CN114664801A - 数字隔离器元件 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种数字隔离器元件，所述数字隔离器元件包括第一芯片和与所述第一芯片电连接的第二芯片。其中，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，所述第二芯片包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路。所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号。通过所述数字隔离器元件可以在不影响数字隔离器性能的前提下，提高衬底利用率，减小芯片面积，降低芯片成本。

Description

数字隔离器元件
技术领域
本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种数字隔离器元件。
背景技术
数字隔离器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种器件，多采用光耦、电感/磁隔离和电容隔离。现有的数字隔离器元件的衬底利用率不高，芯片面积大，导致芯片成本较高。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供了一种数字隔离器元件，以在不影响数字隔离器性能的前提下，提高衬底利用率，减小芯片面积，降低芯片成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种数字隔离器元件，所述数字隔离器元件包括：
第一芯片，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，其中，所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号；以及
第二芯片，与所述第一芯片电连接，包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路，其中，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个。
进一步地，所述电磁屏蔽结构包括依次叠置的第一绝缘层、金属屏蔽层以及第二绝缘层。
进一步地，所述金属屏蔽层为网状结构或片状结构。
进一步地，所述隔离传输结构包括至少一个第一绕组，至少一个第二绕组，所述第一绕组与所述第一电路电连接，所述第二绕组与所述第二电路电连接。
进一步地，所述隔离传输结构还包括覆盖所述第一绕组的第三绝缘层，所述第二绕组设置于所述第三绝缘层上，所述第一绕组与对应的第二绕组垂直相对设置。
进一步地，所述第一绕组与所述第一电路通过通孔电连接，所述第二绕组与所述第二电路通过引线电连接。
进一步地，所述第一绕组和所述第二绕组均为平面线圈，所述第一绕组和所述第二绕组沿预定方向卷绕，所述预定方向为顺时针方向或逆时针方向。
进一步地，所述第一绕组和所述第二绕组均为平面线圈，所述第一绕组和所述第二绕组均包括沿所述预定方向卷绕的第一部分和在所述第一部分并排区域内沿所述预定方向卷绕的第二部分，所述预定方向为顺时针方向或逆时针方向。
进一步地，所述隔离传输结构还包括覆盖所述第二绕组的绝缘层。
进一步地，所述编码电路用于接收输入数字信号以及将所述输入数字信号转化为所述编码信号，所述解码电路用于接收所述编码信号以及将所述编码信号转化为与所述输入数字信号一致的输出数字信号。
进一步地，所述隔离传输结构与所述第一电路纵向重叠。
本发明实施例的数字隔离器元件包括第一芯片和与所述第一芯片电连接的第二芯片。其中，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，所述第二芯片包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路。所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号。通过所述数字隔离器元件可以在不影响数字隔离器性能的前提下，提高衬底利用率，减小芯片面积，降低芯片成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的数字隔离器元件的组成框图；
图2是本发明实施例的数字隔离器元件的电路示意图；
图3为相关技术中的数字隔离器元件的结构示意图；
图4为另一相关技术中的数字隔离器元件的横向剖视图；
图5为本发明实施例的数字隔离器元件的结构示意图；
图6为本发明实施例的第一芯片的横向剖视图；
图7为本发明实施例一个实现方式的隔离传输结构的线圈布置示意图；
图8为本发明实施例的另一个实现方式的隔离传输结构的线圈布置示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
数字隔离器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种器件，多采用光耦、电感/磁隔离和电容隔离。现有的数字隔离器元件的衬底利用率不高，芯片面积大，导致芯片成本较高。
