CN107293393B - 片上变压器巴伦 - Google Patents

Abstract

一种片上变压器巴伦，包括：匝数为N的初级线圈，初级线圈的第一、二端子均位于最外匝绕线上，使得初级线圈的绕线存在N‑1个交叠区，初级线圈包括沿绕制方向交错设置的若干第一金属线和若干连接桥，所有第一金属线位于同一平面上，连接桥位于平面下方，在交叠区连接桥与第一金属线电连接，连接桥的上表面被平面下方的介电层覆盖，N大于或等于2；位于平面上的匝数为M的次级线圈，次级线圈的绕线位于初级线圈的相邻两匝绕线之间。本方案的片上变压器巴伦的耦合系数较大，能量损耗较小，初、次级线圈的圈数较大，制造工艺成本低。

Description

片上变压器巴伦

技术领域

本发明涉及片上无源器件技术领域，特别是涉及一种片上变压器巴伦(balon)。

背景技术

常见的巴伦有高频开路式、抵消式和变压器式。其中：高频开路式巴伦工作带宽窄；抵消式巴伦频带较宽，但使用大功率时受磁环磁饱和限制；而片上变压器巴伦主要是通过高频变压器实现平衡-不平衡转换。

如图1所示，现有一种片上变压器巴伦包括初级线圈1和次级线圈2，在初级线圈1、次级线圈2的轴向X上，初级线圈1与次级线圈2间隔设置，且两者之间被介电层(未图示)隔开。

上述现有片上变压器巴伦的缺点在于：初级线圈1与次级线圈2在轴向X上间隔设置，导致片上变压器巴伦的耦合系数较小、能量损耗较大。另外，初级线圈1和次级线圈2均包括一匝绕线，初级线圈1与次级线圈2之间的圈数比为1，圈数比较小。再者，初级线圈1与次级线圈2的绕线均采用厚金属，需利用两层厚金属工艺来形成初级线圈1与次级线圈2，导致片上变压器巴伦的制造工艺成本较高。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有片上变压器巴伦的耦合系数较小、能量损耗较大。

本发明要解决的另一问题是：现有片上变压器巴伦的初级线圈与次级线圈之间的圈数比较小。

本发明要解决的又一问题是：现有片上变压器巴伦的制造工艺成本较高。

为解决上述问题，本发明提供了一种片上变压器巴伦，包括：匝数为N的初级线圈，所述初级线圈的第一、二端子均位于最外匝绕线上，使得所述初级线圈的绕线存在N-1个交叠区，所述初级线圈包括沿绕制方向交错设置的若干第一金属线和若干连接桥，所有所述第一金属线位于同一平面上，所述连接桥位于所述平面下方，在所述交叠区所述连接桥与所述第一金属线电连接，所述连接桥的上表面被所述平面下方的介电层覆盖，N大于或等于2；位于所述平面上的匝数为M的次级线圈，所述次级线圈的绕线位于所述初级线圈的相邻两匝绕线之间。

可选地，M等于1。

可选地，所述次级线圈的绕线包括两匝以上的第二金属线，所有所述第二金属线并联电连接，并沿所述次级线圈的径向间隔设置。

可选地，在径向上相邻的两匝所述第二金属线之间设有所述初级线圈的一匝绕线。

可选地，所述次级线圈具有：第三、四端子，以及位于所述平面上的中心抽头，所述中心抽头与所述次级线圈的绕线电连接；

所述片上变压器巴伦还包括：第一、二、三电容；

所述第一电容的两端分别与所述第一、二端子电连接；

所述第二电容的两端分别与所述第三端子、中心抽头电连接；

所述第三电容的两端分别与所述第四端子、中心抽头电连接。

可选地，所述第一金属线、次级线圈的绕线均为厚金属，所述厚金属的厚度大于或等于1微米。

可选地，所述初级线圈的绕线与次级线圈的绕线在径向上均匀交错排列。

可选地，所述片上变压器巴伦为轴对称结构。

可选地，所述连接桥通过所述介电层内的互连结构与所述第一金属线电连接。

可选地，所述初级线圈的绕线、次级线圈的绕线均按照方形、八角形或圆形绕制。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

