CN104517941A - 线圈及制备应用于电感元件的线圈的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线圈及制备应用于电感元件的线圈的方法。所述线圈包括多层导电层,每一导电层包括至少一个导电环;所述导电环均电气连接形成绕组;且至少有一层的导电环或环段的几何中心与至少一个另外一层的导电环或环段的几何中心在空间上互不对准。优选地,除了绕组的中心抽头所在的导电环外,其余各导电环各自沿对称轴被分割为2N个环段,每一环段通过交叉导电孔电气连接自身之外的其他层的另一环段,以形成N个绕组,N为大于或等于1的整数。线圈的各层可采用PCB工艺或半导体工艺来制备,能在获得高Q值的同时,有效提高基片的面积利用率、具有对称迹线、以及减小寄生耦合电容等,本发明的线圈可用作电感或变压器等。

Description

线圈及制备应用于电感元件的线圈的方法
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域,特别是涉及一种线圈及制备应用于电感元件的线圈的方法。 
背景技术
电感或变压器等是电子线路中的一种常用元器件,均包括线圈。随着集成电路技术的发展,通常采用单层或多层来制备该些元器件。不过,若是采用单层结构,为了获得较大电感,通常线圈需要占据较大面积,故采用具有多层导电层结构的线圈来设计电感元件。然而,基于多层导电层线圈的电感元件具有一些关键的缺陷,例如自我谐振频率和Q值方面的缺陷等。 
例如,在申请号为00110933.3的中国专利申请文件中,提供了一种电感元件及其制备方法,该电感元件包括多层,导电单元的每一层呈U型,相邻两层的U型环相对设置,从而能在空间上连接成导电环。 
此外,在专利号为:6,380,835、6,870,457、6,967,555、7,091,814、2011/0133878、8,325,001、8,258,192、7,253,712、2013/0026846、8,198,970、2012/0274434、7,986,210、7,768,372等诸多美国专利文献中分别公开了各种不同结构的对称堆叠式电感或变压器。 
综合上述所示的各种对称堆叠式电感或变压器,其结构或者为包含多个环路或多个半环路的单层结构,或者为多层结构,在多层结构中,每一层有一个环路或者半个环路,各环路采用横桥或几何中心抽头等来电气连接, 
虽然所述多层线圈结构中的单层线圈结构各不相同,但却有一个共同的特征,即各导电环的几何中心在同一平面的正投影是重叠的,由此会影响电感器或变压器的性能,尤其是影响Q值与自我谐振频率等。 
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种用于制备电感元件,例如电感器或变压器的线圈,特征在于:具有对称迹线、高Q值以及面积利用率高。 
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种线圈,其至少包括: 
多层,每一层包括至少一个导电环;各导电环均电气连接形成绕组;且至少有一层的导电环或环段的几何中心与至少一其他层的导电环或环段的几何中心在空间上不对准。 
优选地,几何中心在空间上不对准的相邻两层中,其中一层的导电环的几何中心在相邻 层的正投影点与相邻层导电环的几何中心之间的间距为0.5×(W+S),其中W是导电环的环宽,S是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。 
优选地,除了绕组的中心抽头所在的导电环外,其余各导电环各自沿对称轴被分割为2N个环段,每一环段通过交叉横桥或交叉导电孔对电气连接自身之外的其他环段,以形成N个绕组,N为大于等于1的整数;更为优选地,每一绕组的端电极由同一导电环的两相邻环段的相邻端引出;更为优选地,所有绕组的端电极均属于同一导电环。 
