一种宽禁带异质结构的矩阵式平面变压器的制作方法

1.本发明涉及变压器领域，具体涉及一种宽禁带异质结构的矩阵式平面变压器。


背景技术：

2.传统的变压器有两种形式，第一种最常见，由磁芯、线圈和骨架组成，有贴片和插件两种样式，该型变压器由于绕线工艺的复杂多变以及线径的影响，其工作带宽通常低于1mhz，且线圈的交流电阻较大，损耗大，变压器尺寸也大。第二种即为平面变压器，由磁芯、pcb板组成，不需要骨架，线圈直接通过pcb板制备，该型变压器绕线一致性很高，走线薄，线圈交流电阻较小，损耗低，最重要的优点是高频性能好，工作带宽可提升至2mhz。
3.平面变压器是一种具有高频、低造型、高度很小但工作频率很高等特点的变压器。由于平面磁芯的研发成功，实现了平面化的变压器的设计，并且平面变压器要求磁芯、绕组是平面结构，所以采用多层pcb绕组。在铁芯及线圈绕组部分，平面变压器采用小尺寸的e型、rm型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射频干扰。但是，平面变压器当做为跨接在原副边之间的隔离变压器时，该型变压器很难处理安规问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种宽禁带异质结构的矩阵式平面变压器，基于第三代宽禁带半导体的技术来构建平面变压器，减小变压器损耗，提高工作效率，将工作带宽提升至5mhz以上；采用gan衬底、gan/algan异质结以及微加工的互联，利用gan/algan异质结天然形成的二维电子气(2deg)替代传统铜线，采用微加工工艺，实现了变压器的超轻薄；采用铟柱实现原边或副边的多重串联或者并联以此提升其过电流的能力，在有限的空间内绕更多的匝数使线径更粗。
5.一种宽禁带异质结构的矩阵式平面变压器，包括结构相同的原副边器件，所述器件包括gan衬底，所述gan衬底上为厚度在500nm
‑
3μm之间的gan层，所述gan层之上为厚度在10nm
‑
30nm之间的algan层，所述gan层和algan层异质结中间填充有绝缘体；
6.制作原副边器件的方法，包括如下步骤；
7.步骤一：器件清洗
8.先依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；
9.再采用1号液apm超声10分钟，去除粒子、有机物和部分金属；
10.然后用2号液hpm超声10分钟，去除氧化物并降低氧元素的残余量；
11.然后再次依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟；
12.最后氮气吹干后立即在110℃热台上烘烤5分钟备用；
13.步骤二：台面蚀刻
14.先做光刻，然后rie去残胶，再采用icp刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀厚度500nm～3μm；
15.然后rie去残胶，再用盐酸对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110℃热台上烘烤5分钟；
16.步骤三：填充绝缘体
17.在步骤二刻蚀的凹槽中填入绝缘体。
18.步骤四；制作电极
19.在器件上使用物理气相淀积蒸镀电极。
20.步骤五：互联
21.利用in柱进行互联，采用微加工，在in柱外侧用微加工附上一层绝缘体，然后再利用in柱将原边、副边互联。
22.优选的，所述绝缘体的填充厚度为100nm
‑
1μm。
23.优选的，所述步骤一中，1号液apm为nh4oh:h2o2:di＝1:5:30，2号液hpm为hcl:h2o2:di＝1:4:20。
24.优选的，所述步骤二中，光刻时的光刻胶厚度在3μm以上，所用盐酸为30％hcl：去离子水＝1:5。
25.优选的，所述步骤二还能够用离子注入的方式代替。
26.优选的，所述步骤四中，电极材料能够是ti/al/ni/au或ti/al/ni/al/au。
27.优选的，所述步骤五中，原边、副边互联的方式包括并联式、串联式和串并混联式。
28.优选的，所述in柱的制备工艺包括如下步骤：
29.第一步：涂胶，胶膜均匀，且大于铟膜的厚度；
30.第二步：前烘，温度80
‑
100℃，时间30分钟。
31.第三步：曝光和显影，检查图形是否完整，套准是否准确，胶膜有没有发生浮胶、起皱和划伤，底膜是否去干净；
32.第四步：剥离，用有机溶剂充分浸泡后，再用很小功率的超声波进行剥离。
33.本发明的优点在于：
34.1、基于第三代宽禁带半导体的技术来构建平面变压器，减小变压器损耗，提高工作效率，将工作带宽提升至5mhz以上；
35.2、采用gan衬底、gan/algan异质结以及微加工的互联，利用gan/algan异质结天然形成的二维电子气(2deg)替代传统铜线；
36.3、采用微加工工艺，实现了变压器的超轻薄；
37.4、采用铟柱实现原边或副边的多重串联或者并联以此提升其过电流的能力，在有限的空间内绕更多的匝数使线径更粗。
附图说明
38.图1为本发明的变压器原副边器件的制备工艺流程图；
39.图2为本发明的变压器原副边器件结构示意图；
40.图3为传统平面变压器中pcb 磁芯模式的器件结构示意图；
具体实施方式
41.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
42.如图1至图3所示，制备变压器原副边器件第一步是采用对器件表面进行清洗。清洗方法是先依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液apm：nh4oh:h2o2:di＝1:5:30，超声10分钟，去除粒子、有机物和部分金属；然后用2号液hpm：hcl:h2o2:di＝1:4:20，超声10分钟，去除氧化物并降低氧元素的残余量；然后再次依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，最后氮气吹干后立即在110℃热台上烘烤5分钟备用。
43.第二步是台面刻蚀或离子注入。先做光刻(光刻胶厚度应达到3μm以上)，然后rie去残胶；然后采用icp刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀厚度500nm～3μm；然后rie去残胶，再用盐酸(30％hcl：去离子水＝1:5)对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110℃热台上烘烤5分钟。如果采用硼离子注入，则不需要做台面刻蚀，可减少器件的表面损伤。
