一体化柔性微纳电感及其制备方法
阅读说明：本技术 一体化柔性微纳电感及其制备方法 (Integrated flexible micro-nano inductor and preparation method thereof ) 是由 王军强 张文武 张岩 曹小文 向明亮 许巍 霍军涛 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种一体化柔性微纳电感及其制备方法,涉及基于激光刻蚀方法的非晶纳米晶微纳电感器件的制备。制备方法包括：制备非晶纳米晶合金；基于高精度高功率激光刻蚀加工方法,按照应用场景、形状及尺寸的需求,对所述非晶纳米晶合金进行与磁芯结构直接结合的一体化激光精细刻蚀加工,制备得到微纳尺度的一体化柔性电感器件。(The invention discloses an integrated flexible micro-nano inductor and a preparation method thereof, and relates to the preparation of an amorphous nanocrystalline micro-nano inductor device based on a laser etching method. The preparation method comprises the following steps: preparing amorphous nanocrystalline alloy; based on a high-precision high-power laser etching processing method, according to the requirements of application scenes, shapes and sizes, integrated laser fine etching processing of the amorphous nanocrystalline alloy directly combined with a magnetic core structure is carried out, and the micro-nano integrated flexible inductance device is prepared.)
技术领域
本发明涉及电感制备技术领域，具体涉及一种一体化柔性微纳电感及其制备方法。
背景技术
第三代半导体材料发展迅猛，5G/5G+手机、基站、卫星通信领域及电动车行业的高速发展，未来高性能集成电路、柔性电路板、柔性器件的制作和工作环境要求开发和制备具有低损耗、高频、高功率密度的电感等电子元器件，同时对器件的尺寸、形状、集成性、柔性、一体成型性提出了更高的要求。
非晶合金是金属熔体经过快速凝固而得到的结构无序的亚稳材料。非晶强磁性软磁合金具有高饱和磁感应强度，由于不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有非常高磁导率低矫顽力的软磁性能；此外、非晶合金具有高屈服强度、高硬度、超高的弹性极限，柔韧性好、抗腐蚀性强的优点。纳米晶软磁合金由于非晶和纳米晶粒的软磁耦合效果，具备更加优异的软磁性能(高磁导率和低矫顽力，显示极低的铁损)和更高的饱和磁感应强度。
目前，面向传统电感等微小器件的制备与加工，与本发明最相近似的实现方案主要包括以下几种方案：基于粉末压制成型的磁粉芯微小器件的制备、薄膜的制备、基于化学刻蚀等方式的制备、基于硅钢等材料的加工、电子束及等离子束刻蚀方法、刀刻等物理切削方法、线切割等加工方法。
基于粉末压制成型的磁粉芯微小器件的制备：高功率密度输出磁粉芯制备，需要通过冷压、热压等方式对具有高饱和磁感应强度的高球形度微小粉末进行压制成型。其制备工艺包括磁粉的制备、磁粉表面钝化处理、粘结剂的绝缘包覆、造粒、压制成型、线圈植入、固化、热处理、加工、封装等多步流程，微加工及时间的成本比较高；多步生产和加工工艺流程容易造成器件的性能不稳定；此外该工艺制备的器件不具备高强度和高弹性等性能。
