CN110444364B - 一种叠层磁性薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叠层磁性薄膜，包括2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1，所述2n层磁芯结构包括交替设置的Ni‑Co磁芯层和Ni‑Fe‑W磁芯层。本发明通过依次连续设置的软磁Ni‑Fe‑W合金和Ni‑Co合金，来提高磁芯薄膜磁性能，从而获得高磁性且损耗不会过大的叠层磁性薄膜，以便有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。该制备工艺简单、可靠性强、生产成本低，有利于产业化发展。此外，本发明还涉及一种叠层磁性薄膜的制备方法。

Description

一种叠层磁性薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于薄膜磁芯集成电感技术领域，具体涉及一种叠层磁性薄膜及其制备方法。
背景技术
为了适应电子系统小型化发展的趋势，电感器也朝着多种多样的形式发展。传统的电感器主要是插装式和贴片式，插装式是在空心绕或者磁芯上用导线绕几圈，而贴片式虽然解决了插装式体积大的缺点，但是仍然无法满足高集成度的电子成品。所以有必要发掘轻小型且具有更高感值的电感器，而磁性薄膜电感的出现使得电感器有了很大的发展。
在设计和制作集成平面磁芯电感时，必须采用各种手段提升电感，降低工作中的功率损耗和各种寄生电容，以满足电感的高单位面积感值、高品质因子的应用需求。高磁导率磁芯对提高嵌入式电感的导磁能力具有重要意义。所以，薄膜磁芯集成电感器的磁芯成为一种关键的因素用以实现尺寸的小型化，同时，保证电感器关键性能指标得到有效的提高且稳定性良好。关于集成软磁薄膜的微电感用以提升器件性能的想法得到科研工作者的广泛关注和研究，例如使用软铁磁合金薄膜和纳米磁性颗粒薄膜。然而，这些薄膜表征大多为低电阻(＜1Ω·cm)，经常导致较大的涡流损耗，因此导致器件的品质因子Q值和自谐振频率降低。因此亟需研究一种高磁性且损耗不会过大的磁性薄膜材料用以有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种叠层磁性薄膜及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种叠层磁性薄膜，包括2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1，其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替设置的Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层。
本发明的有益效果是：Ni-Fe-W磁性薄膜由于其具备高阻值和高磁导率的特性可以作为高阻值隔离层且不损坏薄膜的整体的磁性，而Ni-Co磁性薄膜由于其具备低矫顽力和高磁导率特性可以作为磁芯，从而使所述叠层磁性薄膜具有高磁性且损耗不会过大的特征，以有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层为各向同性的Ni-Co磁芯层和各向同性的Ni-Fe-W磁芯层。
采用上述进一步方案的有益效果是：获得性能可靠的2n层磁芯结构，从而使其具有高磁性且损耗不会过大的特征，以保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
进一步的，所述Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层为各向异性的Ni-Co磁芯层和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高磁芯薄膜的承载电流的能力以及提升磁芯包覆平面电感的工作频率。
进一步的，所述Ni-Co磁芯层所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.68～0.76mol/L；硫酸钴：0.28～0.35mol/L；硼酸：0.49～0.57mol/L；乙酸钠：0.30～0.37mol/L；氯化钠：0.17～0.26mol/L；硫酸钠：0.07～0.11mol/L；pH为3.5～4.5；
电镀条件为：电流密度为：250mA/cm2。
