Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 Decem ber   201 8 , p p.   4772 ~ 4780   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 47 72 - 47 80          4772       Journ al  h om e page http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Metal - e mb edde d SU - 8 Sl ab Tech niq ues fo r Lo w - r esist ance  Mic ro m ac hin ed In du cto rs       Manot  M apato 1 , Pr apon g K lysub an 2 ,  Thanatc ha i  Kulw ora w an ic hp ong 3 , Nim it  Cho mna w ang 4   1, 3 ,4 School  of El e ct ri ca l   Eng ine er i ng,   Surana ree U nive rsit y   of Technolog y ,   Tha i land   2 S y nchr otron   L i ght  Rese arc h   ins ti tute,   Ministr y   o Scie n ce a nd   Technol og y ,   Th ai l a nd       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Ma y   22 , 201 7   Re vised  Ju l   10 ,  201 8   Accepte J ul  17 , 2 01 8       Thi work  pre se nts  new  fab ri c at ion  t ec hn ique   for  m ic ro  power  induc tors             b y   using   m et a l - embedde SU - slab  m oldi ng   technique s .   Th propose d   te chn ique   uses  X - ra y   li thogr ap h y   to  f abr i ca t high - aspe c t - ratio   LIGA - li ke  m ic rostruc tur es  in  form   of  embedde stru ct ur es  in  the  SU - slab.  Th is   proc ess  was  appl ie to  f abr i ca t an  induc to r’s  windings  with  an  a spec ra ti o   of  10,   which  can  provide   ver y   l ow  resista nce   bu stil pre serv a   sm al form  fac tor  and  low  profil e .   Induc tor were   design ed   as  pot - cor stru ct ure with   over all  hei ghts  o 370  μm  and  embedde with  250 - μm - thi ck  windings.   From  the   adva n ta g of  m et al   embe dded  SU - slab  te chni qu es,   μm - thi ck   per m al lo y   cor c ould  be  fab r ic a ted  b y   e lectr opl at i ng  aro und  the   w indi ng  in  a   single   step   that  c ould  hel sim plif y   the   pro ce ss .   F our  t y pes  of  ind uct ors  wer e   fab ricate d   with  3,   5,   10 ,   and  16   turns  in  th ar ea   of  1 . to   9. 5   m m 2.   The  m ea sured  induc t anc was  in  th ran ge  of  70  nH  t 1. μH   at   MH and  DC  resista nc of  30 336  m Ω  for  3 16  turns,   re sp ec t ive l y .   Th DC  r esista nc of   fab ricate indu ctor  was  low,   as  e xpec t ed,   and  sho wed  good  result   compare d   with  th r esult s i li t erature.   Ke yw or d:   High as pect - rati in du ct or s   Me ta l - e m bed de S U - 8 sl ab   Mi cro   powe i nducto rs   Mi cro m achined  in duct ors   X - ray  li thogra ph y   Copyright   ©   201 8   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Ma no t M a pato   School  of Elec tric al  Engineer ing ,   Su r ana ree  Un i ver sit y o Tec hnol og y,   111 U niv e rsity  Avenue,  N a kh on Ra tc hasim a   30000, T haila nd .   Em a il m ano t. m apato@ gm ail.co m       1.   INTROD U CTION     Po rtable  el ect ro nic  dev ic es  hav beco m daily   necessit y.  Ov er  ti m e,  these  fab ricat ed  dev ic es  hav decr eased  in  siz and   increased  in  eff ic ie ncy.  Ho wev er,  ow ing   to  their  li m it ed  siz e,  these  dev ic es  hav on ly   sing le   batte ries  su pp ly ing   cur ren to   each   ci rcu it   desp it var yi ng   DC  vo lt age  req uirem ents Thu s,  the  DC DC  con ver te ci rcu it   is  an  essenti al   com po nen of   su ch  dev ic es  and   is  determ inant  of   dev ic eff ic ie ncy,  and   m or eff ic ie nt  con ver te ci rcu it hav been   con ti nu ou sly   dev el op ed.   The  ind uctive - s witc hin ty pe  ci rcu it   is  cur ren tl ver po pu la r   becau se  of   it s   pr ov isi on   of   gr eat   eff ic ie ncy  with  hig po wer   den sit y.  At  pr esent,  the  ci rcu it   is  no rm al ly   op erated  in  the  m egah ertz  ran ge   [1 ] In   so m e   li te ratur e the  ci rcu it wer design ed  to  op erate  at   fr equ ency  of   up   to   1 0 0   MHz  [ 2 ] ho wev er,  the  eff ic ie ncy   at   an  extrem el hig fr equ ency  is  sti ll   li m it ed  becau se o f   switc hin loss   The  adv antage  of   wo rk ing   at   m egah ertz  ran ge  cou ld  help  decr ease  th ind uctance  req uired In   add it ion the  ind uctor ’s  siz cou ld  be  sm al le and   sti ll   be  capab le   of   being   pack ed  with  ICs,  thu facil it at ing   in  increasing   the  po wer   den sit [3 ] Ho wev er,  fab ricat ing   hig hly  eff ic ie nt  integrated  ind uctor   with  li m it ed  area  has  beco m chall eng becau se  DC   resist ance   play an  im po rtant  ro le   in  ind uctor   eff ic ie ncy  in  DC DC  con ver te ci rcu it as   the  m ajo rity   of   cur ren flow ing   thro ug the  ind uctor is  DC  cur ren t.  Thu s with  the  area  con strai nt,  it   is  har dly  po ssible  to  fab ri cat the  wind ing of   low - resist ance  ind uctor   by  us ing   con ven ti on al  th in f il m  techn olo gy.