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使用由粘合剂粘合的层状纳米复合材料薄膜的磁性器件.pdf

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使用 粘合剂 粘合 层状 纳米 复合材料 薄膜 磁性 器件
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摘要
申请专利号:

CN201280050891.0

申请日:

2012.08.16

公开号:

CN103918042A

公开日:

2014.07.09

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法?#19978;?#24773;: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H01F 5/00申请公布日:20140709|||实质审查的生效IPC(主分类):H01F 5/00申请日:20120816|||公开
IPC分类号: H01F5/00 主分类号: H01F5/00
申请人: 乔治亚技术研究公司
发明人: 马昆德亚·拉杰·普卢格萨; 饶·R·图马拉; 文卡塔斯·桑德拉姆; 尼泰史·卡玛怀特; 乌皮利·斯里达尔; 约瑟夫·埃卢尔
地址: 美国乔治亚州亚特兰大
优?#28909;ǎ?/td> 2011.08.16 US 61/523,990
专利代理机构: ?#26412;?#33521;特普罗知识产权代理有限公司 11015 代理人: 齐永红
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法律状态
申请(专利)号:

CN201280050891.0

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.12.07|||2014.09.10|||2014.07.09

法律状态类型:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种纳?#29366;?#24615;结构及其制造方法,所述纳?#29366;?#24615;结构包括一器件衬底、设置于所述器件衬底上的多个纳?#29366;?#24615;复合材料层,其中,所述多个纳?#29366;?#24615;复合材料层彼此间设有粘合剂层。金属绕组与所述多个纳?#29366;?#24615;复合材料层集成以形成电感磁芯,且所述的纳?#29366;?#24615;结构的厚度为约5至100微米。

权利要求书

权利要求书
1.  一纳?#29366;?#24615;结构,包括:
器件衬底;
设于所述器件衬底上的多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层,其中所述多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层彼此间设有一粘合剂层;?#32422;?BR>金属绕组与所述多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层集成以形成一电感磁芯。

2.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述的多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层,每个的厚度为约200至约3000纳米。

3.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述粘合剂层的厚度为约0.2至约4微米。

4.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:还包括5-25个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层。

5.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;结构的粘合厚度为约5至约100微米。

6.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:每个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层包括一磁性金属。

7.  根据权利要求6所述的结构,其特征在于:每个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层还包括由一绝缘体隔开的合金纳米畴,其中,所述绝缘体包括硅的金属氧化物、氧化铪,氧化锆,或它们的组合。

8.  根据权利要求6所述的结构,其特征在于:所述磁性金属包括铁、镍、钴、它们的合金,或它们的组合。

9.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述的多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层被构建成环形或螺线形。

10.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述的多个纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜层环绕金属绕组形成罐形磁芯或跑道结构。

11.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述粘合剂层包括?#36153;?#26641;脂、苯并环丁 烯、聚酰亚胺苯并恶唑或它们的组合。

12.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述器件衬底为具有集成电路的?#24615;?#30789;衬底。

13.  根据权利要求1所述的结构,其特征在于:所述器件衬底为无源衬底。

14.  根据权利要求13所述的结构,其特征在于:所述无源衬底安装到封装或集成电路上。

15.  纳?#29366;?#24615;结构的制造方法,包括:
(a)在载体衬底上沉积一纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;
(b)利用一粘合剂层将所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜粘合到一器件衬底上;
(c)移除载体衬底;
(d)重复步骤(a)-(c)至达到预设的约5至约100微米厚的纳?#29366;?#24615;复合材料结构;
(e)形成纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;?#32422;?BR>(f)将形成的纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜与金属绕组集成以形成一电感磁芯。

16.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜利用共溅或溅射技术沉积在载体衬底上。

17.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述载体为硅、硅脱模层、铜箔、铜脱模层、特氟龙、或它们的组合。

18.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述载体衬底利用剥离技术移除。

19.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜利用蚀刻或烧蚀技术成型。

20.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜构建成一环形或螺线形结构。

21.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜包括一磁性金属?#32422;?#30001;绝缘体隔开的合金纳米畴。

