CN114582586A - 集成式电感及其制造方法、直流-直流转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成式电感及其制造方法、集成有集成式电感的直流‑直流转换器。所述集成式电感包括：衬底；第一金属层，其位于所述衬底上方，且所述第一金属层中形成有第一金属图形；第二金属层，其位于所述第一金属层上方，且所述第二金属层中形成有第二金属图形；绝缘层，其位于所述第一金属层和第二金属层之间，且所述绝缘层内设置有自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；其中，所述第一金属层内的所述第一金属图形经所述绝缘层内的所述若干金属通孔与所述第二金属层内的所述第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。本发明可以在芯片中集成电感，从而节省了印刷电路板上占用电感的空间。

Description

集成式电感及其制造方法、直流-直流转换器
【技术领域】
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种集成式电感及其制造方法、集成有集成式电感的直流-直流转换器。
【背景技术】
为了追求蓝牙耳机小型化，有必要在芯片中集成电感。集成电感可以减小印刷电路板的面积，有助于实现更小体积的蓝牙耳机。传统的电路需要在印刷电路板装配直流-直流转换器所需电感。请参考图1所示，其为现有技术中的一种直流-直流转换器的电路示意图，电感L1属于外置，在印刷电路板上安装，因此，每个直流-直流转换器需要VIN、LX、VO、GND四个管脚。需要管脚越多，通常所需封装更大，不利于蓝牙耳机产品的小型化。另外印刷电路板上的电感需要占用的面积比较大，也增加了印刷电路板的面积，也不利于小型化。
因此，有必要提出一种新的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种集成式电感以及其制造方法、以及集成有集成式电感的直流-直流转换器，其在芯片中集成电感，从而节省了印刷电路板上占用电感的空间。
根据本发明的一个方面，本发明提出一种集成式电感，其包括：衬底；第一金属层，其位于所述衬底上方，且所述第一金属层中形成有第一金属图形；第二金属层，其位于所述第一金属层上方，且所述第二金属层中形成有第二金属图形；绝缘层，其位于所述第一金属层和第二金属层之间，且所述绝缘层内设置有自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；其中，所述第一金属层内的所述第一金属图形经所述绝缘层内的所述若干金属通孔与所述第二金属层内的所述第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种直流-直流转换器，其包括：控制电路；功率开关；和如上所述的集成式电感。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种集成式电感的制造方法，其包括：提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层；刻蚀掉所述第一金属层中未定义的区域，以得到第一金属图形；在刻蚀后的所述第一金属层上形成第一子绝缘层；在所述第一子绝缘层上形成磁芯层；刻蚀掉所述磁芯层中未定义的区域以得到磁芯；在所述第一子绝缘层和所述磁芯上形成第子二绝缘层，其中，第一子绝缘层和第二子绝缘层构成绝缘层；在所述绝缘层内形成自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；在形成有所述若干金属通孔的所述绝缘层上淀积第二金属层；刻蚀掉所述第二金属层中未定义的区域，以得到第二金属图形。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种集成式电感的制造方法，其包括：提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层；刻蚀掉所述第一金属层中未定义的区域，以得到第一金属图形；在刻蚀后的所述第一金属层上形成绝缘层；在所述绝缘层内形成自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；在形成有所述若干金属通孔的所述绝缘层上淀积第二金属层；刻蚀掉所述第二金属层中未定义的区域，以得到第二金属图形。