优选地,成嵌套状的同一层中的导电环通过交叉横桥电气连接,不同层的导电环通过1对交叉导电孔对电气连接。 
优选地,同一导电环不同环段的环宽不完全相同。 
优选地,所述导电环为具有至少一条对称轴的几何形状,包括但不限于,正多边形、椭圆形、圆形等。 
优选地,交叉导电孔对的宽度不超过导电环的宽度。 
本发明进一步提供了一种用于制备线圈的方法,其至少包括: 
在基底上形成线圈,其中,导电环通过介质材料相互隔离;所述线圈中的每层基于半导体工艺或PCB工艺制造。 
优选的,所述基板包括半导体基底或PCB板。 
如上所述,本发明的线圈,具有以下有益效果:具有高Q值,面积利用率高,层间寄生耦合电容小等。 
附图说明
图1显示为本发明的一种用作电感且具有两层的线圈的优选示意图。 
图2a及2b显示为本发明的两种交叉导电孔对的优选示意图。 
图3显示为本发明的另一种用作电感且具有4层的线圈的优选示意图。 
图4显示为本发明的再一种用作电感且具有3层的线圈的优选示意图。 
图5显示为本发明的再一种用作电感且具有沿一个环宽度不均一的线圈的优选示意图。 
图6显示为图7中的线圈所采用的交叉横桥的优选示意图。 
图7显示为本发明的再一种用作电感且采用交叉横桥连接的线圈的优选示意图。 
图8显示为本发明的再一种用作电感且采用交叉横桥连接的线圈的优选示意图。 
图9a及图9b显示为图10中的线圈所采用的交叉横桥的优选示意图。 
图10a显示为本发明的一种用作3个绕组的变压器的线圈的优选示意图。 
图10b显示为图10a中的变压器的等效电子电路。 
图11a显示为本发明的一种用作2个绕组的变压器的线圈的优选示意图。 
图11b显示为图11a中的变压器的等效电子电路。 
图12显示为被介质材料隔离的两相邻导电线的电能存储示意图。 
图13显示为各层对准的线圈的电压分布示意图。 
元件标号说明 
11、12、13   半环 
14、21、22   半环 
23、24      半环 
15         导电环 
111、121    端电极 
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。 
请参阅图1至图13。须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。 
本发明所提供的线圈包括多层,每一层包括至少一个导电环;各导电环电气连接形成绕组;且至少有一层的导电环或环段的几何中心与至少一其他层的导电环或环段的几何中心在空间上互不对准,该线圈可以用作任何需要绕组的元器件,优选地,可用作电感或者变压器,以下将对用作电感和变压器的线圈分别进行详述。 
实施例一: 
如图1所示,该线圈包括2层,上层有3个导电环,该3个导电环同形状但不同尺寸,呈嵌套状;下层有2个导电环,该2个导电环同形状但不同尺寸,也呈嵌套状;各导电环均为正八边形,同一层的相邻导电环之间的间距相同,但下层导电环的几何中心与上层导电环 的几何中心空间不对准,即:下层导电环的几何中心在上层的正投影点与上层导电环的几何中心不重合,且下层的导电环的几何中心在上层的正投影点与上层导电环的几何中心之间的间距为0.5×(W1+S1),其中,W1是导电环的环宽,S1是下层或上层相邻导电环之间的间距。 
其中,在5个导电环中,除了几何中心抽头所在的导电环(也就是上层的内导电环15)外,其余4个导电环各自均被分割为2个半环,即上层的外导电环被分割为半环11与12、中间的导电环被分割为半环13与14、内导电环15左侧呈开口状,即:环的部分不与环的另一部分面对面,且具有两个连接点;下层的外导电环被分割为半环21与22、内导电环被分割为半环23与24。优选地,各导电环均沿对称轴被分割为对称的2个半环。 
