专利名称：硅基功率电感的制作方法
硅基功率电感相关专利申请的交叉引用本申请要求于2010年2月19日提交的名称为“用于紧凑型电力系统的硅基集成功率电感”的美国临时专利申请61/306，440的优先权，该申请的公开内容通过引用而整体结合于本申请中。有关美国联邦政府资助的研究和开发的声明根据国家科学基金授予的ECS-0601294协议，本发明得到了政府支持。政府可享 有本发明的一定权利。
背景技术：
无源元件，如电感，被广泛应用于各种电信和电力系统中。当与集成电路(IC)芯片配合使用时，电感通常作为单独的元件被安装在电路板上。把电感集成到IC芯片上可以减小尺寸，但这种集成电感的可实现的电感值和/或品质因数(Q)受限于基于集成电路制造工艺的贴片电阻(thin film)。
参考以下附图，可以更好地理解本发明的各个方面。附图中的元件不一定是按比例绘制，重点是清楚地显示本发明的原理。此外，附图中同样的附图标记在各视图中指示相应的部分。图1A-1E是根据本发明不同实施例的一个壶形铁芯硅基功率电感(PIiS)的实施例的不同视图。图2是根据本发明不同实施例的在图1A-1C中示出不同尺寸的的PIiS的剖视图。图3以图表形式示出了根据本发明不同实施例的在图1A-1C中示出的PIiS中所使用的磁性材料的特性。图4A-4D是示出了根据本发明的不同实施例的图1A-1C中的PIiS的两个实施例中的磁通量分布的Maxwell模拟仿真的不同视图。图5A-OT是包括根据本发明不同实施例的图1A-1C中PIiS的直流-直流转换器的不同视图。图6A-6B是安装在根据本发明不同实施例的图1A-1C的PIiS上的集成电路(IC)芯片的不同视图。图7A-7C是根据本发明不同实施例的一种环形磁心状PIiS的实施例的不同视图。图8A-8B是示出根据本发明不同实施例的图1A-1C和图7A-7C中的PIiS的制造流程图。图9A-9G和图10是示出制造根据本发明不同实施例的图1A-1C和图7A-7C中的PIiS的剖视图。图11-13以图表形式示出了图1A-1C中的PIiS和包括根据本发明不同实施例的PIiS的直流-直流转换器的性能。
发明内容
本文所公开的是涉及硅基功率电感(PIiS)的系统和方法的不同实施例。现参照附图所示实施例具体说明，其中相同附图标记在各个视图中指示相同的部分。本发明描述用于紧凑系统，如电力系统中的PIiS的不同实施例，以及其制造方法。硅基功率电感(PIiS)是一种集成在硅衬底中的功率电感。PIiS包括嵌入在硅衬底中的磁芯和一个或者多个导电线圈。磁芯可以包括不同形状，例如，但不限于将要在下面进一步详细讨论的壶形铁芯状或环形磁心状。在一些实施例中，PIiS包括多个嵌入到娃衬底中的导电线圈。导电线圈可以是铜、银，或其它合适的金属或合金。另外，硅衬底的上、下两面可以用磁性材料封盖住，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线圈之间的间隔中。此外，在一些实施例中，焊锡球安置在至少一部分的线圈，同样，磁性材料也填充在焊锡球之间的间隔中。在一些实施例中，PIiS还包括嵌入的导电线路和贯穿晶片的通孔，在制造紧凑电力系统，例如直流-直流功率转换器时，这些PIiS的实施例可以用做表面贴装的电容和/或集成电路的封装基板。
具体实施例方式参照图1A-1C，其示出了壶形铁芯状的PIiS 100的实施例的各个视图，包括俯视图(图1A)、分解图(图1B)和剖视图(图1C)。PIiS 100包括嵌入在硅衬底106中的一个或多个导电线圈103。导电线圈103可以通过电镀嵌入在硅衬底106中。电镀模具可以用硅的深反应离子刻蚀(DRIE )加工。硅的深反应离子刻蚀(DRIE )提供了一个高纵横比(例如约20 :1，约10 :1，或约5 :1)，其允许所述导电线圈103的导体延伸到硅衬底106的底部。高纵横比允许导电线圈103的导体宽度被减小到趋肤效应的宽度，同时保持对导电线圈103很低的交流(AC)和直流(DC)电阻。