TWI850939B

TWI850939B - 電感器結構及其製法

Info

Publication number: TWI850939B
Application number: TW111150978A
Authority: TW
Inventors: 許哲瑋; 周保宏
Original assignee: 恆勁科技股份有限公司
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2024-08-01
Also published as: TW202427510A; US20240221999A1

Abstract

一種電感器結構，其於絕緣體中埋設線圈狀電感本體及位於該線圈內之導磁性合金層，以藉由該導磁性合金層之設計，提升電感器之電氣特性，故本發明之電感器結構無需使用習知導磁件及習知磁性粉末之混合物，即可滿足所需之要求。

Description

電感器結構及其製法

本發明係有關一種電感器結構，尤指一種可嵌埋於封裝基板中之線圈形式電感器結構。

一般半導體應用裝置，例如通訊或高頻半導體裝置中，常需要將電阻器、電感器、電容器及振盪器(oscillator)等多數射頻(radio frequency)被動元件電性連接至所封裝之半導體晶片，俾使該半導體晶片具有特定之電流特性或發出訊號。例如：傳統電感有諸多之種類，有其各種應用(濾波、扼流、DC-DC converter等，但不限於上述)及其優劣勢。

以常用於具有射頻模組之裝置中的螺旋電感元件為例，在射頻模組高密度元件配置及微型化的需求下，縮小了各個元件之間的距離，同時也造成各個元件之間的容易產生電磁干擾，因此，如何避免各個元件之間的電磁干擾，且電感元件如何提供更佳的磁遮罩性、防電磁干擾的能力及電感元件本身的微型化，乃傳統的電感元件所面臨的問題。

又，螺旋電感元件在高頻應用時，如何提供較低的磁性損耗與渦流效應及較高的電感值，以得到較佳的Q值，進而降低電感元件能耗並提升效能，俾達到良好的電性，亦為傳統的電感元件另一個不斷要克服的課題。

基於上述問題，業界如TWI611439(如圖1所示)之使用磁性包覆件130提供磁遮罩及防電磁干擾能力，但於絕緣材中混合磁性粉末後其導磁率比起原磁性粉末相對地較低，致使該混合物對電感元件於提高電感值及磁遮罩及防電磁干擾能力依然有所限制。

再者，於絕緣材中混合磁性粉末，該混合物之均勻性較差，導致難以控制導磁性，且磁性粉末於載板成型後，因其材料特性不宜進行線路圖案化製程，故後續無法於該介電層或該磁性包覆件上進行增層線路之製作。

又，TWI611439之線圈元件100因採用射出成型、轉注成型或低温共燒等方式製作，致使加工性不佳，因而僅只能進行小面積加工，無法大板面量產製作，導致電感之加工成本提高，且所製作出之線圈元件之幾何精度不佳，導致電感值之精度(Tolerance)不佳。

另外，一般薄膜電感尺寸約為長2.5mm、寬2.0mm及高1.8mm，這對產品要做到微型或輕薄化而言，難度極大。

因此，如何克服上述習知技術之問題，實已成為目前業界亟待克服之課題。

有鑑於習知技術之問題，本發明提供一種電感器結構，係包括：一絕緣體，具有相對之一第一表面與一第二表面；一電感線路，係呈線圈狀，其埋設於該絕緣體內，其中，該電感線路復包括有至少一露出於該絕緣體之該第一表面之第一電極墊、以及至少一露出於該絕緣體之該第二表面之第二電極墊；以及導磁性合金層，係埋設於該絕緣體內，且位於該電感線路之線圈內而未與該電感線路電性連接，其中，該導磁性合金層係為截斷面呈連續矩形波狀之薄板，且該導磁性合金層之延伸長度係相當於該電感線路線圈之延伸長度。

