CN102479605B - 变压器器件和用于制造变压器器件的方法 - Google Patents

Abstract

变压器器件和用于制造变压器器件的方法。变压器器件包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的玻璃基板。第一凹陷在玻璃基板的第一侧形成。第二凹陷在玻璃基板的第二侧形成。该第一凹陷和第二凹陷彼此相对布置。第一线圈布置在第一凹陷中且第二线圈布置在第二凹陷中。

Description

变压器器件和用于制造变压器器件的方法

技术领域

此处描述的实施例涉及变压器器件，且尤其涉及集成到玻璃基板中的变压器器件、无芯变压器、具有铁磁芯的变压器及其制造方法。

背景技术

电感器和变压器用于信号处理，诸如用于功率器件的栅极信号的处理。在很多应用中，尤其在高功率应用中，变压器的初级和次级线圈可以以不同的电压操作。这种变压器需要初级和次级线圈之间的可靠的电学绝缘以防止功率器件的电学击穿和故障。例如，变压器可以用于将用于控制高压器件的低压控制单元与高压器件直接耦合。用于耦合低压器件和高压器件的其他选项是光纤设备或SOI技术上的集成电路。

变压器通常通过使用用于形成初级线圈的IC的上金属化层集成到控制单元的集成电路（IC）。上金属化层被酰亚胺层覆盖，在该酰亚胺层上形成次级线圈。这种变压器需要附加层且由于酰亚胺绝缘具有有限的介电强度。再者，厚酰亚胺层可能弯曲IC的半导体基板。此外，用作绝缘的酰亚胺或其他合成材料可能在用于形成次级线圈的溅射工具中脱气，这导致溅射工具的附加清洁。

发明内容

此处描述的特定实施例涉及但是不限于这种变压器器件：其具有至少玻璃基板的第一侧的第一线圈以及玻璃基板的第二侧的第二线圈，其中玻璃基板形成第一线圈和第二线圈之间的电学绝缘。此处描述的其他实施例涉及但是不限于使用玻璃基板以将次级线圈与初级线圈绝缘的无芯变压器。此处描述的其他实施例涉及但是不限于具有铁磁芯和将次级线圈与初级线圈绝缘的玻璃基板的变压器。此处描述的其他特定实施例涉及用于制造变压器器件的方法。

根据一个或更多实施例，提供一种变压器器件。该变压器器件包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的玻璃基板。在玻璃基板的第一侧在玻璃基板中形成第一凹陷。在玻璃基板的第二侧在玻璃基板中形成第二凹陷。第一凹陷和第二凹陷彼此相对布置。第一线圈布置在第一凹陷中且第二线圈布置在第二凹陷中。

根据一个或更多实施例，提供一种变压器器件。变压器器件包括玻璃基板，该玻璃基板包含具有第一厚度的第一部分和具有小于第一厚度的第二厚度的第二部分。第一部分横向地环绕第二部分。第二部分具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧。平面初级线圈布置在玻璃基板的第二部分的第一侧。平面次级线圈布置在与初级线圈相对的玻璃基板第二部分的第二侧。初级线圈和次级线圈通过玻璃基板的第二部分彼此电学绝缘。

根据一个或更多实施例，提供一种变压器器件。该变压器器件包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的玻璃基板。第一平面线圈包括布置在玻璃基板的第一侧的导体。该导体具有远离玻璃基板的第一侧布置的端部和侧壁。第二平面线圈包括布置在玻璃基板的第二侧的导体。第一和第二平面线圈彼此相对布置。第二平面线圈的导体具有远离玻璃基板的第二侧布置的端部和侧壁。第一铁磁盖子在玻璃基板的第一侧在第一平面线圈上。第一铁磁盖子与第一平面线圈电学绝缘且覆盖第一平面线圈的导体的侧壁和端部。第二铁磁盖子在玻璃基板的第二侧在第二平面线圈上。第二铁磁盖子与第二平面线圈电学绝缘且覆盖第二平面线圈的导体的侧壁和端部。玻璃基板布置在第一盖子和第二铁磁盖子之间。

根据一个或更多实施例，提供一种用于制造变压器器件的方法。该方法包括：提供具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的玻璃基板；在玻璃基板的第一侧，在玻璃基板中形成第一凹陷；与第一凹陷相对在玻璃基板的第二侧在玻璃基板中形成第二凹陷；在第一凹陷中形成第一线圈；以及在第二凹陷中形成第二线圈。

根据一个或更多实施例，提供一种用于制造变压器器件的方法。该方法包括提供具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的玻璃基板；在玻璃基板的第一侧形成具有导体的第一平面线圈；在第一平面线圈上形成第一绝缘层；在第一平面线圈上方形成第一铁磁盖子；在玻璃基板的第二侧形成具有导体的第二平面线圈；在第二平面线圈上形成第二绝缘层；以及在第二平面线圈之上形成第二铁磁盖子。

