CN102969304A - 三维集成微型变压器 - Google Patents

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Abstract

三维集成微型变压器，涉及集成电路，本发明在上层芯片的下方设置有第一金属线圈，下层芯片的上方设置有第二金属线圈，第一金属线圈和第二金属线圈位置相对，两层芯片上的金属线圈之间为隔离层。本发明的线圈集成在芯片背面，不需要单独的芯片面积，从而降低成本。采用嵌入式线圈还可以实现小电阻，从而提高性能。两芯片背靠背三维叠置键合使得两个线圈之间仅有一层隔离层，可以很好的实现线圈之间的耦合，从而提高性能。

Description

三维集成微型变压器
技术领域
本发明涉及集成电路，特别涉及用于隔离式信号和功率传输的微型变压器。
背景技术
很多数据接口及功率模块都需要用隔离器来确保安全、保护核心电路、消除基准电压差。传统信号隔离市场被光耦合器垄断，但光耦合器反应慢、功耗大、易老化。变压器具有隔离能力强、反应快、寿命长等优点，但传统变压器体积大、成本高。目前，对微型变压器已经有一定研究。US 6927662[1]提出了多种在同一芯片上集成的微型变压器结构，但这些结构要么需要单独的芯片面积来实现，从而提高了成本，要么金属线圈厚度小电阻大，从而降低了性能。US 6927662[1]还提出了一种两线圈分别在两芯片上的微型变压器结构，但该结构的线圈同样具有要么需要单独的芯片面积来实现，要么金属线圈厚度小电阻大的缺点；该结构线圈之间除了隔离材料外还有一层半导体衬底，间距较大，从而耦合因子较低，从而降低了性能。US 2012/0068301 A1[2]提出了一种在同一芯片上集成的微型变压器结构，但该结构很难实现高的隔离能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型三维集成微型变压器结构以实现高性能芯片间隔离式信号和功率传输。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，三维集成微型变压器，其特征在于，在上层芯片的下方设置有第一金属线圈，下层芯片的上方设置有第二金属线圈，第一金属线圈和第二金属线圈位置大致相对，两层芯片上的金属线圈之间为隔离键合层。
进一步的说，第一金属线圈设置于上层芯片的下表面，第一金属线圈和上层芯片衬底之间为绝缘层；第二金属线圈设置于下层芯片的上表面，第二金属线圈和下层芯片衬底之间为绝缘层。
或者，第一金属线圈嵌入设置于上层芯片衬底，第一金属线圈和上层芯片衬底之间为绝缘层；第二金属线圈嵌入设置于下层芯片衬底，第二金属线圈和下层芯片衬底之间为绝缘层。
本发明的线圈集成在芯片背面，不需要单独的芯片面积，从而降低成本。采用嵌入式线圈还可以实现小电阻，从而提高性能。两芯片背靠背三维叠置键合使得两个线圈之间仅有一层隔离层，可以很好的实现线圈之间的耦合，从而提高性能。
附图说明
图1是第一种实施方式的结构示意图。
图2是实施例1的结构示意图。
图3是第二种实施方式的结构示意图。
图4是实施例2的结构示意图。
图5是第三种实施方式的结构示意图。
图6是实施例3的结构示意图。
图7是第四种实施方式的结构示意图。
图8是实施例4的结构示意图。
图1～图8皆为纵向剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一
参见图1。本实施方式中，两线圈分别集成在两芯片背面的表面上，形成新型三维集成微型变压器。图中标号11、21的部分为绝缘层。
第一金属线圈（12）集成在正置上层芯片衬底(10)背面的表面上。第一金属线圈(12)和衬底之间为第一绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在倒置下层芯片衬底(20)背面的表面上。第二金属线圈(22)和衬底之间为第二绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。
芯片的衬底材料可采用硅。绝缘层材料可以是硅氧化物，可通过化学气相淀积等方法实现。在某些情况下（例如衬底电阻率较大），金属线圈和衬底之间可不设置绝缘层。金属线圈的材料可为铜、铝等，可采用溅射、蒸发、电镀等方法实现。隔离层（30）的材料可以采用硅氧化物、聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）等，可用化学气相淀积（硅氧化物）、旋转涂布(聚酰亚胺、苯并环丁烯)等方法实现。隔离层(30)还起到键合两芯片的作用。金属线圈可通过硅通孔(TSV)等技术电学连接到两芯片正面。
实施例1：参见图2。
本实施例的上下两层芯片分别为发送器电路芯片和接收器电路芯片，正置上层芯片的上表面为发送器（或接收器）电路，倒置下层芯片的下表面为接收器（或发送器）电路，第一金属线圈（12）集成在上层芯片衬底(10)背面的表面上。第一金属线圈(12)和衬底之间为第一绝缘层（11）。
第二金属线圈（22）集成在下层芯片衬底(20)背面的表面上。第二金属线圈(22)和衬底）之间为第二绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。本实施例中，隔离层（30）连接了上下两层芯片。
具体实施方式二
参见图3。本实施方式的金属线圈分别集成在两芯片背面并嵌入芯片衬底中。图中标号11、21的部分为绝缘层。
第一金属线圈（12）集成于正置上层芯片衬底(10)背面并嵌入上层芯片衬底(10)中。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在倒置下层芯片衬底(20)背面并嵌入衬底。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
类似于实施方式一，在衬底电阻率较大等情况下，金属线圈和衬底之间可不设置绝缘层。
实施例2：参见图4
本实施例的上下两层芯片分别为发送器电路芯片和接收器电路芯片，正置上层芯片的上表面为发送器（或接收器）电路，倒置下层芯片的下表面为接收器（或发送器）电路。
第一金属线圈（12）集成于上层芯片衬底(10)背面并嵌入上层芯片衬底(10)中。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在下层芯片衬底(20)背面并嵌入衬底（20）。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面的电路可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
具体实施方式三
参见图5。本实施方式的两金属线圈分别集成在上层芯片背面的表面上、下层芯片背面并嵌入芯片衬底中。图中标号11、21的部分为绝缘层。
第一金属线圈（12）集成于正置上层芯片衬底(10)背面的表面上。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在倒置下层芯片衬底(20)背面并嵌入衬底（20）。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
类似于实施方式一，在衬底电阻率较大等情况下，金属线圈和衬底之间可不设置绝缘层。
实施例3：参见图6
本实施例的上下两层芯片分别为发送器电路芯片和接收器电路芯片，正置上层芯片的上表面为发送器（或接收器）电路，倒置下层芯片的下表面为接收器（或发送器）电路。
第一金属线圈（12）集成于上层芯片衬底(10)背面的表面上。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在下层芯片衬底(20)背面并嵌入衬底（20）。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面的电路可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
具体实施方式四
参见图7。本实施方式的金属线圈分别集成在上层芯片背面并嵌入衬底中、下层芯片背面的表面上。图中标号11、21的部分为绝缘层。
第一金属线圈（12）集成于正置上层芯片衬底(10)背面并嵌入上层芯片衬底(10)中。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在倒置下层芯片衬底(20)背面的表面上。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
类似于实施方式一，在衬底电阻率较大等情况下，金属线圈和衬底之间可不设置绝缘层。
实施例4：参见图8
本实施例的上下两层芯片分别为发送器电路芯片和接收器电路芯片，正置上层芯片的上表面为发送器（或接收器）电路，倒置下层芯片的下表面为接收器（或发送器）电路。
第一金属线圈（12）集成于上层芯片衬底(10)背面并嵌入上层芯片衬底(10)中。第一金属线圈(12)和上层芯片衬底（10）之间为绝缘层（11）。第二金属线圈（22）集成在下层芯片衬底(20)背面的表面上。第二金属线圈(22)和下层芯片衬底（20）之间为绝缘层（21）。第一金属线圈（12）和第二金属线圈（22）之间为隔离层（30）。金属线圈与两芯片正面的电路可通过硅通孔(TSV)等技术进行电学连接。
本文的“上层”和“下层”的描述方式仅为便于结合附图区分说明，并非特定限制。说明书已经充分说明本发明的原理和必要技术内容，普通技术人员能够依据说明书实施本发明，故不再赘述更加具体的技术细节。