前述之電感器結構中，該絕緣體之材料組成係包括有機感光型介電材料、有機非感光型介電材料及/或無機氧化物材料。

前述之電感器結構中，該導磁性合金層之材料組成係包含鐵、鎳、鈷、鋅或至少含有其中之二、或含有其中之二以上之合金，或合金中摻雜有錳、鉬、硼、銅或釩。

前述之電感器結構中，該第一電極墊係可作為覆晶接置一主動元件或一被動元件。

前述之電感器結構中，該第二電極墊係藉由焊球電性結合電路板。

本發明復提供一種電感器結構之製法，係包括：提供一具有金屬表面之第一承載板；於該第一承載板上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一包含複數導體之第一線路層，其中，該第一線路層之其中兩導體係作為電感線路之第一部分，而該第一線路層之其它導體係呈間隔狀排列以作為圖案化暫存性線路牆，且該圖案化暫存性線路牆未與該電感線路電性連接，又該圖案化暫存性線路牆之延伸長度係相當於該電感線路線圈之延伸長度；於該第一線路層作為該電感線路之該兩導體上以圖案化曝光顯影電鍍形成一第一導電柱層以作為該電感線路之第二部分，再以絕緣材所形成之第一阻層包覆住該第一導電柱層及其所結合之該兩導體，且露出該圖案化暫存性線路牆，其中，該第一阻層為感光性光阻材；於該圖案化暫存性線路牆之表面及該第一承載板外露之表面上形成一導磁性合金層，且該導磁性合金層係為截斷面呈連續波狀之薄板；移除該第一阻層，再將第一介電層形成於該第一承載板上，以令該第一介電層包覆該第一導電柱層、作為該電感線路之該兩導體、該導磁性合金層、及該第一承載板之表面，且移除該第一介電層之部分材質以露出該第一導電柱層之其中一端面；於該第一介電層上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一第二線路層，以令該第二線路層電性連接該第一導電柱層露出之該端面，且該第二線路層係作為該電感線路之第三部分，再將第二介電層形成於該第一介電層上，以包覆該第二線路層及該第一介電層之表面，且移除該第二介電層之部分材質以露出該第二線路層之表面；於該第二介電層及該第二線路層所露出之表面上結合一表面具有金屬材之第二承載板，且移除該第一承載板以露出該第一線路層；於該第一線路層作為該電感線路之該兩導體所露出之表面上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一第二導電柱層，再以絕緣材形成一包覆該第二導電柱層之第二阻層，且該第二阻層為感光性光阻材，其中，該第二導電柱層係作為該電感線路之第四部分；以蝕刻方式移除該第一線路層之該圖案化暫存性線路牆，以露出該導磁性合金層的表面，且移除該第二阻層；於該第一介電層所露出之表面上以絕緣材形成一第三介電層，以包覆該第二導電柱層、該導磁性合金層、及該第一介電層所露出之表面，且移除該第三介電層之部分材質以露出該第二導電柱層之其中一端面；於該第三介電層上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一第三線路層，以令該第三線路層電性連接該第二導電柱層所露出之該端面，且該第三線路層係作為該電感線路之第五部分；於該第三線路層上以曝光顯影方式電鍍形成至少一導電柱，再以絕緣材於該第三介電層上形成一第四介電層，以包覆該第三線路層及該導電柱，且移除該第四介電層之部分材質，以露出該導電柱之其中一端面，供作為該電感線路對外之第一電極墊；以及移除該第二承載板，以露出該第二線路層之表面，且部分露出之第二線路層作為第二電極墊；其中，該第二線路層、第一導電柱層、該第一線路層之該兩導體、該第二導電柱層及該第三線路層係結合形成為線圈狀之該電感線路，且該導磁性合金層係位於該電感線路之該線圈內。

前述之製法中，該圖案化暫存性線路牆之截斷面係呈矩形、凸弧形或梯形，且令該導磁性合金層之截斷面相應呈連續矩形波狀、凸弧形波狀或梯形波狀之薄板。

前述之製法中，該第一阻層及該第二阻層係為感光性光阻材。

前述之製法中，該第一介電層、該第二介電層、第三介電層以及該第四介電層之材料組成係包括有機感光型介電材料、有機非感光型介電材料及/或無機氧化物材料。

前述之製法中，該導磁性合金層之材料組成係包含鐵、鎳、鈷、鋅或至少含有其中之二、或含有其中之二以上之合金，或合金中摻雜有錳、鉬、硼、銅或釩。

前述之製法中，復包括於該第二線路層之露出表面上形成複數第二電極墊。

由上可知，本發明之電感器結構及其製法中，主要藉由該導磁性合金層之設計，以提升電感器之電氣特性，故相較於習知技術，本發明之電感器結構無需使用習知導磁件及習知磁性粉末之混合物，即可滿足所需之要求，因而得以克服習知技術之種種缺失。

