CN113363042B

CN113363042B - 一种薄膜电感材料及其制备方法和一种双面薄膜电感器

Info

Publication number: CN113363042B
Application number: CN202110627797.8A
Authority: CN
Inventors: 高涛; 彭美华
Original assignee: Hotland Electronics Shenzhen Co ltd
Current assignee: Hotland Electronics Shenzhen Co ltd
Priority date: 2021-06-05
Filing date: 2021-06-05
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2041-06-05
Also published as: CN113363042A

Abstract

本申请涉及微电子元件技术领域，具体公开了一种薄膜电感材料及其制备方法和一种双面薄膜电感器。一种薄膜电感材料，由包括如下按照重量百分比计的原料组成：Fe 45～51%、Co 40～44%、Cu 2.1～2.5%、In 0.35～0.45%、Sm 0.55～0.85%、B 5.0～6.0%、Zr 0.25～0.35%、Nb 0.75～0.85%，其制备方法为：按配方称取原料进行预处理后真空熔炼得到合金，合金经过退火、冷却得到薄膜电感材料，由此薄膜电感材料制成的双面薄膜电感器具有较好的磁性能和较低的涡流损耗，使用性能较好。

Description

一种薄膜电感材料及其制备方法和一种双面薄膜电感器

技术领域

本申请涉及微电子元件技术领域，更具体地说，它涉及一种薄膜电感材料及其制备方法和一种双面薄膜电感器。

背景技术

薄膜电感器是一类采用真空薄膜工艺制作的电感器，随着多种高频薄膜软磁材料的研制成功，薄膜电感器向微型化、高频化方向发展。薄膜电感器的主流结构是在平面空心电感的上层和/或下层沉积软磁薄膜，形成夹层结构。

目前，基于对较好的磁性能的需求，高频薄膜软磁材料以软磁金属合金薄膜为主，软磁金属合金薄膜研究中主要的材料体系包括NiFe、FeCo、CoZr等，软磁金属合金薄膜电感器在高频(1～6kHz)中以涡流损失为主，并且在此频率范围内，由于其较小的电阻率导致薄膜电感器的涡流损失较大，使用稳定性不佳。

相关技术中，公开号为CN104532121A的专利公开了一种稀土元素掺杂的铁钴基软磁材料的制备方法，此稀土元素掺杂的铁钴基软磁材料通过掺杂稀土元素镧配合形成主料以提升材料的磁导率，掺杂B改善材料的抗磁饱和性能，掺杂Si和Mo提高材料的耐磨性能以及电阻率，当薄膜电感器的尺寸大小一定时，在此频率范围内，薄膜电感器材料的电阻率最高达到357μΩ·cm。

针对上述相关技术，本发明人认为软磁金属合金薄膜材料的电阻率仍然具有较大的提升空间。

发明内容

为了提高软磁金属合金薄膜材料的电阻率，降低其涡流损失从而提高其使用性能，本申请提供一种薄膜电感材料及其制备方法和一种双面薄膜电感器。

第一方面，本申请提供一种薄膜电感材料，采用如下的技术方案：

一种薄膜电感材料，由包括如下按照重量百分比计的元素组成：

Fe 45～51％

Co 40～44％

Cu 2.1～2.5％

In 0.35～0.45％

Sm 0.55～0.85％

B 5.0～6.0％

Zr 0.25～0.35％

Nb 0.75～0.85％。

通过采用上述技术方案，首先，在铁钴基体中引入Cu能够促进铁钴基纳米微晶的形成，α-FeCo相使得薄膜电感材料呈现优异的磁性性能；其次，In、Sm和Cu结合形成SmCu₂In相，SmCu₂In相为高电阻率相，在晶界处均匀地包裹α-FeCo相，阻碍有效电子运动，而Nb改变Cu的熔度，提高Cu的成核率，提高SmCu₂In相的占比，引起更多电子散射；最后，Nb、Zr和B作为难溶元素在晶粒间的非晶相上富集，细化晶粒，有利于非晶的形成，薄膜电感材料在SmCu₂In相以及非晶相的共同作用下，显著提高其电阻率，薄膜电感材料的涡流损失降低，薄膜电感材料的使用稳定性能得到显著改善。

优选的，所述Cu的重量百分比为2.35～2.45％，余量以Fe补足。

优选的，所述In的重量百分比为0.39～0.41％，余量以Fe补足。

优选的，所述Sm的重量百分比为0.6～0.7％，余量以Fe补足。

通过采用上述技术方案，在此重量百分比下，Cu对铁钴基纳米微晶的促进效果较佳，SmCu₂In相的含量适中，在提升薄膜电感材料的电阻率的同时不影响其磁性能。

优选的，所述B的重量百分比为5.6～5.8％，余量以Fe补足。

优选的，所述Zr的重量百分比为0.31～0.33％，余量以Fe补足。

优选的，所述Nb的重量百分比为0.8～0.82％，余量以Fe补足。

通过采用上述技术方案，在此重量百分比下，Nb、Zr和B的晶粒细化作用达到最佳，软磁性能提升的同时达到较高的电阻率。

第二方面，本申请提供一种薄膜电感材料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种薄膜电感材料的制备方法，包括如下步骤：按配方称取原料进行真空熔炼得到合金，合金经过退火、冷却得到薄膜电感材料。

