專利名稱：平面型溝槽功率電感結(jié)構(gòu)與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種分立功率電感，特別涉及一種低成本的超小型分立 功率電感。
背景技術(shù)：
近些年來，電子信息設(shè)備，特別是多種便攜式電子信息設(shè)備已得到顯著 的廣泛使用。大部分電子信息設(shè)備采用電池作為功率電源，且包括內(nèi)置的功
率轉(zhuǎn)換器，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器。 一般，功率轉(zhuǎn)換器組成一個混合模塊。該 模塊中，有源器件(例如開關(guān)元件、整流器和控制IC)與無源器件(例如電 感、變壓器、電容和電阻)等各個部件，都被設(shè)置在陶瓷板上或者塑料等類 似材料的印刷板上。近些年來，電感的小型化已成為功率轉(zhuǎn)換器小型化的一 個課題。
一個電感通常包括圍繞著磁鐵氧體材料的磁芯的線繞。功率電感作為一 個儲能器件，當(dāng)處于電力供應(yīng)的開關(guān)周期的開通時間內(nèi)儲存能量，而在關(guān)斷 時間內(nèi)傳送能量到負(fù)載。功率電感有不同種類，包括分立的線繞電感、分立 的貼片(SMD)電感、分立的非線繞(例如，螺線管種類)電感和分立的多 層電感。線繞電感可以基于圍繞封裝的鐵氧體磁芯的圓導(dǎo)線或者平面導(dǎo)線。 線繞電感包括TOKO制作的那些產(chǎn)品。分立SMD電感包括圍繞鐵氧體磁芯 的線繞，其最終結(jié)構(gòu)外覆樹脂。Taiyo-Yuden的電感為貼片電感的實(shí)例。
"開放的線軸"通常用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的彎曲以形成電感線圈。但是，繞組 線不是形成環(huán)形線圈的最有效的方法。典型的環(huán)形線圈電感要求導(dǎo)線穿過環(huán) 狀的鐵氧體磁芯的中心導(dǎo)孔，而這個過程要實(shí)現(xiàn)自動化很復(fù)雜。
多層電感包括多層鐵氧體，每層有一種類型的導(dǎo)電材料(例如Ag)以形 成電感線圈的一部分。鐵氧體層被堆積，相鄰層間的導(dǎo)通孔連接圖案化的導(dǎo) 線以形成線圈。
美國專利6， 930， 584公開了一種微小型功率轉(zhuǎn)換器，包括其上形成有
6半導(dǎo)體集成電路的半導(dǎo)體襯底， 一薄層磁感單元和一個電容。所述薄層磁感 單元包括磁性絕緣襯底(可以是鐵氧體襯底)，螺線管線圈導(dǎo)線，其第一組導(dǎo) 線形成在所述磁性絕緣襯底的第一主平面上，其第二組導(dǎo)線形成在所述磁性 絕緣襯底的第二主平面上， 一組導(dǎo)電連接形成在穿過磁性絕緣襯底的通孔內(nèi) 以提供第一組和第二組導(dǎo)線之間的電連接并形成電感線圈，另一組形成在穿 過磁性絕緣襯底的通孔內(nèi)的導(dǎo)電連接，提供電連接地穿過通孔的電極。線圈 導(dǎo)線的表面可以覆蓋一絕緣層或者一層散布了磁性微粒的樹脂。但是，電感 線圈導(dǎo)線的厚度受到沉積在磁性絕緣襯底上的導(dǎo)電層的厚度的限制。
美國專利6， 630， 881公開了一種多層片式電感，包括形成于綠色陶瓷 疊層板內(nèi)的線圈形狀的內(nèi)部導(dǎo)線。每根線圈形狀的內(nèi)部導(dǎo)線繞著綠色陶瓷疊 層板的疊層方向的軸線螺旋。將一個外部電極粘附到綠色陶瓷疊層板的至少 一個疊層方向平面上，外部電極附著連接到線圈形狀的內(nèi)部導(dǎo)線的一個末端。 綠色陶瓷疊層板沿著疊層方向切割成多個片狀的綠色陶瓷疊層板，每個內(nèi)部 含有線圈形狀的內(nèi)部導(dǎo)線。
美國專利4， 543， 553公開了一種片式電感，包括多個磁性層的疊層結(jié) 構(gòu)，延伸在相應(yīng)的磁性層之間的線性導(dǎo)電圖形以類似于線圈的樣式成功地連 接以生成一個電感元件。磁性層的上表面上形成的導(dǎo)電圖形與磁性層的下表 面上形成的導(dǎo)電圖形在磁性層的接口處互相連接，也通過磁性層中形成的通 孔互相連接，導(dǎo)電圖形從而以類似于線圈的樣式連續(xù)連接。
美國專利7， 046， 114公開了一種疊層電感，包括層壓在一起的具有一 匝螺旋形的線圈導(dǎo)線的陶瓷薄片、具有兩匝螺旋形的線圈導(dǎo)線的陶瓷薄片以 及具有引出導(dǎo)線的陶瓷薄片。線圈導(dǎo)線按順序通過導(dǎo)通孔成功地進(jìn)行串行電 連接。導(dǎo)通孔布置在陶瓷薄片的固定位置。
美國專利5， 032， 815公開了一種疊層式電感，包括多個鐵氧體薄片， 按一個在另一個之上組合然后層壓在一起。最上層和最下層是末端的薄片， 含有互相面對的引出導(dǎo)線。多個中間鐵氧體薄片每個在一面上有相當(dāng)于0.25 匝電感線圈的導(dǎo)線，在另一面上有相當(dāng)于0.5匝電感線圈的導(dǎo)線。每個鐵氧; 體薄片上有個缺口，通過這個缺口 0.25匝和0.5匝的導(dǎo)線電連接以在每個鐵 氧體薄片上形成0.75匝電感線圈。相繼的中間薄片上導(dǎo)線互相連接以形成含 有0.75倍匝數(shù)的電感線圈，多個中間鐵氧體薄片的最上層的上表面上的導(dǎo)線和中間鐵氧體薄片的最下層的下表面上的導(dǎo)線電連接到末端薄片的表面上的 導(dǎo)線以形成一個完整的電感線圈。
