JP2003022911A - Thin film coil module, its manufacturing method and its using method - Google Patents

Thin film coil module, its manufacturing method and its using method

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JP2003022911A
JP2003022911A JP2001209251A JP2001209251A JP2003022911A JP 2003022911 A JP2003022911 A JP 2003022911A JP 2001209251 A JP2001209251 A JP 2001209251A JP 2001209251 A JP2001209251 A JP 2001209251A JP 2003022911 A JP2003022911 A JP 2003022911A
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thin film
film coil
coil
array
coil module
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JP2001209251A
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Inventor
Yasumasa Watanabe
泰正 渡辺
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film coil module, its manufacturing method and its using method which is superior in heat radiation characteristic and hence allows a high current to flow. SOLUTION: The thin film coil module comprises a thin film coil array 1 of thin film coil elements C arranged in a two-dimensional matrix and buried in a coil insulation member, a diode array 3 of diodes D arranged in a matrix synchronous with the matrix layout of the coil elements, and a heat sink 2 made of a high heat conductive material. The heat sink is sandwiched between the arrays 1, 3. The coil insulation member is a diamond thin film 1i.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシニン
グ技術を応用したセンサ、アクチュエータ等の薄膜コイ
ルモジュールおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film coil module such as a sensor and an actuator to which a micromachining technique is applied, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜コイルが二次元的に配列された薄膜
コイルモジュールは、磁気センサ、表示装置、あるいは
面上での二次元搬送が可能な搬送装置などに応用されて
いる。薄膜コイル内の任意のコイルを選択して通電する
ためには、ダイオードまたはトランジスタを直列に接続
し、電気的に素子分離を行う必要がある。図4は二次元
配列された薄膜コイルモジュールの等価回路である。コ
イルC とダイオードD は直列接続され、1行のコイルC
は1本の共通配線(列とする)Lcに接続されており、ダ
イオードD は1本の共通配線(行とする)Ldに接続され
ている。選択された行と列に接続されたコイルのみが通
電される。
2. Description of the Related Art A thin-film coil module in which thin-film coils are two-dimensionally arranged is applied to a magnetic sensor, a display device, a transfer device capable of two-dimensional transfer on a plane, or the like. In order to select and energize an arbitrary coil in the thin film coil, it is necessary to connect diodes or transistors in series and electrically separate the elements. FIG. 4 is an equivalent circuit of a two-dimensionally arranged thin film coil module. Coil C and diode D are connected in series and one row of coil C
Are connected to one common wiring (column) Lc, and the diode D is connected to one common wiring (row) Ld. Only the coils connected to the selected row and column are energized.

【0003】同様の電気的な素子分離を行う例として、
たとえば、液晶表示装置においては、駆動電流は極めて
小さいため、ICプロセスを用いて、素子寸法が数100 μ
m の薄膜トランジスタアレイを液晶表示部と同じガラス
基板上に作製することができる。ところが、薄膜コイル
モジュールのアクチュエータ応用では、アンペアオーダ
ーの電流をスイッチングする必要があり、トランジスタ
の寸法はmmオーダーと大きくなくてはならないので、こ
れを薄膜プロセスを用いてコイルと同一基板上に実現す
ることは困難であった。
As an example of performing similar electrical element isolation,
For example, in a liquid crystal display device, the drive current is extremely small.
The m 2 thin film transistor array can be formed on the same glass substrate as the liquid crystal display section. However, in the application of actuators for thin-film coil modules, it is necessary to switch amperes of current, and the dimensions of transistors must be as large as mm, so this is realized on the same substrate as the coil using a thin-film process. It was difficult.

