CN108022913B - 变压器 - Google Patents

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Abstract

一种变压器，包括：衬底；第一线圈结构，包括：第一单层线圈以及第一叠层线圈；第二线圈结构，包括：第二单层线圈以及第二叠层线圈。本发明技术方案可以通过垂直所述衬底表面方向上，所述第一单层线圈和所述第二单层线圈之间实现。所以本发明技术方案能够有效的增加所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间电磁耦合的面积，从而提供电磁耦合效率。在相同的耦合要求情况下，本发明技术方案可以减少所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈的数量，从而能够有效的减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器面积。

Description

变压器
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种变压器。
背景技术
在CMOS射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit,RFIC)中，平衡-不平衡变压器(balun)是一种重要的电学器件，主要用于实现不平衡信号和平衡信号之间的转换。
电感是平衡-不平衡变压器的一个核心部件，电感的性能参数与不平衡变压器的性能直接相关。现有技术中，集成电路内的电感大多采用平面电感，例如平面螺旋电感；所述平面电感为金属导线在衬底或介质层表面绕制而成，与传统线绕电感相比，平面电感具有成本低、易于集成、噪声小以及功耗低的优点。更重要的是，平面电感能够与现有的集成电路工艺兼容。
电感品质因子Q和插入损耗(Insertion Loss,IL)是影响平衡-不平衡变压器性能的两大主要因素。与射频前端电路中的平衡混频器、放大器相关的限位噪声、功率损耗等性能都与电感品质因子Q、插入损耗相关。
为了提高电感品质因子Q、降低插入损耗，现有技术中，平衡-不平衡变压器内线圈的面积一般较大，从而造成了平衡-不平衡变压器内线圈占用晶圆面积较大。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种变压器，以减小变压器面积。
为解决上述问题，本发明提供一种变压器，包括：
衬底；位于所述衬底上呈螺旋形的第一线圈结构，包括：第一单层线圈以及与所述第一单层线圈相连的至少一个第一叠层线圈，所述第一叠层线圈包围所述第一单层线圈；位于所述衬底上呈螺旋形的第二线圈结构，包括：第二单层线圈，所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈在所述衬底表面的投影相重叠；以及与所述第二单层线圈相连的至少一个第二叠层线圈，所述第二叠层线圈的数量大于或等于所述第一叠层线圈的数量，且平行衬底表面平面内，所述第二叠层线圈与所述第一叠层线圈或第一单层线圈交替间隔设置。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案中，第一线圈结构包括第一单层线圈，第二线圈结构包括第二单层线圈；而且所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈在所述衬底表面投影相重叠。因此，本发明技术方案中，所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间的电磁耦合不仅通过平行衬底表面平面内的侧向实现，而且还可以通过垂直所述衬底表面方向上，所述第一单层线圈和所述第二单层线圈之间实现。所以本发明技术方案能够有效的增加所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间电磁耦合的面积，从而提供电磁耦合效率。在相同的耦合要求情况下，本发明技术方案可以减少所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈的数量，从而能够有效的减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器面积。
本发明可选方案中，所述第一上层金属线的线宽大于所述第一下层金属线，所述外侧第二上层金属线的线宽小于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽小于所述内侧第二下层金属线的线宽；或者，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽大于所述内侧第二下层金属线的线宽。因此所述第一叠层线圈和第二叠层线圈分别形成正“工”形和倒“工”形，所以所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈之间可以相错设置，从而减小所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈之间的间距，进而减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器的面积。
附图说明
图1是一种变压器的俯视结构示意图；
图2是图1中沿AA线的剖视结构示意图；
图3是本发明变压器一实施例的俯视结构示意图；
图4是图3中沿BB线的剖视结构示意图；
图5是图3所示实施例中差分线圈的俯视结构示意图；
图6是图3所示实施例中螺旋线圈的俯视结构示意图；
图7是图3所示变压器的插入损耗和频率的关系示意图；
图8是本发明变压器第二实施例的俯视结构示意图；
图9是图8所示实施例中差分线圈的俯视结构示意图；
图10是图8所示实施例中沿CC线的剖视结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术中的变压器存在面积过大的问题。现结合现有技术中变压器的结构分析其面积过大问题的原因：
参考图1和图2，示出了一种变压器的结构示意图，其中图1为所述变压器的俯视结构示意图，图2为图1中沿AA线的剖视图。
