專利名稱：硅基功率電感的制作方法
硅基功率電感相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年2月19日提交的名稱為“用于緊湊型電力系統(tǒng)的硅基集成功率電感”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/306，440的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用而整體結(jié)合于本申請(qǐng)中。有關(guān)美國(guó)聯(lián)邦政府資助的研究和開(kāi)發(fā)的聲明根據(jù)國(guó)家科學(xué)基金授予的ECS-0601294協(xié)議，本發(fā)明得到了政府支持。政府可享 有本發(fā)明的一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
無(wú)源元件，如電感，被廣泛應(yīng)用于各種電信和電力系統(tǒng)中。當(dāng)與集成電路(IC)芯片配合使用時(shí)，電感通常作為單獨(dú)的元件被安裝在電路板上。把電感集成到IC芯片上可以減小尺寸，但這種集成電感的可實(shí)現(xiàn)的電感值和/或品質(zhì)因數(shù)(Q)受限于基于集成電路制造工藝的貼片電阻(thin film)。


參考以下附圖，可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。附圖中的元件不一定是按比例繪制，重點(diǎn)是清楚地顯示本發(fā)明的原理。此外，附圖中同樣的附圖標(biāo)記在各視圖中指示相應(yīng)的部分。圖1A-1E是根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的一個(gè)壺形鐵芯硅基功率電感(PIiS)的實(shí)施例的不同視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的在圖1A-1C中示出不同尺寸的的PIiS的剖視圖。圖3以圖表形式示出了根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的在圖1A-1C中示出的PIiS中所使用的磁性材料的特性。圖4A-4D是示出了根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的圖1A-1C中的PIiS的兩個(gè)實(shí)施例中的磁通量分布的Maxwell模擬仿真的不同視圖。圖5A-OT是包括根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的圖1A-1C中PIiS的直流-直流轉(zhuǎn)換器的不同視圖。圖6A-6B是安裝在根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的圖1A-1C的PIiS上的集成電路(IC)芯片的不同視圖。圖7A-7C是根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的一種環(huán)形磁心狀PIiS的實(shí)施例的不同視圖。圖8A-8B是示出根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的圖1A-1C和圖7A-7C中的PIiS的制造流程圖。圖9A-9G和圖10是示出制造根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的圖1A-1C和圖7A-7C中的PIiS的剖視圖。圖11-13以圖表形式示出了圖1A-1C中的PIiS和包括根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施例的PIiS的直流-直流轉(zhuǎn)換器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開(kāi)的是涉及硅基功率電感(PIiS)的系統(tǒng)和方法的不同實(shí)施例?，F(xiàn)參照附圖所示實(shí)施例具體說(shuō)明，其中相同附圖標(biāo)記在各個(gè)視圖中指示相同的部分。本發(fā)明描述用于緊湊系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)中的PIiS的不同實(shí)施例，以及其制造方法。硅基功率電感(PIiS)是一種集成在硅襯底中的功率電感。PIiS包括嵌入在硅襯底中的磁芯和一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電線圈。磁芯可以包括不同形狀，例如，但不限于將要在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的壺形鐵芯狀或環(huán)形磁心狀。在一些實(shí)施例中，PIiS包括多個(gè)嵌入到娃襯底中的導(dǎo)電線圈。導(dǎo)電線圈可以是銅、銀，或其它合適的金屬或合金。另外，硅襯底的上、下兩面可以用磁性材料封蓋住，例如磁性粉末和聚合物的混合物。磁性材料填充在至少一部分線圈之間的間隔中。此外，在一些實(shí)施例中，焊錫球安置在至少一部分的線圈，同樣，磁性材料也填充在焊錫球之間的間隔中。在一些實(shí)施例中，PIiS還包括嵌入的導(dǎo)電線路和貫穿晶片的通孔，在制造緊湊電力系統(tǒng)，例如直流-直流功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，這些PIiS的實(shí)施例可以用做表面貼裝的電容和/或集成電路的封裝基板。