【0004】そのため、次のような構成と製造工程が採
られていた。図5は従来の薄膜コイルモジュールの主要
構成部品の斜視図である。熱伝達性の良いセラミック基
板2 の上に互いに絶縁された薄膜コイルが2次元配列さ
れて、薄膜コイルアレイ1 となっている。各行配列の薄
膜コイルの一端は共通配線Lcに接続され、他端にはセラ
ミック基板2 を貫通する配線12d が接続されている。ダ
イオードアレイ3 は各薄膜コイルに対向する位置にダイ
オードが2次元配列されており、ダイオードの列配列に
は共通配線Ldが接続されている。配線用フレキシブルプ
リント(PFC)基板4 (本発明の薄膜コイルモジュー
ルには含めない)の裏表各面に行列に対応し、端部には
ハンダバンプ4cおよび4dを有する配線が形成されてい
る。これら薄膜コイルアレイ1 、セラミック基板2 とダ
イオードアレイ3 とは一括接合され、図4に示した回路
が形成された薄膜コイルモジュールとされていた。配線
用フレキシブルプリント基板4 の接続は後からでもよ
い。図6は従来の薄膜コイルモジュールの1つのコイル
とダイオード部のみを示し、(a)はコイルの平面図で
あり、(b)は(a)におけるXX断面図である。従来の
薄膜コイルモジュールでは、セラミック基板2 上に形成
されたポリイミドからなる絶縁層1pの中に薄膜コイルC
が形成されており、コイルC の中央の端部に設けられた
貫通孔を通る接続配線2eによりダイオードD に接続され
ている。このような構成にして、薄膜コイルで発生した
熱をセラミック基板に拡散することによりコイルの冷却
を行っていた。
Therefore, the following structure and manufacturing process have been adopted. FIG. 5 is a perspective view of main components of a conventional thin film coil module. Thin film coils insulated from each other are two-dimensionally arranged on a ceramic substrate 2 having a good heat transfer property to form a thin film coil array 1. One end of the thin-film coil in each row arrangement is connected to the common wiring Lc, and the other end is connected to the wiring 12d penetrating the ceramic substrate 2. In the diode array 3, diodes are two-dimensionally arranged at positions facing each thin-film coil, and a common wiring Ld is connected to the array of diodes. A flexible printed (PFC) substrate 4 for wiring (not included in the thin-film coil module of the present invention) has a matrix corresponding to the front and back surfaces, and wiring having solder bumps 4c and 4d at the ends. The thin film coil array 1, the ceramic substrate 2 and the diode array 3 are bonded together to form a thin film coil module in which the circuit shown in FIG. 4 is formed. The flexible printed circuit board 4 for wiring may be connected later. FIG. 6 shows only one coil and a diode portion of a conventional thin film coil module, (a) is a plan view of the coil, and (b) is a sectional view taken along line XX in (a). In the conventional thin-film coil module, the thin-film coil C is embedded in the insulating layer 1p made of polyimide formed on the ceramic substrate 2.
Is formed, and is connected to the diode D 1 by a connection wiring 2e passing through a through hole provided at the central end of the coil C 1. With such a configuration, the heat generated in the thin film coil is diffused to the ceramic substrate to cool the coil.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】薄膜コイルのサイズが
数μm 〜数十μm の薄膜コイルアレイは、一般にフォト
プロセスを用いて製造することができる。例えば、感光
性ポリイミド樹脂を用いたフォトプロセスと銅メッキプ
ロセスを組み合わせることにより、比較的容易にコイル
製造が可能である。ポリイミド樹脂を用いることによ
り、キュア時の熱収縮性を利用して高占積率化や、さら
には400 ℃程度と高い耐熱温度を生かした、大電流駆動
が可能である。
A thin film coil array in which the size of the thin film coil is several .mu.m to several tens .mu.m can be generally manufactured by using a photo process. For example, a coil can be manufactured relatively easily by combining a photo process using a photosensitive polyimide resin and a copper plating process. By using a polyimide resin, it is possible to increase the space factor by utilizing the heat shrinkability during curing, and to drive a large current by taking advantage of the high heat resistance temperature of about 400 ° C.

【0006】コイルの放熱性を高めるためには、セラミ
ック基板上に直接コイルを形成する方法があるが、セラ
ミックは焼結体であるため表面の凹凸が大きく、直接数
μmピッチで銅のコイルパターンを形成することは困難
である。そのため、ポリイミド樹脂を約10μm 厚スピン
コートして平坦化した表面上に導体パターンを形成して
いた。例えば、断面寸法20μm ×7 μm で17ターンの薄
膜コイルを形成すると1mm2の面積を有する薄膜コイルの
抵抗値は約4 Ωとなる。駆動電流を1 A とすると電力は
4Wとなる。一方、ポリイミド樹脂の熱伝導率は約0.2W/m
/Kと小さいため、セラミック基板までの熱抵抗は約50K/
W と大きく、コイル全体の平均温度上昇は300 ℃にもな
っていた。
In order to improve the heat dissipation of the coil, there is a method of forming the coil directly on the ceramic substrate, but since the ceramic is a sintered body, the surface irregularities are large, and the copper coil pattern is directly formed at a pitch of several μm. Is difficult to form. Therefore, a conductor pattern is formed on the surface that is flattened by spin-coating a polyimide resin with a thickness of about 10 μm. For example, when a thin-film coil having a cross-sectional dimension of 20 μm × 7 μm and 17 turns is formed, the resistance value of the thin-film coil having an area of 1 mm 2 is about 4 Ω. If the drive current is 1 A, the power is
It becomes 4W. On the other hand, the thermal conductivity of polyimide resin is about 0.2 W / m.
Since it is as small as / K, the thermal resistance up to the ceramic substrate is about 50K /
It was as large as W, and the average temperature rise of the entire coil was as high as 300 ° C.

【0007】本発明の目的は、放熱特性にすぐれ、その
ため大電流を流せる薄膜コイルモジュールとその製造方
法および使用方法を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a thin film coil module which has excellent heat dissipation characteristics and can therefore carry a large current, and a method of manufacturing and using the same.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ために、コイル絶縁部材の中に薄膜コイルが互いに絶縁
されて行列配置されて埋め込まれ、少なくとも各薄膜コ
イルの一方の端部はコイル絶縁部材の表面に設けられた
接続端子に接続されている薄膜コイルアレイと、薄膜コ
イルの行列配置に同期してダイオードが行列配置され、
薄膜コイルの列配置に同期したダイオードは列配置の共
通配線に接続され、行配置間は絶縁されているダイオー
ドアレイとが、高熱伝導性材料からなるヒートシンクを
挟んでなり、各コイルの接続端子と対向する各ダイオー
ドとがヒートシンクの貫通孔を通る接続配線により接続
された薄膜コイルモジュールにおいて、前記コイル絶縁
部材はダイヤモンド薄膜からなることとする。
In order to achieve the object of the present invention, thin-film coils are embedded in a coil insulating member in an insulated, matrix arrangement, and at least one end of each thin-film coil is a coil. The thin film coil array connected to the connection terminals provided on the surface of the insulating member, and the diodes are arranged in a matrix in synchronization with the matrix arrangement of the thin film coils,
The diodes synchronized with the column arrangement of the thin-film coils are connected to the common wiring of the column arrangement, and the diode array insulated between the row arrangements sandwiches a heat sink made of a highly heat-conductive material, and is connected to the connection terminals of each coil. In the thin film coil module in which the respective diodes facing each other are connected by the connection wiring passing through the through hole of the heat sink, the coil insulating member is made of a diamond thin film.