22.  根据权利要求21所述的方法,所述绝缘体包括硅的金属氧化物、氧化铪,氧化锆,或它们的组合。

23.  根据权利要求21所述的方法,其特征在于:所述磁性金属包括铁、镍、钴、它们的合金,或它们的组合。

24.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述粘合剂层包括?#36153;?#26641;脂、苯并环丁烯、聚酰亚胺苯并恶唑或它们的组合。

25.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用金属电镀技术集成。

26.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用喷墨打印集成。

27.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用引线接合法集成。

28.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用层?#20849;?#36716;移和成型技术集成。

29.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述粘合以晶?#24067;?#21512;工具进行。

30.  根据权利要求15所述的方法,其特征在于:所述载体以剥离工具移除。

31.  纳?#29366;?#24615;结构的制造方法,包括:
(a)在一载体衬底上沉积一纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;
(b)利用一粘合剂层将纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜粘合到中间衬底上;
(c)移除载体衬底;
(d)重复步骤(a)-(c)?#28304;?#21040;预设厚度;
(e)通过中间衬底将纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜和粘合剂层转移到器件衬底上;
(f)移除中间衬底;
(g)形成纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;?#32422;?BR>(h)将形成的纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜与金属绕组集成以形成一电感磁芯。

32.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜利用共溅或溅射技术沉积在载体衬底上。

33.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述载体为硅、硅脱模层、铜箔、铜脱模层、特氟龙、或它们的组合。

34.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述载体衬底利用剥离技术移除。

35.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜利用蚀刻或烧蚀技术成型。

36.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜构建成一环形或螺线形结构。

37.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:中间衬底的纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜切割并重新排列以形成一环形。

38.  根据权利要求37所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜重新排列以使正交方向的难磁化轴彼此垂?#34180;?BR>
39.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述纳米复合材料薄膜包括磁性金属?#32422;?#30001;绝缘体隔开的合金纳米畴。

40.  根据权利要求39所述的方法,其特征在于:所述绝缘体包括硅的金属氧化物、氧化铪,氧化锆,或它们的组合。

41.  根据权利要求39所述的方法,其特征在于:所述磁性金属包括铁、镍、钴、它们的合金,或它们的组合。

42.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述粘合剂层包括?#36153;?#26641;脂、苯并环 丁烯、聚酰亚胺苯并恶唑或它们的组合。

43.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用金属电镀技术集成。

44.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述纳?#29366;?#24615;复合材料结构的厚度?#27573;?#20026;约5至约100微米。

45.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用喷墨打印集成。

46.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用引线接合法集成。

47.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述金属绕组利用层?#20849;?#36716;移和成型技术集成。

48.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述粘合以晶?#24067;?#21512;工具进行。

