CN1157742C - 一种高频e型、i型薄膜变压器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜变压器及其制作工艺，该薄膜变压器是由初级绕组、次级绕组和磁芯薄膜组成，初、次级绕组分别与水平方向倾斜15°和20°，以交叉互绕的方式镀制在薄膜磁芯上；该薄膜变压器的制作工艺采用掩膜或光刻技术制作上、下电极，磁芯膜采用磁控溅射工艺制备，绝缘层采用蒸发镀方法即采用钨舟蒸发块状SiO_x材料；最后对变压器的磁芯膜磁场真空取向和纳米晶化。该薄膜变压器由于采用倾斜交叉互绕，增大了耦合系数和效率。该薄膜变压器是磁性电子元器件的最基本元件，它的薄膜化将极大促进电子元器件的片式化步伐。

Description

一种高频E型、I型薄膜变压器及其制备方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及电子元器件的制备技术。

背景技术

薄膜变压器和相关集成器件是进年来在国际上研究和开发的热点，一方面由于移动通信的迅猛发展和平面显示系统的广泛应用，加速了它的发展，另一方面由于机载、星载系统对“小、轻、薄、精”要求，使薄膜变压器在集成DC/DC变压器、微开电源系统的研发异常活跃。日本仙台东北大学在1992年用非晶薄带作纺织型薄膜变压器，用作纺织的铜线是15-50μm直径，绕匝变化从3-30匝，尽管电感值较大，但体积大，不属于薄膜集成化变压器。1993年该大学报告了螺旋型三层夹心结构薄膜变压器，它是用上、下两层软磁膜夹中间一层螺旋型初/磁级构成(如图1所示)。这样的变压器用光刻技术实现，尺寸2.4×3.1mm²，使用极限频率f_max＝10MHz，但初级和初级电感较低，耦合效果差，高频电感在0.3μHz以下。1992年，日本NTT公司在Si基片上作3×4mm²的薄膜变压器，初/次级采用上下光刻对接，电感值为0.4μHz，工艺极其复杂，电感值也比较小。1994年Toshiba公司和Hosei大学采用正方形绕组上/下夹心层结构，体积同样较大。1995年，日本Osaka大学采用聚酰亚铵(PI)夹层结构，频率可达13GHz，但低频端较差，电感值较小0.2μHz。同时，1995年日本Hosei大学采用双线(初、次级)环绕上、下加磁膜方法制出初/次匝17/15，外径60mm的薄膜变压器，尽管性能较好，但尺寸较大，耦合系数小。1996年美国半导体所，加州大学设计和制造了硅基薄膜变压器，整个器件采用半导体硅工艺完成，文献只报道了有关设计值，未见实测值。1997年到1999年美国加州大学伯克利分校、日本东北大学与NTT先后在硅基上做出DC/DC交换，将薄膜变压器采用硅器件光刻工艺做在硅片上，稳定性极大提高，但工艺更复杂。综上所述，可知：目前国际上的薄膜变压器在工艺上均采用三层夹心结构，或利用半导体技术光刻，上下对接制作薄膜变压器。初次级电感小，耦合效率低，且工艺极其复杂。因此，如何提高薄膜变压器初级电感、提高其耦合效率，解决小型化、集成化和工艺复杂等问题已成为近年来应用技术的难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄膜变压器，它具有较高的初级电感、耦合效率高、工艺简单、小型化和便于集成化等特点。

本发明的目的是这样实现的：E型薄膜变压器是由初级绕组、次级绕组E型磁芯组成，初、次级绕组分别与垂直方向倾斜15°和20°，以交叉互绕的方式镀制在E型薄膜磁芯的中柱上；I型薄膜变压器是由初级绕组、次级绕组I型磁芯组成，初、次级绕组分别与垂直方向倾斜15°和20°，以交叉互绕的方式镀制在I型薄膜磁芯上。

初、次级绕组通常使用Ag线，也可以使用Cu线。上述的薄膜磁芯可以是硅基，也可以是陶瓷基。

本发明可以采用掩膜或光刻工艺在陶瓷基和印刷电路板上直接做出薄膜变压器，采用与垂直方向倾斜15度和20度的方法，以交叉互绕的方式镀制在薄膜磁芯上，即将初次级薄膜绕组缠在E型或I型磁膜上，构成E型或I型薄膜变压器，使耦合系数极大增加。E型、I型硅基或陶瓷基薄膜变压器的结构是：银下电极/绝缘膜层/磁芯膜/绝缘膜层/上电极银膜，各层采用掩膜技术实现，也可以采用光刻技术实现。在制作变压器前，需首先建立微磁器件模型，通过编制的薄膜变压器设计程序设计出绕组膜和磁芯膜尺寸、窗口面积，由此确定出掩膜光刻尺寸。然后利用掩膜或光刻技术逐层镀制出薄膜变压器，再经过真空磁场光源闪烁纳米磁芯膜，涂布保护膜，便完成薄膜变压器的制作。