与现有技术相比，本发明中的集成式电感包括第一金属层、第二金属层和绝缘层，所述绝缘层位于所述第一金属层和第二金属层之间，且所述绝缘层内设置有自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔。其中，所述第一金属层内的所述第一金属图形经所述绝缘层内的所述若干金属通孔与所述第二金属层内的所述第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。这样，本发明可以在芯片中集成电感，从而节省了印刷电路板上占用电感的空间。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为现有技术中的一种直流-直流转换器的电路示意图；
图2为本发明在一个实施例中的集成有集成式电感的直流-直流转换器的电路示意图；
图3为本发明在一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的俯视图；
图4为本发明在一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的三维示意图；
图5为本发明在另一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的俯视图；
图6为本发明在另一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的三维示意图；
图7为本发明在一个实施例中如图6所示的集成式电感的制造方法的流程图；
图8为本发明在一个实施例中如图4所示的集成式电感的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的集成有集成式电感的直流-直流转换器的电路示意图。图2所示的直流-直流转换器为降压型直流-直流转换器，其包括降压输出电路210和控制电路220。所述降压输出电路210包括输入电源VIN、第一功率开关MP2、第二功率开关MN2、电感L1和电容C1，所述输入电源VIN通过依次串联的第一功率开关MP2和第二功率开关MN2接地，电感L1和电容C1依次串联的连接于第一功率开关MP2和第二功率开关MN2之间的连接节点LX和地之间，电感L1和电容C1之间的连接节点作为所述降压输出电路210的输出端VO。所述降压输出电路210通过第一功率开关MP2和第二功率开关MN2的导通和关断将输入电源VIN的电压进行降压以得到输出电压VO。所述控制电路220包括与所述第一功率开关MP2的控制端相连的第一输出端和与第二功率开关MN2的控制端相连的第二输出端，其根据所述降压输出电路210的输出电压VO通过第一输出端输出控制第一功率开关MP2导通或者关断的第一控制信号和通过第二输出端输出控制第二功率开关MN2导通或者关断的第二控制信号，使第一功率开关MP2和第二功率开关MN2交替导通，从而将输出电压VO调整到某个设定值。在图2所示的具体实施例中，所述第一功率开关MP2为PMOS晶体管，所述第二功率开关MN2为NMOS晶体管。
在图2所示的实施例中，电感L1被集成在芯片200中，具体的，第一功率开关MP2、第二功率开关MN2、控制电路220和电感L1集成在芯片200中，因此将所需的管脚数减少到3个管脚(VIN、GND、VO)，也节省了印刷电路板上占用电感L1的空间。
请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的俯视图。请参考图4所示，其为本发明在一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的三维示意图。图3和图4所示的集成式电感包括衬底(未图示)、第一金属层300、第二金属层400和绝缘层500。其中，第一金属层300位于衬底上方，且第一金属层300中形成有第一金属图形；第二金属层400位于所述第一金属层300上方，且第二金属层400中形成有第二金属图形；绝缘层500位于所述第一金属层300和第二金属层400之间，且所述绝缘层500内设置有自上向下贯穿所述绝缘层500的若干金属通孔(或称为通孔金属，或称为VIA，或称为通孔)510，其中，所述第一金属层300内的第一金属图形经所述绝缘层500内的所述若干金属通孔510与所述第二金属层400内的第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。