萬國半導(dǎo)體股份有限公司的美國專利12/011， 489公開了一種含有環(huán)形 磁芯的電感，含有低阻抗的引線框架導(dǎo)線。但是由于引線框架位于磁芯襯底 的頂部和底部，因此導(dǎo)線不是平面的。
許多傳統(tǒng)的功率電感不是平面的，由于電感導(dǎo)線的受限厚度(尺寸)，其 阻抗相對高些，其磁環(huán)不是完全閉合的或者不包含以疊層結(jié)構(gòu)和其他元件連 接的方式(減小整體面積)。
有必要發(fā)展一種功率電感，其每個單元面積的電感系數(shù)最大，通過采用 低電阻系數(shù)的導(dǎo)線和合適的裝配技術(shù)，配以最少匝數(shù)和最小物理尺寸，使其 阻抗達(dá)到最小。
今后有必要發(fā)展一種具有小封裝面積、薄外形、高容量、小生產(chǎn)成本的 器件。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前電感小型化的發(fā)展趨勢，本發(fā)明提供一種平面型溝槽功率電感 結(jié)構(gòu)與制造方法，可得到一種具有小封裝面積、薄外形、高容量、小生產(chǎn)成 本的器件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種電感，主要包括 一個平面鐵氧體磁芯；
第一組在鐵氧體磁芯的第一側(cè)上形成的一個或多個溝槽； 第二組在鐵氧體磁芯的第二側(cè)上形成的兩個或多個溝槽； 所述第一和第二組的溝槽定位為每個第一組的溝槽與第二組的一個或兩
個對應(yīng)的溝槽相重疊；
第一組多個導(dǎo)通孔，在鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二側(cè)之間連通鐵氧體磁
芯，每個所述導(dǎo)通孔位于第一組溝槽與第二組溝槽重疊的位置；以及
置于第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中的導(dǎo)電材料，所述置于第一和第二組
溝槽和導(dǎo)通孔中的導(dǎo)電材料形成一個電感線圈。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)上述電感的方法，主要包括以下步驟
步驟1，第一組在平面鐵氧體磁芯的第一側(cè) 形成的一個或多個溝槽的成形；
步驟2，第二組在所述鐵氧體磁芯的第二側(cè)上形成的兩個或多個平行溝 槽的成形，所述第一和第二組的溝槽定位為每個第一組的溝槽與第二組的一 個或兩個對應(yīng)的溝槽相重疊；
步驟3， 一個或多個導(dǎo)通孔的成形，在所述鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二 側(cè)之間連通鐵氧體磁芯，每個所述導(dǎo)通孔位于第一組溝槽與第二組溝槽重疊 的位置；以及
步驟4，第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中導(dǎo)電材料的放置。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在減小封裝面積、縮小外形幾何尺寸、提高電
感高容量(提高單位面積的電感系數(shù))、降低電感阻抗，以及降低生產(chǎn)成本等
諸多方面，均有顯著的提高。


本發(fā)明的目的和優(yōu)勢將通過下面詳細(xì)的描述并參照下面的附圖而清晰地 展現(xiàn)出來。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的分立功率電感的俯視圖； 圖1B是圖1A所示的功率電感沿B-B'線的橫截面圖； 圖1C是圖1A所示的功率電感沿C-C'線的橫截面圖； 圖1D是圖1A所示的功率電感的透視俯視圖； 圖1E是圖1A所示的功率電感沿圖1D中的E-E'線的橫截面圖； 圖2A是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的分立功率電感的俯視圖； 圖2B-2C是圖2A所示的功率電感分別沿B-B'和C-C'線的橫截面圖； 圖2D是圖2A所示的功率電感的透視俯視圖2E-2F是圖2A所示的功率電感分別沿圖2D中的E-E'和F-F'線的橫截 面圖3A是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的分立功率電感的俯視圖； 圖3B-3C是圖3A所示的功率電感分別沿B-B鄰C-C線的橫截面圖； 圖3D是圖3A所示的功率電感的透視俯視圖3E-3F是圖3A所示的功率電感分別沿圖3D中的E-E'和F-F'線的橫截 面9圖4A是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的分立功率電感的俯視圖4B-4C是圖4A所示的功率電感分別沿B-B'和C-C'線的橫截面圖4D是圖4A所示的功率電感的透視俯視圖4E是圖4A所示的功率電感沿圖4D中的E-E'線的橫截面圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的分立功率電感的俯視圖5B-5C是圖5A所示的功率電感分別沿B-B鄰C-C'線的橫截面圖5D是圖5A所示的功率電感的透視俯視圖5E-5F是圖5A所示的功率電感沿D-D'線的橫截面圖6A-6D是根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式的功率電感的橫截面圖7A-7B， 7D-7K是說明生產(chǎn)圖1A描述的功率電感的方法的橫截面圖7C是圖7B描述的部分完成結(jié)構(gòu)的俯視圖7L是完成的功率電感的透視俯視圖；圖8A-8F， 