CN109686549A - 一种具有多个绕组线圈通过微纳加工制作的集成变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多个绕组线圈通过微纳加工制作的集成变压器，绕组线圈和磁芯通过绝缘材料与磁芯分隔，绕组线圈部分相互交错排列，其中缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的顶部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈底部导线层通过通孔互换，缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的底部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈顶部导线层通过通孔互换；所述的通孔为导电通孔，为顶层导线连接到底层导线提供连接点，通孔宽度小于或者等于绕组线圈的导线宽度；所述的集成变压器采用分层沉积微纳加工制备。本发明在实现高耦合性的同时具有低寄生电容的特性。

Description

一种具有多个绕组线圈通过微纳加工制作的集成变压器
技术领域
本发明涉及一种通过微纳加工制作的集成变压器。
背景技术
越来越多的电气设备需要信号和电源电流隔离，例如医疗设备，工业设备和电力电子等一系列的应用范围内，需要这种隔离，以满足安全标准和性能目标。
光隔离是提供信号隔离的一种最普遍方法。但是对于高数据速率信号，光隔离会耗费大量的能量。同时，光耦作为光隔离器中的主要部件，其性能将会随着时间的推移而降低，严重影响系统的使用寿命和可靠性。
对于同样的数据传输量，使用电磁式隔离需要的能量消耗比光隔离的要明显低得多。对于电磁式隔离，即是采用变压器，通过变压器至少两个原、副边绕组之间通过电磁场传递能量和信号来实现隔离，变压器绕组线圈之间实现尽可能高的磁耦合以及绕组线圈之间实现尽可能低的电容耦合是相当重要。然而，这两个需求是相互冲突的，因为将原、副边的导体放得更近就可以实现更高的磁耦合，但也会造成更高的电容耦合，并且妨碍隔离等级的提高。寄生电容耦合对隔离变压器性能是有害的，因为它允许电噪声跨越隔离屏障。
对于高性能变压器，实现高磁耦合和最小寄生电容至关重要。目前传统变压器采用两种方式是实现，一种是在制作好的磁芯上利用手工或机器绕制绕组线圈，另一种方式是通过结合用PCB电路板制作的绕组线圈和事先制作好的磁芯来实现。这两种办法制作的变压器体积大，不适用于单晶圆上或在芯片封装内实现电气隔离。
通过采用光刻、溅射、电化学层积等微纳加工的办法来制作的变压器，在这里称为集成变压器，这种集成变压器，可以提供单晶圆上或芯片封装内实现芯片级的信号和电源电流的隔离，遗憾的是，按照传统绕组线圈布置形式P：S：P：S：P：S：P：S（P代表原边绕组线圈，S代表副边绕组线圈，副边绕组线圈和原边绕组线圈依次交互排列）的传统螺线管集成变压器具有较大的电容，这是由于两个绕组线圈彼此平行排列而形成的电容以及绕组线圈之间通过磁芯而产生电容。一种减小电容的替代方案是将绕组线圈布置成非交错排列的形式，例如，按照P：P：P：P：S：S：S：S来排列，及原边绕组线圈和副边绕组线圈分成两个区域来排列，然而，这种方案中原边和副边之间的电磁耦合会因为漏感的增加而显著减弱。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有多个绕组线圈通过微纳加工制作的集成变压器，绕组线圈间不仅具有高耦合性，同时也因为采用了部分交错绕组线圈的特点而具有很低的寄生电容。
一种具有多个绕组线圈微纳加工制作的集成变压器，绕组线圈和磁芯通过绝缘材料与磁芯分隔，绕组线圈包括底层导线层、通孔和顶部导电层，部分相互交错排列，其中缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的顶部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈底部导线层通过通孔互换，缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的底部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈顶部导线层通过通孔互换，通过减小副边和原边绕组线圈平行走线长度和减小原边和副边绕组线圈之间的重叠面积来减小原边绕组线圈和副边绕组线圈之间的寄生电容，从而实现高磁耦合的同时减小绕组线圈之间的寄生电容；
