CN104347587A - 一种立体集成电感结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种立体集成电感结构，通过设有若干平行并排的片状的磁芯单元，以及以磁芯单元为中心单方向绕行形成立体螺旋状的电感线圈，可以极大的提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流，并提高品质因数Q值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种立体集成电感结构。
背景技术
随着科学技术的进步以及社会信息化程度的提高，计算机、通讯等越来越多的技术领域均采用到射频技术，进而促进了射频技术(RFIC)的高速发展；对于高频率、小功耗、低失真的射频技术的要求，使得电感线圈成为必要。
由于评价电感性能最重要的指标为品质因数Q(quality)，品质因数Q(即Q值)表示为一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比，因此提高电感的品质因数Q可以提高集成电感的性能指标。
现有技术中，大多采用平面结构的集成电感，由于这种集成电感制作于衬底平行的平面上，在高频条件下，衬底中会形成涡旋电流(Eddy Current)，涡旋电流的方向与电感线圈中的电流方向相反，这必然会导致电感线圈的磁通量减少，额外的能量损失较大并使得整个电感的Q值下降。另外现有技术中，集成电感由于集成电路的制程与材料的限制，很难同时达到高电感值和高品质因数Q值。
目前虽然可从减少衬底的损耗入手来解决衬底中涡旋电流的问题，但是采用的均是平面结构的集成电感，受到平面电感工作原理的限制无法从根本上解决问题，即无法在提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流并提高品质因数Q值，因此发明一种高性能的集成电感器件成为半导体制造技术领域的一个难题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种立体集成电感结构，以解决现有技术中无法在提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流并提高品质因数Q值的缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种立体集成电感结构，其中，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底上表面覆盖有绝缘层；
磁芯，所述磁芯设置于所述绝缘层中且与所述半导体衬底平行；
电感线圈，所述电感线圈呈立体螺旋状并单方向多圈环绕所述磁芯；
其中，所述磁芯包括若干平行排列的磁芯单元，所述电感线圈穿过所述绝缘层单方向多圈环绕若干磁芯单元，且每个所述磁芯单元的长度延伸方向均与所述电感线圈产生磁通量的方向平行。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，所述磁芯位于一金属框架围成的区域内。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，所述金属框架与所述磁芯的材质均为铁磁金属。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，相邻的磁芯单元、电感线圈与磁芯单元以及金属框架与磁芯单元间均由绝缘层隔离。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，所述磁芯单元为片状。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，任意两相邻磁芯单元的间距相同。
较佳的，上述的立体集成电感结构，其中，所述电感线圈产生的磁通量的方向平行于所述半导体衬底。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明公开了一种立体集成电感结构，通过设有若干平行并排的片状磁芯单元，并以磁芯单元为中心单方向绕行形成立体螺旋状的电感线圈，可以在极大的提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流，并提高品质因数Q值。
具体附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明中立体集成电感的结构示意图；
图2是本发明中立体集成电感的侧面剖面的结构示意图；
图3是本发明中立体集成电感的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
为可以在提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流，并提高品质因数Q值以及电感线圈的性能，本发明提供了一种立体集成电感结构，包括：半导体衬底，该衬底上表面制备有绝缘层；磁芯，该磁芯设置于绝缘层中并于半导体衬底平行；电感线圈，该电感线圈呈立体螺旋状并单方向多圈环绕磁芯，且磁芯包括若干平行排列的磁芯单元，电感线圈穿过绝缘层单方向多圈环绕若干磁芯单元；每个磁芯单元的长度延伸方向均与电感线圈产生磁通量的方向平行。
下面结合具体的实施例对本发明作详细的介绍。
在本发明的实施例中，图1中的立体集成电感结构设置在半导体衬底(图中未示出)上表面的绝缘层6中，该结构涉及到一金属框架1，优选的该金属框架1的材质为金属材料(例如铁磁金属)，且该金属框架1为一矩形结构(定义有长边和短边)，其中该金属框架1围成的区域内还设有磁芯(例如铁磁金属)，具体的，该磁芯设于绝缘层6中且与半导体衬底平行。
上述磁芯包括若干平行排列的磁芯单元2，优选的，该若干磁芯单元2的首端以及末端分别固定连接于金属框架1的长边一内侧和该内侧相对的另一内侧，且任一磁芯单元2均垂直于金属框架1的长边。
