一種單片集成微型變壓器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種單片集成微型變壓器，包括襯底，完全或部分嵌入襯底上表面的第一金屬線圈，完全或部分嵌入襯底下表面的第二金屬線圈，第一金屬線圈和第二金屬線圈可通過磁場耦合。本發明微型變壓器的兩個金屬線圈分別全部或部分嵌入襯底的上、下表面，可有效利用襯底面積，實現較大的電感；且能制作厚度較厚的線圈，實現較小的電阻；嵌入式的結構增大了金屬線圈與襯底的接觸面積，不易發生溫度升高引起熱應力致使線圈脫落的現象，增加了該結構的可靠性。
【專利說明】
一種單片集成微型變壓器
技術領域
[0001]本發明涉及集成電路和電子元件，特別涉及用于信號傳輸、能量傳輸及隔離的單片集成微型變壓器。【背景技術】
[0002]高壓隔離是指在具有高電壓差的兩個電路之間實現信號和能量傳輸的技術，在工業、汽車、發電、電信、醫療等多個領域具有廣泛需求。微型變壓器隔離技術作為一種極具競爭力的新興隔離技術，具有速度快、功耗低、集成度高等優點，而且能實現隔離式能量傳輸， 正不斷占據更大的市場份額。
[0003]S.Y.(R.)Hui等(S.Y.(R.)Hui，H.S._H.Chung，and S.C.Tang，“Coreless printed circuit board(PCB)transformers for power M0SFET/IGBT gate drive circuits,” IEEE Transact1ns on Power Electronics，vol ? 14，no ? 3，1999 ?)報道了一種微型變壓器，如圖1所示，其兩個線圈11和12分別位于印制電路板襯底10的上、下表面，兩個線圈之間通過印制電路板襯底10進行隔離。但是，該微型變壓器存在如下缺陷:其一，該微型變壓器的金屬線圈只有底面與襯底接觸，在發熱情況下由于熱應力的作用很容易從襯底上脫落； 其二，該微型變壓器的金屬線圈形成于襯底表面，受工藝限制不易得到厚的線圈，特別是在線圈的線寬較小的情況下;其三，該微型變壓器兩金屬線圈之間為印制電路板，線圈之間的間隔較遠，耦合較差。
【發明內容】
[0004]本發明針對【背景技術】存在的缺陷，提出了一種新的單片集成微型變壓器。本發明微型變壓器的兩個導體線圈分別位于襯底的上、下表面，并部分或全部嵌入襯底，每個線圈均可利用全部襯底面積，有利于實現大電感;可充分利用襯底厚度得到較厚的線圈，有利于實現小電阻;兩個導體線圈通過絕緣襯底或絕緣層隔離，有利于實現高隔離能力;線圈之間的距離為襯底厚度減去兩個線圈的厚度，距離較小，有利于實現好的線圈耦合;線圈從三面與襯底接觸，不易脫落。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]—種單片集成微型變壓器，其特征在于，包括襯底1，完全或部分嵌入襯底1上表面的第一金屬線圈21，完全或部分嵌入襯底1下表面的第二金屬線圈22,第一金屬線圈21和第二金屬線圈22可通過磁場親合。
[0007]進一步地，所述第一金屬線圈21和襯底1之間設置第一絕緣層31。
[0008]進一步地，所述第二金屬線圈22和襯底1之間設置第二絕緣層32。[0009 ]進一步地，所述襯底1上表面或上方設置第一磁性材料層，第一磁性材料層可以為圖形化磁性材料組成。
[0010]進一步地，所述襯底1下表面或下方設置第二磁性材料層，第二磁性材料層可以為圖形化磁性材料組成。
[0011] 進一步地，所述微型變壓器中的第一金屬線圈21和第二金屬線圈22可分別從所述襯底(1)上方和下方與外界電學連接;或者將第二金屬線圈22通過金屬通孔23連接到襯底1 上表面后，從襯底1的上表面同時實現第一金屬線圈和第二金屬線圈與外界的電學連接。 [〇〇12]進一步地，所述金屬通孔23的截面為圓形、矩形、三角形等形狀。
[0013]進一步地，所述第一金屬線圈21和第二金屬線圈22中的金屬線條的截面為矩形、 橢圓形等形狀。
[0014]進一步地，所述金屬通孔23與襯底1之間設置第三絕緣層33。
