DE102010063858B4

DE102010063858B4 - Signalübertragungsanordnung

Info

Publication number: DE102010063858B4
Application number: DE102010063858.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kanschat Peter; Dr. Wahl Uwe; Marcus Nuebling; Jens-Peer Stengl
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: US20110148549A1; DE102010063858A1; US8319573B2

Abstract

Signalübertragungsanordnung (1), die aufweist:Eingangsklemmen (11, 12) zum Zuführen eines Eingangssignals (Sin) und Ausgangsklemmen (13, 14) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (Sout);einen ersten Transformator (2) mit einer Primärwicklung (21) und einer Sekundärwicklung (22), wobei die Primärwicklung (21) an die Eingangsklemmen (11, 12) gekoppelt ist;wenigstens einen zweiten Transformator (3) mit einer Primärwicklung (31), wobei die Primärwicklung (31) an die Sekundärwicklung (22) des ersten Transformators (2) gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (32), die an die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt ist;einen ersten Halbleiterkörper (110);eine Dielektrikumsschicht (120), die die Primärwicklungen (21, 31) und die Sekundärwicklungen (22, 32) des ersten Transformators (2) und des zweiten Transformators (3) jeweils voneinander isoliert und die auf dem ersten Halbleiterkörper (120) angeordnet ist; undeinen Isolationsgraben (123), der in der Dielektrikumsschicht (120) zwischen dem ersten Transformator (2) und dem zweiten Transformator (3) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalübertragungsanordnung, insbesondere eine Signalübertragungsanordnung zur Signalübertragung zwischen verschiedenen Spannungsdomänen.
Eine Spannungsdomäne wird durch eine Referenzspannung charakterisiert, auf die die Signale, welche in der Spannungsdomäne auftreten, bezogen sind. Für die Signalübertragung zwischen zwei Spannungsdomänen mit verschiedenen Bezugspotentialen ist eine Signalübertragungsanordnung notwendig, die zwar eine Übertragung von Signalen zwischen den zwei Spannungsdomänen erlaubt, jedoch einen Stromfluss zwischen den beiden Spannungsdomänen verhindert.
Die zwei Spannungsdomänen können mittels integrierter Halbleiterschaltungen implementiert werden. Eine Signalverarbeitungsanordnung, die zur Signalübertragung zwischen zwei solchen Spannungsdomänen geeignet ist, kann mittels integrierter Transformatoren, die auch als kernlose Transformatoren bekannt sind, realisiert werden. Ein kernloser Transformator weist eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf, wobei diese Wicklungen beabstandet zueinander angeordnet und durch ein Dielektrikum getrennt sind. Die maximale Spannungsdifferenz zwischen den zwei Spannungsdomänen, der der Transformator standhalten kann, ist abhängig von dem Abstand zwischen den Transformatorwicklungen und den Isolationseigenschaften des verwendeten Isolationsmaterials (der dielektrischen Schicht). Die maximale Spannungsdifferenz steigt mit zunehmendem Abstand. Die Dicken der dielektrische Schichten, wie beispielsweise Oxidschichten, die für hohe Spannungsdifferenzen benötigt werden, sind jedoch mit ausreichend hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit mittels Verfahren, die mit Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen kompatibel sind, schwer herstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Signalübertragungsanordnung bereitzustellen, die hohen Spannungsdifferenzen standhält und die mittels eines zur Herstellung integrierter Schaltungen kompatiblen Verfahrens hergestellt werden kann.
Die US 2005/0272378 A1 beschreibt eine Signalübertragungsanordnung mit einer ersten Sende- und Empfangsschaltung und einem ersten Transformator auf einem ersten Halbleiterchip und einer zweiten Sende- und Empfangsschaltung und einem zweiten Transformator auf einem zweiten Halbleiterchip, wobei der erste Transformator und der zweite Transformator elektrisch miteinander verbunden sind.
Die US 2009/0243028 A1 beschreibt eine Signalübertragungsanordnung mit einer ersten Sende- und Empfangsschaltung und einem ersten und zweiten Kondensator auf einem ersten Halbleiterchip und einer zweiten Sende- und Empfangsschaltung und einem dritten und vierten Kondensator auf einem zweiten Halbleiterchip. Der erste Kondensator auf dem ersten Halbleiterchip ist mit dem dritten Kondensator auf dem zweiten Halbleiterchip elektrisch verbunden und der zweite Kondensator auf dem ersten Halbleiterchip ist mit dem vierten Kondensator auf dem zweiten Halbleiterchip elektrisch verbunden.