如图2所示，所述变压器包括衬底10，所述衬底10表面具有介质层10a；位于衬底10上呈螺旋形的第一线圈结构11a和呈螺旋形的第二线圈结构12a。所述变压器为平衡-不平衡变换器(Balance-unbalance,BALUN)，包括差分线圈(Differential coil)和螺旋线圈(Spiral coil)。所以第一线圈结构11a为差分线圈，所述第二线圈结构12a为螺旋线圈。需要说明的是，图1中未示出衬底10和介质层10a。
如图1所示，所述第一线圈结构11a包括至少一个第一叠层线圈11，所述第一叠层线圈11包括位于衬底10上的第一下层金属线11d；位于介质层10a上的第一上层金属线11u；以及位于所述第一下层金属线11d和所述第一上层金属线11u之间介质层10a内的第一导电插塞11ct。所述第一上层金属线11u在所述衬底10表面的投影与所述第一下层金属线11d在所述衬底10表面的投影相重叠，并且所述第一下层金属线11d和所述第一上层金属线11u通过所述第一导电插塞11ct实现并联。
所述第二线圈结构12a包括至少一个第二叠层线圈12，所述第二叠层线圈12包括位于衬底10上的第二下层金属线12d；位于介质层10a上的第二上层金属线12u；以及位于所述第二下层金属线12d和所述第二上层金属线12u之间介质层10a内的第二导电插塞12ct。所述第二下层金属线12d在所述衬底10表面的投影与所述第二上层金属线12u在所述衬底10表面的投影相重叠，并且所述第二下层金属线12d和所述第二上层金属线12u通过所述第二导电插塞12ct实现并联。
由于所述第一线圈结构11a中第一下层金属线11d和第一上层金属线11u之间相互并联；所述第二线圈结构12中第二下层金属线12d和第二上层金属线12u之间也相互并联，所以所述第一线圈结构11和第二线圈结构12之间的电磁耦合是通过所述第一下层金属线11d和第二下层金属线12d之间，以及所述第一上层金属线11u和所述第二上层金属线12u之间实现的，也就是说，所述第一线圈结构11和第二线圈结构12的电磁耦合是通过在平行衬底10平面内的侧向实现的，因此电磁耦合面积较小，耦合效率较低。所以为了实现同等电磁耦合效果，变压器中，第一线圈结构11和第二线圈结构12的匝数会随之增加，从而增大了变压器的面积。
为解决所述技术问题，本发明提供一种变压器，包括：
衬底；位于所述衬底上呈螺旋形的第一线圈结构，包括：第一单层线圈以及与所述第一单层线圈相连的至少一个第一叠层线圈，所述第一叠层线圈包围所述第一单层线圈；位于所述衬底上呈螺旋形的第二线圈结构，包括：第二单层线圈，所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈在所述衬底表面的投影相重叠；以及与所述第二单层线圈相连的至少一个第二叠层线圈，所述第二叠层线圈的数量大于或等于所述第一叠层线圈的数量，且平行衬底表面平面内，所述第二叠层线圈与所述第一叠层线圈或第一单层线圈交替间隔设置。
本发明技术方案中，第一线圈结构包括第一单层线圈，第二线圈结构包括第二单层线圈；而且所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈在所述衬底表面投影相重叠。因此，本发明技术方案中，所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间的电磁耦合不仅通过平行衬底表面平面内的侧向实现，而且还可以通过垂直所述衬底表面方向上，所述第一单层线圈和所述第二单层线圈之间实现。所以本发明技术方案能够有效的增加所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间电磁耦合的面积，从而提供电磁耦合效率。在相同的耦合要求情况下，本发明技术方案可以减少所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈的数量，从而能够有效的减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器面积。
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。
参考图3至图6，示出了本发明变压器第一实施例的结构示意图。
参考图3，结合参考图4，其中图3示出了本发明变压器一实施例的俯视结构示意图，图4示出了图3中沿BB线的剖视结构示意图。
如图3和图4所示，所述变压器包括：
衬底100(图4所示)；位于所述衬底100上呈螺旋形的第一线圈结构110，包括：第一单层线圈111以及与所述第一单层线圈111相连的至少一个第一叠层线圈112，所述第一叠层线圈112包围所述第一单层线圈111；位于所述衬底100上呈螺旋形的第二线圈结构120，包括：第二单层线圈121(如图4所示)，所述第二单层线圈121在所述衬底100表面的投影与所述第一单层线圈111在所述衬底100表面的投影相重叠；以及与所述第二单层线圈121相连的至少一个第二叠层线圈122，所述第二叠层线圈122的数量大于或等于所述第一叠层线圈112的数量，且平行衬底100表面平面内，所述第二叠层线圈122与所述第一叠层线圈112或第一单层线圈111交替间隔设置。
需要说明的是，本实施例中，所述变压器为平衡-不平衡变压器，所述第一线圈结构110为螺旋线圈，所述第二线圈结构120为差分线圈。本发明其他实施例中，所述第一线圈结构也可以为差分线圈，所述第二线圈结构也可以为螺旋线圈。
如图4所示，所述衬底100用于提供工艺操作平台。具体的，本实施例中，所述衬底100为单晶硅衬底。但是所述衬底100的材料还可以选自多晶硅或非晶硅。本发明其他实施例中，所述衬底也可以选自锗、砷化镓或锗硅等其他半导体材料。进一步，本发明另一些实施例中，所述衬底还可以是具有半导体结构的衬底，例如具有外延层或外延层上的硅结构等。
需要说明的是，本实施例中，所述变压器还包括：位于所述衬底100上的介质层101，以实现相邻半导体结构、导电材料之间的电隔离。
所述介质层101的材料可以选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低K介质材料(介电常数大于或等于2.5、小于3.9)或超低K介质材料(介电常数小于2.5)中的一种或多种组合。本实施例中，所述介质层101的材料为氧化硅。