【0009】前記薄膜コイルアレイと前記ヒートシンク
板との間に空隙(ギャップ)を有すると良い。前記空隙
は前記薄膜コイルアレイと前記ヒートシンク板との間に
介在する金属バンプによって隔てられて形成されている
と良い。前記空隙は高熱伝導性の接着剤で埋められてい
ると良い。
A gap may be provided between the thin film coil array and the heat sink plate. It is preferable that the gap is formed by being separated by a metal bump interposed between the thin film coil array and the heat sink plate. The voids are preferably filled with an adhesive having high thermal conductivity.

【0010】前記高熱伝導性の接着剤にはダイヤモンド
またはシリコンカーバイドの粉末が含まれていると良
い。前記薄膜コイルモジュールの製造方法の製造方法に
おいて、前記薄膜コイルとこれを被覆する前記ダイヤモ
ンド薄膜および前記接続端子からなる薄膜コイルアレイ
が形成されたシリコン基板上と、前記貫通孔を通る接続
配線を有するセラミック基板と、前記薄膜コイルアレイ
の接続端子とセラミック基板の接続配線とを接合させた
後、前記シリコン基板を除去すると良い。
The high thermal conductivity adhesive preferably contains diamond or silicon carbide powder. In the method for manufacturing the thin film coil module, a thin film coil, a diamond substrate covering the thin film coil, a silicon substrate on which a thin film coil array including the connection terminals is formed, and a connection wiring passing through the through hole are provided. The silicon substrate may be removed after joining the ceramic substrate, the connection terminals of the thin film coil array and the connection wiring of the ceramic substrate.

【0011】前記薄膜コイルアレイの接続端子上に前記
金属バンプを形成すると良い。前記薄膜コイルモジュー
ルの使用方法において、前記空隙に熱媒体を流通させる
と良い。前記熱媒体は水またはフロンガスであると良
い。薄膜コイルの絶縁材料として、熱伝導性に優れたダ
イヤモンド薄膜を採用する。絶縁材料のダイヤモンド化
により、高い冷却効果が期待出来る。さらにはダイヤモ
ンドとセラミック基板の間にギャップを設け、この隙間
を液体を通じて冷却することにより効率的な冷却を可能
にする。
The metal bumps may be formed on the connection terminals of the thin film coil array. In the method of using the thin-film coil module, it is preferable that a heating medium be circulated in the gap. The heat medium is preferably water or freon gas. A diamond thin film with excellent thermal conductivity is used as the insulating material for the thin film coil. High cooling effect can be expected by converting the insulating material to diamond. Furthermore, a gap is provided between the diamond and the ceramic substrate, and this gap is cooled by a liquid, which enables efficient cooling.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は本発明に係る薄膜コイルモ
ジュールの一つのコイルとダイオード部のみを示し、
(a)はコイルの平面図であり、(b)は(a)におけ
るXX断面図である。薄膜コイルモジュールの構成は従来
と同様であるので(図5および図6参照)、改良された
部分のみについて説明する。
FIG. 1 shows only one coil and a diode portion of a thin film coil module according to the present invention,
(A) is a top view of a coil, (b) is a XX sectional view in (a). Since the structure of the thin film coil module is the same as the conventional one (see FIGS. 5 and 6), only the improved portion will be described.

【0013】薄膜コイルアレイ1 の薄膜コイルC を被覆
するコイル絶縁部材は従来のポリイミド樹脂に替わりダ
イヤモンド薄膜1iに変更されている。セラミック基板2
とダイオードアレイ3 とは従来と同じ構成である。薄膜
コイルの被覆に用いたダイヤモンドの熱伝導率は1000W/
m/K と大きいため、熱抵抗を従来のポリイミドに比較し
て約1/5000に減少できる。従って、大電流通電が可能に
なった。
The coil insulating member for covering the thin film coil C of the thin film coil array 1 is changed to a diamond thin film 1i instead of the conventional polyimide resin. Ceramic substrate 2
The diode array 3 and the diode array 3 have the same configuration as the conventional one. The thermal conductivity of diamond used for coating thin film coils is 1000 W /
Since it is as large as m / K, the thermal resistance can be reduced to about 1/5000 compared with conventional polyimide. Therefore, a large current can be applied.

【0014】図2は本発明に係る他の薄膜コイルモジュ
ールの一つのコイルとダイオード部のみを示し、(a)
はコイルの平面図であり、(b)は(a)におけるXX断
面図である。図1に対する変更点は、セラミック基板2
と薄膜コイルアレイ1 との間にギャップG が形成されて
いる点である。このギャップG をダイヤモンド粉やシリ
コンカーバイド粉を含有する高熱伝導性の接着剤で埋め
ることにより(接着も兼ねている)薄膜コイルアレイ1
とセラミック基板2 との間の熱伝達性を高くすることが
できる。
FIG. 2 shows only one coil and diode part of another thin-film coil module according to the present invention, (a)
Is a plan view of the coil, and (b) is a sectional view taken along line XX in (a). The change from FIG. 1 is that the ceramic substrate 2
The point is that a gap G is formed between the thin film coil array 1 and the thin film coil array 1. By filling this gap G with a highly heat-conductive adhesive containing diamond powder or silicon carbide powder (also serving as adhesion), the thin-film coil array 1
The heat transfer between the ceramic substrate 2 and the ceramic substrate 2 can be enhanced.