Diese Aufgabe wird durch eine Signalübertragungsanordnung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 9 jeweils gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die beigefügten Figuren dienen dazu, ein besseres Verständnis verschiedener Ausführungsbeispiele zu vermitteln und sind Teil dieser Beschreibung. Die Figuren veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Ausführungsbeispiele zu erklären. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Ausführungsformen werden durch die folgende detaillierte Beschreibung bessere verständlich. Die Figuren sollen Hilfestellung leisten das grundlegende Prinzip zu verstehen, so dass lediglich Eigenschaften und Bestandteile, die zum Verständnis dieses grundlegenden Prinzips notwendig sind, veranschaulicht werden. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche, ähnliche oder äquivalente Komponenten.

1 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Signalübertragungsanordnung mit zwei Transformatoren.
2 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, die eine Signalverarbeitungsanordnung mit zwei Transformatoren aufweist.
3 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Anordnung aus 2.
4 veranschaulicht eine Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, die eine Signalübertragungsanordnung mit zwei Transformatoren aufweist.
5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung von Transformatoren auf einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat.
6 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, die eine Signalverarbeitungsanordnung mit zwei Transformatoren aufweist.
7 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, in der eine Signalverarbeitungsanordnung mit zwei Transformatoren angeordnet ist.
8 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer separaten Transformatoranordnung.
9 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer separaten Transformatoranordnung.
10 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sendeanordnung, die an Eingangsklemmen der Signalübertragungsanordnung gekoppelt ist.
11 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ozillatorschaltkreises des Sendeschaltkreises gemäß 10.
12 veranschaulicht eine schematisches Darstellung einer Signalübertragungsanordnung mit mehr als zwei Transformatoren.
13 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Signalübertragungsanordnung mit zwei Kondensatoren.
14 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, die eine Signalübertragungsanordnung mit zwei Kondensatoren aufweist.
15 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Kondensatorplatte eines Kondensators.
16 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Signalübertragungsanordnung.
17 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung, die eine Signalübertragungsanordnung gemäß 16 aufweist.

1 veranschaulicht schematisch eine Signalübertragungsanordnung zur Signalübertragung zwischen zwei Schaltkreisen, wie einer Sendeschaltung 5 und einer Empfängerschaltung 6.
Die Anordnung weist Eingangsklemmen 12 zum Zuführen eines Eingangssignals Sin und Ausgangsklemmen 13, 14 zum Bereitstellen eines Ausgangssignals Sout auf, wobei das Ausgangssignal Sout vom Eingangssignal Sin abhängig ist. Die Anordnung weist weiterhin erste und zweite Transformatoren 2, 3 auf, wobei jeder der Transformatoren 2, 3 eine Primärwicklung 21, 31 und eine Sekundärwicklung 22, 32 aufweist, wobei die Primärwicklung 21, 31 und die Sekundärwicklung 22, 32 jedes der Transformatoren 2, 3 induktiv miteinander gekoppelt sind.
Die Primärwicklung 21 des ersten Transformators 2 ist mit den Eingangsklemmen 11, 12 gekoppelt und die Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators 3 ist mit den Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt. Im folgenden werden die Primärwicklung 21 und die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators 2 als erste Primär- und Sekundärwicklungen und die Primärwicklung 31 und die Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators 3 als zweite Primär- und Sekundärwicklungen bezeichnet.
In dem Beispiel gemäß 1 ist die Primärwicklung 21 des ersten Transformators 2 elektrisch an die Eingangsklemmen 11, 12 und die Sekundärwicklung 32 des Transformators 3 elektrisch an die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Es können zusätzliche Schaltungskomponenten oder Schaltungen, beispielsweise Widerstände oder Verstärker, vorgesehen werden, die zwischen die Eingangsklemmen 11, 12 und die erste Primärwicklung 21 oder zwischen die zweite Sekundärwicklung 32 und die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt sind.
