CN118073330A - 用于隔离器的微型变压器 - Google Patents

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佐藤哲雄
野邑由起夫
J·E·文森
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Abstract

描述了用于实现隔离器的半导体器件。该半导体器件可以包括第一芯片，该第一芯片包括至少第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第一芯片中的第一绝缘体隔离。半导体器件还可以包括第二芯片，该第二芯片包括至少第三线圈和第四线圈，第三线圈和第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第二芯片中的第二绝缘体隔离。半导体器件可以包括将第一芯片中的第二线圈连接到第二芯片中的第四线圈的至少一个接合导线。

Description

用于隔离器的微型变压器
背景技术
本公开总体上涉及半导体器件。更具体地，本公开涉及一种包括分离的发射芯片和接收芯片的微型变压器。
隔离元件或隔离器可以是用于在具有不同参考电压电平的电路块之间进行信号传输的器件。隔离器的一些示例可以包括光耦合器、电感器耦合的隔离器、电容器耦合的隔离器或其他类型的隔离器。在一个方面，电感器耦合的隔离器使用一个线圈将电信号转换为磁性，然后让另一线圈将磁性转换为电信号，从而确保两个半导体器件之间的隔离。在一个方面，利用磁场的隔离器可以包括具有至少一个发射线圈和至少一个接收线圈的微型变压器。微型变压器可以通过IC后端工艺来制造。隔离器的性能可能受到诸如隔离器尺寸、抗噪声性、操作速度和硅集成电路(IC)工艺的亲和性等因素的影响。例如，微型变压器的隔离击穿电压可以取决于绝缘体的材料和线圈之间的厚度。
发明内容
在一个实施例中，总体上描述了一种用于实现隔离器的半导体器件。该半导体器件可以包括第一芯片，该第一芯片包括至少第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第一芯片中的第一绝缘体隔离。半导体器件还可以包括第二芯片，该第二芯片包括至少第三线圈和第四线圈，第三线圈和第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第二芯片中的第二绝缘体隔离。半导体芯片还可以包括将第一芯片中的第二线圈连接到第二芯片中的第四线圈的至少一个接合导线。
在一个实施例中，总体上描述了一种半导体器件。该半导体器件可以包括被配置为输出传输信号的发射器。半导体器件还可以包括接收器。半导体器件还可以包括隔离器，该隔离器包括第一芯片，该第一芯片包括至少第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第一芯片中的第一绝缘体隔离。隔离器还可以包括第二芯片，该第二芯片包括至少第三线圈和第四线圈，第三线圈和第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第二芯片中的第二绝缘体隔离。隔离器还可以包括将第一芯片中的第二线圈连接到第二芯片中的第四线圈的至少一个接合导线。隔离器可以被配置为从发射器接收传输信号并且向接收器输出传输信号。
在一个实施例中，总体上描述了一种电压调节器。该电压调节器可以包括被配置为输出传输信号的控制器。电压调节器还可以包括功率级，功率级包括被配置为驱动晶体管的驱动器。电压调节器还可以包括隔离器，该隔离器包括第一芯片，该第一芯片包括至少第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第一芯片中的第一绝缘体隔离。隔离器还可以包括第二芯片，该第二芯片包括至少第三线圈和第四线圈，第三线圈和第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由第二芯片中的第二绝缘体隔离。隔离器还可以包括将第一芯片中的第二线圈连接到第二芯片中的第四线圈的至少一个接合导线。隔离器可以被配置为从控制器接收传输信号并且向驱动器输出传输信号。
以上概述仅为说明性的，而非旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，另外的方面、实施例和特征将变得很清楚。在附图中，相似的附图标记表示相同或功能相似的元素。
附图说明
图1A是示出与发射器集成在同一芯片上的常规隔离器的图；
图1B是示出与发射器集成在同一芯片上的另一常规隔离器的图；
图2是示出根据本公开的用于隔离器的微型变压器的实施例的图；
图3是示出一个实施例中的用于隔离器的微型变压器的横截面的示例的图；
图4是示出根据本公开的用于隔离器的微型变压器的另一实施例的图；
