CN113077981B - 高电感值、高q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法 - Google Patents

高电感值、高q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，属于薄膜电感器制备技术领域。该薄膜电感器包括衬底基片，形成于衬底基片之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的电感线圈；其中，所述衬底基片包括依次设置的硅基片、聚酰亚胺层和氮化硅层，聚酰亚胺层的厚度为30μm～70μm。本发明薄膜电感器通过在基底上形成聚酰亚胺层，有效降低了电感的衬底损耗和寄生电容，使薄膜电感器具有高的Q值和谐振频率；采用旋转喷涂法低温沉积磁性薄膜，避免聚酰亚胺层的高温分解开裂；通过对电感线圈的匝数、导线宽度、导线间距和导线厚度进行优化，最终得到了高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器。

Description

高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法
技术领域
本发明属于薄膜电感器制备技术领域，具体涉及一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子产品越来越往高频化、小型化和集成化发展，对电子产品中的电源模块提出了更高的性能要求。作为常用元器件之一的电感器，一般占有电源模块较大的体积和质量，是制约电源模块小型化、集成化发展的重要原因。因此，二维平面结构的薄膜电感器，自出现就成为科研人员研究关注的重点。
薄膜电感器有几个重要的性能参数：电感值L，Q值与谐振频率f0。其中，电感值L表示电感器总存储磁能和转换能力的大小，Q值代表电感器自身的损耗大小，谐振频率f0决定电感器的工作应用频段。根据电感器的简单等效电路，得到：
Figure BDA0002961369160000011
f0为谐振频率，L为电感值，C为寄生电容。一般而言，电感器的电感值越高，电感器体积越大，各种损耗和寄生电容也越大，从而电感器的Q值与谐振频率越低。因此，高电感值、高Q值与高谐振频率薄膜电感器的制备是薄膜电感器研究的一个重要技术难题。Fukuda Y，Inoue T等(Fukuda Y，Inoue T,Mizoguchi T,et al.Planar inductor with ferrite layers for DC-DCconverter[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003:2057-2061)采用旋转喷涂法低温沉积NiZn铁氧体薄膜，制备得到一种在5MHz电感值高达1.3μH、Q值大于17的NiZn铁氧体薄膜电感器，但是其工作频率低于10MHz。Xinjun Wang等(Wang,X,et al.A novel NiZnferrite integrated magnetic solenoid inductor with a high quality factor at0.7–6GHz[J].AIP Advances,2017.7(5):p.056606.)提出了一种高Q值和高谐振频率的NiZn铁氧体薄膜电感器，其薄膜电感器的品质因数Q在3GHz达到23，谐振频率大于6GHz，然而电感值最大仅有1.2nH。不难看出，现有薄膜电感器的研究很难满足高电感值、高Q值和高谐振频率的性能要求，从而限制了其在高频化、小型化和集成化的电源模块中应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法。本发明通过在基底上形成聚酰亚胺层，有效降低了电感的衬底损耗和寄生效应，同时在薄膜电感制备过程中采用旋转喷涂法低温(<100℃)沉积磁性薄膜，避免聚酰亚胺(PI)层的高温分解开裂，从而有效提高了薄膜电感器的电感值、Q值和谐振频率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，其特征在于，包括衬底基片，形成于衬底基片之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的电感线圈；其中，所述衬底基片包括依次设置的硅基片、聚酰亚胺层和氮化硅层，聚酰亚胺层的厚度为30μm～70μm。
进一步地，所述薄膜电感器中，磁性薄膜与线圈之间、以及线圈与线圈之间设置绝缘层，以保持绝缘性。
进一步地，所述电感线圈为平面螺旋结构，匝数为26匝～32匝，导线宽度为20μm～50μm，导线间隙为20μm～50μm，导线厚度为10μm～15μm。
一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗硅基片，干燥；
步骤2、采用旋涂法在步骤1清洗后的硅基片上制备聚酰亚胺层：
2.1旋涂：将聚酰亚胺浆料涂覆于硅基片上，先在300r/min～500r/min的转速下旋涂30s～50s，再在600r/min～800r/min的转速下旋涂40s～60s；
2.2固化：对旋涂后的聚酰亚胺进行固化处理，将旋涂后的聚酰亚胺依次在80℃～90℃温度下保持1h、110℃～120℃温度下保持2～3h、140℃～150℃温度下保持2～3h、170℃～180℃温度下保持2～3h；
2.3重复上述“旋涂-固化”过程1～2次，即可在硅基片上制备得到厚度为30μm～70μm的聚酰亚胺层；
步骤3、氮化硅层的制备：
采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在聚酰亚胺层(PI)上生长氮化硅层(Si3N4)，得到衬底基片；
步骤4、在步骤3得到的衬底基片上制备NiZn铁氧体薄膜；
步骤5、在NiZn铁氧体薄膜上制备电感线圈和引脚，得到所述薄膜电感器。
进一步地，步骤4所述在步骤3得到的衬底基片上制备NiZn铁氧体薄膜的过程具体为：
步骤1、配制氧化反应液和还原反应液：
1.1将亚硝酸钠、乙酸钠加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到氧化反应液，氧化反应液中，亚硝酸钠的浓度为0.1g/L～0.2g/L，乙酸钠的浓度为1.3g/L～1.5g/L；
1.2将氯化亚铁、氯化镍、氯化锌加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到还原反应液，还原反应液中，氯化亚铁的浓度为1.3g/L～1.6g/L，氯化镍的浓度为0.2g/L～0.6g/L，氯化锌的浓度0.04g/L～0.14g/L；
步骤2、将步骤3得到的衬底基片放置于旋转喷涂设备的加热板中央，在基板温度为85～95℃、旋转速度为90～140r/min、氧化反应液的供应速率为10mL/min～20mL/min、还原反应液的供应速率为10mL/min～20mL/min、超声雾化功率为2～3W、空气气氛的条件下，沉积20min～60min，得到1～3μm的NiZn铁氧体薄膜。
进一步地，步骤3所述衬底基片包括硅基片、聚酰亚胺层和氮化硅层，聚酰亚胺层的厚度为30μm～70μm。