需要说明的是，为了便于清晰显示所述变压器的内部结构，图3中省略了所述衬底100和所述介质层101。
所述第一线圈结构110为所述变压器的第一绕组；所述第二线圈结构120为所述变压器的第二绕组；所述变压器通过所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120之间发生电磁感应现象，从而实现变压功能。
如图4所示，所述第一线圈结构110中，所述第一单层线圈111位于所述介质层101上；所述第二线圈结构120中，所述第二单层线圈121位于衬底100上。也就是说，所述第二单层线圈121位于所述第一单层线圈111与所述衬底100之间的介质层101内。所述第一单层线圈111和所述第二单层线圈121之间通过所述介质层101实现电隔离。
由于所述第一单层线圈111用于构成所述第一线圈结构110，所述第二单层线圈121用于构成所述第二线圈结构120，所以所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120之间，通过所述第一单层线圈111和所述第二单层线圈121，可以在垂直衬底100表面的方向上实现电磁耦合。而且所述第一单层线圈111和所述第二单层线圈121在所述衬底100表面的投影相重叠，所以与平行衬底100表面方向上的电磁耦合相比，在垂直衬底100表面的方向上，所述第一单层线圈111和所述第二单层线圈121之间实现电磁耦合的面积更大。
所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120的设置能够有效的提高所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120之间的电磁耦合效率，从而有利于降低所形成变压器的插入损耗，提高电感品质因子。在相同耦合要求情况下，所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120之间的电磁耦合效率的提高能够有效的减小所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120中线圈的数量，从而减小所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120的面积，减小所述变压器的面积。
需要说明的是，本实施例中，所述第二单层线圈121在所述衬底100表面的投影与所述第一单层线圈111在所述衬底100表面的投影相重叠，也就是说，所述第一单层线圈111的线宽D111与所述第二单层线圈121的线宽D121相等。这种做法能够有效的增加所述第一单层线圈111和所述第二单层线圈121之间的重叠面积，从而提高所述第一线圈结构110和所述第二线圈结构120之间电磁耦合效率。
具体的，所述第一单层线圈111的线宽D111和所述第二单层线圈的线宽D121在1微米到100微米范围内。本实施例中，所述第一单层线圈111的线宽D111和所述第二单层线圈的线宽D121在5.5微米到6.5微米范围内，例如5.5微米、6.0微米或6.5微米等。
结合参考图5，示出了图3所示实施例中第一线圈结构110的俯视结构示意图。需要说明的是，图5中省略了衬底和介质层。
所述第一线圈结构110还包括与所述第一单层线圈111相连的第一叠层线圈112。所述第一叠层线圈112的数量小于或等于4，即所述第一叠层线圈112的数量为大于或等于1，且小于或等于4。
本实施例中，所述第一叠层线圈112的数量为1个，也就是说，所述第一线圈结构110包括所述第一单层线圈111和包围所述第一单层线圈111的1个第一叠层线圈112。
所述第一单层线圈111包括：用于与相邻第一叠层线圈112相连的第一端111a和第二端111b，以实现与所述第一叠层线圈112相连。
所述第一叠层线圈112包括：位于所述介质层101上的多个第一上层金属线112u；位于所述衬底100上的多个第一下层金属线112d，所述第一下层金属线112d位于所述第一上层金属线112u对应的位置；位于所述第一上层金属线112u和第一下层金属线112d之间的第一导电插塞112ct。
为了实现所述第一单层线圈111和所述第一叠层线圈112之间的连接，所述第一线圈结构110还包括：位于所述介质层101上的第一连接线段113，所述第一连接线段113一端与所述第一单层线圈111的第一端111a相连，另一端与相邻的所述第一上层金属线112u的一端相连；以及，位于所述衬底100上的第二连接线段114和位于所述第二连接线段114一端的第一连接插塞114ct，所述第二连接线段114的一端与所述第一单层线圈111的第二端111b通过所述第一连接插塞114ct相连，另一端与相邻的所述第一下层金属线112d相连。
需要说明的是，为了使所述第一线圈结构110呈螺旋形，所述第一连接线段113和所述第二连接线段114呈“X”形设置，也就是说，所述第一连接线段113和所述第二连接线段114在所述衬底100表面的投影部分重叠，所述第一连接线段113和所述第二连接线段114在所述衬底100表面的投影形成“X”形。
本实施例中，所述第一线圈结构110中，所述第一叠层线圈112的数量为1个，包括1个第一上层金属线112u和1个第一下层金属线112d。
所以所述第一上层金属线112u包括位于介质层101上的第一线段150a和第二线段150b。所述第一线段150a和所述第二线段150b分别位于所述第一单层线圈111的两侧。所述第一线段150a的一端与所述第一连接线段113的一端直接相连。
所述第一下层金属线112d包括位于所述衬底100上的第三线段150c和第四线段150d。所述第三线段150c位于所述第一线段150a相对应的位置，即位于所述第一线段150a和所述衬底100之间的介质层101内。所述第三线段150c的两端设置有所述第一导电插塞112ct，所述第三线段150c通过所述第一导电插塞112ct实现与所述第一线段150a的并联。
所述第四线段150d位于所述第二线段150b相对应的位置，即位于所述第二线段150b和所述衬底之间的介质层内。所述第四线段150d两端设置有所述第一导电插塞112ct，所述第四线段150d通过所述第一导电插塞112ct实现与所述第二线段150b的并联。