图5是示出一个实施例中的可以验证用于隔离器的微型变压器的性能的示例环境的图；
图6是示出一个实施例中的在图5的环境下用于隔离器的微型变压器的示例性能的图；以及
图7是示出一个实施例中的用于隔离器的微型变压器的示例应用的图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了很多具体细节，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便于理解本申请的各个实施例。然而，本领域普通技术人员将理解，本申请的各种实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免混淆本申请，公知的结构或处理步骤没有详细描述。
图1A是示出与发射器集成在同一芯片上的常规隔离器的图。在图1A所示的一个方面，常规隔离器可以与发射器TX集成在发射器芯片(TX芯片)上。常规隔离器可以包括标记为线圈A的线圈和标记为线圈B的另一线圈。线圈A和线圈B可以在TX芯片上彼此竖直对准，其中线圈A可以被制造在TX芯片的顶部层上，并且线圈B可以被制造在TX芯片的底部层上。绝缘体可以位于线圈A与线圈B之间，以隔离线圈A和线圈B。一组导线可以将线圈A连接到被制造在接收器芯片(RX芯片)上的比较器。在另一示例性常规配置中，图1A所示的常规隔离器可以集成在RX芯片中，而不是TX芯片中。在这种情况下，比较器可以连接到底部层线圈B，并且TX芯片发射器可以驱动顶部层线圈A。
线圈A和线圈B可以定位在特定竖直距离内(例如，由线圈A与线圈B之间的绝缘体的厚度定义)，使得它们可以电感耦合以形成变压器。当信号从发射器TX传输到线圈B时，电流可以流过线圈B，从而产生磁场ΦB。由于线圈A与线圈B之间的电感耦合，磁场ΦB可以在线圈A上感应电压V'sig作为输出信号，并且将其提供给RX芯片中的比较器。噪声电压ΔVn会由不同于ΦB的外部磁场ΦBN产生。当噪声电压ΔVn被施加在线圈A上时，误差可能被插入发送到RX芯片的比较器的输出信号中。
图1B是示出与发射器集成在同一芯片上的另一常规隔离器的图。在图1B所示的一个方面，具有四个线圈的常规隔离器可以与发射器芯片(TX芯片)上的发射器TX集成。图1B中的常规隔离器可以包括四个线圈，标记为线圈A、线圈B、线圈C和线圈D。线圈A和线圈C可以被制造在TX芯片的顶部层上，并且可以被布置为形成类似数字“8”的形状。线圈B和线圈D可以被制造在TX芯片的底部层上，并且可以被布置为形成类似数字“8”的形状。线圈A和线圈B可以彼此竖直对准，并且线圈C和线圈D可以彼此竖直对准。绝缘体可以位于线圈A与线圈B之间以隔离线圈A和线圈B，并且位于线圈C与线圈D之间以隔离线圈C和线圈D。一组导线可以将线圈B连接到线圈D，并且至少一根导线可以将线圈A连接到线圈C。线圈A和线圈C可以连接到被制造在接收器芯片(RX芯片)上的比较器。在另一常规配置示例中，图1B所示的常规隔离器可以集成在RX芯片中，而不是TX芯片中。
线圈A和线圈B可以定位在特定竖直距离内，并且线圈C和线圈D可以定位在相同的特定竖直距离内(例如，由线圈A与线圈B之间以及线圈C与线圈D之间的绝缘体的厚度限定)。顶部层上的线圈A和线圈C、以及底部层上的线圈B和线圈D可以电感耦合以形成变压器。当信号从发射器TX传输到线圈B时，电流可以流过线圈B。由于线圈A与线圈B之间的电感耦合，正在传输的信号的电流可以产生具有从线圈B到线圈A的方向的磁场ΦB。磁场ΦB可以被施加到线圈C和线圈D，并且可以具有从线圈C到线圈D的方向。线圈A、线圈B、线圈C、线圈D可以具有相同尺寸和形状。线圈A、线圈B、线圈C和线圈D可以具有相同缠绕方向。线圈A和线圈B的线圈电流缠绕方向可以与线圈C和线圈D的线圈电流缠绕方向相反或相对。相同尺寸和不同线圈电流缠绕方向可能导致相对的磁场方向。磁场ΦB的相对方向可以向顶部线圈A和线圈C产生级联增益电压，并且电流可以从线圈A和C作为输出信号被输出到RX芯片中的比较器。
与ΦB不同的外部磁场ΦBN会产生噪声电压ΔVn。当噪声电压ΔVn被施加在线圈A和线圈C上时，误差可能被插入发送到RX芯片的比较器的输出信号中。图1B中的常规隔离器可以消除噪声电压ΔVn，但图1B所示的这种常规“8”形配置可能占用相对更多的板空间，并且限制隔离器和TX芯片布局的灵活性。
图2是示出根据本公开的用于隔离器的微型变压器的实施例的图。半导体封装200可以包括半导体芯片或集成电路(IC)202(“芯片202”)、半导体芯片或IC 203(“芯片203”)和隔离器201。芯片202、203中的每个可以被配置作为发射器芯片(例如，输出数据或信号的芯片)或接收器芯片(例如，接收数据或信号的芯片)。在图2所示的示例中，芯片202可以被配置作为发射器芯片，并且芯片203可以被配置作为接收器芯片。在一个实施例中，芯片202可以是电压调节器的控制器，并且芯片203可以是电压调节器中的多个功率级中的功率级。芯片202和芯片203可以具有不同参考电压电平，并且隔离器201可以促进芯片202与芯片203之间的信号传输。