通过采用上述技术方案，由此制备方法制得的薄膜电感材料具有良好的磁性能和较高的电阻率。

优选的，所述退火的操作为将合金升温至500～600℃，并保温20～30min。

通过采用上述技术方案，在此退火温度以及保温时间范围内，薄膜电感材料的晶粒细化效果较好。

第三方面，本申请提供一种双面薄膜电感器，采用如下的技术方案：

一种双面薄膜电感器，包括绝缘衬底、位于绝缘衬底两侧的磁性层，所述磁性层由前述薄膜电感材料制成。

通过采用上述技术方案，由此薄膜电感材料制成的双面电感材料具有良好的磁性能和较高的电阻率，从而降低其涡流损耗，得到较好的使用性能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请原料中Cu、In、Sm形成高电阻率的SmCu₂In相，同时，Nb促进SmCu₂In相的形成，Nb、Zr和B细化晶粒，有利于非晶的形成，使得薄膜电感材料具有较好的磁性能和较高的电阻率，涡流损耗降低，使用性能佳。

2、本申请对Cu、In、Sm、Nb、Zr和B的重量百分比进行限定，进一步提升薄膜电感材料的磁性能和电阻率。

附图说明

图1是用于体现本申请应用例的整体结构示意图；

图2是用于体现本申请应用例正视方向上的剖面结构示意图。

附图标记：1、绝缘衬底；2、导电固体棒；3、磁性层；4、侧面电极；5、镀铜层；6、镀镍层；7、镀锡层；8、绝缘保护层。

具体实施方式

以下结合附图1-2和应用例对本申请作进一步详细说明。

应用例

参照图1和图2，一种双面薄膜电感器，包括绝缘衬底1，绝缘衬底1为单晶硅导体，其尺寸大小为10mm×8mm×5mm，绝缘衬底1上开有连接孔，连接孔为通孔，贯穿绝缘衬底1的两侧。连接孔中填充有导电石墨浆料，导电石墨浆料烧结成型后形成导电固体棒2。

参照图2，绝缘衬底1的Z轴方向上的两侧均经过清洁后，以下述实施例制得的薄膜电感材料为溅射靶材，采用真空溅射的方法形成一层磁性层3，磁性层3的尺寸大小为10mm×8mm×1μm。

参照图2，磁性层3沿绝缘衬底1的Z轴方向上通过化学刻蚀的方法打印有电路，电路材料可以为纯铜、纯银等导电固体，形状可以为平面螺旋电路。继续在Z轴方向上，以下述实施例制得的薄膜电感材料为溅射靶材，采用真空溅射的方法，在电路上方形成一层磁性层3，两层磁性3将电路完全包覆。两侧磁性层3之间通过导电固体棒2电性连接。

参照图2，绝缘衬底1的X轴方向上的两侧以纯铜为溅射靶材，采用真空溅射的方法形成侧面电极4，两个侧面电极4沿绝缘衬底1的X轴方向采用滚镀的方式均镀有金属铜，形成镀铜层5，该镀铜层5均与磁性层3接触。

参照图2，两个镀铜层5沿绝缘衬底1的X轴方向采用滚镀的方式均镀有金属镍，形成镀镍层6，每个镀镍层6均可完全覆盖对应的镀铜层5。

参照图2，两个镀镍层6沿绝缘衬底1的X轴方向采用滚镀的方式均镀有金属锡，形成镀锡层7，每个镀锡层7均可完全覆盖对应的镀镍层6。

参照图1和图2，经过上述步骤处理后，两个磁性层3沿绝缘衬底1的Z轴方向均印刷有感光油墨，感光油墨光照固化后形成绝缘保护层8。

实施例

一种薄膜电感材料，按照如下的步骤制得：

预处理：按照下表1进行配料，配料前均对原材料打磨表面氧化层并以30kHz的超声频率清洗10min，使得所配料的各金属原料的纯度均达到99.9％以上；

真空熔炼：将各金属原料放入至真空熔体快淬炉内，真空熔体快淬炉内抽真空至2～4kPa，充氩气，进行加热，加热至各个金属原料至熔融状态，熔炼成型，冷却后得到合金；

退火：将合金以40℃/min的升温速率升温至400℃，继续以20℃/min的升温速率升温至500℃，并保温20min；

冷却成型：保温结束后调节氩气压力，将熔体喷射至冷却辊表面，合金以至少10⁵℃/s的速率进行冷却，破碎至800目，得到薄膜电感材料。

表1.各金属原料的配重

实施例25

一种薄膜电感材料，与实施例22的区别点在于，退火步骤中以40℃/min的升温速率升温至400℃，继续以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温熔炼30min。