Die ersten und zweiten Transformatoren 2, 3 sind elektrisch dadurch miteinander gekoppelt, dass die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators 2 an die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators 3 gekoppelt ist. Zu diesem Zweck ist eine erste Klemme 23 der ersten Sekundärwicklung 22 an eine erste Klemme 33 der zweiten Primärwicklung 31 und eine zweite Klemme 24 der ersten Sekundärwicklung 22 ist an eine zweite Klemme 34 der zweiten Primärwicklung 31 gekoppelt. Die ersten Klemmen 23, 33 und die zweiten Klemmen 24, 34 können unmittelbar miteinander gekoppelt sein. Optional kann eine Verstärkerschaltung 4 zwischen die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators 2 und die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators 3 gekoppelt sein. Diese optionale Verstärkerschaltung 4 verstärkt Ausgangssignale des ersten Transformators 2 zu verstärkten Ausgangssignalen, die dem zweiten Transformator 3 zugeführt werden. Ausgangssignale des ersten Transformators 2 sind Spannungssignale, die zwischen der ersten und der zweiten Klemme 23, 24 der Sekundärwicklung 22 anliegen und Eingangssignale des zweiten Transformators 3 sind Spannungssignale, die zwischen der ersten und der zweiten Klemme 33, 34 der Primärwicklung 31 des zweiten Transformators 3 anliegen.
Die in 1 dargestellte Signalübertragungsanordnung ist geeignet zur Übertragung eines Spannungs- oder Stromssignals, beispielsweise des Eingangssignals Sin, von einer Sendeschaltung, wie der Schaltung 5 (dargestellt in gestrichelten Linien), zu einer zweiten Schaltung, wie der Empfängerschaltung 6 (dargestellt in gestrichelten Linien). Die in 1 dargestellte Signalübertragungsanordnung ist insbesondere dazu geeignet, Spannungssignale zwischen zwei Schaltungen mit verschiedenen Spannungsdomänen zu übertragen. Schaltungen, die verschiedene Spannungsdomänen aufweisen, sind Schaltungen, die auf verschiedene Referenzsspannungen bezogene Spannungssignale verarbeiten. Derartige Schaltungen mit verschiedenen Spannungsdomänen sind beispielsweise Schaltungen, die galvanisch entkoppelt sind und/oder Schaltungen, die durch eine Potentialbarriere voneinander „getrennt“ sind. Schaltungen, die galvanisch entkoppelt sind, sind beispielsweise eine Steuerschaltung, die ein Steuersignal für einen High-Side-Schalter erzeugt, und eine Treiberschaltung, der das Steuersignal zugeführt wird und die ein Treibersignal für den High-Side-Schalter bereitstellt. Ein anderes Beispiel für zwei galvanisch entkoppelte Schaltungen ist eine sekundärseitige Schaltung und eine primärseitige Schaltung in einem Schaltwandler, wie etwa einem Flyback-Wandler.
In der Übertragungsanordnung gemäß 1 wird dem ersten Transformator 2 an seiner Primärwicklung 21 das Eingangssignal Sin zugeführt, der ein erstes Zwischensignal V22 aus dem Eingangssignal Sin an seiner Sekundärwicklung 22 generiert. Dem zweiten Transformator 3 wird das Zwischensignal V22 an seiner Primärwicklung 31 zugeführt, der das Ausgangssignal Sout aus dem Zwischensignal V22 generiert. Optional wird das Zwischensignal V22 mittels einer optionalen Verstärkerschaltung 4, die zwischen die beiden Transformatoren 2, 3 gekoppelt ist, verstärkt.
Die Signalübertragungsanordnung gemäß 1 kann auf eine Vielzahl von Möglichkeiten realisiert werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Signalübertragungsanordnung ist in 2 veranschaulicht.
2 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung, in der die Signalübertragungsschaltung 1 integriert ist. Die Anordnung weist ein Substrat 110 und eine dielektrische Schicht 120, die auf dem Substrat 110 angeordnet ist, auf. Das Substrat 110 ist, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere ein Halbleitersubstrat, beispielsweise ein monokristallines Silizium-(Si)-, Siliziumkarbid-(SiC)- oder Galliumarsenid-(GaAs)-Substrat. Gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dient das Substrat 110 lediglich als Träger für die dielektrische Schicht 120. Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels sind integrierte Schaltungen, wie der optionale Verstärker 4, und Verbindungsleitungen, wie die Verbindungsleitungen, zwischen den beiden Transformatoren, in diesem Substrat 110 integriert.