进一步的，所述Ni-Fe-W磁芯层所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.15mol/L，硫酸亚铁：0.005mol/L，钨酸钠：0.0006mol/L，柠檬酸氢二胺：0.16mol/L，柠檬酸：0.08mol/L，硼酸：0.12mol/L，糖精：0.05mol/L，pH为8；
电镀条件为：电流密度为：50mA/cm2。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种叠层磁性薄膜的制备方法，包括步骤：
选取导电金属层作为磁性薄膜载体；
在所述导电金属层的第一表面形成2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1；
去除导电金属层；
其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替制备的Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层。
本发明的有益效果是：Ni-Fe-W磁性薄膜由于其具备高阻值和高磁导率的特性可以作为高阻值隔离层且不损坏薄膜的整体的磁性，而Ni-Co磁性薄膜由于其具备低矫顽力和高磁导率特性可以作为磁芯，从而使所述叠层磁性薄膜具有高磁性且损耗不会过大的特征，以保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，在所述导电金属层的第一表面形成2n层磁芯结构之前，包括步骤：
对所述导电金属层的与第一表面相反的第二表面进行光刻胶旋涂处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：防止在导电金属层的两面都形成磁性薄膜。
进一步的，所述形成2n层磁芯结构的步骤，具体包括：
S11：采用电镀工艺在所述导电金属层的第一表面形成一层各向同性的Ni-Co磁芯层；
S12：对所述Ni-Co磁芯层进行去离子水清洗；
S13：采用电镀工艺在所述Ni-Co磁芯层上形成各向同性的Ni-Fe-W磁芯层；
S14：重复步骤S11-S13m次，m≥1。
采用上述进一步方案的有益效果是：制备性能可靠的2n层磁芯结构，从而使其具有高磁性且损耗不会过大的特征，以保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
进一步的，在进行步骤S11-S14时，施加诱导磁场，形成各向异性的Ni-Co磁芯层和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层，所述诱导磁场的磁场强度为50mT-150mT。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高磁芯薄膜的承载电流的能力以及提升磁芯包覆平面电感的工作频率。
进一步的，所述在所述导电金属层的第一表面形成2n层磁芯结构之后，还包括步骤：
采用丙酮溶液清除所述光刻胶，并经去离子水清洗。
附图说明
图1是本发明的叠层磁性薄膜的截面示意图；
图2是各向同性Ni-Co磁性薄膜、各向异性Ni-Co磁性薄膜的VSM仪器测试的磁滞回线对比图；
图3是各向同性Ni-Fe-W磁性薄膜、各向异性Ni-Fe-W磁性薄膜的VSM仪器测试的磁滞回线对比图；
图4是本发明的各向同性Ni-Co、Ni-Fe-W叠层薄膜、各向异性Ni-Co、Ni-Fe-W叠层薄膜的VSM仪器测试的磁滞回线对比图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、导电金属层，2、Ni-Co磁芯层，3、Ni-Fe-W磁芯层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明的第一实施例提供一种叠层磁性薄膜，包括2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1，其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替设置的Ni-Co磁芯层2和Ni-Fe-W磁芯层3。
上述实施例中，Ni-Fe-W磁性薄膜由于其具备高阻值和高磁导率的特性可以作为高阻值隔离层且不损坏薄膜的整体的磁性，而Ni-Co磁性薄膜由于其具备低矫顽力和高磁导率特性可以作为磁芯，从而使所述叠层磁性薄膜具有高磁性且损耗不会过大的特征，以有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
其中，所述导电金属层1为铜箔金属或铝箔金属，所述叠层磁性薄膜任意相邻两层间层份不同。
