺线管形状的金属线圈环绕磁芯5。

进一步地，上述结构中第一金属线条层21或第二金属线条层22可直接与外界电学连接。

进一步地，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22的厚度为20～200μm，线宽为10～50μm。

进一步地，所述第一衬底11和第二衬底12的厚度为200～400μm。

进一步地，所述第一衬底11和第二衬底12为硅等。

进一步地，所述第一金属线条层21、第二金属线条层22和金属通孔23为铜、金、铝、钨、钽等金属及其氮化物、合金中的一种或两种以上组成，采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法制备得到。

进一步地，所述金属导体层4为铜、金、钛、钨、镍、锡等金属及其氮化物、合金中的一种或两种以上组成。

进一步地，所述金属导体层采用倒装焊接法制备得到，具体地，在第一金属线条层21和第二金属线条层22中需要连接的线条的两端形成金属凸块和焊锡帽，进行倒装焊接即可得到，所述焊锡帽设置在金属凸块的顶端。

进一步地，所述磁芯5为镍铁合金、铁氧体等磁性材料及其与介质材料形成的层状结构，采用电镀、溅射、旋转涂布、丝网印刷、喷涂等方法制备得到。

进一步地，所述第一绝缘层31、第二绝缘层32、第三绝缘层33和第四绝缘层34为硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、聚酰亚胺、苯并环丁烯中的一种或两种以上组成的绝缘层，采用热氧化、化学气相沉积、旋转涂布等方法制备得到。

其中，当所述第一衬底11导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，上述结构可不需要第一绝缘层31，当所述第二衬底12导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，上述结构可不需要第二绝缘层32，当所述磁芯5导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，上述结构可不需要第三绝缘层33和第四绝缘层34。

进一步地，所述金属通孔23的截面为圆形、矩形、三角形等形状。

进一步地，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22中的金属线条的截面为矩形、椭圆形等形状。

进一步地，所述金属导体层4的截面为圆形、矩形等其他形状，所述磁芯的截面为矩形等形状。

进一步地，所述第一金属线条层或第二金属线条层与外界电学连接可通过第一衬底或第二衬底上的金属通孔实现，也可将第一金属线条层或第二金属线条层直接与外界电学连接。

进一步地，所述磁芯5可形成闭合的环。

进一步地，上述磁芯5形成的闭合环中可有开口6，用于增加磁芯储存能量的能力。

进一步地，两个或多个环绕闭合环磁芯5的螺线管金属线圈可组成耦合电感或变压器。

进一步地，上述两个或多个环绕闭合环磁芯5的螺线管金属线圈组成的耦合电感或变压器，其中所述磁芯5具有两个或多个闭合矩形环。

本发明的有益效果为：本发明的第一金属线条层和第二金属线条层均嵌入相应的衬底中，可实现较大的金属线条的厚度值，且金属导体层中电流流动的方向垂直于衬底表面，可通过版图设计实现大的截面积，故该集成电感结构可实现小的电阻；另一方面，本发明所述磁芯设置于第一金属线条层和第二金属线条层之间，且磁芯制作在一个平整的表面上，更有利于实现高性能的磁芯的平坦化制备，此外，该结构中对磁芯的厚度没有限制，可控制磁芯的厚度实现大的电感。因此，本发明的集成电感可同时实现小的电阻和大的电感，从而得到高效率的集成电感及变压器。

附图说明

图1为本发明提供的一种高效率的集成电感结构的示意图。

图2为图1所示集成电感沿XX’X”面的截面图。

图3为本发明提供的集成电感的金属通孔、第一金属线条层、第二金属线条层、金属导体层的截面图；(a)为集成电感的金属通孔沿图2中A-A’的截面图；(b)为集成电感的第一金属线条层沿图2中B-B’的截面图；(c)为集成电感的金属导体层沿图2中C-C’的截面图；(d)为集成电感的第二金属线条层沿图2中D-D’的截面图。

图4为本发明提供的集成电感中的第一金属线条层、第二金属线条层、金属导体层、金属通孔和磁芯5组成的结构的俯视图。

图5为本发明一实施例的集成电感沿图1中所示XX’X”面的截面示意图。

图6为本发明一实施例的集成电感沿图1中所示XX’X”面的截面示意图。

图7为本发明一实施例的集成电感沿图1中所示XX’X”面的截面示意图。

图8为本发明的一种含闭合矩形环磁芯的集成电感的第一金属线条层、第二金属线条层、金属导体层、金属通孔和磁芯5组成的结构的俯视图。

图9为本发明的一种有开口的矩形环磁芯的集成电感的第一金属线条层、第二金属线条层、金属导体层、金属通孔和磁芯5组成的结构的俯视图。

图10为两个环绕闭合矩形环磁芯的螺线管线圈形成的集成电感组成的耦合电感或变压器的结构示意图。

图11为环绕两个闭合矩形环的磁芯5的三个螺线管线圈形成的集成电感组成的耦合电感或变压器的结构示意图。

图中，11为第一衬底，12为第二衬底，21为第一金属线条层，22第二金属线条层，23为金属通孔，31为第一绝缘层，32为第二绝缘层，33为第三绝缘层，34为第四绝缘层，4为金属导体层，5为磁芯，6为闭合矩形环磁芯的开口。