100:線圈元件

130:磁性包覆件

2:電感器結構

2a:第一線路層

2b:絕緣體

20:導體

21:第一導電柱層

21a:端面

22:導磁性合金層

220,320:凹部

23:第一介電層

24:第二線路層

240:第二電極墊

25:第二介電層

33a:第二表面

26:第三介電層

27:第四介電層

27a:第一表面

28:第三線路層

29:導電柱

29a:端面

3:電感線路

3a:第一部分

3b:第二部分

3c:第三部分

3d:第四部分

3e:第五部分

30:第一電極墊

31:第二導電柱層

31a:端面

33:第五介電層

40:主動元件

400:焊錫材料

41:被動元件

42:電路板

420:焊球

6:第二承載板

71:第一阻層

72:第二阻層

8:圖案化暫存性線路牆

9:第一承載板

H:厚度

t:板厚度

圖1係為習知電感器結構之剖面示意圖。

圖2A至圖2H係為本發明之電感器結構之製法之剖面示意圖。

圖2A-1係為圖2A之局部立體上視示意圖。

圖3係為圖2H之局部剖面示意圖。

圖4係為圖2H之後續製程之剖面示意圖。

圖5A至圖5D係為本發明之電感器結構之導磁性合金層之不同態樣之局部立體示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

圖2A至圖2H係為本發明之電感器結構2之製法之剖面示意圖。

如圖2A所示，提供一具有金屬表面之第一承載板9，再於該第一承載板9上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一包含複數導體20之第一線路層2a，其中，該第一線路層2a之其中兩導體20係作為電感線路3之第一部分3a，而該第一線路層2a之其它導體20係呈間隔狀排列以作為圖案化暫存性線路牆8，如圖2A-1所示，且該圖案化暫存性線路牆8未與該電感線路3電性連接，又該圖案化暫存性線路牆8之延伸長度係相當於該電感線路3線圈之延伸長度，該圖案化暫存性線路牆8之截斷面係可視需求而圖案化形成為呈矩形、凸弧形、梯形或其他幾何形狀。接著，於該第一線路層2a作為該電感線路3之該兩導體20上以圖案化曝光顯影電鍍形成一第一導電柱層21以作為該電感線路3之第二部分3b，再以絕緣材所形成之第一阻層71包覆住該第一導電柱層21及其所結合之該兩導體20，且露出該圖案化暫存性線路牆8。

於本實施例中，該第一承載板9係為銅箔基板，且該第一阻層71係為感光性光阻材，但無特別限制。

再者，該圖案化製程係採用重佈線路層(redistribution layer，簡稱RDL)製程製作該第一線路層2a。例如，該導體20係為銅凸塊。

如圖2B所示，於該圖案化暫存性線路牆8之表面及該第一承載板9外露之表面上形成一導磁性合金層22，且該導磁性合金層22之截斷面形狀係相應相仿於該圖案化暫存性線路牆8之截斷面形狀，以呈矩形波狀、凸弧形波狀、梯形波狀或其他幾何形波狀之薄板。

於本實施例中，該導磁性合金層22係為高導磁率之合金金屬，其材料組成係包含鐵、鎳、鈷、鋅或至少含有其中之二、或含有其中之二以上之合金，或合金中摻雜有錳、鉬、硼、銅或釩等材料。例如，該導磁性合金層22之板厚度t係小於10微米(um)，如圖3所示。

再者，該導磁性合金層22之結構設計可依需求呈連續或非連續矩形波狀之薄板，如圖5A所示之完整形連續矩形波狀之薄板、如圖5B所示之縱向切割之非連續矩形波狀之薄板(或多組相互分開之矩形條狀體)、如圖5C所示之橫向切割之非連續矩形波狀之薄板(或多組相互分開之凹凸片狀體)、如圖5D所示之縱向及橫向分割之非連續矩形波狀之薄板(或多組相互分開之矩形片狀體)。

如圖2C所示，以蝕刻方式移除該第一阻層71，再將第一介電層23形成於該第一承載板9上，以令該第一介電層23包覆該第一導電柱層21、作為該電感線路3之第一部分3a之該兩導體20、該導磁性合金層22、及該第一承載板9之表面。接著，執行整平作業，以研磨方式移除該第一介電層23之部分材質以露出該第一導電柱層21之其中一端面21a，並使該第一導電柱層21之端面21a齊平該第一介電層23之表面。

於本實施例中，該第一介電層23係以鑄模(molding)方式、塗佈方式或壓合方式形成於該第一承載板9上。

如圖2D所示，於該第一介電層23上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成第二線路層24，以令該第二線路層24電性連接該第一導電柱層21露出之該端面21a，且該第二線路層24係作為該電感線路3之第三部分3c，再將一第二介電層25形成於該第一介電層23上，以包覆該第二線路層24及該第一介電層23之表面。接著，執行整平作業，以研磨方式移除該第二介電層25之部分材質，以令該第二線路層24之表面齊平該第二介電層25之表面，以露出該第二線路層24之表面。