49.  根据权利要求31所述的方法,其特征在于:所述载体以剥离工具移除。

说明书

说明书使用由粘合剂粘合的层状纳米复合材料薄膜的磁性器件
相关申请的交叉引用
本申请主张享有于2011年8月16日提交的美国临时申请No.61/523,990的权益,前述申请的全部内容通过引用整体地结合于本文中,全部如下。
技术领域
本发明的各实施例主要涉及高密度电感器和其它磁性器件的纳?#29366;?#24615;结构及其制造方法。
背景技术
高密度电感器对于一些系统功能,如电源转换器、功?#21490;?#22823;器、?#32422;?#21151;率遥测,是十分重要的。电感器可能是系统板上最大?#32422;?#26368;重的组件。
例如电源转换的应用要求在5毫米(mm)×5毫米(mm)的衬底上有1-20微亨(μH)的电感。典型的商用功率电感由铁素体或金属的环其周围有金属绕组而组成。这些组件体积大且不易于集成在一个封装中。因此,它们作为分立元件组装在封装中和基板上。这增加?#26031;?#29575;模块的尺寸并导致了庞大的系统。将这些庞大的电感器转?#24576;?#25110;薄或厚的元件,连同其它?#24615;?#25110;无源元件集成到硅、玻璃或有机衬底上已呈现出一种上升的趋势。例如,功率电感可以薄膜的形式与集成电路集成到?#24615;?#30789;衬底上。还有一种趋势是,将薄膜电感连同一些彼此互联的其它无源元件集成到无源硅、玻璃或有机衬底上。然后将这种集成无源器件(IPD)安装在内插器、封装或衬底上。这些集成方案的关键在于将这些分立的庞大的环形电感转变成集成的平面薄膜电感器。
典型的平面电感器制造技术涉及通过形成及下一层的做法来进行金属线圈电镀的连续沉积,及其之后的磁芯沉积。为实?#20013;?#20307;积上的大电感,在金属丝及环绕它的磁性材料间应有最佳分隔。
尺寸的缩小是使用高频磁性材料以更小的体积能够捕捉磁通量的一个?#33519;?#32467;果。缺少电感器小型化的主要原因是缺乏具有高饱和磁化强度的在高频下为高磁导率、低损耗的材料。现有的高磁导率金属及合金(Fe-Si,Fe-Ni,Fe-Co-基合金),粉体材料(?#24230;?#22312;绝缘基质中的磁性粒子)?#32422;?#38081;素体(如:NiFe2O4,Mn-Zn-和Ni-Zn-铁素体)并不能在高频下有效使用。另一方面,高频、低损耗磁性材料不具有足够高的磁导率。引入高磁导率材料可减少线 圈所需的匝数但会导致由涡流所带来的其它损耗和电介质损耗。
制备高密度电感器的一?#22336;?#27861;是,在衬底的铁素体或其它铁磁薄膜上制造一缠绕层。先前的研究者也表明?#21644;?#36807;具有绝缘氧化物或气隙的磁芯的?#23454;?#23618;压减少高频下的涡流损耗?#36879;?#30913;导率,这使得该方法极其复杂且昂贵。由于这些膜相对高的磁导率,叠层必须极其精细(1–5μm,即,按磁性趋肤深度的量级)以在低兆赫状态下操作。这些金属合金的典型缺点是联?#26723;?#23427;们的低电阻,可以在高频下引起实质性的涡流损?#27169;?#20174;而导致低效率。另一主要缺点是难以测量多层叠压层的厚度。绝缘层和磁性膜均使用薄膜沉积技术如溅射来?#26469;?#27785;积,这使?#32654;?#23637;膜厚度?#32422;?#23454;现所需电感性能变得十?#21482;?#24930;及昂贵。
因此,需要一种可以小型化、具有足够磁导率并可以经济有效的方式制造的高密度电感器。本发明的目的正是针对这一需求。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一纳?#29366;?#24615;结构,包括:一器件衬底;设置在器件衬底上的多个纳?#29366;?#24615;薄膜或复合材料层,其中,多个纳?#29366;?#24615;复合材料层之间设置有粘合剂层,且金属绕组集成在多个纳?#29366;?#24615;复合材料层间以形成一电感磁芯,其中,该纳?#29366;?#24615;结构的厚度为约5至约100微米。所述纳?#29366;?#24615;复合材料层为磁性导向以便电感器得益于难磁化轴的特性,如低矫顽力?