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Allgemeiner Stand der Technik
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten Induktanz und eine Chipinduktionsspule sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterchipinduktionsspule.
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Induktionsspulenbauelemente gemäß dem Stand der Technik weisen eine große Anzahl von Verarbeitungsschritten auf, so dass die Kosten zum Herstellen solcher Bauelemente hoch sind. Bei herkömmlichen Induktionsspulen ist zudem die Komponentengröße groß und lange Verdrahtungslängen müssen bereitgestellt werden.
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Flache Induktionsspulen, die in Mehrschichtsubstrate oder Halbleiter integriert sind, weisen Induktivitäten auf, die aufgrund des Fehlens von Kernelementen, die die Magnetfeldstärke erheblich erhöhen, niedrig sind.
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JP 2000- 182 851 A1 beschreibt eine Spule, die auf einem Hauptsubstrat und einem „Sub-Substrat“ gebildet ist, d.h. es sind zwei Substrate vorhanden, wobei die beiden Substrate elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine erste spiralförmige Spule ist auf der Oberfläche des Hauptsubstrats gebildet und eine zweite spiralförmige Spule ist auf der Oberfläche des Sub-Substrats gebildet. EP 1 901 353 A2 beschreibt ein Doppelsubstrat-Induktions-Element, welches eine „Flip-Bondierung“ aufweist. Ein Magnetfeld, welches im Zentrum der kreisförmigen Spulen erzeugt wird, ist senkrecht zu der Oberfläche der Doppel-Substrate orientiert, wobei die Magnetfeldachse ist ungefähr parallel zur Oberflächennormalen der Substrate ausgerichtet ist.
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WO 2007/ 039 878 A1 offenbart ein Mehrlagen-Induktionselement für integrierte Schaltungen. Das induktive Element weist ein Substrat auf, auf welches eine erste Metallschicht aufgebracht ist, die eine Dicke von größer einem Mikrometer aufweist. Die erste Metallschicht ist als ein erster Satz benachbarter, sich nicht kreuzender leitfähiger Elemente ausgebildet. Ein ferromagnetisch-basierter Grundkörper ist auf der ersten Metallschicht angeordnet. Zumindest eine weitere Metallschicht ist auf dem ferromagnetisch-basierten Grundkörper angeordnet und als ein zweiter Satz benachbarter, sich nicht kreuzender leitfähiger Elemente ausgebildet. Eine Mehrzahl von leitfähigen Durchlöchern sind in dem ferromagnetisch-basierten Grundkörper angeordnet und sind derart ausgelegt, dass sie jeweilige des ersten Satzes benachbarter, sich nicht kreuzender leitfähiger Elemente mit zugehörigen des zweiten Satzes benachbarter, sich nicht kreuzender leitfähiger Elemente elektrisch leitend verbinden. Hierdurch wird eine zusammenhängende leitfähige Wicklung um den inneren Kernbereich bereitgestellt.
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US 6 817 087 B2 betrifft induktive Elemente für integrierte Schaltungen. Zur Erhöhung der Interaktivität weisen die induktiven Elemente magnetische Schichten auf, die innerhalb von als Spulen ausgebildeten leitfähigen Segmenten angeordnet sind.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung stellt eine Induktionsspule bereit, die in eine Halbleiterschaltung integriert werden kann, was eine große Induktivität und eine geringe Größe gestattet.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Chipinduktionsspule bereitgestellt, die folgendes aufweist: ein erstes Substrat, das mindestens eine erste leitende Streifenleitung mit Endanschlüssen an einer Oberfläche des ersten Substrats aufweist, ein zweites Substrat, das mindestens eine zweite leitende Streifenleitung mit Endanschlüssen an einer Oberfläche des zweiten Substrats aufweist, wobei ein Raster der Endanschlüsse auf dem ersten Substrat einem Raster der Endanschlüsse auf dem zweiten Substrat entspricht, leitende Zapfen bzw. Stifte, die die Endanschlüsse auf dem ersten Substrat mit den Endanschlüssen auf dem zweiten Substrat unter Ausbildung mindestens einer Induktionsspulenschleife verbinden, ein erstes magnetisches Element, welches innerhalb der Induktionsspulenschleife angeordnet ist, und ein zweites magnetisches Element, welches