当阅读下面的详细描述且当查看附图时，本领域技术人员将意识到附加特征和优点。

附图说明

附图被包括在本说明书中以提供对本发明的进一步理解，并结合到本说明书中且构成本说明书的一部分。附图说明了实施例，且与说明书一起用于解释本发明的原理。随着通过参考下面的详细描述更好地理解其他实施例和实施例的很多潜在优势，将容易意识到这些其他实施例和实施例的很多潜在优势。附图的元件没有必要彼此成比例。相似的参考标号指示相应的类似部件。

图1A-1J说明根据一个实施例制造变压器器件的方法的工艺。

图2说明根据一个实施例的变压器器件。

图3说明根据一个实施例的变压器器件。

图4说明针对不同材料涡流的穿透深度与电场的频率之间的关系。

图5A-5C说明根据若干实施例用于制造压印掩膜的压印工艺。

具体实施方式

在下面的详细描述中，对附图做出参考，附图形成本说明书的一部分且通过其中可以实践本发明的说明性特定实施例示出。就这方面而言，参考描述的（多个）附图的取向使用诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“前列”、“拖尾”等方向术语。因为实施例的组件可以以很多不同取向布置，方向术语用于说明性目的而绝非限制。应当理解，可以使用其他实施例，且可以在不偏离本发明的范围的条件下做出结构或逻辑变化。因此下面的详细描述并不具有限制意义，且本发明的范围由所附权利要求限定。描述的实施例使用特定语言，其不应被解读为限制了所附权利要求的范围。

应当理解，除非特别声明，此处描述的各个示例性实施例的特征可以彼此组合。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与其他实施例的特征结合使用以得出另一实施例。旨在表明，本说明书包括这种修改和变化。

当在本说明书中使用时，术语“横向”旨在描述平行于玻璃基板的主表面的取向。

当在本说明书中使用时，术语“垂直”旨在描述垂直于玻璃基板的主表面布置的取向。

在本说明书中，认为玻璃基板的第二表面由底面或背面形成，而认为第一表面由玻璃基板的上面、前面或主表面形成。因此，当在本说明书中使用时，术语“之上”和“之下”考虑附图中示出的这种取向描述结构特征与另一结构特征的相对位置。

术语“软磁芯”、“磁芯”、“可磁化芯结构”和“铁磁盖子”旨在描述“软磁”材料形成的结构，在施加外部磁场时，该“软磁”材料容易磁化和重新磁化。软磁材料的示例是非合金铁、镍-铁合金和钴-铁合金。与“硬磁”材料不同，当场被去除时，这种材料不维持磁化、或仅被弱磁化。

术语“剖面图”旨在描述从第一侧穿过玻璃基板到第二侧以及穿过在玻璃基板的两侧形成的结构的垂直剖面图。

当提到半导体器件时，意味着至少是两端器件，示例是二极管。半导体器件还可以是诸如场效应晶体管（FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、结型场效应晶体管（JFET）以及晶闸管的三端器件等。半导体器件还可以包括多于三个端子。根据一个实施例，半导体器件是功率器件。集成电路包括多个集成器件。

在下文中被称为变压器的此处描述的变压器器件是与半导体器件或集成电路分离制造的器件，使得用于形成变压器的制造工艺不与半导体器件或集成电路的制造工艺相干扰且反之亦然。这在根据特定需要调节工艺中提供更多的自由度。

如下所述在玻璃基板的两侧均形成变压器。玻璃基板形成变压器的第一线圈和第二线圈之间的电学绝缘。第一和第二线圈也被称为初级和次级线圈。玻璃基板提供电学绝缘，该电学绝缘具有明显大于通常用于绝缘的酰亚胺材料或其他合成材料的介电强度。因此，取决于使用的玻璃材料以及第一线圈和第二线圈之间所选的玻璃厚度，第一线圈和第二线圈之间的电压差可以高达10000V或者更高。这种变压器为相对昂贵的其他信号传输器件(诸如光纤设备或基于SOI技术的器件)提供合适的备选。

参考图1A至1J，描述用于制造变压器器件的方法的第一实施例。

如图1A所示，提供具有约200µm至约1000µm的初始厚度d₁的玻璃基板或玻璃晶片10。典型地，初始厚度d₁可以约为300µm。如下面进一步描述，玻璃基板10的材料可以选择为提供所需的介电强度。根据一个实施例，玻璃基板10可以包含诸如BF33的硼硅酸盐玻璃。

玻璃基板10具有第一侧或表面11以及与第一侧11相对布置的第二侧或表面12。在玻璃基板10的第一侧11形成具有至少一个开口15a、典型地多个开口15a的蚀刻掩膜15。每个开口15a限定了将要在玻璃基板10中形成的凹陷的位置和大小。蚀刻掩膜15可以是任意合适的材料，例如，是可光学光刻结构化的抗蚀剂。

如图1B所示，使用蚀刻掩膜15在玻璃基板10的第一侧11蚀刻第一凹陷21。凹陷21可以在例如加热的HF溶液中被湿法化学蚀刻。在其他实施例中，凹陷21可以被干法化学蚀刻。所得的结构在图1B中说明。

