CN113963935A - 一种电感结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电感结构及其制作方法，通过在第一衬底内形成贯穿第一衬底的第一导电柱，并在第一衬底的上表面形成连接第一导电柱的第一电感以及第一介质层，在第二衬底内形成贯穿第二衬底的第二导电柱，并在第二衬底的上表面形成连接第二导电柱的第二电感以及第二介质层，将第一衬底置于第二衬底上，使得第一导电柱与第二电感连接，从而形成三维电感结构，该电感结构的中心可以填充磁性材料，形成带磁芯的高感值螺线型电感结构，也可以集成芯片或MIM电容等结构，或重复层叠多层衬底和线圈，形成更高密度和感值的电感结构，从而提高电感结构的集成度和电感值。
Description
技术领域
本发明涉及电感领域，特别是一种电感结构及其制作方法。
背景技术
在电子系统中，除了有源的集成电路芯片外，还会用到大量的无源器件，所述无源器件是指在不需要外加电源的条件下，就可以显示其特性的电子元件，主要包括电阻、电容和电感类器件。其中电感器在模拟电路、信号处理以及电源管理等系统中被广泛使用。
现有的电感结构主要分为分立电感和片上电感两种。分立电感器是具有独立的封装体和管脚的器件，可以贴装到PCB(Printed circuit board，印刷电路板)或者封装基板上，通过PCB或者封装基板走线与有源芯片实现电性连接。片上电感是采用沉积，光刻，刻蚀等集成电路制造手段在硅或者玻璃等衬底上通过金属绕线形成的电感结构，可以直接通过衬底布线与有源芯片实现电性连接。片上电感具有有体积小，使用方便，信号稳定，与芯片集成度高等特点。随着电子产品尺寸逐渐小型化和轻薄化的发展趋势，片上电感已被大量应用到电子系统中。
现有的技术一般是通过布置螺线图案直接在衬底上刻蚀形成小电感器，然而此类平面电感器感值非常小，且占用面积非常大，在高密度小型化的系统集成中应用有一定的限制。
申请号为201210301587.0的中国专利提供了一种立体螺旋电感及其形成方法，通过贯穿衬底的通孔并与衬底表面的金属布线串联形成电感结构，该方案的电感结构的体积受限于衬底的厚度，具有一定的局限性。申请号为201480070185.1的中国专利提供了一种三维线焊电感器，通过在衬底表面通过线圈或线环和衬底表面的走线共同形成立体电感。该方案的电感衬底的线圈或线环影响衬底表面上下表面的信号走线。
发明内容
针对以上背景技术中提到的技术问题，本申请的实施例提出了一种电感结构及其制作方法来解决以上的问题。
根据第一方面，本申请提出了一种电感结构的制作方法，包括以下步骤：
S1，提供第一衬底；
S2，在所述第一衬底上形成贯穿所述第一衬底的上表面和下表面的第一通孔，在所述第一通孔内填充金属材料，形成第一导电柱；
S3，在所述第一衬底的上表面制作第一线圈，所述第一线圈与所述第一导电柱连接；
S4，在所述第一衬底的上表面制作第一介质层，所述第一介质层覆盖在所述第一线圈以外的区域，以形成第一线圈结构；
S5，提供第二衬底，采用步骤S1-S4的工艺在所述第二衬底的上表面制作第二线圈和第二介质层，在所述第二衬底的内部制作与所述第二线圈连接的第二导电柱，以形成第二线圈结构；
S6，将所述第一线圈结构置于所述第二线圈结构的上方，所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的上表面相对设置，并将所述第一导电柱与所述第二线圈连接，以形成电感结构。
在一些实施例中，所述步骤S3中的第一线圈和第一介质层的制作方法具体包括：
通过电镀工艺在所述第一衬底的上表面形成金属层；
所述金属层经过光刻和蚀刻工艺形成所述第一线圈；
采用CVD工艺在所述第一线圈周围形成所述第一介质层。
在一些实施例中，所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上的投影为互补的半环形结构，所述第一导电柱与所述第二导电柱在所述第一衬底上的投影分别设于所述第一线圈和所述第二线圈的投影互补重合区域。
在一些实施例中，还包括：在所述第一线圈结构和第二线圈结构上形成贯穿所述第一介质层、第一衬底、第二介质层和第二衬底的空腔，并在所述空腔内填充高磁导率的磁性材料以形成磁芯，所述磁芯在所述第一衬底的投影位于所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上所形成的投影区域的中心。