可选地，所述Ni-Co磁芯层2和Ni-Fe-W磁芯层3为各向同性的Ni-Co磁芯层2和各向同性的Ni-Fe-W磁芯层3。
上述实施例获得性能可靠的2n层磁芯结构，从而使其具有高磁性且损耗不会过大的特征，以保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
可选地，所述Ni-Co磁芯层2和Ni-Fe-W磁芯层3为各向异性的Ni-Co磁芯层2和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层3。
上述实施例提高磁芯薄膜的承载电流的能力以及提升磁芯包覆平面电感的工作频率。
可选地，所述Ni-Co磁芯层2所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.68～0.76mol/L；硫酸钴：0.28～0.35mol/L；硼酸：0.49～0.57mol/L；乙酸钠：0.30～0.37mol/L；氯化钠：0.17～0.26mol/L；硫酸钠：0.07～0.11mol/L；pH为3.5～4.5；
电镀条件为：电流密度为：250mA/cm2。
可选地，所述Ni-Fe-W磁芯层3所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.15mol/L，硫酸亚铁：0.005mol/L，钨酸钠：0.0006mol/L，柠檬酸氢二胺：0.16mol/L，柠檬酸：0.08mol/L，硼酸：0.12mol/L，糖精：0.05mol/L，pH为8；
电镀条件为：电流密度为：50mA/cm2。
本发明第二实施例提供一种叠层磁性薄膜的制备方法，包括步骤：
选取导电金属层1作为磁性薄膜载体；
在所述导电金属层1的第一表面形成2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1；
去除导电金属层1；
其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替制备的Ni-Co磁芯层2和Ni-Fe-W磁芯层3。
上述实施例中，Ni-Fe-W磁性薄膜由于其具备高阻值和高磁导率的特性可以作为高阻值隔离层且不损坏薄膜的整体的磁性，而Ni-Co磁性薄膜由于其具备低矫顽力和高磁导率特性可以作为磁芯，从而使所述叠层磁性薄膜具有高磁性且损耗不会过大的特征，以有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
可选地，在所述导电金属层1的第一表面形成2n层磁芯结构之前，包括步骤：
对所述导电金属层1的与第一表面相反的第二表面进行光刻胶旋涂处理。
上述实施例可以防止在导电金属层的两面都形成磁性薄膜。
可选地，所述形成2n层磁芯结构的步骤，具体包括：
S11：采用电镀工艺在所述导电金属层1的第一表面形成一层各向同性的Ni-Co磁芯层2；
S12：对所述Ni-Co磁芯层2进行去离子水清洗；
S13：采用电镀工艺在所述Ni-Co磁芯层2上形成各向同性的Ni-Fe-W磁芯层3；
S14：重复步骤S11-S13m次，m≥1。
上述实施例可制备性能可靠的2n层磁芯结构，从而使其具有高磁性且损耗不会过大的特征，以保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。
可选地，在进行步骤S11-S14时，施加诱导磁场，形成各向异性的Ni-Co磁芯层2和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层3，所述诱导磁场的磁场强度为50mT-150mT。
上述实施例可提高磁芯薄膜的承载电流的能力以及提升磁芯包覆平面电感的工作频率。
可选地，所述在所述导电金属层1的第一表面形成2n层磁芯结构之后，还包括步骤：
采用丙酮溶液清除所述光刻胶，并经去离子水清洗。
Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层的磁滞回线对比图，如图2-4所示，附图中，实线表示参考组，虚线表示易磁化轴，点线表示难磁化轴；参考组表示磁芯层，在未加诱导磁场时，测量得到的磁滞回线；易磁化轴表示磁芯层，在施加诱导磁场时，测量与诱导磁场同方向的磁滞回线；难磁化轴表示磁芯层，在施加诱导磁场时，测量与诱导磁场正交方向的磁滞回线。
结合图2-4可以获知Ni-Co磁芯层和Ni-Fe-W磁芯层的矫顽力和饱和磁化强度，如表1所示：
Figure BDA0002182983850000061
