514 固体电子学研究与进展 式中,A是磁芯结构的横截面积,l是封闭磁芯的 1引言 长度,N为线圈的匝数,和p分别为磁性材料 的真空磁导率和相对磁导率。而品质因子(Q值)定 近年来便携式电子产品向小型化、微型化发义为 展。磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压 wL wpoA NAed (2) 器、DC-DC变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐 2(w+l)p 器等是电子线路中必不可少的重要元器件,电感器式中,Aw为导体的横截面积,a为角频率,2(a+D) 件的微型化、集成化是实现电子设备、电子产品小为每匝线圈的长度,P为导体材料的电阻率 尺寸、重量轻和高性能的关键之一-1。 从上面的方程(1)和(2)可以看出,电感量和Q 目前螺旋型微电感作为一种集成电感,广泛应值正比于电感器件磁芯材料的相对磁导率m和横 用于集成电路中,但它具有几个缺点:1)它需要引截面积A。然而,微电感器件并非与传统的螺线管 线从器件里面引到外面,这样就增加了不必要的寄电感一样,其电感量正比于线圈匝数的平方。这 生电容[;2)对于相同匝数的电感,其尺寸远远大是因为线圈匝数越多,其磁芯材料的长度l也越 于其它类型的电感:3)其产生的磁通方向垂直于基大 底,这将干扰垂直方向的集成器件 螺旋型微电感的问题可以通过螺线管微电感3磁芯螺线管微电感的制作过程 来解决口。这是因为:1)其磁路平行于基片平面,高 频时,磁通在其片上产生的涡流损耗比垂直于平面 图2显示了磁芯螺线管微电感的制作过程 线圈结构要小];2)在比较小的面积上可以制作多(1)在清洗过的基片上溅射种子层Cr/Cu;(2)甩正 匝电感;3)磁路形成闭合回路,降低漏磁,提高电感胶,然后将基片上的光刻胶烘干,曝光与显影后,电 量。大多宏观尺寸的电感形状为螺线管,但螺线管镀铜底层线圈;(3)甩正胶,然后将光刻胶烘干,曝 微电感由于其制作比较复杂,因此其研究受到很大光与显影后,电镀引脚和连接导体,电镀材料为铜 的限制。本文拟采用MEMS方法进行研制微电(4)用丙酮去除所有的光刻胶后,用物理刻蚀方法 感,并对其性能进行测试研究 刻蚀Cr/Cu底层线圈种子层;(5)甩聚酰亚胺,然 后进行固化,最后抛光聚酰亚胺,直到连接导体和 2理论设计 引脚暴露为止;(6)溅射磁芯种子层,甩正胶,然后 将光刻胶烘干,曝光与显影后,电镀磁芯,材料为坡 螺线管微电感由磁芯材料和多层互相连接的莫合金;(7)甩正胶,然后将光刻胶烘干,曝光与显 导体组成,其结构如图1所示。为了减少漏磁,磁性影后,电镀引脚和连接导体,电镀材料为铜;(8)用 材料形成封闭的形状。其电感计算表达式如下[:丙酮去除所有的光刻胶后,用物理刻蚀方法刻蚀 Cr/Cu磁芯种子层;(9)甩聚酰亚胺,然后进行固 (1)化,最后抛光聚酰亚胺,直到连接导体和引脚暴露 为止;(10)溅射CrCu种子层,甩正胶,然后将光 Magnetic core Pad- 刻胶烘干,曝光与显影后,电镀顶层铜线圈;(11)用 丙酮去除光刻胶后,用物理刻蚀方法刻蚀CrCu 顶层线圈种子层,最终得到磁芯螺线管微电感器 件 制作过程中,为了避免湿法刻蚀种子层对线圈 导体产生钻蚀现象,采用物理刻蚀方法,得到均匀 Top conductor Via 的导体线条;固化聚酰亚胺时,用氩气作为保护气 图1螺线管微电感示意图 氛,以防止氧化导体和磁芯材料,影响器件的性能; Fig1为据 diagram of solenoid- type inductor 为了连接上、下两层导体,采用抛光方法研磨聚酰 亚胺。! 引 言 近 年 来 便 携 式 电 子 产 品 向 小 型 化"微 型 化 发 展#磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压 器"$%&$%变换器"振荡器"滤波器"放大器和调谐 器等是电子线路中必不可少的重要元器件’电感器 件的微型化"集成化是实现电子设备"电子产品小 尺寸"重量轻和高性能的关键之一(!)