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1A-1C，其示出了壺形鐵芯狀的PIiS 100的實(shí)施例的各個(gè)視圖，包括俯視圖(圖1A)、分解圖(圖1B)和剖視圖(圖1C)。PIiS 100包括嵌入在硅襯底106中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電線圈103。導(dǎo)電線圈103可以通過(guò)電鍍嵌入在硅襯底106中。電鍍模具可以用硅的深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE )加工。硅的深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE )提供了一個(gè)高縱橫比(例如約20 :1，約10 :1，或約5 :1)，其允許所述導(dǎo)電線圈103的導(dǎo)體延伸到硅襯底106的底部。高縱橫比允許導(dǎo)電線圈103的導(dǎo)體寬度被減小到趨膚效應(yīng)的寬度，同時(shí)保持對(duì)導(dǎo)電線圈103很低的交流(AC)和直流(DC)電阻。導(dǎo)電線圈103可以是如圖IB所示的螺旋形線圈，或其它合適的線圈形狀。雖然導(dǎo)電線圈103在圖示里是一個(gè)圓形的螺旋導(dǎo)線圈，其它的幾何構(gòu)型線圈也可采用，例如，但不限于六邊形，八邊形，或如圖ID所示的矩形螺旋狀。雖然圖1A-1C示出了單個(gè)導(dǎo)電線圈103，一個(gè)以上的導(dǎo)電線圈103也可以被嵌入在硅襯底106中。例如，多個(gè)導(dǎo)電線圈103可以在硅襯底106中相鄰放置。導(dǎo)電線圈103的導(dǎo)體周?chē)囊徊糠止杩梢员蝗コ缓笥么判圆牧?09代替。磁性材料109包括磁性粉末和/或磁性復(fù)合材料。磁性材料109可以是導(dǎo)電磁性材料和/或非導(dǎo)電性磁性材料。對(duì)于導(dǎo)電磁性材料,導(dǎo)電線圈103和磁性材料109之間具有絕緣層。硅襯底106和導(dǎo)電線圈103和/或通孔116的金屬之間也可以具有絕緣層。絕緣層可以是一層硅，例如，但不限于二氧化硅(Si02)，或者介電聚合物，例如，但不限于，光刻膠SU-8和聚二甲基娃氧燒(PDMS )。非導(dǎo)電磁性材料包括,但不限于填充聚合物的磁性粉末。如圖1A-1C所示的實(shí)施例中，磁性材料109填充在導(dǎo)電線圈103匝數(shù)之間的間隔，以及導(dǎo)電線圈103和娃襯底106之間的間隔中。嵌于娃襯底106中的導(dǎo)電線圈103的一側(cè)或兩側(cè)可以被磁性材料109的覆蓋層113a和113b所覆蓋。在覆蓋層113，導(dǎo)電線圈103，娃襯底106,和/或磁性材料109相互之間均可具有絕緣層。在一些實(shí)施例中，多個(gè)包括導(dǎo)電線圈103的硅襯底106可以疊放式地黏合在一起，如圖IE所示。每個(gè)硅襯底106和與之相鄰的硅襯底106被磁性材料的中間層119隔開(kāi)。絕緣層也可以形成于中間層119和導(dǎo)電線圈103，硅襯底106，和/或磁性材料109相互之間。在一些實(shí)施例中，層疊線圈103可以相互連通以提供所需的電感水平，同時(shí)保持一個(gè)小的封裝尺寸。其它的線圈構(gòu)造也可以使用，如圖7所示的環(huán)形磁心狀。PIiS 100還包括穿透硅襯底和/或磁性材料的通孔，以提供了通向?qū)щ娋€圈103的連接，和/或通過(guò)PIiS 100的線路。在圖1A-1C中，貫穿晶片通孔116a和116b延伸穿過(guò)硅襯底106和覆蓋層113a和113b，提供到導(dǎo)電線圈103的連接。在其它實(shí)施例中，通孔可以穿透硅襯底106以及覆蓋層113a或113b中的一個(gè)。再參照?qǐng)D2,如圖所示的是壺形鐵芯狀PIiS的實(shí)施例的剖視圖，示出了各種尺寸的PliS。導(dǎo)電線圈203的參數(shù)，如線圈厚度(tw)223，導(dǎo)體寬度(w)226，匝數(shù)(n)，匝圈間距Cs) 229等可以調(diào)節(jié)以提供所需的性能。導(dǎo)電線圈203的線圈厚度223可以和硅襯底具有相同的厚度(如圖1A-1C所示)或者小于硅襯底206的厚度。例如，線圈厚度223和硅襯底厚度可以在約100微米至約600微米的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，硅襯底的厚度大約是200 微米。由銅制成的導(dǎo)電線圈203的寬度226可約為60微米，因?yàn)閷?dǎo)電線圈203在6兆赫茲下的趨膚深度大約是30微米。當(dāng)縱橫比為5時(shí)，匝圈間距229約為40微米。PIiS 200的其它參數(shù)可以在磁性材料被表征后通過(guò)模擬進(jìn)行變化或優(yōu)化，以提供所需的工作特性。例如，覆蓋層厚度(tc) 233和/或磁性材料和硅在導(dǎo)電線圈203的匝之間的分布是可以變化的。其它的縱橫比和匝圈間距可以基于用途和/或使用的制造設(shè)備來(lái)采用。磁性材料可包括混合有粘合劑如聚合物的磁性粉末的復(fù)合材料?？衫玫拇判圆牧习ㄈ鏜nZn、Fe、NiFe, CoNiFe等。如，磁性材料可以是由約89wt%的完全燒結(jié)的NiZn鐵氧體粉末(例如，由粉末處理技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FP350)和約11被％的Sylgard184 PDMS (例如，由道康寧生產(chǎn))的復(fù)合材料。