次级线圈与初级线圈的第一金属线位于同一平面上，次级线圈的绕线位于初级线圈的相邻两匝绕线之间，增强了初、次级线圈之间的电磁场耦合，提高了片上变压器巴伦的耦合系数，减少了片上变压器巴伦的能量损耗。

进一步地，次级线圈的绕线匝数为1，片上变压器巴伦的初、次级线圈之间的圈数比大于或等于2，实现了在提高片上变压器巴伦的耦合系数的同时，提高了圈数比。

进一步地，次级线圈的绕线包括两匝以上的第二金属线，所有第二金属线并联电连接，并沿次级线圈的径向间隔设置，使得次级线圈中的绕线等效为一匝，在保证片上变压器巴伦的初、次级线圈具备较大的圈数比的同时，进一步增强了初、次级线圈之间的电磁场耦合，从而进一步提高了片上变压器巴伦的耦合系数、减少了片上变压器巴伦的能量损耗。

进一步地，次级线圈与初级线圈的第一金属线均为厚金属，不仅减少了片上变压器巴伦的能量损耗，还可以在同一步骤中形成次级线圈与初级线圈的第一金属线，降低了片上变压器巴伦的制造工艺成本。

附图说明

图1是现有一种片上变压器巴伦的立体图；

图2是本发明的第一实施例中片上变压器巴伦的平面示意图；

图3是图2所示片上变压器巴伦沿A-A方向的剖面图；

图4是本发明的第二实施例中片上变压器巴伦的平面示意图；

图5是图4沿D-D方向的局部剖面图；

图6是本发明的第三实施例中片上变压器巴伦的简化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

第一实施例

如图2所示，本实施例所提供的片上变压器巴伦包括初级线圈10和次级线圈20。其中，初级线圈10包括N匝绕线11，N大于或等于2，次级线圈20包括M匝绕线21，片上变压器巴伦的初级线圈10与次级线圈20之间的圈数比为N：M。

在本实施例中，以N等于2、M等于1为例。初级线圈10与次级线圈20之间的圈数比为2：1，相对于现有片上变压器巴伦，本实施例的片上变压器巴伦提高了圈数比。

初级线圈10的第一端子12、第二端子13均位于最外匝绕线11上，使得初级线圈10的N匝绕线11存在N-1个交叠区Q(图中双点划线椭圆位置所示)。在本发明中，所谓交叠区Q是指：初级线圈10中绕线11的两个局部部位在一投影面上的投影重合，所述投影平面与初级线圈10的轴向(即垂直于图2所在的纸面方向)垂直，所述局部部位所在的位置即为交叠区Q。在本实施例中，初级线圈10中交叠区Q的数量为一个。

初级线圈10包括电连接的若干第一金属线110和若干连接桥111，所有第一金属线110、连接桥111沿绕制方向B交错设置，即，在绕制方向B上任意相邻的两个第一金属线110之间均设有一连接桥111，且相邻的两个第一金属线110中，一个第一金属线110的端部与连接桥111的一个端部电连接，另一个第一金属线110的端部与连接桥111的另一个端部电连接。在图2中，由于连接桥111被遮挡住故用虚线示意。在本实施例中，初级线圈10中第一金属线110的数量为两个，连接桥111的数量为一个。

结合图2至图3所示，所有第一金属线110位于同一平面上，连接桥111位于所述平面下方。在交叠区Q连接桥111与第一金属线110电连接。连接桥111的上表面S被所述平面下方的介电层40覆盖，使得初级线圈10在垂直于所述平面的方向C上与连接桥111交叠的部位与连接桥111之间被介电层40隔开，以避免位于交叠区Q的所述部位因与连接桥111接触而致短路，介电层40位于半导体衬底30上。在本发明的技术方案中，所谓上表面S是指连接桥111在方向C上面向第一金属线110的表面。