an dem ersten Substrat auf einer Oberfläche gegenüber der Oberfläche angeordnet ist, wo Endanschlüsse der ersten leitenden Streifenleitung angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Chipinduktionsspule bereitgestellt, das folgendes aufweist: Bereitstellen eines ersten Substrats, Abscheiden mindestens einer ersten leitenden Streifenleitung mit Endanschlüssen auf dem ersten Substrat, Bereitstellen eines zweiten Substrats, Abscheiden mindestens einer zweiten leitenden Streifenleitung mit Endanschlüssen auf dem zweiten Substrat, wobei ein Raster der Endanschlüsse auf dem ersten Substrat einem Raster der Endanschlüsse auf dem zweiten Substrat entspricht; Abscheiden von leitenden Zapfen auf den Endanschlüssen auf dem ersten und/oder dem zweiten Substrat; Anordnen eines ersten magnetischen Elements zwischen den leitenden Zapfen; Anordnen des ersten Substrats bezüglich des zweiten Substrats derart, dass die leitenden Zapfen die Endanschlüsse auf dem ersten Substrat mit jeweiligen Endanschlüssen auf dem zweiten Substrat unter Ausbildung einer Induktionsspulenschleife verbinden; und Anordnen eines zweiten magnetischen Elements auf dem ersten Substrat auf einer Oberfläche, die der Oberfläche gegenüberliegt, wo Endanschlüsse der ersten leitenden Streifenleitung angeordnet sind.
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Figurenliste
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Die beiliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein eingehenderes Verständnis der Ausführungsformen zu vermitteln, und sind in diese Spezifikation aufgenommen und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der damit einhergehenden Vorteile von Ausführungsformen lassen sich ohne weiteres verstehen, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und sind in der folgenden Beschreibung detailliert.
- 1A veranschaulicht ein erstes Substrat mit auf einer oberen Oberfläche abgeschiedenen ersten leitenden Streifenleitungen.
- 1B veranschaulicht das in 1A dargestellte erste Substrat, wobei erste und zweite leitende Zapfen auf den ersten leitenden Streifenleitungen an den Endanschlüssen davon abgeschieden worden sind.
- 2A veranschaulicht die in 1B dargestellte Anordnung, wobei ein erstes magnetisch weiches Kernelement zwischen den ersten und zweiten leitenden Zapfen und auf der Oberfläche des ersten Substrats, wo die ersten leitenden Streifenleitungen abgeschieden sind, angeordnet ist.
- 2B veranschaulicht das erste Substrat, das identisch zu der in 2A dargestellten Anordnung hergestellt ist, aber um 180 Grad gedreht ist, so dass die ersten und zweiten Zapfen nach unten weisen.
- 3 veranschaulicht das erste Substrat, wobei die ersten und zweiten leitenden Zapfen nach unten weisen, und ein zweites Substrat mit darauf abgeschiedenen zweiten leitenden Streifenleitungen.
- 4 veranschaulicht die Anordnung von 3, wobei das erste und zweite Substrat derart zusammengefügt worden sind, dass die ersten und zweiten leitenden Zapfen die zweiten leitenden Streifenleitungen kontaktieren.
- 5A veranschaulicht die in 4 dargestellte Anordnung mit Magnetfeldlinien, wobei erste Magnetfeldlinien über dem ersten Substrat liegen und zweite Magnetfeldlinien durch das zweite Substrat verlaufen.
- 5B ist eine Schnittansicht, die einen Querschnitt entlang der Mitte eines Induktionsspulenelements zeigt.
- 6A veranschaulicht die Anordnung von 4 mit einem zusätzlichen aufgebrachten zweiten magnetisch weichen Kernelement, das an dem ersten Substrat auf einer Oberfläche gegenüber der Oberfläche angeordnet ist, wo die ersten und zweiten leitenden Zapfen angeordnet sind, wobei erste Magnetfeldlinien dargestellt sind, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 6B zeigt erste Magnetfeldlinien in einem Querschnitt entlang der Achse des Induktionsspulenelements, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorderer“, „hinterer“ usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist in keinerlei Weise beschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 wird ein Induktionsspulenelement beschrieben. 1-4 veranschaulichen Schritte zum Herstellen eines Induktionsspulenelements beziehungsweise einer Flip-Chip-Induktionsspule.