导电线圈103可以是如图IB所示的螺旋形线圈，或其它合适的线圈形状。虽然导电线圈103在图示里是一个圆形的螺旋导线圈，其它的几何构型线圈也可采用，例如，但不限于六边形，八边形，或如图ID所示的矩形螺旋状。虽然图1A-1C示出了单个导电线圈103，一个以上的导电线圈103也可以被嵌入在硅衬底106中。例如，多个导电线圈103可以在硅衬底106中相邻放置。导电线圈103的导体周围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/或磁性复合材料。磁性材料109可以是导电磁性材料和/或非导电性磁性材料。对于导电磁性材料,导电线圈103和磁性材料109之间具有绝缘层。硅衬底106和导电线圈103和/或通孔116的金属之间也可以具有绝缘层。绝缘层可以是一层硅，例如，但不限于二氧化硅(Si02)，或者介电聚合物，例如，但不限于，光刻胶SU-8和聚二甲基娃氧烧(PDMS )。非导电磁性材料包括,但不限于填充聚合物的磁性粉末。如图1A-1C所示的实施例中，磁性材料109填充在导电线圈103匝数之间的间隔，以及导电线圈103和娃衬底106之间的间隔中。嵌于娃衬底106中的导电线圈103的一侧或两侧可以被磁性材料109的覆盖层113a和113b所覆盖。在覆盖层113，导电线圈103，娃衬底106,和/或磁性材料109相互之间均可具有绝缘层。在一些实施例中，多个包括导电线圈103的硅衬底106可以叠放式地黏合在一起，如图IE所示。每个硅衬底106和与之相邻的硅衬底106被磁性材料的中间层119隔开。绝缘层也可以形成于中间层119和导电线圈103，硅衬底106，和/或磁性材料109相互之间。在一些实施例中，层叠线圈103可以相互连通以提供所需的电感水平，同时保持一个小的封装尺寸。其它的线圈构造也可以使用，如图7所示的环形磁心状。PIiS 100还包括穿透硅衬底和/或磁性材料的通孔，以提供了通向导电线圈103的连接，和/或通过PIiS 100的线路。在图1A-1C中，贯穿晶片通孔116a和116b延伸穿过硅衬底106和覆盖层113a和113b，提供到导电线圈103的连接。在其它实施例中，通孔可以穿透硅衬底106以及覆盖层113a或113b中的一个。再参照图2,如图所示的是壶形铁芯状PIiS的实施例的剖视图，示出了各种尺寸的PliS。导电线圈203的参数，如线圈厚度(tw)223，导体宽度(w)226，匝数(n)，匝圈间距Cs) 229等可以调节以提供所需的性能。导电线圈203的线圈厚度223可以和硅衬底具有相同的厚度(如图1A-1C所示)或者小于硅衬底206的厚度。例如，线圈厚度223和硅衬底厚度可以在约100微米至约600微米的范围内。在一个实施例中，硅衬底的厚度大约是200 微米。由铜制成的导电线圈203的宽度226可约为60微米，因为导电线圈203在6兆赫兹下的趋肤深度大约是30微米。当纵横比为5时，匝圈间距229约为40微米。PIiS 200的其它参数可以在磁性材料被表征后通过模拟进行变化或优化，以提供所需的工作特性。例如，覆盖层厚度(tc) 233和/或磁性材料和硅在导电线圈203的匝之间的分布是可以变化的。其它的纵横比和匝圈间距可以基于用途和/或使用的制造设备来采用。磁性材料可包括混合有粘合剂如聚合物的磁性粉末的复合材料。可利用的磁性材料包括如MnZn、Fe、NiFe, CoNiFe等。如，磁性材料可以是由约89wt%的完全烧结的NiZn铁氧体粉末(例如，由粉末处理技术有限公司生产的FP350)和约11被％的Sylgard184 PDMS (例如，由道康宁生产)的复合材料。在一些实例中，其它磁性材料可以使用。复合磁性材料的磁导率(μ J，矫顽(H。)，以及饱和磁通密度(Bsat)在振动样品磁强计(VSM)测试中分别为μ r=8奥斯特，Hc=15奥斯特和Bsat=O. 2特斯拉。