对比例

对比例1-5

一种薄膜电感材料，与实施例1的区别点在于各金属原料的配重不同，具体配比如下表2所示。

表2.各金属原料的配重

性能检测试验

检测方法

将实施例1-25以及对比例1-5通过真空溅射的方法形成薄膜，对此薄膜进行以下检测：

1、磁性能：GB/T13012-2008软磁材料直流磁性能的测量方法进行测量,将薄膜尺寸修整为10mm×8mm×1μm，在频率1kHz下进行检测。

2、使用四探针法对不同尺寸的薄膜的电阻率在不同的检测频率下进行检测，检测条件如下：

a、薄膜尺寸为10mm×8mm×1μm，检测频率1kHz；

b、薄膜尺寸为10mm×8mm×10μm，检测频率1kHz；

c、薄膜尺寸为10mm×8mm×1μm，检测频率6kHz。

检测数据

表3.磁性能的检测

表4.不同条件下电阻率的检测

结合实施例1、对比例1-5并结合表4可以看出，对比例1-5中分别缺少In、Sm、Nb、Zr和B并使用Fe补足余量，对应的薄膜电感材料在三种不同的检测条件下所检测得到的电阻率均小于700μΩ·cm，电阻率较低，而实施例1制得的薄膜电感材料电阻率在三种不同的检测条件下均大于700μΩ·cm，电阻率较佳，证明薄膜电感材料在SmCu₂In相以及非晶相的共同作用下，能够显著提高其电阻率，使用稳定性能得到显著的改善。

结合实施例1-22并结合表3-4可以看出，Cu、In、Sm、Nb、Zr和B在合适的重量百分比下制得的薄膜电感材料的电阻率能够得到显著提升，同时磁性也能得到改善。

结合实施例22-24并结合表3可以看出，根据实施例22-24的饱和磁感应强度、矫顽力的变化可以看出，薄膜电感材料中Fe和Co的重量百分比主要决定了薄膜电感材料的磁性能，当Fe和Co的重量百分比相接近时，对应的薄膜电感材料的饱和磁感应强度、矫顽力的数值较高，磁性能较好。

结合实施例1-25、对比例1-5并结合表4可以看出，常规薄膜电感材料电阻率随其制备尺寸的减小而显著降低，而本申请中在同检测频率下薄膜电感材料所制备的尺寸缩小，电阻率的变化微弱，说明本申请的薄膜电感材料具有较好的尺寸稳定性，在微型化的发展方向上具有潜力。

同时，常规薄膜电感材料电阻率随使用频率的增大而显著降低，而本申请的薄膜电感材料在同尺寸大小下，增大检测频率，电阻率的变化微弱，说明本申请的薄膜电感材料在高频的工作条件下仍然具有较好的使用稳定性。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种薄膜电感材料，其特征在于，由包括如下按照重量百分比计的原料组成：

Fe 45～51%

Co 40～44%

Cu 2.1～2.5%

In 0.35～0.45%

Sm 0.55～0.85%

B 5.0～6.0%

Zr 0.25～0.35%

Nb 0.75～0.85%；

所述In、Sm 和 Cu 结合形成 SmCu₂In相，SmCu₂In相在晶界处均匀包覆α-FeCo相。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述Cu的重量百分比为2.35～2.45%，余量以Fe补足。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述In的重量百分比为0.39～0.41%，余量以Fe补足。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述Sm的重量百分比为0.6～0.7%，余量以Fe补足。

5.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述B的重量百分比为5.6～5.8%，余量以Fe补足。

6.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述Zr的重量百分比为0.31～0.33%，余量以Fe补足。

7.根据权利要求1所述的一种薄膜电感材料，其特征在于：所述Nb的重量百分比为0.8～0.82%，余量以Fe补足。

8.权利要求1-7任意一项所述的一种薄膜电感材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按配方称取原料进行预处理后真空熔炼得到合金，合金经过退火、冷却得到薄膜电感材料。

9.根据权利要求8所述的一种薄膜电感材料的制备方法，其特征在于：所述退火的操作为将合金升温至500～600℃，并保温20～30min。

10.一种双面薄膜电感器，包括绝缘衬底(1)、位于绝缘衬底(1)两侧的磁性层(3)，其特征在于：所述磁性层(3)由权利要求1-7任意一项所述的薄膜电感材料制成。