[发明专利]基于3D打印制备微电感的方法

说明书

本发明涉及基于3D打印制备微电感的方法，属于微电感制作技术领域，所述打印制备的微电感为立体电感或平面微电感；该方法包括：首先在衬底上沉积SiO₂薄膜；采用电子束蒸发沉积作为缓冲层和种子层，改善微电感线圈与衬底的结合；沉积金属材料薄膜作为微电感线圈；利用MEMS工艺将金属薄膜加工成微电感线圈以及电极；利用3D打印喷头在微电感线圈的上方区域打印铁磁性材料；对铁磁材料进行烧结并同时采用施加同方向外磁场，使铁氧体材料晶化，磁矩取向排列统一，有利于提高铁氧体材料的磁导率和饱和磁化强度。本发明将3D打印技术与微电感技术相结合，采用施加外磁场和选择性局部制备铁磁性材料，实现高性能片上微电感的大规模制备。

技术领域

本发明属于微电感制作技术领域，特别地涉及基于3D打印制备微电感的方法。

背景技术

在过去的几十年里,半导体信息技术的飞速发展促使电子产品向高集成度、微型化、智能化、低功耗等方向发展,最终的目标是将各种功能单元实现在一个单一的芯片上。目前4G、5G移动通讯以及物联网技术的推广与发展，电源管理和高速数据传输对IC集成电路的要求也愈来愈高。微电感作为IC集成电路中不可或缺的无源感性器件，能够将电能转换成磁能，可以实现交流信号的“低通高阻”，逐步应用于智能电器中的电源能量管理(如功率电感)、生物医疗(用于能量传输的微型电感)、无线通信电路(如射频收发电路中的滤波器压控振动器、混频器、功率放大器和低噪声放大器等模块中。目前传统的片外分立式电感器件，在电子电路中占去了很大比例空间，生产成本较高，另外其管脚引线还引来了额外的寄生损耗，已不能满足现在人们对于电子产品高集成度、低功耗和高性能的需求。

微电感主要包括三个部分：衬底、线圈和磁性材料层。根据空间结构，微电感线圈又分为平面式微电感和三维立体微电感。微电感的主要的性能指标包括电感量L、品质因子Q、截止频率f₀和适宜工作频率f_max。为了解决传统平面螺线电感电感量L和品质因子Q较低的问题，目前研究手段主要包括：(1)采用悬浮、三维立体结构或厚绝缘层将电感线圈同衬底隔离，或利用CMOS多层布线工艺将金属导线构制成层叠的螺旋线圈结构设计用特殊衬底材料，从而达到减小衬底涡流和漏电损耗的目的；但是这些加工制备工艺非常复杂，需要多层制版，期间还需要设计多层光刻版之间相互套刻，成本昂贵工艺复杂，尤其三维立体式结构的加工制备。此外在加工制备过程中，很容易造成电感线圈金属的腐蚀或刻蚀损伤，降低微电感的电磁性能。(2)基于磁芯磁通增强原理，通过在微电感中引入磁性薄膜的方法使电感线圈的磁通量增加，可改善微电感的电感量L和品质因数Q。磁性材料的选择可以从软磁合金(CoNbZr、CoZrTa、CoFe、NiFe坡莫合金等)到软磁铁氧体(NiZnCuFeO、YBiFeO)。对于软磁合金材料，在高频磁场中，其涡流损耗较大，不利于提高微电感性能。软铁氧体薄膜是绝缘材料，其涡流损耗可以忽略不计，但在传统加工制备过程中所需要温度过高(600-750℃)，会加快局域电感线圈的金属扩散，降低器件性能，这种方法也与传统的IC加工工艺不兼容。另外，采用涂覆工艺在微电感集成制备的磁性颗粒复合材料也容易剥离和脱落。综上，传统微电感线圈主要采用MEMS或微纳加工工艺进行制备，但加工工艺复杂，尤其立体螺旋式电感。传统的加工工艺：首先需要制备多层光刻板，再者层与层互联线圈区域需要采用通孔设计进行相连，最后由于由于工艺复杂，在螺旋式微电感的中心沉积生长铁磁性材料比较困难，一般这种工艺制备的微电感的电感值和品质因子难以得到较大幅值的提高。