隔离器201可以包括半导体芯片或集成电路(IC)210(“芯片210”)和半导体芯片或IC 220(“芯片220”)。芯片210可以包括至少两个线圈，诸如线圈211(或线圈L1)和线圈212(或线圈L2)。芯片220可以包括至少两个线圈，诸如线圈213(或线圈L3)和线圈214(或线圈L4)。线圈L1、L2、L3、L4中的每个可以是个体电感器或导线的绕组(例如，由诸如铜等导电材料组成)。此外，线圈L1、L2、L3、L4可以具有相同直径、相同线圈匝数和相同缠绕方向。
线圈L2可以被制造在芯片210的顶部层上，并且线圈L1可以被制造在芯片210的底部层上。线圈L1和线圈L2可以彼此竖直对准，并且绝缘体(例如，芯片210的芯)可以位于线圈L1与L2之间以隔离线圈L1和线圈L1。线圈L4可以被制造在芯片220的顶部层上，并且线圈L3可以被制造在芯片220的底部层上。线圈L3和线圈L4可以彼此竖直对准，并且绝缘体(例如，芯片220的芯)可以位于线圈L3与线圈L4之间以隔离线圈L3和线圈L4。顶部层上的线圈L2和线圈L4、以及底部层上的线圈L1和线圈L3可以电感耦合以形成变压器。
芯片210中的线圈L2和芯片220中的线圈L4可以通过至少两个接合导线207a、207b电耦合。线圈L2可以包括中心焊盘223和端子焊盘224，并且线圈L4可以包括中心焊盘227和端子焊盘228。中心焊盘223、227和端子焊盘224、228可以是由导电材料形成的触点。接合导线207a可以将中心焊盘223连接到中心焊盘227，并且接合导线207b可以将端子焊盘224连接到端子焊盘228。
当编码数据的信号(诸如传输信号205)从芯片202传输到线圈L1时，由传输信号205产生的电流I可以流过线圈L1。在一个实施例中，芯片202可以包括放大器204，放大器204被配置为接收传输信号205并且将传输信号205作为差分信号输出到线圈L1。在一个实施例中，放大器204可以是差分放大器。由于线圈L2与线圈L1之间的电感耦合，电流I可以激励线圈L2，激励电压V'可以被施加在线圈L2上，并且具有从线圈L1到线圈L2的方向的磁场ΦB可以被产生。励磁电压V'可以产生电流I'，并且线圈L2可以向线圈L4输出电流I'。流过线圈L4的电流I'可以激励线圈L3，激励电压V'可以被施加在线圈L3上，并且具有从线圈L4到线圈L3的方向的磁场ΦB'可以被产生。由激励电压V”产生的电流可以被输出到芯片203。在一个实施例中，芯片220可以包括比较器208，比较器208被配置为从线圈L3接收由激励电压V”产生的电流。在一个实施例中，比较器208可以是被实现为感测比较器的NPN差分放大器。比较器208可以输出接收信号206，其中接收信号206可以不同于传输信号205，诸如由于变换频率通带和隔离器201中的噪声而具有不同波形、幅度和/或相位。
在一个实施例中，线圈L1的厚度可以大于线圈L2的厚度，并且线圈L3的厚度可以小于线圈L4的厚度。线圈L1和线圈L3可以具有相同厚度，并且线圈L2和线圈L4可以具有相同厚度。线圈L2的宽度(例如，导线宽度)可以小于线圈L1的宽度，并且线圈L4的宽度可以小于线圈L3的宽度。线圈L1和线圈L3可以具有相同宽度，并且线圈L2和线圈L4可以具有相同宽度。由于线圈L1的宽度较大，线圈L1的导线之间的间隔可以小于线圈L2的导线之间的间隔。线圈L1和线圈L3可以具有相同间隔。由于线圈L3的宽度较大，线圈L3的导线之间的间隔可以小于线圈L4的导线之间的间隔。线圈L2和线圈L4可以具有相同间隔。因此，芯片210和芯片220的大小、形状、尺寸、缠绕方向可以是对称的。
不同于ΦB和ΦB'的外部磁场ΦBN可以被施加，并且从而产生噪声电压ΔVn。由于芯片210、220之间的对称性，线圈L2和线圈L4可以在中心焊盘223与端子焊盘224之间以及在中心焊盘227与端子焊盘228之间激励相同电压，并且施加到芯片210、220的噪声磁场ΦBN可以具有相同方向。相同的励磁电压可以抵消由外部磁场ΦBN产生的噪声电压ΔVn。
在一个实施例中，芯片210、220中的每个可以是多层半导体器件。芯片210、220的击穿电压和隔离器201的总击穿电压可以取决于被用于制造芯片210、220的绝缘体材料和后端工艺。在一个方面，二氧化硅(SiO2)可以是用作用于制造隔离器(诸如隔离器201)的多层后端工艺的绝缘体的材料。SiO2的击穿电压可以约为每微米450伏(V/μm)，这使得多层器件能够实现约4千伏(kV)至4kV的击穿电压。然而，一些应用可能需要高于击穿电压的峰值隔离电压。
