高电感的平面外电感器的制作方法

专利名称：高电感的平面外电感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电感器，且更具体地涉及适合用于集成电路应用的高 电感的平面外电感器。
背景技术：
众所周知，电感器可应用在集成电路上实现的各种电路中。例如，
电感器可用于增加放大器的带宽。用于集成电路的电感器通常是以a) 平面内螺旋电感器或b)所谓的有源电感器(其使用其它电路器件来模 拟电感器)的形式而实现的。使用平面内螺4t电感器的问题是，平面内 螺旋电感器通常较大，且其有效频率范围受到自谐振的限制。另外， 这种平面内螺旋电感器的磁场会穿过半导体衬底。这将引起不合适的 涡流损耗，降低了可获得的Q值。总的可获得的电感还受到自螺旋中 心向外延伸的平面内螺旋电感器的各匝线圈均具有更大半径的限制。
虽然有源电感器可能相对较小，并且典型的有源电感器具有比平 面内螺旋电感器更大的频率范围，但是用于有源电感器的常规设计都 会遭遇到相对于供电电压而言，需要在有源电感器上承受相对较大的 压降的问题。在本领域中朝着降低供电电压使用的趋势下，为了降低 功率消耗，为现有技术的有源电感器运行所需的相对较大的压降变得 有些问题，因为其没有保留足够的剩余压降用于与有源电感器耦合的 放大电路，以使其正确运行。此外，在低功率应用中，例如电池供电 的应用中，有源电感器中的恒定的功率使用可能未必耗尽电池，从而 限制了该装置对于单次电池充电的有效运4亍时间。
在2003年12月6日的微机电系统期刊第12巻中出版的Chistpher L Chual等人的"Out-of-plane， high-Q Inductors on Low-ResistanceSilicon"论文中公开了 一种基于金属的平面外高电感的电感器。总地说 来，这是利用一种加有应力的金属薄膜而实现的，该金属薄膜在其下 层是更为压缩的而在其上层是更为拉伸的，因而其具有巻曲的自然趋 势，并从而形成互锁的弹簧副，以形成用于线圏绕组的完整模板。然 后用铜电镀线圈绕组以形成电感器。不利的是，形成线圏绕组所需要 的处理工艺有些复杂。此外，线圏绕组必须形成在硅衬底上。因此， 不能将电感器作为单独的部件而制造出来。另外，各个最终的线圈绕 组必须对其自身进行机械探声，并且必须包含锁紧机构，因而各个线 圈绕组相对较宽，例如200微米。为了确保各个线圏绕组没有短路， 线圏绕组的节距必须大约为230微米。对宽度和节距的前述限制限制 了线圈绕组的数量，即每单位长度可获得的匝数，因此在给定覆盖区 中可获得的总的电感是受到限制的。

发明内容
本人已经认识到根据本发明原理，通过在平的柔性基底上形成传 导元件，可取得适用于集成电路应用的高传感系数的平面外电感器， 这些传导元件布置成一种图案，使得当平的柔性基底巻曲时，l)传导 元件同样巻曲，且2)其中的不同传导元件的相对末端发生传导接触， 从而使用其中至少两个传导元件而形成传导线圏。柔性基底可通过加 热而发生巻曲，并且传导元件的末端一旦发生传导接触就可结合在一 起。通常，正是其中相邻的传导元件的相对末端在柔性基底充分巻曲 以形成筒形形状时发生接触而形成传导线圈。传导线圏由至少一个、 且通常不止一个的所谓线匪组成。在柔性基底上可形成额外的导体， 以用作导线，从而提供至最终传导线圏上的连接。
通常柔性基底是形成在衬底上的聚合物薄膜，其至少部分地覆于 牺牲层上。适合于实现柔性基底的示范性聚合物薄膜，包括旋涂 (spin-on)聚酰亚胺类型的聚合物和苯并环丁烯基(BCB)聚合物。任何传 导材料都可用于形成传导元件，但传导元件通常是金属的。当使用金属来形成传导元件时，优选采用高传导率的金属例如金、铜和铝。发 生传导接触的金属结构的相对末端可利用任何常规的结合技术进行
结合，例如，利用焊料隆起焊盘(solder bump)或热压结合，尤其当采 用的金属是金时。
柔性基底的一部分如伸出线圈的一部分可用作一种基底，在该基 底上可附接一个或多个芯片如安装的倒装芯片，或者附接其它构件。
有利的是，同现有技术相比，各线匝相比现有技术均可相对较窄， 例如大约2微米，并且线匝的节距还可相比现有技术较小，例如大约 2.3微米。因此，对于相同的单位长度，可获得比现有技术大100倍 的传感系数。
附图简要说明 附图中