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Ein Aspekt stellt zwei separate Substrate bereit, die beim Ausbilden einer Induktionsspule mit geringer Größe und hoher Induktivität zusammenwirken. Die Verdrahtung der Induktionsspule ist in zwei separate Induktionsspulenelemente unterteilt, die separat auf zwei Substraten bereitgestellt sind. In der Regel sind die Substrate Halbleitersubstrate, während andere Substrate wie etwa ein organisches Leiterplattensubstrat, ein thermoplastisches Substrat, Glas oder Kombinationen davon ebenfalls verwendet werden können.
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Eines (oder beide) der beiden Substrate enthält ein magnetisches Element in Form einer magnetischen Schicht. Es können Materialien wie etwa Fe oder Legierungen auf der Basis von Fe, NiFe, SiFe oder FeSiB verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform können hohe Induktivitäten bereitgestellt werden. Die „Chip-on“-Technologie wird unter Einsatz von Halbleiterchips leicht realisiert. Die Verdrahtungslängen sind kurz, so dass gute HF-Charakteristiken bereitgestellt werden können. Eine weitere Ausführungsform der Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie auf effiziente und leichte Weise in ein Halbleitersubstrat integriert werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Chipinduktionsspule bereitgestellt, die folgendes aufweist: ein erstes Substrat, das mindestens eine erste leitende Streifenleitung mit Endanschlüssen an einer Oberfläche des ersten Substrats aufweist, ein zweites Substrat, das mindestens eine zweite leitende Streifenleitung mit Endanschlüssen an einer Oberfläche des zweiten Substrats aufweist, wobei ein Raster, Abstandsmaß bzw. eine Teilung der Endanschlüsse auf dem ersten Substrat einem Raster, Abstandsmaß bzw. einer Teilung der Endanschlüsse auf dem zweiten Substrat entspricht, und leitende Zapfen bzw. Stifte, die die Endanschlüsse auf dem ersten Substrat mit den Endanschlüssen auf dem zweiten Substrat unter Ausbildung einer Induktionsspulenschleife verbinden. Somit wirken die ersten und zweiten Streifenleitungen und die leitenden Zapfen zusammen, um die Induktionsspulenschleife (oder mehrere Induktionsspulenschleifen) zu bilden, so dass das in der Mitte der Induktionsspulenschleife erzeugte Magnetfeld im wesentlichen parallel zu den Oberflächen des ersten und zweiten Substrats orientiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die leitenden Zapfen Kupfer oder Kupferlegierungen auf.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist die Induktionsspule weiterhin ein zweites magnetisches Element auf, das an dem ersten Substrat auf einer Oberfläche gegenüber der Oberfläche angeordnet ist, wo das erste magnetische Element angeordnet ist. Das zweite magnetische Element ist als ein dünner magnetischer Film konfiguriert, der auf der Oberfläche des ersten Substrats gegenüber der Oberfläche abgeschieden ist, wo das erste magnetische Element angeordnet ist. Bei einem Beispiel enthält das zweite magnetische Element eine FeSiB-Legierung.
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Wie in 1A dargestellt, wird zuerst ein erstes Substrat 100 bereitgestellt. Auf dem ersten Substrat 100 werden erste leitende Streifenleitungen 101a-101n beispielsweise mit Hilfe einer Vakuumabscheidungstechnik abgeschieden. Die ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n bilden jeweils einen ersten leitenden Weg eines Induktionsspulenelements bzw. einer Flip-Chip-Induktionsspule, die durch die Ausführungsform bereitgestellt werden. Die ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n können aus Metallschichten bestehen.
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Dann werden im nächsten Schritt, wie in 1B dargestellt, erste leitende Zapfen 102a-102n und zweite leitende Zapfen 103a-103n auf Endanschlüssen der ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n abgeschieden, die auf dem ersten Substrat 100 abgeschieden sind. Die ersten und zweiten leitenden Zapfen ragen in der Regel um 50 µm von der Oberfläche des Substrats 100 vor. Bei einer Ausführungsform sind die ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n als säulenförmige Bumps vorgesehen.
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Die ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n können Kupfer oder Kupferlegierungen enthalten. Weiterhin ist es möglich, andere Materialien wie etwa Ag zu verwenden. In einem Fall können die ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n auf der mindestens einen leitenden Streifenleitung an den Endanschlüssen davon unter Einsatz eines Plattierungsprozesses oder eines Galvanisierungsprozesses abgeschieden werden.
