專利名稱：硅基功率電感的制作方法
硅基功率電感相關專利申請的交叉引用本申請要求于2010年2月19日提交的名稱為“用于緊湊型電力系統的硅基集成功率電感”的美國臨時專利申請61/306，440的優先權，該申請的公開內容通過引用而整體結合于本申請中。有關美國聯邦政府資助的研究和開發的聲明根據國家科學基金授予的ECS-0601294協議，本發明得到了政府支持。政府可享 有本發明的一定權利。
背景技術：
無源元件，如電感，被廣泛應用于各種電信和電力系統中。當與集成電路(IC)芯片配合使用時，電感通常作為單獨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現的電感值和/或品質因數(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明的各個方面。附圖中的元件不一定是按比例繪制，重點是清楚地顯示本發明的原理。此外，附圖中同樣的附圖標記在各視圖中指示相應的部分。圖1A-1E是根據本發明不同實施例的一個壺形鐵芯硅基功率電感(PIiS)的實施例的不同視圖。圖2是根據本發明不同實施例的在圖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本發明不同實施例的在圖1A-1C中示出的PIiS中所使用的磁性材料的特性。圖4A-4D是示出了根據本發明的不同實施例的圖1A-1C中的PIiS的兩個實施例中的磁通量分布的Maxwell模擬仿真的不同視圖。圖5A-OT是包括根據本發明不同實施例的圖1A-1C中PIiS的直流-直流轉換器的不同視圖。圖6A-6B是安裝在根據本發明不同實施例的圖1A-1C的PIiS上的集成電路(IC)芯片的不同視圖。圖7A-7C是根據本發明不同實施例的一種環形磁心狀PIiS的實施例的不同視圖。圖8A-8B是示出根據本發明不同實施例的圖1A-1C和圖7A-7C中的PIiS的制造流程圖。圖9A-9G和圖10是示出制造根據本發明不同實施例的圖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和包括根據本發明不同實施例的PIiS的直流-直流轉換器的性能。
發明內容
本文所公開的是涉及硅基功率電感(PIiS)的系統和方法的不同實施例。現參照附圖所示實施例具體說明，其中相同附圖標記在各個視圖中指示相同的部分。本發明描述用于緊湊系統，如電力系統中的PIiS的不同實施例，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或者多個導電線圈。磁芯可以包括不同形狀，例如，但不限于將要在下面進一步詳細討論的壺形鐵芯狀或環形磁心狀。在一些實施例中，PIiS包括多個嵌入到娃襯底中的導電線圈。導電線圈可以是銅、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。在一些實施例中，PIiS還包括嵌入的導電線路和貫穿晶片的通孔，在制造緊湊電力系統，例如直流-直流功率轉換器時，這些PIiS的實施例可以用做表面貼裝的電容和/或集成電路的封裝基板。
具體實施例方式參照圖1A-1C，其示出了壺形鐵芯狀的PIiS 100的實施例的各個視圖，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中的一個或多個導電線圈103。導電線圈103可以通過電鍍嵌入在硅襯底106中。電鍍模具可以用硅的深反應離子刻蝕(DRIE )加工。硅的深反應離子刻蝕(DRIE )提供了一個高縱橫比(例如約20 :1，約10 :1，或約5 :1)，其允許所述導電線圈103的導體延伸到硅襯底106的底部。高縱橫比允許導電線圈103的導體寬度被減小到趨膚效應的寬度，同時保持對導電線圈103很低的交流(AC)和直流(DC)電阻。導電線圈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。雖然導電線圈103在圖示里是一個圓形的螺旋導線圈，其它的幾何構型線圈也可采用，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示出了單個導電線圈103，一個以上的導電線圈103也可以被嵌入在硅襯底106中。例如，多個導電線圈103可以在硅襯底106中相鄰放置。導電線圈103的導體周圍的一部分硅可以被去除，然后用磁性材料109代替。磁性材料109包括磁性粉末和/或磁性復合材料。磁性材料109可以是導電磁性材料和/或非導電性磁性材料。對于導電磁性材料,導電線圈103和磁性材料109之間具有絕緣層。硅襯底106和導電線圈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所示的實施例中，磁性材料109填充在導電線圈103匝數之間的間隔，以及導電線圈103和娃襯底106之間的間隔中。嵌于娃襯底106中的導電線圈103的一側或兩側可以被磁性材料109的覆蓋層113a和113b所覆蓋。