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       M et al - e m be dded   SU - 8 Sla T echn i qu e for   Lo w - r e sist ance     ( Manot M apat o )   4773   The  wind ing of   m ic ro - ind uctor   are  gen erall fab ricat ed  us ing   var ie ty   of   te chn iqu es.  So m te chn iqu es  include  sp utteri ng wh ic cou ld  po ssibly   le ad  to  m et al   dep os it ion   at   the  su bm ic ro n   scal e.  This  cou ld  resu lt   in  an  even   hig her   resist ance,  wh ic is  m or su it able  fo hig h - resist ance  app li cat ion [4 ] Mi cro m achining   is  ano ther  po pu la te chn iqu fo three - dim ensio nal  m ic ro structur fab ricat ion This  te chn iqu fab ricat es  m old   thro ug bu lk  or   su rf ace  m ic ro m achining   and   fill the  m old   with  m et al   thro ug el ect ro plati ng   [5 ] , [6], an thu s the f abr ic at ed  structur e cou ld b e as thick as  the m old s.  So m e research ers  hav fab ricat ed  an  ind uctor   directl on to  the  po wer   ICs  thro u gh   sil ic on   bu lk  m ic ro m achining   by  us ing   reacti ve  ion   et ching   [7 ] [8 ] This  m et ho can  fab ricat deep   m old of   up   to  25 µm ho wev er,  sil ic on   is  no go od   m old   m at erial   fo cop per   ow ing   to  their  diff eren therm al   exp ansion   coef fici ents,  wh ic cou ld  dam age   the  m old This  m et ho was  im pr ov ed  by  add ing   SU - ph oto resist   to  beh ave  as  po ly m er  wall   inside  the  m old   [5 ] ho wev er,  this  cou ld  resu lt   in  do ub le - m old ing   pr ocess.   An oth er  fab ricat ion   pr ocess  is  the  li tho gr aph pr ocess  [9 ] [1 0]  in  wh ic SU - m old ed  fa br ic at ion   was  per fo rm ed  us ing   the  UV   li tho gr aph te chn iqu e,  wh ic can  bu il 10 0 - µm - thick  m old Ho wev er,  this  te chn iqu cou ld  no fab ricat hig aspect - rati structur e.  Gen erall y,  the  aspect  rati at   wh ic the  strucu re  can  be  bu il is  on ly   1 - 3.   Thu s,  th is  m et ho sti ll   cann ot ach ie ve  low - resist ance w ind ing  w it area li m it at ion .   X - ray  li tho gr aph is  an  excell ent   pr ocess  fo fab ricat ing   structur es  with  hig aspect  rati os   of   m or than  10 Fu rther SU - is  su it able  m at erial   fo m old ing   becau se  of   it hig X - ray  sensiti vity wh ic cou ld  help  red uce  exp os ur ti m e .   Ther efo re,  t his  pap er  pr op os es  the  us of   X - ray  li tho gr aph fo fab ricat ing   m ic ro - ind uctor   fo DC DC  con ver te app li cat ion Per  the  autho rs’   research this  is  the  first  stud to  con sider  this  pr ocess  fo fab ricat ing   the  wind ing of   DC  ind uctor   with  an  aspect  rati of   up   to  10 This  cou ld  help  in  the  fab ricat ion   of   ver low - resist ance  wind ing wh il pr eserv ing   sm al fo rm - factor   and   low  pr of il e.  The  ov erall   pr ocess  was  per fo rm ed  us ing   the  me ta l - em bed ded   SU - sla te chn iqu es, ”  wh ic fab ricat ind uctor   wind ing em bed ded   in  an  SU - sla in  su bs trat e - le ss  fo rm su ch  as  sil ic on   waf er.  The  m et al - em bed ded   sla wo uld   al low  the  fab ricat ion   of   add it ion al   structur es  on   bo th  sides.  This  pr ocess  was  u sed  to  fab ricat the  ind uctor ’s  cor by  el ect ro plati ng   m agn et ic   cor aro un the  wind ing   with  sing le   ste ps wh ic cou ld  help  to  sim plify  the  pr ocess  and   red uce  cost.  The  wh ole  fab ricat ion   pr ocess  is  detai le in  sect ion   3.   Moreo ver sect ion   pr esents  t he  char act erist ic of   the  ind uctor s wh ic include  DC  resist ance,  AC  resist ance,  ind uctance, an sat ur at ion  cu rr ent .       2.   INDU CTO R GE OMET RY   2.1 .   Ind uct or Windi n g   In  this  stu dy,  i nducto r s   we re  desig ne as   po t - co re  st ru ct ur e   owin to  i ts  sm all  fo rm   factor,  l ow   prof il e,  a nd   s ui ta bili ty  fo ba tc fabrica ti on.  This  struc tur has  rectan gu la sp iral   wi nd i ng,  as  sho wn   i Figure  1.   T he  windin gs   wer e   desig ne with   width   of  25  µ m wh ic is  t he   sm al le st  res olu ti on  at   w hic the   UV   m ask  cou l be  pr inte wi th  the  eq uip m e nt  us e in  our  exp e rim ents.  R egardin the  he igh of  the  wi nd i ng ,   it   was  desig ne with  an  as pe ct   rati of   10  and   was  fa br ic at ed  at   the  DX RL  la borato r of   the  Sync hrotr on  Ligh Re sea r c In sti tute,   Th ai la nd .   Th us,  250 - µm - thick  windin gs   wer e   desi gn e d.  F rom   this  struct ure,  th e   windin le ng t c ou l be  ca lc ulate us in the  a naly ti cal  m od el as  presented   in  eq ua ti on   (1),  an it   wa s   seq uen ti al ly   su bs ti tuted  in  eq uation  (2)  to  c al culat the  wi nd i ng   resist anc e.  By   con side r ing   the  dim ension   of   the  str uctur e t he  resist a nce  of  the  i nducto rs   with  windin gs  of   3,  5,  10,  a nd   16  tu rns  co uld   be  cal culat ed,   as   sh ow in  Ta ble   1. T he  cal cul at ed  resist a nce  of the i nducto r was i the  r a nge of  27 270  m Ω.           