在一些实施例中，还包括：在所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面集成至少一个芯片，通过所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述芯片的电连接。
在一些实施例中，还包括：在所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面通过薄膜电容器加工工艺形成MIM电容，通过所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述MIM电容的电连接。
在一些实施例中，还包括：提供至少一个衬底重复步骤S5-S6的工艺在所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间制作出至少一个线圈结构，所述第一线圈结构的所述第一导电柱与所述至少一个线圈结构的线圈连接，所述至少一个线圈结构的导电通孔与其下方的线圈结构的线圈或第二线圈结构的第二线圈连接，所述第一线圈结构、至少一个线圈结构和第二线圈结构堆叠形成多层螺线型电感结构。
在一些实施例中，还包括：
在所述第一线圈上制作与所述第一线圈连接的第一焊球；
在所述第二衬底的下表面形成与所述第二导电柱连接的第二焊球。
在一些实施例中，所述第一衬底和所述第二衬底为石英玻璃。
一种电感结构，包括第一线圈结构和第二线圈结构，所述第一线圈结构包括第一衬底以及设置在所述第一衬底的上表面的第一线圈，所述第一衬底的上表面在所述第一线圈以外的区域设有第一介质层，所述第二线圈结构包括第二衬底以及设置在所述第二衬底的上表面的第二线圈，所述第二衬底的上表面在所述第二线圈以外的区域设有第二介质层，所述第一衬底的内部设有贯穿所述第一衬底的上表面和下表面的第一导电柱，在所述第一线圈结构中所述第一导电柱的一端与所述第一线圈连接，所述第二衬底的内部设有贯穿所述第二衬底的上表面和下表面的第二导电柱，所述第一线圈结构设于所述第二线圈结构上方且所述第一导电柱的另一端与所述第二线圈连接。
在一些实施例中，所述第一线圈结构中所述第一线圈上设有第一焊球，所述第二线圈结构中所述第二导电柱上设有第二焊球。
在一些实施例中，所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上的投影为互补的半环形结构，所述第一导电柱与所述第二导电柱在所述第一衬底上的投影分别设于所述第一线圈和所述第二线圈的投影互补重合区域。
在一些实施例中，还包括磁芯，所述磁芯贯穿所述第一线圈结构和第二线圈结构，并且所述磁芯在所述第一衬底上的投影位于所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上所形成的投影区域的中心。
在一些实施例中，还包括位于所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面的MIM电容，通过所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面上的金属走线以实现所述MIM电容与所述电感结构的电连接。
在一些实施例中，还包括位于所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面的芯片，通过所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面上的金属走线以实现所述芯片与所述电感结构的电连接。
在一些实施例中，还包括位于所述第一线圈结构与所述第二线圈结构之间的至少一个线圈结构，所述第一线圈结构的所述第一导电柱与所述至少一个线圈结构的线圈连接，所述至少一个线圈结构的导电通孔与其下方的线圈结构的线圈或第二线圈结构的第二线圈连接，构成多层螺线型电感结构。
在一些实施例中，所述第一衬底和所述第二衬底为石英玻璃。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明在多层衬底表面通过横向金属线圈与衬底内部的导电通孔互联形成电感结构，并可以在线圈中心放置磁芯。
2.本发明电感充分有效利用衬底的横向和纵向面积，可以有效提高电感集成度，减小电感面积，集成密度更高，且可提供更高的感量。
