CN112086274B

CN112086274B - 一种带磁芯的微型变压器的制作方法和变压器

Info

Publication number: CN112086274B
Application number: CN202010731130.8A
Authority: CN
Inventors: 薛恺; 钟智勇; 郑宗森; 叶根祥; 林志滨; 王康
Original assignee: Xiamen Yun Tian Semiconductor Technology Co ltd; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Xiamen Yun Tian Semiconductor Technology Co ltd; University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN112086274A

Abstract

一种带磁芯的微型变压器的制作方法和变压器，包括如下步骤：1)在磁性衬底上制作多个微槽结构；2)在隐性框架衬底上制作若干通孔组，并往通孔组内填充金属材料构成嵌入式互联结构；3)对隐性框架衬底进行切割构成若干具有至少一嵌入式互联结构的隐性框架，将隐性框架嵌入对应的微槽结构内并固定；4)在磁性衬底的正面和背面分别制作至少两组平面互联结构，每组平面互联结构与相邻两隐性框架的嵌入式互联结构电性连接，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组；5)在至少一初级绕组上制作输入端口，在至少一次级绕组上制作输出端口。本发明利用磁性材料组成闭合回路实现更高的转化效率，制作的小型化的高性能变压器，可以为小型化电子产品以及便携式可穿戴系统提供高集成密度的电源管理解决方案。

Description

一种带磁芯的微型变压器的制作方法和变压器

技术领域

本发明涉及变压器领域，特别是指一种带磁芯的微型变压器的制作方法和变压器。

背景技术

随着电子产品性能的提高，电子产品的小型化、轻量化和集成化的要求越来越严格，但是无源器件的小型化却大大落后于有源器件的小型化，尤其是感性器件。因为磁性材料加工工艺和微电子工艺无法兼容，电子系统中电感的小型化和集成化水平仍然很低。虽然当前学术界和产业界对微型电感和变压器的研发越来越重视，但是片上电感仍无法有效提高电感密度，片上变压器的性能也受到很大限制。片上感性器件研发仍然无法取得突破的原因有以下几点：1、传统的电感工艺难以实现电感器件的微电子化；2、微电子行业的工艺无法兼容磁性材料的制作工艺，使得片上集成感性器件性能受到限制；3、要进行深入的电感器件研发需要有电磁学的器件设计理论，磁性材料的知识背景和研发加工条件，微电子工艺的系统集成能力等多学科的背景和实验条件，而且这几个学科的专业性都很高，实验条件投入巨大，学科交叉度不高，使得同时满足这几个条件的难度太大，限制了感性器件的研发水平。

随着5G通信系统的发展，片上系统的工作电压不断降低,使得集成变压器的作用日益显著。片上集成变压器的应用需求将越来越多，比如：在低压电路中可以提供无电压摆幅损耗的级间耦合，在射频电路中能够引入低噪声反馈网络，更是正交压控振荡器的重要元件。但是由于磁性材料片上集成技术的制约，片上集成变压器的效率等性能指标受到很大限制。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种带磁芯的微型变压器的制作方法和变压器，采用微电子工艺制作微型变压器绕组，并利用重构技术完成嵌入式磁芯制作，实现高集成化的微型变压器结构。

本发明采用如下技术方案：

一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在磁性衬底上制作多个微槽结构；

2)在隐性框架衬底上制作若干通孔组，并往通孔组内填充金属材料构成嵌入式互联结构；

3)对隐性框架衬底进行切割构成若干具有至少一嵌入式互联结构的隐性框架，将隐性框架嵌入对应的微槽结构内并固定；

4)在磁性衬底的正面和背面分别制作至少两组平面互联结构，每组平面互联结构与相邻两隐性框架的嵌入式互联结构电性连接，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组；

5)在初级绕组上制作至少一组输入端口，在次级绕组上制作至少一输出端口。

优选的，采用激光刻蚀、等离子体轰击、喷砂或超声波刻蚀制作所述微槽结构。

优选的，所述微槽结构为盲孔或通孔，微槽结构的边长为0.05-1.5mm。

优选的，所述隐性框架衬底为硅、玻璃、陶瓷或有机基板，其厚度为0.05-1.5mm。

优选的，步骤2)中，采用涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶的方式，或直接用激光或机械钻孔制作所述通孔组。