Figure  1. Co pper  windin g dim ensio a nd  para m et ers  for res ist ance calc ulati on       (1)     nw s w n n d n s w n n d n l H V Cu 4 ) ( ) 2 ( 2 ) ( ) 2 ( 2 2 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber  2 01 8   :   4772   -   4780   4774     (2)       wh ere   Cu l     : cop per   wind ing  leng th   DC R     wind ing  r esi sta nce   n       :   nu m ber  o turn s   i n V d : i nn er s pace w idth   i n H d     :   inn er s pace lon g.   s      sp ace between  wind ing s   w   : con du ct or  w idth    Cu t    : con du ct or  h ei gh t   Cu    esi sti vity  o m at erial .       Table  1.  Cal c ulate R esi sta nc e of  I nduct or s ’ W i ndin gs   Nu m b e o f  turn s   (turn )   Co il T h ick n ess   ( μ m )   Co il width   ( μ m )   Res istan ce   ( m )   3   250   25   2 7 .0   5   250   25   5 1 .1   10   250   25   1 3 2 .3   16     250     25   2 6 9 .4       2.2  Magne tic  core   Perm al l oy ( Ni 80 Fe 20 w as c ho s en  a s th e m a gn e ti cor e  m a te ri al . O win to  it s  h ig pe rm e abi li ty hig s a t u r a t i o n   f l u x   d e n s i t y   [ 11 ] ,   a n d   s u i t a b i l i t y   f o r   m i c r o f a b r i c a t i o n ,   t h e   m a t e r i a l   c o u l d   b e   f o r m e d   t h r o u g e l e c t r o p l a t i n g .   T h e   c u r r e n t   d e n s i t y   o f   5   m A / c m 2   w a s   o p t i m i z e d   f o r   e l e c t r o p l a t i n g ,   a s   t h e   m a x i m u m   c u r r e n d o e s   n o t   y i e l d   b u b b l e s   i n s i d e   t h e   m a t e r i a l   d u r i n g   e l e c t r o p l a t i n g ,   t h u s   a c h i e v i n g   a   s m o o t h   s u r f a c e .   A t   t h i c u r r e n t   d e n s i t y ,   t h e   d e p o s i t i o n   r a t e   o f   m e t a l   w a s   8   μ m / h .   T h e   m a g n e t i c   c h a r a c t e r i s t i c   o f   t h e   m a t e r i a l   w a tes ted   [ 1 2 ],   a n d  i h a s  a   p e rme a b i lity  o f  5 5 0 ,  s a t u r a tio n  f l u x  d e n s i ty  o f  0 . 7 5   T e sl a c o n d u c t iv i ty  o f  5 . 6 6   ×  1 0 6   S / m ,   a n d   c a l c u l a t e d   s k i n   d e p t h   a t   1   M H Z   o f   8   μ m .   H o w e v e r ,   a s   i t s   h i g h   c o n d u c t i v i t y   e a s i l y   l e d   t o   e d d c u r r e n t   l o s s ,   t h e   m a g n e t i c   c o r e   w a s   r e q u i r e d   t o   b e   d e s i g n e d   w i t h   a   t h i c k n e s s   l e s s e r   t h a n   o r   e q u a l   t o   t h e   s k i d e p t h   a t   t h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   t o   a v o i d   p o w e r   l o s s .   T h u s ,   t h e   i n d u c t o r   c o r e ,   w h i c h   w a s   d e s i g n e d   t o   b e   n mo r e   t h a n   8 - μ t h i c k ,   c o u l d   a v o i d   p o w e r  l o s s   f r o e d d c u r r e n t   w h e n   t h e   i n d u c t o r   o p e r a t e d   a t   a   f r e q u e n c of  ap pr ox im at el y 1 MHz.   The i nd uctor   structur was  design ed  as a p ot - cor e ty pe  wh ic was  su rr ou nd ed  by a m agn et ic   cor e, as   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   T h i s   s t r u c t u r e   w a s   s u i t a b l e   f o r   a p p l y i n g   t o   t h e   f a b r i c a t i o n   p r o c e s s   o f   m e t a l - e m b e d d e   SU - 8   s l a b   b e c a u s e  a   ma g n e t i c   c o r e   c a n   b e   s i mu l t a n e o u s l y   e l e c tr o p l a t e d   a r o u n d   t h e   w i n d i n g   i n   a   s i n g l e  s t e p w h i c h   c o u l d   h e l p   s i m p l i f y   t h e   p r o c e s s .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   a d v a n t a g e s   o f   t h i s   s t r u c t u r e   i n c l u d e   t h e r m a   s i n k   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ]   a n d   f l u x   l e a k a g e   r e d u c t i o n   b e c a u s e   o f   t h e   p r e s e n c e   o f   t h e   m e t a l   c o r e   a r o u n d   t h e   i n d u c t o s tr u c tu r e .   A c c o r d i n g   t o   t h i s  d e s i g n ,   th e   w i n d i n g   w a s   2 5 0 - μ m   t h i c k ,   a n d  t h e   w h o l e  s t r u c tu r e  h e i g h t   in c l u d i n in su l a tio n   lay er  a n d  mag n e tic  c o re  w as  l e ss  t h a 400 - μ m   t hi c k ,   w hi c is  g o o d  i n  o n - c hi p  i n du c to r s  f or  mic r po wer  co nv erter ap plica ti on s.           Figure  2.   Mo de l of a  3 - tu r i nducto r wit h 2 50 - µm - thick wi nd in g:  (a)   3D  m od el ,( b) T op  view  c r os s - sect ion ,   and (c a a c ross - sect io n   , 4 ) ( ) 2 ( 2 ) ( ) 2 ( 2 2 2 nw s w n n d n s w n n d n w t R H V Cu Cu DC Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       M et al - e m be dded   SU - 8 Sla T echn i qu e for   Lo w - r e sist ance     ( Manot M apat o )   4775   3.   