3.本发明的电感是集成到衬底内部，不影响衬底上下表面的信号走线，在衬底上下表面都可以集成芯片或电容，具有更高的集成度，且采用现有工艺就可以实现，成本低。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1-8为本申请的实施例一的电感结构的制作方法的流程示意图；
图9为本申请的实施例一的电感结构的立体图；
图10为本申请的实施例二的电感结构的截面示意图；
图11为本申请的实施例二的电感结构的俯视图；
图12为本申请的实施例三的电感结构的截面示意图；
图13为本申请的实施例四的电感结构的截面示意图；
图14为本申请的实施例四的电感结构的俯视图；
图15为本申请的实施例五的电感结构的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
本发明的实施例中提出了一种电感结构的制作方法，如图1-8所示，包括以下步骤：
S1，提供第一衬底101，第一衬底的材料为石英玻璃。
S2，参考图1，在所述第一衬底101上形成贯穿所述第一衬底的上表面和下表面的第一通孔，在所述第一通孔内填充金属材料，形成第一导电柱103；具体地，可以通过激光或刻蚀等工艺形成贯穿所述第一衬底101的第一通孔，通过电镀工艺在所述第一通孔内填充金属材料，从而形成第一导电柱103。
S3，参考图2-3，在所述第一衬底101的上表面制作第一线圈102，所述第一线圈102与所述第一导电柱103连接；具体地，通过电镀工艺在所述第一衬底101的上表面形成金属层；所述金属层经过光刻和蚀刻工艺去除多余的金属层，从而形成所述第一线圈102；例如在金属层上涂布光刻胶，光刻胶经过曝光、显影得到第一线圈图形，对第一线圈图形以外区域的金属层进行刻蚀，再去除剩余的光刻胶，形成第一线圈102。在优选的实施例中，第一线圈102的材料可以为Cu/Al/W/TiN/Au/Ag，厚度为1到100微米，第一线圈102的形状可以为半圆形、半矩形等半环形结构。
S4，参考图4，在所述第一衬底101的上表面制作第一介质层104，所述第一介质层104覆盖在所述第一线圈102以外的区域。在优选的实施例中，第一介质层104的表面与第一线圈102的表面平齐。当所述第一介质层104覆盖在所述第一线圈102表面，在所述第一介质层104上对应第一焊球的位置开孔，并填充金属材料以形成与第一焊球电连接的第三导电柱。在所述第一线圈102的表面制作第一焊球105，以形成第一线圈结构；具体地，通过CVD等工艺在第一线圈102表面形成第一介质层104，第一介质层104包覆在第一线圈102的四周，第一介质层104的材料可以为PI、PBO等绝缘材料。在第一线圈102的上表面通过植球回流等工艺形成第一焊球105，第一焊球105的材料一般为锡银合金。
S5，参考图5-6，提供第二衬底201，第二衬底为石英玻璃。采用步骤S1-S4的工艺在所述第二衬底201的上表面制作第二线圈202和第二介质层204，在所述第二衬底201的内部制作与所述第二线圈202连接的第二导电柱203，并且在所述第二衬底201的下表面形成与所述第二导电柱203连接的第二焊球205，以形成第二线圈结构。在具体的实施例中，第二线圈202的材料和厚度范围与第一线圈102一致，第二线圈202与第一线圈102在第一衬底101上的投影为互补的半环形结构，第二线圈202的结构也可以为半圆形、半矩形等半环形结构。
S6，参考图7-8，将所述第一线圈结构置于所述第二线圈结构的上方，所述第一衬底101的下表面与所述第二衬底201的上表面相对设置，并将所述第一导电柱103与所述第二线圈202连接，以形成电感结构。具体地，第一衬底101和第二衬底201的层叠构成结构上的支撑，通过铜铜键合等工艺将第一导电柱103与第二线圈202进行电性连接，最终形成完整的三维电感结构。
在步骤S5中，当所述第二介质层204覆盖在所述第二线圈202表面，在所述第二介质层204上对应第一导电柱103的位置开孔，并填充金属材料形成与第一导电柱103对应的第四导电柱。在步骤S6中，通过第一导电柱103与第四导电柱的键合实现电连接。
