[发明专利]使用由粘合剂粘合的层状纳米复合材料薄膜的磁性器件

说明书

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米磁性结构及其制造方法。

背景技术

高密度电感器对于一些系统功能，如电源转换器、功率放大器、以及功率遥测，是十分重要的。电感器可能是系统板上最大以及最重的组件。

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。这增加了功率模块的尺寸并导致了庞大的系统。将这些庞大的电感器转换成或薄或厚的元件，连同其它有源或无源元件集成到硅、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有源硅衬底上。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。为实现小体积上的大电感，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直接结果。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（嵌入在绝缘基质中的磁性粒子）以及铁素体（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种方法是，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：通过具有绝缘氧化物或气隙的磁芯的适当层压减少高频下的涡流损耗和高磁导率，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系到它们的低电阻，可以在高频下引起实质性的涡流损耗，从而导致低效率。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依次沉积，这使得扩展膜厚度以及实现所需电感性能变得十分缓慢及昂贵。

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米磁性结构，包括：一器件衬底；设置在器件衬底上的多个纳米磁性薄膜或复合材料层，其中，多个纳米磁性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米磁性复合材料层间以形成一电感磁芯，其中，该纳米磁性结构的厚度为约5至约100微米。所述纳米磁性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，如低矫顽力和高场各向异性（或直流饱和磁场）。所述金属绕组可环绕纳米磁性-粘合剂叠压层作为一环形结构来形成。在这种情况下，如果线圈中电流的直流磁场是沿着难磁化轴的话，这是有益的。相反，所述纳米磁性-粘合剂叠压层可环绕金属绕组形成，有时可被称为“罐形磁芯”/“跑道”结构。本发明的实施例适用于纳米磁性薄膜以及以粘合剂粘合的纳米磁性复合材料叠压层。

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频率和直流饱和电流。

其它示例性实施例提供了一制造纳米磁性结构的方法，包括：（a）在一载体衬底上沉积一纳米磁性复合材料薄膜；（b）利用一粘合剂层将纳米磁性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）以达到一预设的约5至约100mm厚的纳米磁性复合材料结构；（e）形成纳米磁性复合材料薄膜；以及（f）将形成的纳米磁性复合材料薄膜与金属绕组集成以形成一电感磁芯。