INDU CTO R FABRI C ATI ON   3.1.    Me t al - em bedded  S U - s lab  fa b ri cat i on tec hnique     The  m et al - em bed ded   SU - sla fab ricat ion   te chn iqu e   is  no vel  pr ocess  fo fab ricat ing   an  ind uctor   wind ing   that  includes   su rf ace  m ic ro m achining   on   su bs trat e,  then  the  su bs trat is   r e m o v e d The  finish ed  sam ple  cou ld  be used  to  bu il add it ion al   structur es  on   bo th  sides,  and   this structur cou ld  be m ou nted direct ly   on to  ICs.   The  X - ray  li tho gr aph pr ocess  was  us ed  to  fab ricat hig as pect - rati m old The  pr ocess  init ia te fr om   the  fab ricat ion   of   the  wind ing   by  coati ng   an  SU - ph oto resist   with  300  μm   thickness  on   Gr aph it su bs trat e,  and   then  so ft  bak ing   at   95   °C  fo 13   h.   The  sam ple  was  coo le to  25   °C  at   rate  no faster  than  0. °C/ m in  to  avo id  sam ple   def le ct ion   caused   by  the  stress  inside  the  thick  film 50 - µm - thick  sil ver   m ask  was  us ed  as the  X - ray  m ask,  ex po sed  to X - rays  thro ug sil ver   m ask  with  a p ow er  of   22   J/c m 3 ,   and   so ft  bak ed  fo r   20   m in.  The  exp os ed  sam ple  was  dev el op e us ing   the  SU - dev el op er  so luti on   fo h,   and   then  rinsed   with  acet on and   deion iz ed  water  to  cl ean  residu al   SU - in  the  m old The  sam ple  was  har bak ed  and   plasm cl eaned  u sing  arg on ; t his clea and  d ry sam ple co uld  all ow  eff ic ie nt elec trof or m ing  insid e the SU - m old .           Figure  3. (a El ect roplat ed  a nd (b)   poli sh e d o ver - fill ed  c oppe r win dings e m bed ded  i t he  SU - 8 m old       Fo the  el ect ro plati ng   pr ocess,   the  m old   was  fill ed  with  el ect ro plate cop per   by  us ing   two  cur ren ste ps 30   m A/cm 2   fo 10   m in  to  red uce  the  no nu nifo rm it of   the  cop per   dep os it ed  on   the  gr aph it su bs trat and   10   m A/cm 2   un ti the  cop per   ov erf il le the  m old as  sh ow in  Figu re  3( a).  Me chan ic al   po li sh ing   was  per fo rm ed  fo rem ov ing   the  ov erf il le cop per as  sh ow in  Figu re  3( b) as  well   as  the  gr aph it su bs trat e Figu re  4   sh ow the  cro ss - sect ion al   view  of   the  pr ocess  flow   and   Figu re  5   sh ow the  transp aren em bed ded   cop per  w ind ing  inside  the SU - sla b.               Figure  4. Cr os s - sect ion al   vie w  of the  pro ce ss  flo w of   X - ray  li tho grap hy m old ing  te ch niqu es for  thick - coi l fabric at ion ( a)  300 - µm - thick S U - 8 o n gr a phit e substrate ; ( b) X - r ay  ex pose a nd  dev el op e d;  (c)  Copper  elec tro plati ng  a nd  poli sh in g; (d) g ra ph it su bst rate i re m ov ed     Figure  5. Tra nspare nt  250 - µm - thick     SU - 8 sl ab wit h co pp e r win di ng  e m bed de d       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber  2 01 8   :   4772   -   4780   4776   3.2.     M agne tic core  f ab ri ca ti on   The  S U - an dr fil m   wer us e as  phot ose ns it ive  m at eri al s,  an th in duct or’s  co re  w as  fa br ic at ed   us in U li thogra phy,  el ect roplat ing s putt er ing a nd   m at eri al   li ft - of te ch ni qu es The  fa bri cat ion   process   w as   init ia te by  sp i coati ng  50 - µm - thick  SU - photoresi st  on   an  SU - sla b,  and   the s of bak i ng   at   95   ° fo r   10   m in.  Ne xt,   the  ph otoresi s was  ex pose to  U with  a en er gy  of  255  m J/cm 2   thro ug the  pr i nt ed  U m ask.   A fter  s oft   ba king  agai n,  the  sam ple  was   de velo ped   i the  S U - de velo per.  This  process  was  re peated   on   t he  oth e s ide  to  create   an  et chin g - pro te ct   la ye on   bo t sides  a nd  us ed  as  a insu la t or   betwe en  th e   windin gs   a nd  m agn et ic   co re,   as  s how in   F igure  6(b).  Ch e m ic al   et ching  was  pe rfor m ed  to   rem ov c oppe i the  co re  a rea  by   us in 50%  N it ric  aci d.   Af te et chi ng,  the   c oppe insi de  th co re  area   wa rem ov ed as  sh ow as Fig ur e  6(c)   The  dr y - fil m   ph ot or esi st  was  us e as  the  sac rifici al   la ye un de the  c oppe seed  la ye t def i ne  the   cor e ’s  de posit ion   area dry - film   ph ot or esi st  was  then  co at ed  on   both  si des  of  the  SU - sla b,   an wa then   expose to   U with  25 - m J/ c m 2   ener gy;  it   was  t hen  de ve lop e us in t he  dr y - film   de velo per  to  rem ov e   th e   un e x posed  film as  sh own  in   Figure  6 ( e) T he  co pper  see la ye was  de posit ed  on  the  whole  sam ple  thr ough   DC  sputt erin g,  as  sh own  in  Figure  6(f ),   a nd  then  li fted  off  the  dr film   by  us in acet on e The  sam ple  was  read f or   m agn et ic - co re  el ect roplat ing as  sh ow in  Fig ures  6(g an 7(b ).   