与射频电路发射不同，直流-直流转换器需要较大的电感值，由于直流-直流转换器中的电感L1为功率电感，会流经较大的电流，需要较好的散热，因此采用顶层金属或次顶层金属来制造，相比底层金属来说，热量较容易散出去。另外放置在距离衬底越远的地方，电感到衬底的寄生电容更小，减小寄生电容会减小开关工作时的能量损耗。故在一个优选的实施例中，所述第二金属层400为芯片的顶层金属层；所述第一金属层300为所述芯片的次顶层金属层。一般顶层金属层采用铝材质，也有利于在封装上，容易和封装导线电气连接。而次顶层金属层可以由铝或铜材质构成，铜材质比铝材质的电阻率更低，因此其寄生电阻更小。因此，次顶层金属层采用铜材质，对于本发明的实施例来说，具有更佳效果。
在图3和图4所示的具体实施例中，所述第一金属层300内的第一金属图形包括并行排布的若干第一金属条310；所述第二金属层400内的第二金属图形包括并行排布的若干第二金属条410，所述第一金属条310和所述第二金属条410呈一定角度(例如45度角)，这样可以形成错开结构。其中，每相邻的两个第一金属条310之间设置有对应的一个第二金属条410，该第二金属条410的一端通过位于其下方的所述金属通孔510与相邻的两个第一金属条310中的一个第一金属条的一端相连，该第二金属条410的另一端通过位于其下方的所述金属通孔510与相邻的两个第一金属条310中的另一个第一金属条的另一端相连，从而通过所述若干金属通孔510将所述若干第一金属条310和所述若干第二金属条410依次交替逐个串联，以形成螺旋结构的电感，在各种线圈形状中，螺旋型结构的电感值较大。虽然图4所示的集成式电感的结构中很多转角处呈90度角，但是在实际生产时，这些结构被生产出后一般呈圆角(无法理想化，因此通常呈圆角)，因此图4所示的集成式电感的结构近似呈螺旋型结构。
本发明如图3和图4所示的集成式电感为平躺放置，即螺旋型结构的电感的长度方向与芯片的衬底平面呈平行。在版图设计时，由于版图工具的限制，第一金属条310和所述第二金属条410的角度呈90度或45度或135度，通常无法设计圆角。在设计时，为了减小电感的寄生电阻，第一金属层300和第二金属层400采用厚度为3微米～10微米。金属层越厚(相当于增加了导体的截面积)，其金属电阻越小，有助于减小电感工作时的能量损耗。另外宽度也尽量设计较宽，一般第一金属层300中的第一金属条310和第二金属层400中的第二金属条410的宽度应该大于5微米。较宽的金属也有利于减小寄生电阻。
需要特别说明的是，图3和图4所示的集成式电感的螺旋型结构为4圈，实际中可以为1圈或更多圈。在图2所示的实施例中，集成式电感L1集成于降压型直流-直流转换器中，在另一个实施例中，集成式电感L1还可以集成于升压型直流-直流转换器中。也就是说，本发明中集成有集成式电感L1的直流-直流转换器的电路结构可以采用现有技术中的直流-直流转换器的电路结构，在此不再赘述。当然，图3和图4中的集成式电感L1也可以集成到其他需要电感的芯片中，不限于直流-直流转换器中。
在一种优选实施方案中，为了节省芯片面积，集成式电感L1可以放置直流-直流转换器的功率开关(例如图2中的PMOS管MP2和NMOS管MN2)的上方，共享面积，呈堆叠结构。其中，功率开关采用下层的金属连接，例如如果采用4层金属工艺，功率开关采用第一层金属和第二层金属连接，电感采用第三层金属(为次顶层金属)和第四层金属(为顶层金属)及这两层之间的设置有金属通孔的绝缘层制造。也就是说，在本发明的直流-直流转换器中，集成式电感放置于直流-直流转换器中的功率开关的上方，呈堆叠结构；直流-直流转换器中的功率开关采用集成式电感下层的金属连接。
本发明中的集成式电感L1的电感值可近似由如下公式计算：
Figure BDA0003485941750000061
其中，μ0为真空磁导率，μs为磁芯磁导率，n为线圈圈数，S为线圈的截面积，l为线圈长度，k为依赖于线圈半径与长度的系数。
请参考图5所示，其为本发明在另一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的俯视图。在图5所示的实施例中，位于所述第二金属条410的一端或另一端的下方的金属通孔510采用并行排布的多个小金属通孔构成，而图3所示的实施例中，位于所述第二金属条410的一端或另一端的下方的金属通孔510采用一个大金属通孔。具体的在图5的例子中，一个大金属通孔被替换成4个小金属通孔，实际设计中，也可以为更多的小金属通孔组成。也就是说，位于每个所述第二金属条410的一端或另一端的下方的金属通孔510可以为1个或多个。