本发明采用掩膜技术的具体制作方法是：

第一步基片清洗及准备工艺：薄膜变压器的寿命直接决定于基片是否处理好。基片清洗程度决定薄膜附着力、磁芯软磁性能好坏以及薄膜应力等问题。本发明对衬底的处理方法是：首先用高锰酸钾在超声环境清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲净；接着用HCL稀溶液(10％)在超声环境中洗3次，每次5分钟，完毕后用去离子水冲洗净，然后用NaOH稀溶液(20％)在超声环境中清洗一次，6分钟，完毕后用去离子水冲洗净；最后，用丙酮溶液在超声环境中洗漱3分钟，用去离子水清洗5分钟后，放入干净烘箱烘干基片。

第二步下电极制作(初、次级下半部分)：将烘干的基片连同掩膜一起装入架具内，架具是有9个20×20mm方孔的支架做成。在装架具时要注意对准(掩膜和架具上设计有对准标记)，然后放入真空室进行镀制。镀制有两种方法：一种是采用真空蒸发方法，背底真空度约为1×10^-5Torr5×10^-5Torr，蒸发钨舟为5mm宽，100mm长，蒸发温度为1100～1150℃之间，衬底加温度为300℃；另一种方法为直流磁控溅射方法，背底真空度为1×10^-5Pa。溅射气压为4×10^-1P，溅射电流为0.4A～0.6A，电压为300～320V，两种工艺下Ag或Cu膜厚度为1～2μm。

第三步绝缘层(下绝缘层)制作：在完成下电极镀制后，将电极掩膜去掉，装入绝缘层掩膜，进行绝缘层制备，绝缘层均采用蒸发镀方法实现，真空条件同上。但蒸镀温度不同，由于采用钨舟蒸发块状SiO_X材料。所以，温度一般在1250℃左右为宜，且衬底必须加温在300℃以上，以确保绝缘层有较好的附着力，镀制厚度为100～200nm为宜。

第四步磁芯薄膜制作：镀好绝缘膜层后，换磁芯膜掩膜，注意对准标记，将架具装入磁控溅射台中进行磁芯膜溅射，背底真空度一般为10×10^-3Pa以下，溅射气压为4×10^-1Pa为宜，溅射电流为0.6～0.8A，电压为300～350V之间，溅射之前应对靶作预溅射除污处理3分钟，膜厚度控制在5μm左右为宜。

第五步绝缘层(上绝缘层)制作：方法同第四步。

第六步上电极制作(包括初、次电极另一半)方法：完成上面工艺后换上上电极掩膜，镀制前应该首先检查对准标记，此时对准标记极为重要，否则前功尽弃。确实对准后放入真空室中进行镀制，真空参数、制备温度及条件与下电极制作相同，

第七步磁场真空取向及纳米晶化：制作好的变压器由于磁芯膜处理非晶态，所以软磁磁性能不好，需要磁场沿易轴取向以及纳米晶粒化。

第八步保护膜PI涂布方法：薄膜高频变压器制成后需在表面加涂绝缘保护膜。本发明采用聚酰亚铵(PI)分热而成。将PI涂布在变压器表面后，采用两段温度分解：即990℃保温1小时，150℃保温0.5小时，自然冷却即可。

本发明由于采用初级绕组与垂直方向倾斜10°，次级绕组与垂直方向倾斜20°，使初、次级绕组交叉绕镀在E型变压器中柱上或I型磁芯上，使E型中柱或I型磁芯分别成为主窗口，变压器耦合效率提高到90％以上，初、次级电感均增加。

薄膜变压器制作好后，由于采用真空磁场取向纳米晶化，使磁芯膜软磁性能提高一个量级，B_s达到10T，μ_i大于2000MHz，变压器功率和使用频段提高。

在印制板基上制作的薄膜变压器，初级电感可大于08μHz，次级电感可大于05μHz，匝数可调，使用频段可达20MHz，功率可达瓦级，这是目前现有的薄膜变压器难以实现的。