#36879;?#22330;各向异性(或直流饱和磁场)。所述金属绕组可环绕纳?#29366;?#24615;-粘合剂叠压层作为一环形结构来形成。在这种情况下,如果线圈?#26800;?#27969;的直流磁场是沿着难磁化轴的?#22467;?#36825;是有益的。相反,所述纳?#29366;?#24615;-粘合剂叠压层可环绕金属绕组形?#26705;?#26377;时可?#24576;?#20026;“罐形磁芯”/“跑道”结构。本发明的实施例适用于纳?#29366;?#24615;薄膜?#32422;?#20197;粘合剂粘合的纳?#29366;?#24615;复合材料叠压层。
电感器如此设计,磁化设置在难磁化轴上以防止在低电流下的电感饱和。难磁化方向上的磁化在保持高磁化率下提高了?#24503;?#21644;直流饱和电流。
其它示例性实施例提供了一制造纳?#29366;?#24615;结构的方法,包括:(a)在一载体衬底上沉积一纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;(b)利用一粘合剂层将纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜粘合到器件衬底上;(c)除去载体衬底;(d)重复步骤(a)-(c)?#28304;?#21040;一预设的约5至约100mm厚的纳?#29366;?#24615;复合材料结构;(e)形成纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;?#32422;埃╢)将形成的纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜与金属绕组集成以形成一电感磁芯。
其它示例性实施例提供了一制造纳?#29366;?#24615;结构的方法,包括:(a)在一载体衬底上沉积一纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;(b)利用一粘合剂层将纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜粘合到中间衬底上; (c)除去载体衬底;(d)重复步骤(a)-(c)?#28304;?#21040;预设厚度;(e)通过中间衬底将纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜和粘合剂层转移到器件衬底上;(f)移除中间衬底;(g)形成纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜;?#32422;埃╤)将形成的纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜与金属绕组集成以形成一电感磁芯。
其它示例性实施例提供了切割中间衬底和重新排列切割片以形成器件结构,如环形。所有方向均具有正确的难磁化轴上的磁各向异性,以产生最佳的电感密度?#32422;捌分?#22240;数。
其它示例性实施例提供?#31169;?#32435;?#29366;?#24615;复合材料薄膜模制成非平面结构,如铜绕组或在一V型槽的内部。在这种实施方式中,纳?#29366;?#24615;-粘合剂叠压层首先转移到一平面或V型槽衬底中。然后,金属层在平面的纳?#29366;?#24615;-粘合剂叠压层上或V型槽内部以线圈形式形成。之后,转移第二磁性层,闭合环绕所述金属层的磁回路。
附图说明
图1示出了一局?#23458;?#25972;的纳?#29366;?#24615;结构的示例性实施例;
图2A-2B示出了纳?#29366;?#24615;结构的示例性实施例的制造方法;
图3示出了纳?#29366;?#24615;结构的示例性实施例的一备选制造方法;
图4示出了纳?#29366;?#24615;结构的另一制造方法,可制得一环形磁性电感结构;
图5示出了一集成金属绕组和环形纳米复合材料图案的更详细方法;
图6示出了一纳?#29366;?#24615;结构的平面图,其中,纳米复合薄膜层被构建成一环形;
