使用由粘合劑粘合的層狀納米復(fù)合材料薄膜的磁性器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米磁性結(jié)構(gòu)及其制造方法，所述納米磁性結(jié)構(gòu)包括一器件襯底、設(shè)置于所述器件襯底上的多個(gè)納米磁性復(fù)合材料層，其中，所述多個(gè)納米磁性復(fù)合材料層彼此間設(shè)有粘合劑層。金屬繞組與所述多個(gè)納米磁性復(fù)合材料層集成以形成電感磁芯，且所述的納米磁性結(jié)構(gòu)的厚度為約5至100微米。
【專利說(shuō)明】使用由粘合劑粘合的層狀納米復(fù)合材料薄膜的磁性器件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)主張享有于2011年8月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/523，990的權(quán)益，前述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用整體地結(jié)合于本文中，全部如下。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的各實(shí)施例主要涉及高密度電感器和其它磁性器件的納米磁性結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]高密度電感器對(duì)于一些系統(tǒng)功能，如電源轉(zhuǎn)換器、功率放大器、以及功率遙測(cè)，是十分重要的。電感器可能是系統(tǒng)板上最大以及最重的組件。
[0005]例如電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用要求在5毫米(mm) X 5毫米(mm)的襯底上有1-20微亨(μ H)的電感。典型的商用功率電感由鐵素體或金屬的環(huán)其周圍有金屬繞組而組成。這些組件體積大且不易于集成在一個(gè)封裝中。因此，它們作為分立元件組裝在封裝中和基板上。這增加了功率模塊的尺寸并導(dǎo)致了龐大的系統(tǒng)。將這些龐大的電感器轉(zhuǎn)換成或薄或厚的元件，連同其它有源或無(wú)源元件集成到硅、玻璃或有機(jī)襯底上已呈現(xiàn)出一種上升的趨勢(shì)。例如，功率電感可以薄膜的形式與集成電路集成到有源硅襯底上。還有一種趨勢(shì)是，將薄膜電感連同一些彼此互聯(lián)的其它無(wú)源元件集成到無(wú)源硅、玻璃或有機(jī)襯底上。然后將這種集成無(wú)源器件(IPD)安裝在內(nèi)插器、封裝或襯底上。這些集成方案的關(guān)鍵在于將這些分立的龐大的環(huán)形電感轉(zhuǎn)變成集成的平面薄膜電感器。
[0006]典型的平面電感器制造技術(shù)涉及通過(guò)形成及下一層的做法來(lái)進(jìn)行金屬線圈電鍍的連續(xù)沉積，及其之后的磁芯沉積。為實(shí)現(xiàn)小體積上的大電感，在金屬絲及環(huán)繞它的磁性材料間應(yīng)有最佳分隔。
[0007]尺寸的縮小是使用高頻磁性材料以更小的體積能夠捕捉磁通量的一個(gè)直接結(jié)果。缺少電感器小型化的主要原因是缺乏具有高飽和磁化強(qiáng)度的在高頻下為高磁導(dǎo)率、低損耗的材料。現(xiàn)有的高磁導(dǎo)率金屬及合金(Fe-Si，F(xiàn)e-Ni，F(xiàn)e-C0-基合金)，粉體材料(嵌入在絕緣基質(zhì)中的磁性粒子)以及鐵素體(如=NiFe2O4, Mn-Zn-和N1-Zn-鐵素體)并不能在高頻下有效使用。另一方面，高頻、低損耗磁性材料不具有足夠高的磁導(dǎo)率。引入高磁導(dǎo)率材料可減少線圈所需的匝數(shù)但會(huì)導(dǎo)致由渦流所帶來(lái)的其它損耗和電介質(zhì)損耗。
[0008]制備高密度電感器的一種方法是，在襯底的鐵素體或其它鐵磁薄膜上制造一纏繞層。先前的研究者也表明:通過(guò)具有絕緣氧化物或氣隙的磁芯的適當(dāng)層壓減少高頻下的渦流損耗和高磁導(dǎo)率，這使得該方法極其復(fù)雜且昂貴。由于這些膜相對(duì)高的磁導(dǎo)率，疊層必須極其精細(xì)(1- 5 μ m，即，按磁性趨膚深度的量級(jí))以在低兆赫狀態(tài)下操作。這些金屬合金的典型缺點(diǎn)是聯(lián)系到它們的低電阻，可以在高頻下引起實(shí)質(zhì)性的渦流損耗，從而導(dǎo)致低效率。另一主要缺點(diǎn)是難以測(cè)量多層疊壓層的厚度。絕緣層和磁性膜均使用薄膜沉積技術(shù)如濺射來(lái)依次沉積，這使得擴(kuò)展膜厚度以及實(shí)現(xiàn)所需電感性能變得十分緩慢及昂貴。[0009]因此，需要一種可以小型化、具有足夠磁導(dǎo)率并可以經(jīng)濟(jì)有效的方式制造的高密度電感器。