每一个半环均通过交叉导电孔对电气连接其他层的半环,相邻两交叉导电孔形成孔对,由此,五个导电环使用4对交叉导电孔对串联形成一个绕组,即:半环11和12右侧的两端点与半环21和22右侧的两端点通过1对交叉导电孔对电气连接;半环13和14右侧的两端点与半环23和24右侧的两端点通过1对交叉导电孔对电气连接;半环13和14左侧的两端点与半环21和22左侧的两端点通过1对交叉导电孔对电气连接;导电环15的两端点与半环23和24左侧的两端点通过1对交叉导电孔对电气连接;从而,电流每流经半个环便转入另一层的半个环,即由端电极111接入的电流流经半环11后经过交叉导电孔流入下层的半环22,接着再经过交叉导电孔重返上层的半环13,接着依次流经半环24、15、23、14、21、12后,由端电极121流出。该绕组可用于制作电感等。 
其中,交叉导电孔对的宽度优选不超过导电环的环宽,两种优选交叉导电孔对的结构示意图如图2a及2b所示。 
应该注意的是,由于导电环的数目为奇数,所述中心抽头位于上层的内环路中,并与端电极相对;若导电环的数目为偶数,则中心抽头将位于下层的内环路中并与端电极在同一侧。 
实施例二: 
如图3所示,该线圈包括4层,每一层均有2个不同尺寸的正八边形导电环,同一层相邻导电环的间距相同,由图3中可见,最上层的导电环的几何中心与第二层导电环的几何中心空间不对准,即:最上层的导电环的几何中心在第二层的正投影点与第二层的导电环的几何中心不重叠,两者的间距优选不超过0.5×(W2+S2),最下层的导电环的几何中心在第三层的正投影点与第三层的导电环的几何中心也不重叠,两者的间距为 0.5×(W2+S2),其中W2是导电环的环宽,S2是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。 
该线圈的每一导电环同样均沿对称轴被分为2个半环,每个半环通过交叉导电孔对电气连接另一层相应的半环,由此形成一个绕组,端电极由最上层的外导电环的两个半环段的端点引出,中心抽头位于最底层的外环中。该绕组可用于制作电感。 
实施例三: 
请参见图4,该线圈包括3层,上层与下层均有2个正八边形导电环,中间层有3个正八边形导电环,最上层导电环的几何中心与中间层导电环的几何中心空间不对准,即:最上层的导电环的几何中心在中间层的正投影点与中间层的导电环的几何中心也不重叠、最下层的导电环的几何中心在中间层的正投影点与中间层的导电环的几何中心也不重叠。顶层的内导电环的中心与顶层的一个外导电环中心的距离不超过0.5×(W3+S3),其中W3是导电环的环宽,S3是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。 
该线圈的每一导电环同样均沿对称轴被分为2个半环,每个半环通过交叉导电孔电气连接另一层相应的半环,由此形成一个绕组,端电极由最上层的外导电环的两个半环段的端点引出,中心抽头位于最底层的内环中。该绕组可用于制作电感。 
实施例四: 
如图5所示,该线圈包括上下两层,上层有4个导电环、下层有5个导电环,上层同一导电环部分环段的环宽为W11、另一部分环段的环宽为W12,下层导电环部分环段的环宽为W11、另一部分环段的环宽为W13。上层导电环的几何中心在下层的正投影点与下层导电环的几何中心的间距为0.5×(W11+S11),其中,S11为位于同一层的相邻导电环之间的间距。 
该线圈的每一导电环同样均沿对称轴被分为2个半环,每个半环通过交叉导电孔电气连接另一层相应的半环,由此形成一个绕组,端电极由下层的外导电环的两个半环段的端点引出,中心抽头位于下层的内环中。该绕组可用于制作电感等。 
需要说明的是,本领域技术人员基于本实施例所述应该理解,本实施例仅仅只是列示,而非对本发明的限制,事实上,导电环的形状也可为其他形状,例如,为具有至少一条对称轴的形状等;再有,导电环的层数也不限于2层或4层,其他层数,例如3层也是可以使用的。 