在一些實(shí)例中，其它磁性材料可以使用。復(fù)合磁性材料的磁導(dǎo)率(μ J，矯頑(H。)，以及飽和磁通密度(Bsat)在振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試中分別為μ r=8奧斯特，Hc=15奧斯特和Bsat=O. 2特斯拉。圖3示出了混合有完全燒結(jié)的NiZn鐵氧體粉和PDMS的復(fù)合材料的B-H曲線。通過(guò)測(cè)試帶有這種復(fù)合磁性材料的手工繞的環(huán)形磁心狀電感,測(cè)得的磁導(dǎo)率在約I至10兆赫茲時(shí)約為6。參照?qǐng)D4A-4D,示出的是PIiS的兩個(gè)實(shí)施例的剖視圖以及相應(yīng)的磁通量的Maxwell模擬仿真。這兩個(gè)PIiS實(shí)施例示出了在導(dǎo)電線圈的阻之間至少部分的間隔中填充有磁性材料的影響。首先，圖4A示出了在導(dǎo)電線圈403的匝之間填充了硅406的PIiS400的剖視圖。磁性材料409環(huán)繞導(dǎo)電線圈403設(shè)置，匝之間填充有硅406。圖4B示出了圖4A所示的PIiS 400的磁通量的Maxwell模擬仿真410。磁性材料409的中心部位413的磁通量最密。通過(guò)增加中心部位413處磁芯的面積，可以減少在中心部位413的磁通量。如圖4B所示，在導(dǎo)電線圈403的匝之間的磁通量是非常低的。接下來(lái)，圖4C示出了在導(dǎo)電線圈403的匝之間填充了磁性材料409的PIiS 420的剖視圖。圖4D示出了圖4C所示的PIiS 420的磁通量的Maxwell模擬仿真430。如圖4B所示，磁性材料409的中心部位433的磁通量最密。然而如圖4D所示，導(dǎo)電線圈403的匝之間的磁通量高于圖4B所示。基于圖4B和圖4D所示的Maxwell模擬仿真結(jié)果,在導(dǎo)電線圈403的匝之間填充了磁性材料409的PIiS 420的電感值比在導(dǎo)電線圈403的匝之間填充了硅406的PIiS 400的電感值高約12%。根據(jù)預(yù)定的性能參數(shù)和表征的磁性材料屬性，其余的PIiS參數(shù)可以通過(guò)模擬仿真優(yōu)化。例如，表I提供了使用完全燒結(jié)的NiZn鐵氧體粉末和Sylgardl84PDMS的復(fù)合材料作為磁性材料的一個(gè)PIiS實(shí)施例的參數(shù)。如果選擇不同的磁性材料，這些參數(shù)將被重新優(yōu)化。此外，從圖4D中的磁通量分布來(lái)看，通過(guò)僅在導(dǎo)電線圈403的部分匝之間填充磁性材料409也可以達(dá)到類(lèi)似的效果。在導(dǎo)電線圈403的靠近內(nèi)側(cè)的前兩個(gè)間隔416填充磁性材料409增加了有效的磁芯面積。因?yàn)槠溆嗨膫€(gè)間隔419中的磁通量密度較低，穿過(guò)這些間隔419的磁通量對(duì)導(dǎo)電線圈403的電感值產(chǎn)生的影響很小，在一些計(jì)算中可以忽略。因此，在這四個(gè)間隔419中的一個(gè)或多個(gè)中填充硅406可以用于對(duì)PIiS的電感值進(jìn)行“微調(diào)”。
權(quán)利要求
1.一種硅基功率電感，包括 嵌入硅襯底中的磁性材料的磁芯,和 導(dǎo)電線圈，所述導(dǎo)電線圈具有多個(gè)匝，其鄰近匝之間有間隔，并且所述磁芯至少有一部分被所述導(dǎo)電線圈所圍繞。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導(dǎo)電線圈的鄰近匝之間的所述間隔至少有一部分由硅填充。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導(dǎo)電線圈的鄰近匝之間的所述間隔至少有一部分由磁性材料填充。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感,其中，所述磁性材料包括混有聚合物的磁性粉末的復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述磁性材料是包含完全燒結(jié)的NiZn鐵氧體粉和聚合物的復(fù)合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導(dǎo)電線圈是銅。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，進(jìn)一步包括導(dǎo)電環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，進(jìn)一步包括在硅襯底的至少一面上的磁性材料覆蓋層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅基功率電感，其中，所述覆蓋層的磁性材料是一種復(fù)合磁性材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，進(jìn)一步包括多個(gè)線圈連接點(diǎn)，每個(gè)線圈連接點(diǎn)與導(dǎo)電線圈的一部分接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的硅基功率電感，其中，所述多個(gè)線圈連接點(diǎn)包括第一組焊錫球，沉積在所述導(dǎo)電線圈的一部分上的每個(gè)焊錫球暴露在硅襯底的第一個(gè)面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的硅基功率電感，其中，所述多個(gè)線圈 連接點(diǎn)包括第二組焊錫球，沉積在所述導(dǎo)電線圈的一部分上的每個(gè)焊錫球暴露在硅襯底的第二個(gè)面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的硅基功率電感，其中，所述多個(gè)線圈連接點(diǎn)包括電鍍銅柱。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基功率電感，其中，磁性材料覆蓋層填充在多個(gè)線圈連接點(diǎn)之間的間隔。