8H-8K是說明生產(chǎn)圖6A-6B描述的功率電感種類的方法的橫 截面圖8G是圖8F描述的部分完成結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖8L是完成的功率電感的透視俯視圖9A-9B， 9D-9E， 9G， 91和9K-9N是說明生產(chǎn)圖3A描述的功率電感 種類的方法的橫截面圖9C是圖9B描述的制造階段的部分完成的電感結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖9F是圖9E描述的制造階段的部分完成的電感結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖9H是圖9G描述的制造階段的部分完成的電感結(jié)構(gòu)的仰視圖； 圖9J是圖9I描述的制造階段的部分完成的電感結(jié)構(gòu)的仰視圖； 圖90是完成的功率電感的仰視圖10A-10D和圖10E-10I分別是說明從一個鐵氧體材料的薄片生產(chǎn)根據(jù) 本發(fā)明的一種實(shí)施方式的圖3A中描述的多功率電感種類的方法的一系列俯 視圖和仰視圖。
圖IOJ是說明用圖10A-10I所示的方法從一個鐵氧體材料的薄片分割出 的多個電感的俯視圖。
具體實(shí)施方式
雖然下面的詳細(xì)描述包含了許多具體細(xì)節(jié)以達(dá)到說明的目的，本領(lǐng)域的 任何普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到以下細(xì)節(jié)的變更和改動都在本發(fā)明的范圍之 內(nèi)。
如圖1A-1E所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的分立功率電感100可以 包括鐵氧體磁芯即鐵氧體單層102，其上表面有一個或多個平行的溝槽103， 溝槽103中填充了導(dǎo)電材料104以形成一組上電極。電感100同樣在其下表 面上有圖案化的溝槽107，溝槽107中填充了導(dǎo)電材料108以形成圖ID中所 示的下電極。電感100還包括填充了導(dǎo)電材料106的導(dǎo)通孔105，它電氣連 接上導(dǎo)電材料104和下導(dǎo)電材料108以形成一個電感線圈。導(dǎo)通孔105中的 導(dǎo)電材料106可以由上下導(dǎo)電材料104， 108形成。導(dǎo)通孔的位置由虛線標(biāo)出。 在如圖1D所示的透視俯視圖中，底部溝槽的位置也由虛線標(biāo)出。每個頂部 溝槽103和底部溝槽107可以從一個導(dǎo)通孔開始而在另一個導(dǎo)通孔結(jié)束。所 述溝槽可以通過例如光刻成像和刻蝕形成。其中，適合高頻段(例如大于 lMHz)的功率電感的鐵氧體材料包括NiZn， NiCo， MnZn， MnNiZn。
從圖1B-1C和圖1E中描述的橫截面圖以及圖1D中描述的透視圖可以看 出，導(dǎo)通孔105位于上表面溝槽103與下表面溝槽107重疊的位置以便連接 兩溝槽。線圈的末端可以形成導(dǎo)通孔以便連接到制作在單個表面(上或者下) 上的兩個末端。下表面溝槽107相對于上表面溝槽103有一定角度。當(dāng)溝槽 103， 107和導(dǎo)通孔105填充導(dǎo)電材料104， 108時，下上表面溝槽103， 107 的角度加工和導(dǎo)通孔105的定位就產(chǎn)生了電感線圈。
從圖1B-1C和圖1E中描述的橫截面圖也可以看出，電感100是平面的。 上下表面溝槽103， 107中的導(dǎo)電材料104， 108不延伸至鐵氧體磁芯的表平 面之外。
可以很清楚地看到所述平面電感配置的許多優(yōu)勢。電感的平面結(jié)構(gòu)使得 電感可以很容易地疊放。電感的厚度是溝槽深度的函數(shù)。通過形成足夠深度 的溝槽和足夠大直徑的導(dǎo)通孔，電感可以達(dá)到超低阻抗。連接電感線圈上下 兩邊的導(dǎo)通孔也可以在遠(yuǎn)離鐵氧體襯底的邊緣處形成，這使鐵氧體材料形成 圍繞電感線圈的閉合磁環(huán)。閉合磁環(huán)極大提高了每個單元面積的互感系數(shù)。
圖2A-2F示意了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方式的分4功率電感200。與 電感100類似，電感200包括鐵氧體磁芯即鐵氧體單層102，其上下表面上有填充了導(dǎo)電材料104， 108以形成上下導(dǎo)線的溝槽103， 107。所述上下導(dǎo) 線被填充了導(dǎo)電材料106的導(dǎo)通孔105電連接以形成一個電感線圈。導(dǎo)通孔 105中的導(dǎo)電材料106可以由上下導(dǎo)電材料104， 108形成。在本實(shí)施方式中， 電感200還包括附加的填充了導(dǎo)電材料的導(dǎo)通孔109，其可以用于提供與其 他類似配置的晶片(可以是疊層的)的電連接。與導(dǎo)通孔105中的導(dǎo)電材料 106類似，附加導(dǎo)通孔109中的導(dǎo)電材料可以由上溝道導(dǎo)電材料104和下溝 道導(dǎo)電材料108形成。
舉個例子， 一塊IC芯片可以疊放在電感200的上部，附加導(dǎo)通孔109 提供從IC芯片到電感200的下表面的電氣布線。疊放了電感200的IC芯片 可以安裝在電路板上，所有必需的電氣布線可布在電感200的下表面。同樣 地，電感的平面結(jié)構(gòu)使疊放易于實(shí)現(xiàn)。