而且所述第四线段150d的一端与所述第二连接线段114未设置所述第一连接插塞114ct的一端直接相连。所以所述第一连接线段113一端与所述第一单层线圈111的第一端111a相连，另一端与所述第一线段150a相连；所述第二连接线段114一端通过所述第一连接插塞114ct与所述第一单层线圈111的第二端111b实现连接，另一端与所述第四线段150d相连。
需要说明的是，本实施例中，所述第一线圈结构110还包括用于输入电压信号的第一连接端110a和第二连接端110b。所述第一连接端110a和所述第二连接端110b位于所述衬底100上，与所述第一下层金属线112d位于同层。所以所述第三线段150c的一端与所述第一连接端110a相连。所述第四线段150d远离所述第二连接线段114的一端与所述第二连接端110b相连，即所述第四线段150d未连接所述第二连接线段114的一端与所述第二连接端110b相连。
结合参考图6，示出了图3所示实施例中第二线圈结构120的俯视结构示意图。需要说明的是，图6中省略了衬底和介质层。
所述第二线圈结构120还包括与所述第二单层线圈121相连的第二叠层线圈122。所述第二叠层线圈122的数量小于或等于4，也就是说，所述第二叠层线圈122的数量为大于或等于1，且小于或等于4。本实施例中，所述第二叠层线圈122为包围所述第二单层线圈121的外侧第二叠层线圈122o。
本实施例中，所述外侧第二叠层线圈122o的数量为2个，也就是说，所述第二线圈结构120包括所述第二单层线圈121和依次包围所述第二单层线圈121的2个所述外侧第二叠层线圈122o。
所述第二单层线圈121包括用于与相邻外侧第二叠层线圈122o相连的第三端121a和第四端121b。所述外侧第二叠层线圈122o包括：位于所述介质层101上的多个外侧第二上层金属线122ou；位于所述衬底100上的多个外侧第二下层金属线122od，所述外侧第二下层金属线122od位于所述外侧第二上层金属线122ou对应的位置；位于所述外侧第二上层金属线122ou和外侧第二下层金属线122od之间的多个第二导电插塞122oct。
为实现所述第二单层线圈121和所述外侧第二叠层线圈122o之间的连接，所述第二线圈结构还包括：位于所述衬底100上的第三连接线段123，所述第三连接线段123一端与所述第二单层线圈121的第三端121a相连，另一端与相邻的外侧第二下层金属线122o的一端相连；位于所述介质层101上的第四连接线段124和位于所述第四连接线段124一端的第二连接插塞124ct，所述第四连接线段124的一端与所述第二单层线圈121的第四端121b通过所述第二连接插塞124ct相连，另一端与相邻的所述外侧第二上层金属线122ou的一端相连。
需要说明的是，为了使所述第二线圈结构120呈螺旋形，所述第三连接线段123和所述第四连接线段124呈“X”形设置，也就是说，所述第三连接线段123和所述第四连接线段124在所述衬底100表面的投影部分重叠，所述第三连接线段123和所述第四连接线段124在所述衬底100表面的投影形成“X”形。
本实施例中，所述第二线圈结构120中，所述外侧第二叠层线圈122o的数量为2个，分别为外侧第二叠层内圈和外侧第二叠层外圈。所述外侧第二叠层内圈包括1个所述外侧第二上层金属线122ou和1个所述外侧第二下层金属线122od；所述外侧第二叠层外圈也包括1个所述第二上层金属线122ou和1个所述外侧第二下层金属线122od。
所述外侧第二叠层内圈与所述第二单层线圈121相邻，所述外侧第二叠层内圈的外侧第二上层金属线122ou包括：第五线段150e和第六线段150f。所述第五线段150e和所述第六线段150f分别位于所述第二单层线圈121两侧。所述第五线段150e一端与所述第四连接线段124未设置所述第二连接插塞124ct的一端直接相连。
所述外侧第二叠层内圈的外侧第二下层金属线122od包括：第七线段150g和第八线段150h。所述第七线段150g位于所述第五线段150e相对应的位置，即位于所述第五线段150e和所述衬底100之间的介质层101内。所述第七线段150g两端设置有所述第二导电插塞122oct，所述第七线段150g通过所述第二导电插塞122oct实现与所述第五线段150e的并联。
所述第八线段150h位于所述第六线段150f相对应的位置，即位于所述第六线段150f和所述衬底100之间的介质层101内。所述第八线段150h两端设置有所述第二导电插塞122oct，所述第八线段150h通过所述第二导电插塞122oct实现与所述第六线段150f的并联。
而且所述第八线段150h一端与所述第三连接线段123直接相连。所以所述第三连接线段123一端与所述第二单层线圈121的第三端121a相连，另一端与所述第八线段150h相连；所述第四连接线段124一端通过所述第二连接插塞124ct与所述第二单层线圈121的第四端121b实现连接，另一端与所述第五线段150e相连。
所述外侧第二叠层外圈包围所述外侧第二叠层内圈。而且，如图3所示，平行衬底100表面平面内，所述第二叠层线圈122与所述第一叠层线圈112或第一单层线圈111交替间隔设置。所以本实施例中，所述2个第二叠层线圈122位于所述第一叠层线圈112的两侧。
具体的，所述外侧第二叠层内圈位于所述第一叠层线圈112和所述第一单层线圈111之间，所述外侧第二叠层外圈位于所述第一叠层线圈112远离所述第一单层线圈111的一侧。
需要说明的是，为了实现所述外侧第二叠层外圈和所述外侧第二叠层内圈之间的连接，所述第二线圈结构还包括：位于衬底上的第五连接线段125，所述第五连接线段125一端与所述第七线段150g的一端相连；以及位于介质层上的第六连接线段126，所述第六连接线段126一端与所述第六线段150f一端相连。
所以，所述第七线段150g靠近所述第四连接线段124的一端通过所述第二导电插塞122oct与所述第五线段150e相连，另一端与所述第五连接线段125相连。所述第六线段150f靠近所述第三连接线段123的一端通过所述第二导电插塞122oct与所述第八线段150h相连，另一端与所述第六连接线段126相连。
所述外侧第二叠层内圈的外侧第二上层金属线122ou包括：第九线段150i和第十线段150j。所述第九线段150i和所述第十线段150j位于所述第二单层线圈121的两侧。所述第九线段150i一端与所述第六连接线段126一端相连。