该E型薄膜变压器的优点是将目前国际上开关电源使用的极限频率1.5MHz，提高到20MHz。由于采用纳米磁膜作为磁性材料，使饱和磁感应强度、导磁率都极大提高，促使相应的应用系统如DC/DC变换器、开关电源、空间制控等能满足“小、轻、薄、精”的技术要求；另外该E型薄膜变压器解决了目前磁性器件片式集成化的最关键问题：功率密度问题，使薄膜变压器功率密度达到10W/cm³，比现有技术铁氧体的2.5W/cm³大许多倍；本发明解决了目前磁性控制系统的抗干扰性，由于其体积减小可使整个系统易于屏蔽，同时使工作温度提升到-55℃～150℃之间。

附图说明

图1是现有技术三层夹心结构示意图

其中，1是初级绕组，2是磁膜，3是次级绕组；

图2是E型薄膜变压器制备工序示意图

其中，4是初级绕组Ag线，5是次级绕组Ag线，6是绝缘膜，7是E型磁芯薄膜，(1)是上银线制备，(2)是绝缘膜制备，(3)是E型磁芯薄膜制备，(4)是下银线制备；

其制备工序是：(1)-(2)-(3)-(4)；

图3是E型薄膜变压器结构示意图

其中，4是初级绕组Ag线，5是次级绕组Ag线，7是E型磁芯薄膜，8是空气气隙；

图4是I型薄膜变压器制备工序示意图

其中，4是初级绕组Ag线，5是次级绕组Ag线，6是绝缘膜，9是I型磁芯薄膜，(1)是上银线制备，(2)是绝缘膜制备，(3)是I型磁芯薄膜制备，(4)是下银线制备；

其制备工序是：(1)-(2)-(3)-(4)；

图5是I型薄膜变压器结构示意图

其中，4是初级绕组Ag线，5是次级绕组Ag线，9是I型磁芯薄膜；

图6是本发明薄膜变压器工艺流程框图。

具体实施方式：

以E型薄膜变压器为例：

基片尺寸：20×20×0.4mm；

磁芯尺寸：12×9mm；绕组匝数比：3∶2；

窗口尺寸：6×3mm；

采用本发明上面所述的具体制备工艺，即：

本发明可以采用掩膜或光刻工艺在陶瓷基和印刷电路板上直接做出薄膜变压器，采用与垂直方向倾斜15度和20度的方法，以交叉互绕的方式镀制在薄膜磁芯上，即将初次级薄膜绕组缠在E型磁膜上，构成E型薄膜变压器，使耦合系数极大增加。E型硅基或陶瓷基薄膜变压器的结构是：银下电极/绝缘膜层/磁芯膜/绝缘膜层/上电极银膜，各层采用掩膜技术实现，也可以采用光刻技术实现。在制作变压器前，需首先建立微磁器件模型，通过编制的薄膜变压器设计程序设计出绕组膜和磁芯膜尺寸、窗口面积，由此确定出掩膜光刻尺寸。然后利用掩膜或光刻技术逐层镀制出薄膜变压器，再经过真空磁场光源闪烁纳米磁芯膜，涂布保护膜，便完成薄膜变压器的制作。

本发明采用掩膜技术的具体制作方法是：

第一步基片清洗及准备工艺：薄膜变压器的寿命直接决定于基片是否处理好。基片清洗程度决定薄膜附着力、磁芯软磁性能好坏以及薄膜应力等问题。本发明对衬底的处理方法是：首先用高锰酸钾在超声环境清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲净；接着用HCL稀溶液(10％)在超声环境中洗3次，每次5分钟，完毕后用去离子水冲洗净，然后用NaOH稀溶液(20％)在超声环境中清洗一次，6分钟，完毕后用去离子水冲洗净；最后，用丙酮溶液在超声环境中洗漱3分钟，用去离子水清洗5分钟后，放入干净烘箱烘干基片；

第二步下电极制作(初、次级下半部分)：将烘干的基片连同掩膜一起装入架具内，架具是有9个20×20mm方孔的支架做成。在装架具时要注意对准(掩膜和架具上设计有对准标记)，然后放入真空室进行镀制。镀制有两种方法：一种是采用真空蒸发方法，背底真空度约为1×10^-5Torr5×10^-5Torr，蒸发钨舟为5mm宽，100mm长，蒸发温度为1100～1150℃之间，衬底加温度为300℃；另一种方法为直流磁控溅射方法，背底真空度为1×10^-5Pa。溅射气压为4×10^-1P，溅射电流为0.4A～0.6A，电压为300～320V，两种工艺下Ag或Cu膜厚度为1～2μm；