Die beiden Transformatoren 2, 3 sind in der dielektrischen Schicht 120 angeordnet, wobei die ersten und zweiten Transformatoren 2, 3 beabstandet zueinander in lateraler Richtung der dielektrischen Schicht 120 angeordnet sind, und wobei die Primärwicklung 21, 31 und die Sekundärwicklung 23, 32 eines jeden der Transformatoren in vertikaler Richtung der dielektrischen Schicht 120 beabstandet zueinander angeordnet sind. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die dielektrische Schicht 120 auf der Oberfläche des Substrats 110 angeordnet. In diesem Zusammenhang ist eine vertikale Richtung der dielektrischen Schicht 120, eine Richtung die senkrecht zur Oberfläche des Substrats 110 verläuft, und eine laterale Richtung der dielektrischen Schicht 120 eine Richtung, die senkrecht zur vertikalen Richtung verläuft.
In der Anordnung gemäß 2 sind die Primär- und Sekundärwicklungen der Transformatoren 2, 3 planare Wicklungen. Das bedeutet, dass die einzelnen Windungen einer jeden dieser Wicklungen in derselben Ebene angeordnet sind. In der Anordnung gemäß 2 sind die Primärwicklung 21 des ersten Transformators 2 und die Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators 3 in derselben Ebene angeordnet, die im Folgende als erste Ebene bezeichnet wird. Darüber hinaus ist die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators 2 und die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators 3 in derselben Ebene angeordnet, die im Folgenden als zweite Ebene bezeichnet wird. Die erste Ebene ist eine Ebene nahe der Oberfläche 121 der dielektrischen Schicht 120, so dass die Klemmen der ersten Primärwicklung 21 und der zweiten Sekundärwicklung 32, die die Eingangsklemmen 11, 12 und die Ausgangsklemmen 13, 14 darstellen, über die Oberfläche 121 zugänglich sind. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Die Wicklungen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 und gemäß den Ausführungsbeispielen in den folgenden Figuren nahe der Oberfläche der dielektrischen Schicht 120 angeordnet sind, können auch in der dielektrischen Schicht 120 vergraben sein (zu anderen Wicklungen in vertikaler Richtung beabstandet) und mittels (nicht gezeigter) Durchführungen (vias), die mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt sind, kontaktiert werden.
Die erste Sekundärwicklung 22 und die zweite Primärwicklung 31 sind gemäß dem vorliegenden Beispiel in der dielektrischen Schicht 120 in der Nähe des Substrats 110 vergraben. Elektrische Verbindungen zwischen den Klemmen 23, 24 der ersten Sekundärwicklung 22 und den Klemmen 33, 34 der zweiten Primärwicklung 31 sind in das Substrat 110 integriert.
In 2 ist d1 ein Abstand in vertikaler Richtung zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen der zwei Transformatoren 2, 3, und d2 ist ein Abstand zwischen den beiden Transformatoren, d.h. der Abstand zwischen der ersten Primärwicklung 21 und der zweiten Sekundärwicklung 32 und der Abstand zwischen der ersten Sekundärwicklung 22 und der zweiten Primärwicklung 31, in lateraler Richtung.
Eine Spannung, die zwischen beliebigen Eingangsklemmen und beliebigen Ausgangsklemmen eines der beiden Transformatoren 2, 3 angelegt werden kann, ist von dem ersten Abstand d1 abhängig, wobei die maximale Sperrspannung mit zunehmendem ersten Abstand d1 ansteigt. Der zweite Abstand d2 ist identisch zu dem ersten Abstand d1 oder größer als der erste Abstand d1, d. h. d2>d1. Der zweite Abstand d2 liegt beispielsweise zwischen d1 und 20·d1, insbesondere zwischen 5·d1 und 10·d1.
In diesem Fall kann eine maximale Sperrspannung zwischen beliebigen Eingangsklemmen 11, 12 und beliebigen Ausgangsklemmen 13, 14 angelegt werden, die dem zweifachen der durch den ersten Abstand d1 gegebenen Sperrspannung entspricht.