所述外侧第二叠层内圈的外侧第二下层金属线122od包括：第十一线段150k和第十二线段150l。
所述第十一线段150k位于所述第九线段150i相对应的位置，即位于所述第九线段150i和所述衬底之间的介质层内。所述第十一线段150k两端设置有所述第二导电插塞122oct，所述第十一线段150k通过所述第二导电插塞122oct实现与所述第九线段150i的并联。
所述第十二线段150l位于所述第十线段150j相对应的位置，即位于所述第十线段150j和所述衬底之间的介质层内。所述第十二线段150l两端设置有所述第二导电插塞122oct，所述第十二线段150l通过所述第二导电插塞122oct实现与所述第十线段150j的并联。
而且所述第十二线段150l一端与所述第五连接线段125直接相连。所以所述第五连接线段125一端与所述第七线段150g相连，另一端与所述第十二线段150l相连；所述第六连接线段126一端与所述第六线段150f相连另一端与所述第九线段150i相连。
需要说明的是，为了使所述第二线圈结构120呈螺旋形，所述第五连接线段125和所述第六连接线段126呈“X”形设置，也就是说，所述第五连接线段125和所述第六连接线段126在所述衬底表面的投影部分重叠，所述第五连接线段125和所述第六连接线段126在所述衬底表面的投影形成“X”形。
此外，本实施例中，所述第二线圈结构120还包括用于输出电压信号的第三连接端120c和第四连接端120d。所述第三连接端120c和所述第四连接端120d位于介质层上，与所述外侧第二上层金属线122ou位于同层。所以所述第十线段150j远离所述第五连接线段125的一端与所述第三连接端120c相连，所述第九线段150i远离所述第六连接线段126的一端与所述第四连接端120d相连。
需要说明的是，本实施例中，所述第二线圈结构120为平衡-不平衡变压器中的差分线圈。所以所述第二线圈结构120还包括中心抽头130。本实施例中，所述中心抽头130与所述第二单层线圈121相连。
继续参考图4，为了减小所述变压器的面积，本实施例中，所述第一上层金属线112u的线宽D112u大于所述第一下层金属线112d的线宽D112d，且所述外侧第二上层金属线122ou的线宽D122ou小于所述外侧第二下层金属线122od的线宽D122od。
所以垂直延伸方向的截面内，所述第一上层金属线112u和所述第一下层金属线112d构成的第一线圈结构的截面为倒“工”字形；所述外侧第二上层金属线122ou和所述外侧第二下层金属线122od构成的第二线圈结构的截面为正“工”字形。形成上述形状的第一线圈结构和第二线圈结构的好处在于，能够使所述第一线圈结构和所述第二线圈结构交错设置，从而实现减小相邻第一线圈结构和第二线圈结构之间的距离，减小所述变压器的面积。
需要说明说明的是，本发明其他实施例中，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，且所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽，也就是说，所述第一线圈结构的截面正“工”字形；所述第二线圈结构的截面为倒“工”字形。
具体的，所述第一上层金属线112u的线宽D112u在1微米到100微米范围内；所述第一下层金属线112d的线宽D112d在1微米到100微米范围内。本实施例中，所述第一上层金属线112u的线宽D112u在6.5微米到7.5微米范围内，例如，6.5微米、7.0微米或者7.5微米等；所述第一下层金属线112d的线宽D112d在4微米到5微米范围内，例如，4.0微米、4.5微米或5.0微米等。
所述外侧第二上层金属线122ou的线宽D122ou在1微米到100微米范围内；所述外侧第二下层金属线122od的线宽D122od在1微米到100微米范围内。本实施例中，所述外侧第二上层金属线122ou的线宽D122ou在3.5微米到4.5微米范围内，例如，3.5微米、4.0微米或4.5微米等；所述外侧第二下层金属线122od的线宽D122od在5.5微米到6.5微米范围内，例如，5.5微米、6.0微米或6.5微米等。
需要说明的是，所述第一上层金属线112u与所述第二上层金属线之间的间距小于所述第一下层金属线112d与所述第二下层金属线之间的间距。本实施例中，所述第一上层金属线112u与所述外侧第二上层金属线122ou之间的间距Wu小于所述第一下层金属线112d与所述外侧第二下层金属线122od之间的间距Wd。这种做法能够减小相邻第一线圈结构和第二线圈结构之间的间距，从而达到减小所述变压器面积的目的。
具体的，所述第一上层金属线112u与所述第二上层金属线之间的间距在1微米到100微米范围内；所述第一下层金属线112d与所述第二下层金属线之间的间距在1微米到100微米范围内，即所述第一上层金属线112u与所述外侧第二上层金属线122ou之间的间距Wu在1微米到100微米范围内；所述第一下层金属线112d与所述外侧第二下层金属线122od之间的间距Wd在1微米到100微米范围内。
本实施例中，所述第一上层金属线112u与所述外侧第二上层金属线122ou之间的间距Wu在1.750微米到2.250微米范围内，例如，1.750微米、2.00微米或者2.250微米等；所述第一下层金属线112d与所述外侧第二下层金属线122od之间的间距Wd在在2.250微米到2.750微米范围内，例如，2.250微米、2.500微米或2.750微米等。
需要说明的是，所述第一单层线圈111、所述第一上层金属线112u、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线122ou以及所述第四连接线段可以通过位于介质层101上的顶层金属(top metal)实现。所以，所述第一单层线圈111、所述第一上层金属线112u、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线122ou以及所述第四连接线段的材料可以为铜。