对第二侧12重复图1A和1B中说明的工艺，即在第二侧12形成另一蚀刻掩膜（该另一蚀刻膜具有用于限定将要蚀刻的凹陷的开口），且然后第二侧12被蚀刻以形成第二凹陷22。去除蚀刻掩膜之后的所得结构在图1C中说明。第一和第二凹陷21和22布置为使得第一凹陷21相对第二凹陷22布置，即，第一和第二凹陷21、22在玻璃基板10的相对侧形成一对凹陷。典型地，第一和第二凹陷21、22具有基本相同的大小，不过不同大小和深度也是可行的。

一对凹陷的第一凹陷21和第二凹陷22之间的玻璃厚度d₂调节为在操作变压器时提供足以防止变压器的第一线圈和第二线圈之间的电学击穿的介电强度。玻璃厚度d₂可以处于约40µm 至约100µm 的范围内。在一个实施例中，玻璃厚度d₂约为100µm 。

在如图1D所示的进一步工艺中，在玻璃基板10的第一侧11形成第一种层27。第一种层27为第一凹陷21的衬层且例如可以通过溅射沉积。第一种层27例如可以是Ti或Ag层。可以同时或随后在玻璃基板的第二侧12形成第二种层。还可以在后续步骤中形成第二种层。图1J示出最终结构中第二种层28的剩余部分28a。

在进一步的工艺中，可模压（moldable）材料24（典型地热塑材料）涂敷于玻璃基板10的第一侧11。可模压材料24至少部分地填充第一凹陷21。典型地，可模压材料24完全填充第一凹陷21且覆盖玻璃基板10的第一侧11。可模压材料24例如可以是诸如压克力抗蚀剂的聚合物材料。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）是一个示例。

在如图1E所示的进一步工艺中，提供具有突出的图案26a的模板26。图案26a限定了将要压印到可模压材料24中的结构。例如，图案26a具有限定将要在可模压材料24中形成的一个或更多沟槽的形状的突出结构。

也称为靠模（master form）的模板26被按压到可模压材料24中，使得突出图案26a被插入到第一凹陷21中。参考图1F至1l，使用图1E中虚线环绕的部分说明下述工艺的细节。

可模压材料24典型被加热以变得可流动。加热温度典型地超过形成可模压材料24的聚合物的玻璃转化温度。如图1F所示，模板26然后被按压，直到突出图案26a到达或几乎到达第一凹陷21的底部。典型地，突出图案26a不到达第一种层27。加热还可以导致聚合物材料的交联。在冷却之后，模板26被去除。

在进一步的工艺中，可模压材料24被适当地蚀刻以去除在突出图案26a和第一种层27之间留下的材料以露出因而形成的压印掩膜25的沟槽25a中的第一种层27。上述工艺是用于通过压印光刻形成掩膜的一个选项。其他选项在图5A至5C中说明。

简而言之，图5A说明结合图1D至1F描述的所谓的“热压成形(hot embossing)”。可模压聚合物材料524a被沉积在基板510上且被加热到其玻璃转化温度以上。然后，由相对硬的材料形成的模板526a被按压到材料524a上以将模板526a的图案转移到后续要被冷却的聚合物材料524a。在冷却之后，模板526a被去除且聚合物材料524a被蚀刻以完成压印掩膜525a。

图5B说明使用对于UV辐射透明的模板526b的所谓的UV压印光刻。模板526a典型地是石英玻璃基板。UV可固化抗蚀剂524b例如逐滴地被沉积到基板510上，且然后模板526b被按压到可流动抗蚀剂524b中以印下模板526b的图案。UV辐射580然后用于固化抗蚀剂524b，该抗蚀剂524b在去除模板526之后被蚀刻以获得压印掩膜525b。

图5C说明使用具有图案的模板526c的所谓的微接触印刷（µ-CP），该模板526c被浸入要被转移到基板510的表面上的印刷材料的溶液中。模板526c通常由诸如有机硅（silicone）（例如PDMS（聚二甲基硅氧烷））的弹性材料形成。模板526c然后被轻柔地相对于基板按压以转移最后将在基板510上形成压印掩膜525c的构图的印刷材料524c。

通过使用上述或其他合适的压印工艺其中任意一种，在第一凹陷21中形成具有至少一个沟槽25a的压印掩膜25，该沟槽25a延伸到第一种层27且露出第一种层27。上述工艺可以总结为使用模板的压印光刻，该模板具有突出图案，该突出图案用于在基板上形成压印掩膜。

然而，掩膜层25a的形成不限于压印光刻。例如，如下所述，光学光刻可以用于形成具有高长宽比的掩膜。

在进一步的工艺中，如图1G所示，导电材料被沉积到沟槽（或多个沟槽）25a中。根据一个实施例，导电材料是使用第一种层27作为起始层被电解沉积（也被称为电镀）的铜或其他合适的高导电材料。例如，CuSO₄溶液可以用于电解铜沉积。沟槽25a被部分地填充以保持相邻沟槽25a的材料彼此分离。此处应当注意，图中说明的沟槽25a是包含1个、2个或更多绕组的单个沟槽的部分。图1F至1J说明具有两个平面螺旋绕组的沟槽。在图中示出的剖面图中，这种双绕组表现为4个沟槽25a。