【0015】あるいは、このギャップG に水やフロンガ
スなどの熱媒体を流通させて冷却を行うことにより、薄
膜コイルへの大電流投入が可能になる。以下、実施例に
よりギャップを有する薄膜コイルモジュールの製造方法
について説明する。実施例1図3は本発明に係るダイヤ
モンド薄膜を用いた薄膜コイルモジュールの製造工程に
沿っての断面図である。分図番号と以下に述べる工程番
号とは一致させてある。
Alternatively, a large current can be applied to the thin film coil by circulating a heat medium such as water or chlorofluorocarbon in the gap G for cooling. Hereinafter, a method of manufacturing a thin film coil module having a gap will be described by way of examples. Example 1 FIG. 3 is a cross-sectional view along the manufacturing process of a thin film coil module using a diamond thin film according to the present invention. The drawing numbers and the process numbers described below are matched.

【0016】(a)リムエッチング 薄膜コイルアレイの製造にはシリコンウェハを用いる。
マイクロ波プラズマCVD によりシリコンウェハ上にダイ
ヤモンド薄膜を成長させる場合、ウェハー端部での成長
速度が早いためエッジが高くなりフォトプロセスが困難
になる。これを回避するため、ダイヤモンド薄膜成長基
板である直径2インチ厚さ3.2m(0.125 インチ)のシリ
コンウェハのウエハー外周部の幅5mm をフッ硝酸混合溶
液を用いて約30μエッチングし、リムエッチングされた
シリコンウェハ11を得た。 (b) ダイヤモンド薄膜成膜 リムエッチングしたシリコンウェハ11を、粒径1 μm の
ダイヤモンド砥粒分散アルコール懸濁液中で、30分間超
音波核付け処理を行った。次にダイヤモンド薄膜成膜装
置を用いて、厚さ10μm の多結晶ダイヤモンド薄膜12を
堆積した。成膜パラメータは、メタン濃度2 % 、基板温
度940 ℃、雰囲気圧力14.7kPa 、成長時間は5 時間とし
た。 (c) メッキシード層蒸着 銅を蒸着して、厚さ1 μm のメッキシード層13を堆積し
た。 (d) コイルパターン形成 メッキシード層13上に、ネガ型の感光性ポリイミド樹脂
( 旭化成:G-7613N) を用いてコイル型14を形成した。コ
イル幅(コイル型の溝幅)20μm 、ピッチ25μm 、高さ
6.5 μm とした。 (e) コイル形成 ダイヤモンドの型全体を銅で被覆した後、研磨してコイ
ル型の溝部のみに銅を形成する。この実施例では、ホウ
フッ化銅浴のメッキ液を用いて銅のメッキを行った。通
電電流は0.1A、通電時間は10min とし、コイル型の溝内
に銅を充填し、コイル主部15を形成した。 (f) ポリイミド除去 酸素イオンビームエッチングを用いて加工した。ビーム
エネルギーを400eV 、電流密度1.1A/cm2で80分エッチン
グし、ポリイミドのコイル型を除去した。 (g) シード層除去 続けて、アルゴンイオンビームエッチングを用いて加工
した。ビームエネルギーを1.0keV、電流密度1.1A/cm2
15分全面に照射し、コイル間のシード層を除去し、コイ
ル主部15とその下部のメッキシード層13の残った部分か
らなるコイルCを形成した。 (h) 層間絶縁ダイヤモンド薄膜作製 先ず、ダイヤモンド薄膜成膜装置を用いて、コイル間絶
縁用ダイヤモンド薄膜を堆積した。メタン濃度2 % 、基
板温度740 ℃、雰囲気圧力14.7kPa の成膜条件で、3 時
間ダイヤモンド薄膜を成長させた。こうして、コイルC
の間のみにダイヤモンドを埋め込むことができた。
(A) Rim etching A silicon wafer is used for manufacturing the thin film coil array.
When a diamond thin film is grown on a silicon wafer by microwave plasma CVD, the edge becomes high and the photo process becomes difficult due to the high growth rate at the edge of the wafer. To avoid this, a diamond thin film growth substrate, a silicon wafer with a diameter of 2 inches and a thickness of 3.2 m (0.125 inches), was rim-etched with a width of 5 mm at the outer peripheral portion of the wafer using a mixed solution of hydrofluoric and nitric acid by about 30 μ. A silicon wafer 11 was obtained. (b) The diamond thin film-forming rim-etched silicon wafer 11 was subjected to ultrasonic nucleation treatment for 30 minutes in a diamond abrasive grain-dispersed alcohol suspension having a particle size of 1 μm. Next, a polycrystalline diamond thin film 12 having a thickness of 10 μm was deposited using a diamond thin film forming apparatus. The film forming parameters were methane concentration 2%, substrate temperature 940 ° C., atmospheric pressure 14.7 kPa, and growth time 5 hours. (c) Plated seed layer deposition Copper was deposited to deposit a plated seed layer 13 having a thickness of 1 μm. (d) A negative photosensitive polyimide resin on the coil pattern forming plating seed layer 13.
(Asahi Kasei: G-7613N) was used to form the coil mold 14. Coil width (coil groove width) 20 μm, pitch 25 μm, height
It was 6.5 μm. (e) The coil forming diamond die is entirely coated with copper and then polished to form copper only in the groove portion of the coil die. In this example, copper was plated using a plating solution of a copper borofluoride bath. The energizing current was 0.1 A and the energizing time was 10 min. The groove of the coil was filled with copper to form the coil main portion 15. (f) Removal of polyimide Processed using oxygen ion beam etching. The polyimide coil mold was removed by etching at a beam energy of 400 eV and a current density of 1.1 A / cm 2 for 80 minutes. (g) Seed layer removal was continued, and processing was performed using argon ion beam etching. Beam energy 1.0 keV, current density 1.1 A / cm 2
The entire surface was irradiated for 15 minutes, the seed layer between the coils was removed, and a coil C composed of the coil main portion 15 and the remaining portion of the plating seed layer 13 below it was formed. (h) Preparation of Interlayer Insulating Diamond Thin Film First, a diamond thin film deposition apparatus was used to deposit a diamond thin film for coil insulation. A diamond thin film was grown for 3 hours under the film forming conditions of a methane concentration of 2%, a substrate temperature of 740 ° C. and an atmospheric pressure of 14.7 kPa. Thus, coil C
It was possible to embed the diamond only in the gap.

