CN103107166A

CN103107166A - 一种三维堆叠封装芯片中的电感及无线耦合通信系统

Info

Publication number: CN103107166A
Application number: CN2013100251109A
Authority: CN
Inventors: 邹雪城; 王保存; 雷鑑铭; 余国义; 邹志革; 陈晓飞; 郑朝霞; 刘冬生
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明属于三维堆叠封装工艺技术领域，提供了一种三维堆叠封装芯片中的电感及无线耦合通信系统；该电感包括金属导电层，金属导电层由两部分组成，当电流流过时，磁力线从金属导电层的一部分向上或向下穿入，从金属导电层的另一部分向下或向上穿出，磁力线被束缚在电感内。该电感采用CMOS工艺制成；电感金属导电层的金属绕线呈“日”字形状、“8”字形状或“S”字形状。本发明提供的耦合电感由于磁感线大部分集中在电感内部，传输效率高，相邻电感间的干扰低，电感耦合互联所要求的耦合电感之间的距离可以比较大。

Description

一种三维堆叠封装芯片中的电感及无线耦合通信系统

技术领域

本发明属于三维堆叠封装工艺技术领域，更具体地，涉及一种三维堆叠封装芯片中的电感及无线耦合通信系统。

背景技术

随着集成电路的高速发展，器件的尺寸越来越小，在芯片上通过集成更多的器件，使集成电路性得到了极大的提高。集成电路发展到今天，随着制造工艺的进步，芯片上的制造工艺越来越复杂，制造尺寸越来越接近物理极限，集成电路的发展面临极大地挑战，如何延续摩尔定律是大家考虑的问题。集成电路发展遵循了摩尔定律，继续缩小尺寸，受到物理原子尺寸的限制，同时，继续缩小特征尺寸，隧道效应等很多量子效应将会极大地影响器件性能。无论是从物理实际，还是从工艺实现上，将会越来越困难。

因此，有人提出来三维封装（3D）方案来继续延续摩尔定律。现有的工艺技术还不能把异构功能模块有效整合，如处理器与动态随机存储器等。通过三维芯片堆叠的封装，开辟了一种新的系统集成方式，它能将不同的功能部件按相应要求分别进行设计和生产，然后再将这些芯片堆叠在一起形成三维结构。要实现三维堆叠封装，要解决的问题是如何连接这些芯片。

目前三维的互联技术主要分为有线和无线两大类，有线互联技术包括硅通孔通技术和微凸球技术，这两种方式通信是解决封装的一种较好途径，然而也有一些缺点，需要静电保护器件，同时相应的工艺复杂度会的增加，生产成本的急剧提高，良品率也是急需要解决的问题。无线互联技术主要包括电容耦合无线互联技术，该电容耦合为电压驱动，无法在低电压下提供长距离通信所需的传输能量，因此电容耦合只能应用在两块芯片面对面放置，并且通信距离较短时。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三维堆叠封装芯片中的电感，旨在解决现有技术采用电容耦合无线互联导致通信距离短、抗干扰能力弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维堆叠封装芯片中的电感，包括金属导电层，所述电感的金属导电层由两部分组成，当电流流过时，磁力线从金属导电层的一部分向上或向下穿入，从金属导电层的另一部分向下或向上穿出，磁力线被束缚在电感内。

更进一步地，所述金属导电层的金属绕线呈日字形状、8字形状或S字形状。

更进一步地，在所述电感的金属导电层一部分中，所述金属绕线按照从内到外的顺序绕制；在所述电感的金属导电层另一部分中，所述金属绕线按照从外到内的顺序绕制。

更进一步地，在所述电感的金属导电层中，金属绕线按照从外到内的顺序绕制。

更进一步地，所述电感为单层或多层结构，为多层结构时，每一层均通过通孔首尾相连。

更进一步地，所述电感采用CMOS工艺制成。

本发明提供的耦合电感由于磁感线大部分集中在电感内部，传输效率高，相邻电感间的干扰低，电感耦合互联所要求的耦合电感之间的距离可以比较大。

本发明还提供了一种无线耦合通信系统，包括设置于第一芯片上且依次连接的发送控制电路、发送电路和发送电感；以及设置于第二芯片上且依次连接的接收电感、接收电路和接收控制电路；所述第一芯片与所述第二芯片之间通过发送电感与所述接收电感的耦合通信；所述发送电感和所述接收电感均为上述的电感。