所述第二单层线圈121、所述第一下层金属线122d、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线122od以及所述第三连接线段可以通过位于衬底100上的底层金属(bottommetal)实现。所以，所述第二单层线圈121、所述第一下层金属线122d、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线122od以及所述第三连接线段的材料可以为铝。
继续参考图3，所述变压器的线圈匝数比与所述第一线圈结构110中第一叠层线圈112和所述第一单层线圈数量之和以及第二线圈结构120中第二叠层线圈122和所述第二单层线圈数量之和的比值相关。
所述变压器的线圈匝数比等于所述第一叠层线圈112的个数(N112)和所述第一单层线圈111数量之和与所述第二叠层线圈122的个数(N122)和所述第二单层线圈121数量之和的比值，即：(N112+1):(N122+1)。本实施例中，所述变压器的电压比等于2:3。
需要说明的是，所述变压器内线圈的结构为八边形。也就是说，所述第一线圈结构和所述第二线圈结构围成的形状为八边形。但是在本发明其他实施例中，所述变压器内线圈的结构也可以为方向、圆形或菱形等其他形状。
结合参考图7，示出了图3所示变压器的插入损耗和频率的关系。
其中，横坐标表示输入信号的频率；纵坐标表示插入损耗的大小。曲线710表示传统变压器的插入损耗与频率的关系，曲线720表示图3所示变压器的插入损耗与频率的关系。
如图7中所示，在相同的频率下，曲线720表示的图3所示本发明变压器插入损耗的绝对值小于曲线710表示的传统变压器插入损耗的绝对值。而且与图7所示的传统变压器相比，本发明变压器的面积减小了23％，插入损耗减小了0.16dB，差分品质因子提高了5％，耦合效率提高了6.4％。
参考图8至图10，示出了本发明变压器第二实施例的结构示意图。
其中，图8是所述变压器的俯视结构示意图，图10是图8中沿CC线的剖视结构示意图。需要说明的是，图8和图9中省略了衬底和介质层。
本实施例与前述实施例相同之处，本发明在此不再赘述。本实施例与前述实施例不同之处在于，本实施例中，所述第二线圈结构还包括：内侧第二叠层线圈。
具体的，所述第二叠层线圈还包括：内侧第二叠层线圈222i，所述第二单层线圈包围所述内侧第二叠层线圈222i。需要说明的是，由于所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈211在所述衬底表面的投影相重叠。所以所述第一单层线圈211也包围所述内侧第二叠层线圈222i。
参考图9，示出了图8所示实施例中，第二线圈结构220的俯视结构示意图。
本实施例中，所述内侧第二叠层线圈222i的数量为1个，此外，所述第二线圈结构还包括2个外侧第二叠层线圈222o。所以所述第二线圈结构包括1个所述内侧第二叠层线圈222i、包围所述内侧第二叠层线圈222i的1个所述第二单层线圈221和依次包围所述第二单层线圈121的2个所述外侧第二叠层线圈222o。
本实施例中，所述第二单层线圈221还包括：用于与相邻所述内侧第二叠层线圈222i相连的第五端221c和第六端221d。所述内侧第二叠层线圈222i包括：位于所述介质层上的多个内侧第二上层金属线222iu；位于所述衬底上的多个内侧第二下层金属线222id，所述内侧第二下层金属线222id位于所述内侧第二上层金属线222iu对应的位置；位于所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id之间的多个第三导电插塞222ict，用于实现所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id之间的电连接。
为实现所述第二单层线圈221和所述内侧第二叠层线圈222i之间的连接，所述第二线圈结构还包括：位于所述衬底上的第五连接线段227，所述第五连接线段227一端与所述第二单层线圈221的第五端221c相连，另一端与相邻的内侧第二下层金属线222id的一端相连；以及位于所述介质层上的第六连接线段228和位于所述第六连接线段228一端的第三连接插塞228ct，所述第六连接线段228的一端与所述第二单层线圈221的第六端221d通过所述第三连接插塞228ct相连，另一端与相邻的所述内侧第二上层金属线222iu的一端相连。
需要说明的是，为了使所述第二线圈结构呈螺旋形，所述第五连接线段227和所述第六连接线段228呈“X”形设置，也就是说，所述第五连接线段227和所述第六连接线段228在所述衬底表面的投影部分重叠，所述第五连接线段227和所述第六连接线段228在所述衬底表面的投影形成“X”形。
此外，由于所述内侧第二叠层线圈222i的数量为1个，所以所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id并未分段，直接绕成线圈。本发明其他实施例中，所述内侧第二叠层线圈222i的数量大于1个时，所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id也可以分成多个线段以使所述第二线圈结构形成螺旋形线圈。所述内侧第二叠层线圈222i的数量大于1个，所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id分为多个线段形成螺旋形线圈的做法与现有技术相同，本发明在此不再赘述。
需要说明的是，本实施例中，所述第二线圈结构为平衡-不平衡变压器中的差分线圈。所以所述第二线圈结构还包括中心抽头230。所述中心抽头230与所述内侧第二叠层线圈222i相连。
参考图10示出了图8所示实施例中沿CC线的剖视结构示意图。
为了减小所述变压器的面积，本实施例中，所述第一上层金属线212u的线宽D212u大于所述第一下层金属线212d的线宽D212d，所述外侧第二上层金属线222ou的线宽D222ou小于所述外侧第二下层金属线222od的线宽D222od，且所述内侧第二上层金属线222iu的线宽D222iu小于所述内侧第二下层金属线222id的线宽D222id。
所以垂直延伸方向的截面内，所述第一上层金属线212u和所述第一下层金属线212d构成的第一线圈结构的截面为倒“工”字形；所述外侧第二上层金属线222ou和所述外侧第二下层金属线222od以及所述内侧第二上层金属线222iu和所述内侧第二下层金属线222id构成的第二线圈结构的截面为正“工”字形。形成上述形状的第一线圈结构和第二线圈结构的好处在于，能够使所述第一线圈结构和所述第二线圈结构交错设置，从而实现减小相邻第一线圈结构和第二线圈结构之间的距离，减小所述变压器的面积。
