CN1316522C - 一种n层磁芯的Ⅰ型薄膜变压器阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列及其制备方法，它是由多个I型n层磁芯的薄膜变压器制作在同一基片上，构成本发明的I型薄膜变压器阵列；其制备方法采用高精度的薄膜制造技术，以物理或化学气相沉积的方法，在基片上制作多层厚度为纳米级或微米级的金属、金属氧化物薄膜，形成磁芯和绕组。本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列具有品质高、电感量大、损耗小、体积小、频带宽、绝缘性能好、与半导体集成电路制造工艺兼容等特点，可应用于通信、计算机、消费类电子系统。

Description

一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，它特别涉及薄膜变压器技术。

背景技术

目前变压器仍采用传统工艺制造，将细的导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成，外层一般用树脂封固。因受传统绕组的绕线工艺局限，此类器件体积小型化非常有限，它具有体积大、重量重、损耗多、难与半导体集成电路工艺兼容等缺点。并且铁氧体的饱和磁感应强度低，当工作频率达到MHz时，磁芯的磁滞损耗和涡流损耗急剧增加，传统绕组的临近效应和趋肤效应也急剧增强，这些导致变压器损耗增加。如果选用合金作为磁芯材料，虽然合金磁性材料具有很高的饱和磁通密度，但是它具有低的电阻率，这导致其涡流损耗增加，影响薄膜变压器在高频使用。随着电子系统向高集成度、高复杂度方向发展，这势必要求在更小的有限空间内集成更多的元器件，而目前使用的传统变压器已经制约现代SMT技术、MCM技术发展。有些人采用三明治型的夹层结构，即绕组/磁芯/绕组形式，但这样的变压器耦合效率不高，初/次级完全分开，电感量一般小于0.2μH。在电子科技大学申请的专利(专利号1378221)内介绍单个单层磁芯的I型薄膜变压器(它是由初级绕组、次级绕组、I型磁芯和绝缘层组成，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，如图7所示)及其制作工艺，其制作的薄膜变压器的磁芯为单层磁性合金薄膜，如图8所示，采用真空蒸发SiO_x制作绝缘层，它具有额定功率小，损耗较大，品质因子低。我们知道随着薄膜变压器的工作频率提高，磁芯薄膜对应的趋肤深度减小，这要求单层磁芯薄膜变薄，否则涡流损耗急剧增加，从而降低薄膜变压器的品质因子；而薄膜变压器的初次级电感与磁芯薄膜厚度成正比，如果电感大，那么磁芯薄膜膜厚增加。所以对于磁芯薄膜膜厚，初次级电感和趋肤深度处于相互竞争的境地。故单层磁芯的I型薄膜变压器不能有效解决磁芯的涡流损耗与磁芯截面积之间的矛盾。还有它采用真空蒸发SiO_x制作绝缘层，绝缘效果不稳定。而且单个I型薄膜变压器工作频带窄，不能满足多信道宽频带的电路要求。

发明内容

本发明的任务是提供一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列及其制备方法，采用本发明方法制备的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列具有使用电感量大、损耗小、品质高、频带宽、绝缘性能好、体积小、能与半导体集成电路制造工艺兼容等特点。

本发明提供的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，其特征是：它包括m个n层磁芯的I型薄膜变压器，所述的n层磁芯的I型薄膜变压器是由初级绕组、次级绕组、n层磁芯和薄膜绝缘层组成，初、次级绕组与竖直方向倾斜15°～20°，以交叉的方式缠绕在薄膜磁芯上；所述的n层磁芯的I型薄膜变压器包括n层磁芯层和n+1层绝缘层，它是在基片上依次镀制绝缘层、磁芯层、绝缘层、磁芯层、……绝缘层、磁芯层、绝缘层，如图9所示；m个n层磁芯的I型薄膜变压器制作在同一个基片上，构成本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，如图10所示。

需要说明的是，所述的基片可以采用硅片，还可以采用微晶玻璃，绝缘材料采用聚酰亚胺，磁芯材料为Co磁性金属合金；其中m、n为大于或等于1的自然数。

通过连接n层磁芯的I型薄膜变压器阵列中的n层磁芯的I型薄膜变压器的引脚，就可以构成满足具体实际电路要求的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列。

本发明提供的一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列的制备方法，如图1所示，其特征是采用下面的步骤：

第一步制作掩膜：按照本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列结构，设计和制作对应的掩膜，掩膜包括：下层导线掩膜，如图2所示，根据器件工作频率确定导线的趋肤深度，导线的线宽应控制在趋肤深度之内；上层导线掩膜，如图3所示，它的线宽保持与下层导线的线宽一致；绝缘层掩膜，如图4所示，在宽度上磁芯掩膜比绝缘层掩膜小；磁芯层掩膜，如图5所示，绝缘层掩膜的孔比磁芯掩膜的孔略大一些；保护层掩膜，如图6所示，为了有效保护已制作好的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，除n层磁芯的I型薄膜变压器阵列引脚以外的区域都要镀制保护层；