本發(fā)明的目的正是針對(duì)這一需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供了一納米磁性結(jié)構(gòu)，包括:一器件襯底；設(shè)置在器件襯底上的多個(gè)納米磁性薄膜或復(fù)合材料層，其中，多個(gè)納米磁性復(fù)合材料層之間設(shè)置有粘合劑層，且金屬繞組集成在多個(gè)納米磁性復(fù)合材料層間以形成一電感磁芯，其中，該納米磁性結(jié)構(gòu)的厚度為約5至約100微米。所述納米磁性復(fù)合材料層為磁性導(dǎo)向以便電感器得益于難磁化軸的特性，如低矯頑力和高場(chǎng)各向異性(或直流飽和磁場(chǎng))。所述金屬繞組可環(huán)繞納米磁性-粘合劑疊壓層作為一環(huán)形結(jié)構(gòu)來(lái)形成。在這種情況下，如果線圈中電流的直流磁場(chǎng)是沿著難磁化軸的話，這是有益的。相反，所述納米磁性-粘合劑疊壓層可環(huán)繞金屬繞組形成，有時(shí)可被稱為“罐形磁芯”/ “跑道”結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實(shí)施例適用于納米磁性薄膜以及以粘合劑粘合的納米磁性復(fù)合材料疊壓層。
[0011]電感器如此設(shè)計(jì)，磁化設(shè)置在難磁化軸上以防止在低電流下的電感飽和。難磁化方向上的磁化在保持高磁化率下提高了頻率和直流飽和電流。
[0012]其它示例性實(shí)施例提供了一制造納米磁性結(jié)構(gòu)的方法，包括:Ca)在一載體襯底上沉積一納米磁性復(fù)合材料薄膜；(b)利用一粘合劑層將納米磁性復(fù)合材料薄膜粘合到器件襯底上；(c)除去載體襯底；(d)重復(fù)步驟(a) - (c)以達(dá)到一預(yù)設(shè)的約5至約IOOmm厚的納米磁性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；(e)形成納米磁性復(fù)合材料薄膜；以及(f)將形成的納米磁性復(fù)合材料薄膜與金屬繞組集成以形成一電感磁芯。
[0013]其它示例性實(shí)施例提供了一制造納米磁性結(jié)構(gòu)的方法，包括:Ca)在一載體襯底上沉積一納米磁性復(fù)合材料薄膜；(b)利用一粘合劑層將納米磁性復(fù)合材料薄膜粘合到中間襯底上；(C)除去載體襯底；(d)重復(fù)步驟(a)_ (c)以達(dá)到預(yù)設(shè)厚度；(e)通過(guò)中間襯底將納米磁性復(fù)合材料薄膜和粘合劑層轉(zhuǎn)移到器件襯底上；(f)移除中間襯底；(g)形成納米磁性復(fù)合材料薄膜；以及(h)將形成的納米磁性復(fù)合材料薄膜與金屬繞組集成以形成一電感磁芯。
[0014]其它示例性實(shí)施例提供了切割中間襯底和重新排列切割片以形成器件結(jié)構(gòu)，如環(huán)形。所有方向均具有正確的難磁化軸上的磁各向異性，以產(chǎn)生最佳的電感密度以及品質(zhì)因數(shù)。
[0015]其它示例性實(shí)施例提供了將納米磁性復(fù)合材料薄膜模制成非平面結(jié)構(gòu)，如銅繞組或在一 V型槽的內(nèi)部。在這種實(shí)施方式中，納米磁性-粘合劑疊壓層首先轉(zhuǎn)移到一平面或V型槽襯底中。然后，金屬層在平面的納米磁性-粘合劑疊壓層上或V型槽內(nèi)部以線圈形式形成。之后，轉(zhuǎn)移第二磁性層，閉合環(huán)繞所述金屬層的磁回路。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1示出了一局部完整的納米磁性結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例；
[0017]圖2A-2B示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例的制造方法；
[0018]圖3示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例的一備選制造方法；
[0019]圖4示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的另一制造方法，可制得一環(huán)形磁性電感結(jié)構(gòu)；[0020]圖5示出了一集成金屬繞組和環(huán)形納米復(fù)合材料圖案的更詳細(xì)方法；
[0021]圖6示出了一納米磁性結(jié)構(gòu)的平面圖，其中，納米復(fù)合薄膜層被構(gòu)建成一環(huán)形；
[0022]圖7示出了一制造納米磁性結(jié)構(gòu)的方法，其中，納米復(fù)合材料-粘合劑層被構(gòu)建成一“罐形磁芯”或“跑道”型；
[0023]圖8示出了一將金屬繞組與“罐形磁芯”或“跑道”型納米復(fù)合材料集成的更詳細(xì)的方法；
[0024]圖9示出了一具有“罐形磁芯”或“跑道”型納米磁性結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0025]圖10示出了具有“罐形磁芯”或“跑道”型納米磁性結(jié)構(gòu)的另一平面圖；