Damit kann durch Bereitstellung zweier in Reihe geschalteter Transformatoren 2, 3 für eine gegebene Schichtdicke der dielektrischen Schicht 120 eine maximale Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Signalübertragungsanordnung erreicht werden, die das zweifache der maximalen Sperrspannung, die bei Verwendung von nur einem Transformator erreicht werden kann, beträgt. Daher kann für eine gegebene Schichtdicke der dielektrischen Schicht 120 eine Sperrspannung erreicht werden, die das zweifache der Sperrspannung bekannter Systeme beträgt. Die Erhöhung der Sperrspannung für eine gegebene Schichtdicke der dielektrischen Schicht 120 ist insbesondere wichtig, wenn die dielektrische Schicht 120 mittels bekannter Verfahrensschritte zur Herstellung dielektrischer Schichten im integrierten Schaltkreisen hergestellt wird. Solche dielektrischen Schichten sind beispielsweise abgeschiedene Oxidschichten. Es ist schwierig, derartige Schichten mit einer beliebigen gewünschten Schichtdicke herzustellen, wobei dünne Schichten mit einer Schichtdicke von etwa 1µm und 10µm einfacher mit einer gewünschten Schichtrobustheit und Zuverlässigkeit herstellbar sind.
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Anordnung aus 2 entlang einer horizontalen Schnittebene A-A, die die erste Primärwicklung 21 und die zweite Sekundärwicklung 32 schneidet. Die folgenden Erläuterungen bezüglich der ersten Primärwicklung 21 und der zweiten Sekundärwicklung 23 gelten sowohl für die erste Sekundärwicklung 22 als auch für die zweite Primärwicklung 31. In 3 sind die Wicklungen 21, 32 beispielsweise spiralförmige Wicklungen mit einer rechteckigen Geometrie. Die spiralförmigen Wicklungen können allerdings auch eine andere Geometrie, beispielsweise eine kreisförmige oder elliptische Geometrie, aufweisen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das eine bessere Isolation zwischen den zwei Transformatoren 2, 3 bietet. Bei dieser Anordnung erstreckt sich ein Graben 123 durch die dielektrische Schicht 120 bis hinunter zu dem Substrat 110. Dieser Graben 123 ist zwischen den beiden Transformatoren 2, 3 in der dielektrischen Schicht 120 angeordnet und ist optional mit Isolationsmaterial gefüllt. Das Füllmaterial ist beispielsweise so gewählt, dass es eine höhere Spannungsfestigkeit aufweist als das Material der dielektrischen Schicht 120. In diesem Fall kann der gegenseitige Abstand zwischen den beiden Transformatoren sogar bis unterhalb des ersten Abstandes (siehe d1 in 3) reduziert werden, ohne die maximale Sperrspannung zu reduzieren. Das Füllmaterial kann beispielsweise Glas sein.
4 veranschaulicht schematisch eine Sendeschaltung 5, die an die Eingangsklemmen 11, 12 gekoppelt ist, und eine Empfängerschaltung 6, die an die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt ist. Diese beiden Schaltungen 5, 6, die durch die Signalübertragungsanordnung 1 voneinander galvanisch entkoppelt sind, können mittels einer beliebigen bekannten Schaltungstechnologie, insbesondere mittels einer integrierten Schaltungstechnologie realisiert werden.
Die Wicklungen des ersten und zweiten Transformators 2, 3 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall oder einem hoch dotierten polykristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Polysilizium. Die Wicklungen können mittels einer beliebigen bekannten Technologie zur Herstellung planarer Wicklungen in einer dielektrischen Schicht hergestellt werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung der zwei Wicklungen der Transformatoren 2, 3 wird nun anhand der 5A bis 5D beschrieben. Die Transformatoren 2, 3, die gemäß des dargestellten Verfahrens hergestellt werden, werden mittels identischer Verfahrenschritte hergestellt. Das Verfahren ist jedoch auch geeignet zur Herstellung von lediglich einem Transformator auf dem Substrat.
Bezugnehmend auf 5A wird eine erste dielektrische Schicht 121 auf dem Substrat 110 abgeschieden, und Gräben 22', 31' werden in die erste dielektrische Schicht 121 geätzt. Die Gräben 22', 31' weisen die Geometrie der Wicklungen der Transformatoren 2, 3 auf.
Bezugnehmend auf 5B werden die Gräben 22' 31' mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt, wie einem Metall oder einem hoch dotierten polykristallinen Material, beispielsweise Polysilizium. Das elektrisch leitfähige Material in den Gräben 22', 31' bildet eine der Wicklungen der Transformatoren, beispielsweise die Sekundärwicklung 22 des Transformators 2 und die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators 3.