芯片210、220中的每个可以是通过双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺而制造的多层半导体器件。芯片210、220的厚度可以限定隔离器201的击穿电压。如果用于制造芯片210的BiCMOS工艺具有大约4千伏峰值(4kVp)的击穿电压，并且芯片220是使用相同的后端BiCMOS工艺制造的，则基于芯片210、220的级联配置(例如，使用接合导线207a、270b的电连接)，隔离器201的总击穿电压可以是大约八kVp(8kVp)。
因此，与常规隔离器(诸如图1A所示的常规隔离器)相比，隔离器201的芯片210、220的级联连接可以增加(例如，加倍)隔离器201的总击穿电压。此外，与常规隔离器(诸如图1A所示的常规隔离器)相比，芯片210、220的对称性可以改善噪声消除。此外，将线圈分离成不同芯片210、220并且使线圈与发射器和接收器(例如，芯片202、203)分离可以在隔离器201和/或半导体封装200的布局和尺寸方面提供灵活性。因此，隔离器201可以提供增加的击穿电压以及布局和器件尺寸的灵活性。
在一个方面，隔离器中的另一噪声因素可以是动态共模瞬态干扰(D-CMTI)。D-CMTI可以是指对由微型变压器(例如，隔离器中的变压器)的发射器与接收器接地之间馈送的电压引起的高转换速率噪声电压的抗扰度。当耦合在一起时，这种高转换速率噪声电压可以在隔离器的线圈之间传输杂散电容。为了改善D-CMTI，需要减少耦合，并且可以最小化线圈端接电阻和杂散电阻以减少耦合。与常规隔离器(例如，图1A和图1B中的常规隔离器)相比，隔离器201的配置可以减少线圈之间的杂散电容。杂散电容的减少可以提高(例如，增加)D-CMTI水平。例如，如果杂散电容减半，则D-CMTI可以加倍。
图3是示出一个实施例中的用于隔离器的微型变压器的横截面的示例的图。在图3中，示出了图2的隔离器201中的芯片220的横截面230。线圈L4可以被制造在芯330的最顶部层上，并且线圈L3可以被制造在芯330的最底部层上。芯330可以是隔离线圈L4和线圈L3的绝缘体。在图3所示的实施例中，线圈L4可以具有宽度(例如，导线宽度)W1，并且线圈L4的导线之间的间隔可以是S1。线圈L3可以具有宽度W2，并且线圈L3的导线之间的间隔可以是S2。W2可以大于W1并且S2可以小于S1。线圈L4可以比线圈L3厚。例如，线圈L4可以具有厚度T1，并且线圈L3可以具有厚度T2，其中T2小于T1。在一个方面，由于多层半导体工艺的顶部层具有相对低于薄层电阻底部层的薄层电阻，因此线圈L4(例如，顶部线圈)具有大于线圈L3(例如，底部线圈)的厚度。
在图3所示的实施例中，芯片220的线圈L4、L3可以被设计为具有不同宽度和间隔，并且线圈宽度和间隔的总和相同。例如，W1+S1可以等于W2+S2。与常规隔离器(诸如图1A和图1B所示的常规隔离器)中的线圈相比，线圈L3可以具有相对较低的杂散电阻。线圈L3处较低的杂散电阻也可能导致较低的端接电阻。因此，将底部线圈(例如，线圈L3)设计为具有不同宽度和间隔(例如，更大的宽度和更小的间隔)可以改善D-CMTI。
在一个实施例中，隔离器201中的芯片210的横截面可以与图3所示的横截面230相同，其中线圈L2可以被制造在芯片210的芯或绝缘体的最顶部层上，并且线圈L1可以被制造在芯片210的芯的最底部层上。线圈L2可以具有宽度(例如，导线宽度)W1，并且线圈L2的导线之间的间隔可以是S1。线圈L1可以具有宽度W2，并且线圈L1的导线之间的间隔可以是S2。W2可以大于W1，并且S2可以小于S1。线圈L2可以比线圈L1厚。例如，线圈L2可以具有厚度T1，并且线圈L1可以具有厚度T2，其中T2小于T1。在一个方面，由于多层工艺要求，线圈L2(例如，顶部线圈)具有大于线圈L1(例如，底部线圈)的厚度。
在一个方面，电磁干扰(EMI)可以从隔离器201发射到其他组件(例如，在半导体封装200中)。为了减少潜在的EMI传输，驱动芯片210(参见图2)中的线圈L1的电流I可以被最小化(例如，到大约8毫安(mA))。
图4是示出根据本公开的用于隔离器的微型变压器的另一实施例的图。图4所示的隔离器201(参见图2)的一个实施例可以是双级联变压器隔离器。在一个实施例中，芯片210、220中的每个可以具有相应击穿电压。芯片210、220的组合击穿电压可以大于芯片210、220的每个相应击穿电压。为了进一步增加隔离器201的击穿电压，可以向隔离器201添加类似于芯片210、220的附加芯片。图4所示的隔离器201的实施例包括芯片400，该芯片400可以集成在图2的半导体封装200中，并且芯片400可以连接到芯片220。在图4所示的实施例中，芯片400(而不是芯片220)可以包括比较器208。
可以在芯片220中添加附加线圈，以允许芯片400连接到例如隔离器201中的芯片220以形成双级联变压器隔离器。在图4所示的实施例中，芯片220还可以包括线圈401(L5)和线圈402(L6)，以便芯片220连接到芯片400。线圈L5、L6中的每个可以是个体电感器或导线的绕组(例如，由诸如铜等导电材料组成)。此外，线圈L5、L6可以具有与线圈L1、L2、L3、L4相同的直径、相同的线圈匝数和相同的缠绕方向。