[0026]圖11示出了圖9和圖10的剖視圖；
[0027]圖12a和12b分別示出了金屬繞組和所述納米復(fù)合材料-粘合劑層環(huán)繞該金屬繞組的平面圖，為“罐形磁芯”或“跑道”型；
[0028]圖13示出了與二次電子元件集成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例；
[0029]圖14示出了設(shè)置在器件襯底上的三層納米磁性膠-黏劑薄膜的SEM圖像；
[0030]圖15示出了圖14以BCB膠層的膜轉(zhuǎn)移；
[0031]圖16a和16b分別示出了在硅器件襯底和特氟龍涂層的銅箔上轉(zhuǎn)移后的鎳膜；
[0032]圖17a示出了硅器件襯底上鎳膜轉(zhuǎn)移后的另一實(shí)施例；
[0033]圖17b示出了圖17a —放大的薄膜轉(zhuǎn)移圖像；
[0034]圖17c示出了一轉(zhuǎn)移后的光滑涂層銅箔；
[0035]圖18示出了一已轉(zhuǎn)移鎳膜的SEM圖像；
[0036]圖19圖示說(shuō)明了薄膜的磁化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0037]參照附圖，其中，在幾個(gè)視圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分，詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明示例性實(shí)施例。在本說(shuō)明書中，各種組件可以被定義為具有特定的值或參數(shù)，但是，這些項(xiàng)作為示例性實(shí)施例提供。當(dāng)然，所述示例性實(shí)施例并不是限制本發(fā)明的各個(gè)方面以及概念，可以實(shí)現(xiàn)許多類似的參數(shù)，尺寸，范圍和/或數(shù)值。
[0038]還需要注意的是:在本說(shuō)明書及所附的權(quán)利要求書中所采用的單數(shù)形式的詞“一”以及“該”包括了復(fù)數(shù)形式的指示物，除非上下文另有明確規(guī)定。例如，涉及到一種組分還適用于其包括多個(gè)組分的組合物。涉及一種組合物含有“一”成分適用于其還包括提到的成分外的其它成分。此外，在優(yōu)選實(shí)施例的描述中，為清楚起見，采用了專業(yè)術(shù)語(yǔ)。其目的是:每一術(shù)語(yǔ)是按本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的最廣泛的意義，以及以類似操作方式實(shí)現(xiàn)相似目的的等效技術(shù)。
[0039]本發(fā)明把數(shù)值表達(dá)為“約”或“大約” 一個(gè)特定值。這表示包括從一個(gè)特定的值和比較接近但不完全等同于該特定的值的其它的特定值。本發(fā)明中的“包括”、“含有”或“包含”是指，至少有提到的化合物，成分，粒子或方法步驟存在于本申請(qǐng)中的組合物、制品或方法中，但并不排除其它化合物、材料、粒子或方法步驟的存在，即使其它的化合物、材料、粒子和方法步驟具有與所指定的具有相同的功能。
[0040]還應(yīng)當(dāng)理解的是，提及的一個(gè)或多個(gè)方法步驟并不排除存在另外的方法步驟或在已明確的這些步驟間穿插的方法步驟。同樣，也應(yīng)理解的是，提及的組合物中的一種或多種組分并不排除明顯確定的其它組分的存在。
[0041]本發(fā)明的各示例性實(shí)施例提供了適用于高密度電感器以及其它磁性器件的獨(dú)特和新穎的納米磁性結(jié)構(gòu)及其制造方法。當(dāng)前的高密度電感器制造方式需要復(fù)雜的制造步驟，如，金屬絕緣體的連續(xù)濺射或者通過(guò)復(fù)雜的模具電鍍，而這是昂貴的。納米磁性復(fù)合材料可省略這些復(fù)雜的步驟，并具有卓越的高頻性能以及更低的損耗。然而，由于低沉積速率，濺射納米磁性薄膜并不能達(dá)到目標(biāo)厚度。另一種結(jié)構(gòu)包括由粘合劑材料粘合在一起的多層納米復(fù)合薄膜，解決了這一根本性的難題。此外，多層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例通過(guò)分別處理納米復(fù)合膜，然后通過(guò)粘合劑將它們轉(zhuǎn)移到器件襯底上，進(jìn)而變得更容易制造。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)多次，以達(dá)到所需的最終厚度。