Bezugnehmend auf 5C wird eine zweite dielektrische Schicht 122 auf der ersten dielektrischen Schicht 121 abgeschieden, die die Wicklungen 22, 31 beinhaltet, und weitere Gräben 21', 32' werden in die zweite dielektrische Schicht 122 geätzt. Diese weiteren Gräben weisen die Geometrie weiterer Wicklungen der zwei Transformatoren, beispielsweise der Primärwicklung 21 des ersten Transformators und der Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators 3, auf.
Bezugnehmend auf 5D werden diese weiteren Gräben 21', 32' mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt, wobei das Füllmaterial die weiteren Wicklungen 21, 32 bildet.
Abhängig von dem Abstand d1 zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen eines Transformators können mehr als zwei dielektrische Schichten 121, 122 zur Bildung der dielektrischen Schicht 120 abgeschieden werden. In den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 4 sind die beiden Transformatoren 2, 3 in einer gemeinsamen dielektrischen Schicht, die auf einem gemeinsamen Substrat 110 angeordnet ist, realisiert. 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung, in der die ersten und zweiten Transformatoren 2, 3 in unterschiedlichen dielektrischen Schichten 220, 320 realisiert sind. Der erste Transformator 2 mit der ersten Primärwicklung 21 und der ersten Sekundärwicklung 22 ist in einer ersten dielektrischen Schicht 222 angeordnet, wobei die erste dielektrische Schicht 220 auf einem ersten Substrat 210, beispielsweise einem Halbleitersubstrat, angeordnet ist. Der zweite Transformator mit der zweiten Primärwicklung 32 und der zweiten Sekundärwicklung 33 ist in einer zweiten dielektrischen Schicht 320 angeordnet, wobei die zweite dielektrische Schicht 320 auf einem zweiten Substrat 310, beispielsweise einem Halbleitersubstrat, angeordnet ist. In dem Beispiel gemäß 5 ist die Sendeschaltung 5 (die lediglich schematisch gezeigt ist) in das erste Halbleitersubstrat 210 integriert und elektrisch mit der Primärwicklung 21 des ersten Transformators verbunden. In diesem Beispiel ist die erste Primärwicklung 21 in der dielektrischen Schicht in der Nähe des ersten Substrats 210 vergraben, während die erste Sekundärwicklung 22 in der Nähe einer Oberfläche 221 der ersten dielektrischen Schicht 220 angeordnet ist.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen der zwei Substrate 210, 310, die den Dielektrikumsschichten abgewandt sind, auf einem gemeinsamen Träger (nicht dargestellt) montiert. Zum elektrischen Verbinden der Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators und der Primärwicklung 31 des zweiten Transformators können Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bondleitungen, verwendet werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die beiden Halbleiteranordnungen mit den Substraten 210, 310 und den dielektrischen Schichten 220, 320 auf einer Leiterplatte montiert, wie beispielsweise auf einer Platine (engl. Printed Circuit Board, kurz PCB), so dass die dielektrischen Schichten 220, 320 in Richtung der Leiterplatte zeigen. Die Leiterplatte weist Kontaktklemmen und Verbindungsleitungen zwischen den Kontaktklemmen auf, wobei die beiden Anordnungen so auf die Leiterplatte montiert werden, dass die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators und die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators über die Verbindungsleitungen der Leiterplatte miteinander verbunden sind.
