CN112086282A

CN112086282A - 一种带磁芯的微型化三维电感制作方法和结构

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Publication number: CN112086282A
Application number: CN202010731103.0A
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: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN112086282B

Abstract

一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法和结构，包括如下步骤：1)在磁性衬底上制作至少一微槽结构；2)在隐性框架衬底上制作若干通孔，并往通孔内填充金属材料；3)对隐性框架衬底进行切割构成若干具有的金属材料的隐性框架，将隐性框架嵌入微槽结构内并固定；4)在磁性衬底的正面和背面分别制作第一平面互联结构和第二平面互联结构，该第一平面互联结构和第二平面互联结构分别与隐性框架的金属材料电性连接构成至少一电感绕组。本发明实现了高容量的小型化电感器件。

Description

一种带磁芯的微型化三维电感制作方法和结构

技术领域

本发明涉及磁性材料加工、微电子工艺、磁性元器件领域，特别是一种三维电感的制作方法和结构。

背景技术

随着电子产品性能的提高，电子产品的小型化、轻量化和集成化的水平越来越高，系统工作频率不断提高，工作电压越来越低，系统对信号传输的质量要求也越来越高，传统的解决方案已经无法完全适应新技术对高密度系统集成的技术要求；同时，无源器件的小型化和集成化也已经成为制约电子系统发展的重要瓶颈问题。为了解决这一问题，研发人员开发出了多种沉积磁心薄膜的加工方法，例如筛网印刷、溅射和电镀等。但是用筛网印刷成膜的铁氧体层要在900～1000℃的温度下烧结，这是与标准型集成电路制造工艺不相容的；用溅射工艺制作的磁心厚度有限，成本较高，限制了该技术的产业化发展；使用电镀成膜的磁性材料磁心的电感Q值一般比用溅射技术或用筛网印制技术成膜材料的Q值低，主要原因是由磁性材料的电导率引起的，在电感器的工作频率增高时，磁心的涡流损耗将增大。除了磁性材料与微电子工艺的兼容性外，半导体工艺一般都是平面工艺，只能实现片式电感，很大程度上限制了电感的性能。

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化三维电感制作方法和结构，利用微电子工艺技术实现三维互联和线圈制作，实现了高容量的小型化电感器件。

本发明采用如下技术方案：

一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在磁性衬底上制作至少一微槽结构；

2)在隐性框架衬底上制作若干通孔，并往通孔内填充金属材料；

3)对隐性框架衬底进行切割构成若干具有的金属材料的隐性框架，将隐性框架嵌入微槽结构内并固定；

4)在磁性衬底的正面和背面分别制作第一平面互联结构和第二平面互联结构，该第一平面互联结构和第二平面互联结构分别与隐性框架的金属材料电性连接构成至少一电感绕组。

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0.05-3mm。

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0.05-3mm。

优选的，步骤2)中，采用涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶制作所述通孔。

优选的，步骤2)中，往通孔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，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；或者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-400um之间。

优选的，所述隐性框架的高度和通孔的高度的差值在-50um至+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。

一种带磁芯的微型化三维电感结构，其特征在于：包括磁性衬底、隐性框架、第一平面互联结构和第二平面互联结构；该磁性衬底开设有至少一微槽结构，微槽结构之外构成磁芯；该隐性框架嵌于微槽结构内并填充有金属材料，该第一平面互联结构位于磁性衬底正面且与金属材料电性相连；该第二平面互联结构位于磁性衬底背面且与金属材料电性连接。

优选的，所述磁性衬底设有至少两隐性框架，每个隐性框架设有多个填充有金属材料的通孔；第一平面互联结构和第二平面互联结构分别设有多个金属线路，第一平面互联结构的金属线路连接于两隐性框架正面的两对应的通孔之间，第二平面互联结构的金属线路连接于两隐性框架背面的两对应的通孔之间，从而构成一电感绕组。

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：

1、本发明是一种实现低成本三维互联结构的工艺方法和结构，采用微电子工艺制作微型三维电感绕组，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电感结构。

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，极大地提高了电感容量和性能优化空间，可以获得更高的电感品质因数和感值，解决了微型电感无法获得高电感密度的难题。

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线圈，实现了电感的小型化，保证了磁心的高磁感应强度，散磁通小，可以做到较大的感值，电感性能可调空间大，可以为小型化可穿戴系统提供高集成密度的解决方案。

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为本发明三维电感结构图(正面)；

图13为本发明三维电感结构图(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，22、隐性框架，23、金属材料，24、金属薄膜，25、划片道，30、第一平面互联结构，40、第二平面互联结构。

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。

参照图1至图13，一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，包括如下步骤：

1)在磁性衬底10上制作至少一微槽结构11。该磁性衬底为片状，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0.05-3mm。

该微槽结构11的制作工艺可以是激光刻蚀、等离子体轰击、喷砂或超声波刻蚀等，微槽结构11的边长也即宽度或长度为0.05-3mm。微槽结构11的数量及形状不作限定。磁性衬底中，微槽结构之外构成磁芯，即磁芯包围微槽结。