由上述各实施例可见,本发明的一种用作电感的线圈,具有下述优点: 
i、通过使用具有至少一条对称轴的导电环,优选为正八边形导电环,可使得电感的 品质因数(即Q值)大大提高。 
ii.通过采用交叉导电孔对互连方式,可使得线圈占用的面积减小,有利于提高面积利用率。 
iii.由于导电环形状是几何对称的,且任意一端电极接入的信号每半匝都会对称地改变一次导电层,由此所形成的具有两个端电极的绕组是一个理想互逆2端口网络,也就是,两端电极的等效输入阻抗相等。 
iv.由于不同层的导电环的几何中心在空间上并不完全对准,即:一层导电环的几何中心在其相邻层的正投影点与该相邻层的几何中心之间的间距为0.5×(W+S),因此可有效减少对应导电环间的寄生耦合电容,进而使电感的自我谐振频率提高。 
进而,本领域技术人员基于前述各实施例所述,应该理解,上述所示的各实施例仅仅只是列示,而非对本发明的限制,事实上,任何具有以下特征的线圈,均包含在本发明的范围内,即: 
多层、每一层有至少一个导电环、各导电环成嵌套状,除了绕组的中心抽头所在的导电环外,其余各导电环各自沿对称轴被分割为2个环段,每一环段通过交叉导电孔对电气连接其他层的相应环段,由此形成1个绕组;且至少有一层的导电环或环段的几何中心与至少一个其相邻层的导电环或环段的几何中心空间不对准,该导电环或环段的几何中心在该不对准的相邻层的正投影点与其相邻层的导电环的几何中心的间距为0.5×(W+S),其中,W是导电环的环宽,S是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。 
实施例五: 
如图7所示,该线圈包括2层,每一层包括2个导电环,层1(上层)的导电环的几何中心在层2(下层)的正投影点与层2导电环的几何中心之间的间距为0.5×(W4+S4),其中W4是导电环的环宽,S4是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距;其中,层1的两导电环的上部通过交叉横桥电气连接,层2的两导电环的上部也通过交叉横桥电气连接,层1的内导电环通过1对交叉导电孔对电气连接层2的外导电环,中心抽头位于层2的内导电环中,由此形成1个绕组,该线圈可用于制作电感。 
其中,交叉横桥的结构与图6相同。 
实施例六: 
如图8所示,该线圈包括2层,上层包括3个导电环,下层包括2个导电环,下层的导电环的几何中心在下层的正投影点与下层导电环的几何中心之间的间距不超过0.5× (W5+S5),其中W5是导电环的环宽,S5是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距;其中,上层的外导电环与中间导电环通过交叉横桥B1电气连接、中间导电环与内导电环也通过交叉横桥B2电气连接,下层的两导电环的下部也通过交叉横桥B3电气连接,上层1的内导电环通过1对交叉导电孔对电气连接下层的内导电环,中心抽头位于下层的外导电环中,由此形成1个绕组,该线圈可用作电感。 
其中,交叉横桥B2及B3的结构如图9a所示,交叉横桥B1的结构如图9b所示。 
优选的,所述交叉导电孔对具有和图2a或2b中所示出的结构相同的结构。 
需要说明的是,本领域技术人员应该理解,上述两实施例仅仅只是列示,而非对本发明的限制,事实上,任何具有以下特征的线圈,均包含在本发明的范围内,即: 
具有多层的线圈,每一层有至少一个导电环、各导电环成嵌套状,同一层中的导电环通过交叉横桥电气连接,不同层的导电环通过交叉导电孔对电气连接;在空间不对准的相邻两层中,一层的导电环的几何中心在其相邻层的正投影点与另一层导电环的几何中心之间的间距不超过0.5×(W+S),其中W是导电环的环宽,S是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。 