【0017】次いで、ダイヤモンド薄膜成膜装置を用い
てコイルの絶縁被覆用ダイヤモンド薄膜を堆積した。メ
タン濃度10% 、雰囲気圧力270Pa 、3 時間の成膜条件で
炭化処理を行い、銅上にダイヤンドの核を形成した。続
けて、メタン濃度2 % 、基板温度830 ℃、雰囲気圧力1
4.7kPa の条件で、3 時間ダイヤモンド薄膜を成長させ
た。銅とダイヤモンドの混在する表面をダイヤモンド薄
膜16で完全に被覆することができた。ダイヤモンド薄膜
16の表面には凹凸が生じており、特にコイルとダイヤモ
ンドの境界付近には約30μm の突起が生じた。 (i) 表面平坦化 上記の突起(凹凸)は次工程のフォトプロセスやセラミ
ック基板面への接合には適していないので平坦化してお
く必要がある。真空熱研摩により、ダイヤモンド薄膜16
の表面を平坦化した。温度940 ℃で加熱した純鉄板を、
5 kPaの圧力でダイヤモンド表面に押しつけ、20 h研磨
を行った。その結果、約30μm の突起は研磨除去され、
3 μm の表面粗さが得られた。コイルC を被覆し、コイ
ル間を絶縁しているダイヤモンド全体をコイル被覆部材
1iとする。 (j) 貫通孔形成 研磨後のダイヤモンド薄膜16の上に蒸着により、厚さ1
μm のアルミ(Al)膜を堆積し、その上に感光性ポリイ
ミドの貫通孔(コンタクトホール)用のパターンを形成
した。貫通孔部のAl膜を湿式エッチングして除去した。
続けて酸素イオンビームエッチングを行い、ビームエネ
ルギーを400eV 、電流密度1.1A/cm2で3hエッチングし、
ダイヤモンド薄膜16にコイルC の表面に達する貫通孔1H
を形成した。Alとのエッチング選択比は約18であった。 (k) 電極端子形成 ホウフッ化銅浴のメッキ液を用いた銅メッキを行い、コ
ンタクトホール内に銅を充填しリード1eとしさらに、セ
ラミック基板(次分図(l) の2b)と薄膜コイルアレイ1
との間のギャップ形成用のバンプ1b(電極端子ともな
る)を設けた。通電電流は0.1A、通電時間は30min で約
20μm の厚さのバンプ1bを得た。薄膜コイルアレイ1 は
コイルC 、コイル被覆部材1i、リード1eおよび電極端子
1bからなる。 (l) 基板接合 別途、貫通孔が空けられたセラミック基板2bに鉛を20μ
m メッキし、貫通孔の中を埋めた接続配線2eを有するヒ
ートシンク2 を作製しておき、上記工程まで行った薄膜
コイルアレイ1 とを重ね合わせ、加熱温度300 ℃、加熱
時間1minとし接合を行った。ギャップ厚さは銅バンプ1b
の厚さで規定されるので、20μm となる。 (m) シリコン基板除去 以下の工程において電極を保護するためギャップに接着
剤を塗布しておき、始めにダイヤモンドソーを用いて、
3mm の基板を切断し厚さ500 μm だけ残した。そしてダ
イヤモンドラップ板を用いて厚さ100 μm まで研磨した
後、加熱した水酸化カリウム溶液を用いてシリコン基板
を溶解除去した。その後、有機溶剤中で超音波洗浄を行
ってギャップ間の接着剤を除去した。 (n) 整形 薄膜コイルアレイ1 の外周部の突起T を研磨して、除去
した。
Next, a diamond thin film forming device was used to deposit a diamond thin film for insulating coating of the coil. Carbonization treatment was performed under the film forming conditions of 10% methane concentration, 270 Pa atmosphere pressure, and 3 hours to form diamond core on copper. Continuously, methane concentration 2%, substrate temperature 830 ℃, atmospheric pressure 1
The diamond thin film was grown for 3 hours under the condition of 4.7 kPa. The mixed surface of copper and diamond could be completely covered with the diamond thin film 16. Diamond thin film
The surface of 16 had irregularities, and in particular, a protrusion of about 30 μm was generated near the boundary between the coil and the diamond. (i) Surface flattening Since the above-mentioned projections (unevenness) are not suitable for the photolithography of the next step or bonding to the surface of the ceramic substrate, they need to be flattened. 16 diamond thin film by vacuum thermal polishing
Surface was flattened. Pure iron plate heated at a temperature of 940 ℃,
It was pressed against the diamond surface with a pressure of 5 kPa and polished for 20 hours. As a result, the protrusions of about 30 μm were removed by polishing,
A surface roughness of 3 μm was obtained. The coil coating material covers the entire area of the diamond that covers the coil C and insulates between the coils.
1i. (j) A thickness of 1 is obtained by vapor deposition on the diamond thin film 16 after through hole formation polishing.
A μm aluminum (Al) film was deposited, and a pattern for a through hole (contact hole) of photosensitive polyimide was formed thereon. The Al film in the through hole was removed by wet etching.
Then, oxygen ion beam etching is performed, the beam energy is 400 eV, and the current density is 1.1 A / cm 2 for 3 h.
Through hole 1H that reaches the surface of coil C in diamond thin film 16
Was formed. The etching selection ratio to Al was about 18. (k) Electrode terminal formation Copper plating is performed using a plating solution of copper borofluoride bath, the contact holes are filled with copper to form leads 1e, and further, the ceramic substrate (2b in the next figure (l)) and thin film coil array 1
A bump 1b (also serving as an electrode terminal) for forming a gap between and is provided. Energizing current is 0.1A, energizing time is about 30min
A bump 1b having a thickness of 20 μm was obtained. The thin film coil array 1 includes a coil C, a coil covering member 1i, leads 1e and electrode terminals.
It consists of 1b. (l) Board bonding Separately, 20 μm of lead is added to the ceramic board 2b with a through hole.
A heat sink 2 having a connection wiring 2e that has been plated with m and filled in the through hole has been prepared, and the thin-film coil array 1 that has been subjected to the above steps is overlaid and bonded at a heating temperature of 300 ° C for a heating time of 1 min. It was Gap thickness is copper bump 1b
Since it is specified by the thickness of, it becomes 20 μm. (m) Silicon substrate removal Adhesive is applied to the gap in order to protect the electrodes in the following steps, and first, using a diamond saw,
A 3 mm substrate was cut to leave a thickness of 500 μm. Then, after polishing to a thickness of 100 μm using a diamond lap plate, the silicon substrate was dissolved and removed using a heated potassium hydroxide solution. After that, ultrasonic cleaning was performed in an organic solvent to remove the adhesive between the gaps. (n) The protrusion T 2 on the outer peripheral portion of the shaped thin film coil array 1 was polished and removed.