於本實施例中，該第二線路層24係為如銅材之金屬層，且該第二介電層25係以鑄模(molding)方式、塗佈方式或壓合方式形成於該第一介電層23上。

如圖2E所示，於該第二介電層25及該第二線路層24所露出之表面上結合一表面具有金屬材之第二承載板6，再將整體結構翻轉。接著，移除該第一承載板9，以露出該第一線路層2a及該導磁性合金層22。

如圖2F所示，於該第一線路層2a作為該電感線路3第一部分3a之該兩導體20所露出之表面上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一第二導電柱層31，再以絕緣材形成一包覆該第二導電柱層31之第二阻層72，以令該第二阻層72包覆該兩導體20與該複數第二導電柱層31及其周圍之第一介電層23表面而未包覆該導磁性合金層22與該圖案化暫存性線路牆8，使該導磁性合金層22、該圖案化暫存性線路牆8及該第一介電層23之剩餘表面外露於該第二阻層72。接著，以蝕刻方式移除該第一線路層2a之該圖案化暫存性線路牆8，以露出該導磁性合金層22的表面，並於該第一介電層23表面上形成複數由該導磁性合金層22所形成之凹部220。

於本實施例中，該第二導電柱層31係作為該電感線路3之第四部分3d，且該第二阻層72係為感光性光阻材。

再者，該導磁性合金層22係呈凹凸片狀立體結構，其於凹部220處係為中空柱結構。應可理解地，該導磁性合金層22之凹凸處係為相對位置，故該凹部220於另一側視角則呈凸部。

如圖2G所示，移除該第二阻層72，以露出該導體20及該第二導電柱層31之端面31a。之後，於該第一介電層23所露出之表面上及該凹部220中，以絕緣材形成一第三介電層26，以包覆該第二導電柱層31、該導磁性合金層22、及該第一介電層23所露出之表面。接著，執行整平作業，以研磨方式移除該第三介電層26之部分材質，以令該第二導電柱層31之端面31a齊平該第三介電層26之表面，使該第三介電層26露出該第二導電柱層31之其中一端面31a。

於本實施例中，該第三介電層26係以鑄模(molding)方式、塗佈方式或壓合方式形成於該第一介電層23上及該凹部220中。

再者，該導磁性合金層22之中空處(如圖3所示之其中一側之凹部220與另一側之凹部320)係由介電材(即該第一與第三介電層23,26)所包覆。

如圖2H所示，於該第三介電層26上以圖案化曝光顯影方式電鍍形成一第三線路層28，以令該第三線路層28電性連接該第二導電柱層31所露出之該端面31a，且該第三線路層28係作為該電感線路3之第五部分3e。接著，於該第三線路層28上以曝光顯影方式電鍍形成至少一導電柱29，再以絕緣材於該第三介電層26上形成一第四介電層27，以包覆該第三線路層28及該導電柱29。之後，執行整平作業，以研磨方式移除該第四介電層27之部分材質，以令該導電柱29之其中一端面29a齊平該第四介電層27之表面，使該第四介電層27露出該導電柱29之端面29a，供作為該電感線路3對外之第一電極墊30。最後，移除該第二承載板6，以露出該第二線路層24之表面。

於本實施例中，該第二線路層24、第一導電柱層21、該第一線路層2a之該兩導體20、該第二導電柱層31及該第三線路層28係結合形成為一線圈狀之該電感線路3，且該導磁性合金層22係位於該電感線路3之該線圈內，而該第一至第五介電層23,25,26,27,33係作為絕緣體2b。

再者，該第四介電層27係以鑄模(molding)方式、塗佈方式或壓合方式形成於該第三介電層26上。應可理解地，該第一至第四介電層23,25,26,27之至少兩者之材質可相同或不相同。

又，上述於執行結合第二承載板6之製程步驟前，可先於該第二介電層25上形成複數第二電極墊240，且該第二電極墊240係電性連接該第二線路層24；而後形成一第五介電層33以包覆該第二電極墊240及該第二線路層24之表面，且進一步執行一整平作業移除部分之該第五介電層33，以令該第二電極墊240之一端面露出；其中，於執行移除該第二承載板6之製程步驟後，係露出該第二電極墊240之一端面。