在本实施例中，所有连接桥111均位于交叠区Q并与第一金属线110电连接。在本实施例的变换例中，部分连接桥111位于交叠区Q，部分连接桥111位于交叠区Q以外的区域。

在本实施例中，第一端子12所在的第一金属线110(图3中自左至右的方向上第三个标号110所指)的局部部位也位于交叠区Q，其余第一金属线110位于交叠区Q以外的区域。第一金属线110中位于交叠区Q的所述局部部位与连接桥111之间被介电层40隔开。

初级线圈10中所有第一金属线110位于同一平面上，次级线圈20与初级线圈10的第一金属线110位于同一平面上，次级线圈20的绕线21位于初级线圈10的相邻两匝绕线11之间，增强了次级线圈20与初级线圈10之间的电磁场耦合，提高了片上变压器巴伦的耦合系数，减少了片上变压器巴伦的能量损耗。

连接桥111通过介电层40内的互连结构与第一金属线110电连接，第一金属线110为在绕制方向B上与连接桥111相邻的任一第一金属线110。在本实施例中，所述互连结构包括两个以上的导电插塞112以及一个以上的第三金属线113，所有导电插塞112、第三金属线113在方向C上依次设置，且第三金属线113在方向C上位于相邻两个导电插塞112之间。在图3中，所述互连结构以两个导电插塞112以及一个第三金属线113为例。

在本实施例的变换例中，所述互连结构没有第三金属线113，仅有导电插塞112，使得连接桥111直接通过导电插塞112与第一金属线110电连接。

如图2所示，次级线圈20具有中心抽头22、第三端子23以及第四端子24。中心抽头22与次级线圈20的绕线21电连接，并与绕线21位于同一平面上。在本实施例中，第三端子23以及第四端子24位于初级线圈10的最外匝绕线11内。其中，中心抽头22用于与电源电连接，第三端子23以及第四端子24用于与电子元件电连接。

在本实施例中，第一端子12用于与天线电连接，第二端子13用于接地，第三端子23以及第四端子24用于与功率放大器电连接，以接收所述功率放大器输出的差分信号，这样一来，片上变压器巴伦能够将功率放大器输出的差分信号变换为天线的单端输出。在其它实施例中，第三端子23以及第四端子24也可以用于与低噪声放大器电连接。当然，根据片上变压器巴伦的应用不同，第三端子23以及第四端子24也可以与其它种类的电子元件电连接。

在本实施例中，所述片上变压器巴伦还包括在第三端子23的下方与第三端子23电连接的第一接线25，以及在第四端子24的下方与第四端子24电连接的第二接线26，第三端子23以及第四端子24通过第一接线25、第二接线26与所述电子元件电连接。在图2中，由于第一接线25、第二接线26被遮挡住故用虚线示意。

结合图2至图3所示，第一接线25与第二接线26在方向C上均与初级线圈10的第一金属线110交叠，且第一接线25与第一金属线110之间、第二接线26与第一金属线110之间均被介电层40隔开，以防止两者因接触而致短路。

第二接线26通过介电层40内的互连结构与绕线21的第四端子24电连接。在本实施例中，所述互连结构包括两个以上的导电插塞27以及一个以上的第四金属线28，所有导电插塞27、第四金属线28在方向C上依次设置，且第四金属线28在方向C上位于相邻两个导电插塞27之间。在图3中，所述互连结构以两个导电插塞27以及一个第四金属线28为例。需说明的是，虽然在图3中，第二接线26与连接桥111位于同一平面上，但在本发明的技术方案中，对第二接线26与连接桥111在方向C上的相对位置并没有限制。

在本实施例的变换例中，所述互连结构没有第四金属线28，仅有导电插塞27，使得第二接线26直接通过导电插塞27与绕线21电连接。

第一接线25与绕线21的第三端子23电连接的实现方式参考第二接线26与第四端子24的电连接，在此不再赘述。

在本实施例中，第一金属线110、连接桥111、第三金属线113、绕线21、中心抽头22、第四金属线28、第一接线25、第二接线26均利用金属互连线的制造工艺形成，各个线的材料为铜、铝等。