【0018】以上の工程により形成した薄膜コイルアレ
イ1 とヒートシンク2 に、別途作製しておいたダイオー
ドアレイ3 の電極とヒートシンク2 を貫通する接続配線
2eとを加熱接合し、ダイオード素子D に接続し、図2 に
示した薄膜コイルモジュールを得た。上記のように、薄
膜コイルアレイとシリコン基板とが一体のまま薄膜コイ
ルアレイとヒートシンク2 との接合を行うようにしたた
め、シリコン基板が薄膜コイルアレイの補強材として作
用し、工程中の薄膜コイルアレイの損傷が発生しなくな
った。
A connection wiring penetrating the electrode of the diode array 3 and the heat sink 2 which are separately manufactured, to the thin film coil array 1 and the heat sink 2 formed by the above process.
The thin film coil module shown in Fig. 2 was obtained by heating and bonding 2e and connecting to diode element D. As described above, since the thin film coil array and the silicon substrate are bonded to each other while the thin film coil array and the heat sink 2 are bonded together, the silicon substrate acts as a reinforcing material for the thin film coil array, and the thin film coil array during the process is processed. No more damage.

【0019】上記の工程を経て得られたダイヤモンド薄
膜を用いた薄膜コイルモジュールを次のように評価し
た。電磁アクチュエータの性能を決める主な要因は発生
可能な電磁力である。電磁力は電流と巻線数の積で表さ
れるため、投入電力とコイル温度上昇の関係を調べた。
測定方法は薄膜コイルの時定数が約10msであることよ
り、安定化した約100ms のパルス幅の電流を通電し、そ
の抵抗値の変化から薄膜コイルの温度上昇を推定した。
The thin film coil module using the diamond thin film obtained through the above steps was evaluated as follows. The main factor that determines the performance of an electromagnetic actuator is the electromagnetic force that can be generated. Since the electromagnetic force is expressed by the product of the current and the number of windings, the relationship between the applied power and the coil temperature rise was investigated.
Since the time constant of the thin-film coil was about 10 ms, a stable current with a pulse width of about 100 ms was applied, and the temperature rise of the thin-film coil was estimated from the change in its resistance.