需要说明说明的是，本发明其他实施例中，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，且所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽小于所述内侧第二下层金属线的线宽，也就是说，所述第一线圈结构的截面正“工”字形；所述第二线圈结构的截面为倒“工”字形。
具体的，所述内侧第二上层金属线222iu的线宽D222iu在1微米到100微米范围内；所述内侧第二下层金属线222id的线宽D222id在1微米到100微米范围内。本实施例中，所述内侧第二上层金属线222iu的线宽D222iu在3.5微米到4.5微米范围内，例如，3.5微米、4.0微米或4.5微米等；所述内侧第二下层金属线222id的线宽D222id在5.5微米到6.5微米范围内，例如，5.5微米、6.0微米或6.5微米等。
需要说明的是，本实施例中，所述内侧第二上层金属线222iu和所述第六连接线段228(如图9所示)也可以通过位于所述介质层101上的顶层金属(top metal)实现，即所述第一单层线圈211、所述第一上层金属线212u、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线222ou和所述第四连接线段以及所述内侧第二上层金属线222iu以及所述第六连接线段228均可以通过顶层金属实现。所以所述第一单层线圈211、所述第一上层金属线212u、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线222ou和所述第四连接线段以及所述内侧第二上层金属线222iu以及所述第六连接线段228的材料可以为铜
所述内侧第二下层金属线222id和所述第五连接线段227(如图9所示)也可以通过位于衬底100上的底层金属实现，即所述第二单层线圈221、所述第一下层金属线212d、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线222od、所述第三连接线段以及所述内侧第二下层金属线222id和所述第五连接线段227均可以通过底层金属实现。所以所述第二单层线圈221、所述第一下层金属线212d、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线222od、所述第三连接线段以及所述内侧第二下层金属线222id和所述第五连接线段227的材料可以为铝。
综上，因此，本发明技术方案中，所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间的电磁耦合不仅通过平行衬底表面平面内的侧向实现，而且还可以通过垂直所述衬底表面方向上，所述第一单层线圈和所述第二单层线圈之间实现。所以本发明技术方案能够有效的增加所述第一线圈结构和所述第二线圈结构之间电磁耦合的面积，从而提供电磁耦合效率。在相同的耦合要求情况下，本发明技术方案可以减少所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈的数量，从而能够有效的减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器面积。而且，本发明可选方案中，所述第一上层金属线的线宽大于所述第一下层金属线，所述外侧第二上层金属线的线宽小于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽小于所述内侧第二下层金属线的线宽；或者，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽大于所述内侧第二下层金属线的线宽。因此所述第一叠层线圈和第二叠层线圈分别形成正“工”形和倒“工”形，所以所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈之间可以相错设置，从而减小所述第一叠层线圈和所述第二叠层线圈之间的间距，进而减小所述第一线圈结构和所述第二线圈结构的面积，减小所述变压器的面积。
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 (18)

1.一种变压器，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上呈螺旋形的第一线圈结构，包括：第一单层线圈以及与所述第一单层线圈相连的至少一个第一叠层线圈，所述第一叠层线圈包围所述第一单层线圈；
位于所述衬底上呈螺旋形的第二线圈结构，包括：第二单层线圈，所述第二单层线圈在所述衬底表面的投影与所述第一单层线圈在所述衬底表面的投影相重叠；以及与所述第二单层线圈相连的至少一个第二叠层线圈，所述第二叠层线圈的数量大于或等于所述第一叠层线圈的数量，且平行衬底表面平面内，所述第二叠层线圈与所述第一叠层线圈或第一单层线圈交替间隔设置；
位于所述衬底上的介质层，所述第二单层线圈位于所述衬底上，所述第一单层线圈位于所述介质层上；
所述第一单层线圈包括用于与相邻第一叠层线圈相连的第一端和第二端；
所述第一叠层线圈包括：
位于所述介质层上的多个第一上层金属线；位于所述衬底上的多个第一下层金属线，所述第一下层金属线位于所述第一上层金属线对应的位置；位于所述第一上层金属线和第一下层金属线之间的第一导电插塞；
所述第一线圈结构还包括：
位于所述介质层上的第一连接线段，所述第一连接线段一端与所述第一单层线圈的第一端相连，所述第一连接线段的另一端与相邻的所述第一上层金属线的一端相连；位于所述衬底上的第二连接线段和位于所述第二连接线段一端的第一连接插塞，所述第二连接线段的一端与所述第一单层线圈的第二端通过所述第一连接插塞相连，所述第二连接线段的另一端与相邻的所述第一下层金属线相连；
所述第二叠层线圈为包围所述第二单层线圈的外侧第二叠层线圈；所述外侧第二叠层线圈包括：