[0015]進一步地，所述金屬通孔23全部或部分填充導電金屬。
[0016]進一步地，所述第一絕緣層31、第二絕緣層32和第三絕緣層33為硅氮化物、硅氧化物、硅氮氧化物中的一種或兩種以上組成的絕緣層，采用熱氧化、化學氣相沉積、旋轉涂布等方法制備得到。
[0017]進一步地，所述襯底1的材料為硅、玻璃、石英、有機基板等，厚度為100?1000WI1。
[0018]進一步地，所述第一金屬線圈21和第二金屬線圈22為銅、金、鋁、鎢、鉭等金屬及其氮化物、合金中的一種或兩種以上組成，采用電鍍、濺射、蒸發、化學氣相沉積等方法制備得至IJ;所述第一金屬線圈21和第二金屬線圈22厚度為10?400mi，線寬為5?200mi，線間距為5 ?200wii，線圈的深寬比為4:1以上，可在增大電感密度的同時減小電阻。[〇〇19] 進一步地，所述第二金屬線圈22通過金屬通孔23實現與襯底上表面的電連接，所述金屬通孔23的材料為銅、金、鋁、鎢鉭等金屬及其氮化物、合金中的一種或兩種以上組成， 采用電鍍、濺射、蒸發、化學氣相沉積等方法制備得到。
[0020]進一步地，所述第一磁性材料層可為鎳、鐵、鈷等金屬及其合金、氧化物、復合材料中的一種或兩種以上組成，通過電鍍、濺射等方法制備;或者采用磁性材料和非磁性材料交替層疊得到。所述第一磁性材料層可提供一段低磁阻的磁路，形成非閉合磁芯，從而增大變壓器線圈電感以及兩個線圈之間的耦合。[0021 ]進一步地，所述第二磁性材料層可為鎳、鐵、鈷等金屬及其合金、氧化物、復合材料中的一種或兩種以上組成，通過電鍍、濺射等方法制備;或者采用磁性材料和非磁性材料交替層疊得到。所述第二磁性材料層可提供一段低磁阻的磁路，形成非閉合磁芯，從而增大變壓器線圈電感以及兩個線圈之間的耦合。
[0022]進一步地，所述第一磁性材料層與襯底上表面之間可設置絕緣層，所述第二磁性材料層與襯底下表面之間可設置絕緣層。
[0023]—種單片集成微型變壓器，其特征在于，包括襯底(1 )，完全或部分嵌入襯底(1)上表面的一個或兩個以上的金屬線圈，完全或部分嵌入襯底(1)下表面的一個或兩個以上的金屬線圈。
[0024]進一步地，當所述襯底1為絕緣材料時，第一金屬線圈21和第二金屬線圈22之間的隔離通過襯底1實現，第一金屬線圈21和第二金屬線圈22之間的距離為襯底1的厚度減去第一金屬線圈21嵌入襯底的厚度再減去第二金屬線圈22嵌入襯底的厚度，可達到50wii以下， 有助于增加第一金屬線圈21和第二金屬線圈22的耦合。
[0025]進一步地，所述第一金屬線圈21和襯底1之間設置第一絕緣層31、第二金屬線圈22 和襯底1之間設置第二絕緣層32時，當襯底1為絕緣材料時，第一金屬線圈21和第二金屬線圈22之間的隔離通過襯底1、第一絕緣層31和第二絕緣層32實現;當襯底1為非絕緣材料時，第一金屬線圈21和第二金屬線圈22之間的隔離通過第一絕緣層31和第二絕緣層32實現。
[0026]本發明的有益效果為:
[0027]1、本發明微型變壓器的兩個金屬線圈分別全部或部分嵌入襯底的上、下表面，可有效利用襯底面積，實現較大的電感;且能制作厚度較厚的線圈，實現較小的電阻;嵌入式的結構增大了金屬線圈與襯底的接觸面積，不易發生溫度升高引起熱應力致使線圈脫落的現象，增加了該結構的可靠性。
[0028]2、本發明微型變壓器中襯底為絕緣材料時，通過兩個線圈之間的襯底進行隔離， 由于襯底厚度大，易于實現高隔離能力;襯底為非絕緣材料(例如硅)時，通過線圈與襯底之間的絕緣層進行隔離，由于絕緣層是通過化學反應(例如硅熱氧化)或沉積等方法得到的， 因此具有高的擊穿場強，同時該變壓器可設置兩層絕緣層，易于實現高隔離能力。[〇〇29]3、本發明微型變壓器兩個線圈之間的距離為襯底厚度減去兩個線圈嵌入襯底的厚度，可通過增加線圈的厚度來減小兩個線圈之間的距離，從而增加線圈之間的耦合。【附圖說明】
[0030]圖1為【背景技術】中微型變壓器的結構示意圖；其中，10為印制電路板襯底，11和12 為分別位于印制電路板襯底的上、下表面的兩個線圈；