从表1可知，各向异性Ni-Co较各向同性Ni-Co有更低的矫顽力和更高的饱和磁化强度；各向异性Ni-Fe-W较各向同性Ni-Fe-W有更低的矫顽力和更高的饱和磁化强度；叠层磁性薄膜较Ni-Co、Ni-Fe-W磁性薄膜饱和磁化强度有较大的提高，且损耗不会过大。
本发明的叠层磁性薄膜具有高磁性且损耗不会过大的特征，从而有效提升电感元件的电感值，保证较高的品质因子和磁芯薄膜稳定性。由于软磁金属合金具有高的饱和磁流密度且与CMOS制备工艺例如电镀和磁控溅射以及和PCB印制电路制备工艺相兼容，可以制备片上紧凑型功率器件，易于工业批量生产。此外，本发明通过控制诱导磁场强度并通过控制电镀时间来控制两种磁芯薄膜的厚度，实现对薄膜磁芯制备的标准化。本发明的叠层磁性薄膜可以在高频波段使用(1MHz-100MHz)，且稳定性很好，在集成稳压、电源模块和传感器等方面有重要的应用价值。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种叠层磁性薄膜，包括2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1，其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替设置的Ni-Co磁芯层(2)和Ni-Fe-W磁芯层(3)；采用电镀工艺形成Ni-Co磁芯层(2)和Ni-Fe-W磁芯层(3)。
2.根据权利要求1所述的一种叠层磁性薄膜，其特征在于：所述Ni-Co磁芯层(2)和Ni-Fe-W磁芯层(3)为各向同性的Ni-Co磁芯层(2)和各向同性的Ni-Fe-W磁芯层(3)。
3.根据权利要求1所述的一种叠层磁性薄膜，其特征在于：所述Ni-Co磁芯层(2)和Ni-Fe-W磁芯层(3)为各向异性的Ni-Co磁芯层(2)和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层(3)。
4.根据权利要求1所述的一种叠层磁性薄膜，其特征在于：所述Ni-Co磁芯层(2)所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.68～0.76mol/L；硫酸钴：0.28～0.35mol/L；硼酸：0.49～0.57mol/L；乙酸钠：0.30～0.37mol/L；氯化钠：0.17～0.26mol/L；硫酸钠：0.07～0.11mol/L；pH为3.5～4.5；
电镀条件为：电流密度为：250mA/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种叠层磁性薄膜，其特征在于：所述Ni-Fe-W磁芯层(3)所使用的电镀液配方为：硫酸镍：0.15mol/L，硫酸亚铁：0.005mol/L，钨酸钠：0.0006mol/L，柠檬酸氢二胺：0.16mol/L，柠檬酸：0.08mol/L，硼酸：0.12mol/L，糖精：0.05mol/L，pH为8；
电镀条件为：电流密度为：50mA/cm2。
6.一种叠层磁性薄膜的制备方法，包括步骤：
选取导电金属层(1)作为磁性薄膜载体；
在所述导电金属层(1)的第一表面形成2n层磁芯结构，n为正整数，且n≥1；
去除导电金属层(1)；
其特征在于，所述2n层磁芯结构包括交替制备的Ni-Co磁芯层(2)和Ni-Fe-W磁芯层(3)；
所述形成2n层磁芯结构的步骤，具体包括：
S11：采用电镀工艺在所述导电金属层(1)的第一表面形成一层各向同性的Ni-Co磁芯层2；
S12：对所述Ni-Co磁芯层(2)进行去离子水清洗；
S13：采用电镀工艺在所述Ni-Co磁芯层(2)上形成各向同性的Ni-Fe-W磁芯层(3)；
S14：重复步骤S11-S13m次，m≥1。
7.根据权利要求6所述的一种叠层磁性薄膜的制备方法，其特征在于：在所述导电金属层(1)的第一表面形成2n层磁芯结构之前，包括步骤：
对所述导电金属层(1)的与第一表面相反的第二表面进行光刻胶旋涂处理。
8.根据权利要求6所述的一种叠层磁性薄膜的制备方法，其特征在于：在进行步骤S11-S14时，施加诱导磁场，形成各向异性的Ni-Co磁芯层(2)和各向异性的Ni-Fe-W磁芯层(3)，所述诱导磁场的磁场强度为50mT-150mT。
9.根据权利要求7所述的一种叠层磁性薄膜的制备方法，其特征在于：所述在所述导电金属层(1)的第一表面形成2n层磁芯结构之后，还包括步骤：
采用丙酮溶液清除所述光刻胶，并经去离子水清洗。
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