图7示出了一制造纳?#29366;?#24615;结构的方法,其中,纳米复合材料-粘合剂层被构建成一“罐形磁芯”或“跑道”型;
图8示出了一将金属绕组与“罐形磁芯”或“跑道”型纳米复合材料集成的更详细的方法;
图9示出了一具有“罐形磁芯”或“跑道”型纳?#29366;?#24615;结构的平面图;
图10示出?#21496;?#26377;“罐形磁芯”或“跑道”型纳?#29366;?#24615;结构的另一平面图;
图11示出了图9和图10的?#36866;?#22270;;
图12a和12b分别示出了金属绕组和所述纳米复合材料-粘合剂层环绕该金属绕组的平面图,为“罐形磁芯”或“跑道”型;
图13示出了与二次电子元件集成的纳米复合结构的示例性实施例;
图14示出了设置在器件衬底上的三层纳?#29366;?#24615;胶-黏剂薄膜的SEM图像;
图15示出了图14以BCB胶层的膜转移;
图16a和16b分别示出了在硅器件衬底和特氟龙涂层的铜箔上转移后的镍膜;
图17a示出?#26031;?#22120;件衬底上镍膜转移后的另一实施例;
图17b示出了图17a一放大的薄膜转移图像;
图17c示出了一转移后的光滑涂层铜箔;
图18示出了一已转移镍膜的SEM图像;
图19图示说明了薄膜的磁化曲线。
具体实施方式
参照附图,其中,在几个视图中相同的标号表示相同的部分,详细说明了本发明示例性实施例。在本说明书中,各种组件可以被定义为具有特定的值或参数,但是,这些项作为示例性实施例提供。当然,所述示例性实施例并不是限制本发明的各个方面?#32422;案?#24565;,可以实?#20013;?#22810;类似的参数,尺寸,?#27573;?#21644;/或数值。
还需要注意的是:在本说明书及所附的权利要求书中所采用的单数形式的词“一?#24065;约啊案謾?#21253;括了复数形式的指示物,除非上下文另有明确规定。例如,涉及到一种组?#21482;?#36866;用于其包括多个组分的组合物。涉及一种组合物含有“一”成分适用于其还包括提到的成分外的其它成分。此外,在优选实施例的描述中,为清楚起见,采用了专业术语。其目的是:每一术语?#21069;?#26412;领域技术人员所理解的最广泛的意义,?#32422;?#20197;类似操作方式实现相似目的的等效技术。
本发明把数值表达为“约”或“大约?#24065;?#20010;特定值。这表示包括从一个特定的值和比较接近但不完全等同于该特定的值的其它的特定值。本发明中的“包括?#34180;ⅰ昂?#26377;”或“包含”是指,至少有提到的化合物,成分,粒子或方法步骤存在于本申请中的组合物、?#30772;?#25110;方法中,但并不排除其它化合物、材料、粒子或方法步骤的存在,即使其它的化合物、材料、粒子和方法步骤具有与所指定的具有相同的功能。
还应当理解的是,提及的一个或多个方法步骤并不排除存在另外的方法步骤或在已明确的这些步骤间穿插的方法步骤。同样,也应理解的是,提及的组合物中的一?#21482;?#22810;种组分并不排除明显确定的其它组分的存在。
本发明的各示例性实施例提供了适用于高密度电感器?#32422;?#20854;它磁性器件的独特和新颖的纳?#29366;?#24615;结构及其制造方法。当前的高密度电感器制造方式需要复杂的制造步骤,如,金属绝缘体的连续溅射或者通过复杂的模具电镀,而这?#21069;?#36149;的。纳?#29366;?#24615;复合材料可省略这些复杂的步骤,并具有卓越的高频性能?#32422;案?#20302;的损耗。然而,由于低沉积速率,溅射纳?#29366;?#24615;薄膜并不能达到目标厚度。另一?#32440;?#26500;包括由粘合剂材料粘合在一起的多层纳米复合薄膜, 解决了这一根本性的难题。此外,多层纳米复合结构的示例性实施例通过分别处理纳米复合膜,然后通过粘合剂将它们转移到器件衬底上,进而变得更容易制造。这个过程可以重复多次,?#28304;?#21040;所需的最终厚度。