图1显示了根据本发明原理而布置的电感器的一个示范性实施
例；
图2显示了未巻曲且可能未松开的示范性电感器基底的顶视图， 其上沉积有导线、触头和引线；
图3显示了图2未巻曲且可能未松开的示范性电感器基底的透视
图4显示了图2示范性的电感器基底的透视图，此时其已开始巻
曲；
图5显示了图1的示范性电感器，在其上安装有芯片； 图6显示了安装在芯片上的图1的示范性电感器；和 图7显示了当采用可选的焊料隆起焊盘时但在结合之前的图1的 示范性电感器。
详细描述
以下仅举例说明本发明的原理。因而应该懂得，本领域中的技术人员将能够设计各种装置，这些装置虽然没有在文中进行明确地表述 或显示，但其体现了本发明的原理，并且包含在本发明的精神和范围
导目的，以有助于读者理解本发明的原理和由发明人进一步地贡献于 本领域的概念，并且应认为其不局限于这种特别^ I述的示例和条件。 此外，文中引述的本发明原理、方面和实施例及其特定示例的所有陈 述都意图包含其结构和功能上的等效物。另外，这种等效物意图包括 目前己知的等效物以及未来研制出的等效物，即不管结构如何都能执 行相同功能的任何元件。
因而，例如，本领域中的技术人员应该懂得文中的任何简图都代
表示例性装置的概念图，体现本发明的原理。
在权利要求中，表述为用于执行规定功能的装置的任何元件都意
图包含任何执行该功能的方法。这可包括例如a)执行该功能的电气元 件或机械元件的组合或b)任何形式的软件，因此包括与用于执行该软 件的合适电路相组合以执行该功能的固件、微代码等，以及如果有的 话，还包括联接至软件控制电路上的机械元件。由这样的权利要求所 限定的本发明其特征在于，由各种引述的装置所提供的功能是以权利 要求所要求的方式相组合并放在一起的。申请人因而将任何可提供这 些功能的装置都认作是本文中所示装置的等效物。
除非本文明确指出之外，否则附图并不是按比例绘制的。 在描述中，不同附图中的相同标号的构件表示相同的构件。 根据本发明原理，通过在平的柔性基底上形成传导元件，可取得 适用于集成电路应用的高传感系数的平面外电感器，这些传导元件布 置成一种图案，使得当平的柔性基底巻曲时l)传导元件同样地巻曲， 以及2)其中的不同传导元件的相对末端发生传导接触，以便使用其中 的至少两个传导元件来形成传导线圈。柔性基底可通过加热而发生巻 曲，并且传导元件的末端一旦发生传导接触就可结合在一起。通常， 正是其中的相邻传导元件的相对的末端在柔性基底充分巻曲以形成圆筒时发生接触而形成传导线圈。在柔性基底上可形成额外的导体， 以用作导线，从而提供至最终传导线圏上的连接。柔性基底还可形成 一种基底，其上附接有一个或多个芯片如安装的倒装芯片或附接有其 它构件。
图1显示了根据本发明原理而布置的高传感系数的平面外电感器
的一个示范性实施例。图1中显示了电感器101，包括a)电感器基 底103; b)导线105,包括导线105-1至105-N; c)触头107，包括触 头107-1和触头107-2;以及d)引线109,包括引线109-1和引线109-2。 电感器基底103通常是一种聚合物薄膜，其适合于在其上形成传 导元件即导线。优选的是，组成电感器基底103的聚合物薄膜应足够 柔韧，使其可巻曲。为此，组成电感器基底103的聚合物薄膜的热膨 月长系数，可能需要比沉积在电感器基底103上以形成导线105的传导 元件的热膨胀系数大得多。若如此，则加热电感器基底103和其上的 构件将造成电感器基底103巻曲，除开电感器基底103可能必须如此 进行的任何内在倾向之外。适合于实施本发明的示范性聚合物薄膜，
光敏聚合物可通过平版印刷技术而生成图案。
导线105形成在电感器基底103上。导线105可由任何传导材料 制成，其可以所需的形状粘附在电感器基底103上。通常导线105由 金属制成。关于这一点，虽然可使用任何类型的金属，但优选采用高 传导率金属例如金、铜和铝。本领域普通技术人员众所周知的是，例 如通过蒸发可以很容易地在电感器基底103上产生这些金属膜，并且 所产生的膜可通过平版印刷技术而生成图案，以形成导线105。所采 用的传导材料的类型将主要影响在电感器101的具体实现中固有的寄 生电阻。
