CN104022113B - 一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器，其包括：上下堆叠在基板上的微型变压器和集成电路；其中，所述微型变压器包括第一金属线圈、第二金属线圈和位于第一金属线圈和第二金属线圈之间的隔离层；所述底层集成电路包括集成化的初级驱动电路和次级接收电路。本发明将微型变压器被放置在整个集成电路的顶层。为保证良好的EMC特性，微型变压器与集成化的电路之间有绝缘层和电磁屏蔽层。本发明将微型变压器集成在单芯片之上，不需要单独的多芯片互连，从而大大减小芯片面积，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字隔离器，尤其涉及应用了无芯微型变压器的数字隔离电路的单片集成化。
背景技术
数字隔离器主要用于数字信号的传输，数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统、航空航天电子设备以及医疗设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。使用隔离器的一个首要原因是为了消除噪声；另一个重要原因是保护器件(或人)免受高电压的危害。变压器通常用于电流隔离以及隔离电路中的能量或信号传输。在高频背景下，微型变压器广泛应用于直流开关电源(DC/DC转换器)以及各类隔离电路当中。使用了光电耦合的光耦合隔离器一直是隔离电路的首选，但是光耦合器反应慢，功耗大，易老化。因磁隔离反应快，功耗小，隔离能力强的优点，所以采用了微型变压器的数字隔离器将逐步代替传统的光耦合隔离器。美国专利US7545059提出了多种在同一封装下实现的数字隔离器，但它没有真正意义上的实现单片集成数字隔离器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器，以此来实现数字隔离器的高度单片集成化，从而提供高性能的隔离式信号和功率传输。
本发明提出的一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器，其包括：上下堆叠在基板上的微型变压器和集成电路；
其中，所述微型变压器包括第一金属线圈、第二金属线圈和位于第一金属线圈和第二金属线圈之间的隔离层；所述底层集成电路包括集成化的初级驱动电路和次级接收电路。
本发明将微型变压器堆叠式地放置在芯片顶层，不需要单独的芯片面积来实现微型变压器，从而降低成本。单片集成了微型变压器与其他电路部分，减少了芯片间的金属键合，提高了工作频率，从而提高了集成电路的整体性能。
本发明所具有的优点：
芯片面积小。常规方法，要么把变压器单独放置在一块芯片，要么把变压器和部分电路水平摆放放置在一块芯片。相比以上方法，本发明采用纵向高度集成方案，从而大大减小芯片面积。
工艺过程互不影响。底层的集成电路部分可采用任何工艺来制造，顶层微型变压器可采用完全独立于底层电路的制造工艺来制造。
工作频率高。本发明的数字隔离器可工作在100MHz一2GHz。
附图说明
图1是本发明第一实施例中数字隔离器的结构示意图；
图2本发明另一实施例中数字隔离器的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中数字隔离器的结构示意图；
图4是本发明另一实施例中数字隔离器的结构示意图；
图5是本发明第一实施例中数字隔离器的电路连接示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器，其包括：
上下堆叠在基板上的微型变压器和集成电路；其中，因为传统变压器在微型化过程中存在磁滞，涡流损耗等问题，为适应高频应用下能单片集成变压器，所述微型变压器采用的是无芯微型变压器，本发明中的单片集成化的数字隔离器所采用的无芯微型变压器结构具体包括第一金属线圈、第二金属线圈和位于第一金属线圈和第二金属线圈之间的隔离层；所述底层集成电路具体包括集成化的初级驱动电路和次级接收电路。其中，所述微型变压器用于将来自第一金属线圈的逻辑信号通过磁性耦合方式传递到第二金属线圈；所述初级驱动电路包括了编码电路及驱动电路等，用于将输入逻辑信号编码后加载到微型变压器的第一金属线圈上；所述次级接收电路包括了译码电路及输出电路等，用于将微型变压器的第二金属线圈上磁性耦合过来的逻辑信号解码输出。
