CN103268873A

CN103268873A - 电感器

Info

Publication number: CN103268873A
Application number: CN2013101655148A
Authority: CN
Inventors: 庞慰; 郑云卓; 杨清瑞; 张�浩; 张代化
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: CN103268873B

Abstract

本发明公开了一种电感器，该电感器包括多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层，其中，每个第一导体平面层具有平面电感的螺旋结构，并且至少部分第一导体平面层具有地平面，并且第二导体平面层整体为参考地平面，多个第一导体平面层与第二导体平面层以层叠方式设置，并且，多个第一导体平面层连续层叠设置，相邻的第一导体平面层的螺旋结构之间具有间隔并通过连接结构进行电连接。本发明通过在多个第一导体平面层上设置金属绕线结构，并将这些金属绕线结构连接组成多层结构的电感，能够提高基底的面积利用率，并且提高了电感的电学性能，从而使用更小的面积得到目标电感值，并尽可能提高Q值，满足人们对电感器的需求。

Description

电感器

技术领域

本发明涉及电路器件封装领域，并且特别地，涉及一种电感器。

背景技术

在射频模块中需要用到电感器，电感器能够将电能转化为磁能并且存储磁能。由于电流的变化会激发出磁场，因此根据电磁感应定律，在闭合回路中设置电感器用于阻止下一时刻的电流变化。电磁感应定律分为两种情况，当前时刻电感器中没有电流通过时，则阻止下一时刻电流流过；当前时刻电感器中有电流流过时，则回路断开时电感器用于维持电流的流经状态。

电感量也称作自感系数，是衡量电感器产生电磁感应能力的物理量。当电感器中通入非稳态电流时，电感器周围就会产生变化的磁场，当电流恒定时，电感量越大的电感器，激发出来的磁场强度越高，反之则越小。

品质因数也称Q值，是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻的比值。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高，电感器的性能也越好。

射频模块中的电感器可以分为以下几种形式：1、由承载元器件的基底(包括但不限于半导体衬底(诸如硅衬底或III-IV化合物衬底等)、印刷电路板、层压封装基底等)的金属走线组成螺旋、蛇形等形式的平面电感。2、全部利用键合线，或者键合线配合其它基底上的金属走线实现螺旋、蛇形等形式的键合线电感。3、由无源器件厂商提供的采用插装、贴装等装配形式的独立电感器件。

其中，在基底上由金属走线方法构成的平面电感具有设计灵活，成本低廉等优点，并且Q值一般可以达到20以上，满足射频模块的集成需要。

传统的基底集成电感器的方法，通常是在基底的表面或内部设计一层螺旋、蛇形等形式的金属走线，通过键合线、焊接或压接等互连方式与射频模块内部其它元件进行电学连接。但是，利用这种方法集成的电感器，其电感量和Q值主要受到面积和基底层叠设计的限制，不一定能满足设计的初始需求。

针对相关技术中基底受到各种限制，导致在该基底上形成的电感器不能满足设计需求的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中基底受到各种限制，导致在该基底上形成的电感器不能满足设计需求的问题，本发明提出一种电感器，能够提高基底的面积利用率，并且使用更小的面积得到目标电感值并尽可能提高Q值，满足人们对电感器的需求。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种电感器。

根据本发明的电感器包括多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层，其中，每个第一导体平面层具有平面电感的螺旋结构，并且至少部分第一导体平面层具有地平面，并且第二导体平面层整体为参考地平面，多个第一导体平面层与第二导体平面层以层叠方式设置，并且，多个第一导体平面层连续层叠设置，相邻的第一导体平面层的螺旋结构之间具有间隔并通过连接结构进行电连接。

其中，多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层满足以下要求：0.4＜(L2/L1)＜2，其中，L1为彼此相邻的第一导体平面层之间的距离，L2为第二导体平面层与相邻的第一导体平面层之间的距离。

此外，第一导体平面层中的至少一个埋置于基底中。

一方面，多个平面电感结构均埋置于基底中，基底上方设置有一第二导体平面层，基底下方设置有另一第二导体平面层。

另一方面，在多个第一导体平面层中，位于最上方的第一导体平面层设置于基底上方，其他第一导体平面层埋置于基底中，并且，在基底中位于最下方的第一导体平面层以下，设置有第二导体平面层。