Die Empfängerschaltung 6 (die lediglich schematisch gezeigt ist) ist in dem zweiten Halbleitersubstrat 310 integriert und mit der Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung 32 des zweiten Transformators in der zweiten dielektrischen Schicht 320 in der Nähe des zweiten Substrates 310 vergraben. Die Primärwicklung 31 des zweiten Transformators ist in der Nähe der Oberfläche 321 der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die erste Sekundärwicklung 22 und die zweite Primärwicklung 31 sind elektrisch miteinander verbunden über die Verbindungsleitungen, die die Klemmen 23, 24 und 33, 34 dieser Wicklungen 22, 31 verbinden.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Transformatoren in zwei verschiedenen dielektrischen Schichten angeordnet sind: eine erste dielektrische Schicht 220, die auf einer ersten elektrisch isolierenden Trägerschicht 230 angeordnet ist; und eine zweite dielektrische Schicht 320, die auf einer zweiten elektrisch isolierenden Trägerschicht 330 angeordnet ist. Die erste Trägerschicht 230 ist auf einem ersten Halbleitersubstrat 210 angeordnet. Die erste Sendeschaltung 5 ist in dem ersten Halbleitersubstrat 210 integriert und ist mit der Primärwicklung 21 des ersten Transformators über Durchführungen 42, 43, die sich durch die erste Trägerschicht 230 erstrecken, verbunden. Die Durchführungen 42, 43 sind mit einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, gefüllt. Die erste Primärwicklung 21 ist in der ersten dielektrischen Schicht 220 vergraben und in der Nähe zu oder in Kontakt stehend mit der ersten Trägerschicht 230 angeordnet. Die zweite Sekundärwicklung 22 ist in der Näher einer Oberfläche 221 der ersten dielektrischen Schicht 220 angeordnet, wobei deren Klemmen 23, 24 mit den Klemmen 33, 34 der zweiten Primärwicklung 31 elektrisch verbunden sind. Die zweite Primärwicklung 31 ist in der zweiten dielektrischen Schicht 320 in der Nähe der Oberfläche dieser dielektrischen Schicht 320 angeordnet. Die zweite Sekundärwicklung 32 ist in der zweiten dielektrischen Schicht 320 in der Nähe oder in Kontakt stehend mit der zweiten Trägerschicht 330 vergraben. Die zweite Sekundärwicklung 32 ist über Durchführungen 41, 42, die sich durch die zweite Trägerschicht 330 erstrecken, mit der Empfängerschaltung 6 verbunden, die in dem zweiten Halbleitersubstrat 310 integriert ist.
Bei der Anordnung gemäß 7 können die Unteranordnungen, die die dielektrischen Schichten und die Trägerschichten beinhalten, getrennt von dem Halbleitersubstrat hergestellt werden. Nach der Herstellung des Halbleitersubstrats, beispielsweise nach der Integration der Sende- und/oder Empfängerschaltungen in dem Halbleitersubstrat, werden die Unteranordnungen mit den Trägerschichten und den dielektrischen Schichten und mit den Durchführungen, die sich durch die Trägerschichten erstrecken, auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
Die Transformatoranordnungen, beispielsweise die Anordnungen mit den dielektrischen Schichten 220, 320 und den Transformatorwicklungen 21, 22, 31, 32, die in oder auf den dielektrischen Schichten 220, 320 angeordnet sind, können getrennt von dem Halbleitersubstrat hergestellt werden. Die 8A bis 8B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer separaten Transformatoranordnung. In den 8A bis 8B ist ein Verfahren zur Herstellung des ersten Transformators 2, der in der dielektrischen Schicht 220 integriert ist, dargestellt. Dieses Verfahren kann jedoch in gleicher Weise auch zur Herstellung des zweiten Transformators 3 verwendet werden.
Bezugnehmend auf 8A wird ein dielektrisches Substrat 220 bereitgestellt. In diesem Substrat 220 werden Gräben 221', 222' an gegenüberliegenden Seiten hergestellt, wobei die Gräben die gewünschte Form der Primärwicklung 21 und der Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators, der in das dielektrische Substrat 220 integriert werden soll, aufweisen. Bezugnehmend auf 8B werden die Gräben mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Metall, gefüllt, wodurch die Transformatorwicklungen 21, 22 hergestellt werden.
Die Anordnung, die mittels dieses Verfahrens erhalten wird, kann dann auf ein Halbleitersubstrat montiert werden, wobei eine zusätzliche Trägerschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und dem dielektrischen Substrat 220 mit dem Transformator angeordnet werden kann.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) wird eine Anordnung mit einer Trägerschicht, beispielsweise die Trägerschichten 230, 330, und einem Transformator hergestellt, und zwar unter Verwendung der Verfahrensschritte, die unter Bezugnahme auf die 5A bis 5D veranschaulicht wurden, mit dem Unterschied, dass die dielektrischen Schichten 121, 122 auf der Trägerschicht statt auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden werden.
Die 9A bis 9C zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer separaten Transformatoranordnung. In den 9A bis 9C ist ein Verfahren zur Herstellung des ersten Transformators 2, der in die dielektrische Schicht 220 integriert ist, dargestellt. Dieses Verfahren kann jedoch auf gleiche Weise zur Herstellung des zweiten Transformators 3 verwendet werden.