图1是本发明实施例的数字隔离器元件的组成框图。如图1所示，所述数字隔离器元件包括编码电路11、隔离元件12和解码电路13。其中，所述编码电路11用于接收输入数字信号DIN以及将输入数字信号DIN转化为编码信号。所述隔离元件12用于以电气隔离的方式传递编码信号。所述解码电路13用于将编码信号重新转化为与输入数字信号DIN对应的输出数字信号DOUT。具体地，在实际应用过程中，编码电路11在接收到输入数字信号DIN后，会将输入数字信号DIN转化为相应的编码信号，并通过隔离元件12将转化后的编码信号传递给解码电路13。解码电路13在接收到编码信号后，会将编码信号重新转化为与输入数字信号DIN一致的输出数字信号DOUT，通过本实施例中的数字隔离器元件可以实现信号的电气隔离传输。可选地，在本实施例中，所述隔离元件12具体可以为变压器，所述变压器可以基于互相耦合的金属绕组，以电磁感应的方式传递编码信号。在一种可选的实现方式中，所述隔离元件12还可以为隔离电容。
图2是本发明实施例的数字隔离器元件的电路示意图。如图2所示，所述数字隔离器包括编码电路21、隔离元件22以及解码电路23。其中，所述编码电路11可以接收输入数字信号DIN并将输入数字信号DIN转化为相应的编码信号。所述编码信号具体可以是将输入数字信号DIN的上升沿或下降沿编码之后形成的脉冲信号。所述隔离元件12包括原边绕组L11以及与所述原边绕组L11互相耦合的副边绕组L12。所述原边绕组L11与编码电路11连接，所述副边绕组L12与解码电路23连接。当原边绕组L11接收到编码信号后，会以电磁感应的方式通过副边绕组L12将编码信号传递给解码电路23。解码电路23可以将接收到的编码信号重新转化为与输入数字信号DIN一致的输出数字信号DOUT。所述将编码信号转化为输出数字信号的方式可以是对接收到的脉冲信号进行解码以得到与输入数字信号一致的输出数字信号。应当理解，本实施例中的隔离元件22可以根据实际使用需求调整耦合的绕组数量。
图3为相关技术中的数字隔离器元件的结构示意图。如图3所示，所述数字隔离器元件包括编码电路31、解码电路32以及隔离元件。其中，所述编码电路31被单独集成在芯片34上，所述解码电路32以及隔离元件被水平集成在芯片35上，所述芯片34与芯片35电隔离。隔离元件包括第一绕组33A和第二绕组33B。在该相关技术中，数字隔离器元件占用了较大的芯片面积，导致衬底的利用率较低，芯片成本较高。
图4为另一相关技术中的数字隔离器元件的横向剖视图。如图4所示，所述数字隔离器元件包括编码电路41、解码电路42以及隔离元件。其中，所述编码电路41和解码电路42被集成在同一衬底40上。隔离元件被集成在编码电路41和解码电路42的正上方，隔离元件包括第一绕组43A和第二绕组43B。在该相关技术中，数字隔离器元件虽然减小了芯片面积，但将编码电路41和解码电路42集成在同一衬底40上，会导致电路电气绝缘难度较大，影响数字隔离器元件的电气隔离效能。
图5为本发明实施例的数字隔离器元件的结构示意图。如图5所示，所述数字隔离器元件包括第一芯片和第二芯片。其中，所述第一芯片包括第一衬底51、形成于第一衬底51上的第一电路52、覆盖第一电路52的电磁屏蔽结构53以及设置于电磁屏蔽结构53上的隔离传输结构54。
具体地，所述第一衬底51具体可以为硅(Si)晶圆。所述第一衬底51用于承载本实施例的第一电路52和隔离传输结构54。可选地，所述第一衬底还可以为锗(Ge)、砷化镓(GaAs)或硅锗(SiGe)等材料制成的衬底。
进一步地，所述第一电路52可以为编码电路或解码电路之一，所述第一电路52可以通过现有的半导体工艺流程，例如沉积、刻蚀、离子注入等工艺形成在第一衬底51上，在此不再赘述。
进一步地，所述电磁屏蔽结构53位于所述第一电路52和所述隔离传输结构54之间。所述电磁屏蔽结构53可以形成在第一电路52上方，覆盖所述第一电路52形成。所述电磁屏蔽结构53用于减弱第一电路52对于隔离传输结构54的磁场干扰，同时，所述电磁屏蔽结构53还用于减弱隔离传输结构54在传递编码信号时产生的磁场变化对于第一电路52的电学特性影响，通过所述电磁屏蔽结构53可以提高数字隔离器的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)。可选地，所述电磁屏蔽结构53具体可以包括依次叠置的至少一层绝缘层和金属屏蔽层。可选地，所述金属屏蔽层具体可以采用网状结构或片状结构。