薄膜制备电感：磁控溅射、喷涂等制备方式对于具有复杂形状的器件制备具有很大的难度，均匀度的控制条件比较苛刻，后期的加工精度及剥离都存在难度。
基于化学刻蚀等方式的制备：化学刻蚀难以实现具有高复杂性微小磁性器件的制备，其对于表面的刻蚀效果容易改变磁性器件的磁学性能。
基于硅钢等材料的加工：硅钢材料具有高饱和磁感应强度，有利于时间高功率密度输出，但是微纳尺度的硅钢薄带难以获得；硅钢材料的软磁性能低于高性能非晶纳米晶软磁材料，经过切削、研磨等加工工艺则更会降低硅钢材料的软磁性能，导致损耗的增加；微纳尺寸的硅钢材料，因为其晶粒尺寸变小，亦会导致软磁性能的降低；面外的晶相取向亦会复杂化，容易造成器件在实际应用中的软磁性能的降低；此外该方法制备获得的器件难以获得高强度和高弹性等性能。
电子束及等离子束刻蚀方法：电子束和等离子束刻蚀加工需要真空环境中进行，不容易实现批量制备，而且加工时间比较长，其制备和加工的工艺成本及时间成本非常高。
机械刀刻等物理切削方法：加工精度比较低，对于微纳尺寸器件的制备比较难；加工时间比较长，难以实现大批量操作；对于高强度和硬度的非晶纳米晶材料的加工更加困难。
线切割等加工方法：加工时间比较长，时间成本高；容易造成材料的局部原子结构重排，导致磁学性能的降低。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种一体化柔性微纳电感的制备方法，涉及基于激光刻蚀方法的非晶纳米晶微纳电感器件的制备。
一种一体化柔性微纳电感的制备方法，包括：
制备非晶纳米晶合金；
基于高精度高功率激光刻蚀加工方法，按照应用场景、形状及尺寸的需求，对所述非晶纳米晶合金进行与磁芯结构直接结合的一体化激光精细刻蚀加工，制备得到微纳尺度的一体化柔性电感器件。
所述非晶纳米晶合金包括块体、带状、丝状、粉末等。
本发明解决了具有高功率密度输出特性的非晶纳米晶软磁材料难以通过传统加工手段而获得柔性可变性的微纳尺度电感器件制备的技术问题。
本发明使用的材料具有高饱和磁感应强度和低损耗的良好软磁性能，在其原位进行激光刻蚀加工，可以实现微纳米级别的高精度加工，可以解决具有微小尺寸、复杂结构及形貌器件的难题，有利于实现高功率密度输出高频工作环境下器件的小型化。
该柔性电感器件的制备是基于激光刻蚀的方法，可以实现流水线高批量加工作业，工艺流程少，周期短，能节省大量的时间和加工成本，效率高，可以提高器件的一致性和稳定性。
结合电感器件的应用基底可以实现良好的一体成型性/一体化，与电路板、集成电路中具有良好的整合性和高集成度。
在一优选例中，所述的一体化柔性微纳电感的制备方法，具体包括步骤：
1)制备非晶纳米晶合金与磁芯结构，输出–待加工毛胚；
2)根据电感器件的几何信息，产生激光加工的CAM代码；
3)控制激光，对毛坯工件进行精细加工成型；
4)进行封装；
5)机型检验。
在一优选例中，所述高精度高功率激光刻蚀加工方法：
单脉冲能量最大80μJ，
波长515fs激光，532ps激光，
脉冲400fs，
脉冲激光峰值功率3.82×1013W/cm2，
激光线宽2μm以上。
在一优选例中，所述微纳尺度的一体化柔性电感器件为条带状，条带的微观组织结构是非晶即纳米晶结构，条带的厚度是15–40μm，条带宽度是1–170mm。
本发明还提供了所述的制备方法制备得到的微纳尺度的一体化柔性电感器件。
非晶纳米晶软磁合金具有良好的机械强度、弹性性能，有利于实现柔性电感等柔性电子器件的制备；非晶纳米晶软磁合金具有高饱和磁感应强度，可用于具有高功率密度输出电子器件的制备，有利于器件的小型化及其在应用环境中高集成度的实现。
凝固态非晶及纳米晶合金，可以制备成块体、带材、丝材、粉材等形态，制备工艺简单，合金的磁学性能稳定、均匀性高，可批量生产；基于激光刻蚀的方式，具有精度高、分辨率高、加工周期短的优势，有利于实现批量生产，可以降低制备成本和时间成本。
基于激光刻蚀的方式对非晶及纳米晶合金进行加工，可以实现原位的一体成型；加工精度高、分辨率高，可以实现具有高复杂外形的微小器件制备。