[0042]圖1示出了一局部完整的納米磁性結(jié)構(gòu)100的示例性實(shí)施例。如圖所示，多個(gè)磁性納米復(fù)合材料(“納米復(fù)合材料”或“納米磁性復(fù)合材料”或“納米磁性復(fù)合材料薄膜”或“納米復(fù)合材料膜”)層105設(shè)置于器件襯底115上，且插在多個(gè)粘合劑層110間。所述納米復(fù)合材料層105和粘合劑層110交替布置，這種設(shè)計(jì)的靈活性得以實(shí)現(xiàn)所需的最終厚度。在示例性實(shí)施例中，所述納米復(fù)合物材料105可以為200至300納米(nm)厚，所述粘合劑層110可以是0.2至5 μ m (微米)厚。所述納米復(fù)合材料層105可從液態(tài)溶膠-凝膠涂層和/或還原熱處理形成。進(jìn)一步地，每種層的數(shù)量?jī)?yōu)選5-25層。應(yīng)當(dāng)理解的是，所述實(shí)施例并不僅限于這些尺寸，其它尺寸也可用于納米磁性結(jié)構(gòu)100。納米磁性結(jié)構(gòu)的總厚度優(yōu)選5至ΙΟΟμπι，適合于器件所期望的小型化尺寸以及有效存儲(chǔ)器件的磁特性。
[0043]交換耦合的納米材料的軟磁特性可以比微米級(jí)材料高得多。近來(lái)，已經(jīng)通過(guò)濺射沉積成功制造了納米Fe-M-O (M=Hf> Zr、S1、Al或稀土金屬元素)薄膜。這些納米復(fù)合材料包括被非晶絕緣體包圍的(< IOnm)磁性納米粒子。由于疇壁共振，微鐵素體在更高頻下承受磁弛豫。納米復(fù)合材料的頻率穩(wěn)定度預(yù)計(jì)比微結(jié)構(gòu)化的相應(yīng)材料更優(yōu)秀。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-和Co-基納米復(fù)合材料薄膜μ ’可以大到500，并與高至IGHz的頻率響應(yīng)基本持平，這比傳統(tǒng)的鐵素體和粉末材料的磁特性要好得多。
[0044]因此，所述納米復(fù)合材料層105可由許多材料制成，例如但不限于，由絕緣體隔開的磁性金屬及合金納米疇。所述金屬可包括鐵、鎳、鈷或它們的組合。此外，所述絕緣體可包括二氧化硅、氧化鉿，氧化鋯的金屬氧化物，或它們的組合。或者，所述納米復(fù)合材料層可僅包括一磁性金屬，例如但不限于，鐵、鎳、鈷、或它們的組合。所述粘合劑層110也可由多種材料制成，例如但不限于，環(huán)氧樹脂、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚酰亞胺苯并惡唑或它們的組合。
[0045]如本文將進(jìn)一步描述的，所述多個(gè)納米復(fù)合材料層105 (也可稱之為“薄膜”)和粘合劑層110可隨后設(shè)計(jì)成環(huán)形，螺線型，或“罐形磁芯”模式，并可集成有導(dǎo)電金屬繞組。
[0046]參照?qǐng)D2Α-2Β以及圖3，圖中示出了兩種制造納米磁性結(jié)構(gòu)示例性實(shí)施例的普通方法。首先如圖2Α和圖2Β所示，納米復(fù)合材料薄膜可設(shè)置于一載體襯底上。應(yīng)當(dāng)理解的是，多個(gè)納米復(fù)合材料薄膜可在各自對(duì)應(yīng)的載體襯底上同時(shí)制成。換言之，納米復(fù)合材料薄膜可沉積在并排的載體襯底上，這樣可加快整個(gè)制造過(guò)程。所述載體襯底可以是，例如但不限于，硅、硅脫模層、銅箔、銅脫模層、特氟龍、或它們的組合。然后，所述納米復(fù)合材料薄膜可通過(guò)載體襯底轉(zhuǎn)移到一中間襯底上，其中，每一納米復(fù)合材料薄膜層間沉積有一粘合劑層。隨后，所述納米復(fù)合材料薄膜和所述粘合劑層可通過(guò)中間襯底轉(zhuǎn)移到一器件襯底上，并隨之成形且與導(dǎo)電金屬線圈集成，如圖2Α所示。或者，所述納米復(fù)合材料薄膜隨后可被切割并以環(huán)形重新排列到器件襯底上，如圖2B所示。所述器件襯底可以是，例如但不限于，硅、有機(jī)層壓板、玻璃或陶瓷。如圖3所示，在另一種方法中，所述中間襯底步驟可以從所述方法中省略且所述納米復(fù)合材料薄膜層可以通過(guò)所述載體襯底直接轉(zhuǎn)移到器件襯底上，其中，各納米復(fù)合材料薄膜層間沉積有粘合劑層且隨后通過(guò)鐳射或等離子蝕刻或燒蝕技術(shù)成型并利用金屬電鍍技術(shù)與導(dǎo)電金屬繞組集成。
[0047]圖4示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的另一種制造方法，這將形成一個(gè)環(huán)形磁性電感器結(jié)構(gòu)。首先，納米復(fù)合材料薄膜405沉積在一載體襯底410 (圖4a)上。如上所述,該步驟可進(jìn)行多次，相互依次或同時(shí)進(jìn)行。所述納米復(fù)合材料薄膜405可利用共-濺射或?yàn)R射技術(shù)沉積。再次，所述載體可以是，例如但不限于，硅、硅脫模層、銅箔、銅脫模層、特氟龍、或它們的組合。在另一步驟中，粘合劑415的第一層可沉積在器件襯底420的表面(圖4b)。所述器件襯底420可以是，例如但不限于，硅、有機(jī)層壓板、玻璃或陶瓷。然后，翻轉(zhuǎn)載體襯底410使得納米復(fù)合材料薄膜405可通過(guò)所述粘合劑415粘結(jié)到所述器件襯底420上(圖4c)。