优选的，步骤2)中，往通孔组内填充金属材料，具体包括：先在隐性框架衬底的正面和背面制作金属薄膜做种子层，然后利用电镀工艺填充通孔。

优选的，所述隐性框架的长度和宽度分别小于微槽结构的长度和宽度；所述隐性框架的长度和宽度与微槽结构的长度和宽度的差值在1um-50um之间。

优选的，采用胶类物质将所述隐性框架固定于所述微槽结构内；所述隐性框架的高度和微槽结构的高度的差值在-50um至+50um之间。

一种带磁芯的微型变压器，其特征在于：包括磁性衬底、若干隐性框架和若干组平面互联结构；该磁性衬底开设有多个微槽结构，微槽结构之外构成磁芯；每个隐性框架内具有至少一嵌入式互联结构，隐性框架嵌于对应的微槽结构内；每组平面互联结构与相邻两隐性框架的嵌入式互联结构相连，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组；初级绕组还设有至少一组输入端口，次级绕组设有至少一组输出端口。

优选的，磁性衬底设有三个所述微槽结构，中部的隐性框架具有至少两嵌入式互联结构，其一嵌入式互联结构与相邻一侧的隐性框架的嵌入式互联结构之间通过一组所述平面互联结构电性连接构成初级绕组，该隐性框架的另一嵌入式互联结构与另一相邻侧的隐性框架的嵌入式互联结构之间通过另一组所述平面互联结构电性连接构成次级绕组。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明是一种实现低成本高性能片上变压器的工艺方法和结构，采用微电子工艺制作微型变压器，并利用重构技术完成嵌入式磁芯制作，实现高集成化的微型变压器结构。

2、本发明的方法和结构，突破了微电子工艺无法实现大尺寸磁芯制作的瓶颈，可以大幅提高片上变压器的性能，解决了微型变压器无法获得高转化效率的难题。

3、本发明的方法和结构，利用微纳加工技术实现带隐性框架的微型变压器，实现了变压器的小型化，利用磁性材料组成闭合回路实现更高的转化效率，可以为小型化电子产品以及便携式可穿戴系统提供高集成密度的电源管理解决方案。

附图说明

图1为本发明磁性衬底结构图；

图2为制作微槽结构图；

图3为隐性框架衬底结构图；

图4为制作通孔结构图；

图5为制作金属薄膜结构图；

图6为填充通孔结构图；

图7为去除多余金属示意图；

图8为切割磁性衬底示意图；

图9为隐性框架嵌入微槽结构示意图；

图10为制作正面的平面互联结构示意图；

图11为制作背面的平面互联结构示意图；

图12为本发明变压器连接示意图(正面)；

图13为本发明变压器连接示意(背面)；

其中：10、磁性衬底，11、微槽结构，12、磁芯，20、隐性框架衬底，21、通孔组，22、隐性框架，23、嵌入式互联结构，24、金属薄膜，25、划片道，26、金属材料，30、第一平面互联结构，40、第二平面互联结构，50、输入端口，60、输出端口。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1至图13，一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在磁性衬底10上制作多个微槽结构11。该磁性衬底10为片状，具有正面和背面，其为磁性材料，形状为方形或圆形等，厚度为0.05-1.5mm，如图1。

微槽结构11的制作工艺可以是激光刻蚀、等离子体轰击、喷砂、超声波刻蚀等，微槽结构11可以通孔，微槽结构11的边长即宽度或长度为0.05-1.5mm，如图2。微槽结构11的数量及形状不作限定。磁性衬底10中，微槽结构11之外构成磁芯12，即磁芯12包围微槽结构。

2)在隐性框架衬底20上制作至少一通孔组21，每个通孔组21设有多个通孔，不同通孔组21的通孔数量可不同，并往通孔组21内填充金属材料26构成嵌入式互联结构23，即每个嵌入式互联结构23具有一通孔组21。该隐性框架衬底20可以是硅、玻璃、陶瓷或有机基板等材质，其为方形或圆形，厚度为0.05-1.5mm。