具有高饱和磁感应强度的块体硅钢材料容易获得，但是对于带状、丝状、粉末状形态的制备十分困难，加工成本很高，即使基于相同的激光刻蚀技术也难以获得微纳尺度的器件。而且有取向硅钢的晶粒尺寸通常为毫米级别，无取向硅钢的晶粒尺寸一般大于50μm，微纳尺寸的硅钢材料制备，会因当晶粒尺寸降低导致软磁性能劣化。因此基于大晶粒尺寸控制的软磁性能的硅钢等材料不适合微纳尺寸的微型器件的制备。
基于电子束及等离子束刻蚀等方法，需要在真空环境中对材料进行刻蚀，加工时间比较长，难以适用于批量制备和生产，加工和时间成本上难以替代激光刻蚀技术。
目前具有良好球形度、优异软磁性能和高饱和磁感应强度的磁粉颗粒基本大于10μm，通过压制成型等工艺制成的磁粉芯期间难以实现微纳尺度。
化学刻蚀、刀刻难以实现高精度微纳器件的制备和加工。
线切割等方式加工时间比较长，时间成本高，适合单个器件的加工；而且加工过程容易造成材料的局部原子结构重排，导致磁学性能的降低。
综上所述，本发明的方案很难被其他方案替代。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、对磁芯结构上的非晶纳米晶软磁材料进行一体化精密加工，实现复杂三维结构上高能量密度电感的微型化制造。
2、以400fs的脉冲宽度激光对带材进行加工，可以实现精密刻蚀成型，脉冲激光峰值功率密度为3.82×1013W/cm2，这样可以避免带材受热影响产生组织结构的改变，保持材料的原始属性。
3、根据本方法，可以把具有高机械强度、高弹性性能的非晶纳米晶软磁材料刻蚀出超高性能柔性电感等电子器件。
4、非晶纳米晶软磁合金具有高饱和磁感应强度，具有高功率密度输出特性，制备的微纳器件可实现小型化及在大规模集成电路等环境中的高集成度。
5、凝固态非晶及纳米晶合金，可以制备成块体、带材、丝材、粉材等形态，制备工艺简单，合金的磁学性能稳定、均匀性高。
6、基于激光刻蚀的方式，具有精度高、加工周期短的优势，有利于实现批量生产，可以降低制备成本和时间成本。
7、激光刻蚀方法的加工精度高，分辨率高，利用瞬时局部升华加工，3D复杂成型的同时，不改变材料的本征磁学特性，易于获得外形复杂、超高匝数密度的微小器件。
附图说明
图1为非晶纳米晶合金激光刻蚀微纳电感器件制备流程示意图；
图2为实施例不同线宽微型电感的电感值图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
术语解释：
(1)电感器，又称电感，是指能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，其阻碍电流的变化。电感可以分为由导电材料盘绕磁芯制成的铁芯线圈、铁氧体线圈、铜芯线圈及空芯线圈。本发明专利提出的电感器件就是由非晶纳米晶软磁合金原位激光刻蚀后获得的。
(2)磁粉芯一般是通过在金属基磁性粉末表面包覆高电阻率的物质，再根据形状需求采用粉末冶金的方式压制成型。这种制备方式使得磁粉芯具有磁性颗粒间绝缘的独特结构，可以有效阻断高频工况下磁性颗粒间的涡流效应，不仅解决了软磁材料电阻率低和损耗高的问题，同时保留了金属软磁材料良好的本征软磁特性，比如高磁导率和高饱和磁化强度。
(3)饱和磁感应强度，指磁性材料在外加磁场中被磁化时所能够达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度。为实现电子元器件的小型化提供条件。饱和磁化强度直接影响了器件/磁芯体的功率输出能力，是作为功率型器件的核心性能，为实现电子元器件的小型化提供条件。对于磁粉芯材料来说，相同的主体磁粉情况下，参与磁化的主体软磁粉末比例越高，其饱和磁感应强度越高。
(4)磁导率，是表征磁介质磁性的物理量，表征的是空间磁场中磁芯被磁化的能力，磁导率等于磁介质中磁感应强度(B)与磁场强度(H)之比，即μ＝B/H。高磁导率材料仅需要比较弱的外加磁场即可实现饱和磁化。磁粉芯的压制密度，主体粉末以外物质的种类和添加比例都影响磁粉颗粒间的软磁性耦合效果。磁导率影响着功率型器件/磁粉芯的磁化效率。