所述粘合劑415加強(qiáng)納米復(fù)合材料薄膜405和所述器件襯底420之間的粘合。與此相反，所述納米復(fù)合材料薄膜405與所述載體襯底410間存在一較弱的粘結(jié)，從而使得所述載體襯底410從所述納米復(fù)合材料薄膜405上剝離(圖4d)。此過(guò)程可重復(fù)多次以形成所需厚度的納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(圖4e)。盡管未在圖4中示出，也可如上所述那樣使用一中間襯底。然后，所述納米復(fù)合材料薄膜405可以通過(guò)鐳射或等離子蝕刻或燒蝕技術(shù)形成所需的環(huán)形或螺線形結(jié)構(gòu)，并利用金屬電鍍技術(shù)將導(dǎo)電金屬線圈集成到其中(圖4f)。
[0048]圖5示出了將金屬線圈與環(huán)形納米復(fù)合材料圖案集成的更詳細(xì)的方法。首先，在納米復(fù)合材料薄膜和粘合劑沉積到所述器件襯底上之前，可在所述器件襯底510上設(shè)置一導(dǎo)電金屬層505并成形以創(chuàng)建線圈的一部分(圖5a)。然后所述(多個(gè))納米復(fù)合材料-粘合劑層515可沉積在所述導(dǎo)電金屬線圈505上并成型(圖5b)。隨后，其它的導(dǎo)電金屬材料可以圍繞所述(多個(gè))納米復(fù)合材料-粘合劑層515進(jìn)行沉積以使所述金屬線圈包圍所述(多個(gè))納米復(fù)合材料-粘合劑層(圖5c和5d)。圖6示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的平面圖，其中，納米復(fù)合材料薄膜層605被構(gòu)造成環(huán)形。還如圖2A、2B和圖3所示,所述納米復(fù)合材料薄膜層形成一閉合的磁回路。然而，在這些圖中，所述導(dǎo)電金屬線圈放置于磁回路的兩條支線上。然而，在備選實(shí)施例中，導(dǎo)電金屬線圈610可設(shè)置于如圖6所示的磁回路的所有四條支線上。還應(yīng)當(dāng)理解的是，所述導(dǎo)電金屬繞組可以是多種形狀，例如但不限于，矩形，圓形，或它們的組合。
[0049]圖7示出了納米磁性結(jié)構(gòu)的一種制造方法，其中，所述納米復(fù)合材料-粘合劑層構(gòu)造成“罐形磁芯”或“跑道”形狀。首先，凹槽705可定義在器件襯底710中(圖7a)。然后，納米復(fù)合材料-粘合劑層715的底部可沉積到凹槽(圖7b)中，且一導(dǎo)電金屬層，例如但不限于銅，可沉積在納米復(fù)合材料-粘合劑層上以形成金屬繞組720 (圖7c)。然后，頂部的納米復(fù)合材料-粘合劑層可在金屬繞組720的四周形成以創(chuàng)建“罐形磁芯”或“跑道”圖案(圖 7d)。
[0050]圖8示出了將金屬繞組與“罐形磁芯”或“跑道”納米復(fù)合材料圖案集成的更詳細(xì)的方法。首先，所述納米復(fù)合材料-粘合劑層805的底部可在所述器件襯底810上成形(圖8a)。所述導(dǎo)電金屬材料可以線圈的形式來(lái)形成所述金屬繞組815 (圖Sb)，且所述納米復(fù)合材料-粘合劑層805的頂部可成型以形成環(huán)繞金屬繞組815的磁回路(圖Sc)。[0051]圖9示出了具有“罐形磁芯”或“跑道”形狀的納米磁性結(jié)構(gòu)的平面圖。如圖所示，圖案化的納米復(fù)合材料-粘合劑層905顯示為金屬繞組910集成到所述納米復(fù)合材料-粘合劑層905上，且二者均設(shè)置在器件襯底915上。
[0052]圖10示出了具有“罐形磁芯”或“跑道”形狀的納米磁性結(jié)構(gòu)的另一平面圖。如圖所示，納米復(fù)合材料-粘合劑層1005設(shè)于磁回路的四條支線上，相對(duì)于圖9中所示的設(shè)于磁回路的兩條支線上。
[0053]圖11示出了圖9和圖10的剖面圖。如圖所示，成形的納米復(fù)合材料-粘合劑層1105顯示為金屬繞組1110集成到所述納米復(fù)合材料-粘合劑層1105上，且二者均設(shè)置在器件襯底1115上。
[0054]圖12a和12b示出了金屬繞組以及環(huán)繞所述金屬繞組的所述納米復(fù)合材料粘合劑層的平面圖，12a和12b分別為“罐形磁芯”或“跑道”型。
[0055]此外，圖13示出了納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通過(guò)集成電路(IC)或晶體管端子、電感器端子、及通過(guò)互連與二次電子元件集成的示例性實(shí)施例。
[0056]不像如圖13所示的將所述電感器直接集成到有源晶片上，所述電感器可在無(wú)源硅、玻璃或陶瓷襯底(通常稱為分立元件或集成無(wú)源器件)上單獨(dú)形成，然后將其組裝在一內(nèi)插器上，封裝于一有源晶片上或一 3D集成電路(IC)內(nèi)。
[0057]對(duì)于低成本制造，可使用自動(dòng)化晶片度量工具。這些工具，包括但不限于:將載體襯底粘合到粘合劑涂層襯底(即，中間襯底或器件襯底)的晶片焊線機(jī)。同樣地，自動(dòng)晶片剝離工具可用來(lái)解除載體襯底。