制作通孔组21可通过涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶等工艺步骤实现，也可以采用激光或机械钻孔的方式实现。该通孔组21为若干贯通隐性框架衬底20的通孔，其可垂直于隐性框架衬底20的正面和背面。该通孔截面为圆形或方形或其它形状，不做限定。

往通孔组21的通孔内填充金属材料26具体包括：先在隐性框架衬底20的正面、背面和孔内侧壁制作金属薄膜24，利用电镀工艺填充通孔。具体如下：

在隐性框架衬底20的正面、背面和孔内壁制作金属薄膜24作为种子层，工艺方式可采用物理气相淀积或蒸发工艺，金属薄膜24可以是一层也可以是多层，种子层的厚度为0.05微米-5微米；利用电镀工艺实现对通孔组21填充金属材料26，该金属材料26可以是铜、锡、银、金等金属中的一种或几种或其合金；利用研磨、抛光、电化学腐蚀、化学腐蚀等工艺的一种或几种，去除隐性框架衬底20表面无用的金属，无用的金属不包括填充在通孔组21内的金属材料26。

3)对隐性框架衬底20进行切割构成若干个具有嵌入式互联结构23的隐性框架22，将隐性框架22嵌入对应的微槽结构11内并固定。该步骤中，可切割成具有一个嵌入式互联结构23的隐性框架22、具有两个或多个嵌入式互联结构23的隐性框架22等。可采用划片工艺对隐性框架衬底20进行切割，形成分立的隐性框架22，参见图8，按照划片道25进行切割。隐性框架22嵌入到微槽结构11内，可采用胶类物质固定，但固定方式不限于此。

该隐性框架22长宽小于通孔的长宽，即隐性框架22的长度小于微槽结构11的长度，隐性框架22的宽度小于微槽结构11的宽度。隐性框架22的长宽和微槽结构11长宽的差值为1微米-50微米之间。该隐性框架22的高度接近微槽结构11的深度，二者的差值在-50微米至+50微米之间。

4)在磁性衬底10的正面和背面分别制作至少两组平面互联结构，每组平面互联结构与相邻两隐性框架22的嵌入式互联结构23电性连接，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组。

具体的，每组平面互联结构包括第一平面互联结构和第二平面互联结构，分别位于磁性衬底10的正面和背面。则分别制作位于磁性衬底10的正面若干组第一平面互联结构30，制作位于磁性衬底10背面的若干组第二平面互联结构40，若干组第一平面互联结构30与若干组第二平面互联结构40相对应。其中，一组第一平面互联结构30与两相邻的隐性框架22的嵌入线圈电性连接，对应的一组第二平面互联结构40与该两相邻的隐性线框22的嵌入式互联结构23电性连接，该组第一平面互联结构30、第二平面互联结构40、嵌入式互联结构23可构成初级绕组或次级绕组。

因此，本发明的磁性衬底10上，可构成若干变压器，每个变压器包括至少一初级绕组和至少一次级绕组。本发明第一平面互联结构30和第二平面互联结构40的材料可与嵌入式互联结构23的金属材料26相同或不同。

本发明中，每个嵌入式互联结构23具有一通孔组21，则每组第一平面互联结构30和第二平面互联结构40设有多个金属线路，金属线路数量可等于或小于通孔数量，根据需要设置以连接成若干匝线圈。第一平面互联结构30的金属线路连接于两隐性框架22正面的两通孔之间，第二平面互联结构40的金属线路连接于两隐性框架22背面的两通孔之间，从而形成具有多匝的初级绕组或次级绕组。

进一步的，还可将磁性衬底10分割成具有至少一变压器的小块，形成分立的器件。优选的，参见图12，该变压器具有三个隐性框架22，位于中部的隐性框架22具有两嵌入式互联结构23，该隐性框架22的一嵌入式互联结构23与相邻一侧的隐性框架22的嵌入式互联结构23之间经由对应组的第一平面互联结构30和第二平面互联结构40电性连接构成初级绕组，该隐性框架22的另一嵌入式互联结构23与另一相邻侧的隐性框架22的嵌入式互联结构23之间经由对应组的第一平面互联结构30和第二平面互联结构40电性连接构成次级绕组。