图1示出了一局?#23458;?#25972;的纳?#29366;?#24615;结构100的示例性实施例。如图所示,多个磁性纳米复合材料(“纳米复合材料”或“纳?#29366;?#24615;复合材料”或“纳?#29366;?#24615;复合材料薄膜”或“纳米复合材料膜?#20445;?#23618;105设置于器件衬底115上,且插在多个粘合剂层110间。所述纳米复合材料层105和粘合剂层110交替布置,这种设计的灵活性得以实现所需的最终厚度。在示例性实施例中,所述纳米复合物材料105可以为200至300纳米(nm)厚,所述粘合剂层110可以是0.2至5μm(微米)厚。所述纳米复合材料层105可从液态溶胶-凝?#21644;?#23618;和/或还原热处理形成。进一步地,每种层的数量优选5-25层。应当理解的是,所述实施例并不仅限于这些尺寸,其它尺寸?#37096;?#29992;于纳?#29366;?#24615;结构100。纳?#29366;?#24615;结构的总厚度优选5至100μm,适合于器件所期望的小型化尺寸?#32422;?#26377;效存储器件的磁特性。
交换耦合的纳米材料的软磁特性可以比微米级材料高得多。近来,已经通过溅射沉积成功制造了纳米Fe-M-O(M=Hf、Zr、Si、Al或稀土金属元素)薄膜。这些纳米复合材料包括被非晶绝缘体包围的(<10nm)磁性纳米粒?#21360;?#30001;于畴壁共振,微铁素体在更高频下承受磁弛豫。纳米复合材料的?#24503;?#31283;定度预计比微结构化的相应材料更优秀。已经发现,Fe-和Co-基纳米复合材料薄膜μ'可以大到500,并与高至1GHz的?#24503;?#21709;应基本持平,这比传统的铁素体和粉末材料的磁特性要好得多。
因此,所述纳米复合材料层105可由许多材料制?#26705;?#20363;如但不限于,由绝缘体隔开的磁性金属及合金纳米畴。所述金属可包括铁、镍、钴或它们的组合。此外,所述绝缘体可包括二氧化硅、氧化铪,氧化锆的金属氧化物,或它们的组合。或者,所述纳米复合材料层可仅包括一磁性金属,例如但不限于,铁、镍、钴、或它们的组合。所述粘合剂层110?#37096;?#30001;多种材料制?#26705;?#20363;如但不限于,?#36153;?#26641;脂、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺苯并恶唑或它们的组合。
如本文将进一步描述的,所述多个纳米复合材料层105(?#37096;?#31216;之为“薄膜?#20445;?#21644;粘合剂层110可随后设计成环形,螺线型,或“罐形磁芯”模式,并可集成有导电金属绕组。
参照图2A-2B?#32422;?#22270;3,图中示出了两种制造纳?#29366;?#24615;结构示例性实施例的普通方法。首?#28909;?#22270;2A和图2B所示,纳米复合材料薄膜可设置于一载体衬底上。应当理解的是,多个纳米复合材料薄膜可在各自对应的载体衬底上同时制成。换言之,纳米复合材料薄膜可沉积在并排的载体衬底上,这样可加快整个制造过程。所述载体衬底可以是,例如但不限于,硅、 硅脱模层、铜箔、铜脱模层、特氟龙、或它们的组合。然后,所述纳米复合材料薄膜可通过载体衬底转移到一中间衬底上,其中,每一纳米复合材料薄膜层间沉积有一粘合剂层。随后,所述纳米复合材料薄膜和所述粘合剂层可通过中间衬底转移到一器件衬底上,并随之成形且与导电金属线圈集?#26705;?#22914;图2A所示。或者,所述纳米复合材料薄膜随后可被切割并以环形重新排?#26800;?#22120;件衬底上,如图2B所示。所述器件衬底可以是,例如但不限于,硅、有机层压板、玻璃或陶瓷。如图3所示,在另一?#22336;?#27861;中,所述中间衬底步骤可?#28304;?#25152;述方法中省略且所述纳米复合材料薄膜层可以通过所述载体衬底?#33519;?#36716;移到器件衬底上,其中,各纳米复合材料薄膜层间沉积有粘合剂层且随后通过镭射或等离子蚀刻或烧蚀技术成型并利用金属电镀技术与导电金属绕组集成。