[0058]此外，多種低成本技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)形成金屬繞組環(huán)繞磁芯，或形成罐形磁芯電感器盒體的螺旋。例如:
[0059]I)銅箔層壓和蝕刻以形成螺旋繞組:將銅箔層壓，隨后形成光致抗蝕劑蝕刻掩模及酸蝕以形成繞組。
[0060]2)引線鍵合銅或金線以形成環(huán)繞環(huán)形的所述繞組:銅線通過(guò)使用功能類似于引線鍵合機(jī)的工具以形成銅繞組。
[0061]3)印制銀以形成所述磁環(huán)電感器:可使用噴墨打印或其它類似的打印的工具以形成金屬繞組。
[0062]4)連續(xù)鍍銅形成電感器:銅鍍繞組可通過(guò)沉積一種子層，光致抗蝕劑成形、銅鍍以及種子層去除，來(lái)實(shí)現(xiàn)一標(biāo)準(zhǔn)半加成工藝。
[0063]實(shí)施例
[0064]本發(fā)明的各實(shí)施方式通過(guò)下面的非限制性實(shí)施例來(lái)說(shuō)明。首先薄膜以環(huán)氧樹脂干膠進(jìn)行處理。非導(dǎo)電環(huán)氧薄膜首先布置于器件襯底上。在銅載體上濺射薄膜然后粘合到器件襯底上。如圖14所示，此過(guò)程重復(fù)兩次，以創(chuàng)建一個(gè)三層納米磁性粘合劑薄膜。圖15示出了所述薄膜以一 BCB膠層轉(zhuǎn)移。如上所述，該多層結(jié)構(gòu)在各種拓?fù)渖吓c銅繞組集成在一起。
[0065]該過(guò)程以特氟龍涂層的銅重復(fù)多次。特氟龍可減小濺射薄膜和載體之間的粘結(jié)，并有助于薄膜轉(zhuǎn)移。
[0066]在該技術(shù)的第三個(gè)示范中，也可使用微蝕以及超平順的銅箔作為載體來(lái)進(jìn)行薄膜轉(zhuǎn)移。以平滑的銅箔進(jìn)行薄膜轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是無(wú)宏觀缺陷的。[0067]圖16a和16b分別示出在硅器件襯底和在特氟龍涂層銅箔上轉(zhuǎn)移后的鎳膜。圖17a示出了在硅器件襯底上轉(zhuǎn)移后的鎳膜的另一實(shí)施例。圖17b示出了圖17a的放大的薄膜轉(zhuǎn)移圖像。圖17c示出了轉(zhuǎn)移后光滑涂層的銅箔。圖18示出了轉(zhuǎn)移鎳膜的SEM圖像。
[0068]環(huán)形設(shè)計(jì)模擬了所提出的納米磁性-粘合劑層壓板。為了達(dá)到IA電流處理的400nH/mm2的電感密度以及高品質(zhì)因數(shù)，I特斯拉毫秒的60-200的高磁導(dǎo)率，以及低矯頑力是必要的。還示出了在載體上實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合材料薄膜的過(guò)程。鈷和鋯以適當(dāng)?shù)腁r/02比進(jìn)行共濺以促進(jìn)鈷-鋯納米復(fù)合材料薄膜的形成。圖19示出了薄膜的磁化曲線。從該曲線可看出薄膜由于沿著難磁化軸和易磁化軸的磁取向而具有較大的面內(nèi)各向異性的軟磁特性。該薄膜沿著難磁化軸具有3.7奧斯特的非常低的矯頑力，這將導(dǎo)致低的磁滯損耗。它具有符合設(shè)計(jì)要求的80-100的高相對(duì)磁導(dǎo)率，以及約IT的高飽和磁化場(chǎng)。
[0069]雖然本發(fā)明已結(jié)合多個(gè)示例性方面進(jìn)行了描述，如各圖所示以及如上所討論的，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離發(fā)揮功能與本發(fā)明相同的前提下也可進(jìn)行其它類似方面的使用或?qū)γ枋龅姆矫孢M(jìn)行修改及增加。例如，根據(jù)本發(fā)明公開主題，描述了本發(fā)明的各個(gè)方面、方法和組合物。然而，在本發(fā)明教導(dǎo)下，也可得出所描述方面的其它等同的方法或組合物。因此，本發(fā)明并不僅限于任何單一方面，而是在所附的權(quán)利要求書中的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一納米磁性結(jié)構(gòu)，包括: 器件襯底； 設(shè)于所述器件襯底上的多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層，其中所述多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層彼此間設(shè)有一粘合劑層；以及 