该步骤中，可采用半导体工艺分别制作该第一平面互联结构30和第二平面互联结构40。具体的，该半导体工艺可以是：

1、采用丝网印刷工艺制作金属线路。

2、采用蒸发或物理气相淀积工艺制作种子层，在种子层上涂光刻胶并完成光刻图形化，在光刻胶打开的区域用化学镀或电镀工艺沉积金属，最后去胶，完成种子层刻蚀形成金属线路。

3、采用蒸发或物理气相淀积工艺制作种子层，然后用化学镀或电镀工艺沉积金属，在金属层上涂光刻胶并完成光刻图形化，去掉光刻胶打开区域的金属，最后去胶形成金属线路

5)在初级绕组上制作至少一组输入端口50，在次级绕组上制作至少一组输出端口60。

参见图11、12、图13，本发明还提出一种带磁芯的微型变压器，包括磁性衬底10、若干隐性框架22和若干组平面互联结构；该磁性衬底10开设有多个微槽结构11，微槽结构11之外构成磁芯12；每个隐性框架22内具有至少一嵌入式互联结构23，隐性框架22嵌于对应的微槽结构11内；每组平面互联结构与相邻两隐性框架22的嵌入式互联结构23相连，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组；初级绕组还设有至少一组输入端口50，次级绕组设有至少一组输出端口60。

具体的，该微槽结构11为至少三个，每个微槽结构11内嵌入的隐性框架22为一个或两个或更多。优选的，微槽结构11为三个，分别嵌入一个隐性框架22，中部的隐性框架22具有两嵌入式互联结构23，两侧的隐性框架22具有一嵌入式互联结构23。

进一步的，该每个嵌入式互联结构23开设有若干通孔，每个通孔内填充有金属材料。

本发明利用微电子工艺技术实现三维互联和变压器绕组制作，实现了小型化的高性能变压器器件。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在磁性衬底上制作多个微槽结构，微槽结构为通孔且微槽之外构成磁芯；

2)在隐性框架衬底上制作若干通孔组，并往通孔组内填充金属材料构成嵌入式互联结构，即每个嵌入式互联结构设有若干通孔，每个通孔内填充有金属材料；

2.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，采用激光刻蚀、等离子体轰击、喷砂或超声波刻蚀制作所述微槽结构。

3.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，所述微槽结构为盲孔或通孔，微槽结构的边长为0.05-1.5mm。

4.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，所述隐性框架衬底为硅、玻璃、陶瓷或有机基板，其厚度为0.05-1.5mm。

5.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，步骤2)中，采用涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶的方式，或直接用激光或机械钻孔制作所述通孔组。

6.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，步骤2)中，往通孔组内填充金属材料，具体包括：先在隐性框架衬底的正面和背面制作金属薄膜做种子层，然后利用电镀工艺填充通孔。

7.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，所述隐性框架的长度和宽度分别小于微槽结构的长度和宽度；所述隐性框架的长度和宽度与微槽结构的长度和宽度的差值在1um-50um之间。

8.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型变压器的制作方法，其特征在于，采用胶类物质将所述隐性框架固定于所述微槽结构内；所述隐性框架的高度和微槽结构的高度的差值在-50um至+50um之间。

9.一种带磁芯的微型变压器，其特征在于：包括磁性衬底、若干隐性框架和若干组平面互联结构；该磁性衬底开设有多个微槽结构，微槽结构为通孔且微槽结构之外构成磁芯；每个隐性框架内具有至少一嵌入式互联结构，每个嵌入式互联结构设有若干通孔，每个通孔内填充有金属材料，隐性框架嵌于对应的微槽结构内；每组平面互联结构与相邻两隐性框架的嵌入式互联结构相连，从而构成至少一初级绕组和至少一次级绕组；初级绕组还设有至少一组输入端口，次级绕组设有至少一组输出端口。

10.如权利要求9所述的一种带磁芯的微型变压器，其特征在于：磁性衬底设有三个所述微槽结构，中部的隐性框架具有至少两嵌入式互联结构，其一嵌入式互联结构与相邻一侧的隐性框架的嵌入式互联结构之间通过一组所述平面互联结构电性连接构成初级绕组，该隐性框架的另一嵌入式互联结构与另一相邻侧的隐性框架的嵌入式互联结构之间通过另一组所述平面互联结构电性连接构成次级绕组。