All  the  co res  we re  co nnect e tog e the by  us i ng   c oppe tra ck  f or   batc el ec tro plati ng a s   show in  Fig ure  8 Perm al loy  el ect ro plati ng  wa perform ed  with  c urre nt  de nsi ty   of   m A/c m 2   by  us in NiFe  batch  s ol ution.  T his  c onditi on   ca pro vid a   depositi on r at e  of  µm /h.  A n el ect ropl at ed  s a m ple is shown in  Fig ure  8 .           Figure  6. Cr os s - sect ion al   vie w  of  process  flo w of  m et al  e m bedde S U - 8 s la te ch niques  for  inte gr at e d m ic ro   inducto rs: ( a c oppe r - em bed de S U - 8 sl ab;  ( b) sp i c oating 5 µm  o f SU - 8 photo resist  a nd  patte r ning  of    SU - 8 o bo t s ides; (c rem oving  c oppe r; (d )  co at in g dr y - film   ph otoresi st  on both  sides;  ( e)  patte rn i ng dry  fil m ; (f ) dep os i t coppe see l ay er th r ough  s pu tt eri ng ( g)  li fting o f dr film ; (h el ect r op la ti ng  p e rm al lo y and  then rem ov in g SU - 8 o t he bond i ng p a t hro ugh plasm a etch in g.             Figure  7. The  fa br ic at ed  16 - tu rn m ic ro power i nducto rs  e m bed de i S U - 8.   (a S putt ered co pper  see la ye   (b)  Lift - off  dry fil m  an co pp er     Figure  8. Ba tc h fab ricat ion o m ic ro powe inducto rs  em bed de i S U - 8 s la bs       Af te fabrica ti on,  the  S U - over - coate on  the  bondin pa was  rem ov ed  thr ough  plas m et ching,   and   the rin se with  su lf uri aci to  re m ove  copper   oxide   to  cl ean  the  bo ndin pa an read it   fo wire   bondin g.   I nduc tors  ha ve  an  overall   heigh of  370  µm inc lud ing   that  of  the  250 - µm - thick  windin g,   10 µm   of   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       M et al - e m be dded   SU - 8 Sla T echn i qu e for   Lo w - r e sist ance     ( Manot M apat o )   4777   insu la to r,   a nd  16   µm   of   m agn et ic   cor e Fig ur 9   s hows  c om plete ly   fab ricat ed  sam ples   and  cr os s - sect ion s   of   the f a br ic at e s a m ples.            Figure  9.   The  fa br ic at ed  5 - tu r m ic ro  po wer   inducto rs  a nd c ro ss - sect io n       4.   RESU LT   A N D DIS CUSSI ON   The  DC r esi sta nce  of   the  fab ricat ed  ind uctor s w as  te ste us ing  a   four - pr ob e m easur em ent  te chn iqu e ;   the  m easur ed  DC  resist ance s   are  in  the  ran ge  of  29 .8 335 .6   m Ω  fo the  ind uctor with   3 16   turn s ,   resp ect ively ,   as  sh ow in  Table  2.   The  m easur ed  value  i cl os to  that  cal culat ed  us ing   equ at ion   (2 ) ;   so m dev ia ti on wer ob serv ed   ow ing   to  the  UV   m ask’ dim ension   err or   becau se  the  li m it at ion   of   the  pr inter  was  cl os to  the  structur siz e.  By   m easur ing   the  fab ricat ed   ind uctor ’s  wind ing   width the  aver age  width   was  determ ined  to  be  23   µm As  the  design   was  set   at   25   µm it   resu lt ed  in  a   hig her   ind uctor   resist ance  than  that  of   the  design especial ly   for  the  16 - turn   ind uctor   with   the  m axim um   resist ance  dev ia ti on Ho wev er the  ind uctor   fab ricat ed  as  hig aspect   rati structur had   low  DC  resist ance ,   as  exp ect ed ,   and   it resist ance  can  be  ran ked   in  the  low - resist ance  gr ou com par ed  to  li te ratur that  li sts   resist ance  in  ran ge  of   m 4. Ω  [3 ] , [ 5] [7 ] , [ 10 ] , [ 11 ] , [ 16 ] [1 9].       Table  2.  Mea s ur e a nd Cal cu la te DC Resi s ta nces  of  t he  F abr ic at ed  I nduc tors   Ind u cto ty p e   R DC   C alc   ( m )   R DC   m ea s   ( m )   Area   ( m m 2 )   Co n d u ctiv ity /Are a   (S/ mm 2 )   3  turn s   2 7 .0   2 9 .8   1 .8   1 8 .64   5  turn   5 1 .1   5 1 .1   2 .34   8 .36   1 0  turn   1 3 2 .3   1 4 8 .6   5 .25   1 .28   16  tu rn   2 6 9 .4   3 3 5 .6   9 .45   0 .31       High - fr e quenc y   char act erizat ion   was  perfor m ed   us in g   ve ct or   netw ork  analy zer  A gilent  8650E S,   and  one  port   scat te ring   (S 11 )   m easur em ent  was  c onduct ed   in  the   f reque nc range  of   3 0   kHz  to   G Hz   w hile  the  pa rasit ic   c apacit ance   of   the  D UT   pa and  co nnect or   we re  de - em bed de us i ng  the  a dm ittance  m at rix  m et ho [ 15] T he  sel f - res on a nc fr e qu e ncy  was  not  obser ve d   in  the  f re quency  range  of  30   kH t G Hz  f or  3 - 10 - tu r in duct ors  but  w as  obser ve at   800  MHz   for  the  16 - t urn  in duct or .   Th us ,   t he  r esults  of     sel f - re sona nce   can b e   ig nore becau se   the   in du ct or w as d es ign e t w ork  at   the f re quenc of  a ppr ox im a te ly  1   MHz.  