实施例七: 
如图10a所示,该线圈包括2个导电层,上层有2个正八边形导电环,下层有1个正八边形导电环。 
其中,除了上层的内导电环之外,其余2个导电环均被均分为6个环段,每一环段都通过交叉导电孔连接另一层的相应环段,由此3个导电环电气连接成匝数比为1:1:1的3个绕组,而且,属于一个绕组的上层的三分之一个环的中心几何中心与属于该绕组的下层的另一个三分之一个环的中心几何中心沿对称轴空间不对称。 
其中,该3个绕组的两端电极均在上层的外导电环,且都为相邻两环段的相邻端;而且,3个绕组各自的中心抽头所在的导电环均在上层的内导电环。 
显然,在每一个绕组中,由端电极接入的电流每经过六分之一个导电环后交替地从一层转入另一层的六分之一个导电环。该线圈可用作变压器等。 
实施例八: 
如图11a所示,该线圈包含2层,上层与下层均有3个正八边形导电环。 
其中,除了下层的内导电环之外,其余5个导电环均被均分为4个环段,每一环段都通过交叉导电孔连接另一层的另一个环段,由此形成匝数比为1:1的2个绕组,该2 个绕组的端电极均在上层的外导电环;显然,在每一个绕组中,由端电极接入的电流每经过四分之一个导电环后交替地从一层转入另一层的导电环;而且,属于一个绕组的各半环中,上层的半环的几何中心在下层的正投影点与下层的半环的几何中心之间的间距为0.5×(W6+S6),W6为导电环的环宽、S6为同一相邻两导电环的间距。 
由上述各实施例可见,本发明用作变压器的线圈,具有下述优点: 
i.由于构成各绕组的环段在空间上相互交叠,有效提高了各个绕组之间的磁场耦合度。 
ii.各导电环具有多条对称轴,优选为正八边形,有效提高了各个绕组的Q值。 
iii.采用交叉导电孔对来连接不同层的导电环,可有效减小绕组所占据的基片面积,从而可提高基片面积的利用率。 
iv.由于各个绕组的形状几何对称,且每一个绕组的任意一个端电极接入的电流每流经一环段后便从一层交替地转入另一层的相应的环段,由此每一个绕组都是一理想互逆2端口网络。 
基于上述所述,可采用半导体工艺在半导体基片上形成前述各线圈,各层之间设置介质层、并在每一层的导电环之间填充介质材料以便各导电环相互电气隔离,此外,也可采用PCB工艺在PCB板上形成前述各线圈,各导电环通过介质材料相互隔离。 
优选地,在制备时,若某一层的方块电阻小于其他层,则该层的导电环数目不小于其他层的导电环数目。优选的,在制备时,若某一层的方块电阻不同于其他层的方块电阻,那么具有最小方块电阻的层被用于形成包括最多数目导电环的绕组。 
以下将以图7及图8所示的线圈为例,通过电路理论来分析本发明的线圈的寄生耦合电容,以进一步说明本发明的线圈的优点: 
如图12所示,有两理想导电线(conductive lines)被面对面设置(为了表述清楚,将导线以平板形式示出),所述导线被介质材料相互隔离,所述介质材料厚度为s,介电常数为ε,且每根导线长度为L/2。每根导线的宽度为W。理想情形下,导电线的电阻分布均衡,由此,若该两导电线的右端是连接的,且为串联的;两根导线的左端的压差为1V,两根导线的右端的压差为0V,则在沿x轴任意位置点x之间的差分电压与位置x的函数可表示为: 
V ( x ) = ( - 2 · x L + 1 )
进而,长度为dx的两段的电容为:进而该由导线所存储的电能Ec0可以表 示为: 
Ec 0 = 1 2 · C EQ 0 · V 2 = 1 2 · ∫ 0 L / 2 dC · V ( x ) 2 ; 或者 
Ec 0 = 1 2 · ϵ · W s · L 6
那么,所述等效电容CEQ0可以表示为: 
C EQ 0 = ϵ · W s · L 6 ~ 0.33 · C 0 ;
其中,C0为当导电线右端开路时两导电线的极电容的电容值: 
C 0 = ϵ · W s · L 2 .