所述微型变压器为没有铁磁芯的变压器，即无芯微型变压器；第一金属线圈和第二金属线圈变压器匝数为1∶1。
所述数字隔离器还包括电磁屏蔽层，夹在下方集成电路与上方微型变压器之间，具体位于所述绝缘氧化层和集成电路之间，作用一是用于减弱底层集成电路对顶层变压器磁场的干扰，作用二是用于减弱顶层变压器磁场变化对底层集成电路电学特性的影响，从而大大提高该单片数字隔离器的EMC特性。
参见图1。本实施方式中，顶层的微型变压器的第一金属线圈和第二金属线圈位置相对，被放置在顶端，底层为集成化的电路结构，从而构成具有固定连接的堆叠式的集成数字隔离器，图中标号11，21的部分为绝缘层，40为基板，通常采用硅晶圆。
第一金属线圈12被放置在最顶层，与之相对称放置的是第二金属线圈22，第二金属线圈22放置在用于隔离顶层变压器和底层电路的绝缘氧化层24之上。第一金属线圈12和第二金属线圈22之间为隔离层10，该隔离层用来有效隔离第一金属线圈和第二金属线圈，并且具有合适厚度的隔离层可使得上述两金属线圈有良好的磁性耦合特性。绝缘氧化层之下具有电磁屏蔽层23，作用如前所述。
绝缘氧化层24多采用硅氧化物，可通过化学气相沉积等方法实现。金属线圈的材料可为金，铜，铝等，可采用溅射，蒸发，电镀等方法实现。初次级线圈之间的隔离层10的材料可以采用聚酰亚胺(PI)等，利用类似于旋涂光刻胶的方法实现等等。金属线圈可通过硅通孔(TSV)等技术电学连接顶层变压器与底层集成电路。
参见图2，本实施例中底层集成电路30为数字隔离器的初级驱动电路及次级接收电路，可采用标准CMOS工艺，或BICMOS工艺，Bipolar工艺实现。如图5所示，顶层微型变压器的金属线圈可通过硅通孔(TSV)等技术电学连接它与底层数字隔离电路。
参见图3，本发明另一实施方式中，顶层的微型变压器的初次级线圈被放置在顶端，构成堆叠式的集成数字隔离器，图中标号11，21的部分为绝缘层。
第一金属线圈12被放置在最顶层，与之相对放置的是第二金属线圈22，第二金属线圈22嵌入在中间隔离氧化层24之中。第一金属线圈12和第二金属线圈22之间为隔离层10。
绝缘氧化层24多采用硅氧化物，可通过化学气相沉积等方法实现。金属线圈的材料可为金，铜，铝等，可采用溅射，蒸发，电镀等方法实现。初次级线圈之间的隔离层10的材料可以采用聚酰亚胺(PI)等，利用类似于旋涂光刻胶的方法实现等等。金属线圈可通过硅通孔(TSV)等技术电学连接顶层变压器与底层集成电路。
类似于实施方式一，在中间绝缘氧化层24电阻率较大等情况下，金属线圈和绝缘氧化层之间可不设置绝缘层。
参见图4，本实施例中底层集成电路30为数字隔离器的初级驱动电路及次级接收电路，可采用标准CMOS工艺，或BICMOS工艺，Bipolar工艺实现。如图5所示，顶层微型变压器的金属线圈可通过硅通孔(TSV)等技术电学连接它与底层数字隔离电路。
本文的“顶层”和“底层”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。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于微型变压器的堆叠式数字隔离器，其包括：上下堆叠在同一基板上的微型变压器和集成电路；
其中，所述微型变压器包括第一金属线圈、第二金属线圈和位于第一金属线圈和第二金属线圈之间的隔离层；所述集成电路包括集成化的初级驱动电路和次级接收电路；
其中，所述集成电路上方设置有电磁屏蔽层，在电磁屏蔽层上方设置绝缘氧化层，并且在绝缘氧化层的上方放置所述微型变压器；
其中，所述微型变压器和集成电路之间包括绝缘氧化层；所述绝缘氧化层上方放置第二金属线圈，与第二金属线圈相对称的上方放置第一金属线圈；
其中，所述第二金属线圈嵌入在所述绝缘氧化层中。
2.如权利要求1所述的数字隔离器，其中，所述微型变压器为无芯微型变压器。
3.如权利要求1所述的数字隔离器，其中，所述第一金属线圈和第二金属线圈的变压器匝数比为1∶1。
4.如权利要求1所述的数字隔离器，其中，所述第一金属线圈、第二金属线圈与底层集成电路通过通孔电连接。
5.如权利要求1所述的数字隔离器，其中，所述绝缘氧化层与微型变压器之间包括绝缘层。
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