*+# 目前螺旋型微电感作为一种集成电感’广泛应 用于集成电路中’但它具有几个缺点,!-它需要引 线从器件里面引到外面’这样就增加了不必要的寄 生 电容(.+/0-对于相同匝数的电感’其尺寸远远大 于其它类型的电感/1-其产生的磁通方向垂直于基 底’这将干扰垂直方向的集成器件(2+# 螺旋型微电感的问题可以通过螺线管微电感 来解决(3+#这是因为,!-其磁路平行于基片平面’高 频时’磁通在其片上产生的涡流损耗比垂直于平面 线圈结构要小(4+/0-在比较小的面积上可以制作多 匝电感/1-磁路形成闭合回路’降低漏磁’提高电感 量#大多宏观尺寸的电感形状为螺线管’但螺线管 微电感由于其制作比较复杂’因此其研究受到很大 的 限 制#本 文 拟 采 用 5657方 法 进 行 研 制 微 电 感’并对其性能进行测试研究# 0 理论设计 螺线管微电感由磁芯材料和多层互相连接的 导体组成’其结构如图 !所示#为了减少漏磁’磁性 材料形成封闭的形状#其电感计算表达式如下(*’8+, 9: ;<;=>?@0 A? B!- 图 ! 螺线管微电感示意图 CDEF! 7?GHIJKD?LDJE=JI MNOMPHQMDL&KRSHDQLT?KM= 式中’>?是磁芯结构的横截面积’A?是封闭磁芯的 长 度’@ 为 线 圈 的 匝 数’;<和 ;=分 别 为 磁 性 材 料 的真空磁导率和相对磁导率#而品质因子BU值-定 义为, U: V9 W : V;<;=@>?>X 0BYZ A-[A? B0- 式中’>X 为导体的横截面积’V为角频率’0BYZA- 为每匝线圈的长度’[为导体材料的电阻率# 从上面的方程B!-和B0-可以看出’电感量和 U 值正比于电感器件磁芯材料的相对磁导率 ;=和横 截面积 >?#然而’微电感器件并非与传统的螺线管 电感一样’其电感量正比于线圈匝数的平方(!<+#这 是因为’线圈匝数越多’其磁芯材料的长度 A?也越 大# 1 磁芯螺线管微电感的制作过程 图 0显 示 了 磁 芯 螺 线 管 微 电 感 的 制 作 过 程, B!-在清洗过的基片上溅射种子层 %=\%T/B0-甩正 胶’然后将基片上的光刻胶烘干’曝光与显影后’电 镀铜底层线圈/B1-甩正胶’然后将光刻胶烘干’曝 光与显影后’电镀引脚和连接导体’电镀材料为铜/ B*-用丙酮去除所有的光刻胶后’用物理刻蚀方法 刻 蚀 %=\%T底层线圈种 子 层/B.-甩 聚 酰 亚 胺’然 后进行固化’最后抛光聚酰亚胺’直到连接导体和 引脚暴露为止/B2-溅射磁芯种子层’甩正胶’然后 将光刻胶烘干’曝光与显影后’电镀磁芯’材料为坡 莫合金/B3-甩正胶’然后将光刻胶烘干’曝光与显 影后’电镀引脚和连接导体’电镀材料为铜/B4-用 丙 酮 去 除 所 有 的 光 刻 胶 后’用 物 理 刻 蚀 方 法 刻 蚀 %=\%T磁 芯 种 子 层/B8-甩 聚 酰 亚 胺’然 后 进 行 固 化’最后抛光聚酰亚胺’直到连接导体和引脚暴露 为止/B!<-溅 射 %=\%T种 子 层’甩 正 胶’然 后 将 光 刻胶烘干’曝光与显影后’电镀顶层铜线圈/B!!-用 丙 酮 去 除 光 刻 胶 后’用 物 理 刻 蚀 方 法 刻 蚀 %=\%T 顶 层 线 圈 种 子 层’最 终 得 到 磁 芯 螺 线 管 微 电 感 器 件# 制作过程中’为了避免湿法刻蚀种子层对线圈 导体产生钻蚀现象’采用物理刻蚀方法’得到均匀 的导体线条/固化聚酰亚胺时’用氩气作为保护气 氛’以防止氧化导体和磁芯材料’影响器件的性能/ 为了连接上"下两层导体’采用抛光方法研磨聚酰 亚胺# *!. 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 0.卷 万方数据