三維線焊電感器的制造方法
【專利摘要】在包括電容器的基板上提供電感器。該電感器包括一系列線環。該線環的一端線焊到該電容器。
【專利說明】三維線焊電感器
[0001]相關申請
[0002]本申請要求于2013年12月23日提交的美國臨時專利申請N0.61/920,334的權益，本申請要求于2014年2月11日提交的美國專利申請S/N.14/177，620的權益，這兩篇申請的全部內容通過援弓I整體納入于此。
技術領域
[0003]本申請涉及包括電感器的集成電路封裝。
【背景技術】
[0004]需要高品質(Q)因數電感器和電容器以實現高性能諧振儲能電路。例如，使用高Q諧振儲能電路能夠在RF前端中改進效率并且降低失真和諧波，以及在濾波器和雙工器中實現較低插入損耗和較高帶外拒斥。此外，高Q諧振儲能電路改進了 RF敏感性和選擇性。
[0005]電感器或電容器的品質因數與其直流(DC)電阻(Rdc)逆相關。雖然在空間不是問題的非移動應用中使用分立常規電感器或電容器來實現高Q電感器或電容器相對簡單，但是在緊湊的集成設計中沒有用于此類分立組件的空間。由此，增加組件密度的一種辦法是將期望的電感器和電容器集成到封裝基板的金屬層中。用來形成電容器的金屬層通常很薄以降低其寄生電感。但是，所得電感器和電容器之間的互連常規上形成在這些相對薄的金屬層中的一者中，這增加了DC電阻并且由此降低了所得的品質因數。替換地，無源組件可以被集成到管芯上，但是現代CMOS工藝中的金屬層厚度太薄以至于所得無源組件的DC電阻也相對較高。因此，管芯集成或封裝集成電感器、電容器和LC諧振儲能電路的品質因數被局限于對于RF設計所需的高性能而言太低的值。
[0006]相應地，本領域中需要具有改進的品質因數的集成諧振儲能電路。
[0007]概述
[0008]提供了包括多個線環或線拱的電感器。這些線環中的一者的一端線焊到電容器。該線焊引入了極少的寄生電阻，從而該電感器和該電容器之間的互連在實質上無損。用這種方式，由該電感器和該電容器形成所得的諧振儲能電路的品質因數被有益地提高了。
[0009]附圖簡述
[0010]圖1A是根據本公開實施例的三維電感器的立體圖。
[0011]圖1B是圖1A的電感器的線焊部分和毗鄰金屬絕緣體金屬(ΜΠ0電容器的放大橫截面示圖。
[0012]圖2A是形成MD!電容器之后且形成電感器之前的圖1A的基板的橫截面示圖。
[0013]圖2B是形成電感器連接部分之后的圖2A的基板的橫截面示圖。
[0014]圖2C是在將線拱或線環線焊到MM電容器的金屬層和電感器連接部分之后圖2B的基板的橫截面示圖。
[0015]圖3是根據本公開的一實施例的三維電感器的制造方法的流程圖。
[0016]圖4解說了根據本公開實施例的納入嵌入式電感器封裝的一些示例電子系統。
[0017]本發明的各實施例及其優勢通過參考以下詳細描述而被最好地理解。應當領會，在一個或多個附圖中，相同的參考標記被用來標識相同的元件。
[0018]詳細描述
[0019]所提供的三維電感器可以被有益地納入到諧振儲能電路中以提供高Q因數。在常規集成諧振儲能電路中，形成在圖案化金屬層中的互連(諸如導線或跡線)將電感器耦合到電容器。因為圖案化金屬層通常相對較薄，因而此類常規互連具有不期望的大量寄生電阻，并且由此降低了所得諧振儲能電路的品質因數。相反，本文中公開的三維電感器解決了這一問題，并且為諧振儲能電路的電感器(L)和電容器(C)組件之間的互連提供了降低的寄生電阻(例如，DC電阻，Rdc)。如本文中進一步描述的，電感器到電容器互連的寄生電阻被實質上消除了。
[0020]三維(3D)電感器包括呈拱形遠離基板的多個線圈或線環。線環由一個或多個電感器連接部分互連。電感器連接部分沉積或者以其他方式形成在基板的平坦表面上。使用兩個笛卡爾維度定義平坦表面。相反，線圈或線環呈拱形遠離基板的平坦表面，并且由此在第三笛卡爾維度中延伸。例如，平坦基板表面可以被視為在笛卡爾X和y維度中延伸，而線環也延伸到Z維度中。所得的集成電感器可以由此被指定為與使用平坦結構形成的集成電感器相對的三維電感器。
[0021]每個電感器連接部分耦合到一對線環。如名稱所暗示的，每個電感器連接部分起到互連對應的線環對的作用。例如，若有三個線環，其范圍從第一線環、第二線環，到最后是第三線環，那么就會有至少兩個對應的電感器連接部分。在此類實施例中，第一線環的一端線焊到電感器連接部分中的第一電感器連接部分。類似地，第二線環的一端也線焊到第一電感器連接部分。第二線環的剩余端線焊到第二電感器連接部分。最后，第三線環的一端也線焊到第二電感器連接部分。更一般地，若三維電感器包括N個線環(N是大于等于2的整數)，那么至少有N-1個電感器連接部分。