线圈L6可以被制造在芯片220的顶部层上，并且线圈L5可以被制造在芯片220的底部层上。线圈L5和线圈L6可以彼此竖直对准，并且绝缘体(例如，芯片220的芯)可以位于线圈L5与线圈L6之间以隔离线圈L5和线圈L6。线圈L5可以被制造在与线圈L3相同的层上，并且线圈L6可以被制造在与线圈L4相同的层上。线圈L5可以具有与线圈L3相同的厚度，并且线圈L6可以具有与线圈L4相同的厚度。线圈L6可以具有大于线圈L5的厚度，并且线圈L5可以具有大于线圈L6的导线宽度。线圈L3可以电连接到芯片220中的线圈L5。在一个实施例中，一对连接图案409可以将线圈L3的中心焊盘(例如，导电触点)连接到线圈L5的中心焊盘，并且将线圈L3的端子焊盘(例如，导电触点)连接到线圈L5的端子焊盘。
芯片400可以包括线圈403(L7)和线圈404(L8)。线圈L7、L8中的每个可以是个体电感器或导线的绕组(例如，由诸如铜等导电材料组成)。线圈L7、L8可以具有与线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6相同的直径、相同的线圈匝数和相同的缠绕方向。线圈L8可以被制造在芯片400的顶部层上，并且线圈L7可以被制造在芯片400的底部层上。线圈L7和线圈L8可以彼此竖直对准，并且绝缘体(例如，芯片400的芯)可以位于线圈L7与线圈L8之间以隔离线圈L7和线圈L8。线圈L7可以具有与线圈L1、L3、L5相同的厚度，并且线圈L8可以具有与线圈L2、L4、L6相同的厚度。线圈L8可以具有大于线圈L7的厚度，并且线圈L7可以具有大于线圈L8的导线宽度。线圈L8可以电连接到芯片220中的线圈L6。接合导线407a可以将线圈L6的中心焊盘(例如，导电触点)连接到线圈L8的中心焊盘，并且另一接合导线407b可以将线圈L6的端子焊盘(例如，导电触点)连接到线圈L8的端子焊盘。
图5是示出一个实施例中的可以评估用于隔离器的微型变压器的性能的示例环境500的图。环境500可以是测试环境，其可以由适合于测试和/或评估隔离器201的性能的测试装置或设备来实现。环境500可以包括输入级505、输出级515、电压源535(例如，Vcc电压源)和电压源536。输入级505可以模拟发射器，并且输出级515可以模拟接收器。测试信号可以在输入端子531处被输入到环境500并且从输出端子532被输出。输入端子531可以被连接到提供测试信号的信号发生器，并且输出端子532可以被连接到示波器，示波器可以生成在环境500的不同节点处测量的信号的波形。
在一个方面，高CMTI或D-CMTI可以保护使用隔离器201的系统或器件免受不期望的外部电压的影响。此外，诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件等宽带隙器件(例如，宽带隙晶体管)可能需要高D-CMTI性能隔离器。为了评估隔离器201的D-CMTI性能或高转换速率阻挡性能，高转换速率电压源530可以被插入在参考接地节点533与参考接地节点534之间。参考接地节点533和参考接地节点534可以彼此隔离。电压源530的电压转换速率水平可以是例如每微秒100至200千伏(kV/μ秒)。电压源530可以模拟不期望的外部电压，诸如由雷电、点火噪声等产生的浪涌电压。使用电压源530对高转换速率电压的模拟可以评估隔离器201的D-CMTI性能，诸如评估隔离器201阻挡由电压源530产生的高转换速率电压的能力(例如，最小化高转换速率电压对从输入端子531传输到输出端子532的测试信号的影响)。
图6是示出一个实施例中的在图5的环境下用于隔离器的微型变压器的示例性能的图。图6示出了由电压源530(参见图5)产生的信号、输入端子531处的输入信号(例如，测试信号)、图5中的隔离器201的输出(例如，到输出级515)、以及来自输出端子532的输出信号的波形。输入端子处的输入信号可以是脉宽调制(PWM)信号。隔离器201的输出可以是输入端子531处的输入PWM信号的数字调制波形。当由电压源530产生的信号变为高(例如，从0V变为大约2kV)时，隔离器201的输出可能产生失真信号(例如，如图6中的波动信号所示)，但电压电平保持在2.5±2.0V(例如，0.5V～4.5V)的可接受范围内。即使电压源530引入外部电压，来自输出端子532的输出信号类似于输入端子531处的输入PWM信号，具有可能的延迟。因此，隔离器201可以以最小误差再现输入信号。