优选的，任意两相邻的磁芯单元2间距相同，且磁芯单元2的形状为片状。
其中，金属框架1的形状并非上述限制的矩形框架结构，本领域技术人员可根据工艺需求进行不同立体形状的设计，如三角状、五角状等，只要能达到本发明的目的即可。
值得注意的是，在金属框架1与磁芯单元2间的空隙中、磁芯单元2之间的空隙中以及磁芯单元2与电感线圈间均通过绝缘层6进行隔离，互相绝缘的片状的磁芯单元2，一方面可以增加电感值，另一方面可以大大减少磁芯单元2中的涡旋电流，优选的，该绝缘层6可以为二氧化硅介质，可以达到以下有益效果：一方面可以增加电感值，另一方面可以减少磁芯单元2间的寄生电感，且由于二氧化硅是非常好的绝缘介质，不会由于较高频率的磁场而引起镜像电流效应，从根本上解决了涡旋电流问题。
在本发明实施例中，该立体集成电感结构中的电感线圈(材质为金属材料)具体包括：若干第一金属线3、若干第二金属线4以及若干第三金属线5，优选的，第一金属线3、第二金属线4以及第三金属线5的材质均相同。
在本发明的实施例中，第一金属线3位于若干磁芯单元2的上侧，第二金属线4位于若干磁芯单元2的下侧，第三金属线5位于绝缘层6中以连接第一金属线3与第二金属线4，具体的如图2所示，若干第一金属线3均匀(任意两相邻第一金属线间的间距相同，且相互平行)并排于上述磁芯单元2的上侧，且第一金属线3组成的平面与磁芯单元2上侧组成的平面区域平行，在本发明的实施例中，每个第一金属线3均垂直于任意一磁芯单元2。
进一步的，若干第二金属线4均匀(任意两相邻第二金属线间的间距相同，且相互平行)并排于上述磁芯单元2的下侧，且第二金属线4组成的平面与磁芯单元2上侧组成的平面区域平行，在本发明的实施例中，为能够形成后续的立体螺旋状线圈，第二金属线4均与磁芯单元2构成一定的夹角。如图3，从另一方面来说，第一金属线3与第二金属线4在垂直投影方向上构成上述角度；本领域技术人员应当理解为第一金属线3与第二金属线4构成的角度、第一金属线3和第二金属线4的数量均可以根据工艺的需要进行优化。
优选的，第一金属线3与第二金属线4的首端、第一金属线3与第二金属线4的末端，在垂直方向上的投影均相互重合，且投影点均位于金属框架1与最外侧磁芯单元2组成的区域内。
其中，磁芯单元2上侧的第一金属线3的首端通过第三金属线5连接和第一金属线3首端垂直方向上的投影重合的第二金属线4的首端，且与第一金属线3首端垂直方向上的投影重合的第二金属线4的末端通过第三金属线5连接第一金属线3相邻的另一第一金属线3的末端，并依次循环最终形成呈立体螺旋状并单方向多圈环绕在金属框架1围成区域内的所有磁芯单元2上的电感线圈。
在本发明的实施例中，第三金属线5的材质可与绝缘层6中的金属孔内填充的金属材料材质相同，且该第三金属线5用于连接第一金属线3和第二金属线4。
优选的，每个磁芯单元的长度延伸方向均与电感线圈产生磁通量的方向平行，同时电感线圈产生的磁通量的方向平行于半导体衬底，从而有效避免了因磁通量的变化而产生的涡旋电流并导致电感磁通量变化，而造成电感的电感值与品质因子Q值下降的缺陷，因此该发明在应用于射频电路时，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明公开了一种立体集成电感结构，通过设有若干平行并排的片状的磁芯单元，以及以磁芯单元为中心单方向绕行形成立体螺旋状的电感线圈，可以极大的提高电感磁通量以增加电感值的同时降低涡旋电流，并提高品质因数Q值。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种立体集成电感结构，其特征在于，所述立体集成电感结构包括：
半导体衬底，所述半导体衬底上表面覆盖有绝缘层；
磁芯，所述磁芯设置于所述绝缘层中且与所述半导体衬底平行；
电感线圈，所述电感线圈呈立体螺旋状并单方向多圈环绕所述磁芯；
其中，所述磁芯包括若干平行排列的磁芯单元，所述电感线圈穿过所述绝缘层单方向多圈环绕若干磁芯单元，且每个所述磁芯单元的长度延伸方向均与所述电感线圈产生磁通量的方向平行。
2.如权利要求1所述的立体集成电感结构，其特征在于，所述磁芯位于一金属框架围成的区域内。
3.如权利要求2所述的立体集成电感结构，其特征在于，所述金属框架与所述磁芯的材质均为铁磁金属。
4.如权利要求2所述的立体集成电感结构，其特征在于，相邻的磁芯单元、电感线圈与磁芯单元以及金属框架与磁芯单元间均由绝缘层隔离。
5.如权利要求1所述的立体集成电感结构，其特征在于，所述磁芯单元为片状。
6.如权利要求1所述的立体集成电感结构，其特征在于，任意两相邻磁芯单元的间距相同。
7.如权利要求1所述的立体集成电感结构，其特征在于，所述电感线圈产生的磁通量的方向平行于所述半导体衬底。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN101521089A (zh) * | 2008-11-19 | 2009-09-02 | 清流县鑫磁线圈制品有限公司 | 一种电感器件及其制做方法 |
| US20130056847A1 (en) * | 2011-09-06 | 2013-03-07 | Analog Devices, Inc. | Small size and fully integrated power converter with magnetics on chip |
| CN103650075A (zh) * | 2011-06-30 | 2014-03-19 | 美国亚德诺半导体公司 | 芯片上的具有磁性的隔离型功率转换器 |
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2014
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