T he  m e asur e S 11   value   w as  co ns i de red   t cal cula te   the  inducta nce  value  by  us in the   L R   Series   Mod el In   Fig ure  10(a ),   t he  in du ct a nce  wa functi on  of  f reque ncy   an s li gh tl decr eas ed  with  t he  inc rease  in   f reque ncy be cause  of  t he d ecrease in   pe r m eabil it y . A t   fr eq ue ncies h i gher t han  M H z, the  i nductan ce value   decr ease sig ni ficantl y   beca use   the   sk i n - de pt h   val ue   of  th m agn et i core  was   hi gher  t han  the   thick ne ss  of   the  co re.  T hu s ,   the  inducta nc value  s ubseq uen tl dec reas ed  acco r ding  to  the  decr ease  in  the  cr os s - se ct ion al   area  of  m agn et ic  co re .   Figure  10(b)   sh ow s   th in duct or   re sist ance   as  functi on   of   fr e quency,   represe nting   DC  an AC   windin losses   and   c or loss .   Wh e co ns ide rin the  fr e que ncy  range  bel ow  MHz the  inducto resist ance   value   inc rease with  fr e que ncy  becau s of  the   s kin  de pt h   of  the   hi gh  aspect   rati windin g;  how ever,  it   increase rap i dly  for  fr e que ncies  hi gher  t ha MHz T his  re pr ese nts  th Ed dy  cu rr e nt   loss  in   the  m agn et ic   cor beca us it thick ness  wa gr eat e tha t he  s kin   dep t h.   Th us in   case  a   fu t ur de vice  requires  oper at ion   at   B   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber  2 01 8   :   4772   -   4780   4778   higher   f reque ncy,  the  t hick ne ss  of  the  m agn et ic   cor e   co ul be   re duced or   t he  c or c ou ld  be  fa br ic at e in  lam inate   patte rn  to  r e duce los s and t hu s  h el p i ncr ease  in duc tor  e ff ic ie ncy.           Figure  10. T he  m easur ed  in du ct ance   and A C   resist ance   in  fr e qu e ncy  rang e of  30 kHz t o 10 MHz       Ma gn et ic   cor sat ur at ion   was  dem on strat ed  by  biasing   the  DC  cur ren in  the  ran ge  of   to  5 0 0   m with  1 - MHz  fr equ ency  m od ulati on Figu re  11   sh ow the  ind uct ance   values  as  fu nction  of   biasing   cur ren t.  The  ind uctance  of   al ind uctor decr eased  with  the  increase  of   the  biased  cur ren t;   this  rep resen ts  the  beg inn ing   of   m agn et ic   cor sat ur at ion at   wh ic the  ind uctance  value  was  red uced   by  20 of   the  init ia ind uctan ce.  The  resu lt   sh ow ed  that  the  sat ur at ed  cur ren ts  of   al the  ind uctor wer app ro xim at el 1 1 m A,   wh ic was  rather   low.   The  low  sat ur at ion   cur ren resu lt ed  fr om   the  un - gap ped   cor design ed.   In   case  of   design  d em and  o hig her  cu rr ent, a  gap  co uld  b e add ed   or  r e - design  the m agn et ic  co re.   Figu re  12 (a)   sh ow com par ison   of   the  fab ricat ed  ind uctor against  tho se  in  li te ratur accord ing   to  ind uctance an DC  resist ance.  The  ind uctance  values  wer e com par able  to tho se o oth er r esearches w hich  are  in  ran ge  of   10 nH µH.  Re gar din the  resist ance,  their  va lues  can  be  ran ked   in  the  low  resist ance  gr ou p,   bu sti ll   hig her   than  [5 ] wh ic has  the  lowest  resist ance  at   9. mΩ .   Ho wev er,  if  we  con sider  the  ind uctor ’s  area,  the  ind uctor in  this  research   hav area  in  ran ge  of   1. m m 2 9. m m 2   wh il the  ind uctor in   oth er  research es  hav area  in  ran ge  of   m m 2 30 m m 2 So the  area  is  ano ther  com par ison   factor   that  sh ou ld  con sider.           Figure  11. Mea su re i nductan ce as a  funct io n of DC  bias c urren t at   M H z       In   Figu re  12 (b ),   the  resist ances  wer con ver te to  con du ct ivit and   div ided  by  the  fo otp rint  area,  sh ow ing   that  hig her   con du ct ivit in  sm al area  was  achieved  fo DC  ind uctor   fab ricat ion Fr om   the  resu lt the  ind uctor fr om   this  research   sh ow   go od   con du ct ivit wh en  m easur ed  by  area,  and   are  com par able  to   the  best  resu lt fr om   oth er  li te ratur e.  The  low  resist ance  per   area  resu lt ing   fr om   the  hig aspect  rati structur cou ld  help  to  m inim iz DC  resist ance   even   within  sm al fo otp rint.  In   su m m ary,  the  ind uctor fab ricat ed  us ing   the  hig aspect  rati associa te with  the  pr ocess  of   m et al - em bed ded   SU - sla te chn iqu es  yi el go od   resu lt includin low - resist ance,  hig ind uctance,  and   sm al fo rm   factor Ho wev er,  they   sti ll   need   an  im pr ov em ent o the satur at ion  cu rr ent.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       M et al - e m be dded   SU - 8 Sla T echn i qu e for   Lo w - r e sist ance     ( Manot M apat o )   4779       Figure  12. In duct ance  an d re sist ance of  f ab r ic at ed  in du ct or com par ed  to  l it eratur values :   [3 ] , [ 5] - [ 7], [10 ] ,   [11] an d [ 16 ] - [ 19 ] : (a i nduct ance  a nd   resist ance  (b)  in duct ance a nd con duct ivit y per  are a       5.   CONCL US I O N   Mi cro m achined   in duct or s   f or  DC DC  c onve rter  a pp li cat io we re  fabrica te us in m et al - em bed de SU - sla te c hn i qu e s.  