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2A veranschaulicht den nächsten Schritt zum Ausbilden eines Induktionsspulenelements gemäß einer Ausführungsform. Es wird angemerkt, dass dieser Schritt entfallen kann, wenn Induktionselemente bzw. Leiterelemente mit niedriger Induktivität bereitgestellt werden sollen. Dieser Schritt, der in 2A dargestellt ist, soll Induktionsspulenelemente mit hoher Induktivität dadurch bereitstellen, dass die Induktanz einer Magnetspule mit Hilfe eines Magnetkerns erhöht wird. Wie in 2A dargestellt, wird ein erstes magnetisch weiches Kernelement 104 zwischen den ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n und auf dem ersten Substrat 100 und auf den ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n bereitgestellt, die auf der oberen Oberfläche des ersten Substrats 100 abgeschieden sind.
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Das erste magnetisch weiche Kernelement 104 kann ein ferromagnetisches Material enthalten. Das erste magnetisch weiche Kernelement 104 kann eine FeSiB-Legierung enthalten. Das Material des ersten magnetisch weichen Kernelements 104 wird zwischen den ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n und der mindestens einen ersten leitenden Streifenleitung 101a-101n unter Verwendung einer Vakuumabscheidungstechnik abgeschieden. Weiterhin ist es möglich, das erste magnetisch weiche Kernelement 104 als ein separates Materialstück in einem Gebiet zwischen den ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n auf der Oberfläche des ersten Substrats 100 anzuordnen. Am Ende der in 2A dargestellten Prozessschritte wird ein Induktionsspulenelement gemäß einer Ausführungsform ausgebildet.
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2B zeigt das in 2A dargestellte Induktionsspulenelement derart um 180° umgeklappt, dass die ersten 102a-102n und zweiten leitenden Zapfen 103a-103n nun nach unten weisen, das heißt, das Substrat 100 ist nun von der Unterseite der 2A dargestellt.
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Der nächste Verarbeitungsschritt ist in 3 dargestellt. Um eine Flip-Chip-Induktionsspule fertig zu stellen, wird ein zweites Substrat 200 bereitgestellt, das mindestens eine zweite leitende Streifenleitung 201a-201n mit Endanschlüssen enthält. Die zweite leitende Streifenleitung 201a-201n wird auf der Oberfläche des zweiten Substrats abgeschieden, wie in 3 dargestellt. Die zweite leitende Streifenleitung 201a-201n kann in Bezug auf die erste leitende Streifenleitung 101a-101n schräg angeordnet sein, so dass durch die zweite leitende Streifenleitung 201a-201n zwei benachbarte erste leitende Streifenleitungen 201a-201n verbunden werden können. Dies ist anschaulich in 4 dargestellt. Es ist ebenso möglich, dass die erste leitende Streifenleitung 101a-101n schräg angeordnet ist.
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Weiterhin werden Induktionsspulenverbindungsanschlüsse 202a, 202b und Verbindungsstreifenleitungen 203a, 203b auf der Oberfläche des zweiten Substrats 200 abgeschieden. Bezüglich der Abscheidungsprozesse können gleiche Abscheidungsprozesse wie bezüglich des ersten Substrats 100 beschrieben (siehe 1A, 1B und 2A, 2B) verwendet werden, wie etwa eine Vakuumabscheidungstechnik und/oder ein Plattierungsprozess. Die zweiten leitenden Streifenleitungen 201a-201n, die Induktionsspulenverbindungsanschlüsse 202a, 202b und die Verbindungsstreifenleitungen 203a, 203b können aus Metallschichten bestehen.
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Dadurch entspricht das Raster bzw. die Teilung der Endanschlüsse der zweiten leitenden Streifenleitungen 201a-201n dem Raster bzw. der Teilung der Endanschlüsse der ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n. Somit wird, wie in 3 dargestellt, der Induktionsspulenverbindungsanschluss 202a mit dem ersten leitenden Zapfen 102a verbunden, wobei die zweite leitende Streifenleitung 101a den zweiten leitenden Zapfen 103a mit dem ersten leitenden Zapfen 102b verbindet usw. Folglich entsteht ein leitender Weg um das erste magnetisch weiche Kernelement 104 herum. Unter Verwendung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform kann eine lange Spule bereitgestellt werden.