具体实施方式

本发明提出的一种高效率的集成电感包括两个带有金属线条层的衬底，分别为第一衬底11和第二衬底12，所述金属线条层嵌入相应的衬底中，所述第一衬底11和第二衬底12中的金属线条层通过金属导体层4电学连接，所述两条金属线条层(21,22)和金属导体层4形成螺线管形状的金属线圈，得到立体的螺线管型的电感结构，并于电感结构的第一金属线条层和第二金属线条层之间设置磁芯5，本发明的集成电感可同时实现小的电阻和大的电感，得到高效率的集成电感及变压器。

本发明提供的一种具体的集成电感结构，包括第一衬底11、第二衬底12，嵌入所述第一衬底11中的第一金属线条层21，嵌入所述第二衬底12中的第二金属线条22，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22通过金属导体层4相向、错位连接形成螺线管形状，所述第一金属线条层21通过金属通孔23与第一衬底11的另一表面电学连接，所述第一金属线条层21和金属通孔23与第一衬底11之间设置第一绝缘层31，所述第二金属线条层22与第二衬底12之间设置第二绝缘层32，所述第一金属线条层21表面和面向第二金属线条层22的第一衬底表面设置第三绝缘层33，所述第二金属线条层22表面和面向第一金属线条层21的第二衬底表面设置第四绝缘层34，所述第三绝缘层33和第四绝缘层34之间还有磁芯5，所述磁芯5设置于第四绝缘层34表面，所述第一金属线条层21、第二金属线条层22和金属导体层4组成的螺线管形状的金属线圈环绕磁芯5。

其中，所述磁芯5还可设置于第三绝缘层33表面，如图5所示。

进一步地，上述集成电感还可去掉磁芯5，如图6所示。

进一步地，上述结构中第一金属线条层21或第二金属线条层22可直接与外界电学连接，如图7所示。

进一步地，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22的厚度为200μm、线宽为30μm；所述第一衬底11和第二衬底12的厚度为300μm。

进一步地，所述金属通孔23的截面为圆形、矩形、三角形等形状，如图3(a)所示。

进一步地，所述第一金属线条层21和第二金属线条层22中的金属线条的截面为矩形、椭圆形或者可实现正确连接的其他形状，如图3(b)和3(d)所示。

进一步地，所述金属导体层4的截面为圆形、矩形等其他形状，所述磁芯的截面为矩形等形状，如图3(c)。

进一步地，所述第一金属线条层或第二金属线条层与外界电学连接可通过第一衬底或第二衬底上的金属通孔实现，也可将第一金属线条层或第二金属线条层直接与外界电学连接。

进一步地，所述金属导体层采用倒装焊接法制备得到，具体地，在第一金属线条层21和第二金属线条层22中需要连接的线条的两端形成金属凸块和焊锡帽，进行倒装焊接即可得到，所述焊锡帽设置在金属凸块的顶端，所述金属凸块为金属柱。

其中，金属导体层4与第一金属线条层21和第二金属线条层22连接部分没有绝缘层。

进一步地，当所述第一衬底11导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，所述集成电感可不需要第一绝缘层31，当所述第二衬底12导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，所述集成电感可不需要第二绝缘层32，当所述磁芯5导电性能差(电阻率大于1000Ω·cm)时，所述集成电感可不需要第三绝缘层33和第四绝缘层34。

进一步地，所述磁芯5可形成闭合的矩形环，如图8所示。

进一步地，上述磁芯5形成的闭合矩形环中可有开口6，用于增加磁芯储存能量的能力，如图9所示。

进一步地，两个环绕闭合矩形环磁芯5的螺线管金属线圈可组成耦合电感或变压器，如图10所示。

进一步地，上述两个或多个环绕闭合矩形环磁芯5的螺线管金属线圈组成的耦合电感或变压器，其中所述磁芯5具有两个或多个闭合矩形环，如图11所示。

Claims (10)

1.一种高效率的集成电感结构，包括第一衬底(11)、第二衬底(12)，嵌入所述第一衬底(11)中的第一金属线条层(21)，嵌入所述第二衬底(12)中的第二金属线条层(22)，所述第一金属线条层(21)和第二金属线条层(22)通过金属导体层(4)相向、错位连接形成螺线管形状，所述第一金属线条层(21)通过金属通孔(23)与第一衬底(11)的另一表面电学连接。

2.根据权利要求1所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第一金属线条层(21)与第二金属线条层(22)之间还有磁芯(5)，所述磁芯(5)设置于第一金属线条层表面或设置于第二金属线条层表面。

3.根据权利要求1所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第一金属线条层(21)和金属通孔(23)与第一衬底(11)之间设置第一绝缘层(31)。

4.根据权利要求1所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第二金属线条层(22)与第二衬底(12)之间设置第二绝缘层(32)。

5.根据权利要求1所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第一金属线条层(21)表面和面向第二金属线条层(22)的第一衬底表面设置第三绝缘层(33)，所述第二金属线条层(22)表面和面向第一金属线条层(21)的第二衬底表面设置第四绝缘层(34)。

6.根据权利要求5所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第三绝缘层(33)和第四绝缘层(34)之间还有磁芯(5)，所述磁芯设置于第三绝缘层表面或者设置于第四绝缘层表面。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述第一金属线条层(21)和第二金属线条层(22)的厚度为20～200μm。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的高效率的集成电感结构，其特征在于，所述磁芯(5)为闭合的环或有开口的环。

9.一种耦合电感，包含n个权利要求1至6中任一项所述的高效率的集成电感结构，其中，磁芯形成1个或两个以上的环，n≥2。

10.一种变压器，包含n个权利要求1至6中任一项所述的高效率的集成电感结构，其中，磁芯形成1个或两个以上的环，n≥2。