第二步基片清洗及准备：为确保基片干净无污染，采用超声波清洗方法：1、用高锰酸钾在超声波环镜中清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲洗净；2、用浓度为10％HCl稀溶液在超声环境中洗3次，每次5分钟，完毕后用去离子水冲洗净；3、用浓度为20％氢氧化钠稀溶液在超声环境中清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲洗净；4、用丙酮溶液在超声环境中清洗3分钟，用去离子水清洗5分钟；5、用酒精在超声环境中清洗3分钟；6、放入干净烘箱中烘干；

第三步镀制下层导线层：将烘干的基片和下层导线掩膜装入夹具内，镀制下层导线可以采用真空蒸发方法：背底真空度为1.33×10^-3Pa～6.67×10^-3Pa，蒸发钨舟宽为5mm，长为100mm，钨舟蒸发温度为1100～1150℃之间，基片衬底加温度为300℃；镀制下层导线也可以采用直流磁控溅射方法：背底真空度为1×10^-3Pa，溅射气压为4Pa，溅射电流为0.4～0.6A，电压为300-320V，导线膜厚由器件的工作频率对应的趋肤深度确定；

第四步镀制绝缘层：将绝缘层掩膜和基片装入夹具中，镀制绝缘层采用真空蒸发聚酰亚胺：背底真空度为1.33×10^-3Pa～6.67×10^-3Pa，绝缘层蒸发温度为1250℃，基片温度大于300℃，聚酰亚胺膜厚度为100～200nm；

第五步镀制磁芯薄膜：镀好绝缘膜层后，换磁芯层掩膜，采用磁控溅射方法镀制n层磁芯薄膜：背底真空压强≤1.0×10^-3Pa，溅射气压约为4Pa，溅射电流为0.6-0.8A，溅射电压为300-350V之间，溅射之前应对靶作预溅射除污处理3分钟，磁芯薄膜厚度应控制在器件工作频率对应的趋肤深度之内；

第六步镀制n层磁芯：重复第四步和第五步n-1次，形成n层叠加结构，然后再重复第四步镀制绝缘层；

第七步镀制上层导线层：装上层导线掩膜，采用与第三步相同的工艺参数镀制上层导线；

第八步真空磁场取向纳米晶化：将第七步制作好的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，进行真空磁场取向纳米晶化处理：真空度为1.33×10^-1～1.33Pa，磁场为0～100Oe之间；用快速升温，退火温度为480℃～500℃，保温为3～5分钟，反复循环次数为N＝10～12次；

第九步镀制保护膜：采用第四步相同工艺参数镀制聚酰亚胺膜，保护n层磁芯的I型薄膜变压器阵列。

经过以上九个步骤后，就可得到本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列。

本发明的实质是由多个n层磁芯的I型薄膜变压器制作在同一基片上，构成本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列；通过连接n层磁芯的I型薄膜变压器阵列中的n层磁芯的I型薄膜变压器的引脚，就可以构成满足具体实际要求的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列。本发明提供的一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列的制备方法，采用高精度的薄膜制造技术，以物理或化学气相沉积的方法，在基片上制作多层厚度为纳米级或微米级的金属、金属氧化物薄膜，形成磁芯和绕组。结构上采用多层微细结构，从而使变压器的性能和结构上灵活多变，可以满足不同电路的要求。

本发明的主要特点：

1、本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列采用[磁芯层/绝缘层]n多层叠加磁芯的薄膜结构，既有效地减小损耗，又提高薄膜变压器的电感，故提高器件的品质因子；

2、采用真空蒸发聚酰亚胺镀制绝缘层，提高多阵列薄膜网络变压器的绝缘性能。

3、本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列具有体积小、频带宽、结构灵活精密、生产一致性好、与半导体集成电路制造工艺兼容。

4、本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列进行真空磁场纳米晶化处理，提高器件的性能。

附图说明：

图1是制备本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列的工艺流程图；

图2是下层导线掩膜示意图；

图3是上层导线掩膜示意图；

图4是磁芯层掩膜示意图；

图5是绝缘层掩膜示意图；

图6是保护层掩膜示意图；

图7是单个单层磁芯的I型薄膜变压器示意图；

其中：1、2、3、4为单个I型薄膜变压器的引脚，1、2为初级绕组，3、4为次级绕组。

图8是现有的单层磁芯的I型薄膜变压器截面图；

其中：5为基片，6为下层导线层，7为绝缘层，8为磁芯层(现有的薄膜变压器磁芯层为单层磁性薄膜)，9为绝缘层，10为上层导线层，11为保护层。

图9是n层磁芯的I型薄膜变压器阵列的单个薄膜变压器截面图；其中：12为基片，13为下层导线层，14为绝缘层，15为磁芯层(此类n层磁芯的I型薄膜变压器磁芯层为[绝缘层/磁芯层]n结构)，16为绝缘层，17为上层导线层，18为保护层。