第一导体平面层的地平面与第二导体平面通过至少一个金属过孔连接。

此外，多个第一导体平面层中，位于最上方的第一导体平面层和位于最下方的第一导体平面层均具有引脚。

此外，在多个第一导体平面层中，如果一第一导体平面层的螺旋结构为由外向内绕线，则与该第一导体平面层相邻的第一导体平面层的螺旋结构为由内向外绕线。

另外，每个第一导体平面层的螺旋结构在其绕线结束处，通过连接结构与相邻的第一导体平面层的螺旋结构电连接，该相邻的第一导体平面层的螺旋结构以该结束处作为绕线的开始处。

另外，多个第一导体平面层的螺旋结构的绕线方向相同。

可选地，多个第一导体平面层的螺旋结构在层叠方向上的投影一致。

本发明通过在多个第一导体平面层上设置金属绕线结构，并将这些金属绕线结构连接组成多层结构的电感，能够提高基底的面积利用率，并且提高了电感的电学性能，从而使用更小的面积得到目标电感值，并尽可能提高Q值，满足人们对电感器的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是根据本发明一实施例的电感器的多个平面电感结构的示意图；

图1B是图1A所示电感器结构的分解示意图；

图2是图1A示出的电感器的多个平面电感结构的截面图；

图3是根据本发明的另一个实施例的电感器的多个平面电感结构的示意图；

图4是图3示出的电感器的多个平面电感结构的截面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种电感器。

根据本发明实施例的电感器包括多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层，其中，第一导体平面层的数量可以大于或等于2，并且，其中，每个第一导体平面层具有平面电感的螺旋结构，并且至少部分第一导体平面层具有地平面，并且第二导体平面层整体为参考地平面，多个第一导体平面层与第二导体平面层以层叠方式设置，并且，多个第一导体平面层连续层叠设置，相邻的第一导体平面层的螺旋结构之间具有间隔并通过连接结构进行电连接。

在一个实施例中，多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层满足以下要求：0.4＜(L2/L1)＜2，其中，L1为彼此相邻的第一导体平面层之间的距离，L2为第二导体平面层与相邻的第一导体平面层之间的距离。

其中，多个平面电感结构中的至少一个埋置于基底中。并且，该基底可以是任何能够承载元器件的基底，包括但不限于硅衬底、III-IV化合物衬底等半导体衬底，也可以是印刷电路板、层压封装基板等。

在一个实施例中，多个平面电感结构均埋置于基底中，基底上方设置有一第二导体平面层，基底下方设置有另一第二导体平面层。

如图1A和图1B所示，在该实施例中，该电感器包括：第二导体平面层11、第一导体平面层12、另一第一导体平面层13、另一第二导体平面层14、螺旋电感15和16、第一导体平面层12到另一第一导体平面层13的过孔17、接地过孔18和基底19(出于清楚的目的，在图1B中未示出基底19)。其中，基底19可以是封装基板介质层，也可以是其他形式的基底。

其中，第一导体平面层12和13埋置在基底19中，并且第一导体平面层12和13之间借助过孔(埋孔)17连接；第二导体平面层11位于基底19上方，第二导体平面层14位于基底19下方。数个接地过孔(其中具有导电材料)18贯穿第二导体平面层11和14(接地过孔不与螺旋电感15和16接触)、以及第一导体平面层12和13，以避免电磁干扰。第一导体平面层12具有螺旋电感15，第一导体平面层13具有螺旋电感16，在金属绕线结构之外的区域为接地平面结构。图1中所示的通孔的数量和位置以及埋孔的位置均为实例，例如，在实际应用中，可以根据设计需要采用更少的通孔，也可以采用更多的通孔来进一步避免在各个平面之间出现电势差。

如图1A和图1B、所述的平面电感结构中的地平面以及其它结构的数量和所设置的位置均为实例，在另外的实施例中，可以改变平面电感结构中的层数，并且，也相应地改变其它结构。

如图2所示，为图1A所示电感结构的截面图，图2示出了第二导体平面层11和14、第一导体平面层12和13、第一导体平面层12到第一导体平面层13的过孔17、接地过孔18和基底19。通过图2可以看出，第二导体平面层11和14为内层电感器的参考地平面层，具有完整的地平面，过孔17连接第一导体平面层12和13，而过孔18将第一导体平面层12和13位于螺旋电感以外的部分与第二导体平面层11和14，从而在器件工作时避免电磁干扰。