[0022]再次參見具有三個線環的示例三維電感器，將會領會第二線環的兩端都被耦合到對應的電感器連接部分--一端親合到第一電感器連接部分，而剩余一端親合到第二電感器連接部分。第一線環的一端耦合到第一電感器連接部分，但是該第一線環肯定有另外一端。第一線環的這一“自由”端形成了所得三維電感器的第一端子。類似地，第三線環一端耦合到第二電感器連接部分，但是當然也有另一端。第三線環的這一剩余端形成了三維電感器的剩余第二端子。無論三維電感器實施例中使用的線環的數目是多少，一個線環可以被視為“開始”線環，其中其會具有自由端中的一者。類似地，另一線環可以被視為“結束”線環，其中其會具有剩余的自由端。正是這兩個線環為三維電感器提供了第一和第二端子。
[0023]支持三維電感器的基板還支持金屬絕緣體金屬(MIM)電容器。三維電感器的端子中的一者線焊到MM電容器。就這一點而言，M頂電容器包括通過介電層與第二金屬層分開的第一金屬層。金屬層也可以被指定為金屬極板。第一金屬層位于基板和介電層之間，而第二金屬層在介電層上暴露。換言之，第二金屬層可以被示為基板表面上的“最頂部”金屬層。三維電感器的自由端中的一者線焊到MM電容器的暴露的第二金屬層。這是十分有益的，因為線焊導致三維電感器和M頂電容器之間實質上沒有寄生互連電阻。互連的三維電感器和M頂電容器可以形成提供比常規集成諧振儲能架構更高的品質因數的集成諧振儲能電路。此外，該品質因數的改進是以低成本提供的，因為線焊工藝是經濟且可靠的。此外，由于使用了額外的維度，三維電感器的基板占用小于常規二維電感器。這些有益特征可通過以下對一些示例實施例的討論來更好地領會。
[0024]示例實施例
[0025]現在轉向附圖，圖1A是集成無源器件(IPD)封裝100內的示例三維電感器110的立體圖。三維電感器110可以被集成到基板102(諸如玻璃基板、半導體基板或者有機基板)上以形成諧振儲能電路。電感器110包括多個線環，包括線環135、線環140和線環145。電感器110還包括多個電感器連接部分，諸如電感器連接部分155和電感器連接部分160。與都呈拱形遠離平坦基板表面150的線環135、140和145相反，電感器連接部分155和160是基本平行于基板表面150定義的平面的平坦結構。由此，如早前所討論的，電感器110是“三維”電感器的實施例。同樣如早前所討論的，線環中的開始線環會具有不連接到任何電感器連接部分的一端。正是該自由端可以有益地線焊到MM電容器。例如，線環135可以被視為開始線環，其具有線焊到MIM電容器105的端165。端165由此是電感器110的第一端子。電感器連接部分155將線環135與線環140串聯耦合。類似地，電感器連接部分160將線環140與線環145串聯耦合。線環145可以被視為電感器中的結束線環，從而線環145的一端170形成了電感器110的相對第二端子。端170可以線焊到焊盤或者去往電感器110的其他合適的互連。將會領會，線環的數目可以從針對電感器100所示的三個而改變。一般，線環的數目取決于期望的電感和其他因素。例如，僅具有兩個線環的實施例會具有一個電感器連接部分。類似地，具有四個線環的實施例會具有三個電感器連接部分。由此可以看出，電感器連接部分的數目比線環的數目少一個。
[0026]圖1B是線環145的線焊端165和MM電容器105的橫截面示圖。M頂電容器105可包括通過介電層125與第二金屬層或極板115絕緣的第一金屬層或極板120。由于線焊，線環135直接耦合到金屬層115，并且由此跨絕緣介電層125電容性地耦合到金屬層120。用這種方式，三維電感器100(圖1A)通過第一線環135的線焊端165耦合到MM電容器105。再次參見圖1A，MIM電容器105可以位于基板102上的鈍化層或介電層130內。在一個實施例中，MIM電容器105定義了基本平行于基板102的平坦表面150的平面。因為該平坦性，M頂電容器105可以被視為包括二維結構。類似地，電感器連接部分155和160也可以被視為包括二維結構。相反，線環或線圈135、140和145在基板表面150定義的平面上形成拱形。由此，與MIM電容器105相反，電感器110可以被視為包括三維結構。