进一步地，所述隔离传输结构54具体可以为图1和图2中所示的隔离元件。所述隔离传输结构54包括至少一个第一绕组541、覆盖第一绕组541的第三绝缘层545以及设置于第三绝缘层545上的第二绕组543。其中，第一绕组541与对应的第二绕组543垂直相对设置，用于以电磁感应的方式传递编码信号。所述第三绝缘层545用于承担隔离传输结构54特殊测试规范要求的隔离电压，所述第三绝缘层545的材料可以为聚酰亚胺(PI)，二氧化硅(SiO5)或氮化硅(Si3N4)。应当理解，为了更直观地体现第一绕组和第二绕组之间的位置关系，本实施例对图5所示的部分第三绝缘层545和第二绕组543进行了剖视处理。进一步地，本实施例中的第一绕组541和第二绕组543具体可以为平面线圈。应当理解，当耦合的绕组数量为多个时，各第一绕组和各第二绕组可以分别并排设置。进一步地，所述第一绕组541和第二绕组543均沿预定方向卷绕，所述预定方向可以为顺时针方向。可选地，所述预定方向也可以为逆时针方向。可选地，所述第一绕组541和第二绕组543的材料可以为金(Au)，铜(Cu)或银(Ag)等高电导率材料。可选地，所述第一绕组541和第二绕组543可以通过相应的沉积工艺，例如化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)或物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)等方式形成。
进一步地，所述第一绕组541通过通孔与第一电路52电连接。所述第二绕组543通过引线55与第二芯片衬底56上沉积的第二电路57电连接。所述第二电路57为编码电路或解码电路中的另一个。所述引线55的材料可以为金(Au)或铝(Al)等。所述引线55可以通过引线接合(Wire Bonding)的方式压合连接在第二绕组543与第二电路57的连接焊盘处。
本发明实施例的数字隔离器元件包括第一芯片和与所述第一芯片电连接的第二芯片。其中，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，所述第二芯片包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路。所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号。所述数字隔离器元件通过将编码电路或解码电路中的一个与隔离传输结构以纵向重叠的方式形成在同一衬底上，并将编码电路或解码电路中的另一个形成在与第一衬底分离的第二衬底上，可以实现在不影响数字隔离器性能的前提下，提高衬底利用率，减小芯片面积，降低芯片成本。
应当理解，本实施例中的第一芯片和第二芯片均为裸芯片(Die)。进一步地，本实施例还可以采用封装技术将第一芯片和第二芯片封装在同一壳体内，以保护所述第一芯片和第二芯片不被外界环境所干扰或破坏。应当理解的，本实施例可以根据数字隔离器的使用场景和环境选用适当的封装形式，例如DSP(Dual In-line Package，双列直插封装)、QFP(Quad Flat Package，方型扁平式封装)或BGA(Ball Grid Array，球栅阵列封装)等，以及选用相应的封装材料，例如塑料、陶瓷或金属材料等，在此不再赘述。
图6为本发明实施例的第一芯片的横向剖视图。如图6所示，所述第一芯片包括第一衬底61、第一电路62、第一绝缘层63、金属屏蔽层64、第二绝缘层65、第一绕组66、第三绝缘层67以及第二绕组68。
其中，所述第一衬底61具体可以为硅(Si)晶圆，所述第一衬底61之上沉积有第一电路62，所述第一电路62具体可以为编码电路或解码电路之一。所述第一电路62上覆盖有依次叠置的第一绝缘层63、金属屏蔽层64以及第二绝缘层65。所述第一绝缘层63、金属屏蔽层64以及第二绝缘层65具体为用于隔离电路结构与隔离传输结构的电磁屏蔽结构。可选地，所述金属屏蔽层可以采用网状结构或片状结构。所述第二绝缘层65上还形成有至少一个第一绕组66。应当理解，当第一绕组的数量为多个时，各第一绕组66并排设置。可选地，所述第一绕组66具体可以为沿预定方向卷绕的平面线圈，所述预定方向可以为顺时针方向或逆时针方向。所述第一绕组66之上覆盖有第三绝缘层67。所述第三绝缘层67用于承担第一绕组66和第二绕组68在工作时所产生的隔离电压。所述第三绝缘层67上形成有与第一绕组66垂直相对设置的第二绕组68。所述第二绕组68与第一绕组66为沿相同方向卷绕的平面线圈。可选地，所述第一绕组66和第二绕组68的材料可以为铜(Cu)，金(Au)，银(Ag)等高电导率材料。进一步地，各所述第一绕组66通过通孔69与第一电路62电连接。所述通孔69具体可以为采用铜(Cu)，金(Au)，银(Ag)等高电导率材料沉积形成的金属通孔。可选地，所述第一绝缘层63、第二绝缘层65和第三绝缘层67的材料可以为聚酰亚胺(PI)，二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si6N4)等绝缘材料，所述第一绕组66也可以通过引线接合的方式与第一电路实现电连接。所述各绝缘层可以通过化学气相沉积、物理气相沉积或直接旋涂等方式形成。
进一步地，所述第二绕组68上还形成有绝缘层681。所述绝缘层681用于保护内部的电路结构与电磁屏蔽结构，以避免数字隔离器遭到物理或化学损坏，提升数字隔离器稳定性。所述绝缘层681的材料可以为聚酰亚胺(PI)，二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)等绝缘材料。