如图所示，沟槽25a具有相对大的长宽比，即，沟槽25a的深度（即高度）大于沟槽25a的宽度。在一个实施例中，长宽比（高/宽）处于约10至约50的范围内。使用具有这种长宽比的沟槽25a允许具有相似或稍小长宽比的导体31a的形成。导体31a由沉积到沟槽25a中的导电材料形成。高长宽比导体具有大的剖面面积和有益于变压器的质量（或品质因子（quality factor）：Q-因子）的减小的电阻。

用于形成线圈的工艺也可以描述为使用由掩膜（压印掩膜）25形成的电镀掩膜的图案电镀工艺。典型地，线圈31、32是平面线圈，即，绕组基本在玻璃基板上的相同平面中形成。

在进一步的工艺中，如图1H所示，例如通过蚀刻去除压印掩膜25以露出形成布置在第一凹陷21中的第一线圈31的导体31a。压印掩膜25的去除露出侧壁部分和远离玻璃基板10的端部。在图1H中，该端部由导体31a的上端形成。使用露出的导体31作为掩膜，第一种层27然后被蚀刻。被导体31a覆盖的第一种层27的部分27a保留在玻璃基板10的表面上。

最终的导体31a具有第一种层27的剩余部分27a的材料和沉积的导电材料（例如铜）形成的剖面。如图1H所示，总高度h由第一种层27的厚度和沉积的导电材料的厚度给出。典型地，与电解沉积的导电材料相比，第一种层27很薄，使得最终导体31a的高度h基本对应于电解沉积的导电材料的高度。

如图1l所示，在进一步工艺中，钝化层47被沉积到玻璃基板10的第一侧11。钝化层47完全覆盖由导体31a形成的第一线圈31。

当在平面图中观看玻璃基板10的第一侧时，第一线圈31的导体31a可以具有例如单绕组线圈、双绕组线圈或具有多于两个螺旋绕组的线圈的形状。当从平面图观看时，取决于环境，绕组可以是方形、椭圆形、圆形、矩形或任意其他形状。

压印掩膜25还限定了形成垫（pad）结构的区域以提供到第一线圈31的电学接触。图2说明具有与第一线圈31的导体31a的端部电学连接的第一垫结构41a和41b的变压器。这些垫结构41a和41b还典型地在第一凹槽21内形成且通过蚀刻钝化层47露出。

在第二侧12重复图1D至1I中说明的工艺以形成具有导体32a的第二线圈32，该导体32a由电解沉积的导电材料以及第二种层28的部分28a形成。最后，玻璃基板10被划片或切割以形成分离的变压器。所得的结构在图1J中说明，71表示划片边缘，48表示封装第二线圈32的钝化材料，且75表示用于封装变压器的绝缘材料。

本领域技术人员将意识到还可以使用用于形成第一和第二线圈31、32的其他工艺，诸如印刷或粘合。当希望具有高长宽比导体的线圈时，典型地使用利用在玻璃基板10上形成的掩膜的压印光刻或光学光刻，因为这些技术允许高长宽比掩膜的简单形成。

结合图1A至1J的实施例描述的变压器可以关于第一和第二凹陷21、22的大小和位置以及相应凹陷21、22中的第一和第二线圈31、32的位置具有对称布置。第一和第二线圈31、32在玻璃基板10的不同侧彼此相对布置。两个线圈31、32之间的电学绝缘由具有高介电强度且能够承受高电压差的玻璃基板10提供。因此，能够减小第一和第二凹陷21、22之间的玻璃厚度d₂以改善第一和第二线圈31、32之间的电磁耦合。这进而改善了变压器的质量。

与酰亚胺抗蚀剂或其他合成材料相比，玻璃基板具有相对高的介电强度。因此，此处描述的变压器还可以设计为在提供线圈之间的足够的电磁耦合的同时承受初级线圈和次级线圈（第一和第二线圈）之间的高电压差。

玻璃基板的几何形状还改善了介电绝缘。如上所述，第一和第二凹陷21、22之间的玻璃基板10的薄部分形成具有第二厚度的第二部分，而第一和第二凹陷21、22外的玻璃基板10的厚区域（即玻璃基板10的未蚀刻区域）形成具有第一或初始厚度d₁的第一部分。第二厚度d₂小于第一厚度d₁。d₁/d₂之间的比例可以处于约2至约25的范围内。在一个实施例中，比例d₁/d₂约为3。第二部分的厚度d₂设计为在减小第一和第二线圈31、32之间的距离的同时承受第一和第二线圈31、32之间的高电压差。例如，第二部分的厚度d₂可以选择为使得第二部分（第一和第二凹陷21、22之间的减薄的玻璃区域）提供足以承受是所需阻断电压的大约3倍的电压差的介电强度。例如，初始或第一厚度d₁可以约为300µm，且第一和第二凹陷21、22中的每一个可以具有约100µm的深度，使得d₂的厚度约为100µm。第一和第二凹陷21、22的深度可以大于其中形成的导体31a、32a的高度。