根据以上的电感结构的制作方法制作得到一种电感结构，如图8-9，包括第一线圈结构和第二线圈结构，所述第一线圈结构包括第一衬底101以及设置在所述第一衬底101的上表面的第一线圈102，第一衬底101的材料可以为石英玻璃，所述第一衬底101的上表面在所述第一线圈102以外的区域设有第一介质层104，第一介质层104在第一线圈102的周围，在优选的实施例中，所述第一介质层104的上表面与所述第一线圈102的上表面平齐。所述第一衬底101的内部设有贯穿所述第一衬底101的上表面和下表面的第一导电柱103，在所述第一线圈结构中所述第一导电柱103的一端与所述第一线圈102电连接，在所述第一线圈102上设有第一焊球105。所述第二线圈结构包括第二衬底201以及设置在所述第二衬底201的上表面的第二线圈202，第二衬底201的材料可以为石英玻璃，所述第二衬底201的上表面在所述第二线圈202以外的区域设有第二介质层204，第二介质层204在第二线圈202的周围，在优选的实施例中，所述第二介质层204的上表面与所述第二线圈202的上表面平齐。所述第二衬底201的内部设有贯穿所述第二衬底201的上表面和下表面的第二导电柱203，所述第二导电柱203上设有第二焊球205，第一焊球105和第二焊球205的材料均可以选择锡银合金，所述第一线圈结构设于所述第二线圈结构上方且所述第一导电柱103的另一端与所述第二线圈202电连接，从而使得第一线圈结构与第二线圈结构形成上下层叠的螺线型电感结构。
在具体的实施例中，所述第一线圈102和所述第二线圈202在所述第一衬底101上的投影为互补的半环形结构，所述第一导电柱103与所述第二导电柱203在所述第一衬底上的投影分别设于所述第一线圈102和所述第二线圈202的投影互补重合区域。
本申请的实施例的电感结构在横向上通过线圈形成在衬底的表面，因此线圈的尺寸范围不受衬底的限制，在纵向上通过导电柱连接多个线圈结构的线圈，因此集成密度高，可以提供更高的电感量。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于：参考图10-11，在所述第一线圈结构和第二线圈结构上形成贯穿所述第一介质层、第一衬底、第二介质层和第二衬底的空腔，并在所述空腔内填充高磁导率的磁性材料以形成磁芯301，所述磁芯301贯穿所述第一线圈结构和第二线圈结构，具体地，可以采用刻蚀等工艺形成空腔，并采用电镀工艺在空腔内填充磁性材料。所述磁芯301在所述第一衬底101的投影位于所述第一线圈102和所述第二线圈202在所述第一衬底101上所形成的投影区域的中心，从而形成带磁芯的高感值螺线型电感结构。
实施例三
实施例三与实施例一的区别在于：参考图12，在所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面集成至少一个芯片401，通过所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述芯片401的电连接。通过衬底表面的走线和衬底内部的导电柱实现芯片与电感结构以及芯片与芯片之间的电性互联，提高电感结构的集成度。
实施例四
实施例四与实施例一的区别在于：参考图13-14，在所述第一衬底101的上表面和/或所述第二衬底201的下表面通过薄膜电容器加工工艺形成MIM电容501，通过所述第一衬底101的上表面和/或所述第二衬底201的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述MIM电容501的电连接，从而形成具有一定滤波功能的滤波器、双工器等射频器件。
实施例五
实施例五与实施例一的区别在于：参考图15，提供至少一个衬底重复步骤S5-S6的工艺在所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间制作出至少一个线圈结构，所述第一线圈结构的所述第一导电柱与所述至少一个线圈结构的线圈连接，所述至少一个线圈结构的导电通孔与其下方的线圈结构的线圈或第二线圈结构的第二线圈连接，所述第一线圈结构、至少一个线圈结构和第二线圈结构堆叠形成多层螺线型电感结构。在此情况下，衬底及线圈层数可以大于两层，比如3层、4层、5层等，从而形成更高密度和更高感值的电感结构。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。
Claims (10)
1.一种电感结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，提供第一衬底；
S2，在所述第一衬底上形成贯穿所述第一衬底的上表面和下表面的第一通孔，在所述第一通孔内填充金属材料，形成第一导电柱；
S3，在所述第一衬底的上表面制作第一线圈，所述第一线圈与所述第一导电柱连接；