并且，在一个实施例中，第二导体平面层11和第一导体平面层12之间的距离、以及第二导体平面层14和第一导体平面层13之间的距离可以均为L2，而第一导体平面层12与第一导体平面层13之间的距离为L1。此时，L1和L2满足以下条件：0.4＜(L2/L1)＜2。

在另一实施例中，第二导体平面层11和第一导体平面层12之间的距离为L2，第二导体平面层14和第一导体平面层13之间的距离L2’，L2不等于L2’，而第一导体平面层12与第一导体平面层13之间的距离为L1。此时，L1和L2满足以下条件：0.4＜(L2/L1)＜2；类似地，L1和L2’满足以下条件：0.4＜(L2’/L1)＜2。

在下文的描述中，将不对L2和L2’进行区分，而将其统一称为L2。

以下表1和表2对比如图1所示的根据本发明实施例的电感器实现的电感特性。

表1

频率点2GHz	L1	L2	电感量(nH)	Q值
					层叠1	100μm	30μm	2.370	17.588
层叠2	100μm	60μm	3.343	26.530
					层叠3	100μm	90μm	3.934	31.707
层叠4	100μm	120μm	4.29.	34.003
					层叠5	100μm	150μm	4.539	35.407
层叠6	100μm	180μm	4.717	36.115

层叠7	100μm	210μm	4.858	37.415
					层叠8	100μm	240μm	4.921	37.228
层叠9	100μm	270μm	5.008	37.415
					层叠10	100μm	300μm	5.111	38.249

表1为如图1A和图1B所示的根据本发明一实施例的电感器实现的电感特性对比(1)。在频率点为2GHz时，L1为固定值100μm，而将L2的距离从层叠1的30μm开始依次增加30μm到层叠10的300μm。所测得的电感量(单位：nH)依次从2.370增加至5.111，而所测得的Q值从17.588依次增加至38.249。

表2

频率点2GHz	L1	L2	电感量(nH)	Q值
					层叠1	60μm	20μm	1.940	12.672
层叠2	60μm	40μm	2.894	20.456
					层叠3	60μm	60μm	3.565	25.429
层叠4	60μm	80μm	4.036	28.545
					层叠5	60μm	100μm	4.415	31.227
层叠6	60μm	120μm	4.687	32.825
					层叠7	60μm	140μm	4.890	33.592
层叠8	60μm	160μm	5.048	34.187
					层叠9	60μm	180μm	5.172	34.904
层叠10	60μm	200μm	5.276	35.177

表2为如图1A和图1B所示电感器的电感特性对比(2)。在频率点为2GHz时，L1为固定值60μm，而将L2的距离从层叠1的20μm开始依次增加20μm到层叠10的200μm。所测得的电感量(单位：nH)依次从1.940增加至5.276，而所测得的Q值从12.672依次增加至35.177。

即，当(L2/L1)满足0.4＜(L2/L1)＜2，能得到较大的电感量并具有较大的Q值。当比例(L2/L1)的值位于所述的限定范围以下，电感的Q值太低，当这个比例位于所述的限定范围以上时，电感量和Q值提升的空间已经不大。

应当注意，对于包含3层或更多层平面电感结构的情况，所有的平面电感结构均可以埋置在基底中，并且相邻的第一导体平面层之间的距离L1、以及位于最上方的第二导体平面层到最上方的第一导体平面层的距离L2(或者，位于最下方接的第二导体平面层到最下方的第一导体平面层的距离)同样满足上述条件。

在另一实施例中，在多个平面电感结构中，在多个第一导体平面层中，位于最上方的第一导体平面层设置于基底上方，其他第一导体平面层埋置于基底中，并且，在基底中位于最下方的第一导体平面层以下，设置有第二导体平面层。下面将参照附图，详细描述本实施例。

图3是根据本实施例的电感器的透视图；图4是图3所示电感器的横截面图。如图3所示，根据本实施例的电感器包括：第一导体平面层31、另一第一导体平面层32、电感换层过孔33、第二导体平面层34、芯片引脚一35、芯片引脚二36和基底37。其中，基底37可以是半导体基底，也可以是其他形式的基底。

在多个平面电感结构中，第一导体平面层31设置于基底37上方，其他平面电感结构(即图3中的第一导体平面层32)埋置于基底37中，并且，在基底37中，在位于最下方的第一导体平面层(对应于图3中第二层平面螺旋电感32)的下方，设置有第二导体平面层34。

进一步地，多个平面电感结构中，位于最上方的第一导体平面层31具有引脚，即图3中的芯片引脚一35，位于最下方的第一导体平面层32具有引脚，即图3中所示的芯片引脚二36。