图4示出了纳?#29366;?#24615;结构的另一种制造方法,这将形成一个环形磁性电感器结构。首先,纳米复合材料薄膜405沉积在一载体衬底410(图4a)上。如上所述,该步骤可进行多次,相互?#26469;?#25110;同时进行。所述纳米复合材料薄膜405可利用共-溅射或溅射技术沉积。再次,所述载体可以是,例如但不限于,硅、硅脱模层、铜箔、铜脱模层、特氟龙、或它们的组合。在另一步骤中,粘合剂415的第一层可沉积在器件衬底420的表面(图4b)。所述器件衬底420可以是,例如但不限于,硅、有机层压板、玻璃或陶瓷。然后,翻转载体衬底410使得纳米复合材料薄膜405可通过所述粘合剂415粘结到所述器件衬底420上(图4c)。所述粘合剂415加强纳米复合材料薄膜405和所述器件衬底420之间的粘合。与此相反,所述纳米复合材料薄膜405与所述载体衬底410间存在一?#20808;?#30340;粘结,从而使得所述载体衬底410从所述纳米复合材料薄膜405上剥离(图4d)。?#26031;?#31243;可重复多?#25105;?#24418;成所需厚度的纳米复合材料结构(图4e)。尽管未在图4中示出,?#37096;?#22914;上所述那样使用一中间衬底。然后,所述纳米复合材料薄膜405可以通过镭射或等离子蚀刻或烧蚀技术形成所需的环形或螺线形结构,并利用金属电镀技术将导电金属线圈集成到其中(图4f)。
图5示出?#31169;?#37329;属线圈与环形纳米复合材料图案集成的更详细的方法。首先,在纳米复合材料薄膜和粘合剂沉积到所述器件衬底上之?#22467;?#21487;在所述器件衬底510上设置一导电金属层505并成?#25105;源?#24314;线圈的一部分(图5a)。然后所述(多个)纳米复合材料-粘合剂层515可沉积在所述导电金属线圈505上并成型(图5b)。随后,其它的导电金属材料可以围绕所述(多个)纳米复合材料-粘合剂层515进行沉积以使所述金属线圈包围所述(多个)纳米复合材料-粘合剂层(图5c和5d)。图6示出了纳?#29366;?#24615;结构的平面图,其中,纳米复合材料薄膜层605被构造成环形。还如图2A、2B和图3所示,所述纳米复合材料薄膜层形成一闭合的磁回路。然而,在这些图中,所述导电金属线圈放置于磁回路的两条支线上。然而,在备 选实施例中,导电金属线圈610可设置于如图6所示的磁回路的所有四条支线上。还应当理解的是,所述导电金属绕组可以是多种形状,例如但不限于,矩形,圆形,或它们的组合。
图7示出了纳?#29366;?#24615;结构的一种制造方法,其中,所述纳米复合材料-粘合剂层构造成“罐形磁芯”或“跑道”形状。首先,凹槽705可定义在器件衬底710中(图7a)。然后,纳米复合材料-粘合剂层715的底部可沉积到凹槽(图7b)中,且一导电金属层,例如但不限于铜,可沉积在纳米复合材料-粘合剂层上以形成金属绕组720(图7c)。然后,顶部的纳米复合材料-粘合剂层可在金属绕组720的四周形成?#28304;?#24314;“罐形磁芯”或“跑道”图案(图7d)。
图8示出?#31169;?#37329;属绕组与“罐形磁芯”或“跑道”纳米复合材料图案集成的更详细的方法。首先,所述纳米复合材料-粘合剂层805的底部可在所述器件衬底810上成形(图8a)。所述导电金属材料可以线圈的形式来形成所述金属绕组815(图8b),且所述纳米复合材料-粘合剂层805的顶部可成型以形成环绕金属绕组815的磁回路(图8c)。
图9示出?#21496;?#26377;“罐形磁芯”或“跑道”形状的纳?#29366;?#24615;结构的平面图。如图所示,图案化的纳米复合材料-粘合剂层905显示为金属绕组910集成到所述纳米复合材料-粘合剂层905上,且二者均设置在器件衬底915上。
图10示出?#21496;?#26377;“罐形磁芯”或“跑道”形状的纳?#29366;?#24615;结构的另一平面图。如图所示,纳米复合材料-粘合剂层1005设于磁回路的四条支线上,相对于图9中所示的设于磁回路的两条支线上。
图11示出了图9和图10的剖面图。如图所示,成形的纳米复合材料-粘合剂层1105显示为金属绕组1110集成到所述纳米复合材料-粘合剂层1105上,且二者均设置在器件衬底1115上。
图12a和12b示出了金属绕组?#32422;?#29615;绕所述金属绕组的所述纳米复合材料粘合剂层的平面图,12a和12b分别为“罐形磁芯”或“跑道”型。
此外,图13示出了纳米复合材料结构通过集成电路(IC)或晶体管端?#21360;?#30005;感器端?#21360;?#21450;通过互连与二次电子元件集成的示例性实施例。