[0031]圖2為本發明提供的一種單片集成微型變壓器的三維結構示意圖；其中，1為襯底， 21為第一金屬線圈，22為第二金屬線圈；
[0032]圖3為圖2單片集成微型變壓器沿X-X’面的截面示意圖；其中，1為襯底，21為第一金屬線圈，22為第二金屬線圈，31為第一絕緣層，32為第二絕緣層；[〇〇33]圖4為本發明另一實施方式的單片集成微型變壓器的三維結構示意圖；其中，1為襯底，21為第一金屬線圈，22為第二金屬線圈，23為金屬通孔；
[0034]圖5為圖4單片集成微型變壓器沿X-X’面的截面示意圖，其中，1為襯底，21為第一金屬線圈，22為第二金屬線圈，31為第一絕緣層，32為第二絕緣層，23為金屬通孔，33為第三絕緣層。【具體實施方式】[〇〇35]下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。
[0036]如圖2和圖3所示，為本發明提供的一種單片集成微型變壓器，包括襯底1，完全或部分嵌入襯底1上表面的第一金屬線圈21，完全或部分嵌入襯底1下表面的第二金屬線圈 22,所述第一金屬線圈21和第二金屬線圈22可通過磁場親合;所述第一金屬線圈21和襯底1 之間設置第一絕緣層31，所述第二金屬線圈22和襯底1之間設置第二絕緣層32,該微型變壓器通過分別位于上表面和下表面的第一金屬線圈和第二金屬線圈與外界電學連接。
[0037]進一步地，當襯底1為絕緣材料時，第一金屬線圈21和第二金屬線圈22之間的隔離通過襯底1、第一絕緣層31和第二絕緣層32實現;當襯底1為非絕緣材料時，第一金屬線圈21 和第二金屬線圈22之間的隔離通過第一絕緣層31和第二絕緣層32實現。
[0038]上述單片集成微型變壓器的制造方法，包括以下步驟:
[0039]步驟1:采用光刻刻蝕工藝、激光刻蝕或激光打孔等工藝在襯底1的上、下表面分別形成金屬線圈圖形的溝槽；
[0040]步驟2:采用熱氧化、化學氣相沉積、旋轉涂布等方法在步驟1形成的溝槽表面形成絕緣層；
[0041]步驟3:采用電鍍、濺射、蒸發、化學氣相沉積等方法在步驟2得到的絕緣層上形成第一金屬線圈和第二金屬線圈。
[0042]如圖4和圖5所示，為本發明提供的單片集成微型變壓器的另一種實施方式，所述單片集成微型變壓器包括襯底1，完全或部分嵌入襯底1上表面的第一金屬線圈21，完全或部分嵌入襯底1下表面的第二金屬線圈22,所述第一金屬線圈21和第二金屬線圈22可通過磁場耦合;所述第一金屬線圈21和襯底1之間設置第一絕緣層31，所述第二金屬線圈22和襯底1之間設置第二絕緣層32,所述第二金屬線圈22的兩端分別通過金屬通孔23連接到襯底1 的上表面，從而在襯底1的上表面實現第一金屬線圈和第二金屬線圈與外界的電學連接，所述金屬通孔23與襯底1之間設置第三絕緣層33。[〇〇43]進一步地，所述第一絕緣層31、第二絕緣層32、第三絕緣層33的材料為二氧化硅、 氮化硅、氧化鋁等，通過硅熱氧化工藝或化學沉積等方法制備得到，其隔離能量最高可達 3kV以上。
[0044]上述單片集成微型變壓器的制造方法，包括以下步驟:
[0045]步驟1:采用光刻刻蝕工藝、激光刻蝕或激光打孔等工藝在襯底1的上、下表面分別形成金屬線圈以及金屬通孔圖形的溝槽；
[0046]步驟2:采用熱氧化、化學氣相沉積、旋轉涂布等方法在步驟1形成的溝槽表面形成絕緣層；
[0047]步驟3:采用電鍍、濺射、蒸發、化學氣相沉積等方法在步驟2得到的絕緣層上形成第一金屬線圈、第二金屬線圈和金屬通孔。
[0048]進一步地，所述金屬通孔完全填充溝槽，或者不完全填充溝槽，能實現第二金屬線圈與襯底上表面之間電連接即可。
[0049]進一步地，所述第二金屬線圈22還可以通過焊接等方式連接到襯底1上表面。
[0050]進一步地，所述微型變壓器的上表面和下表面中的一面或者兩面可設置磁性材料層，以形成非閉合磁芯，增大線圈的電感以及兩個線圈之間的耦合;所述磁性材料層與襯底的上表面或下表面之間可設置絕緣層。