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Um die jeweiligen Endanschlüsse der ersten leitenden Streifenleitungen 101a-101n mit den entsprechenden Endanschlüssen der zweiten leitenden Streifenleitungen 201a-201n zu verbinden, wird das Substrat 100, das um 180° geklappt worden ist (siehe 2) auf der Oberseite der Oberfläche des zweiten Substrats 200 angeordnet, indem das erste Substrat 100 in der Richtung der Pfeile A bewegt wird.
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Das Ergebnis dieser Vorgehensweise ist in 4 dargestellt, wo ein leitender Weg durch die Pfeile B angegeben ist. Somit wird eine Flip-Chip-Induktionsspule ausgebildet.
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5 zeigt die Magnetfeldlinienkonfiguration der Flip-Chip-Induktionsspule. Die in 5A dargestellte Magnetfeldlinie 301 besteht aus einer ersten Magnetfeldlinie 301a über der Unterseite des Substrats 100 und zweiten Magnetfeldlinien 301b, die durch das zweite Substrat 200 hindurchgehen. 5B veranschaulicht diese Situation ausführlicher. 5B ist eine Schnittansicht entlang der Achse der Flip-Chip-Induktionsspule.
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Ein Aspekt besteht darin, dass die zweiten Magnetfeldlinien 301b durch das zweite Substrat 200 hindurchgehen können, so dass in das zweite Substrat 200 integrierte Elektronikkomponenten durch das von der Flip-Chip-Induktionsspule erzeugte Magnetfeld beeinflusst werden können.
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Um dies zu vermeiden, wird bei einer hier beanspruchten Ausführungsform ein zweites magnetisch weiches Kernelement 105 bereitgestellt, das in 6A und 6B dargestellt ist. Das zweite magnetisch weiche Kernelement 105 wird auf der Unterseite des ersten Substrats 100 abgeschieden, das heißt, das zweite magnetisch weiche Kernelement 105 ist an dem ersten Substrat 100 auf einer Oberfläche gegenüber der Oberfläche angeordnet, wo das erste magnetisch weiche Kernelement 104 angeordnet ist, wie in 6A dargestellt.
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Nun verlaufen nur erste Magnetfeldlinien 301a durch das zweite magnetisch weiche Kernelement 105 und nicht länger durch das zweite Substrat 200. 6B veranschaulicht diese Situation ausführlicher, da 6B eine Querschnittsansicht über den Zugang der Flip-Chip-Induktionsspule ist. Die Magnetfeldlinien werden vollständig vom ersten magnetisch weichen Kernelement 104 durch das und zum zweiten magnetisch weichen Kernelement 105 abgelenkt.
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Somit werden bei der Ausführungsform in dem zweiten Substrat 200 bereitgestellte Elektronikkomponenten nicht durch irgendein von der Flip-Chip-Induktionsspule erzeugtes Magnetfeld beeinflusst, da das erste magnetisch weiche Kernelement 104 und das zweite magnetisch weiche Kernelement 105 als ein auf der unteren Oberfläche des ersten Substrats 100 abgeschiedener dünner Magnetfilm konfiguriert sein können bzw. auf der Ober- und Unterseite des ersten Substrats 100 . Das zweite magnetisch weiche Kernelement kann eine FeSiB-Legierung enthalten.
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Nachfolgend erfolgt eine Abschätzung der Induktanz der Flip-Chip-Induktionsspule gemäß der Ausführungsform. Es wird angenommen, dass die Länge der Flip-Chip-Induktionsspule 1,5 mm, die Breite der Flip-Chip-Induktionsspule 0,5 mm und die magnetische Permeabilität µr des ersten magnetisch weichen Kernelements 104 100.000 beträgt.
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Unter Annahme eines Querschnitts des ersten magnetisch weichen Kernelements
104 von A = 25 µm × 30 µm und einer Anzahl von Wicklungen von n = 13 entsprechend einem Raster bzw. einer Teilung von 100 µm (das heißt, der Abstand von einem leitenden Zapfen zu dem benachbarten leitenden Zapfen) erhält man eine effektive Spulenlänge von 1 = 13 mm. Die Induktivität von L der so ausgebildeten Flip-Chip-Induktionsspule ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei µ
0 die magnetische Permeabilität von Vakuum ist.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die Höhe der Flip-Chip-Induktionsspule deutlich auf beispielsweise 0,2 mm herabgesetzt werden.