所述的通孔为导电通孔，为顶层导线连接到底层导线提供连接点，通孔宽度小于或者等于绕组线圈的导线宽度，从而使绕组线圈实现交错互换但不增加绕组线圈所需的宽度；
所述的集成变压器采用分层沉积微纳加工方式制备。
所述的绕组线圈排列方式包括：
P：SS：（PP：SS：）N ：P，其中N为自然数；
PP：SS：（PP：SS：）N ；
（PP：SS：SS：PP）N；
PP：SS：SS：PP：（SS：PP）N；
PPP：SSS：（PPP：SSS：）N ；
(PPP：SSS：SSS：PPP）N；
PPP：SSS：SSS：PPP：（SSS：PPP）N；
以及以上排列方式的多个的组合。
所述的集成变压器，其中磁芯由相对磁导率大于1的铁磁材料构成；或者所述的集成变压器，其中磁芯由非铁磁材料组成。
所述的集成变压器，其中每个磁芯为矩形，不形成闭合的路径。
所述的集成变压器，其中磁芯为椭圆环状并形成闭合的路径；或者所述的集成变压器，其中磁芯为回字形环状并形成闭合的路径。
所述的集成变压器，其中磁芯由连续的磁性材料层和非磁性材料层叠形成，以实现多层结构。
所述的集成变压器，每个绕组中，各匝线圈缠绕同一个磁芯产生的磁通的方向相同。
所述的集成变压器，在闭合磁芯情况下，每个绕组中，各匝线圈缠绕闭合磁芯产生的磁通的方向相同。
所述的集成变压器通过连续沉积制作绕组线圈的导线、磁芯、绝缘层、通孔。
本发明的有益效果：
集成变压器包含至少两个磁芯和至少两个绕组线圈，绕组线圈的布置可以随着设计要求进行改变，衍生的绕组线圈连接结构都是通过变化导线层来实现交错连接。集成变压器的绕组线圈部分交错，通过交换缠绕磁芯的绕组线圈导线的上下分布层并在不同磁芯区域之间交错往复排列，在实现高耦合性的同时具有低寄生电容的特性。集成变压器的绕组线圈至少部分地缠绕在两个磁芯。集成变压器的结构可通过微纳加工按照分层沉积的方式来制作，实现变压器的集成化和小型化。绕组线圈和磁芯通过绝缘材料分隔。本发明可取代传统的变压器，应用于电源管理和信号处理等电路，实现系统在单晶圆上或芯片封装内实现芯片级高度集成，减少了系统解决方案的总体面积并提高了整个系统的可靠性。
附图说明
图1是一种实施例中集成变压器的原边、副边绕组线圈的底层导线的示意图；
其中10是集成变压器绕组线圈的底层导线版图，11是原边绕组线圈底层导线a，12是原边绕组线圈底层导线b，13是原边绕组线圈底层导线c，14是原边绕组线圈底层导线d，15是副边绕组线圈底层导线a、16是副边绕组线圈底层导线b，17是副边绕组线圈底层导线c。
图2是一种实施例中集成变压器的磁芯的示意图；
其中20是集成变压器的磁芯层版图，21是左磁芯，22是右磁芯。
图3是一种实施例中集成变压器的原边、副边绕组线圈的底层导线和顶层导线之间的连接通孔示意图；
其中30是集成变压器的原边、副边绕组线圈的底层导线和顶层导线之间的连接通孔版图，31、32、33、34、35、36、37、38为用来连接底层导线和顶层导线的通孔a、通孔b、通孔c、通孔d、通孔e、通孔f、通孔g、通孔h。
图4是一种实施例中集成变压器的原边、副边绕组线圈的顶层导线示意图；
其中40是集成变压器的原边、副边绕组线圈的顶层导线版图，41、42、43是原边绕组线圈顶层导线a、原边绕组线圈顶层导线b、原边绕组线圈顶层导线c，44、45、46是副边绕组线圈的顶层导线a、副边绕组线圈的顶层导线b、副边绕组线圈的顶层导线c。
图5是一种实施例中集成变压器的俯视图。
具体实施方式
以下对本发明进行详细的阐述。一个具有多个绕组线圈的集成变压器，绕组线圈至少有两个，磁芯可以只是一个具有闭合环路的磁芯，或者是两个及以上未形成回路的磁芯，每个绕组线圈至少部分地围绕每个磁芯，绕组线圈和磁芯通过绝缘材料与磁芯分隔，绕组线圈部分相互交错排列，其中缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的顶部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈底部导线层通过通孔互换，缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的底部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈顶部导线层通过通孔互换，通过减小副边和原边绕组线圈平行走线长度和减小原边和副边绕组线圈之间的重叠面积来减小原边绕组线圈和副边绕组线圈之间的寄生电容，从而实现高磁耦合的同时减小绕组线圈之间的寄生电容。可受益于本发明的一个领域是电力电子工业，比如，使用GaN的功率转换器需要栅极驱动器，其需要高dv / dt值，这就需要绕组之间的最小电容，电容由公式 C=Ɛ 0 Ɛ r A/d之和给出，其中A是两个电极重叠的面积，d是两个电极之间的距离。