触头107用于将电感器101电联接至其它电路元件上。触头107 可由任何传导材料制成，其可以所需的形状粘附在电感器基底103上。109-1将触头107-1联接至导线105-1上，而引线109-2将触头107-2 联接至导线105-N上。引线109可由任何传导材料制成，其可以所需 的形状粘附在电感器基底103上。引线107通常但不必由与导线105 和触头107相同的材料制成。
导线105布置成一种图案，使得当在电感器基底105发生巻曲时， 各个导线105均成为从引线109-1伸展至引线109-2的一段单根导线。 此单根导线是电感器101的线圈，并且各导线105均相当于该线圈的 一匝。电感器101的传感系数与以下参数成正比a)每单位长度平方 的匪数，即与节距平方成反比；b)电感器沿盘绕方向的全长；以及c) 电感器的横截面积。有利的是，各线匝同现有技术相比均可相对较窄， 例如大约2微米，并且线匝的节距同现有技术所获得的节距相比也可 相对较小，例如大约2.3微米。结果，对于相同的单位长度，可获得 比现有技术大IOO倍的传感系数。
电感器101可通过以常规方式沉积金属，以便在将成为电感器基 底105的薄膜上形成导线105而制成。薄膜通常形成在平的表面上，
至少部分地蚀刻将留下至少一部分薄膜能够自由巻曲。通过完全蚀刻 掉牺牲层还可使薄膜与衬底完全分离。
图2显示了未巻曲且可能未松开的示范性电感器基底103的顶视 图，在该基底103上沉积有导线105、触头107和引线109。各导线 105均形成为带有偏移的图案，以便当电感器基底103适当巻曲时， 位于距触头107最远的各个导线105的末端定位成使得该导线末端将 与相邻导线105的最接近触头107的末端相遇。例外情况是导线105-1 将与引线109-1而非另一导线105相遇。换句话说，其中一个导线105 的末端213均与相邻导线105的末端211的位置相对准，除了末端 213-1与引线109的末端211-0对准以外。
图2还显示了可选的焊料隆起突盘215。焊料隆起突盘215可用 于将导线105的末端213结合在相应的相邻导线105的对准末端211或引线109的末端211-0上。
图3显示了图2未巻曲且可能未松开的示范性电感器基底103的 透视图，在该基底103上沉积有导线105、触头107和引线109。在 图3中，更容易看到可选的焊料隆起突盘215。图4显示了已除去电 感器基底103下的至少部分牺牲层(未显示)时的图2的示范性实施例 的透视图，这样电感器基底103的此部分从形成于其上的表面松开， 并且电感器基底103已经开始巻曲。
图7显示了当采用可选的焊料隆起突盘215时，在合适的末端进 行结合之前的电感器101的一个实施例。如图7中所示，电感器基底 103已经完全地松开且巻曲，使得导线105的末端213上的焊料隆起 突盘215与合适的导线105的相应的末端211或引线109-1的末端 211-0相遇。此时，电感器基底101至少部分地呈筒形形状，并且认 为末端发生传导接触，因为焊料隆起突盘215是传导的。在不采用焊 料隆起突盘215的电感器101的一个实施例中，电感器基底103将非 常轻微地巻曲起来，以补偿由焊料隆起突盘所占据的空间，并且导线 105的末端213将直接与合适的导线105的相应的末端211或引线 109-1的末端211-0相遇。
合在一起。例如，这种结合可通过加热电感器101直至可选的焊料隆 起突盘215重熔(reflow)并将相遇的末端结合在一起而实现。作为备 选，当导线105和引线109-1由合适的金属例如金制成时，可采用常 规的热压结合。这种热结合包括对已被加热的导线末端的接触点施加 压力，以形成结合。图1中显示了最后形成的电感器101,其带有已 结合的末端。注意，如果采用焊料隆起突盘来使末端相结合，则它们 在图1中将因其重熔而是不可见的。然而，在各个结合位置处将有一 小层变平的焊料。
注意牺牲层可在整个电感器基底103下延伸，在这种情况下，当 整个牺牲层被除去时，电感器101将变成独立的构件。作为备选，如者如果牺牲层不在整个电感器基底103 下延伸时，则电感器101将保持安装在其所形成的无论何种衬底上。
图5显示了电感器101和安装在其上的芯片517。芯片517的电 路在触头107处联接于电感器101上。为此，芯片517可以是安装在 电感器基底103上的倒装芯片。