[0027]在一些實施例中，為了使得三維電感器110的所得電感最大化，每個線環的中心都可沿著電感器110的縱軸而對齊。用這種方式，流經每個線環的電流所感生的磁場增強了剩余線環所產生的磁場。給定此類對齊，電感器連接部分155和160也可以對齊從而彼此基本上平行。但是將會領會，在替換性實施例中，線環中心不需要被縱向對齊。例如，電感器連接部分160所具有的縱軸可相對于電感器連接部分155的縱軸傾斜。由此，存在其中與圖1A的三維電感器相反，各電感器連接部分彼此不平行的替換性實施例。
[0028]電感器連接部分155和10可包括圖案化金屬層，諸如圖案化銅或鎳金屬層。例如，銅可以被電鍍到基板102上以形成電感器連接部分155和160。與第一金屬層120和第二金屬層115相反，在一些實施例中，形成電感器連接部分155和160的金屬層相對較厚(諸如，厚度至少20微米)從而增加電感器品質因數。相反，第一金屬層115和第二金屬層120在一些實施例中可以相對較薄。例如，第一金屬層115和第二金屬層120可以在厚度上僅有幾微米(或更少)，從而它們的周界可以被精確地定義。用這種方式，在此類實施例中，電容器105的所得電容也被精確定義。此外，若與電感器連接部分155和160相比，金屬層115和120相對較薄，那么電容器105的寄生電感就被降低。
[0029]為了在M頂電容器105和三維電感器110之間提供有益的低寄生電阻，線環135的端165直接線焊到第二金屬層115。替換地，金屬焊盤(未解說)可以沉積在第二金屬層115上，從而線環135的端165線焊到該焊盤而非直接線焊到第二金屬層115。若第二金屬層115太薄不能接受線焊，那么使用此類焊盤是有益的。例如，若第二金屬層115比2到3微米還薄，那么它就太薄了，以至于線焊將會不成功。在此類實施例中，形成在附加金屬層中的焊盤(未解說)會由此允許線環135的端165線焊到第二金屬層115。
[0030]線環135、140和145可以具有足夠大的直徑來提供低電阻。例如，在一些實施例中，線環135、140和145可以各自具有至少100微米的直徑。由于線焊工藝，端165會被加寬，因為其與第二金屬層115接合，從而端165會具有如圖1B中所示的直徑D，其甚至大于線環135的本體的直徑。由此，線環145的端165的表面積相對較大，從而寄生電阻被最小化。相反，常規電感器到電容器互連可包括第二金屬層115的圖案化以還形成進而耦合到線圈135的端165的導線。如之前所討論的，第二金屬層115可以相對較薄，從而從這種類似的薄金屬層形成的互連會比端165到第二金屬層115的線焊的電阻大很多。
[0031]供電流流過線環135的端165和第二金屬層115之間的接口151的橫截面積由3i(D/2)2=(ji/4)D2來大約給出，其中D是線環135的端165的直徑。若第二金屬層115形成長度為D的常規導線(未示出)以用于將電容器105互連到電感器110，所得電感器到電容器互連會具有D*t的橫截面積，其中t是第二金屬層115的厚度。端165的橫截面積與此類常規互連橫截面積之比由此為Ji*D/t。因為一般線圈的D可以大約為100微米或者更大，而厚度t可以相對薄，諸如3微米，線焊互連151提供了常規電感器到電容器互連的100倍的橫截面積。由此，將三維電感器的自由端線焊到電容器的暴露金屬層提供了與常規電感器到電容器互連相比顯著降低的寄生電阻。電容器105和電感器110可以被認為是串聯耦合或并聯耦合的。如諧振儲能領域中所公知的，此類耦合所得諧振頻率與1/(L*C)的平方根成正比，其中L是電感器110的電感，且C是電容器105的電容。出于以上所討論的理由，所得諧振儲能電路有益地具有高品質因數。此外，由于電感器的線焊，所以該構建是相對經濟的。現在將討論一些示例制造方法。
[0032]示例制造方法
[0033]如圖2A中所示，封裝100的制造可以通過將第一金屬層120沉積到基板102的表面150上開始。例如，鋁或其他金屬(諸如銅或鎳)可以被噴濺或鍍敷到表面150上，并且被圖案化以形成第一金屬層120。在一些實施例中，第一金屬層120的厚度可以僅由幾微米或更小以增強其圖案化的精度。進而，此類精度降低了所得M頂電容器105的電容容限。
[0034]可以隨后使用例如介電材料(諸如Al203、Ta205、SiNx、Zr02、Al203/Zr02夾層、SrT13和BaxSr1-xTi03)的原子層沉積來沉積介電層125。將會領會，各種各樣的其他介電材料也可以適于形成介電層125。例如，介電層125可包括氧化鉭。介電層125可以被相對薄地沉積以增強所得MM電容器105的電容。例如，在一些實施例中，介電層125可以具有數十到數百埃的厚度。