位于所述介质层上的多个外侧第二上层金属线；位于所述衬底上的多个外侧第二下层金属线，所述外侧第二下层金属线位于所述外侧第二上层金属线对应的位置；位于所述外侧第二上层金属线和外侧第二下层金属线之间的多个第二导电插塞；所述第二单层线圈包括用于与相邻外侧第二叠层线圈相连的第三端和第四端；
所述第二线圈结构还包括：
位于所述衬底上的第三连接线段，所述第三连接线段一端与所述第二单层线圈的第三端相连，所述第三连接线段的另一端与相邻的外侧第二下层金属线的一端相连；位于所述介质层上的第四连接线段和位于所述第四连接线段一端的第二连接插塞，所述第四连接线段的一端与所述第二单层线圈的第四端通过所述第二连接插塞相连，所述第四连接线段的另一端与相邻的所述外侧第二上层金属线的一端相连。
2.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一上层金属线的线宽大于所述第一下层金属线的线宽，且所述外侧第二上层金属线的线宽小于所述外侧第二下层金属线的线宽；
或者，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，且所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽。
3.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第二叠层线圈还包括：内侧第二叠层线圈，所述第二单层线圈包围所述内侧第二叠层线圈；
所述第二单层线圈还包括：用于与相邻所述内侧第二叠层线圈相连的第五端和第六端；
所述内侧第二叠层线圈包括：位于所述介质层上的多个内侧第二上层金属线；位于所述衬底上的多个内侧第二下层金属线，所述内侧第二下层金属线位于所述内侧第二上层金属线对应的位置；位于所述内侧第二上层金属线和所述内侧第二下层金属线之间的多个第三导电插塞，用于实现所述内侧第二上层金属线和所述内侧第二下层金属线之间的电连接；
所述第二线圈结构还包括：
位于所述衬底上的第五连接线段，所述第五连接线段一端与所述第二单层线圈的第五端相连，另一端与相邻的内侧第二下层金属线的一端相连；位于所述介质层上的第六连接线段和位于所述第六连接线段一端的第三连接插塞，所述第六连接线段的一端与所述第二单层线圈的第六端通过所述第三连接插塞相连，另一端与相邻的所述内侧第二上层金属线的一端相连。
4.如权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述第一上层金属线的线宽大于所述第一下层金属线的线宽，所述外侧第二上层金属线的线宽小于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽小于所述内侧第二下层金属线的线宽；
或者，所述第一上层金属线的线宽小于所述第一下层金属线，所述外侧第二上层金属线的线宽大于所述外侧第二下层金属线的线宽，且所述内侧第二上层金属线的线宽大于所述内侧第二下层金属线的线宽。
5.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一叠层线圈的数量小于或等于4。
6.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第二叠层线圈的数量小于或等于4。
7.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一单层线圈和所述第二单层线圈的线宽在1微米到100微米范围内。
8.如权利要求2或4所述的变压器，其特征在于，所述第一上层金属线的线宽在1微米到100微米范围内；所述第一下层金属线的线宽在1微米到100微米范围内。
9.如权利要求2或4所述的变压器，其特征在于，所述外侧第二上层金属线的线宽在1微米到100微米范围内；所述外侧第二下层金属线在1微米到100微米范围内。
10.如权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述内侧第二上层金属线的线宽在1微米到100微米范围内；所述内侧第二下层金属线在1微米到100微米范围内。
11.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一上层金属线与所述第二上层金属线之间的间距小于所述第一下层金属线与所述第二下层金属线之间的间距。
12.如权利要求11所述的变压器，其特征在于，所述第一上层金属线与所述第二上层金属线之间的间距在1微米到100微米范围内。
13.如权利要求11所述的变压器，其特征在于，所述第一下层金属线与所述第二下层金属线之间的间距在1微米到100微米范围内。
14.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一单层线圈、所述第一上层金属线、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线以及所述第四连接线段的材料为铜。
15.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第二单层线圈、所述第一下层金属线、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线以及所述第三连接线段的材料为铝。
16.如权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述第一单层线圈、所述第一上层金属线、所述第一连接线段、所述外侧第二上层金属线、所述第四连接线段以及所述内侧第二上层金属线以及所述第六连接线段的材料为铜。
17.如权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述第二单层线圈、所述第一下层金属线、所述第二连接线段、所述外侧第二下层金属线、所述第三连接线段以及所述内侧第二下层金属线和所述第五连接线段的材料为铝。
18.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述变压器为平衡-不平衡变压器，所述第一线圈结构为差分线圈，所述第二线圈结构为螺旋线圈；或者所述第一线圈结构为螺旋线圈，所述第二线圈结构为差分线圈。
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