所述的通孔为导电通孔，为顶层导线连接到底层导线提供连接点，通孔宽度小于或者等于绕组线圈的导线宽度，从而使绕组线圈实现交错互换但不增加绕组线圈所需的宽度，允许绕组线圈导线层在不超过最大绕组线圈宽度的情况下改变连接路径。
所述的集成变压器采用分层沉积微纳加工方式制备。
在一个实施例中，集成变压器有一个4匝的原边绕组线圈和一个4匝的副边绕组线圈，绕组线圈由顶层导线层、底层导线层和通孔连接形成。绕组线圈按照P：SS：PP：SS：P的形式来排列，P代表原边绕组线圈，S代表副边绕组线圈。集成变压器绕组线圈也可以稍微调整一个区域内绕组线圈的起始匝数，比如原边线圈先在左边区域缠绕磁芯两圈，再进入右边区域并且变化分布层，副边也按照类似排列方法，这样就可以实现PP：SS：SS：PP的形式来排列。跟传统绕组线圈的排列形式P：S：P：S：P：S：P：S相比，本发明的绕组线圈排列方式在保持高磁耦合的同时显著降低原边和副边绕组线圈之间的寄生电容。
绕线线圈可以依照上述中的交错排列原则，按照不同绕组线圈匝数需求，组合成不同的排列，所述的绕组线圈排列方式包括：
P：SS：（PP：SS：）N ：P，其中N为自然数；
PP：SS：（PP：SS：）N ；
（PP：SS：SS：PP）N；
PP：SS：SS：PP：（SS：PP）N；
PPP：SSS：（PPP：SSS：）N ；
(PPP：SSS：SSS：PPP）N；
PPP：SSS：SSS：PPP：（SSS：PPP）N；
以及以上排列方式的多个的组合。
所述的集成变压器，其中磁芯的材料可以采用含有铁、钴、镍等元素的铁磁材料，铁磁材料的相对磁导率大于1；或者所述的集成变压器，其中磁芯由非铁磁材料组成。采用磁芯与不采用磁芯相比，在采用相同绕组线圈的情况下，采用磁芯的集成变压器会具有更高的电感值。
所述的集成变压器，其中每个磁芯为矩形，不形成闭合的路径。
所述的集成变压器，其中磁芯为椭圆环状并形成闭合的路径；或者所述的集成变压器，其中磁芯为回字形环状并形成闭合的路径。
所述的集成变压器，其中磁芯由连续的磁性材料层和非磁性材料层叠形成，以实现多层结构。
所述的集成变压器，每个绕组中，各匝线圈缠绕同一个磁芯产生的磁通的方向相同。
所述的集成变压器，在闭合磁芯情况下，每个绕组中，各匝线圈缠绕闭合磁芯产生的磁通的方向相同。
所述的集成变压器通过连续沉积制作绕组线圈的导线、磁芯、绝缘层、通孔。
以下结合附图和原、副边各有8匝绕组线圈的实施例进行进一步的展开阐述。
图1是一种实施例中集成变压器绕组线圈的底层导线示意图，底层导线版图10中包含有原边绕组线圈底层导线，11是原边绕组线圈底层导线a，12是原边绕组线圈底层导线b，13是原边绕组线圈底层导线c，14是原边绕组线圈底层导线d，15是副边绕组线圈底层导线a、16是副边绕组线圈底层导线b，17是副边绕组线圈底层导线c。这些底层导线采用铜和铝等导电材料，采用了微纳加工技术制作而成，导线下面有一层采用二氧化硅或树脂等绝缘材料的绝缘层，从而避免导线之间、导线和其它位于导线下方已经制作成的集成电路之间短路。导线的制备可以采用光刻、电化学沉积、溅射、干法刻蚀、湿法刻蚀、蒸发沉积等技术。在这示例中，原边和副边绕组线圈的底层导线分为两个左右区域，分别对应两个磁芯，底层线圈将通过通孔与上层导线连接形成螺线管状绕组线圈结构，涉及的类似微纳加工制作工艺在文章 “Micro-inductors Integrated on Silicon for Power Supply on Chip”（作者N. Wang等, 发表于2007年的Journal of Magnetism and Magnetic Materials,316 , e233–e237）和文章“High Efficiency on Si Integrated Micro-transformersfor Isolated Power Conversion Applications”（作者N. Wang等，发表于IEEETransactions on Power Electronics, Vol. 30, No. 10, Oct. 2015, pp. 5746 -5754）中有描述，针对本发明中的主要工艺及特点，在本发明的后面描述中也会给出。在这示例中，左边区域中原边和副边绕组线圈的底层导线按照SS、PP、SS、PP、SS、PP，右边部分底层导线按照PP、SS、PP、SS、PP、SS形式排列。