横向于第一和第二线圈31、22的玻璃基板10的“增加”的厚度用于电场强度的受控减小。这在图1J中说明，图1J示出第一线圈31和第二线圈32之间的等电势或等电位线35的路线。等电位线35在指示高电场强度的第一和第二凹陷21、22之间的区域中彼此比较靠近。横向于第一和第二线圈31、32，等电位线35可以在厚玻璃部分内扩展，使得等电位线35之间的距离增加，这种增加对应于电场强度的减小。电场强度的这种“减小”在电场“到达”其他绝缘材料之前在玻璃基板10内发生。例如，绝缘材料75经历比第一和第二凹陷21、22之间的玻璃基板10的薄或第二部分明显更弱的电场。玻璃基板10的大厚度d₁因此提供“绝缘匹配”以通过减小的电场强度允许第一和第二线圈21、22之间的电压差的转移。具有比玻璃基板10低的介电强度的绝缘材料75因而形成可靠的介电绝缘。第一和第二凹陷21、22外的初始或第一厚度d₁因此可以选择为允许用于这种转移的等电位线35的足够的“扩展”。较厚的玻璃区域因此形成变压器周围的横向绝缘或转变区域。典型地，薄玻璃部分（第二部分）横向地完全被厚玻璃部分（第一部分）环绕。

本领域技术人员将意识到，图1J中的等电位线35的路线仅是示意性的且仅指示原理路线。

第一和第二线圈31、32布置在第一和第二凹陷21、22内以保持它们的距离很小。两个线圈之间的“气隙”由玻璃基板10的厚度d₂限定。图1J还示意性示出磁场线36的路线。如上所述，两个线圈之间的距离在维持足够的介电强度的同时保持尽可能小。用于电学连接相应线圈31、32的垫可以布置在相应凹陷21、22内或者在玻璃基板10的第一部分上在凹陷21、22之外。

图1J还说明第一和第二线圈31、32的相应导体31a、32a具有相对高的长宽比的剖面，这在保持导体31a、32a的电阻小的同时允许横向小的变压器的形成。

此处描述的变压器适用于高压应用，例如用于耦合栅极控制信号与高压IGBT，该高压IGBT用于递送到诸如铁路引擎或风力涡轮机的发动机的高功率负荷的电流的PWM（脉冲宽度调制）。再者，变压器还可以用于中或低压应用以代替控制单元和传动设备之间的其他耦合方式。

变压器可以以成本有效的方式制造。尤其是，使用的压印光刻对此有贡献。用于压印沟槽图案的模板26可以多次使用。

图2说明根据一个实施例的无芯变压器。类似于图1J中说明的无芯变压器，图2的无芯变压器包括玻璃基板10，该玻璃基板10具有布置在玻璃基板10的相对侧的两个凹陷21、22。在本实施例中，具有4个绕组231a的第一线圈231布置在第一凹陷21中而具有4个绕组232a的第二线圈232布置在第二凹陷22中。本领域技术人员将意识到，绕组数目可以根据环境选择，且对于第一和第二线圈231、232而言，绕组数目无需相同。第一接触垫41a、41b横向于第一线圈231布置在第一凹陷21中，而第二接触垫42a、42b横向于第二线圈232布置在第二凹陷22中。如上所述，第一和第二线圈231、232可以通过相同或类似的工艺形成。第二接触垫42a、42b设置有用于连接第二线圈232与驱动变压器的IC的导电胶46，此处第二线圈232可以形成变压器的初级线圈（低压侧）。备选地，可以使用焊接材料而不是导电胶。第一线圈231形成次级线圈（高压侧）。变压器例如通过胶合、焊接或其他任意合适的工艺安装到IC。变压器还可以单独地或者与IC一同被钝化材料封装。

第一和第二凹陷21、22的宽度A被选择为提供足够空间以用于集成线圈231、232中的每一个（包括其相应接触垫41a、41b、42a、42b）。接触垫41a、41b、42a、42b还可以在基板10的厚玻璃部分上在凹陷21、22外形成。第一接触垫41a、42b通过相应结合引线45接触。

如上所述，多个变压器在玻璃基板10中一同形成且最终通过划片或其他合适的切割方式彼此分离以获得各个变压器。

尽管图1A至1J和2说明无芯变压器，图3说明根据一个实施例的具有铁磁芯的变压器。类似于结合上述实施例所述，提供具有第一凹陷321和与第一凹陷321相对布置的第二凹陷322的玻璃基板310。如上所述，第一和第二线圈331和332在第一和第二凹陷321、322中的相应一个中形成。此处为了说明的简单，没有示出用于导电材料的电解沉积的第一和第二种层及其在蚀刻时候的剩余部分。