圖3A-3F示意了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的分立功率電感300。在本 實(shí)施方式中，電感300包括鐵氧體磁芯即鐵氧體單層102，其具有填充了導(dǎo) 電材料104， 108的溝槽103， 107。所述導(dǎo)電材料104， 108延伸鐵氧體層102 的側(cè)邊之間的上下表面。所述溝槽可以通過例如沿著鐵氧體層102的上下表 面采用淺鋸痕(shallow saw cuts, SSC)形成。在下表面上的下溝槽107相 對于圖3D所示的上溝槽103有一定角度。電感300還包括填充了導(dǎo)電材料 106的導(dǎo)通孔105，其連接上下溝槽區(qū)域104和108以形成電感線圈。為了形 成線圈，如圖3D所示，選中的導(dǎo)通孔105可以位于上下溝槽103， 107重疊 的位置。
圖4A-4E示意了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方式的分立功率電感400。電 感400的結(jié)構(gòu)與上面圖1中描述的電感100類似，包括鐵氧體單層102，在 其上表面有圖案化的溝槽103，溝槽103中填充了導(dǎo)電材料104以形成一組 上電極，在其下表面上有圖案化的溝槽107,溝槽107中也填充了導(dǎo)電材料 108以形成圖4D中所示的下電極。電感400還包括填充了導(dǎo)電材料106的導(dǎo) 通孔105，其連接上下刻蝕的溝槽區(qū)域104和108以形成電感線圈，如上面 所述。
在本實(shí)施方式中，在圖案化溝槽形成之前，鐵氧體單層102的上下表面 預(yù)先用介質(zhì)層402和404鈍化，如圖4B和圖4C所示，其示意了圖4A描述 的電感400沿B-B'和C-C'線的橫截面圖。在溝槽和/或?qū)椎目涛g期間，上下介質(zhì)層402， 404可以用作硬膜，以鈍化鐵氧體層102中使用的多孔磁性 材料。
圖5A-5F示意了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方式的分立功率電感500。在 本實(shí)施方式中，電感500包括由第一和第二鐵氧體層502， 503形成的鐵氧體 磁芯，在第一鐵氧體層502的上表面形成圖案化的溝槽103，在第二鐵氧體 層503的下表面形成圖案化的溝槽107，如圖5B-5C所示，其示意了圖5A 描述的電感500分別沿B-B鄰C-C'線的橫截面圖。如圖5D所示，溝槽103 和107中填充了導(dǎo)電材料104， 108以形成上下電極。電感500還包括填充了 導(dǎo)電材料106的導(dǎo)通孔105，其連接上下刻蝕的溝槽區(qū)域104和108以形成 電感線圈。
如圖5E中所示，其示意了圖5D描述的電感500沿D-D'線的橫截面圖， 溝槽103， 107可以分別在兩個獨(dú)立的鐵氧體層502和503中形成并填充導(dǎo)電 材料104， 108。隨后，鐵氧體層可以背靠背疊放在一起以形成圖5F所示的 電感500。
圖6A-6B是根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式的電感600的橫截面圖。電感60C 的結(jié)構(gòu)可以類似于上面圖1A-1E，圖2A-2F和圖3A-3F中分別描述的電感 100， 200和300的結(jié)構(gòu)，除了溝槽103和107部分填充導(dǎo)電材料104， 108 以形成電感線圈。用導(dǎo)電材料104， 108鍍覆溝槽103， 107的側(cè)壁和底部。 導(dǎo)電材料104， 108鍍覆導(dǎo)通孔105的側(cè)壁并聚合在一起。電感600的結(jié)構(gòu)相 對于磁芯襯底的表面仍是平面的。圖6A所示的橫截面相當(dāng)于沿圖1A中B-B' 線的截面圖。圖6B所示的橫截面相當(dāng)于沿圖1D中E-E'線的截面圖。
圖6C-6D是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的電感610的橫截面圖。電感610 的結(jié)構(gòu)類似于上面圖4A-4E中描述的電感400，除了溝槽103和107部分填 充導(dǎo)電材料104， 108以形成電感線圈。導(dǎo)電材料104， 108鍍覆溝槽103， 107的側(cè)壁和底部。導(dǎo)電材料104， 108鍍覆導(dǎo)通孔105的側(cè)壁并聚合在一起。 電感600的結(jié)構(gòu)相對于磁芯襯底的表面仍是平面的。圖6A所示的橫截面相 當(dāng)于沿圖4A中B-B'線的截面圖。圖6B所示的橫截面相當(dāng)于沿圖4D中E-E' 線的截面圖。在本實(shí)施方式中，在溝槽形成之前，鐵氧體單層102的上下表 面預(yù)先用介質(zhì)層402和404鈍化。
圖7A-7B， 7D-7G和7I-7K是說明一種生產(chǎn)圖1A-1E中描述的帶有完全
13填充了導(dǎo)電材料的溝槽的功率電感類型的方法的橫截面圖。圖7L是圖1A-1E 中描述的完整的電感類型的透視俯視圖。如圖7A中所示，提供了一個磁芯 襯底702。襯底702優(yōu)化為高頻的鐵氧體則更好，如NiZn及類似的材料。、一 種抗蝕劑掩膜沉積并圖案化在襯底702的上表面上。通過圖案中的缺口干法 刻蝕或者濺射刻蝕襯底702的上表面的一部分以形成圖7B中所示的溝槽 703。然后抗蝕劑掩膜被除去。圖7C示意了圖7B中描述的最終結(jié)構(gòu)的俯視 圖。圖7A-7B和7D-7F中的橫截面是沿圖7C中的C-C'線在生產(chǎn)工藝的不同 階段截取的。