金屬繞組與所述多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層集成以形成一電感磁芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層，每個(gè)的厚度為約200至約3000納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述粘合劑層的厚度為約0.2至約4微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括5-25個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米磁性結(jié)構(gòu)的粘合厚度為約5至約100微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層包括一磁性金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層還包括由一絕緣體隔開的合金納米疇，其中，所述絕緣體包括硅的金屬氧化物、氧化鉿，氧化鋯，或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述磁性金屬包括鐵、鎳、鈷、它們的合金，或它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層被構(gòu)建成環(huán)形或螺線形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的多個(gè)納米磁性復(fù)合材料薄膜層環(huán)繞金屬繞組形成罐形磁芯或跑道結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述粘合劑層包括環(huán)氧樹脂、苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺苯并惡唑或它們的組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述器件襯底為具有集成電路的有源硅襯底。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述器件襯底為無(wú)源襯底。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述無(wú)源襯底安裝到封裝或集成電路上。
15.納米磁性結(jié)構(gòu)的制造方法，包括: (a)在載體襯底上沉積一納米磁性復(fù)合材料薄膜； (b)利用一粘合劑層將所述納米磁性復(fù)合材料薄膜粘合到一器件襯底上； (C)移除載體襯底； (d)重復(fù)步驟(a)- (c)至達(dá)到預(yù)設(shè)的約5至約100微米厚的納米磁性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)； (e)形成納米磁性復(fù)合材料薄膜；以及 (f)將形成的納米磁性復(fù)合材料薄膜與金屬繞組集成以形成一電感磁芯。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜利用共濺或?yàn)R射技術(shù)沉積在載體襯底上。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述載體為硅、硅脫模層、銅箔、銅脫模層、特氟龍、或它們的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述載體襯底利用剝離技術(shù)移除。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜利用蝕刻或燒蝕技術(shù)成型。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜構(gòu)建成一環(huán)形或螺線形結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜包括一磁性金屬以及由絕緣體隔開的合金納米疇。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，所述絕緣體包括硅的金屬氧化物、氧化鉿，氧化鋯，或它們的組合。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于:所述磁性金屬包括鐵、鎳、鈷、它們的合金，或它們的組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述粘合劑層包括環(huán)氧樹脂、苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺苯并惡唑或它們的組合。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用金屬電鍍技術(shù)集成。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用噴墨打印集成。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用引線接合法集成。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用層壓箔轉(zhuǎn)移和成型技術(shù)集成。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述粘合以晶圓鍵合工具進(jìn)行。