(5)矫顽力，是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度B并不退到零。需要在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽力。同磁导率参数，磁粉芯的压制密度，主体粉末以外物质的种类和添加比例都影响磁粉颗粒间的软磁性耦合效果，非磁性物质的添加和增量及压制密度的过小都会提升器件/磁粉芯的矫顽力，引起磁滞损耗的增加。
(6)集成度，为了满足目前及未来在电动车、5G通信、芯片等领域集成电路/微电路的微型化和复杂化等需求，采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，提高各种元器件的集成程度，形成具有所需电路功能的微型结构。
(7)柔性，柔性电子以其独特柔性、延展性，具有高度共形、透明和便携性，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。为了满足集成电路/微电路等外形复杂化和微型化等需求，具有柔性的电子器件有非常大的研究与开发空间。
(8)激光刻蚀，其基本原理是将高光束质量的小功率激光束(一般为紫外激光、光纤激光)聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使材料在瞬间汽化蒸发，形成孔、缝、槽。其加工工艺包括激光微纳切割、划片、刻蚀、钻孔等。激光刻蚀的特点是利用激光具有的无接触加工、柔性化程度高、加工速度快、无噪声、热影响区小、可聚焦到激光波长级的极小光斑等优越的加工性能，获得良好的钻孔、划片、刻蚀和切割尺寸精度和加工质量，在电子半导体材料加工中应用十分广泛。
非晶纳米晶合金激光刻蚀微纳电感器件制备流程如图1所示，包括：
制备非晶纳米晶合金，包括块体、带材、丝材、粉末；
基于高精度高功率激光刻蚀加工方法，按照应用场景、形状及尺寸的需求，对所述非晶纳米晶合金进行与磁芯结构直接结合的一体化激光精细刻蚀加工，制备得到微纳尺度的一体化柔性电感器件。
本实施例以带材为例，高精度高功率激光刻蚀加工方法具体参数条件如下：
单脉冲能量最大80μJ，
波长515fs激光，532ps激光，
脉冲400fs，
脉冲激光峰值功率3.82×1013W/cm2
激光线宽2μm以上。
所得微纳尺度的一体化柔性电感器件为条带状，条带的微观组织结构是非晶即纳米晶结构，条带的厚度是15–40μm，条带宽度是1–170mm。
具体的，本实施例使用峰值功率为3.82×1013W/cm2的飞秒级脉冲激光对条带表面进行了激光刻蚀，获得了不同直径和匝数的微纳电感。激光刻蚀过程中，激光频率保持在几百赫兹的低频范围。该条带为Fe-Si-B-Nb-Cu非晶条带，厚度为18μm。通过激光刻蚀非晶条带制备了线宽分别为0.3、0.15、0.1mm和匝数分别对应为5、10、15的微型电感。采用安捷伦4294A精密阻抗分析仪测量了本实施例中微型电感的电感值，结果如图2所示。
本实施例的微型电感和一些现有技术电感值的对比参见表1。
表1
种类
电感值(nH)
文献
嵌入硅电感器(PIiS)
430
*1
硅基板电化学沉积微电感
440
*2
集成环形电感器(5.6mm×5.6mm)
500
*3
嵌在PCB中的空心电感
220
*4
硅基板上MEMS微电感(2.9mm<sup>2</sup>)
204
*4
本发明的微型电感实例(15匝；直径1.5mm)
1390
*1.DOI:10.1109/TPEL.2016.2588501
*2.DOI:10.1109/TMAG.2008.2001584
*3.DOI:10.1109/TMAG.2006.879571
*4.DOI:10.1016/j.jmmm.2020.167661
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
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