请参考图6所示，其为本发明在另一个实施例中如图2所示的集成式电感L1的三维示意图。与图4相比，图6所示的集成式电感L1在螺旋型线圈结构中(或内)设计了磁芯600，以增强电感值。在一个实施例中，磁芯600的材料为Fe2O3。
请参考图7所示，其为本发明在一个实施例中如图6所示的集成式电感的制造方法的流程图。图7所示的集成式电感的制造方法包括如下步骤。
步骤710、提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层300。
步骤720、刻蚀掉所述第一金属层300中未定义的区域，以得到第一金属图形。
步骤730、在刻蚀后的所述第一金属层300上形成第一子绝缘层。在一个实施例中，所述第一子绝缘层是通过湿法氧化形成的二氧化硅层。
步骤740、在所述第一子绝缘层上形成磁芯层。在一个实施例中，所述磁芯层是通过溅射形成的。
步骤750、刻蚀掉所述磁芯层中未定义的区域，以得到磁芯600。
步骤760、在所述第一子绝缘层和所述磁芯600上形成第子二绝缘层，其中，第一绝缘层和第二绝缘层构成绝缘层500。在一个实施例中，所述第二子绝缘层是通过湿法氧化形成的二氧化硅层。
步骤770、在绝缘层500内形成自上向下贯穿所述绝缘层500的若干金属通孔510。
步骤780、在形成有若干金属通孔510的绝缘层500上淀积第二金属层400。
步骤790、刻蚀掉所述第二金属层400中未定义的区域，以得到第二金属图形。其中，所述金属通孔510用于连接所述第一金属层300的第一金属图形相连，其另一端与所述第二金属层400的第二金属图形相连。
请参考图8所示，其为本发明在一个实施例中如图4所示的集成式电感的制造方法的流程图。图8所示的集成式电感的制造方法包括如下步骤。
步骤810、提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层300；
步骤820、刻蚀掉所述第一金属层300中未定义的区域，以得到第一金属图形。
步骤830、在刻蚀后的所述第一金属层300上形成绝缘层500。在一个实施例中，所述绝缘层500是通过湿法氧化形成的二氧化硅层。
步骤840、在所述绝缘层500内形成自上向下贯穿所述绝缘层500的若干金属通孔510。
步骤850、在形成有若干金属通孔510的所述绝缘层500上淀积第二金属层400。
步骤860、刻蚀掉所述第二金属层400中未定义的区域，以得到第二金属图形。
综上所述，本发明提供一种集成式电感及集成有集成式电感的直流-直流转换器，所述集成式电感包括衬底(未图示)、第一金属层300、第二金属层400和绝缘层500。其中，第一金属层300位于衬底上方，且第一金属层300中形成有第一金属图形；第二金属层400位于所述第一金属层300上方，且第二金属层400中形成有第二金属图形；绝缘层500位于所述第一金属层300和第二金属层400之间，且所述绝缘层500内设置有自上向下贯穿所述绝缘层500的若干金属通孔(或金属通孔金属)510，其中，所述第一金属层300内的第一金属图形经所述绝缘层500内的所述若干金属通孔510与所述第二金属层400内的第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。这样，本发明可以在芯片中集成电感，从而节省了印刷电路板上占用电感的空间，进一步减小蓝牙耳机印刷电路板面积的方案。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (14)

1.一种集成式电感，其特征在于，其包括：
衬底；
第一金属层，其位于所述衬底上方，且所述第一金属层中形成有第一金属图形；
第二金属层，其位于所述第一金属层上方，且所述第二金属层中形成有第二金属图形；
绝缘层，其位于所述第一金属层和第二金属层之间，且所述绝缘层内设置有自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；
其中，所述第一金属层内的所述第一金属图形经所述绝缘层内的所述若干金属通孔与所述第二金属层内的所述第二金属图形连接，以形成绕圈型结构的电感。
2.根据权利要求1所述的集成式电感，其特征在于，