图2是一种实施例中集成变压器的两个磁芯的示意图，集成变压器的两个磁芯的版图20中有两个磁芯，分别为左磁芯21和右磁芯22。在制作磁芯之前，在变压器绕组线圈底层导线的上方会先制作一层绝缘材料，可以采用聚合物、二氧化硅等材料，使得左磁芯21和右磁芯22与底层导线隔离开。在制作绝缘层时，会在每段底层导线的两端部分露出，作为在下一步制作通孔的接触点，为底层和顶层导线提供连结。左磁芯21和右磁芯22的制作采用光刻、溅射、电化学沉积、腐蚀等微纳加工技术，左磁芯21和右磁芯22的材料采用含有铁、钴、镍等元素的铁磁材料，磁导率大于1，使得集成变压器具有较高的励磁电感，左磁芯21和右磁芯22的厚度可以在0.1微米到100微米之间，磁芯的厚度主要取决于集成变压器工作的频率和所需要的电感量。为了在高频下控制磁芯的涡流损耗，磁芯的厚度一般低于一个集肤深度。磁芯也可以采用多层叠加的方式，也就是依次按照磁芯材料、绝缘层的次序堆叠，形成多层磁芯结构，这样就在控制涡流损耗的同时又增加了电感量（在有些应用中，集成变压器不需要磁芯，在磁芯的位置只有绝缘的介电材料）。此示范例子中采用了两个分离开的磁芯方式，在不同示范例中，两个磁芯的两端可以相连接，如果连接部分是四方形，整个磁芯可成为回字型的环形闭合结构，如果两个磁芯连接部分为圆弧形，那么整个磁芯可成为椭圆的环状闭合结构。
图3是一种实施例中集成变压器的原边、副边绕组线圈的底层导线和顶层导线之间的连接通孔示意图，30是集成变压器的原边、副边绕组线圈的底层导线和顶层导线之间的连接通孔版图，通孔形成之前，先覆盖一层绝缘层，绝缘层至少需要覆盖左磁芯21和右磁芯22。通孔所在位置的底层导线必须暴露出来，在通孔处填埋铜或铝等导电材料，形成导电通孔，为后面的顶层导线连接到底层导线提供连接点。这些通孔宽度一般比导线宽度窄，
比如通孔a31、通孔e35、通孔f36，通孔具有明显更小的宽度，比如通孔b32、通孔c33、通孔d34、通孔g37、通孔h38，通孔宽度接近于导线宽度，这是因为通孔a31、通孔e35、通孔f36是为了提供导线在两个磁芯区域之间交错走线并提供上下导线层交错连接的连接点，所以宽度较窄，而通孔b32、通孔c33、通孔d34、g37、h38仅提供了同区域内上下层导线连接，不需要跳线，所以宽度接近于导线宽度。
图4是一种示范例子中集成变压器的原边、副边绕组线圈的顶层导线示意图，其中40是集成变压器的原边、副边绕组线圈的顶层导线版图。如果把图1、3、4叠加起来看，就可以看出，左边区域内的原边绕组线圈的顶层导线a41通过通孔a31，连接到右边区域原边绕组线圈的底层导线a11，经过通孔b32，连接到右边区域原边绕组线圈的顶层导线b42，经过通孔c33，连接到右边区域原边绕组线圈的底层导线b12，通过通孔d34，连接到右边区域原边绕组线圈的顶层导线c43，接着通过通孔e35，连接到左边区域原边绕组线圈的底层导线c13，顺利完成一个交错排列。依次连接，最后连接到左边区域内原边绕组线圈的底层导线d14，完成原边绕组线圈的排列。在示范例子的集成变压器中，每个绕组中，缠绕各个磁芯的各匝线圈所产生的磁通的方向相同。如果磁芯是闭合的，每个绕组中，各匝线圈缠绕闭合磁芯产生的磁通的方向相同。
而右边区域内的副边绕组线圈的顶层导线a44，通过通孔f36，连接到了左边区域内的副边绕组线圈的底层导线a15，依次通过通孔g37和通孔h38，连接副边绕组线圈的顶层导线b45和副边绕组线圈的底层导线b16。副边绕组线圈的连接方式类似于原边绕组线圈的连接方式，依次连接，最后连接到最后连接到左边区域内原边绕组线圈的底层导线c17，完成副边绕组线圈的排列。
由于提供交错互换连接的通孔，如通孔a31、通孔e35、通孔f36的宽度明显小于导线宽度，两个绕组线圈实现交错互换但基本上不增加绕组线圈所需的宽度。
图5是一种实施例中集成变压器的俯视图，可以清楚看出左边区域中原边和副边绕组线圈的顶层导线按照P、SS、PP、SS、PP、SS、P，右边部分顶层导线按照S、PP、SS、PP、SS、PP、S形式排列，这在保持高磁耦合的同时，通过减小副边和原边绕组线圈彼此平行的长度和减小原边和副边绕组之间的重叠面积来显著地减小初级和次级绕组之间的寄生电容。这种绕组线圈排列方式是通过交换围绕第一个磁芯和第二个磁芯的绕组线圈导线的上下导线层并在两个磁芯区域之间交错往复排列来实现原边和副边的交错互换排列实现的。所述的集成变压器通过连续沉积材料制作导线、磁芯的方式来实现。