更进一步地，所述发送控制电路用于控制发送电路的工作状态；发送电路用于发送脉冲电流信号，发送电感根据脉冲电流信号产生磁场，接收电感接收到磁场并根据电磁感应定律产生感生电流，接收电路接收所述感生电流并还原成脉冲电流信号；接收控制电路用于控制所述接收电路的工作状态。

更进一步地，所述无线耦合通信系统还包括位于所述第一芯片上且连接在所述发送电路与所述发送电感之间的驱动电路，用于使得所述发送电路输出的脉冲电流信号与所述发送电感相匹配。

本发明提供的无线耦合通信系统采用电感耦合，与电容耦合相比，电感耦合互联所要求的耦合电感之间的距离可以比较大，且不会产生通道间的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维堆叠封装芯片中的电感的磁力线分布示意图；

图2是现有技术提供的普通电感的磁力线分布示意图；

图3是本发明实施例提供的三维堆叠封装芯片中的电感的金属导电层的金属绕线按照从外到内的顺序绕制的电感结构图；

图4是不同尺寸的日字型电感和普通矩形电感耦合系数的对比示意图；

图5是本发明实施例提供的三维堆叠封装芯片中的电感阵列通信磁通示意图；

图6是本发明第一实施例提供的无线耦合通信系统的模块结构原理框图；

图7是本发明第二实施例提供的无线耦合通信系统的模块结构原理框图；

图8是本发明第二实施例提供的无线耦合通信系统中驱动电路与发送电感的连接示意图；

图9是三维堆叠封装芯片的堆叠结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

3D封装是在现有工艺条件下，将两个或者多个芯片按照不同的功能垂直封装在一起，各个芯片可以有效的整合到一起，能有效的提高性能。通过三维芯片堆叠的封装，开辟了一种新的系统集成方式，它能将不同的功能部件按相应要求分别进行设计和生产，然后再将这些芯片堆叠在一起形成三维结构。三维芯片堆叠解决了片上系统（System on Chip，SoC）存在的许多问题，并使得系统集成度进一步提高，是今后芯片设计技术和系统集成技术的重要发展方向。要实现三维堆叠封装，要解决的问题是如何连接这些芯片。互联技术的性能将直接影响整个堆叠系统的性能。互联技术是实现三维堆叠系统的关键技术。高速低干扰的连接是无线互联的目前研究的重要方向。

电感互联方式是通过电感耦合进行互联的方式，它是电流驱动，因此电感互联要求的耦合电感之间的距离可以比较大，因此对于芯片的堆叠方式可以有多种方式，也可以实现多芯片的堆叠互联，另一方面也有利于电源（Power）和地（Ground）的连接；电感互联是一种电流驱动方式，更适合在低电压在工作。无线3D互联技术能够兼容在标准的CMOS工艺，无需增加其他的工艺步骤，成本较低，其工艺的可靠性和规模可以得到很好的保证，而且无线互联不需要静电放电保护器件，可以进一步减少面积和提高速度。

如图1所示，本发明实施例提供的三维堆叠封装芯片中的电感包括金属导电层，该电感的金属导电层由两部分组成，当电流流过时，磁力线从金属导电层的一部分向上或向下穿入，从金属导电层的另一部分向下或向上穿出，磁力线被束缚在电感内。

图2示出了普通电感在三维封装中磁通大部分从电感中间穿过，然后从外部绕回，外部的磁感线通过旁边的接收电感，就会引起接收电感的磁通变化，从而引起相邻的电感产生感应电流，如果阈值设置的比较低。就会引起误码率的上升。

与图2所示的现有的普通电感相比，本发明实施例提供的三维堆叠封装芯片中的电感对磁力线有束缚作用，使得磁力线从电感的其中一部分穿出，从另外一部分穿回，漏出去的磁感线非常小；从而使发送电感对旁边的电感干扰度降低。