S4，在所述第一衬底的上表面制作第一介质层，所述第一介质层覆盖在所述第一线圈以外的区域，以形成第一线圈结构；
S5，提供第二衬底，采用步骤S1-S4的工艺在所述第二衬底的上表面制作第二线圈和第二介质层，在所述第二衬底的内部制作与所述第二线圈连接的第二导电柱，以形成第二线圈结构；
S6，将所述第一线圈结构置于所述第二线圈结构的上方，所述第一衬底的下表面与所述第二衬底的上表面相对设置，并将所述第一导电柱与所述第二线圈连接，以形成电感结构。
2.根据权利要求1所述的电感结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中的第一线圈和第一介质层的制作方法具体包括：
通过电镀工艺在所述第一衬底的上表面形成金属层；
所述金属层经过光刻和蚀刻工艺形成所述第一线圈；
采用CVD工艺在所述第一线圈周围形成所述第一介质层。
3.根据权利要求1所述的电感结构的制作方法，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上的投影为互补的半环形结构，所述第一导电柱与所述第二导电柱在所述第一衬底上的投影分别设于所述第一线圈和所述第二线圈的投影互补重合区域。
4.根据权利要求3所述的电感结构的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第一线圈结构和第二线圈结构上形成贯穿所述第一介质层、第一衬底、第二介质层和第二衬底的空腔，并在所述空腔内填充高磁导率的磁性材料以形成磁芯，所述磁芯在所述第一衬底的投影位于所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一衬底上所形成的投影区域的中心。
5.根据权利要求1所述的电感结构的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面集成至少一个芯片，通过所述第一线圈结构的上表面和/或所述第二线圈结构的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述芯片的电连接。
6.根据权利要求1所述的电感结构的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面通过薄膜电容器加工工艺形成MIM电容，通过所述第一衬底的上表面和/或所述第二衬底的下表面的金属走线以实现所述电感结构与所述MIM电容的电连接。
7.根据权利要求1所述的电感结构的制作方法，其特征在于，还包括：提供至少一个衬底重复步骤S5-S6的工艺在所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间制作出至少一个线圈结构，所述第一线圈结构的所述第一导电柱与所述至少一个线圈结构的线圈连接，所述至少一个线圈结构的导电通孔与其下方的线圈结构的线圈或第二线圈结构的第二线圈连接，所述第一线圈结构、至少一个线圈结构和第二线圈结构堆叠形成多层螺线型电感结构。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电感结构的制作方法，其特征在于，还包括：
在所述第一线圈上制作与所述第一线圈连接的第一焊球；
在所述第二衬底的下表面形成与所述第二导电柱连接的第二焊球。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的电感结构的制作方法，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底为石英玻璃。
10.一种电感结构，其特征在于，包括至少一组层叠形成的第一线圈结构和第二线圈结构，所述第一线圈结构包括第一衬底以及设置在所述第一衬底的上表面的第一线圈，所述第一衬底的上表面在所述第一线圈以外的区域设有第一介质层，所述第二线圈结构包括第二衬底以及设置在所述第二衬底的上表面的第二线圈，所述第二衬底的上表面在所述第二线圈以外的区域设有第二介质层，所述第一衬底的内部设有贯穿所述第一衬底的上表面和下表面的第一导电柱，在所述第一线圈结构中所述第一导电柱的一端与所述第一线圈连接，所述第二衬底的内部设有贯穿所述第二衬底的上表面和下表面的第二导电柱，所述第一线圈结构设于所述第二线圈结构上方且所述第一导电柱的另一端与所述第二线圈连接。
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