然后，導(dǎo)電材料704，例如鎢、銅、鋁、銀及其他類似金屬，沉積在襯 底702的上部，例如，通過像化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積或者物理氣相沉積 (PVD)等氣相沉積工藝。如圖7D所示，導(dǎo)電材料704完全填充了溝槽703。 回刻蝕多余的導(dǎo)電材料704使表面平坦化并使鐵氧體表面遠(yuǎn)離金屬填充的溝 槽，例如，采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，如圖7E中所示。
襯底702的上表面上進(jìn)行的制造工序可以在下表面上重復(fù)。具體地，襯 底702可以翻轉(zhuǎn)過來，抗蝕劑掩膜沉積并圖案化在襯底702的下表面上。通 過掩膜圖案中的缺口干法刻蝕或者濺射刻蝕襯底702的下表面的一部分以形 成圖7F中所示的溝槽705。然后抗蝕劑掩膜被除去。
導(dǎo)通孔706圖案化并刻蝕在襯底702的下表面上的上下溝槽重疊的位置 及當(dāng)填充導(dǎo)電材料704、 708后形成的電感線圈的末端。如圖7G中所示，導(dǎo) 通孔可以通過，例如，沿襯底刻蝕至上表面的導(dǎo)電材料704形成。圖7G中 橫截面沿描述了最終器件的圖7L的G-G'線取得。
導(dǎo)電材料708沉積在襯底702的下表面上，完全填充溝槽705和導(dǎo)通孔 7Q6，如圖7H-7I中所示。圖7H中橫截面沿圖7L的G-G'線取得。圖71中橫 截面沿圖7L的I-I'線取得?；乜涛g導(dǎo)電材料708使表面平坦化并使鐵氧體表 面遠(yuǎn)離金屬填充的溝槽，例如，采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)， 如圖7J-7K中所示。圖7J中橫截面沿圖7L的G-G'線取得。圖7K中橫截面 沿圖7L的I-I幾取得。
在一些實(shí)施方式中，最終器件可以進(jìn)行一個可選的退火步驟以減少層間 的接觸阻抗。例如，最終器件可以在惰性氣體中加熱到300'C至50(TC之間的 溫度，像氮或者混合氣體，例如氫占氮的4至10%。圖8A-8F和8H-8K是說明一種生產(chǎn)圖6A-6B中描述的帶有部分填充了 導(dǎo)電材料的溝槽的功率電感類型的方法的橫截面圖。圖8G示意了制造中部 分完成階段的電感結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖8L是圖6A-6B中描述的電感類型的最 終結(jié)構(gòu)的透視俯視圖。圖8A-8D和8F中的橫截面沿圖8G的B-B'線取得。 圖8E中的橫截面沿圖8G的F-F線取得。如圖8A中所示，提供了一個磁芯 襯底802，更好優(yōu)化為高頻的鐵氧體，如NiZn及類似的材料。 一種抗蝕劑掩 膜沉積并圖案化在襯底802的上表面上。干法刻蝕或者濺射刻蝕襯底802的 上表面的一部分以形成圖8B中所示的溝槽803。然后抗蝕劑掩膜被除去。
然后，導(dǎo)電森料804，例如鎢、銅、鋁、銀及其他類似金屬，通過圖8C 中所示的部分填充溝槽803的方式沉積在襯底802的上部。采用干法刻蝕或 者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)回刻蝕導(dǎo)電材料804使表面平坦化(并使鐵氧體材 料遠(yuǎn)離溝槽)，如圖8D中所示。
襯底翻轉(zhuǎn)過來，抗蝕劑掩膜沉積并圖案化在襯底802的下表面上。干法 刻蝕或者濺射刻蝕襯底802的下表面的一部分以形成圖8E中所示的溝槽 805。然后抗蝕劑掩膜被除去。
導(dǎo)通孔806圖案化在襯底802的下表面上并通過刻蝕至上表面的導(dǎo)電材 料804形成，如圖8F中所示。圖8G是圖8F中描述階段的部分完成結(jié)構(gòu)的 透視俯視圖。
后面的制造可以按照圖8H-8K中描述的進(jìn)行。圖8H和圖8J中橫截面沿 圖8L的H-H'線取得。圖81和圖8K中描述的橫截面沿圖8L的I-I'線取得。 導(dǎo)電材料808以部分填充溝槽805和導(dǎo)通孔806的方式沉積在襯底802的下 表面上，如圖8H-8I中所示?；匚g導(dǎo)電材料808使表面平坦化(并使鐵氧體 遠(yuǎn)離溝槽和導(dǎo)通孔)，例如，采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，如圖 8J-8K中所示。
多個電感可以用圖8A-8K中說明的工藝在單個鐵氧體材料薄片上制造。 電感制成后，采用標(biāo)準(zhǔn)的切割工藝可以將薄片切割成獨(dú)立的電感芯片。
圖9A-9B， 9D-9E和91， 9K-9N是說明一種生產(chǎn)圖3A-3F中描述的功率 電感的方法的橫截面圖。所述功率電感帶有沿著鐵氧體襯底的表面從一邊延 伸至另一邊并填充了導(dǎo)電材料的溝槽。圖9C和9F示意了部分完成電感的俯 視圖。圖9H和9J示意了部分完成電感的仰視圖。圖90示意了最終電感的
15俯視圖。如圖9A中所示，提供了一個磁芯襯底902，更好優(yōu)化為高頻的鐵氧 體，如NiZn及類似的材料。如圖9B和圖9C所示，用鋸片切割襯底902的 上表面以形成筆直的且平行的上溝槽卯3。圖9B中橫截面沿圖9C的C-C' 線取得。