图7是示出一个实施例中的用于隔离器的微型变压器的示例应用的图。在图7所示的示例中，装置700可以是功率器件，诸如半桥降压转换器，并且装置700可以将相对较高的输入电压转换为相对较低的电压。装置700可以包括控制器702和至少一个电压调节器或功率级，诸如功率级706。在一个实施例中，装置700可以由半导体器件或封装来实现，其中控制器702、隔离器201和功率级706是不同半导体IC或分立器件。每个功率级可以包括一对晶体管，诸如图7所示的功率级706的晶体管Q1、Q2。在一个实施例中，晶体管Q1、Q2中的至少一个可以是高击穿和高开关速度晶体管，诸如SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。功率级706可以包括高压侧部分710和低压侧部分720。高压侧部分710可以包括高压侧驱动器714和晶体管Q1。低压侧部分720可以包括低压侧驱动器724和晶体管Q2。控制器702可以被配置为使用脉宽调制(PWM)信号来控制功率级706，以交替地切换晶体管Q1、Q2，以将输入电压Vin转换为可以被提供给负载704的输出电压Vout。
一个或多个隔离器可以连接在控制器702与功率级706之间。在一个实施例中，一个隔离器201可以连接在控制器702与高压侧驱动器714之间，而另一隔离器201可以连接在控制器702与低压侧驱动器724之间。隔离器201可以连接在控制器702与功率级706的驱动器之间，以将信号从控制器702传输到连接的驱动器，以适应控制器702与功率级706之间的不同参考电压电平。控制器702可以被配置为使用脉宽调制(PWM)信号来控制功率级706，以交替地切换晶体管Q1、Q2，以将输入电压Vin转换为可以被提供给负载704的输出电压Vout。
在一个示例中，控制器702的参考电压可以是0V，并且低压侧部分720也可以是0V。但是高压侧部分710可以是VSW节点电压。VSW节点电压可以以相对较高的速度从0切换到Vin(例如，如果Q1和Q2是高切换速度晶体管)。本文中描述的隔离器201可以被实现为适应高击穿电压器件并且提供高D-CMTI。诸如SiC MOSFET等宽带隙器件可能需要相对更高的击穿电压和开关速度。高压侧接口隔离器201a输入参考电压可以是0V，并且输出参考电压是VSW。VSW电压可以以相对较高的速度从0切换到Vin。如果Q1、Q2是SiC MOSFET器件，则开关转换速率可以是50～100kV/μsec。因此，隔离器201a可以提供高的D-CMTI，诸如超过100kV/μsec。否则，VSW开关信号将作为噪声被反馈给隔离器输入信号，并且产生互调PWM输入信号。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，而非旨在限制本发明。如本文中使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也应当包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组的存在或添加。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件(如果有)的对应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元素相结合来执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明公开的实施例是为了说明和描述的目的而提出的，但并不旨在穷举或限制本发明的公开形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，很多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是很清楚的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解本发明的各种实施例，这些实施例具有适合于预期的特定用途的各种修改。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：
第一芯片，包括至少第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第一芯片中的第一绝缘体隔离；
第二芯片，包括至少第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和所述第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第二芯片中的第二绝缘体隔离；以及
至少一个接合导线，将所述第一芯片中的所述第二线圈连接到所述第二芯片中的所述第四线圈。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述第一线圈被制造在所述第一绝缘体的底部层上；
所述第二线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第一绝缘体的顶部层上；