图3示出了混合有完全烧结的NiZn铁氧体粉和PDMS的复合材料的B-H曲线。通过测试带有这种复合磁性材料的手工绕的环形磁心状电感,测得的磁导率在约I至10兆赫兹时约为6。参照图4A-4D,示出的是PIiS的两个实施例的剖视图以及相应的磁通量的Maxwell模拟仿真。这两个PIiS实施例示出了在导电线圈的阻之间至少部分的间隔中填充有磁性材料的影响。首先，图4A示出了在导电线圈403的匝之间填充了硅406的PIiS400的剖视图。磁性材料409环绕导电线圈403设置，匝之间填充有硅406。图4B示出了图4A所示的PIiS 400的磁通量的Maxwell模拟仿真410。磁性材料409的中心部位413的磁通量最密。通过增加中心部位413处磁芯的面积，可以减少在中心部位413的磁通量。如图4B所示，在导电线圈403的匝之间的磁通量是非常低的。接下来，图4C示出了在导电线圈403的匝之间填充了磁性材料409的PIiS 420的剖视图。图4D示出了图4C所示的PIiS 420的磁通量的Maxwell模拟仿真430。如图4B所示，磁性材料409的中心部位433的磁通量最密。然而如图4D所示，导电线圈403的匝之间的磁通量高于图4B所示。基于图4B和图4D所示的Maxwell模拟仿真结果,在导电线圈403的匝之间填充了磁性材料409的PIiS 420的电感值比在导电线圈403的匝之间填充了硅406的PIiS 400的电感值高约12%。根据预定的性能参数和表征的磁性材料属性，其余的PIiS参数可以通过模拟仿真优化。例如，表I提供了使用完全烧结的NiZn铁氧体粉末和Sylgardl84PDMS的复合材料作为磁性材料的一个PIiS实施例的参数。如果选择不同的磁性材料，这些参数将被重新优化。此外，从图4D中的磁通量分布来看，通过仅在导电线圈403的部分匝之间填充磁性材料409也可以达到类似的效果。在导电线圈403的靠近内侧的前两个间隔416填充磁性材料409增加了有效的磁芯面积。因为其余四个间隔419中的磁通量密度较低，穿过这些间隔419的磁通量对导电线圈403的电感值产生的影响很小，在一些计算中可以忽略。因此，在这四个间隔419中的一个或多个中填充硅406可以用于对PIiS的电感值进行“微调”。
权利要求
1.一种硅基功率电感，包括 嵌入硅衬底中的磁性材料的磁芯,和 导电线圈，所述导电线圈具有多个匝，其邻近匝之间有间隔，并且所述磁芯至少有一部分被所述导电线圈所围绕。
2.根据权利要求I所述的硅基功率电感，其中，所述导电线圈的邻近匝之间的所述间隔至少有一部分由硅填充。
3.根据权利要求I所述的硅基功率电感，其中，所述导电线圈的邻近匝之间的所述间隔至少有一部分由磁性材料填充。
4.根据权利要求I所述的硅基功率电感,其中，所述磁性材料包括混有聚合物的磁性粉末的复合材料。
5.根据权利要求I所述的硅基功率电感，其中，所述磁性材料是包含完全烧结的NiZn铁氧体粉和聚合物的复合物。
6.根据权利要求I所述的硅基功率电感，其中，所述导电线圈是铜。
7.根据权利要求I所述的硅基功率电感，进一步包括导电环。
8.根据权利要求I所述的硅基功率电感，进一步包括在硅衬底的至少一面上的磁性材料覆盖层。
9.根据权利要求8所述的硅基功率电感，其中，所述覆盖层的磁性材料是一种复合磁性材料。
10.根据权利要求I所述的硅基功率电感，进一步包括多个线圈连接点，每个线圈连接点与导电线圈的一部分接触。
11.根据权利要求10所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈连接点包括第一组焊锡球，沉积在所述导电线圈的一部分上的每个焊锡球暴露在硅衬底的第一个面。
12.根据权利要求11所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈 连接点包括第二组焊锡球，沉积在所述导电线圈的一部分上的每个焊锡球暴露在硅衬底的第二个面上。