在进一步的工艺中，在玻璃基板310的第一侧11形成第一绝缘层351。第一绝缘层351相对薄，例如为5µm，且不需要设计为承受第一和第二线圈331、332之间的电压差。第一绝缘层351仅提供第一线圈331和后续形成的铁磁盖子之间的电学绝缘。第一绝缘层351被设计为承受由于线圈的自感发生的电压。这些电压明显低于第一和第二线圈331、332之间的电压。例如，第一绝缘层351可以是通过CVD或其他合适的沉积工艺形成的诸如氧化硅层的氧化物层。

如图3所示，第一绝缘层351共形地覆盖第一线圈331的露出导体331a，使得相邻导体或布线331a之间的空间不被第一绝缘层351完全填充。第一绝缘层层351的厚度因此明显小于相邻导体331之间的距离的一半。此处，相邻导体331a之间保持空隙以填充铁磁或软磁材料。相邻绕组331之间的剩余空隙被选择为使得在铁磁材料中的涡流的形成被减小或避免。

在进一步的工艺中，例如通过溅射沉积另一种层391。形成由点划线指示的掩膜385（例如光刻胶层）以覆盖不形成铁磁盖子的区域。

随后，诸如铁的铁磁材料被电解沉积到种层391的露出的区域上。电解沉积的铁相对纯且具有高磁导率。合适的电镀溶液可以包括氯化铁（例如375g/l）和氯化钙（例如185g/l）。电镀溶液的PH值被调节为在1和2之间，且溶液被加热到90°和110°C之间的温度。使用约4至20A/dm²的电流密度，可以形成具有低硬度和好展延性的铁层。这种材料适于形成第一铁磁盖子361。本领域技术人员将意识到也可以使用其他电镀液或其他铁磁材料。电解沉积的铁可以具有足以完全密封导体331a且形成封闭的铁磁盖子361的厚度。例如，铁可以沉积到约100µm 的厚度，这对于很多应用是足够的。其他厚度也是可行的。

在进一步的工艺中，掩膜385被去除，且使用铁磁盖子361作为掩膜，另一种层391被蚀刻以从铁磁盖子361之外的区域去除。还可以去除部分第一绝缘层351。

在第二侧实施相同的工艺以形成被第二铁磁盖子362覆盖的第二线圈332。如此形成的铁磁盖子361、362随后被退火。其他工艺包括形成钝化层以及到第一和第二线圈331、332的合适的电学连接，这在图3中没有示出。

第一和第二铁磁盖子361、362一同形成铁磁芯，其包括由第一和第二凹陷321、322之间的减薄的玻璃基板310形成的间隙。玻璃基板310将第一铁磁盖子361与第二铁磁盖子362分离。基本对应于d₂的间隙d_L可以减小变压器的Q-因子。由玻璃基板310的薄部分和相应绝缘层351、352形成的间隙d_L例如可以处于约40µm 至约110µm 的范围内。然而，对于很多应用，这是可接受的。另一方面，除了面对玻璃基板310的那侧，第一和第二线圈331、332的导体331a和332a完全被铁磁盖子361、362的铁磁材料围绕。这种配置改善了变压器质量且至少部分地补偿了玻璃基板310形成的间隙。磁场线336由图3中的点线指示，且在经过玻璃基板310形成的“间隙”时基本限制在第一和第二铁磁盖子361、362内。

具有这种铁磁芯361、362的变压器呈现高质量（Q-因子）且适合于kHz到MHz区域的信号传输。铁磁芯即第一和第二铁磁盖子361、362以及导体331a和332a的几何参数可以鉴于信号频率而调适。

例如，导体331a和332a可以具有高长宽比且可以具有窄间隔，使得相邻导体之间的空隙保持很小。在这种情况下，仅形成相应铁磁盖子361、362的小“指”。这些指形成铁磁盖子361、362的叠片，其优选地足够薄以避免涡流的产生。对于导体的宽度亦是如此。这将结合图4予以描述，图4示出电场进入不同材料的穿透深度与频率的关系。

图4说明用于煤（1）、作为铜-锰-镍合金的锰铜®（2）、铅（3）、锡（4）、黄铜（5）、铝（6）、铜（7）和银（8）的交流电场的穿透深度δ 。进入导电材料的交流电场穿透深度δ可以使用下面的关系计算：

其中ω表示交流电场的角频率，κ表示导电材料的电导率，且μ是导电材料的磁导率。铁磁盖子361、362的叠片或指以及导体的厚度优选地小于穿透深度δ以抑制涡流的产生。由于使用的不同材料，导体和指适用不同的穿透深度δ。例如，当考虑具有约1MHz的频率的信号时，导体的宽度w优选地小于50µm。这种小导体的形成可以容易地通过上述工艺实现。例如，压印掩膜25可以形成为具有10µm或更小宽度的沟槽25a。可以对铁磁盖子361、362进行类似的估算。铁磁指或叠片的宽度应当处于与导体类似的范围且典型地小于导体的宽度。