44.第三步是填充绝缘体。在第二步刻蚀的凹槽中填入绝缘体以此来防止回路产生电磁效应，确保不会产生影响，其填充厚度为100nm～1μm。
45.第四步是在器件上使用物理气相淀积(pvd)蒸镀电极，电极材料可以是ti/al/ni/au或ti/al/ni/al/au。
46.第五步是利用in柱进行互联。采用微加工，在in柱外侧用微加工附上一层绝缘体，然后再利用in柱将原边、副边互联起来。
47.具体实施方式及原理：
48.如图3所示，传统变压器技术：pcb 磁芯；传统平面变压器采用小尺寸的e型、rm型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射频干扰。但是，当做为跨接在原副边之间的隔离变压器时，该型变压器很难处理安规问题，而且迁移率和本项目相比没有那么高。
49.gan材料系列具有低的热产生率和高的击穿磁场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。gan材料作衬底散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作，且gan材料禁带宽度达3.4ev，耐压特性强，该技术还能够很好地解决原副边隔离的安规问题。
50.目前，随着mbe技术在gan材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了gan多种异质结构。调制掺杂的aigan/gan结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v
·
s)、高的饱和速度(1
×
107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料。半导体材料的迁移率一般都高于金属，比如金属铜的室温电子迁移率为30cm2/v
·
s，而硅为1350cm2/v
·
s，gan为1000cm2/v
·
s，aln为1100cm2/v
·
s，gan/algan异质结形成的二维电子气(2deg)的室温电子迁移率约为2000cm2/v
·
s。然而，金属的载流子浓度要比半导体高出多个数量级，比如金属铜的载流子浓度为8.5
·
10
22
/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106‑
10
16
/cm3范围内。因此，金属的电导率一般要高于半导体材料。但是，gan/algan异质结形成的二维电子气的浓度可高达1
·
10
20
/cm3，因而，其导电性能与铜相当。另外，采用矩阵式变压器
结构能够减小单个变压器的承载功率，降低变压器的高度，实现超轻薄目标。
51.所以本发明原、副边器件采用衬底是gan，衬底上是gan层，其厚度为500nm～3μm，gan层上是algan层，其厚度为10nm～30nm。gan/algan异质结中间填充的绝缘体的厚度可做到100nm～1μm。
52.制备变压器原副边器件第一步是采用对器件表面进行清洗。清洗方法是先依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液apm：nh4oh:h2o2:di＝1:5:30，超声10分钟，去除粒子、有机物和部分金属；然后用2号液hpm：hcl:h2o2:di＝1:4:20，超声10分钟，去除氧化物并降低氧元素的残余量；然后再次依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，最后氮气吹干后立即在110℃热台上烘烤5分钟备用。
53.第二步是台面刻蚀或离子注入。先做光刻(光刻胶厚度应达到3μm以上)，然后rie去残胶；然后采用icp刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀厚度500nm～3μm；然后rie去残胶，再用盐酸(30％hcl：去离子水＝1:5)对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110℃热台上烘烤5分钟。如果采用硼离子注入，则不需要做台面刻蚀，可减少器件的表面损伤。
54.第三步是填充绝缘体。在第二步刻蚀的凹槽中填入绝缘体以此来防止回路产生电磁效应，确保不会产生影响，其填充厚度为100nm～1μm。
55.第四步是在器件上使用物理气相淀积(pvd)蒸镀电极，电极材料可以是ti/al/ni/au或ti/al/ni/al/au。
56.第五步是利用in柱进行互联。采用微加工，在in柱外侧用微加工附上一层绝缘体，然后再利用in柱将原边、副边互联起来。
57.原边、副边互联包括将同极相连的并联式互联、异极相连的串联式互联和二者混合的混联式互联，具体连接是利用in柱进行互联，铟柱成形我们使用“直接长柱”的方法。“直接长柱”的方法有三种即湿法腐蚀法、干法刻蚀法、剥离法由于剥离法简单且不需要腐蚀，对基底无害。因此，我们采用剥离法。剥离法制作铟柱，其高度主要取决于光刻胶台阶的高度。
58.因此在光刻中第一步：涂胶，胶膜均匀，要大于铟膜的厚度，与金属薄膜的粘附性好，无灰尘和夹杂物。
59.第二步：前烘，温度80～100℃，时间30分钟。
60.第三步：曝光和显影，检查图形是否完整，套准是否准确，胶膜有没有发生浮胶、起皱、划伤，底膜是否去干净。
61.第四步：剥离，用有机溶剂充分浸泡后，再用很小功率的超声波进行剥离。即铟柱制备完成。
62.基于上述，本发明基于第三代宽禁带半导体的技术来构建平面变压器，减小变压器损耗，提高工作效率，将工作带宽提升至5mhz以上；采用gan衬底、gan/algan异质结以及微加工的互联，利用gan/algan异质结天然形成的二维电子气(2deg)替代传统铜线，采用微加工工艺，实现了变压器的超轻薄；采用铟柱实现原边或副边的多重串联或者并联以此提升其过电流的能力，在有限的空间内绕更多的匝数使线径更粗。
63.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。