然后，導(dǎo)電材料904，例如鎢、銅、鋁、銀及其他類似金屬，沉積在襯 底802的上部，完全填充溝槽903，如圖9D中所示?；乜涛g導(dǎo)電材料904 至磁性襯底902的上表面，如圖9E和圖9F中所示。圖9D-9E中橫截面沿圖 9F的F-F'線取得。
然后襯底902翻轉(zhuǎn)過來并旋轉(zhuǎn)至一定角度oc (ot<90°)，所述角度是電感 寬度的函數(shù)。切割襯底902的表面以形成下溝槽905，如圖9G所示，所述溝 槽與上側(cè)的導(dǎo)體填充的上溝槽903成a角度。圖9H是圖9G所示結(jié)構(gòu)的仰視 圖。圖9G中橫截面沿圖9H的G-G'線取得。沿F-F線'上下翻轉(zhuǎn)圖9F的襯底 902得到圖9H的仰視圖。
導(dǎo)通孔906圖案化在襯底902的下表面上，并通過自旋保護(hù)膜，曝光掩 膜并顯影，當(dāng)曝光上溝槽卯3中的導(dǎo)電材料904的下部時刻蝕襯底902至一 個末端點(diǎn)形成，如圖9I中所示。圖9J是圖9I中描述的結(jié)構(gòu)的仰視圖。圖91 中橫截面沿圖9J的J-J'線取得。 ，
導(dǎo)電材料908沉積在襯底902的下表面上并填充至下溝槽905和導(dǎo)通孔 906中，如圖9K-9L中所示。圖9K中橫截面沿圖9J的J-J'線取得。圖9L中 橫截面沿圖9J的L-L'線取得。
采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)回蝕導(dǎo)電材料卯8使表面平坦 化并使鐵氧體遠(yuǎn)離溝槽和導(dǎo)通孔，如圖9M-9N所示。圖90是一個最終電感 結(jié)構(gòu)的仰視圖。圖9M中橫截面沿圖90的M-M'線取得。圖9N中橫截面沿 圖90的N-N'線取得。
圖10A-10J是說明一種在單個鐵氧體材料的薄片上生產(chǎn)圖3A-3F中描述 的功率電感的方法的俯視圖和仰視圖。
圖10A-10D是鐵氧體薄片1002的俯視圖。如圖IOA所示，提供了單個 鐵氧體材料的薄片1002。襯底1002優(yōu)化為高頻的鐵氧體則更好，如NiZn及 類似的材料。通過切割襯底1002的上表面，例如，淺鋸痕(shallow saw cuts)， 以形成上溝槽1003。導(dǎo)電材料1004，例如鉤(W)、銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)及其他類似金屬，通過氣相沉積工藝，像化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積 在鐵氧體薄片1002的上部。導(dǎo)電材料1004可以完全填充圖IOC所示的上溝 槽1003。采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)回刻蝕多余的導(dǎo)電材料 1004使表面平坦化并使鐵氧體材料遠(yuǎn)離溝槽和導(dǎo)通孔區(qū)域，如圖10D中所 示。
類似于在鐵氧體薄片1002的上表面上進(jìn)行的制造工序可以在下表面上 重復(fù)。例如，圖10E-10I是說明鐵氧體薄片1002的后續(xù)工藝的一系列仰視圖。 具體地，鐵氧體薄片1002可以翻轉(zhuǎn)過來，在下表面上，例如，采用淺鋸痕 (shallow saw cuts)，切割出下溝槽1005 ，如圖10E所示。
導(dǎo)通孔1006圖案化并刻蝕在鐵氧體薄片1002的下表面上的上下溝槽 1003、 1005重疊的特定位置。如圖10F中所示，采用圖案化刻蝕工藝，導(dǎo)通 孔1006可以通過，例如，沿襯底刻蝕至上表面的導(dǎo)電材料1004形成。上溝 槽1003的位置在圖10F中用虛線標(biāo)出。
導(dǎo)電材料1008沉積在鐵氧體薄片1002的下表面上，完全填充溝槽1005 和導(dǎo)通孔1006，如圖10G中所示?？梢曰匚g導(dǎo)電材料1008使表面平坦化并 使鐵氧體遠(yuǎn)離溝槽和導(dǎo)通孔區(qū)域，例如，采用干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP)，如圖IOH中所示。
當(dāng)如圖IOH所示的電感已經(jīng)制成后，采用標(biāo)準(zhǔn)的切割工藝可以將鐵氧體 薄片1002切割成獨(dú)立的電感芯片1010。圖101是切割后的最終電感1010的 仰視圖。圖IOJ是切割后的最終電感1010的俯視圖。圖10J的俯視圖通過左 右翻轉(zhuǎn)鐵氧體薄片1002得到。在將薄片切割成獨(dú)立電感1010 (每個具有一 個電感線圈和一個鐵氧體磁芯)之前，帶有填充溝槽和導(dǎo)通孔的鐵氧體薄片 1002可以進(jìn)行一個按照上面所述的可選的退火步驟。上下溝槽1003， 1005 的定位和對齊需謹(jǐn)慎地進(jìn)行以便多個獨(dú)立電感1010的溝槽可以在單個鐵氧 體襯底上切割出來。從圖101可以看到，形成電感1010中的溝槽的淺鋸痕 (shallow saw cuts)也許包括附加的漂浮導(dǎo)體1009的溝槽，其不屬于電感線 圈的一部分。這些附加的導(dǎo)體不需要電連接到電感的其他任何部分，且不影 響電感1010的功用。
多個電感可以用圖7A-7K中說明的工藝在單個鐵氧體材料薄片上制造。 根據(jù)本發(fā)明的所有實(shí)施方式的電感可以作為單個鐵氧體材料薄片上的多個電感制造。電感已經(jīng)制成后，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的切割工藝可以將薄片切割成獨(dú)立 的電感芯片。