图7为本发明实施例一个实现方式的隔离传输结构的线圈布置示意图。如图7所示，所述隔离传输结构包括第一绕组71、第一绕组72、第二绕组73和第二绕组74。其中，所述各第一绕组和各第二绕组均为沿顺时针方向卷绕的平面线圈，第一绕组71与第一绕组72并排设置，第二绕组73与第二绕组74并排设置，第一绕组71与对应的第二绕组73垂直相对设置，第一绕组72与对应的第二绕组74垂直相对设置。应当理解，在实际应用过程中，所布置绕组的数量和线圈的卷绕方向可以根据实际需求进行调整。
图8为本发明实施例的另一个实现方式的隔离传输结构的线圈布置示意图。如图8所示，所述隔离传输结构包括第一绕组81和第二绕组82。其中，所述第一绕组81和第二绕组82均为平面线圈，所述第一绕组81包括沿所述预定方向卷绕的第一部分811和在所述第一部分并排区域内沿预定方向卷绕的第二部分812，所述第二绕组82包括沿所述预定方向卷绕的第一部分821和在第一部分并排区域内沿所述预定方向卷绕的第二部分822，所述预定方向为顺时针方向。应当理解，在实际应用过程中，绕组的数量和线圈的卷绕方向可以根据实际需求进行调整。
本发明实施例的数字隔离器元件包括第一芯片和与所述第一芯片电连接的第二芯片。其中，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，所述第二芯片包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路。所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号。所述数字隔离器元件通过将编码电路或解码电路中的一个与隔离传输结构以纵向重叠的方式形成在同一衬底上，并将编码电路或解码电路中的另一个形成在与第一衬底分离的第二衬底上，可以实现在不影响数字隔离器性能的前提下，提高衬底利用率，减小芯片面积，降低芯片成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种数字隔离器元件，其特征在于，所述数字隔离器元件包括：
第一芯片，所述第一芯片包括第一衬底、形成于所述第一衬底上的第一电路、覆盖所述第一电路的电磁屏蔽结构以及设置于所述电磁屏蔽结构上的隔离传输结构，其中，所述第一电路为编码电路或解码电路之一，所述隔离传输结构用于以电气隔离方式传输编码信号；以及
第二芯片，与所述第一芯片电连接，包括与所述第一衬底分离的第二衬底以及形成于第二衬底上的第二电路，其中，所述第二电路为编码电路或解码电路中的另一个。
2.根据权利要求1所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述电磁屏蔽结构包括依次叠置的第一绝缘层、金属屏蔽层以及第二绝缘层。
3.根据权利要求2所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述金属屏蔽层为网状结构或片状结构。
4.根据权利要求1所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述隔离传输结构包括至少一个第一绕组，至少一个第二绕组，所述第一绕组与所述第一电路电连接，所述第二绕组与所述第二电路电连接。
5.根据权利要求4所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述隔离传输结构还包括覆盖所述第一绕组的第三绝缘层，所述第二绕组设置于所述第三绝缘层上，所述第一绕组与对应的第二绕组垂直相对设置。
6.根据权利要求5所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述第一绕组与所述第一电路通过通孔电连接，所述第二绕组与所述第二电路通过引线电连接。
7.根据权利要求5所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组均为平面线圈，所述第一绕组和所述第二绕组沿预定方向卷绕，所述预定方向为顺时针方向或逆时针方向。
8.根据权利要求5所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组均为平面线圈，所述第一绕组和所述第二绕组均包括沿所述预定方向卷绕的第一部分和在所述第一部分并排区域内沿所述预定方向卷绕的第二部分，所述预定方向为顺时针方向或逆时针方向。
9.根据权利要求1所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述隔离传输结构还包括覆盖所述第二绕组的绝缘层。
10.根据权利要求1所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述编码电路用于接收输入数字信号以及将所述输入数字信号转化为所述编码信号，所述解码电路用于接收所述编码信号以及将所述编码信号转化为与所述输入数字信号一致的输出数字信号。
11.根据权利要求1所述的数字隔离器元件，其特征在于，所述隔离传输结构与所述第一电路纵向重叠。
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