T he  windin was  f abr ic at ed  t hro ugh  a   X - ray  l it ho gra ph pr oc ess  to  fa br ic a te   the   inducto r s’   windin g s   with  hi gh   as pect  rati of  10.  T his  structu re  co ul help  m ini m ize  the  DC   resis ta nce  wh il pr e ser vin g   sm al fo r m   fact or   an low  pr of il e.  W it h   the  a dvant age  of  m et al - e m bed ded  SU - sl a te chn iq ues th m agn et ic   co re  can  be  de posit ed  a rou nd   the  windi ng s   a on ce  a nd  co uld   help  sim plify  the   process  a nd  r e du ce   cost .   As   the  re su lt t he  m easur ed   DC   resist ance  s ho wed  lo DC   r esi s ta nce  as  e xpect ed ,   lowe tha li te ratur e   val ue s ,   w hen  facto re a gainst  t he   inducto a rea The   in du ct a nce  s howe d   r esults  com par able   t the  li te ratu re,   but  the   sat ur at ion   c urre nt  was   rathe l ow  beca us t he   m agn et ic   core  was  config ur e as   unga pped F or   f utu re   rese arch,  the  c ore   struct ur c ou ld  be   de velo pe to   acq uire   highe r   sat ur at io c urr ent b fa br ic at ing wit la m i nation o r usin m at erial  that  could  sup port  higher  freq ue nc y.       6.     ACKN OWLE DGE MENTS   This  research   is  fu ll su pp or te by  Synchr otro Ligh Re search  In sti tute  (P ub li Or gan iz at ion ),   Thail and .       REFERE NCE S   [1]   N.  W ang,   et   al. ,   " High  Frequ ency   dc - dc  Co nver te with  C o - pac kag ed  Pla nar   Induc tor  an Pow er  IC , i 2013 El e ct ronic   Components  &   Technol ogy   Con fe renc e, 2013. , p p.   1946 - 1952   [2]   G.  Schrom ,   et   al. ,   "A   100MH Ei ght - Phase  Buck   Convert er  Del i ver ing12A  in  25m m 2   Us ing  Air - Core  Induc tors, "   Appl ie d   Pow er  El e ct ronics  Con f ere nce, AP EC   2 007 -   Tw ent y   Se c ond  Annual IEE E ,   pp .   727 - 730 ,   Feb  2007.     [3]   N.  W ang,   et  al . ,   " Micro - induc t ors  int egr at ed   o sili con  for   po wer  suppl y   on   chi p , "   Journal  of  Magne ti sm   a nd   Magne tic  Mat eri als ,   2007 ,   pp.   23 3 - 237.   [4]   P.  Dee kla,   et   al. ,   "   Al  Microhe a te and  Ni  Te m per at ur Sensor  Set  base d - on  Photoli thogr aph y   with  Closed - Lo op  Control , In te rn ati onal Journal of  E le c tric al   and   Computer  Eng i nee ring,   vol .   5 ,   No 4,   pp .   849 - 85 8,   Aug 2015 .   [5]   M.  W ang,   e al . ,   " Sili con  m olding  te chn ique f or  int egr ated  po wer  MEMS   induc tors ," Sensors   and  Ac tua tors  A Phy sica l ,   2011 , v ol.   166 ,   pp .   157 - 163.   [6]   T.   O’D onnel l,   e al. ,   " Microf ab ric a te Induc tor for  20  MH Dc - Dc  Convert e rs , in  Appl ie Powe El e ct roni cs   Confe renc and   Ex positi on ,   2008 . APEC    2008.   Tw ent y - Thir Ann ual  IE EE ,   2008 ,   pp.   689 - 693 .   [7]   B.   Orlan do,   e al. ,   " Low - Resist anc Int egr a te Toroi da Induc t orfor  Pow er  Mana gement , IE E Tr ansacti ons  on   Magne tic s,  vo l.  42,   pp .   3374 - 33 76,   2006 .   [8]   M.  W ang,   et   a l . ,   "S U8  Enh anced  High  Pow er   Densit y   MEM Induc tors, in   2008  Proc .   of   the   34 th  Annu al  Confe renc of   th IE EE Industria E le c tronic s So c ie t y   2008 . ,   pp.   1 946 - 1952   [9]   E.   Br andon,  et  a l. ,   " Fabricat ion   and  Cha racte r izati on  of   Micro in duct ors  for  Dist ribut ed  Pow er   C onver te rs , "   IEEE  Tr ansacti ons on Magnetics,  vo l.  39,   pp .   2049 - 20 56,   Jul 20 03 .   [10]   D.  Sadle r ,   et   a l. ,   "M ic rom ac hined  Spiral   Induc to rs  Us ing  UV - LI GA Te chni qu es, "   IEE Tr ansactions   on  Magne ti c s,   vol.   37 ,   pp .   2897 - 2899,   Jul2001 .   [11]   N.  W ang,   et   a l . ,   " High - fr eque n c y   Micro - m ac h i ned  Pow er  Ind uct ors , , Jour nal  of  Magne t ism  and  Magne t i Mate rials,   vol .   2 90 - 291,   pa rt  2 ,   p p.   1347 - 135 0 ,   A pl  2005.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber  2 01 8   :   4772   -   4780   4780   [12]   O.  Cal tun,   et   al . " Init ial  per m eabili t y ,   h y s te resis   and  tot al   losses   m ea surem ent s, "   in  Anal eleStiint if ice - F izic aStari Condensate   200 0,   pp .   56 - 60 .   [13]   Y.  Benha dda ,   et  al. ,   "   Th ermal   Beha vior  of  an  I nte gra te Squar Spiral   Micro  Coil , T EL KO MN IKA   Indone sian   Journal  of   Elec t rical   Engi ne erin and  Computer   Sci en ce,  vol .   14 ,   No 2, pp. 250 - 2 65,   Ma y   2015.   [14]   Derka oui ,   Ham id,   T   Le b e y,   Me lati.  Desi gn  and  Mode li n of  an   Int egrate Mi croTr ansform er  in  F ly ba ck  Conve rter .   T ELK OM NI KA .   2013;  11(4):   669 - 6 82.   [15]   S.  Li nder ,   S - par amete t ec hn iq ues  for  faste r ,   m ore   ac cur at n et work  design,”  HP  appli ca ti on  note   95 - 1 ,   H ewl et t   Packa rd  1996 .   [16]   F.  Sato,   et   al. ,   " All - in - One  Packa ge  Ultr acom pac Microp owerModule   Us ing  Thi n - Film   Induc tor , IE EE  Tr ansacti ons on Magnetics,  vo l.  40,   pp .   2029 - 20 31,   Jul 20 04 .   [17]   J.  W .   Park  and  Mark  G.  Al le n,   "U lt ral ow - Profil Microma chi ne Pow er  Induc t ors   W it Highl La m inated   Ni/ Fe   Cores:  Applic a tion  to  Low - Mega her t DC DC  Convert ers, IE EE   Tr ansacti ons  on  Magne ti cs,   vol.   39,   pp .   3184 - 3186,   Sep   2003.   [18]   K.  H.  Kim ,   et   al. ,   "A   Mega her tz   Sw it chi ng  DC/DC  Convert erUsing  FeBN  Thi F il m   Induc tor, IEE T rans act io ns   on  Magne t ic s,   v ol.   38 ,   pp .   3162 - 3164,   Sep   2002.   [19]   C.   H.  Ahh  and  M.G.  Alle n, "M i cro m ac hine Pl ana Induc tors  o Sili con  W afe r for  MEM A ppli c at ions,"  IE EE   Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s,  vo l. 45, p p.   866 - 876 ,   De c 1998.       BIOGR AP H I ES OF  A UTH ORS                   Manot  Mapa to  rec ei ved  his  B. Eng.   and  M.E ng.   from   Surana ree   Univer sity   of  Te chnol ogy ,   Nakhon  Rat cha sim a,   Tha il and  in  2005  and  2007,   respe ct ive ly ,   both  in  El ec tri ca Engi nee ring.   W it fina nci al   support  from   the   Sy nchr otron  Li ght  Resea rch   Instit ute   (Public   Organi za ti on),   he  is c urre ntl y   working  towar the   Ph.D.  degr ee   in  the   School  of  El ec tri ca Engi nee ring,   Instit ute   of  Engi nee ring,   Surana ree   Univer sity   of  Te chnol ogy .   His  rese arc int ere sts  inc lude   X - ray   li throgra phy   appl ic at ion,   m ic ro - sensor,  m ic ro - el ec troni cs  devi ce s a nd  embedde cont rol  sy stem.                         Prap ong  Kl y sub un  rec e ive his  B. Sc.   (Hons de gre in  ph y si cs  from   Chula longkorn  Univer sit y ,   Bangkok,   Tha i l and,   in  1996,   and  his  M.Sc .   and  Ph.D.  d egr ee in  ph y si cs  from   Virgini a   Pol y t ec hni and   Stat Univer si t y   (Virg ini Tech)  in  1998  a nd  2002,   respe ct iv ely .   Af t er  gra duation,   h st art ed   working  as   r ese ar che at  S y nchr otron   L ig ht  Rese arc Inst i tut ( form erly   known  as  Nati onal   S y nch rotron   Resea rch   Center).   He  is  cur re ntly   serv ing  as   an  As sistant   Dire ct or   and   the  Dire c tor  of   Ac ce l era tor   T ec hn olog y   Division   of  SLR I.   His   re sea rch   intere sts  inc lud a ccel e rator ph y s ic s,   par t i cl e   be am d y n amics,   and appl i cati ons of  s y n chr otr on  rad i at ion .               Tha na tc ha Kul worawani chpon rec e ive his  B . Eng.   from   Sura nar ee   Univ ersity  of  Te chnol og y ,   Nakhon  Ratcha sim a,   Thaila nd   in  1998  and   his  M.E ng .   fr om   Chula longk orn  Univer sit y ,   Bangkok,   Tha i l and  in  2000 ,   b oth  in  El e ct r ic a l   Engi ne eri ng .   H al so  go his  Ph.D.  from   the   Univer sit y   of  B irmingham,  Eng la nd,   2004 .   His  emplo y m ent   e x per ie n ce   star te d   with  te a chi ng  assistant   in  199 at   School  of  El e ct ri ca Engi n ee ring ,   Surana r e Univer sit y   of  Te chno log y .   In   2000,   he  was  pr om ote to  be  f ull - ti m l ecture of  the   sam scho ol.   Again ,   he  wa prom ote to   be  an  associate   profe ss or  of  el ectr ical  eng ine er in as  his  cur ren positi on  up - to - n ow.  He  bec ame  m ember  of  s eve ra well - kno wn  ac ade m ic   societie s,  such  a s,  W SEA S,  IEE E,   IE T,   IE EJ,   W AS ET ,   IAS TE D,  e tc.  Also  he   has  usually   s erv ed  the s soci et i e as  the ir   ref ere e   for  rev i ewing  subm it te pap er s   to  their  journ a ls.  His  spec i al  f ie lds  of  int er est   inc lud ed  el e ct ri ca m a chi nes ,   power  elec tronic  con trol   and  dr ive s,  soft   comp uti ng,   m odel ing   and  sim ulation   with  adva nc ed  num eri ca l   t ec hni ques,   and   e lectr i ca l   power  s y ste m   ana l y sis.                     Nim it   Chom nawa ng  recei ved   the   B. Eng.   d eg ree   in   instrume nta ti on   engi n ee r ing  from   King   Mongkut’s Insti tut of  T ec hnolo g y ,   La dkr aba ng ,   Tha iland,   in  199 3,   the   MS   degr e in  biomedi ca l   engi ne eri ng  fro m   Virgini Co m m on wea lt U nive rsit y   in  199 9,   and   MS   and   PhD   degr e es  i el e ct ri ca engi ne eri ng  from   Loui siana   State  Univer sit y   in  2001  and  2002,   respe ct iv ely .   Sin c e   2002,   he  h as  be en  le c ture at   the   School  of   E le c tri c al   Engi ne eri ng,   Sur ana re e   Univer sit y   of   Te chno log y ,   Th ai l and.   His  rese arc in te r ests  inc lud m ic rofa bric a ti on,   MEM S,  biomedic al  instrumenta t ion,  and  embedd ed  a utomati on.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.