在覆蓋層113，導電線圈103，娃襯底106,和/或磁性材料109相互之間均可具有絕緣層。在一些實施例中，多個包括導電線圈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。絕緣層也可以形成于中間層119和導電線圈103，硅襯底106，和/或磁性材料109相互之間。在一些實施例中，層疊線圈103可以相互連通以提供所需的電感水平，同時保持一個小的封裝尺寸。其它的線圈構造也可以使用，如圖7所示的環形磁心狀。PIiS 100還包括穿透硅襯底和/或磁性材料的通孔，以提供了通向導電線圈103的連接，和/或通過PIiS 100的線路。在圖1A-1C中，貫穿晶片通孔116a和116b延伸穿過硅襯底106和覆蓋層113a和113b，提供到導電線圈103的連接。在其它實施例中，通孔可以穿透硅襯底106以及覆蓋層113a或113b中的一個。再參照圖2,如圖所示的是壺形鐵芯狀PIiS的實施例的剖視圖，示出了各種尺寸的PliS。導電線圈203的參數，如線圈厚度(tw)223，導體寬度(w)226，匝數(n)，匝圈間距Cs) 229等可以調節以提供所需的性能。導電線圈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。在一個實施例中，硅襯底的厚度大約是200 微米。由銅制成的導電線圈203的寬度226可約為60微米，因為導電線圈203在6兆赫茲下的趨膚深度大約是30微米。當縱橫比為5時，匝圈間距229約為40微米。PIiS 200的其它參數可以在磁性材料被表征后通過模擬進行變化或優化，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/或使用的制造設備來采用。磁性材料可包括混合有粘合劑如聚合物的磁性粉末的復合材料。可利用的磁性材料包括如MnZn、Fe、NiFe, CoNiFe等。如，磁性材料可以是由約89wt%的完全燒結的NiZn鐵氧體粉末(例如，由粉末處理技術有限公司生產的FP350)和約11被％的Sylgard184 PDMS (例如，由道康寧生產)的復合材料。在一些實例中，其它磁性材料可以使用。復合磁性材料的磁導率(μ J，矯頑(H。)，以及飽和磁通密度(Bsat)在振動樣品磁強計(VSM)測試中分別為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的NiZn鐵氧體粉和PDMS的復合材料的B-H曲線。通過測試帶有這種復合磁性材料的手工繞的環形磁心狀電感,測得的磁導率在約I至10兆赫茲時約為6。參照圖4A-4D,示出的是PIiS的兩個實施例的剖視圖以及相應的磁通量的Maxwell模擬仿真。這兩個PIiS實施例示出了在導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環繞導電線圈403設置，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，在導電線圈403的匝之間的磁通量是非常低的。接下來，圖4C示出了在導電線圈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模擬仿真結果,在導電線圈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%。根據預定的性能參數和表征的磁性材料屬性，其余的PIiS參數可以通過模擬仿真優化。例如，表I提供了使用完全燒結的NiZn鐵氧體粉末和Sylgardl84PDMS的復合材料作為磁性材料的一個PIiS實施例的參數。如果選擇不同的磁性材料，這些參數將被重新優化。此外，從圖4D中的磁通量分布來看，通過僅在導電線圈403的部分匝之間填充磁性材料409也可以達到類似的效果。在導電線圈403的靠近內側的前兩個間隔416填充磁性材料409增加了有效的磁芯面積。因為其余四個間隔419中的磁通量密度較低，穿過這些間隔419的磁通量對導電線圈403的電感值產生的影響很小，在一些計算中可以忽略。因此，在這四個間隔419中的一個或多個中填充硅406可以用于對PIiS的電感值進行“微調”。
權利要求
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 導電線圈，所述導電線圈具有多個匝，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電線圈所圍繞。
2.根據權利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導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.根據權利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導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.根據權利要求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合材料。