[0035]在介電層125被沉積且圖案化之后，第二金屬層115可以如類似于針對第一金屬層120所討論的那樣被沉積和圖案化。可以隨后諸如通過聚酰亞胺或其他類型的介電聚合物(諸如味之素構建膜或者基于苯并環丁烯的聚合物)的旋涂層沉積介電層130。替換地，介電層130可以被層壓到基板102上。無論其如何沉積，介電層130隨后不僅會覆蓋基板102也會覆蓋MIM電容器105。介電層130可以被圖案化以暴露第二金屬層115。替換地，M頂電容器105可以在介電層130沉積之前被遮蔽。
[0036]如圖2B中所示，電感器連接部分(諸如部分155)可以隨后被沉積到介電層130上。例如，金屬(諸如銅或鎳)可以被電沉積或鍍覆到介電層130上。在一些實施例中，電感器連接部分可以相對較厚(諸如厚度為數十微米)，從而增強所得三維電感器的電感。
[0037]隨著電感器連接部分的形成，線環可以被線焊到電感器連接部分以及線焊到MM電容器105。例如，如圖2C中所示，線環135可以線焊到第二金屬層115以及線焊到電感器連接部分155。剩余線環被類似地線焊以完成諧振儲能封裝。例如，再次參見圖1A，線環140被線焊到電感器連接部分155和160。就這一點而言，線環140被線焊到毗鄰電感器連接部分155的第一端的電感器連接部分，而線環135被線焊成毗鄰于電感器連接部分155的相對第二端。類似地，線環145被線焊到電感器連接部分160，且也線焊到焊盤170。
[0038]如圖3的流程圖中所示，可以概括一種制造方法實施例。該方法在步驟300以在基板上形成電容器開始，該電容器包括基板上的金屬極板。此類步驟的一個示例是如針對圖2A所討論的M頂電容器105的形成。特別地，金屬層115提供了步驟300中的金屬極板的示例。
[0039]該方法還包括在基板上形成電感器的步驟305，該電感器包括從第一線環的一端延伸向第二線環的一端的一系列線焊線環。此類步驟的一個示例在上文被諸如針對圖2C的線環135討論。
[0040]最后，該方法包括將第一線環的該端接合到金屬極板的動作315。此類動作的一個示例也在上文針對圖2C的線環135討論。用這種方式，包括電感器和電容器的諧振LC儲能電路以非常經濟且具有高品質因數的方式被集成到基板上。
[0041 ] 現在討論示例電子系統。
[0042]示例電子系統
[0043]包括本文中公開的諧振儲能電路的封裝可以被納入到各種各樣的電子系統中。例如，如圖4中所示，蜂窩電話400、膝上型設備405和平板PC 410都可以包括納入根據本公開構建的諧振儲能電路的集成電路封裝。其他示例性電子系統(諸如音樂播放器、視頻播放器、通信設備和個人計算機)也可以用根據本公開構建的集成電路封裝來配置。
[0044]如本領域普通技術人員至此將領會的并取決于手頭的具體應用，可以在本公開的設備的材料、裝置、配置和使用方法上做出許多修改、替換和變動而不會脫離本公開的精神和范圍。有鑒于此，本公開的范圍不應當被限定于本文中所解說和描述的特定實施例(因為其僅是作為本公開的一些示例)，而應當與所附權利要求及其功能等同方案完全相當。
【主權項】
1.一種電路，包括: 包括表面的基板； 與所述基板集成的電容器，所述電容器包括毗鄰所述表面的金屬極板；以及 配置為從所述表面伸出的一系列線環，其中各所述線環耦合在一起以形成從所述線環中的第一線環的第一端延伸到所述線環中的最后線環的一端的電感器，其中所述第一線環的所述第一端接合到所述電容器的所述金屬極板。2.如權利要求1所述的電路，進一步包括，毗鄰所述表面的第一電感器連接部分，其中所述第一線環的第二端線焊到所述第一電感器連接部分，并且其中所述線環中的第二線環的第一端線焊到所述第一電感器連接部分。3.如權利要求2所述的電路，進一步包括，毗鄰所述表面的第二電感器連接部分，其中所述第二線環的第二端線焊到所述第二電感器連接部分，并且其中所述線環中的第三線環的第一端線焊到所述第二電感器連接部分。4.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述基板包括玻璃基板。5.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述基板包括有機基板。6.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述基板包括半導體基板。7.如權利要求1所述的電路，進一步包括在所述基板的所述表面上的焊盤，其中所述最后線環的所述端線焊到所述焊盤。