在本实施例中，第一金属线110、绕线21、中心抽头22均为厚金属，所述厚金属的厚度大于或等于1微米，连接桥111、第三金属线113、第四金属线28、第一接线25、第二接线26的厚度均小于第一金属线110的厚度，以引入尽量小的能量损耗。在具体实施例中，连接桥111、第三金属线113、第四金属线28、第一接线25、第二接线26的厚度均为零点几微米。通过设置为所述厚金属，能够减小初级线圈10的绕线11、次级线圈20的绕线21的电阻，从而减少了片上变压器巴伦的能量损耗。另外，根据前面所述可知，初级线圈10的第一金属线110、次级线圈20的绕线21位于同一平面上，两者可以在同一步骤中形成，与现有变速器巴伦相比，本实施例的变速器巴伦的制造工艺成本降低。

在本实施例中，初级线圈10的绕线11与次级线圈20的绕线21在径向上均匀交错排列，这样设置的好处在于：使寄生电容以及磁力线均匀分布，实现更好的平衡性。

在本实施例中，片上变压器巴伦为轴对称结构，其关于平面O对称，平面O与方向C平行并位于第一端子12与第二端子13之间，以将与次级线圈20电连接的电子元件输出的差分信号变换为与第一端子12电连接的天线的单端输出。

在本实施例中，初级线圈10的绕线11、次级线圈20的绕线21均按照方形绕制，以获得对称结构的片上变压器巴伦。

需说明的是，在本发明的技术方案中，对初级线圈10的绕线11、次级线圈20的绕线21的绕制形状并没有限制要求，在其它实施例中，初级线圈10的绕线11、次级线圈20的绕线21也可以按照八角形、圆形来绕制。

在本实施例中，介电层40为低K介电层。在具体实施例中，介电层40为氧化硅。在其它实施例中，介电层40也可以采用其它的低K介电层材料或高K介电层或超高K介电层。

在本实施例中，半导体衬底30为硅衬底。在其它实施例中，半导体衬底30也可以采用其它种类的衬底材料，如绝缘体上硅(SOI)衬底。

第二实施例

第二实施例与第一实施例之间的区别在于：初级线圈的匝数以及次级线圈的构造。

结合图4至图5所示，在本实施例中，初级线圈10的匝数N为3，初级线圈10中交叠区Q的数量为两个，初级线圈10中第一金属线110的数量为五个，连接桥111的数量为四个。其中两个连接桥111在其中一个交叠区Q交叠，且所述其中两个连接桥111之间被介电层40隔开。另外两个连接桥111在另一个交叠区Q交叠，且所述另外两个连接桥111之间被介电层40隔开。

在本实施例的变换例中，初级线圈10中第一金属线110的数量为四个，连接桥111的数量为三个。其中两个连接桥111在其中一个交叠区Q交叠，且所述其中两个连接桥111之间被介电层40隔开。与第一实施例相同的是，第一端子12所在的第一金属线110的局部部位也位于其中一个交叠区Q，第三个连接桥111与第一金属线110中位于交叠区Q的所述局部部位之间被介电层40隔开。

在本实施例中，次级线圈20的绕线21包括两匝第二金属线210，所有第二金属线210并联电连接，并沿次级线圈20的径向间隔设置，使得次级线圈20中的绕线21等效为一匝，片上变压器巴伦的初级线圈10与次级线圈20的圈数比为3。与第一实施例相比，本实施例片上变压器巴伦的圈数比提高了。另外，由于绕线21包括两匝第二金属线210，与第一实施例相比，本实施例片上变压器巴伦进一步增强了次级线圈20与初级线圈10之间的电磁场耦合，进一步提高了片上变压器巴伦的耦合系数，进一步减少了片上变压器巴伦的能量损耗。