2)在隐性框架衬底20上制作若干通孔21，并往通孔21内填充金属材料23。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21为通过涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶等工艺步骤实现。该通孔21为贯通隐性框架衬底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21截面为圆形或方形或其它形状，不做限定。

往通孔21内填充金属材料23具体包括：先在隐性框架衬底20的正面和背面制作金属薄膜24，利用电镀工艺填充通孔。具体如下：

在隐性框架衬底20的正面和背面制作金属薄膜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21填充金属材料23，该金属材料23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21内的金属材料。

3)对隐性框架衬底20进行切割构成若干具有金属材料23的隐性框架22，将隐性框架22嵌入微槽结构11内并固定。该步骤中，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可作为嵌入式线圈，其长宽小于微槽结构11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的长宽和微槽结构的11长宽的差值为1微米-400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。另外，微型磁路的长宽大于隐性框架22的长宽。

4)在磁性衬底10的正面和背面分别制作第一平面互联结构30和第二平面互联结构40，该第一平面互联结构30和第二平面互联结构40分别与隐性框架22的金属材料23电性连接，从而构成至少一电感绕组，该第一平面互联结构30和第二平面互联结构40的材料可与金属材料23相同或不同。

进一步的，还可将磁性衬底10分割成小块，每个小块上可包含一个或多个电感绕组，形成分立的器件。

本发明中，对磁性衬底切割后的分立器件中，一个电感绕组，其可包括两隐性框架22，每个隐性框架22设有多个填充有金属材料23的通孔21。则第一平面互联结构30和第二平面互联结构40分别设有多个金属线路，第一平面互联结构30的金属线路连接于两隐性框架22正面的两对应的通孔21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21之间，从而形成具有多匝线圈的绕组。

进一步的，参见图13，电感绕组具有两端口，可设置于磁性衬底背面，分别设置于两隐性框架22的其中一通孔处，即第二平面互联结构30的金属线路数量少于第一平面互联结构30的金属线路数量。

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。

参见图11、图12，本发明还提出一种带磁芯的微型化三维电感结构，包括磁性衬底10、隐性框架22、第一平面互联结构30和第二平面互联结构40；该磁性衬底10开设有至少一微槽结构11，微槽结构之外可构成磁芯12；具有多个隐性框架22，该隐性框架22嵌于微槽结构11内并填充有金属材料23，该第一平面互联结构30位于磁性衬底10正面且与金属材料23电性相连；该第二平面互联结构40位于磁性衬底背面且与金属材料23电性连接。

具体的，该微槽结构11可以是一个或多个，每个微槽结构11内嵌入的隐性框架22可以是一个或多个。优选的，微槽结构11为两个，每个微槽结构11嵌入一个隐性框架22。进一步的，该隐性框架22开设有若干通孔21，每个通孔21内填充有金属材料23。该磁芯12即微型磁路的长宽大于隐性框架22的长宽。

参见图12、图13，对于一个电感绕组，第一平面互联结构30和第二平面互联结构40分别设有多个金属线路，第一平面互联结构30的金属线路连接于两隐性框架22正面的两对应的通孔21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21之间，从而形成具有多匝线圈的绕组。电感绕组具有两端口，可设置于磁性衬底背面，分别设置于两隐性框架22的其中一通孔处，即第二平面互联结构30的金属线路数量少于第一平面互联结构30的金属线路数量。

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化三维电感的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在磁性衬底上制作至少一微槽结构；

2.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，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化三维电感的制作方法，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0.05-3mm。

4.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，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0.05-3mm。

5.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，其特征在于，步骤2)中，采用涂胶、光刻、曝光、显影、刻蚀和去胶制作所述通孔。

6.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，其特征在于，步骤2)中，往通孔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，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化三维电感的制作方法，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-400um之间。

8.如权利要求1所述的一种带磁芯的微型化三维电感的制作方法，其特征在于，所述隐性框架的高度和通孔的高度的差值在-50um至+50um之间；采用胶类物质将所述隐性框架固定于所述微槽结构内。

9.一种带磁芯的微型化三维电感结构，其特征在于：包括磁性衬底、隐性框架、第一平面互联结构和第二平面互联结构；该磁性衬底开设有至少一微槽结构，微槽结构之外构成磁芯；该隐性框架嵌于微槽结构内并填充有金属材料，该第一平面互联结构位于磁性衬底正面且与金属材料电性相连；该第二平面互联结构位于磁性衬底背面且与金属材料电性连接。

10.如权利要求9所述的一种带磁芯的微型化三维电感结构，其特征在于：所述磁性衬底设有至少两隐性框架，每个隐性框架设有多个填充有金属材料的通孔；第一平面互联结构和第二平面互联结构分别设有多个金属线路，第一平面互联结构的金属线路连接于两隐性框架正面的两对应的通孔之间，第二平面互联结构的金属线路连接于两隐性框架背面的两对应的通孔之间，从而构成以一电感绕组。