因此可以形成适合于将信号转变到MHz区域的变压器。这对于很多应用（诸如由功率器件形成用于传输栅极信号的桥电路）是足够的。

仅用于说明性目的，下面描述非限制示例。相应第一和第二线圈的导体具有约10µm的宽度和约100µm 的高度的剖面面积，导致10的长宽比（h/w）。通过形成具有上述剖面尺寸的方形绕组覆盖约100µm ×100µm 的面积的单绕组线圈具有约1nH的电感。相应线圈的电感通过增加绕组的数目而增加。因此，假设可用于线圈（包括其垫以及由厚玻璃基板形成的其横向绝缘）的总面积约为1mm²，可以形成具有高达几十nH范围内的电感的线圈。

增加导体的高度并不明显改变电感但是减小导体的电阻。线圈的品质因子Q通过使用下面的关系估算：

R是导体的电阻，L是电感且C是导体形成的电容。对于具有如上所述尺寸的铜线圈，可以估算几百至高达几千且更高的品质因子。当使用如上所述的铁磁盖子时，品质因子可以明显进一步增加，这还改善了两个线圈之间的耦合。

此处描述了在初级和次级线圈之间具有高介电强度绝缘的变压器的实施例。初级和次级线圈通过具有高介电强度的玻璃基板彼此分离且绝缘，允许在维持足够介电绝缘的同时线圈彼此靠近布置。线圈中的每一个例如可以是由具有明显大于5、典型地大于10或甚至大于20的长宽比（高度/宽度）的导体形成的双绕组。线圈的横向绝缘由玻璃基板或玻璃基板的一部分形成，玻璃基板的该部分比直接布置在线圈之间的玻璃基板具有更大的厚度，以提供介电转变区域来“传递”线圈之间的高电压差到具有比玻璃基板低的介电强度的介电材料。为此，玻璃基板可以包含在玻璃基板的相对侧形成的两个凹槽，其中凹槽中的每一个容纳两个线圈中的相应一个。

两个线圈中的每一个可以被相应铁磁盖子覆盖，使得导体由铁磁盖子覆盖在侧壁和上部。铁磁盖子由玻璃基板彼此分离。铁磁盖子还可以布置在凹陷中。磁通量通过玻璃基板从一个铁磁盖子传送到相对的铁磁盖子。

变压器具有相对小的尺寸且可以在玻璃基板或晶片上以成本有效的方式制造，在玻璃晶片上形成的多个变压器随后被切割以分离不同的变压器。

诸如“第一”、“第二”等术语用于描述各种元件、区域、部分等但是不限于此。贯穿说明书，相似的术语表示相似的元件。

当在此使用时，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示陈述的元件或特征的存在但是不排除附加元件或特征的开放式术语。除非语境明确指明，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数。

考虑上述范围的变型和应用，应当理解，本发明不受上述说明书限制，也不受附图限制。而是，本发明仅由所附权利要求及其等价限制。

Claims (24)

1.一种变压器器件，包括：

具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧的玻璃基板；

在玻璃基板的第一侧在玻璃基板中形成的第一凹陷；

在玻璃基板的第二侧在玻璃基板中形成的第二凹陷，该第一凹陷和第二凹陷彼此相对布置；

布置在第一凹陷中的第一线圈；以及

布置在第二凹陷中的第二线圈。

2.根据权利要求1所述的变压器器件，其中：

该玻璃基板在第一和第二凹陷之间具有处于约40µm至约100µm范围内的厚度。

3.根据权利要求1所述的变压器器件，其中：

该玻璃基板在该第一和第二凹陷之外的区域中具有约200µm至约1000µm范围内的厚度。

4.根据权利要求1所述的变压器器件，其中该第一线圈包括第一导体且该第二线圈包括第二导体，其中，导体中的每一个具有从该玻璃基板向外延伸的高度，该高度大于导体的宽度。

5.根据权利要求1所述的变压器器件，还包括：

该第一线圈之上的第一铁磁盖子；以及

该第二线圈之上的第二铁磁盖子，该第一铁磁盖子通过该玻璃基板与该第二铁磁盖子电学绝缘。

6.根据权利要求5所述的变压器器件，其中该第一和第二铁磁盖子中的每一个至少部分地在相应第一和第二线圈的相邻绕组之间延伸。

7.根据权利要求5所述的变压器器件，还包含该第一铁磁盖子和第一线圈之间的第一绝缘层以及该第二铁磁盖子和第二线圈之间的第二绝缘层。

8.根据权利要求7所述的变压器器件，其中该绝缘层具有小于在第一和第二凹槽之间的区域中的玻璃基板的介电强度的介电强度。

9.一种变压器器件，包括：

玻璃基板，包括具有第一厚度的第一部分和具有小于第一厚度的第二厚度的第二部分，该第一部分横向地环绕该第二部分，该第二部分具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧；

