CN110571025B - 一种基于tsv垂直开关的可调磁芯tsv电感器 - Google Patents

一种基于tsv垂直开关的可调磁芯tsv电感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，包括硅基板，所述硅基板的上表面设置有上二氧化硅基板，硅基板的下表面设置有下二氧化硅基板，所述上二氧化硅基板中嵌装有上回字形磁芯，下二氧化硅基板中嵌装有下回字形磁芯，所述上回字形磁芯和所述下回字形磁芯形成的四组对应侧边之间依次设置有控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3，其中电感L1的输出端与电感L2的输入端连接，电感L2的输出端与电感L3的输入端连接；上回字形磁芯和下回字形磁芯中设置有TSV垂直开关，TSV垂直开关的源极与电感L1的输出端连接，TSV垂直开关的漏极与电感L3的输入端连接。

Description

一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器
技术领域
本发明属于电气设备技术领域，具体涉及一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器。
背景技术
电感器作为一种重要的无源器件，具有抑制电磁波干扰、阻流、滤波、筛选信号、过滤噪声、稳定电流等作用。传统的片上电感器采用平面螺旋结构，不仅占用芯片面积大，而且损耗高，品质因数的提高难度较大。在三维集成电路中，通过硅通孔(TSV)的使用，不但提高了集成度，而且减少了数据传输损耗，但是对于电感器等无源器件还是没有很好的解决方法，同时因为工艺一致性和散热问题，需要做大量的虚设TSV来保证环境稳定和器件散热。所以如果将这些虚设的TSV利用起来做成电感器，可以减少芯片面积，提高芯片利用率，三维电感器由此产生。
三维电感器由一对对称的TSV和上下层重布线层(RDL)连接起来组成螺旋线圈，具有更小的占位面积和更高的电感密度，一般是由TSV的高度、TSV之间的水平距离、RDL的长度等因素决定的，但是在设定好之后就不会改变，不能满足三维集成电路可调谐可配置的发展需求，因此可变三维电感器成为人们研究的一个重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，用以解决三维电感器存在电感值一经设定便不可再进行调节的问题。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，包括硅基板，所述硅基板的上表面设置有上二氧化硅基板，硅基板的下表面设置有下二氧化硅基板，所述上二氧化硅基板中嵌装有上回字形磁芯，下二氧化硅基板中嵌装有下回字形磁芯，所述上回字形磁芯和所述下回字形磁芯形成的四组对应侧边之间依次设置有控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3，其中电感L1的输出端与电感L2的输入端连接，电感L2的输出端与电感L3的输入端连接；上回字形磁芯和下回字形磁芯中设置有TSV垂直开关，TSV垂直开关的源极与电感L1的输出端连接，TSV垂直开关的漏极与电感L3的输入端连接；所述控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3均包含多个交错分布的上重布线层和下重布线层，其中多个上重布线层呈水平斜向分布在上回字形磁芯的上方，多个下重布线层呈水平分布在下回字形磁芯的下方，每相邻的上重布线层与下重布线层的首尾依次通过柱状的硅通孔连接。
本发明的特点还在于，
所述控制电感Lctrl中上重布线层和下重布线层的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层和下重布线层的首尾依次通过硅通孔相接。
所述电感L1中上重布线层的数量为N，下重布线层的数量为N+1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层和下重布线层的首尾依次通过硅通孔相接。
所述电感L2中上重布线层和下重布线层的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层和下重布线层的首尾依次通过硅通孔相接。
所述电感L3中上重布线层的数量为N，下重布线层的数量为N-1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层和下重布线层的首尾依次通过硅通孔相接。
本发明的有益效果是：(1)本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，通过TSV来建立螺旋电感，与二维平面电感相比，占地面积小、损耗低、品质因数好、提高了芯片利用率；(2)本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，利用电磁感应原理可以通过改变控制电感Lctrl的电流大小来调节电感L1、L2、L3的值，实现了电感值的细调；(3)本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，可利用TSV垂直开关来改变电流路径，将电感L2短路，从而对电感值进行较大的调整，即粗调。
附图说明
图1是本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器的结构示意图；
图2是图1中上回字形磁芯的结构示意图；
图3是图1中下回字形磁芯的结构示意图。
图中：1.下二氧化硅基板，2.下回字形磁芯，3.硅基板，4.上二氧化硅基板，5.上回字形磁芯，6.上重布线层，7.硅通孔，8.下重布线层，9.输入端，10.输出端，11.TSV垂直开关。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，包括硅基板3，硅基板3的上表面设置有上二氧化硅基板4，硅基板3的下表面设置有下二氧化硅基板1，上二氧化硅基板4中嵌装有上回字形磁芯5，下二氧化硅基板1中嵌装有下回字形磁芯2。结合图2和图3，上回字形磁芯5和下回字形磁芯2形成的四组对应侧边之间依次设置有控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3，其中电感L1的输出端与电感L2的输入端连接，电感L2的输出端与电感L3的输入端连接；上回字形磁芯5和下回字形磁芯2中设置有TSV垂直开关11，TSV垂直开关11的源极与电感L1的输出端连接，TSV垂直开关11的漏极与电感L3的输入端连接；控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3均包含多个交错分布的上重布线层6和下重布线层8，其中多个上重布线层6呈水平斜向分布在上回字形磁芯5的上方，多个下重布线层8呈水平分布在下回字形磁芯2的下方，每相邻的上重布线层6与下重布线层8的首尾依次通过柱状的硅通孔7连接。
柱状的硅通孔7内填充的金属为铜或铝；上回字形磁芯5、下回字形磁芯2均为铁氧体磁芯；上重布线层6、下重布线层8均使用材料铜或铝制成。
本发明一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器的工作原理是：可以分为控制端和工作端两部分，在控制端有控制电感Lctrl，由于巨磁阻抗效应，输入的直流偏置电流会改变磁芯饱和程度，从而改变磁芯的相对磁导率μ来改变工作区电感L1、L2、L3的电感大小，具体公式为
Figure BDA0002177601530000041
在工作区有电感L1、L2、L3和TSV垂直开关(Vctrl)，通过输入不同的电压来进行TSV垂直开关的打开与断开，当TSV垂直开关的电压Vctrl＝0时，开关断开，此时电感L1、L2、L3相连，电感大小为Ltot1＝L1+L2+L3，当TSV垂直开关的电压Vctrl＝1时，开关闭合，此时电感L1、L3相连，电感L2被短路，电感大小为Ltot2＝L1+L3。
如图2和图3所示，在本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器中，控制电感Lctrl中上重布线层6和下重布线层8的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层6和下重布线层8的首尾依次通过硅通孔7相接。
从图上看，其中控制电感Lctrl的输入端9与位于最外侧的上重布线层6的首端通过硅通孔7相接，控制电感Lctrl的输出端与位于最外侧的下重布线层8的尾端连接。
如图2和图3所示，在本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器中，电感L1中上重布线层6的数量为N，下重布线层8的数量为N+1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层6和下重布线层8的首尾依次通过硅通孔7相接。
从图上看，电感L1的输入端9与一个位于最外侧的下重布线层8的首端通过硅通孔7相接，另一个位于最外层的下重布线层8的尾端作为电感L1的输出端10使用，并通过硅通孔7与电感L2的输入端9连接。
如图2和图3所示，在本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器中，电感L2中上重布线层6和下重布线层8的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层6和下重布线层8的首尾依次通过硅通孔7相接。
从图上看，其中电感L2的输入端9与位于最外侧的上重布线层6的首端通过硅通孔7相接，位于最外层的下重布线层8的尾端作为电感L2的输出端10使用，并通过硅通孔7与电感L3的输入端9连接。
如图2和图3所示，在本发明的一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器中，电感L3中上重布线层6的数量为N，下重布线层8的数量为N-1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层6和下重布线层8的首尾依次通过硅通孔7相接。
从图上看，其中电感L3的输入端9与一个位于最外侧的上重布线层6的首端通过硅通孔7相接，其中电感L3的输出端10与另一个位于最外侧的上重布线层6的尾端通过硅通孔7相接。
综上所述，本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，通过TSV来建立螺旋电感，与二维平面电感相比，占地面积小、损耗低、品质因数好、提高了芯片利用率；本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，利用电磁感应原理可以通过改变控制电感Lctrl的电流大小来调节电感L1、L2、L3的值，实现了电感值的细调；本发明的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，可利用TSV垂直开关来改变电流路径，将电感L2短路，从而对电感值进行较大的调整，即粗调。