在本发明实施例中，电感采用CMOS工艺制成；电感的金属导电层呈“日”字形状、“8”字形状或“S”字形状。其中，在电感的金属导电层一部分中，金属绕线可以按照从内到外的顺序绕制；在电感的金属导电层另一部分中，金属绕线可以按照从外到内的顺序绕制。在多层电感中，这种绕制方法走线较简单，需要通孔数少。

作为本发明的一个实施例，如图3所示，在电感的金属导电层中，金属绕线还可以都按照从外到内的顺序绕制。从外到内的绕制，电感的端口在外部，不需要从内圈引出导线。两种绕法区别仅在于端口在外还是在内，端口在内需要走线引出。

在本发明实施例中，电感可以为单层结构，也可以为多层结构，当为多层结构时，每一层均通过通孔首尾相连；上、下层的绕向保持一致即可。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的电感，现以“日”字形状为例并结合附图1详述如下：

该电感由片上金属构成，金属走线呈“日”字型结构，当电流流过时，磁力线从“日”字形的上部分向上穿入，从“日”字形的下部分向下穿出，或者磁力线从“日”字形的下部分向上穿入，从“日”字形的上部分向下穿出，磁力线被束缚在电感内。对耦合电感在空间上垂直对准，这种结构的耦合电感由于磁感线大部分集中在电感内部，传输效率高，相邻电感间的干扰低。

本发明实施例采用“日”字形状的电感使得各通道通信互不干扰；电感的传输效率高，各电感通道排列成阵列时相邻的电感传输信号互相干扰度比较低。在电感耦合互联中，“日”字形状的电感较普通电感，耦合效率可高出40%，图4示出了不同尺寸的日字型电感和普通矩形电感耦合系数的对比，dout为电感的外径尺寸，单位为um；k为一般采用电感时的耦合系数，k-diff为采用日字型电感时的耦合系数，相邻通道的干扰降低可达30%，具体情况视芯片制造工艺和封装水平条件而定。

在本发明实施例中，采用“8”字形状或“S”字形状的电感同样能够实现上述效果。

采用多个本发明实施例提供的电感对可以实现电感阵列通信，如图5所示，每一对电感均能将磁力线束缚在该电感内，不会影响到旁边的电感，因此通信效果好，不会产生干扰和串扰。

本发明实施例提供的电感可以应用于无线耦合通信系统中，如图6所示，无线耦合通信系统包括设置于第一芯片上且依次连接的发送控制电路、发送电路和发送电感；以及设置于第二芯片上且依次连接的接收电感、接收电路和接收控制电路；第一芯片与第二芯片之间通过发送电感与接收电感的耦合通信；发送电感和接收电感均为上述的电感，为了节省篇幅，关于电感的结构在此不再赘述。

本发明实施例提供的无线耦合通信系统采用电感耦合，与电容耦合相比，电感耦合互联所要求的耦合电感之间的距离可以比较大，且不会产生通道间的干扰。

在本发明实施例中，发送控制电路用于控制发送电路的工作状态；发送电路用于发送脉冲电流信号，发送电感根据脉冲电流信号产生磁场，接收电感接收到磁场并根据电磁感应定律产生感生电流，接收电路接收感生电流并还原成脉冲电流信号；接收控制电路用于控制接收电路的工作状态。

采用本发明实施例提供的电感结构，使发送电感对旁边的电感干扰度降低，新形状的电感对磁力线有束缚作用，使得磁力线从电感的其中一部分穿出，从另外一部分穿回，漏出去的磁感线非常小。在通信过程中，发送电路发送一个脉冲电流，在发送电感中电流发生变化，从而使磁通也发生变化，由于两个电感是相互对着的，距离也十分接近，绝大部分的磁通都是从这两个电感其中一部分穿过，从另外一部分穿回，新形状的电感对磁通的束缚效果比较明显，磁通对旁边的电感影响比较小，所以大大减少了相互间的干扰。提高了传输效率，使电感通道阵列能够同时传输。从而实现高速多通道低干扰的传输。