第三步绝缘层(下绝缘层)制作：在完成下电极镀制后，将电极掩膜去掉，装入绝缘层掩膜，进行绝缘层制备，绝缘层均采用蒸发镀方法实现，真空条件同上。但蒸镀温度不同，由于采用钨舟蒸发块状SiO_X材料。所以，温度一般在1250℃左右为宜，且衬底必须加温在300℃以上，以确保绝缘层有较好的附着力，镀制厚度为100～200nm为宜；

第四步磁芯薄膜制作：镀好绝缘膜层后，换磁芯膜掩膜，注意对准标记，将架具装入磁控溅射台中进行磁芯膜溅射，背底真空度一般为10×10^-3Pa以下，溅射气压为4×10^-1Pa为宜，溅射电流为0.6～0.8A，电压为300～350V之间，溅射之前应对靶作预溅射除污处理3分钟，膜厚度控制在5μm左右为宜。

第五步绝缘层(上绝缘层)制作：方法同第四步；

第六步上电极制作(包括初、次电极另一半)方法：完成上面工艺后换上上电极掩膜，镀制前应该首先检查对准标记，此时对准标记极为重要，否则前功尽弃。确实对准后放入真空室中进行镀制，真空参数、制备温度及条件与下电极制作相同；

第七步磁场真空取向及纳米晶化：制作好的变压器由于磁芯膜处理非晶态，所以软磁磁性能不好，需要磁场沿易轴取向以及纳米晶粒化。

第八步保护膜PI涂布方法：薄膜高频变压器制成后需在表面加涂绝缘保护膜。本发明采用聚酰亚铵(PI)分热而成。将PI涂布在变压器表面后，采用两段温度分解：即990℃保温1小时，150℃保温0.5小时，自然冷却即可。

这样，就可以得到E型薄膜变压器，它的主要技术指标是：

初/次级电感：1.6μH0.8μH；功率密度：10W/cm³；

工作温度：-55℃～125℃；

工作频率：10KH_Z～20MH_z

和现有的薄膜变压器的性能比较可知，本发明的薄膜变压器有很高的初、次级电感，因此它有较高的耦合效率、较大的功率密度、较高的使用频率。

本发明的高频E型薄膜变压器由于采用倾斜交叉初、次级互绕，增大了耦合系数和效率，同时它可以在印制板基上制作印制板型薄膜变压器，使初\次级电感提高、使用频率达20MHz。该薄膜变压器是磁性电子元器件的最基本元件，它的薄膜化极大促进电子元器件的片式化步伐。在应用方面，由于移动通信的普及和发展，快译通、可视手机以及平面显示系统的发展，该技术的应用前景极为广阔。

Claims (5)

1一种薄膜变压器，其特征是：它是由初级绕组、次级绕组和磁芯薄膜组成，初、次级绕组分别与垂直方向倾斜15°和20°，以交叉互绕的方式镀制在薄膜磁芯上。

2根据权利要求1所述的一种薄膜变压器，其特征是：所述的磁芯薄膜是E型磁芯薄膜，初、次级绕组镀制在E型薄膜磁芯的中柱上，组成E型薄膜变压器。

3根据权利要求1所述的一种薄膜变压器，其特征是：所述的磁芯薄膜是I型磁芯薄膜，初、次级绕组镀制在I型薄膜磁芯上，组成I型薄膜变压器。

4如权利要求1所述的薄膜变压器的制备方法，其特征是：

第一步建立薄膜变压器模型，确定绕组膜尺寸和磁芯膜尺寸、窗口面积；

第二步采用掩膜或光刻技术，按照上面的绕组膜尺寸和磁芯膜尺寸、窗口面积制备下电极绕组；

第三步下绝缘膜制备采用蒸发镀方法，在真空、温度为1250℃环境下，钨舟蒸发块SiO_x材料；衬底加温300℃，以上以确保绝缘层有较好的附着力，镀制厚度为100～200nm为宜。

第四步磁芯薄膜制备，采用磁控溅射方法，利用掩膜或光刻形成磁芯薄膜芯；第五步上电极、上绝缘膜制备制备工艺分别同第二、第三步；

第六步磁场真空取向和纳米晶化。

5根据权利要求1所述的一种薄膜变压器，其特征是：所述的薄膜变压器可以直接在印制板基上制作。

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