【0020】温度上昇を40℃とした時、従来のポリイミ
ド絶縁薄膜コイルモジュールへの投入電力は0.55W であ
った。これに対し、本発明に係るダイヤモンド絶縁の薄
膜コイルモジュールでは、ギャップを空冷した場合でも
11W と20倍の電磁力を得られることが判った。また、ギ
ャップを水冷した場合、駆動回路の仕様限界により40℃
温度上昇に達することはできなかったが、投入電力72W
(すでに130 倍の電磁力である)で温度上昇は20℃以下
に抑えられることが判った。 実施例2 実施例1の(l) 基板接合工程(l) で、ダイヤモンド粉を
混合したエポキシ樹脂をセラミック基板のバンプ間に塗
布し、薄膜コイルアレイ1 とを重ね合わせ接合を行っ
た。
When the temperature rise was set to 40 ° C., the power input to the conventional polyimide insulating thin film coil module was 0.55 W. On the other hand, in the diamond-insulated thin film coil module according to the present invention, even when the gap is air-cooled.
It turns out that 11W and 20 times the electromagnetic force can be obtained. Also, when the gap is water-cooled, due to the specification limit of the drive circuit, 40 ℃
We could not reach the temperature rise, but the input power was 72W
It was found that the temperature rise could be suppressed to 20 ° C or less by (already 130 times electromagnetic force). Example 2 (l) In the substrate bonding step (l) of Example 1, an epoxy resin mixed with diamond powder was applied between the bumps of the ceramic substrate, and the thin film coil array 1 was superposed and bonded.

【0021】温度上昇を40℃とした時、投入電力は30W
であり、高熱伝導接着が有効であることが確認できた。
When the temperature rise is 40 ° C, the input power is 30W
It was confirmed that the high thermal conductive adhesion is effective.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明によれば、コイル絶縁部材の中に
薄膜コイルが2次元的に行列配置されて埋め込まれた薄
膜コイルアレイと、薄膜コイルの行列配置に同期してダ
イオードが行列配置されたダイオードアレイとが、高熱
伝導性材料からなるヒートシンクを挟んでいる薄膜コイ
ルモジュールのコイル絶縁部材をダイヤモンド薄膜とし
たため、ダイヤモンドの高熱伝導性により薄膜コイルと
ヒートシンクと間の熱抵抗が激減し、コイルへの投入電
力を増加させることができるようになった。
According to the present invention, a thin film coil array in which thin film coils are two-dimensionally arranged in a matrix in a coil insulating member and embedded, and diodes are arranged in a matrix in synchronization with the matrix arrangement of the thin film coils. Since the diode array uses a diamond thin film as the coil insulating member of the thin film coil module that sandwiches a heat sink made of a high thermal conductive material, the high thermal conductivity of diamond drastically reduces the thermal resistance between the thin film coil and the heat sink. It has become possible to increase the power input to the.

【0023】また、薄膜コイルアレイとヒートシンクと
の間に空隙(ギャップ)を形成したため、ギャップに熱
媒体を流通させてコイル冷却を行うことができるように
なり、さらにコイルへの投入電力を増加させることがで
きるようになった。また、薄膜コイルアレイとこれを付
着したシリコン基板とを一体のまま薄膜コイルアレイと
ヒートシンクの接合を行うようにしたため、シリコン基
板が薄膜コイルアレイの補強材として作用し、工程中の
薄膜コイルアレイの損傷が発生しなくなり、製造方法歩
留りが向上した。
Further, since the air gap (gap) is formed between the thin film coil array and the heat sink, the heat medium can be circulated in the gap to cool the coil, further increasing the electric power supplied to the coil. I was able to do it. Further, since the thin film coil array and the silicon substrate to which the thin film coil is attached are bonded to the thin film coil array and the heat sink as they are, the silicon substrate acts as a reinforcing material for the thin film coil array, and No damage occurs and the manufacturing method yield is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る薄膜コイルモジュールの一つのコ
イルとダイオード部のみを示し、(a)はコイルの平面
図であり、(b)は(a)におけるXX断面図である。
1 shows only one coil and a diode portion of a thin-film coil module according to the present invention, (a) is a plan view of the coil, and (b) is a sectional view taken along line XX in (a).

【図2】本発明に係る他の薄膜コイルモジュールの一つ
のコイルとダイオード部のみを示し、(a)はコイルの
平面図であり、(b)は(a)におけるXX断面図であ
る。
FIG. 2 shows only one coil and a diode part of another thin film coil module according to the present invention, (a) is a plan view of the coil, and (b) is a XX sectional view in (a).

【図3】本発明に係るダイヤモンド薄膜を用いた薄膜コ
イルモジュールの製造工程に沿っての断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view along a manufacturing process of a thin film coil module using the diamond thin film according to the present invention.

【図4】二次元配列された薄膜コイルモジュールの等価
回路である。
FIG. 4 is an equivalent circuit of a two-dimensionally arranged thin film coil module.

【図5】従来の薄膜コイルモジュールの主要構成部品の
斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view of main components of a conventional thin film coil module.