如图7所示，在图6的基础上，无线耦合通信系统还包括驱动电路，该驱动电路位于第一芯片上且连接在发送电路与发送电感之间；当脉冲电流信号较小或当发送电感的电感值L较大时，需要通过驱动电路使得脉冲电流信号与发送电感相匹配。

如图8所示，驱动电路的两端分别连接在发送电感的金属导电层的金属绕线的两端；原始信号通过驱动电路转化为对应电流信号，流经发送电感，在电感范围内产生磁通量变化，电感的磁力线如图7所示，下半部分线圈产生的磁力线穿出，上半部分线圈产生的磁力线穿入，闭合的磁力线圈限制在电感内部，在两电感耦合时，传输效率更高。

在本发明实施例中，三维堆叠封装芯片的堆叠结构如图9所示，芯片采用垂直堆叠放置，上层芯片打磨减薄，以减小两芯片的间距。芯片间通过片上螺旋金属电感耦合，发送电感与接收电感竖直方向上对齐。通过发送电路来驱动发送电感，产生变化的磁通，在相互对着的接收电感中，变化的磁通在接收电感中产生感生电流，接收电路就会将感生电流还原成发送信号，从而实现芯片间的互联通信。

在本发明实施例中，三维芯片封装采用电感耦合是一种有很多优点的方式，相对一般三维封装通信方式来说，有成本低，工艺简单等有点，一般的电感耦合的通信方式，由于采用电感耦合方式的互联是通过电感间的互感传输信号的。在发送电路中，通过发送电路发送一个脉冲信号。使流过发送电感的电流发生变化，从而引起电感中的磁通发生变化。在接收电感中，由于一对发送和接收的电感是相互对着的，发送电感中电流变化，就会引起发送电感的磁通变化，从而就会引起接收电感的磁通发生变化。由接收电感的产生感生电流。然后通过一个比较器，将接收电流变成数字脉冲。从而完成两个封装在一起的芯片的信号传输。在高速电感通道的传输中，相邻的电感间的干扰会比较大，采用日字形状的电感就会减少相互的干扰。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维堆叠封装芯片中的电感，包括金属导电层，其特征在于，所述电感的金属导电层由两部分组成，当电流流过时，磁力线从金属导电层的一部分向上或向下穿入，从金属导电层的另一部分向下或向上穿出，磁力线被束缚在电感内。

2.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述金属导电层的金属绕线呈日字形状、8字形状或S字形状。

3.如权利要求2所述的电感，其特征在于，在所述电感的金属导电层一部分中，所述金属绕线按照从内到外的顺序绕制；在所述电感的金属导电层另一部分中，所述金属绕线按照从外到内的顺序绕制。

4.如权利要求2所述的电感，其特征在于，在所述电感的金属导电层中，金属绕线按照从外到内的顺序绕制。

5.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述电感为单层或多层结构，为多层结构时，每一层均通过通孔首尾相连。

6.如权利要求1所述的电感，其特征在于，所述电感采用CMOS工艺制成。

7.一种无线耦合通信系统，包括设置于第一芯片上且依次连接的发送控制电路、发送电路和发送电感；以及设置于第二芯片上且依次连接的接收电感、接收电路和接收控制电路；所述第一芯片与所述第二芯片之间通过发送电感与所述接收电感的耦合通信；其特征在于，所述发送电感和所述接收电感均为权利要求1-6任一项所述的电感。

8.如权利要求7所述的无线耦合通信系统，其特征在于，所述发送控制电路用于控制发送电路的工作状态；发送电路用于发送脉冲电流信号，发送电感根据脉冲电流信号产生磁场，接收电感接收到磁场并根据电磁感应定律产生感生电流，接收电路接收所述感生电流并还原成脉冲电流信号；接收控制电路用于控制所述接收电路的工作状态。

9.如权利要求7所述的无线耦合通信系统，其特征在于，所述无线耦合通信系统还包括位于所述第一芯片上且连接在所述发送电路与所述发送电感之间的驱动电路，用于使得所述发送电路输出的脉冲电流信号与所述发送电感相匹配。