Claims (5)

1.三维集成微型变压器，其特征在于，在上层芯片的下方设置有第一金属线圈[12]，下层芯片的上方设置有第二金属线圈[22]，第一金属线圈[12]和第二金属线圈[22]位置相对，两层芯片上的金属线圈之间为隔离层[30]。
2.如权利要求1所述的三维集成微型变压器，其特征在于，第一金属线圈[12]设置于上层芯片的下表面，第一金属线圈[12]和上层芯片衬底[10]之间为绝缘层；第二金属线圈[22]设置于下层芯片的上表面，第二金属线圈[22]和下层芯片衬底[20]之间为绝缘层。
3.如权利要求1所述的三维集成微型变压器，其特征在于，第一金属线圈[12]嵌入设置于上层芯片衬底[10]，第一金属线圈[12]和上层芯片衬底[10]之间为绝缘层；第二金属线圈[22]嵌入设置于下层芯片衬底[20]，第二金属线圈[22]和下层芯片衬底[20]之间为绝缘层。
4.如权利要求1所述的三维集成微型变压器，其特征在于，第一金属线圈[12]设置于上层芯片的下表面，第一金属线圈[12]和上层芯片衬底[10]之间为绝缘层；第二金属线圈[22]嵌入设置于下层芯片衬底[20]，第二金属线圈[22]和下层芯片衬底[20]之间为绝缘层。
5.如权利要求1所述的三维集成微型变压器，其特征在于，第一金属线圈[12]嵌入设置于上层芯片衬底[10]，第一金属线圈[12]和上层芯片衬底[10]之间为绝缘层；第二金属线圈[22]设置于下层芯片的上表面，第二金属线圈[22]和下层芯片衬底[20]之间为绝缘层。
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