所述第三线圈被制造在所述第二绝缘体的底部层上；并且
所述第四线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第二绝缘体的顶部层上。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈中的每个线圈具有螺旋形状；并且
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同直径、相同线圈匝数和相同缠绕方向。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的中心处的第一焊盘；
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的端子处的第二焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的中心处的第三焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的端子处的第四焊盘；
所述至少一个接合导线包括将所述第一焊盘连接到所述第三焊盘的第一接合导线；并且
所述至少一个接合导线包括将所述第二焊盘连接到所述第四焊盘的第二接合导线。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一芯片和所述第二芯片形成实现隔离器的变压器。
6.根据权利要求1所述的半导体，其中：
所述第二线圈的厚度大于所述第一线圈的厚度；
所述第四线圈的厚度大于所述第三线圈的厚度；
所述第一线圈的宽度大于所述第二线圈的宽度；并且
所述第三线圈的宽度大于所述第四线圈的宽度。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第三线圈的输出端子被连接到NPN差分比较器。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括第三芯片，其中：
所述第二芯片包括第五线圈和第六线圈，所述第五线圈和所述第六线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第二芯片中的所述第二绝缘体隔离；
所述第三线圈电连接到所述第五线圈；
所述第三芯片包括第七线圈和第八线圈，所述第七线圈和所述第八线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第三芯片中的第三绝缘体隔离；并且
接合导线将所述第二芯片中的所述第六线圈连接到所述第三芯片中的所述第八线圈。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述第一芯片、所述第二芯片和所述第三芯片形成实现隔离器的变压器。
10.一种半导体器件，包括：
发射器，被配置为输出传输信号；
接收器；
隔离器，包括：
第一芯片，包括至少第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第一芯片中的第一绝缘体隔离；
第二芯片，包括至少第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和所述第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第二芯片中的第二绝缘体隔离；以及
至少一个接合导线，将所述第一芯片中的所述第二线圈连接到所述第二芯片中的所述第四线圈；
其中所述隔离器被配置为：
从所述发射器接收所述传输信号；以及
向所述接收器输出所述传输信号。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述发射器是电压调节器的控制器，并且所述接收器是所述电压调节器的驱动器。
12.根据权利要求10所述的半导体器件，其中：
所述第一线圈被制造在所述第一绝缘体的底部层上；
所述第二线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第一绝缘体的顶部层上；
所述第三线圈被制造在所述第二绝缘体的底部层上；并且
所述第四线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第二绝缘体的顶部层上。
13.根据权利要求10所述的半导体器件，其中：
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈中的每个线圈具有螺旋形状；
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同直径；
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同线圈匝数；并且