【図6】従来の薄膜コイルモジュールの1つのコイルと
ダイオード部のみを示し、(a)はコイルの平面図であ
り、(b)は(a)におけるXX断面図である。
FIG. 6 shows only one coil and a diode part of a conventional thin film coil module, (a) is a plan view of the coil, and (b) is a XX sectional view in (a).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 薄膜コイルアレイ 11 シリコン基板 12 第1のダイヤモンド薄膜 13 メッキシード層 14 コイル型(感光体性樹脂) 15 銅メッキ層 16 第2のダイヤモンド薄膜 1i コイル絶縁部材 1p コイル絶縁部材(ポリイミド) 1h スルーホール 1e 接続端子/金属バンプ 2 ヒートシンク 2b セラミック基板 2e 接続配線 3 ダイオードアレイ 3e 電極 4 フレキシブルプリント基板 4c ハンダバンプ 4d ハンダバンプ C 薄膜コイル D ダイオード G ギャップ Lc コイル(行)共通配線 Ld ダイオード(列)共通配線 1 Thin film coil array 11 Silicon substrate 12 First diamond thin film 13 Plating seed layer 14 coil type (photosensitive resin) 15 Copper plating layer 16 Second diamond thin film 1i coil insulation material 1p coil insulation material (polyimide) 1h through hole 1e connection terminal / metal bump 2 heat sink 2b ceramic substrate 2e connection wiring 3 diode array 3e electrode 4 Flexible printed circuit board 4c solder bump 4d solder bump C thin film coil D diode G gap Lc coil (row) common wiring Ld diode (column) common wiring

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】コイル絶縁部材の中に薄膜コイルが互いに
絶縁されて行列配置されて埋め込まれ、少なくとも各薄
膜コイルの一方の端部はコイル絶縁部材の表面に設けら
れた接続端子に接続されている薄膜コイルアレイと、薄
膜コイルの行列配置に同期してダイオードが行列配置さ
れ、薄膜コイルの列配置に同期したダイオードは列配置
の共通配線に接続され、行配置間は絶縁されているダイ
オードアレイとが、高熱伝導性材料からなるヒートシン
クを挟んでなり、各コイルの接続端子と対向する各ダイ
オードとがヒートシンクの貫通孔を通る接続配線により
接続された薄膜コイルモジュールにおいて、前記コイル
絶縁部材はダイヤモンド薄膜からなることを特徴とする
薄膜コイルモジュール。
1. A thin film coil is insulated from one another in a coil insulating member, is arranged in a matrix and is embedded, and at least one end of each thin film coil is connected to a connection terminal provided on the surface of the coil insulating member. The thin film coil array and the diodes are arranged in a matrix in synchronization with the matrix arrangement of the thin film coils, and the diodes synchronized with the column arrangement of the thin film coils are connected to the common wiring in the column arrangement, and the row array is insulated from each other. In a thin film coil module in which a heat sink made of a high thermal conductive material is sandwiched, and the connection terminals of each coil and each of the opposing diodes are connected by a connection wiring that passes through a through hole of the heat sink. A thin-film coil module, which is made of a thin film.
【請求項2】前記薄膜コイルアレイと前記ヒートシンク
板との間に空隙(ギャップ)を有することを特徴とする
薄膜コイルモジュール。
2. A thin film coil module having a gap between the thin film coil array and the heat sink plate.
【請求項3】前記空隙は前記薄膜コイルアレイと前記ヒ
ートシンク板との間に介在する金属バンプによって隔て
られて形成されていることを特徴とする請求項2に記載
の薄膜コイルモジュール。
3. The thin film coil module according to claim 2, wherein the voids are formed by being separated by metal bumps interposed between the thin film coil array and the heat sink plate.
【請求項4】前記空隙は高熱伝導性の接着剤で埋められ
ていることを特徴とする請求項2に記載の薄膜コイルモ
ジュール。
4. The thin film coil module according to claim 2, wherein the void is filled with an adhesive having high thermal conductivity.
【請求項5】前記高熱伝導性の接着剤にはダイヤモンド
またはシリコンカーバイドの粉末が含まれていることを
特徴とする請求項2に記載の薄膜コイルモジュール。
5. The thin-film coil module according to claim 2, wherein the high thermal conductive adhesive contains diamond or silicon carbide powder.
【請求項6】前記薄膜コイルとこれを被覆する前記ダイ
ヤモンド薄膜および前記接続端子からなる薄膜コイルア
レイが形成されたシリコン基板上と、前記貫通孔を通る
接続配線を有するセラミック基板と、前記薄膜コイルア
レイの接続端子とセラミック基板の接続配線とを接合さ
せた後、前記シリコン基板を除去することを特徴とする
請求項1または2に記載の薄膜コイルモジュールの製造
方法。
6. A silicon substrate on which a thin film coil array comprising the thin film coil, the diamond thin film covering the thin film coil, and the connection terminals is formed, a ceramic substrate having connection wirings passing through the through holes, and the thin film coil. The method for manufacturing a thin film coil module according to claim 1, wherein the silicon substrate is removed after joining the connection terminals of the array and the connection wiring of the ceramic substrate.
【請求項7】前記薄膜コイルアレイの接続端子上に前記
金属バンプを形成することを特徴とする請求項4に記載
の薄膜コイルモジュールの製造方法。
7. The method of manufacturing a thin film coil module according to claim 4, wherein the metal bump is formed on a connection terminal of the thin film coil array.
【請求項8】前記空隙に熱媒体を流通させることことを
特徴とする請求項2または3に記載の薄膜コイルモジュ
ールの使用方法。
8. The method of using the thin film coil module according to claim 2, wherein a heat medium is circulated in the gap.
【請求項9】前記熱媒体は水またはフロンガスであるこ
とを特徴とする請求項8に記載の薄膜コイルモジュール
の使用方法。
9. The method of using a thin-film coil module according to claim 8, wherein the heat medium is water or CFC gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010003931A (en) * 2008-06-20 2010-01-07 Toshiba Corp Transformer

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