实施例中，原边绕组线圈匝数与副边绕组线圈匝数相同，各有8匝，在另一些实施例中，原边绕组线圈匝数与副边绕组线圈匝数比值可以不等于1。
在该实施例中，绕组线圈的两层导线互换的连接点会小于所述绕组线圈的最大导线宽度，允许绕组线圈导线层在不超过最大绕组线圈宽度的情况下改变连接路径。
集成变压器绕组线圈也可以稍微调整一个区域内绕组线圈的连续缠绕匝数，比如原边线圈先在一边区域中连续缠绕磁芯三圈，再进入临近区域并且变化分布层，副边也按照类似排列方法，这样就可以在底层导线版图中左边部分实现SSS：PPP：SSS：ppp:SS：PP的形式来排列，在底层导线版图中左边部分实现PPP：SSS：PPP：SSS：PP：SS。也可以调整一个区域内各绕组线圈的起始和终止处缠绕匝数，随意调整原、副边绕组起始线圈的排列安排。此领域的技术人员可以很容易的理解并推出此类衍生结构，这些衍生的绕组线圈连接结构都是通过变化导线层实现交错连接，在这里不再对这些衍生的绕组线圈连接结构专门进行详细阐述。

Claims (9)

1.一种具有多个绕组线圈通过微纳加工制作的集成变压器，其特征是：绕组线圈和磁芯通过绝缘材料与磁芯分隔，绕组线圈部分相互交错排列，其中缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的顶部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈底部导线层通过通孔互换，缠绕磁芯的绕组线圈至少一匝线圈的底部导线层与相邻磁芯相对应的绕组线圈顶部导线层通过通孔互换，通过减小副边和原边绕组线圈平行走线长度和减小原边和副边绕组线圈之间的重叠面积来减小原边绕组线圈和副边绕组线圈之间的寄生电容，从而实现高磁耦合的同时减小绕组线圈之间的寄生电容；
所述的通孔为导电通孔，为顶层导线连接到底层导线提供连接点，通孔宽度小于或者等于绕组线圈的导线宽度，从而使绕组线圈实现交错互换但不增加绕组线圈所需的宽度；
所述的集成变压器采用分层沉积微纳加工方式制备。
2.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的绕组线圈排列方式包括：P：SS：（PP：SS：）N ：P，其中N为自然数；
PP：SS：（PP：SS：）N ；
（PP：SS：SS：PP）N；
PP：SS：SS：PP：（SS：PP）N；
PPP：SSS：（PPP：SSS：）N ；
(PPP：SSS：SSS：PPP）N；
PPP：SSS：SSS：PPP：（SSS：PPP）N；
以及以上排列方式的多个的组合。
3.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，其中磁芯由相对磁导率大于1的铁磁材料构成；或者所述的集成变压器，其中磁芯由非铁磁材料组成。
4.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，其中每个磁芯为矩形，不形成闭合的路径。
5.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，其中磁芯为椭圆环状并形成闭合的路径；或者所述的集成变压器，其中磁芯为回字形环状并形成闭合的路径。
6.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，其中磁芯由连续的磁性材料层和非磁性材料层叠形成，以实现多层结构。
7.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，每个绕组中，各匝线圈缠绕同一个磁芯产生的磁通的方向相同。
8.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器，在闭合磁芯情况下，每个绕组中，各匝线圈缠绕闭合磁芯产生的磁通的方向相同。
9.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征是：所述的集成变压器通过连续沉积制作绕组线圈的导线、磁芯、绝缘层、通孔。
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