15.一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器，包括 硅基功率電感，其包括 嵌入硅襯底中的磁性材料的磁芯； 具有多匝的導(dǎo)電線圈，所述線圈的鄰近匝之間有間隔，所述磁芯的至少有一部分被所述導(dǎo)電線圈所圍繞； 沉積于硅襯底至少一面的磁性材料覆蓋層；以及 安裝在硅基功率電感的覆蓋層上的集成電路，所述集成電路交互式地耦合到所述導(dǎo)電線圈。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述磁芯是壺形鐵芯狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述磁芯是環(huán)形。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述集成電路包括集成電路芯片和至少一個(gè)安裝于所述硅基功率電感的覆蓋層上的電容。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述集成電路通過(guò)穿透所述覆蓋層的多個(gè)線圈連接點(diǎn)交互式地耦合到所述導(dǎo)電線圈，每個(gè)線圈連接點(diǎn)與所述導(dǎo)電線圈的一部分接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述多個(gè)線圈連接點(diǎn)包括多個(gè)焊錫球，每個(gè)焊錫球沉積在所述導(dǎo)電線圈的一部分上。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述導(dǎo)電線圈的鄰近匝之間的間隔的至少一部分由所述磁性材料所填充。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括在所述導(dǎo)電線圈和所述磁性材料之間的絕緣層。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器，其中，所述磁性材料是包括完全燒結(jié)的NiZn鐵氧體粉和聚合物的復(fù)合材料。
24.—種制造硅基功率電感的方法，包括 在硅襯底上沉積初始導(dǎo)電層； 在所述硅襯底中刻蝕溝槽； 在所述溝槽的至少一部分中形成導(dǎo)電線圈；以及 在所述溝槽的至少一部分，所述導(dǎo)電線圈圍繞的磁性材料的至少一部分沉積磁性材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，其中，所述溝槽是穿透襯底的溝槽。
26.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，其中，所述磁性材料在形成所述導(dǎo)電線圈之前沉積在所述溝槽中。
27.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，其中，所述導(dǎo)電線圈由電鍍形成。
28.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，其中，所述磁性材料通過(guò)在真空室內(nèi)熱壓進(jìn)行沉積。
29.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，其中，在所述硅襯底中刻蝕溝槽包括在形成所述導(dǎo)電線圈和沉積所述磁性材料之前刻蝕初始溝槽，并在形成所述導(dǎo)電線圈和沉積所述磁性材料之間刻蝕額外的溝槽。
30.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)24所述的方法，進(jìn)一步包括在所述至少一部分溝槽的側(cè)壁上形成絕緣層。
全文摘要
一提供了用于硅基功率電感(PIiS)的多種方法和系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，PIiS包括嵌入到硅襯底中的磁性材料的磁芯，以及具有多個(gè)匝的導(dǎo)電線圈，其中，所述導(dǎo)電線圈相鄰匝之間具有間隔，至少一部分磁芯被導(dǎo)電線圈圍繞。在另一個(gè)實(shí)施例中，直流-直流轉(zhuǎn)換器包括PIiS,其包括嵌入到硅襯底中的磁性材料的磁芯，具有多個(gè)匝的導(dǎo)電線圈，其中，至少一部分磁芯被導(dǎo)電線圈圍繞，以及沉積于硅襯底的至少一面上的磁性材料覆蓋層。直流-直流轉(zhuǎn)換器還包括安裝在硅基功率電感的覆蓋層上的集成電路。
文檔編號(hào)H01F27/28GK102870175SQ201180019909
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者王明亮, 謝會(huì)開(kāi), 凱·D.T.·恩戈 申請(qǐng)人:王明亮, 謝會(huì)開(kāi), 凱.D.T.恩戈