进一步地，在本实施例中，在径向上相邻的两匝第二金属线210之间设有初级线圈10的一匝绕线11，使得次级线圈20的每匝第二金属线210与初级线圈10的每匝绕线11在径向上交错设置，从而进一步增强了次级线圈20与初级线圈10之间的电磁场耦合。

在本实施例的变换例中，次级线圈20中第二金属线210也可以为三匝以上，且所有第二金属线210并联。在这种情况下，次级线圈20中绕线21的匝数仍然可以等效为一匝。

第三实施例

第三实施例与第一实施例之间的区别在于：在第三实施例中，如图6所示，片上变压器巴伦还包括第一电容30、第二电容31以及第三电容32。其中，第一电容30的两端分别与初级线圈10的第一端子12、第二端子13电连接，第二电容31的两端分别与次级线圈20的第三端子23、中心抽头22电连接，第三电容32的两端分别与次级线圈20的第四端子24、中心抽头22电连接。

第一电容30与初级线圈10谐振，第二电容31、第三电容32与次级线圈20谐振，通过调整第一电容30、第二电容31以及第三电容32的电容值，能够得到不同频带的片上变压器巴伦。

需说明的是，在本发明的技术方案中，初级线圈、次级线圈的绕线匝数并不应局限于所给实施例，例如，初级线圈的匝数还可以为4、5等。根据片上变压器巴伦的应用要求，可以对初级线圈、次级线圈的绕线匝数进行相应地调整，以获得设定的圈数比。当初级线圈的绕线匝数发生变化时，初级线圈中第一金属线、连接桥的数量应根据上述实施例所给出的启示作出相应的调整。

本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同部分可以参照前述实施例。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种片上变压器巴伦，其特征在于，包括：

匝数为N的初级线圈，所述初级线圈的第一、二端子均位于最外匝绕线上，使得所述初级线圈的绕线存在N-1个交叠区，所述初级线圈包括沿绕制方向交错设置的若干第一金属线和若干连接桥，所有所述第一金属线位于同一平面上，所述连接桥位于所述平面下方，在所述交叠区所述连接桥与所述第一金属线电连接，所述连接桥的上表面被所述平面下方的介电层覆盖，N大于或等于2；

位于所述平面上的匝数为M的次级线圈，所述次级线圈的绕线位于所述初级线圈的相邻两匝绕线之间；

所述次级线圈具有：第三、四端子，以及位于所述平面上的中心抽头，所述中心抽头与所述次级线圈的绕线电连接；

所述片上变压器巴伦还包括：第一、二、三电容；

所述第一电容的两端分别与所述第一、二端子电连接；

所述第二电容的两端分别与所述第三端子、中心抽头电连接；

所述第三电容的两端分别与所述第四端子、中心抽头电连接；

通过调整第一电容、第二电容以及第三电容的电容值，得到不同频带的片上变压器巴伦。

2.如权利要求1所述的片上变压器巴伦，其特征在于，M等于1。

3.如权利要求2所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述次级线圈的绕线包括两匝以上的第二金属线，所有所述第二金属线并联电连接，并沿所述次级线圈的径向间隔设置。

4.如权利要求3所述的片上变压器巴伦，其特征在于，在径向上相邻的两匝所述第二金属线之间设有所述初级线圈的一匝绕线。

5.如权利要求1所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述第一金属线、次级线圈的绕线均为厚金属，所述厚金属的厚度大于或等于1微米。

6.如权利要求1至5任一项所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述初级线圈的绕线与次级线圈的绕线在径向上均匀交错排列。

7.如权利要求1至5任一项所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述片上变压器巴伦为轴对称结构。

8.如权利要求1至5任一项所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述连接桥通过所述介电层内的互连结构与所述第一金属线电连接。

9.如权利要求1至5任一项所述的片上变压器巴伦，其特征在于，所述初级线圈的绕线、次级线圈的绕线均按照方形、八角形或圆形绕制。