如图3和图4所示，电感换层过孔33将第一导体平面层31与第一导体平面层32连接，第二导体平面层34同样埋置在基底37中，而在其他实施例中，第二导体平面层34可以位于基底37下方。

在该实施例中，相邻的平面电感结构之间的间隔满足以下条件：

0.4＜(L2/L1)＜2，其中，L2为第二导体平面层与最下方的第一导体平面层之间的距离，L1为相邻第一导体平面层之间的距离。也就是说，在图4中，第一导体平面层31和第一导体平面层32之间的距离为L1，而第二导体平面层34和第一导体平面层32之间的距离为L2。

应当注意，对于包含3层或更多层平面电感结构的情况，除了最上方的第一导体平面层之外，其他所有的第一导体平面层均可以埋置在基底中，并且，相邻的平面电感结构之间的距离L1、以及第二导体平面层到最下方的第一导体平面层的距离L2同样满足上述条件。

以上描述的实施例仅仅用于解释和说明，而不用于限定本发明。在实际应用中，可以存在其他形式的多层电感，并且这些电感同样在本发明的范围内。

此外，在第一导体平面层中，如果一第一导体平面层的螺旋结构为由外向内绕线，则与该第一导体平面层相邻的第一导体平面层的螺旋结构为由内向外绕线。

此外，每个第一导体平面层在其螺旋结构的金属绕线结束处，通过连接结构与相邻的第一导体平面层的螺旋结构的金属绕线电连接，该相邻的第一导体平面层的螺旋结构以该结束处作为绕线的开始处。

并且，多个平面电感结构的金属绕线的绕线方向相同，以增强互感。

优选地，多个第一导体平面层的螺旋结构在层叠方向上的投影一致。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过在多个第一导体平面层上设置金属绕线结构，并将这些金属绕线结构连接组成多层结构的电感，能够提高基底的面积利用率，并且提高了电感的电学性能，从而使用更小的面积得到目标电感值，并尽可能提高Q值，满足人们对电感器的需求。另外，本发明提出了各导体平面层之间距离应满足的比例关系，从而进一步改善电感器件的性能。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电感器，其特征在于，包括多个第一导体平面层和至少一个第二导体平面层，其中，每个第一导体平面层具有平面电感的螺旋结构，并且至少部分第一导体平面层具有地平面，并且第二导体平面层整体为参考地平面，所述多个第一导体平面层与所述第二导体平面层以层叠方式设置，并且，所述多个第一导体平面层连续层叠设置，相邻的第一导体平面层的螺旋结构之间具有间隔并通过连接结构进行电连接。

2.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述多个第一导体平面层和所述至少一个第二导体平面层满足以下要求：0.4＜(L2/L1)＜2，其中，L1为彼此相邻的第一导体平面层之间的距离，L2为第二导体平面层与相邻的第一导体平面层之间的距离。

3.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述第一导体平面层中的至少一个埋置于基底中。

4.根据权利要求3所述的电感器，其特征在于，所述多个平面电感结构均埋置于所述基底中，所述基底上方设置有一第二导体平面层，所述基底下方设置有另一第二导体平面层。

5.根据权利要求3所述的电感器，其特征在于，在所述多个第一导体平面层中，位于最上方的第一导体平面层设置于所述基底上方，其他第一导体平面层埋置于所述基底中，并且，在所述基底中位于最下方的第一导体平面层以下，设置有第二导体平面层。

6.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，所述第一导体平面层的地平面与所述第二导体平面通过至少一个金属过孔连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电感器，其特征在于，所述多个第一导体平面层中，位于最上方的第一导体平面层和位于最下方的第一导体平面层均具有引脚。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的电感器，其特征在于，在所述多个第一导体平面层中，如果一第一导体平面层的螺旋结构为由外向内绕线，则与该第一导体平面层相邻的第一导体平面层的螺旋结构为由内向外绕线。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的电感器，其特征在于，每个第一导体平面层的螺旋结构在其绕线结束处，通过连接结构与相邻的第一导体平面层的螺旋结构电连接，该相邻的第一导体平面层的螺旋结构以该结束处作为绕线的开始处。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的电感器，其特征在于，所述多个第一导体平面层的螺旋结构的绕线方向相同。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的电感器，其特征在于，所述多个第一导体平面层的螺旋结构在层叠方向上的投影一致。