13.根据权利要求10所述的硅基功率电感，其中，所述多个线圈连接点包括电镀铜柱。
14.根据权利要求I所述的硅基功率电感，其中，磁性材料覆盖层填充在多个线圈连接点之间的间隔。
15.一个直流-直流转换器，包括 硅基功率电感，其包括 嵌入硅衬底中的磁性材料的磁芯； 具有多匝的导电线圈，所述线圈的邻近匝之间有间隔，所述磁芯的至少有一部分被所述导电线圈所围绕； 沉积于硅衬底至少一面的磁性材料覆盖层；以及 安装在硅基功率电感的覆盖层上的集成电路，所述集成电路交互式地耦合到所述导电线圈。
16.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述磁芯是壶形铁芯状。
17.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述磁芯是环形。
18.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述集成电路包括集成电路芯片和至少一个安装于所述硅基功率电感的覆盖层上的电容。
19.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述集成电路通过穿透所述覆盖层的多个线圈连接点交互式地耦合到所述导电线圈，每个线圈连接点与所述导电线圈的一部分接触。
20.根据权利要求19所述的直流-直流转换器，其中，所述多个线圈连接点包括多个焊锡球，每个焊锡球沉积在所述导电线圈的一部分上。
21.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述导电线圈的邻近匝之间的间隔的至少一部分由所述磁性材料所填充。
22.根据权利要求21所述的直流-直流转换器，进一步包括在所述导电线圈和所述磁性材料之间的绝缘层。
23.根据权利要求15所述的直流-直流转换器，其中，所述磁性材料是包括完全烧结的NiZn铁氧体粉和聚合物的复合材料。
24.—种制造硅基功率电感的方法，包括 在硅衬底上沉积初始导电层； 在所述硅衬底中刻蚀沟槽； 在所述沟槽的至少一部分中形成导电线圈；以及 在所述沟槽的至少一部分，所述导电线圈围绕的磁性材料的至少一部分沉积磁性材料。
25.根据权利要求书24所述的方法，其中，所述沟槽是穿透衬底的沟槽。
26.根据权利要求书24所述的方法，其中，所述磁性材料在形成所述导电线圈之前沉积在所述沟槽中。
27.根据权利要求书24所述的方法，其中，所述导电线圈由电镀形成。
28.根据权利要求书24所述的方法，其中，所述磁性材料通过在真空室内热压进行沉积。
29.根据权利要求书24所述的方法，其中，在所述硅衬底中刻蚀沟槽包括在形成所述导电线圈和沉积所述磁性材料之前刻蚀初始沟槽，并在形成所述导电线圈和沉积所述磁性材料之间刻蚀额外的沟槽。
30.根据权利要求书24所述的方法，进一步包括在所述至少一部分沟槽的侧壁上形成绝缘层。
全文摘要
一提供了用于硅基功率电感(PIiS)的多种方法和系统。在一个实施例中，PIiS包括嵌入到硅衬底中的磁性材料的磁芯，以及具有多个匝的导电线圈，其中，所述导电线圈相邻匝之间具有间隔，至少一部分磁芯被导电线圈围绕。在另一个实施例中，直流-直流转换器包括PIiS,其包括嵌入到硅衬底中的磁性材料的磁芯，具有多个匝的导电线圈，其中，至少一部分磁芯被导电线圈围绕，以及沉积于硅衬底的至少一面上的磁性材料覆盖层。直流-直流转换器还包括安装在硅基功率电感的覆盖层上的集成电路。
文档编号H01F27/28GK102870175SQ201180019909
公开日2013年1月9日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年2月19日
发明者王明亮, 谢会开, 凯·D.T.·恩戈 申请人:王明亮, 谢会开, 凯.D.T.恩戈