所述第二金属层为芯片的顶层金属层；
所述第一金属层为所述芯片的次顶层金属层。
3.根据权利要求2所述的集成式电感，其特征在于，
所述顶层金属层采用铝材质；
所述次顶层金属层采用铜或铝材质。
4.根据权利要求1所述的集成式电感，其特征在于，
所述第一金属层内的第一金属图形包括并行排布的若干第一金属条；
所述第二金属层内的第二金属图形包括并行排布的若干第二金属条；
所述若干金属通孔将所述若干第一金属条和所述若干第二金属条依次交替逐个串联，以形成螺旋结构的电感。
5.根据权利要求4所述的集成式电感，其特征在于，
每相邻的两个所述第一金属条之间设置有对应的一个所述第二金属条，该第二金属条的一端通过位于其下方的所述金属通孔与相邻的两个所述第一金属条中的一个第一金属条的一端相连，该第二金属条的另一端通过位于其下方的所述金属通孔与相邻的两个所述第一金属条中的另一个第一金属条的另一端相连。
6.根据权利要求5所述的集成式电感，其特征在于，
所述第一金属条和所述第二金属条呈预定角度；
所述螺旋型结构的电感的长度方向与所述衬底平面相平行；
所述第一金属层和第二金属层的厚度均为3微米～10微米；
位于每个所述第二金属条的一端或另一端的下方的所述金属通孔为1个或多个；和/或
所述第一金属条和第二金属条的宽度均大于5微米。
7.根据权利要求5所述的集成式电感，其特征在于，
所述集成式电感的电感值由如下公式计算：
Figure FDA0003485941740000021
其中，μ0为真空磁导率，μs为磁芯磁导率，n为线圈圈数，S为线圈的截面积，l为线圈长度，k为依赖于线圈半径与长度的系数。
8.根据权利要求1-6任一所述的集成式电感，其特征在于，其还包括：
设置于所述绕圈型结构的电感内的磁芯。
9.一种直流-直流转换器，其特征在于，其包括：
控制电路；
功率开关；和
如权利要求1-8任一所述的集成式电感。
10.根据权利要求8所述的直流-直流转换器，其特征在于，
所述控制电路、功率开关、集成式电感位于同一个芯片中，
所述集成式电感放置于所述直流-直流转换器中的功率开关的上方，呈堆叠结构；
所述直流-直流转换器中的功率开关采用位于所述集成式电感下层的金属连接。
11.一种如权利要求8所述的集成式电感的制造方法，其特征在于，其包括：
提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层；
刻蚀掉所述第一金属层中未定义的区域，以得到第一金属图形；
在刻蚀后的所述第一金属层上形成第一子绝缘层；
在所述第一子绝缘层上形成磁芯层；
刻蚀掉所述磁芯层中未定义的区域以得到磁芯；
在所述第一子绝缘层和所述磁芯上形成第子二绝缘层，其中，第一子绝缘层和第二子绝缘层构成绝缘层；
在所述绝缘层内形成自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；
在形成有所述若干金属通孔的所述绝缘层上淀积第二金属层；
刻蚀掉所述第二金属层中未定义的区域，以得到第二金属图形。
12.根据权利要求11所述的集成式电感的制造方法，其特征在于，
所述第一子绝缘层和第二子绝缘层是通过湿法氧化形成的二氧化硅层；
所述磁芯层是通过溅射形成的。
13.一种如权利要求1-6任一所述的集成式电感的制造方法，其特征在于，其包括：
提供基底，所述基底包括衬底和淀积于所述衬底上方的第一金属层；
刻蚀掉所述第一金属层中未定义的区域，以得到第一金属图形；
在刻蚀后的所述第一金属层上形成绝缘层；
在所述绝缘层内形成自上向下贯穿所述绝缘层的若干金属通孔；
在形成有所述若干金属通孔的所述绝缘层上淀积第二金属层；
刻蚀掉所述第二金属层中未定义的区域，以得到第二金属图形。
14.根据权利要求13所述的集成式电感的制造方法，其特征在于，
所述绝缘层是通过湿法氧化形成的二氧化硅层；
所述磁芯层是通过溅射形成的。
CN202210080571.5A 2022-01-24 2022-01-24 集成式电感及其制造方法、直流-直流转换器 Pending CN114582586A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024037547A1 (zh) * 2022-08-15 2024-02-22 韩智毅 半导体结构及制备方法、半导体器件

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