不像如图13所示的将所述电感器?#33519;?#38598;成到?#24615;?#26230;片上,所述电感器可在无源硅、玻璃或陶瓷衬底(通常称为分立元件或集成无源器件)上单独形?#26705;?#28982;后将其组装在一内插器上,封装于一?#24615;?#26230;片上或一3D集成电路(IC)内。
对于低成本制造,可使用自动化晶片度量工具。这些工具,包括但不限于:将载体衬底粘合到粘合剂涂层衬底(即,中间衬底或器件衬底)的晶片焊线机。同样地,自动晶片剥离工具可用来解除载体衬底。
此外,多种低成本技术可以实?#20013;?#25104;金属绕组环绕磁芯,或形成罐形磁?#38236;?#24863;器盒体的螺旋。例如:
1)铜箔层压和蚀刻以形成螺旋绕组:将铜箔层压,随后形成光致抗蚀剂蚀刻掩模及酸蚀以形成绕组。
2)引线键合铜或金线以形成环绕环形的所述绕组?#21644;?#32447;通过使用功能类似于引线键合机的工具以形成铜绕组。
3)印制银以形成所述磁环电感器:可使用喷墨打印或其它类似的打印的工具以形成金属绕组。
4)连续镀铜形成电感器?#21644;?#38208;绕组可通过沉积一种子层,光致抗蚀剂成形、铜镀?#32422;?#31181;子层去除,来实现一标?#21450;?#21152;成工艺。
实施例
本发明的各实施方式通过下面的非限制性实施例?#27492;?#26126;。首先薄膜以?#36153;?#26641;脂干胶进行处理。非导电?#36153;?#34180;膜首先布置于器件衬底上。在铜载体上溅射薄膜然后粘合到器件衬底上。如图14所示,?#26031;?#31243;重复两次,?#28304;?#24314;一个三层纳?#29366;?#24615;粘合剂薄膜。图15示出了所述薄膜以一BCB胶层转移。如上所述,该多层结构在各种拓扑上与铜绕组集成在一起。
该过程以特氟龙涂层的铜重复多次。特氟龙可减小溅射薄膜和载体之间的粘结,并有助于薄膜转移。
在该技术的第三个示范中,?#37096;?#20351;用微蚀?#32422;?#36229;平顺的铜箔作为载体来进行薄膜转移。以?#20132;?#30340;铜箔进行薄膜转移被认为是无宏观缺陷的。
图16a和16b分别示出在硅器件衬底和在特氟龙涂层铜箔上转移后的镍膜。图17a示出了在硅器件衬底上转移后的镍膜的另一实施例。图17b示出了图17a的放大的薄膜转移图像。图17c示出了转移后光滑涂层的铜箔。图18示出了转移镍膜的SEM图像。
环形设计模拟了所提出的纳?#29366;?#24615;-粘合剂层压板。为了达到1A电流处理的400nH/mm2的电感密度?#32422;?#39640;?#20998;?#22240;数,1特斯拉毫秒的60-200的高磁导率,?#32422;?#20302;矫顽力是必要的。还示出了在载体上实现纳米复合材料薄膜的过程。钴和锆以?#23454;?#30340;Ar/O2比进行共溅?#28304;?#36827;钴-锆纳米复合材料薄膜的形成。图19示出了薄膜的磁化曲线。从?#20204;?#32447;可看出薄膜由于沿着难磁化轴和?#29366;?#21270;轴的磁取向而具有较大的面内各向异性的软磁特性。该薄膜沿着难磁化轴具有3.7奥斯特的非常低的矫顽力,这将导致低的磁滞损耗。它具有符合设计要求的80-100的高相对磁导率,?#32422;?#32422;1T的高饱和磁化场。
虽然本发明已结合多个示例性方面进行了描述,如各图所示?#32422;?#22914;上所?#33268;?#30340;,但应当 理解的是,在不偏离发挥功能与本发明相同的前提下?#37096;?#36827;行其它类?#21697;?#38754;的使用或对描述的方面进行修改及增加。例如,根据本发明公开主题,描述了本发明的各个方面、方法和组合物。然而,在本发明教导下,?#37096;?#24471;出所描述方面的其它等同的方法或组合物。因此,本发明并不仅限于任何单一方面,而是在所附的权利要求书中的?#27573;?#20869;。

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