在掩膜和刻蝕溝槽以形成圖4A-4E中描述的電感種類之前，上面圖 7A-7L和8A-8L、 9A-90和10A-10J中描述的方法可選地包括一個介質(zhì)沉積 步驟。介質(zhì)層的材料可以是厚度在500A至5微米之間的LTO、 PECVD氧化 物、富Si氧化物、氮氧化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、聚酰亞胺、苯環(huán)丁 烯(BCB)等等。然后，在刻蝕或者切割磁芯襯底的表面上的磁性材料之前， 介質(zhì)層被刻蝕以形成溝槽。
可選地，在上面圖7A-7L和8A-8L、 9A-90和10A-10J中描述的方法中， 在回刻蝕溝槽中的導(dǎo)電材料以平坦化表面的步驟之后，可以加入一個磁性材 料的沉積步驟，從而鈍化磁芯襯底的表面。磁性材料層的材料可以是厚度在 500A至5微米或之上的帶鐵氧體粉末的環(huán)氧樹脂、帶有磁性顆粒的介質(zhì)等等。 在磁性材料的刻蝕之前還可以加入一個介質(zhì)刻蝕的步驟。
本發(fā)明的電感具有平面結(jié)構(gòu)和超低阻抗，高電感系數(shù)每單元面積，且在 電感的概念上與疊放的功率IC兼容。制造本發(fā)明的電感的方法是低成本的且 可以在單個的磁芯層上實(shí)施。
由于電感磁芯的高導(dǎo)磁率和高電阻率，鐵氧體為優(yōu)選材料，因此也可以 采用其他的等效材料。例如低頻的應(yīng)用可以采用NiFe。如果在導(dǎo)電材料沉積 之前鈍化所有表面以形成電感線圈，則可能采用其他低電阻率的材料。在本 文中，術(shù)語"鐵氧體"理解為包括其他等效材料。
上文是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的完整說明，存在采用替換、變更和等效 結(jié)構(gòu)的可能。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由上述說明決定，而應(yīng)該由附加的 權(quán)利要求與其等效結(jié)構(gòu)的全部范圍一起決定。任何特征，不管優(yōu)選與否，可 以與任何其他特征相結(jié)合。在下面的權(quán)利要求書中，不定冠詞"A"或者"An"
涉及到一個或多個接在冠詞后面的項(xiàng)的量，除非另外清楚地指定的地方。附 加的權(quán)利要求不被解釋為包括手段附加功能的限制，除非所述限制在給出的 權(quán)利要求中采用短語"means for"明確說明。
權(quán)利要求
1.一個電感，包括一個平面鐵氧體磁芯；第一組在鐵氧體磁芯的第一側(cè)上形成的一個或多個溝槽；第二組在鐵氧體磁芯的第二側(cè)上形成的兩個或多個溝槽；所述第一和第二組的溝槽定位為每個第一組的溝槽與第二組的一個或兩個對應(yīng)的溝槽相重疊；第一組多個導(dǎo)通孔，在鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二側(cè)之間連通鐵氧體磁芯，每個所述導(dǎo)通孔位于第一組溝槽與第二組溝槽重疊的位置；以及置于第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中的導(dǎo)電材料，所述置于第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中的導(dǎo)電材料形成一個電感線圈。
2. 如權(quán)利要求l所述的電感，其特征在于所述電感是平面的。
3. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于鐵氧體磁芯形成圍繞電感線圈的 閉合磁環(huán)。
4. 如權(quán)利要求1所述的電感，其進(jìn)一步包括一個位于鐵氧體磁芯的第一和第 二側(cè)中一側(cè)上的電感線圈的一個末端的導(dǎo)通孔，其特征在于所述導(dǎo)通孔 在電感線圈的末端和鐵氧體磁芯的第一和第二側(cè)的另一側(cè)之間連通。
5. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于所述電感線圈厚度是所述溝槽深 度的函數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于所述第一組一個或多個溝槽包括 兩個或多個平行溝槽。
7. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于所述第二組兩個或多個溝槽包括 兩個或多個平行溝槽。
8. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于每個所述的第一組多個導(dǎo)通孔在 第一組一個或多個溝槽中的一個溝槽與第二組兩個或多個溝槽中的一個 溝槽之間連通。
9. 如權(quán)利要求1所述的電感，其進(jìn)一步包括一個或多個附加導(dǎo)通孔，屬于在 鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二側(cè)之間連通的第二組多個導(dǎo)通孔。
10. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于導(dǎo)電材料填充溝槽和導(dǎo)通孔。
11. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于導(dǎo)電材料部分地填充溝槽和導(dǎo)通 孔。