进一步地，步骤5所述电感线圈的匝数为26匝～32匝，导线宽度为20μm～50μm，导线间隙为20μm～50μm，导线厚度为10μm～15μm。
本发明高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，适用于基于片上系统的DC-DC变换器和高频开关电源模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明薄膜电感器通过在基底上形成聚酰亚胺层，有效降低了电感的衬底损耗和寄生电容，使薄膜电感器具有高的Q值和谐振频率；采用旋转喷涂法低温(<100℃)沉积磁性薄膜，避免聚酰亚胺(PI)层的高温分解开裂；通过对电感线圈的匝数、导线宽度、导线间距和导线厚度进行优化，最终得到了高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，在基于片上系统的DC-DC变换器和高频开关电源模块中有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的薄膜电感器的俯视图；
图2为本发明提供的薄膜电感器的截面图；
图3为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤3后的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤4后的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤5后的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤6后的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤7后的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤8后的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤9后的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤10后的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤11后的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤12后的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤13后的结构示意图；
图14为本发明实施例提供的薄膜电感器的制备方法中，经步骤14后的结构示意图；
图15为本发明实施例提供的薄膜电感器的版图(a)和实物图(b)；
图16为本发明实施例(a)和对比例(b)提供的薄膜电感器的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
参考图1和图2，一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，包括衬底基片11-14、NiZn铁氧体薄膜2和螺旋电感线圈3，其中，NiZn铁氧体薄膜2与螺旋电感线圈3、以及线圈3之间通过设置绝缘材料(绝缘层41、绝缘层42)，以保持绝缘性。线圈3为螺旋结构，中间部分和边沿处经由通孔7连接引线，引线再连接引脚8、引脚9。衬底基片为多层材料，包括带氧化层12的硅基片11、聚酰亚胺13和氮化硅14，氮化硅层起固定作用，用于防止聚酰亚胺层破碎、脱落，酰亚胺层的厚度50μm。铁氧体薄膜为Ni0.41Zn0.18Fe2.41O4。电感线圈的匝数为30匝，导线宽度为30μm，导线间隙为30μm，导线厚度为13μm。绝缘层41和绝缘层42的材料为聚酰亚胺。
一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以具有氧化层(SiO2)12的(100)取向单晶Si片11作为基底，清洗，干燥；
步骤2、采用旋涂法在步骤1清洗后的硅基片上制备聚酰亚胺层：
2.1旋涂：将步骤1清洗后的硅基片固定在匀胶台上，旋涂型号为ZKPI-305ⅡD-2的聚酰亚胺浆料，先在500r/min的转速下旋涂30s，再在800r/min的转速下旋涂50s；
2.2固化：对旋涂后的聚酰亚胺进行固化处理，将旋涂后的聚酰亚胺依次在90℃温度下保持1h、120℃温度下保持3h、150℃温度下保持3h、180℃温度下保持3h；
2.3重复上述“旋涂-固化”过程1次，即可在硅基片上制备得到厚度为50μm的聚酰亚胺层13；
步骤3、氮化硅层的制备：
采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在聚酰亚胺层(PI)上生长氮化硅层(Si3N4)14，得到衬底基片，如图3所示；
步骤4、在步骤3得到的衬底基片上制备NiZn铁氧体薄膜2，如图4所示；
4.1将亚硝酸钠、乙酸钠加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到氧化反应液，氧化反应液中，亚硝酸钠的浓度为0.1506g/L，乙酸钠的浓度为1.4257g/L；
4.2将氯化亚铁、氯化镍、氯化锌加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到还原反应液，还原反应液中，氯化亚铁的浓度为1.3693g/L，氯化镍的浓度为0.4365g/L，氯化锌的浓度0.1095g/L；
4.3步骤3得到的衬底基片放置于旋转喷涂设备的加热板中央，在基板温度为90℃、旋转速度为120r/min、氧化反应液的供应速率为15mL/min、还原反应液的供应速率为15mL/min、超声雾化功率为2W、空气气氛的条件下，沉积25min，得到1μm的NiZn铁氧体薄膜。
步骤5、在NiZn铁氧体薄膜上涂覆PI，制备绝缘层41，如图5所示；
步骤6、在绝缘层41上溅射Cu的种子层51，然后甩光刻胶61，使线圈形状图形化，如图6所示；
步骤7、电镀线圈3，如图7所示；
步骤8、去除光刻胶61，然后甩光刻胶62，使通孔形状图形化，如图8所示；
步骤9、电镀通孔7，如图9所示；
步骤10、去除光刻胶62，并刻蚀种子层51，如图10所示；
步骤11、在线圈3上方涂覆PI，制备绝缘层42，如图11所示；
步骤12、在绝缘层42上溅射种子层52，然后甩光刻胶63，使引脚形状图形化，如图12所示；
步骤13、电镀引脚8、引脚9，如图13所示；
步骤14、去除光刻胶63，并刻蚀种子层52，如图14所示。
实施例得到的薄膜电感器为4×4的阵列结构，单个电感面积小于5mm×5mm，衬底基片面积为35mm×35mm，图15为实施例薄膜电感器的版图和实物图。
对比例
参考实施例的制备方法，对比例的区别仅在于：对比例的衬底基片中无聚酰亚胺，即直接在硅基片11上沉积氮化硅14，得到衬底基片。其余的与实施例完全相同。
图16为本发明实施例(a)和对比例(b)提供的薄膜电感器的测试结果；结果显示，实施例薄膜电感器的品质因数和谐振频率显著提高，实施例薄膜电感器的电感值L＝1.291μHz(100MHz)，品质因数Q＝20.85(100MHz)，谐振频率f0≥160MHz。