5.根據權利要求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的NiZn鐵氧體粉和聚合物的復合物。
6.根據權利要求I所述的硅基功率電感，其中，所述導電線圈是銅。
7.根據權利要求I所述的硅基功率電感，進一步包括導電環。
8.根據權利要求I所述的硅基功率電感，進一步包括在硅襯底的至少一面上的磁性材料覆蓋層。
9.根據權利要求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合磁性材料。
10.根據權利要求I所述的硅基功率電感，進一步包括多個線圈連接點，每個線圈連接點與導電線圈的一部分接觸。
11.根據權利要求10所述的硅基功率電感，其中，所述多個線圈連接點包括第一組焊錫球，沉積在所述導電線圈的一部分上的每個焊錫球暴露在硅襯底的第一個面。
12.根據權利要求11所述的硅基功率電感，其中，所述多個線圈 連接點包括第二組焊錫球，沉積在所述導電線圈的一部分上的每個焊錫球暴露在硅襯底的第二個面上。
13.根據權利要求10所述的硅基功率電感，其中，所述多個線圈連接點包括電鍍銅柱。
14.根據權利要求I所述的硅基功率電感，其中，磁性材料覆蓋層填充在多個線圈連接點之間的間隔。
15.一個直流-直流轉換器，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電線圈。
16.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述磁芯是壺形鐵芯狀。
17.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述磁芯是環形。
18.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述集成電路包括集成電路芯片和至少一個安裝于所述硅基功率電感的覆蓋層上的電容。
19.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述集成電路通過穿透所述覆蓋層的多個線圈連接點交互式地耦合到所述導電線圈，每個線圈連接點與所述導電線圈的一部分接觸。
20.根據權利要求19所述的直流-直流轉換器，其中，所述多個線圈連接點包括多個焊錫球，每個焊錫球沉積在所述導電線圈的一部分上。
21.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述導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.根據權利要求21所述的直流-直流轉換器，進一步包括在所述導電線圈和所述磁性材料之間的絕緣層。
23.根據權利要求15所述的直流-直流轉換器，其中，所述磁性材料是包括完全燒結的NiZn鐵氧體粉和聚合物的復合材料。
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電線圈；以及 在所述溝槽的至少一部分，所述導電線圈圍繞的磁性材料的至少一部分沉積磁性材料。
25.根據權利要求書24所述的方法，其中，所述溝槽是穿透襯底的溝槽。
26.根據權利要求書24所述的方法，其中，所述磁性材料在形成所述導電線圈之前沉積在所述溝槽中。
27.根據權利要求書24所述的方法，其中，所述導電線圈由電鍍形成。
28.根據權利要求書24所述的方法，其中，所述磁性材料通過在真空室內熱壓進行沉積。
29.根據權利要求書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，并在形成所述導電線圈和沉積所述磁性材料之間刻蝕額外的溝槽。
30.根據權利要求書24所述的方法，進一步包括在所述至少一部分溝槽的側壁上形成絕緣層。
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。在一個實施例中，PIiS包括嵌入到硅襯底中的磁性材料的磁芯，以及具有多個匝的導電線圈，其中，所述導電線圈相鄰匝之間具有間隔，至少一部分磁芯被導電線圈圍繞。在另一個實施例中，直流-直流轉換器包括PIiS,其包括嵌入到硅襯底中的磁性材料的磁芯，具有多個匝的導電線圈，其中，至少一部分磁芯被導電線圈圍繞，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H01F27/28GK102870175SQ201180019909
公開日2013年1月9日 申請日期2011年2月17日 優先權日2010年2月19日
發明者王明亮, 謝會開, 凱·D.T.·恩戈 申請人:王明亮, 謝會開, 凱.D.T.恩戈