一种基于铁镍基非晶合金磁芯的pcb板上微电感结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及微电子技术及半导体器件领域，具体涉及一种微电感器件，特别是涉及一种基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构。该微电感结构实现了无源元件的集成，大大节约了 PCB板面积，对产品的小型化、轻薄化有重大意义。
【背景技术】
[0002]目前，电子设备小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通讯电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，他们之间的电气互连都要用到PCB。有统计表明，电感、电容、电阻三大无源器件在电路板中占到元器件数目的80% -90%,占基板面积的70% -80%，而芯片面积只占一个系统的10%。电路设计中电源部分的电感元件往往占用电源板表面40%以上面积。高效率、低成本、高度集成是当前电力电子器件发展的重要驱动力。通过无源器件集成、纳米CMOS技术和先进封装领域的联合创新来开发封装电源模块(PSiP)和芯片电源模块(PwrSoC)的技术平台，是实现电力电子器件高密度化的有效途径。电感是最基本的电子元器件之一，由其构成的功率电感器、扼流器、滤波器等是电子电路中必不可少的重要元件。现有的分立电感一般是贴装芯板表面上，占用表面贴装空间，并且需要使用较多的电感，焊接点的数量多，影响可靠性，增加成本。而且分立式电感器的尺寸已经减小到物理极限，集成化的需求日益突出，开发性能优异的片上电感或板上电感成为了微电子行业的重要挑战。
[0003]在这种背景下，PCB电感集成技术已成为国内外研宄的热点，其发展与微型化工艺提高和高性能磁芯材料开发这两个方面是息息相关的。与芯片上电感技术相比，PCB上电感技术有如下优点:与传统的PCB工艺兼容，成本低；可利用印刷工艺的准确性，严格控制电感尺寸的各个主要参数；可以制作双面的电感，使得功率密度极大地提高；可以解决片上电感的一些问题，如芯片电感占用较大的芯片面积，电感的直流电阻大(高达几欧姆)等问题；此外由于功率转换所产生的热量可从PCB表面散失，热分布更均匀。因此，与PCB板上集成电感相关的材料研发、结构设计、制作工艺一直受到业界的广泛关注。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是针对现有技术的不足和市场对微型化电感器件的需求，提供了一种基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构，其与芯片电感应用不同，铁镍基非晶合金PCB板上微电感结构布置在多层PCB板的线路层中，属于封装电源模块(PSiP)技术及系统封装技术领域，利用多层PCB的制备技术来实现电感的结构。同时，电感磁芯的制备过程中解决了芯板导电层布置的技术困难，也克服了表面粗糙度大对电镀工艺的影响。
[0005]为实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构，所述微电感包括薄膜磁芯和线圈，其设计方式为:所述薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外；或者，所述薄膜磁芯作为外芯，即线圈包裹于薄膜磁芯之内；所述PCB板设计为多层，包括芯板、半固化片和表层合金箔；当所述薄膜磁芯作为外芯时，薄膜磁芯位于多层PCB板最外层，即所述线圈以平面螺旋薄膜形式制备在芯板表面，所述薄膜磁芯在多层PCB板的最外侧以合金箔的形式与半固化片、线圈和芯板压合到一起；当所述薄膜磁芯作为线圈的内芯时，薄膜磁芯位于多层PCB板内部，即所述芯板表面先制备薄膜磁芯，再在芯板的两面都覆盖半固化片和线圈(线圈作为表层合金箔)，通过在PCB板上制备镀铜通孔实现芯板两面线圈的线路互连(即通过镀铜通孔(HDI孔)实现薄膜磁芯外线圈线路的缠绕)。
[0007]所述PCB板上微电感结构中，可以包含多层磁芯和多层线圈，通过在芯板一侧或两侧设置磁芯或线圈线路，以及调整层压时芯板的数量，即可得到不同层数磁芯与线圈的电感结构。
[0008]所述的基板或芯板包括但不限于刚性基板、挠性基板和柔性基板等。
[0009]所述薄膜磁芯为铁镍基非晶合金，其微观组织为非晶结构。
[0010]所述铁镍基非晶合金中，铁元素含量为20_65wt.%，镍元素含量为20_70wt.V0，铁和镍两者含量之和为70-90wt.%，稀土元素含量为0.l-5wt.%，其余为磷；其中:所述稀土元素为La、Ce、Nd、Eu、Sm和Gd中的任意一种或两种；该铁镲基非晶合金薄膜磁芯由直流电镀方法制备，可根据需要制作气隙、凹槽或其他特定形状，具体制备过程可参考申请号为201510061511.9(发明名称:一种基于铁镍多元合金薄膜磁芯的微型电感)的发明专利申请。
[0011]所述薄膜磁芯厚度为0.5?50 μπι，通过直流电镀的时间和电流大小控制；所述薄膜磁芯为单层结构或叠层结构，薄膜磁芯为叠层结构时，不同层内材料的组织和成分能够根据需要进行调整。