Claims (6)

1.一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，其特征在于，包括衬底基片，形成于衬底基片之上的磁性薄膜，形成于磁性薄膜之上的电感线圈；其中，所述衬底基片包括依次设置的硅基片、聚酰亚胺层和氮化硅层，聚酰亚胺层的厚度为30μm～70μm。
2.根据权利要求1所述的高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器，其特征在于，所述电感线圈为平面螺旋结构，匝数为26匝～32匝，导线宽度为20μm～50μm，导线间隙为20μm～50μm，导线厚度为10μm～15μm。
3.一种高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗硅基片，干燥；
步骤2、采用旋涂法在步骤1清洗后的硅基片上制备聚酰亚胺层：
2.1旋涂：将聚酰亚胺浆料涂覆于硅基片上，先在300r/min～500r/min的转速下旋涂30s～50s，再在600r/min～800r/min的转速下旋涂40s～60s；
2.2固化：对旋涂后的聚酰亚胺进行固化处理，将旋涂后的聚酰亚胺依次在80℃～90℃温度下保持1h、110℃～120℃温度下保持2～3h、140℃～150℃温度下保持2～3h、170℃～180℃温度下保持2～3h；
2.3重复上述“旋涂-固化”过程1～2次，即可在硅基片上制备得到厚度为30μm～70μm的聚酰亚胺层；
步骤3、氮化硅层的制备：
采用等离子体增强化学气相沉积法在聚酰亚胺层上生长氮化硅层，得到衬底基片；
步骤4、在步骤3得到的衬底基片上制备NiZn铁氧体薄膜；
步骤5、在NiZn铁氧体薄膜上制备电感线圈，得到所述薄膜电感器。
4.根据权利要求3所述的高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，步骤4所述制备NiZn铁氧体薄膜的过程具体为：
步骤1、配制氧化反应液和还原反应液：
1.1将亚硝酸钠、乙酸钠加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到氧化反应液，氧化反应液中，亚硝酸钠的浓度为0.1g/L～0.2g/L，乙酸钠的浓度为1.3g/L～1.5g/L；
1.2将氯化亚铁、氯化镍、氯化锌加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到还原反应液，还原反应液中，氯化亚铁的浓度为1.3g/L～1.6g/L，氯化镍的浓度为0.2g/L～0.6g/L，氯化锌的浓度0.04g/L～0.14g/L；
步骤2、将步骤3得到的衬底基片放置于旋转喷涂设备的加热板中央，在基板温度为85～95℃、旋转速度为90～140r/min、氧化反应液的供应速率为10mL/min～20mL/min、还原反应液的供应速率为10mL/min～20mL/min、超声雾化功率为2～3W、空气气氛的条件下，沉积20min～60min，得到1～3μm的NiZn铁氧体薄膜。
5.根据权利要求3所述的高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，步骤3所述衬底基片包括硅基片、聚酰亚胺层和氮化硅层，聚酰亚胺层的厚度为30μm～70μm。
6.根据权利要求3所述的高电感值、高Q值和高谐振频率的薄膜电感器的制备方法，其特征在于，步骤5所述电感线圈的匝数为26匝～32匝，导线宽度为20μm～50μm，导线间隙为20μm～50μm，导线厚度为10μm～15μm。
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