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同缠绕方向。
14.根据权利要求10所述的半导体器件，其中：
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的中心处的第一焊盘；
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的端子处的第二焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的中心处的第三焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的端子处的第四焊盘；
所述至少一个接合导线包括将所述第一焊盘连接到所述第三焊盘的第一接合导线；并且
所述至少一个接合导线包括将所述第二焊盘连接到所述第四焊盘的第二接合导线。
15.根据权利要求10所述的半导体，其中：
所述第二线圈的厚度大于所述第一线圈的厚度；
所述第四线圈的厚度大于所述第三线圈的厚度；
所述第一线圈的宽度大于所述第二线圈的宽度；并且
所述第三线圈的宽度大于所述第四线圈的宽度。
16.根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述第三线圈的输出端子被连接到NPN差分比较器。
17.根据权利要求10所述的半导体器件，其中：
所述隔离器还包括第三芯片；
所述第二芯片包括第五线圈和第六线圈，所述第五线圈和所述第六线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第二芯片中的所述第二绝缘体隔离；
所述第二线圈电连接到所述第四线圈；
所述第三线圈电连接到所述第五线圈；
所述第三芯片包括第七线圈和第八线圈，所述第七线圈和所述第八线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第三芯片中的第三绝缘体隔离；并且
接合导线将所述第二芯片中的所述第六线圈连接到所述第三芯片中的所述第八线圈。
18.一种电压调节器，包括：
控制器，被配置为输出传输信号；
功率级，包括被配置为驱动晶体管的驱动器；
隔离器，包括：
第一芯片，包括至少第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第一芯片中的第一绝缘体隔离；
第二芯片，包括至少第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和所述第四线圈以竖直对准的方式磁耦合并且由所述第二芯片中的第二绝缘体隔离；以及
至少一个接合导线，将所述第一芯片中的所述第二线圈连接到所述第二芯片中的所述第四线圈；
其中所述隔离器被配置为：
从所述控制器接收所述传输信号；以及
向所述驱动器输出所述传输信号。
19.根据权利要求18所述的电压调节器，其中：
所述第一线圈被制造在所述第一绝缘体的底部层上；
所述第二线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第一绝缘体的顶部层上；
所述第三线圈被制造在所述第二绝缘体的底部层上；
所述第四线圈使用顶部金属层工艺被制造在所述第二绝缘体的顶部层上；
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的中心处的第一焊盘；
所述第二线圈包括位于所述第二线圈的端子处的第二焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的中心处的第三焊盘；
所述第四线圈包括位于所述第四线圈的端子处的第四焊盘；
所述至少一个接合导线包括将所述第一焊盘连接到所述第三焊盘的第一接合导线；并且
所述至少一个接合导线包括将所述第二焊盘连接到所述第四焊盘的第二接合导线。
20.根据权利要求18所述的电压调节器，其中：
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈中的每个线圈具有螺旋形状；
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同直径；
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同线圈匝数；
所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈具有相同缠绕方向；
所述第二线圈的厚度大于所述第一线圈的厚度；
所述第四线圈的厚度大于所述第三线圈的厚度；
所述第一线圈的宽度大于所述第二线圈的宽度；并且
所述第三线圈的宽度大于所述第四线圈的宽度。
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