另外，該第一至第五介電層23,25,26,27,33的組成材料，包括有機感光型介電材料或有機非感光型介電材料，其例如包括包含有玻璃纖維以及有機樹脂之絕緣材料。其中，有機樹脂例如包括但不限於BT、FR4或FR5等之基材或預浸材(prepreg)之環氧樹脂、有機基材ABF(Ajinomoto Build-up Film)、環氧模壓樹脂(Epoxy Molding Compound，EMC)、膜狀EMC或聚醯亞胺(Polyimide，PI)。部分之介電層之材質亦可包括微米或奈米級之無機氧化物材料，例如，矽氧化物、氧化鎳或銅氧化物。在某些特定的實施例中，各介電層可選擇相同或不同的材料而組成。

因此，本發明之製法係利用載板製作方式以製成微型電感器結構2或內埋於IC載板內的電感元件，並利用增加導磁係數高的金屬合金作為導磁性合金層22一同配合該載板製作工法而完成該電感器結構2，故利用線路設計及介電材特性，使線路設計出呈感應線圈之電感線路3，且將線圈中心電鍍上高導磁率的導磁性合金層22，使能提升該電感器結構2之電氣特性，以符合大電感值或薄型化之需求，因而不僅能減少生產流程及降低成本，且該電感器結構2之體積極小以符合產品微小化或薄型化的需求。

又，可將電感線圈(電感線路3)設計於封裝基板中，使該封裝基板具有內埋電感元件之功能，因而無須於封裝製程中額外新增其它電感元件。例如，可於封裝基板之第一電極墊30上藉由焊錫材料400覆晶接置一如半導體晶片之主動元件40或一如電容、電阻等之被動元件41，如圖4所示，以令該主動元件40或被動元件41電性連接該電感線路3。或者，該封裝基板之第二電極墊240可藉由焊球420電性結合一電路板42。

本發明亦提供一種電感器結構2，係包括：一絕緣體2b、一埋設於該絕緣體2b內之線圈狀電感線路3、以及至少一導磁性合金層22。

所述之絕緣體2b係具有相對之一第一表面27a與一第二表面33a。

所述之電感線路3係包括有至少一露出於該絕緣體2b之該第一表面27a之第一電極墊30、以及至少一露出於該絕緣體2b之該第二表面33a之第二電極墊240。

所述之導磁性合金層22係埋設於該絕緣體2b內，且位於該電感線路3之線圈內而未與該電感線路3電性連接，其中，該導磁性合金層22係為截斷面呈連續矩形波狀之薄板，且該導磁性合金層22亦可視設計需求而為截斷面呈凸弧形波狀、梯形波狀或其他幾何形波狀之薄板。

於一實施例中，該絕緣體2b之材料組成係包括有機感光型介電材料或有機非感光型介電材料，其例如包括包含有玻璃纖維以及有機樹脂之絕緣材料。其中，有機樹脂例如包括但不限於BT、FR4或FR5等之基材或預浸材(prepreg)之環氧樹脂、有機基材ABF(Ajinomoto Build-up Film)、環氧模壓樹脂(Epoxy Molding Compound，EMC)、膜狀EMC 或聚醯亞胺(Polyimide，PI)。部分之介電層之材質亦可包括微米或奈米級之無機氧化物材料，例如矽氧化物、氧化鎳或銅氧化物。在某些特定的實施例中，各介電層可選擇相同或不同的材料而組成。。

於一實施例中，該導磁性合金層22之材料組成係包含鐵、鎳、鈷、鋅或至少含有其中之二、或含有其中之二以上之合金，或合金中摻雜有錳、鉬、硼、銅或釩等材料。

於一實施例中，該第一電極墊30係覆晶接置一主動元件40或一被動元件41。

於一實施例中，該第二電極墊240係藉由焊球420電性結合電路板42。

綜上所述，本發明之電感器結構2及其製法，其配置有導磁性合金層22，因而具有以下優點：

第一、該導磁性合金層22為3D立體凹凸結構的設計，可增加表面積，且僅需單層設計即可達到多層的效果，因而能有效降低材料成本。

第二、該導磁性合金層22之板厚度t可依需求有效減薄，以提升磁導率(permeability)。

第三、該導磁性合金層22於製作過程中無需銅材作為晶種層(seed layer)，因而能排除因銅材的電阻較低而影響磁導率之問題。

第四、該導磁性合金層22的表面粗糙度設計，可避免因線路半加成法的製程需求而需將介電材粗化，導致金屬表面隨之變化，進而影響磁導率之問題。

另外，相較於習知技術之鐵芯塊之配置，本發明之電感器結構2無需配置鐵芯塊，因而更易於微型化，以利於終端產品符合微小化之需求。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。