30.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于:所述載體以剝離工具移除。
31.納米磁性結(jié)構(gòu)的制造方法，包括: (a)在一載體襯底上沉積一納米磁性復(fù)合材料薄膜； (b)利用一粘合劑層將納米磁性復(fù)合材料薄膜粘合到中間襯底上； (C)移除載體襯底； (d)重復(fù)步驟(a)-(c)以達(dá)到預(yù)設(shè)厚度； (e)通過(guò)中間襯底將納米磁性復(fù)合材料薄膜和粘合劑層轉(zhuǎn)移到器件襯底上； (f)移除中間襯底； (g)形成納米磁性復(fù)合材料薄膜；以及 (h)將形成的納米磁性復(fù)合材料薄膜與金屬繞組集成以形成一電感磁芯。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜利用共濺或?yàn)R射技術(shù)沉積在載體襯底上。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述載體為硅、硅脫模層、銅箔、銅脫模層、特氟龍、或它們的組合。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述載體襯底利用剝離技術(shù)移除。
35.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜利用蝕刻或燒蝕技術(shù)成型。
36.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜構(gòu)建成一環(huán)形或螺線形結(jié)構(gòu)。
37.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:中間襯底的納米磁性復(fù)合材料薄膜切割并重新排列以形成一環(huán)形。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料薄膜重新排列以使正交方向的難磁化軸彼此垂直。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述納米復(fù)合材料薄膜包括磁性金屬以及由絕緣體隔開的合金納米疇。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于:所述絕緣體包括硅的金屬氧化物、氧化鉿，氧化鋯，或它們的組合。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于:所述磁性金屬包括鐵、鎳、鈷、它們的合金，或它們的組合。
42.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述粘合劑層包括環(huán)氧樹脂、苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺 苯并惡唑或它們的組合。
43.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用金屬電鍍技術(shù)集成。
44.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述納米磁性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的厚度范圍為約5至約100微米。
45.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用噴墨打印集成。
46.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用引線接合法集成。
47.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述金屬繞組利用層壓箔轉(zhuǎn)移和成型技術(shù)集成。
48.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述粘合以晶圓鍵合工具進(jìn)行。
49.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述載體以剝離工具移除。
【文檔編號(hào)】H01F5/00GK103918042SQ201280050891
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月16日
【發(fā)明者】馬昆德亞·拉杰·普盧格薩, 饒·R·圖馬拉, 文卡塔斯·桑德拉姆, 尼泰史·卡瑪懷特, 烏皮利·斯里達(dá)爾, 約瑟夫·埃盧爾 申請(qǐng)人:喬治亞技術(shù)研究公司