图6显示了安装在芯片617上的电感器101。在图6的实施例中， 各触头107均形成有贯通的通道，以便通过该通道建立起从引线109 至下面芯片上的相应触头之间的传导率。作为备选，电感器101可以 是以触头107面向芯片617而安装的独立构件。
作为一个示例，具有典型的lmm"集成电路芯片总面积的集成电 路芯片，可具有形成在大部分表面区域如整个表面区域上的电路，但 沿着一个边缘的除外。优选应在该区域仅形成用于连接到电感器上的 引线。牺牲层在该电路上形成，大致在整个芯片上延伸，不包括电感 器基底将与集成电路仍保持接触以使该电感器基底可保持安装于其 上的位置，该位置为没有形成电路的区域。电感器基底形成在牺牲层 的顶面及其仍将保持附接于其上的芯片区域上，因而具有与芯片本身 基本相同的尺寸。如果形成在电感器基底上的未巻曲的导线具有大约 2微米的宽度和大约2.3微米的节距，则在巻曲之后，所形成的电感 器的最终传感系数将大约为100微亨。如上所述，可形成通道，其将 提供从下面引线通向电感器的通路，或者可采用连接到电感器上的其 它方法，例如用来在集成电路上形成连接的小的金属引线。
权利要求
1. 一种电感器，包括柔性基底；和多个传导区段，其以一定的图案形成在所述柔性基底上；其中，所述柔性基底的至少一部分是卷曲的，使得所述传导区段中的至少两个区段的相对的末端相遇以形成单个的卷曲导线。
2. 根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述传导区段段中的相邻的传导区段。
3. 根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述发明还包 括至少一个形成在所述柔性基底上的额外的导体，所述额外的导体适 合于提供至所述单个的巻曲导线上的传导连接。
4. 根据权利要求1所述的本发明，其特征还在于，所述柔性基 底是巻曲的，以形成筒形形状。
5. 根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述相对的末 端是结合的。
6. 根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述电感器因 所述柔性基底从其形成所在的衬底上完全松开而成为独立构件。
7. 根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述电感器保 持至少部分地附接在所述柔性基底形成于其上的衬底上。
8. —种用于形成电感器的方法，所述电感器包括柔性基底和多 个按一定的图案形成在所述柔性基底上的传导元件，所述方法包括如 下步骤使所述柔性基底的至少一部分巻曲，使得所述传导元件中的至少 两个传导元件的相对的末端相遇以形成单个的巻曲导线。
9. 根据权利要求8所述的本发明，其特征在于，所述巻曲步骤 至少执行直至所述柔性基底巻曲形成筒形形状为止。
10. 根据权利要求8所述的本发明，其特征在于，所述巻曲步骤 还包括至少部分地从所述柔性基底形成于其上的衬底上松开所述柔 性基底的步骤。
11. 根据权利要求8所述的本发明，其特征在于，所述巻曲步骤 还包括至少部分地加热所述柔性基底的步骤。
12. 根据权利要求8所述的本发明，其特征在于，所述传导元件W" 卞T W兮 元件为所述传导元件中的相邻的传导元件。
13.根据权利要求8所述的本发明，其特征在于，所述发明还包结合的步骤，所述相对的末端相遇以形成所述单个的巻曲导线(
全文摘要
通过在平的柔性基底(103)上形成传导元件(105)可获得一种高传感系数的平面外电感器，其以一定的图案布置，使得当平的柔性基底如聚合物薄膜通过例如加热而发生卷曲时，传导元件同样发生卷曲，并且其中不同的传导元件的相对末端发生传导接触，并可结合在一起从而使用其中的至少两个传导元件而形成传导线圈。在柔性基底上可形成额外的导体(109)，以用作导线，从而提供至最终传导线圈上的连接。柔性基底的一部分，例如伸出线圈的一部分可用作基底，在该基底上可附接一个或多个芯片如已安装的倒装芯片，或附接其它构件。
文档编号H01F17/00GK101484954SQ200780025010
公开日2009年7月15日 申请日期2007年6月25日 优先权日2006年6月30日
发明者F·帕多 申请人:卢森特技术有限公司