基于3D打印制备微电感的方法技术

本发明专利技术涉及基于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。本发明专利技术将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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电感制作
，特别地涉及基于3D打印制备微电感的方法。
技术介绍
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fmax。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。近些年3D打印技术迅速发展，并与传统加工制造技术相结合，由最初的只适合于树脂塑料等原材料的快速成型，发展到金属、高温合金、铁氧体等复杂结构加工的新技术途径。3D打印技术是在计算机辅助设计数据的指引下，综合运用电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等系列技术，将特定金属粉末或记忆材料按照电子模型图的指示一层层叠加起来，最终形成实物模型。该技术通过数字化喷射实现多材料或梯度功能材料的三维打印成型，可实现三维复杂结构的快速加工和局部定位区域的三维材料融合覆盖。3D打印工艺主要包括：光固化成型、层叠实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积制造、三维打印成型和形状沉积制造等，其中光固化成型工艺使用光敏树脂，在激光扫描树脂液面时，扫描区域固化，通过逐层叠加实现零件的制造。层叠实体制造工艺则采用具有一定厚度的片材，每层轮廓被激光切割,实现逐层的叠加制造零件。选择性激光烧结工艺使用固体粉末材料，在激光照射下，发生熔融固化，从而完成每层的成型，该工艺使用的材料范围较广，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面独具优势；熔融沉积制造工艺采用电加热塑料丝,使其在喷头内达到融态，喷头在计算机控制下将熔融的材料喷涂到工作平台上,从而逐层实现整个零件的成型；形状沉积制造工艺一般采用加工中心来完成沉积过程中材料的去除，每沉积完一层材料，采用数控加工方法将该层零件或支撑材料加工成成形表面，然后再进行下一层的沉积过程。形状沉积制造过程根据零件的材料可以采用不同的方法,并可以用三维任意厚度且不为平面的零件几何分层来制造零件。然而，由于加工材料和无法定点施加磁场的工艺技术，传统的3D打印还无法直接用于微电感的打印制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决传统微电感制备加工工艺复杂，铁磁性材料制备加工困难，难于IC工艺相结合的问题，提供一种基于3D打印制备微电感的方法，本专利技术将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。本专利技术提出的第一种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为立体电感，该制备方法包括以下步骤：1)采用第一3D打印喷头按照预先设定的程序在衬底上打印微电感的底层金属微电感线圈；2)用激光对打印的底层金属微电感线圈进行烧结；3)在底层金属微电感线圈采用PECVD生长一层绝缘材料，作为微电感线圈层与层之间的隔绝，重复步骤1)-3)制作一层出预先设定的多层立体金属微电感线圈；4)在制成的金属微电感线圈的中间部分采用第二3D打印喷头按照预先设定的程序打印出铁磁性材料体；5)采用激光对铁磁性材料体进行烧结，同时按预先设定的方向施加磁场对铁磁性材料圆柱体进行磁化,使铁氧体材料晶化，磁矩取向排列统一，以有利于提高铁氧体材料的磁导率和饱和磁化强度,所述第一3D打印喷头内装有金属粉，所述第二3D打印喷头内装有铁磁性材料粉。本专利技术提出的第二种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为立体微电感，该制备方法包括以下步骤：1)在高阻Si衬底上沉积500nm的SiO2薄膜；2)采用电子束蒸发沉积50nm的Ti/Au作为缓冲层和种子层，以改善微电感线圈与衬底的结合；3)采用第一3D打印喷头和第二3D打印喷头，同时、交替或分别打印金属微电感线圈和铁氧体材料体，并使铁磁性材料体包围在微电感线圈的周围；4)在打印铁磁性材料的同时对铁磁材料进行烧结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。本专利技术提出的第三种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为平面微电感，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为立体电感，该制备方法包括以下步骤：1)采用第一3D打印喷头按照预先设定的程序在衬底上打印微电感的底层金属微电感线圈；2)用激光对打印的底层金属微电感线圈进行烧结；3)在底层金属微电感线圈采用PECVD生长一层绝缘材料，作为微电感线圈层与层之间的隔绝，重复步骤1)‑3)制作一层出预先设定的多层立体金属微电感线圈；4)在制成的金属微电感线圈的中间部分采用第二3D打印喷头按照预先设定的程序打印出铁磁性材料体；5)采用激光对铁磁性材料体进行烧结，同时按预先设定的方向施加磁场对铁磁性材料圆柱体进行磁化,使铁氧体材料晶化，磁矩取向排列统一，以有利于提高铁氧体材料的磁导率和饱和磁化强度,所述第一3D打印喷头内装有金属粉，所述第二3D打印喷头内装有铁磁性材料粉。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为立体电感，该制
备方法包括以下步骤：
1)采用第一3D打印喷头按照预先设定的程序在衬底上打印微电感的底层金属微电感
线圈；
2)用激光对打印的底层金属微电感线圈进行烧结；
3)在底层金属微电感线圈采用PECVD生长一层绝缘材料，作为微电感线圈层与层之
间的隔绝，重复步骤1)-3)制作一层出预先设定的多层立体金属微电感线圈；
4)在制成的金属微电感线圈的中间部分采用第二3D打印喷头按照预先设定的程序打
印出铁磁性材料体；
5)采用激光对铁磁性材料体进行烧结，同时按预先设定的方向施加磁场对铁磁性材
料圆柱体进行磁化,使铁氧体材料晶化，磁矩取向排列统一，以有利于提高铁氧体材料的
磁导率和饱和磁化强度,所述第一3D打印喷头内装有金属粉，所述第二3D打印喷头内装
有铁磁性材料粉。
2.一种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为立体微电感，该
制备方法包括以下步骤：
1)在高阻Si衬底上沉积500nm的SiO2薄膜；
2)采用电子束蒸发沉积50nm的Ti/Au作为缓冲层和种子层，以改善微电感线圈与衬
底的结合；
3)采用第一3D打印喷头和第二3D打印喷头，同时、交替或分别打印金属微电感线
圈和铁氧体材料体，并使铁磁性材料体包围在微电感线圈的周围；
4)在打印铁磁性材料的同时对铁磁材料进行烧结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。
3.一种基于3D打印制备微电感的方法，其特征在于，所述微电感为平面微电感，该
制备方法包括以下步骤：
1)首先在高阻Si衬底上沉积500nm的SiO2薄膜；
2)然后采用电子束蒸发沉积50nmTi/Au作为缓冲层和种子层，改善微电感线圈与衬
底的结合；
3)随后沉积金属材料Cu薄膜作为微电感线圈；
4)利用MEMS工艺将金属Cu薄膜加工成微电感线圈以及电极；
5)利用第二3D打印喷头在微电感线圈的上方区域打印铁磁性材料；
6)激光进行对铁磁材...

【专利技术属性】
技术研发人员：任天令，刘厚方，王刚，邱皓川，李晓宁，杨轶，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11