8.如權利要求1所述的電路，進一步包括在所述金屬極板的暴露表面上的焊盤，所述第一線環的所述端通過所述焊盤線焊到所述金屬極板。9.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述金屬極板包括第二金屬層，所述電容器進一步包括: 在所述基板的所述表面上的第一金屬層；以及 布置在所述第一金屬層和所述第二金屬層之間的介電層，并且其中所述第一線環的所述第一端線焊到所述金屬極板。10.如權利要求1所述的電路，其特征在于，每個線環包括銅或金線環。11.如權利要求1所述的電路，其中所述電路被結合在以下至少一者中:蜂窩電話、膝上型設備、平板設備、音樂播放器、通信設備、計算機和視頻播放器。12.一種方法，包括: 在基板上形成電容器，其中形成所述電容器包括形成金屬極板； 在所述基板上形成電感器，其中形成所述電感器包括在所述基板上形成從第一線環的第一端延伸到最后線環的一端的一系列線焊線環；以及 將所述第一線環的所述第一端接合到所述金屬極板。13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，形成所述電容器包括: 在所述基板的表面沉積第一金屬層； 在所述第一金屬層上沉積介電層；以及 在所述介電層上沉積第二金屬層，其中所述金屬極板包括所述第二金屬層。14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，沉積所述第一和第二金屬層包括噴濺，并且其中接合所述第一線環的所述第一端包括將所述第一線環的所述端線焊到所述金屬極板。15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述噴濺包括噴濺鋁。16.如權利要求12所述的方法，進一步包括，在所述基板的表面上沉積介電層。17.如權利要求16所述的方法，進一步包括在所述介電層的表面上電鍍電感器連接部分，其中形成所述電感器包括將所述第一線環的第二端線焊到所述電感器連接部分，以及將第二線環的第一端線焊到所述電感器連接部分。18.—種電路，包括: 基板； 與所述基板集成的電容器； 多個線環，包括具有第一端的第一線環； 用于將所述線環耦合在一起的裝置，其中所述第一線環的所述第一端接合到所述電容器。19.如權利要求18所述的電路，其特征在于，所述電容器包括第一金屬層、第二金屬層和布置在所述第一和第二金屬層之間的介電層，并且其中所述線環的所述第一端接合到所述第二金屬層。20.如權利要求18所述的電路，其特征在于，所述裝置包括至少一個平坦電感器連接部21.如權利要求20所述的電路，其特征在于，所述至少一個平坦電感器連接部分包括多個平坦電感器連接部分。22.一種諧振儲能電路，包括: 電容器；以及 電感器，包括安排成從第一線環到最后線環的多個線環，其中所述第一線環的一端接合到所述電容器。23.如權利要求22所述的諧振儲能電路，進一步包括基板，其中所述電容器和所述電感器集成到所述基板上。24.如權利要求23所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述基板包括玻璃。25.如權利要求23所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述基板包括硅。26.如權利要求23所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述基板包括有機基板。27.如權利要求22所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述諧振儲能電路是串聯諧振電路。28.如權利要求22所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述諧振儲能電路是并聯諧振儲能電路。29.如權利要求22所述的諧振儲能電路，進一步包括集成到所述基板上的至少一個電感器連接部分，其中所述線環線焊到所述至少一個電感器連接部分。30.如權利要求29所述的諧振儲能電路，其特征在于，所述線環包括銅或金。
【文檔編號】H01L23/522GK105874594SQ201480070185
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年12月16日
【發明人】C·左, M·F·維綸茨, J·金, D·D·金, C·H·尹
【申請人】高通股份有限公司