[0012]所述PCB板上微电感结构中，当所述薄膜磁芯作为内芯时，薄膜磁芯以两种方式设置在芯板表面，第一种方式为:在钛的板材或阴极辊筒上电镀可剥离的磁芯薄膜，剥离后的磁芯薄膜再通过磁芯附着层粘结于芯板上，所述磁芯附着层为丙烯酸或环氧树脂等粘结剂；第一种方式是利用阴极基板氧化膜较厚，可以实现边电镀边剥离，其制备工艺可参考辊式连续电解法生产电解铜箔；第二种方式是直接在芯板表面制备磁芯，即，通过化学镀或溅射工艺先在芯板表面制备种子层，再在种子层上电镀薄膜磁芯，所述种子层为采用溅射或化学镀方法制备的铁镍磷非晶合金或镍磷非晶合金层；第二种制备方式中，可以通过调节和控制化学镀、电镀液中光亮剂的配比及含量，来消除基板或芯板表面粗糙度的不良影响。
[0013]所述PCB板上微电感结构中，当所述薄膜磁芯作为外芯时，首先电镀可剥离的磁芯薄膜，剥离后的磁芯薄膜再以表层合金箔的形式通过磁芯附着层粘结于半固化片上。
[0014]所述PCB板上微电感结构中，当所述薄膜磁芯作为内芯时，通过PCB板上制备镀铜通孔(HDI孔)实现芯板两面线圈的互连，形成线圈回路缠绕磁芯；当所述薄膜磁芯作为外芯时，仅需考虑PCB电感与其它层线路的兼容，通过PCB板上制备镀铜通孔(HDI孔)实现与线圈连接的引脚、引线与其它线路的互连。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0016]1、本实用新型为新型的基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构，属于封装电源模块(PSiP)技术及系统封装技术，实现了无源器件的集成，能大大提高功率密度，缩小产品体积。
[0017]2、本实用新型提出电镀铁镍磷稀土四元非晶合金在PCB板上微电感的应用还未有报导。
[0018]3、本实用新型从PCB电感制备工艺来说除了可以使用传统方法直接在PCB板上布置导电层电镀磁芯薄膜的方法外，还可以实现磁芯独立制备，不受PCB板粗糙度的影响。
[0019]4、本实用新型磁芯和线圈均可由直流电镀工艺制备，利用了现有的多层PCB板制备、压合技术，容易产业化。
[0020]5、本实用新型中提出的铁镍基非晶合金PCB电感，可利用印刷工艺的准确性，严格控制电感尺寸的各个主要参数，电感尺寸可从厘米缩小到毫米微米尺度，体积小，性能尚O
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构剖视图(线圈缠绕磁芯的形式)。
[0022]图2为本实用新型利用直流电镀方式制备基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构的流程图；其中:
[0023]图(a)在基板I上准备好磁芯附着层或种子层2 ;
[0024]图(b)在磁芯附着层或种子层2上制备铁镍基非晶合金磁芯3 ;
[0025]图(C)准备铜箔6、半固化片4与刚制备好磁芯的芯板按顺序叠合，准备压合；
[0026]图(d)压合后半固化片4加压加热后固化成型；
[0027]图(e)制备镀铜通孔后刻蚀外层铜箔6形成线圈5。
[0028]图3为在包含三层或三层以上芯板的PCB板上微电感结构图；图中:(a)顶层线圈线路形式；(b)磁芯及其芯板；(C)底层线圈线路形式。
[0029]图1_3中:1_芯板；2_磁芯附着层或种子层；3-磁芯；4_半固化片；5-线圈；51-顶层线圈；52_底层线圈；6_铜箔；7_镀铜通孔；8_引线；9_引脚。
[0030]图4为化学镀制备磁芯附着层再电镀；图中:(a)电镀前界面截面；(b)电镀后界面截面的微观结构。
[0031]图5为磁芯薄膜的微观结构；图中:(a)电镀前粗糙基体；(b)电镀磁芯薄膜后。其中，电镀前基体粗糙度测定为Ra = 0.315 μ m，其轮廓线上最大山峰Rp及最深波谷Rv分别为 1.586 μ m 及 1.314 μ m ;电锻后 Ra = 0.218 μ m，且 Rp = 0.699 μ m, Rv = 1.030 μ m。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0033]本实用新型基于铁镍基非晶合金磁芯的PCB板上微电感结构，包括薄膜磁芯和线圈，其设计方式为两种:第一种方式为:薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外；第二种方式为:薄膜磁芯作为外芯，即线圈包裹于薄膜磁芯之内；所述PCB板设计为多层，包括芯板、半固化片和表层合金箔；当所述薄膜磁芯作为外芯时，薄膜磁芯位于多层PCB板最外层，即所述线圈以平面螺旋薄膜形式制备在芯板表面，所述薄膜磁芯在多层PCB板的最外侧以合金箔的形式与半固化片、线圈和芯板压合到一起；当所述薄膜磁芯作为线圈的内芯时，层压时薄膜磁芯位于多层PCB板内部，即所述芯板表面先制备薄膜磁芯，再在芯板的两面都覆盖半固化片和线圈(线圈作为表层合金箔)，通过在PCB板上制备镀铜通孔(HDI孔)实现芯板两面线圈的线路互连。该PCB板上微电感结