Claims (4)

1.一种基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，其特征在于，包括硅基板(3)，所述硅基板(3)的上表面设置有上二氧化硅基板(4)，硅基板(3)的下表面设置有下二氧化硅基板(1)，所述上二氧化硅基板(4)中嵌装有上回字形磁芯(5)，下二氧化硅基板(1)中嵌装有下回字形磁芯(2)，所述上回字形磁芯(5)和所述下回字形磁芯(2)形成的四组对应侧边之间依次设置有控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3，其中电感L1的输出端与电感L2的输入端连接，电感L2的输出端与电感L3的输入端连接；上回字形磁芯(5)和下回字形磁芯(2)中设置有TSV垂直开关(11)，TSV垂直开关(11)的源极与电感L1的输出端连接，TSV垂直开关(11)的漏极与电感L3的输入端连接；所述控制电感Lctrl、电感L1、电感L2和电感L3均包含多个交错分布的上重布线层(6)和下重布线层(8)，其中多个上重布线层(6)呈水平斜向分布在上回字形磁芯(5)的上方，多个下重布线层(8)呈水平分布在下回字形磁芯(2)的下方，每相邻的上重布线层(6)与下重布线层(8)的首尾依次通过柱状的硅通孔(7)连接；所述控制电感Lctrl中上重布线层(6)和下重布线层(8)的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层(6)和下重布线层(8)的首尾依次通过硅通孔(7)相接。
2.根据权利要求1所述的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，其特征在于，所述电感L1中上重布线层(6)的数量为N，下重布线层(8)的数量为N+1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层(6)和下重布线层(8)的首尾依次通过硅通孔(7)相接。
3.根据权利要求1所述的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，其特征在于，所述电感L2中上重布线层(6)和下重布线层(8)的数量均为N，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层(6)和下重布线层(8)的首尾依次通过硅通孔(7)相接。
4.根据权利要求1所述的基于TSV垂直开关的可调磁芯TSV电感器，其特征在于，所述电感L3中上重布线层(6)的数量为N，下重布线层(8)的数量为N-1，N不小于1的整数，并且每相邻的上重布线层(6)和下重布线层(8)的首尾依次通过硅通孔(7)相接。
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