布置在该玻璃基板的第二部分的第一侧的平面初级线圈；

布置在玻璃基板的第二部分的第二侧的与初级线圈相对的平面次级线圈，该初级线圈和次级线圈通过玻璃基板的第二部分彼此电学绝缘。

10.根据权利要求9所述的变压器器件，其中该玻璃基板的第一部分横向地环绕该初级和次级线圈。

11.根据权利要求9所述的变压器器件，还包括：

该初级线圈之上的第一绝缘层以及该初级线圈之上的第一铁磁盖子，其中该第一绝缘层将该初级线圈与该第一铁磁盖子电学绝缘；

该次级线圈之上的第二绝缘层以及该次级线圈之上的第二铁磁盖子，其中该第二绝缘层将该次级线圈与该第二铁磁盖子电学绝缘；

其中该第一和第二绝缘层中的每一个具有小于该玻璃基板的第二部分的介电强度的介电强度。

12.根据权利要求11所述的变压器器件，其中该第一和第二铁磁盖子中的每一个至少部分地在相应初级和次级线圈的相邻绕组之间延伸。

13.一种变压器器件，包括：

具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧的玻璃基板；

第一平面线圈，包括布置在玻璃基板的第一侧的导体，该导体包括远离玻璃基板的第一侧布置的端部和侧壁；

第二平面线圈，包括布置在玻璃基板的第二侧的导体，该第一和第二平面线圈彼此相对布置，该第二平面线圈的导体包括远离玻璃基板的第二侧布置的端部和侧壁；

在玻璃基板的第一侧在第一平面线圈上的第一铁磁盖子，该第一铁磁盖子与第一平面线圈电学绝缘且覆盖第一平面线圈的导体的侧壁和端部；

在玻璃基板的第二侧在第二平面线圈上的第二铁磁盖子，该第二铁磁盖子与第二平面线圈电学绝缘且覆盖第二平面线圈的导体的侧壁和端部；

其中，该玻璃基板布置在第一和第二铁磁盖子之间；并且

其中该玻璃基板包括玻璃基板的第一侧的第一凹陷以及与第一凹陷相对的玻璃基板的第二侧的第二凹陷，其中该第一平面线圈布置在该第一凹陷中且该第二平面线圈布置在该第二凹陷中。

14.根据权利要求13所述的变压器器件，其中该第一和第二铁磁盖子彼此空间隔开约40µm至约110µm范围内的距离。

15.一种用于制造变压器器件的方法，包括：

提供具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧的玻璃基板；

在玻璃基板的第一侧在玻璃基板中形成第一凹陷；

在玻璃基板的第二侧在玻璃基板中形成与第一凹陷相对的第二凹陷；

在第一凹陷中形成第一线圈；以及

在第二凹陷中形成第二线圈。

16.根据权利要求15所述的方法，其中该第一和第二线圈中的至少一个的形成包括：

在相应凹陷中形成种层；

在该种层上形成掩膜，该掩膜包括限定相应线圈的导体的位置和宽度的沟槽，该沟槽露出该种层的一部分；以及

在沟槽中电解沉积导电材料以形成相应线圈的导体。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在相应线圈的导体上形成绝缘层；

在绝缘层上形成另外的种层：以及

电解沉积铁磁材料以在相应线圈之上形成铁磁盖子。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

退火该铁磁材料。

19.根据权利要求16所述的方法，其中掩膜中的沟槽的深度比沟槽的宽度大。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在导电材料的电解沉积之后去除掩膜；以及

使用该导电材料作为掩膜蚀刻种层。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在导电材料的电解沉积之后去除掩膜以露出相应线圈的导体的侧壁和上部；

形成共形地覆盖导体的露出的侧壁和上部的绝缘层；

在绝缘层上形成另外的种层：以及

电解沉积铁磁材料以在相应线圈的导体的侧壁和上部之上形成铁磁盖子。

22.根据权利要求16所述的方法，其中形成掩膜包括：

沉积聚合物层；

提供具有图案的模板，该图案对应于需要形成的沟槽；以及

将模板按压到聚合物层中以压印图案到聚合物层中。

23.一种用于制造变压器器件的方法，包括：

提供具有第一侧和与第一侧相对布置的第二侧的玻璃基板；

在玻璃基板的第一侧在玻璃基板中形成第一凹陷；

在玻璃基板的第二侧在玻璃基板中形成与第一凹陷相对的第二凹陷；

在玻璃基板的第一侧形成包括导体的第一平面线圈；

在第一平面线圈上形成第一绝缘层；

在第一平面线圈之上形成第一铁磁盖子；

在玻璃基板的第二侧形成包括导体的第二平面线圈；

在第二平面线圈上形成第二绝缘层；以及

在第二平面线圈之上形成第二铁磁盖子；

其中该第一平面线圈布置在该第一凹陷中且该第二平面线圈布置在该第二凹陷中。

24.根据权利要求23所述的方法，其中形成该第一和第二线圈包括：

使用压印光刻以形成限定相应线圈的导体的大小和位置的相应掩膜；以及

电解沉积导电材料以形成相应线圈的导体。