12. 如權(quán)利要求11所述的電感，其特征在于所述導(dǎo)電材料鍍覆溝槽的底部 和側(cè)壁以及導(dǎo)通孔的側(cè)壁。
13. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于第一或第二組中的溝槽延伸穿過 鐵氧體磁芯的所有路徑。
14. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于第一組多個導(dǎo)通孔位于遠(yuǎn)離鐵氧 體磁芯的邊緣的位置。
15. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于鐵氧體磁芯包括第一個包括第一 側(cè)的鐵氧體層和第二個包括第二側(cè)的鐵氧體層，所述第一和第二個鐵氧體 層背對背互相連接，以致第一和第二側(cè)置于鐵氧體磁芯的外表面上。
16. 如權(quán)利要求1所述的電感，其進(jìn)一步包括一個鈍化鐵氧體磁芯的第一或第 二側(cè)的介質(zhì)層。
17. 如權(quán)利要求1所述的電感，其特征在于導(dǎo)電材料不延伸出鐵氧體磁芯表 面的平面。
18. —種生產(chǎn)所述電感的方法，包括步驟1，第一組在平面鐵氧體磁芯的第一側(cè)上形成的一個或多個溝 槽的成形；步驟2，第二組在所述鐵氧體磁芯的第二側(cè)上形成的兩個或多個平行 溝槽的成形，所述第一和第二組的溝槽定位為每個第一組的溝槽與第二組 的一個或兩個對應(yīng)的溝槽相重疊；步驟3， 一個或多個導(dǎo)通孔的成形，在所述鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第 二側(cè)之間連通鐵氧體磁芯，每個所述導(dǎo)通孔位于第一組溝槽與第二組溝槽 重疊的位置；以及步驟4，第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中導(dǎo)電材料的放置。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟1包括鐵氧體磁芯的第一 側(cè)的刻蝕。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟2包括鐵氧體磁芯的第二 側(cè)的刻蝕。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括在鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二 側(cè)之間連通的一個或多個附加導(dǎo)通孔的成形。
22. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟4包括所述溝槽和導(dǎo)通孔 的導(dǎo)電材料的填充。
23. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟4包括所述溝槽的底部和 側(cè)壁以及導(dǎo)通孔的側(cè)壁的導(dǎo)電材料的鍍覆。
24. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟1或步驟2包括沿鐵氧體 磁芯表面的溝槽的切割。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述沿鐵氧體磁芯表面的溝槽 的切割包括用鋸片切割溝槽。
26. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟1包括第一鐵氧體層的表 面中第一組溝槽的成形，步驟2包括第二鐵氧體層的表面中第二組溝槽的 成形，所述方法進(jìn)一步包括第一和第二個鐵氧體層背對背的互相連接，以 致第一和第二側(cè)置于鐵氧體磁芯的外表面上。
27. 如權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括一個介質(zhì)層對鐵氧體磁芯的第 一或第二側(cè)的鈍化。
28. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于步驟1至步驟4在一個鐵氧體 薄片上的多個晶片上進(jìn)行，所述方法進(jìn)一步包括在步驟4之后將鐵氧體薄 片切割成獨(dú)立的電感芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面型溝槽功率電感結(jié)構(gòu)與制造方法，其包括平面鐵氧體磁芯的電感。第一組一個或多個溝槽形成于鐵氧體磁芯的第一側(cè)上。第二組兩個或多個溝槽形成于鐵氧體磁芯的第二側(cè)上。所述第一和第二組的溝槽定位為每個第一組的溝槽與第二組的兩個對應(yīng)的溝槽相重疊。第一組多個導(dǎo)通孔在鐵氧體磁芯的第一側(cè)和第二側(cè)之間連通鐵氧體磁芯。每個所述導(dǎo)通孔位于第一組溝槽與第二組溝槽重疊的位置。導(dǎo)電材料設(shè)置在第一和第二組溝槽和導(dǎo)通孔中以形成一個電感線圈。
文檔編號H01F17/06GK101620919SQ20091014927
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者濤 馮, 弗蘭茨娃·赫爾伯特, 軍 魯 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司