图10是取m＝4时本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列示意图；其中：35～38为四个n层磁芯的I型薄膜变压器，19～34为四个n层磁芯的I型薄膜变压器的引脚，19、20为薄膜变压器35的初级绕组，21、22为薄膜变压器35的次级绕组；23、24为薄膜变压器36的的初级绕组，25、26薄膜变压器36的次级绕组；27、28为薄膜变压器37初级绕组，29、30为薄膜变压器37的次级绕组；31、32为薄膜变压器38的初级绕组，33、34为薄膜变压器38的次级绕组。

具体实施方式

采用本发明方法可以制备n＝4，6，10，16，20，m＝4的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，磁芯材料采用Co磁性金属合金；它的主要技术指标如下：初级电感L₁＝0.2μH～1.7μH，品质因子Q＝0.2～10，使用频率f＝10KHz～10MHz。

本发明提供的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，可广泛应用于通信、计算机、消费类电子等领域，促进MCM技术发展。

Claims (4)

1、一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，其特征是：它包括m个n层磁芯的I型薄膜变压器，所述的n层磁芯的I型薄膜变压器是由初级绕组、次级绕组、n层磁芯和薄膜绝缘层组成，初、次级绕组与竖直方向倾斜15°～20°，以交叉的方式缠绕在薄膜磁芯上；所述的n层磁芯的I型薄膜变压器包括n层磁芯层和n+1层绝缘层，它是在基片上依次镀制绝缘层、磁芯层、绝缘层、磁芯层、……绝缘层、磁芯层、绝缘层；m个n层磁芯的I型薄膜变压器制作在同一个基片上。

2、根据权利要求1所述的一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，其特征是：所述的基片可以采用硅片，还可以采用微晶玻璃。

3、根据权利要求1所述的一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，其特征是：所述的绝缘材料采用聚酰亚胺；所述的磁芯材料为Co磁性金属合金。

4、一种n层磁芯的I型薄膜变压器阵列的制备方法，其特征是它包括下面的步骤：

第一步制作掩膜：按照本发明的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列结构，设计和制作对应的掩膜，掩膜包括：下层导线掩膜，根据器件工作频率确定导线的趋肤深度，导线的线宽应控制在趋肤深度之内；上层导线掩膜，它的线宽保持与下层导线的线宽一致；绝缘层掩膜，在宽度上磁芯掩膜比绝缘层掩膜小；磁芯层掩膜，绝缘层掩膜的孔比磁芯掩膜的孔略大一些；保护层掩膜，除n层磁芯的I型薄膜变压器阵列引脚以外的区域都要镀制保护层；

第二步基片清洗及准备：为确保基片干净无污染，采用超声波清洗方法：

(1)、用高锰酸钾在超声波环镜中清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲洗净；

(2)、用浓度为10％HCl稀溶液在超声环境中洗3次，每次5分钟，完毕后用去离子水冲洗净；

(3)、用浓度为20％氢氧化钠稀溶液在超声环境中清洗5～10分钟，完毕后用去离子水冲洗净；

(4)、用丙酮溶液在超声环境中清洗3分钟，用去离子水清洗5分钟；

(5)、用酒精在超声环境中清洗3分钟；

(6)、放入干净烘箱中烘干；

第三步镀制下层导线层：将烘干的基片和下层导线掩膜装入夹具内，镀制下层导线可以采用真空蒸发方法：背底真空度为1.33×10^-3Pa～6.67×10^-3Pa，蒸发钨舟为5mm宽，100mm长，钨舟蒸发温度为1100～1150℃之间，基片衬底加温度为300℃；镀制下层导线也可以采用直流磁控溅射方法：背底真空度为1×10^-3Pa，溅射气压为4Pa，溅射电流为0.4～0.6A，电压为300-320V，下层导线膜厚由器件的工作频率对应的趋肤深度确定；

第四步镀制绝缘层：将绝缘层掩膜和基片装入夹具中，镀制绝缘层采用真空蒸发聚酰亚胺：背底真空度为1.33×10^-3Pa～6.67×10^-3Pa，绝缘层蒸发温度为1250℃，基片温度大于300℃，聚酰亚胺膜厚度为100～200nm；

第五步镀制磁芯薄膜：镀好绝缘膜层后，换磁芯层掩膜，采用磁控溅射方法镀制n层磁芯薄膜：背底真空压强≤1.0×10^-3Pa，溅射气压约为4Pa，溅射电流为0.6-0.8A，溅射电压为300-350V之间，溅射之前应对靶作预溅射除污处理3分钟，磁芯薄膜厚度应控制在器件工作频率对应的趋肤深度之内；

第六步镀制n层磁芯：重复第四步和第五步n-1次，形成n层叠层结构，然后再重复第四步镀制绝缘层；

第七步镀制上层导线层：装上层导线掩膜，采用与第三步相同的工艺参数镀制上层导线；

第八步真空磁场取向纳米晶化：将第七步制作好的n层磁芯的I型薄膜变压器阵列，进行真空磁场取向纳米晶化处理：真空度为1.33×10^-1～1.33Pa，磁场为0～100Oe之间；用快速升温，退火温度为480℃～500℃，保温为3～5分钟，反复循环次数为N＝10～12次；

第九步镀制保护膜：采用第四步相同工艺参数镀制聚酰亚胺保护膜。

Images