基于上述所述,假设如图13中所示出的电感器绕组中,上层和下层导电环的几何中心是空间对准的,并假设内导电环和外导电环具有理想的相同的长度。当电压1V被施加至所述电感器绕组时,上层的外导电环的部分和下层的外导电环的部分之间的差分电压是恒定的,且等于0.75V,且所述上层的内导电环的部分和下层的内导电环的部分之间的差分电压是恒定的,且等于0.25V。 
所述电感器绕组中存储的,且涉及两相邻层的电能可以被近似表述为(通过形成嵌套状结构的环中所存储的电能没有考虑,因为分离距离可能变化): 
Ec 1 ~ 1 2 · C 1 · 0.75 2 + 1 2 · C 1 · 0.25 2
C 1 = ϵ · W s · L 2 ;
其中,W为环的宽度,L为散开的绕组的长度,s为上层的外导电环与下层的外导电环的分离距离,也就是上层的内导电环与下层的内导电环的间距,由此,等效电容CEQ12(即寄生耦合电容)近似为:CEQ1~0.56·C1。 
而本发明图7所示的线圈,由于层1的导电环几何中心与层2的导电环几何中心不对准, 
从而层1的外导电环与层2的外导电环的压差降至0.25,可见,相较于图13所示的对准结构,本发明的线圈的寄生耦合电容明显减低,从而线圈的自我谐振频率明显提高,有效改善了线圈的性能; 
其中,Ls为电感器绕组的电感值,而Cp为包括了面对面的环以及位于同一层的相邻环的总电容。 
同样,对于图8所示的线圈,由于上层与下层相应的导电环间的压差为0.2V。与上层环的中心与下层环的中心空间对准的五环的电感器绕组相比较,耦合电容明显降低。 
优选的,在制备时,若某一电感层的方块电阻不同于其他层的方块电阻,那么具有最 小方块电阻的层被用于形成包括最多数目导电环的绕组。 
综上所述,本发明的线圈采用各层的导电环不对准的方式,可实现在每一层设置一个或多个整环,而且,各层之间的导电环采用交叉导电孔对来互连,由此在获得高Q值的线圈的同时,有效提高基片的面积利用率、并减小寄生耦合电容等。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (12)

1.一种线圈,其特征在于,所述线圈至少包括:
多层导电层,每一导电层包括至少一个导电环;所述导电环均电气连接形成绕组;且至少有一层的导电环或环段的几何中心与至少一其他层的导电环或环段的几何中心在空间上互不对准。
2.根据权利要求1所述的线圈,其特征在于:当各层的导电环成嵌套状时,在空间上互不对准的相邻两层中,其中一层的导电环的几何中心在所述空间不对准的相邻层的正投影点与该相邻层的导电环的几何中心之间的间距为0.5×(W+S),其中W是导电环的环宽,S是同一层相邻成嵌套状的两导电环的间距。
3.根据权利要求1或2所述的线圈,其特征在于:除了绕组的中心抽头所在的导电环外,其余各导电环各自沿对称轴被分割为2N个环段,每一环段通过交叉导电孔电气连接自身之外的其他层的另一环段,以形成N个绕组,N为大于或等于1的整数。
4.根据权利要求3所述的线圈,其特征在于:相邻两交叉导电孔构成的孔对的宽度不超过导电环的宽度。
5.根据权利要求2所述的线圈,其特征在于:同一层中的导电环通过交叉横桥电气连接,不同层的导电环通过1对交叉导电孔对电气连接。
6.根据权利要求2或3或4所述的线圈,其特征在于:每一绕组的端电极由同一导电环的两相邻环段的相邻端引出。
7.根据权利要求6所述的线圈,其特征在于:多个绕组的端电极均属于同一导电环。
8.根据权利要求5所述的线圈,其特征在于:交叉导电孔对的宽度不超过导电环的宽度。
9.根据权利要求1所述的线圈,其特征在于:导电环为正多边形、椭圆形或圆形。
10.根据权利要求1所述的线圈,其特征在于:同一导电环不同部分的环段的环宽不完全相同。
11.一种用于制备线圈的方法,其特征在于,所述用于制备线圈的方法至少包括:
在基底上形成权利要求1至10任一项所述的线圈,其中,各导电环通过介质材料相互隔离。
12.根据权利要求11所述的用于制备线圈的方法,其特征在于:所述基底包括半导体基底或PCB板。
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