[0051]進一步地，所述第一金屬線圈、第二金屬線圈、金屬通孔在制備時，首先在襯底表面依次制備可增強粘附性的T1、Ta等金屬及其合金、制備可阻擋材料之間擴散的TiN、TaN等金屬氮化物、一級Cu種子層，然后再采用電鍍、濺射、蒸發、化學氣相沉積等方法制備金屬層，從而得到第一金屬線圈、第二金屬線圈和金屬通孔。[〇〇52] 實施例[〇〇53] 本實施例的雙面嵌入式微型變壓器采用如下工藝制備:首先，選取直徑為4英寸、 厚度為360M1、電阻率為56Q ? cm的雙面拋光的P型〈100>硅片作為襯底1，在硅片上、下表面分別生長2wii厚的二氧化硅，用于金屬線圈深硅刻蝕的硬掩膜;然后采用光刻以及二氧化硅干法刻蝕工藝得到第一金屬線圈、第二金屬線圈以及金屬通孔23的圖形，在第一金屬線圈、 第二金屬線圈和金屬通孔的圖形化溝槽內熱生長一層厚度為2wii的二氧化硅作為絕緣層， 用于隔離金屬線圈以及金屬通孔和硅襯底;接著，在硅片刻蝕得到的第一金屬線圈圖形的溝槽內濺射1000A鈦鎢和3wii厚的銅，在刻蝕得到的第二金屬線圈圖形的溝槽內濺射1000A鈦鎢和3wii厚的銅，在刻蝕得到的金屬通孔圖形的溝槽內電鍍銅;最后，將硅襯底下表面剩余的銅磨掉，上表面的銅磨平后再濕法刻蝕形成接觸點，用于與外界進行電學連接。[〇〇54]實施例中第一金屬線圈和第二金屬線圈的面積為2mm2,線圈圈數為9圈，線條寬度為22WH，線條間距為15WH，線條厚度為170WH，第一金屬線圈與第二金屬線圈之間的距離為 20]im〇[〇〇55]實施例得到的單片集成微型變壓器的電學性能如下:直流電阻為0.31 Q ;在20MHz 頻率時，線圈電感為104nH，Q值為8.9，電感電阻比為335nH/ Q ;變壓器耦合因子為0.73，最大傳輸效率為73.2%，電壓隔離能力達到1050V，可用于隔離式功率傳輸電路中。實施例單片集成微型變壓器在較低的工作頻率下實現了高的電感電阻比，可有效降低開關損耗和整理損耗，提高功率傳輸效率。
【主權項】
1.一種單片集成微型變壓器，其特征在于，包括襯底(1)，完全或部分嵌入襯底(1)上表 面的第一金屬線圈(21)，完全或部分嵌入襯底(1)下表面的第二金屬線圈(22)。2.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述第一金屬線圈(21)和 襯底(1)之間設置第一絕緣層(31)。3.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述第二金屬線圈(22)和 襯底(1)之間設置第二絕緣層(32)。4.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述襯底(1)上表面或上 方設置第一磁性材料層。5.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述襯底(1)下表面或下 方設置第二磁性材料層。6.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述微型變壓器中的第一 金屬線圈(21)和第二金屬線圈(22)可分別從所述襯底(1)上方和下方與外界電學連接。7.根據權利要求1所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述微型變壓器可將第二 金屬線圈(22)通過金屬通孔(23)連接到襯底(1)上表面后，從襯底(1)的上表面同時實現第 一金屬線圈和第二金屬線圈與外界的電學連接。8.根據權利要求7所述的單片集成微型變壓器，其特征在于，所述金屬通孔(23)與襯底 (1)之間設置第三絕緣層(33)。9.一種單片集成微型變壓器，其特征在于，包括襯底(1 )，完全或部分嵌入襯底(1)上表 面的一個或兩個以上的金屬線圈，完全或部分嵌入襯底(1)下表面的一個或兩個以上的金屬線圈。
【文檔編號】H01L23/58GK105977240SQ201610325426
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】伍榮翔, 廖倪騰, 方向明
【申請人】電子科技大學