Bezugnehmend auf 9A wird ein dielektrisches Substrat 220 bereitgestellt. Auf gegenüberliegenden Seiten dieses Substrats werden Transformatorwicklungen 21, 22 auflaminiert. Diese Wicklungen hergestellt können durch Abscheiden elektrisch leitfähiger Schichten auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 220 gefolgt von Verfahrenschritten zur Strukturierung dieser Schichten, um Wicklungen 21, 22 zu erhalten. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Wicklungen separat von dem dielektrischen Substrat 220 hergestellt und dann, beispielsweise durch Kleben, an dem Substrat 220 befestigt.
Bezugnehmend auf 9C können die Oberflächen des Substrats 220 durch Auffüllen der Lücken zwischen den Wicklungen 21, 22 mit dielektrischen Füllschichten 221, 222 planarisiert werden.
10 zeigt ein Blockdiagramm einer Sendeschaltung 5, die dazu geeignet ist, ein Eingangssignal Sin zur Übertragung über die Signalübertragungsanordnung bereitzustellen. Die Sendeschaltung 5 gemäß 10 beinhaltet eine Signalgenerierungsschaltung 51, die ein Übertragungssignal IN erzeugt. Das Übertragungssignal IN kann zwei verschiedene Signalpegel annehmen, die im Folgenden als Ein-Pegel und Aus-Pegel bezeichnet werden. Das Übertragungssignal IN wird einer Erregerschaltung 52 zugeführt, die das Eingangssignal Sin abhängig von dem Übertragungssignal IN erzeugt. Die Erregerschaltung 52 ist dazu ausgebildet, abhängig von dem Übertragungssignal IN ein oszillierendes Eingangssignal Sin zu erzeugen. Zu Zwecken der Erläuterung kann angenommen werden, dass die Erregerschaltung 52 ein oszillierendes Signal Sin erzeugt, wenn das Übertragungssignal IN sich auf einem Ein-Pegel befindet, und ein Eingangssignal Sin mit einer Amplitude von Null erzeugt, wenn das Übertragungssignal seinen Aus-Pegel annimmt.
Die Erregerschaltung 52 bildet mit den Transformatoren 2, 3 der Signalübertragungsanordnung einen Schwingkreis. Somit ist das Ausgangssignal (siehe Sout in 1) der Signalübertragungsanordnung 1 ebenfalls ein oszillierendes Signal, wenn das Eingangssignal Sin ein oszillierendes Signal ist. Wenn das Eingangssignal Sin eine Amplitude von Null aufweist, so hat auch das Ausgangssignal Sout eine Amplitude von Null. Verzögerungszeiten zwischen Änderungen des Eingangssignals Sin und entsprechenden Änderungen des oszillierenden Signals sind bei hoher Güte des Schwingkreises vernachlässigbar, da sie sich in einem Bereich von wenigen Nanosekunden bewegen. Durch Auswerten, ob das Ausgangssignal Sout eine Amplitude von Null aufweist oder ob das Ausgangssignal Sout ein oszillierendes Signal ist, kann der Pegel des Übertragungssignals Sin ermittelt werden, oder anders ausgedrückt: Ein Empfangssignal, das dem Übertragungssignal IN entspricht, kann aus dem Ausgangssignal Sout erzeugt werden.
Die Erregerschaltung 52 kann eine beliebige Schaltung sein die, zusammen mit den Transformatoren der Signalübertragungsanordnung 1, ein oszillierendes Signal erzeugt. Ein Ausführungsbeispiel der Erregerschaltung 52 ist in 11 veranschaulicht. Die Erregerschaltung gemäß 11 beinhaltet eine erste Kapazität 521, die parallel zu den Eingangsklemmen 11, 12 geschaltet ist. Die erste Kapazität 521 und die Transformatoren der Signalübertragungsanordnung bilden eine parallele Resonanzschaltung. Diese Resonanzschaltung wird durch eine Erregerstufe angeregt. Die Erregerstufe weist zwei Transistoren 524, 525 auf, deren Gateanschlüsse über Widerstände 522, 523 an einen Anschluss für eine Bias-Spannung (Vorspannung) V_BIAS angeschlossen sind. Der Gateanschluss eines ersten 524 dieser Transistoren ist an eine erste Klemme der ersten Kapazität 521 über eine zweite Kapazität 526 gekoppelt und das Gate eines zweiten 525 dieser Transistoren ist an einen zweiten Anschluss des ersten Kondensators 521 über einen dritten Kondensator 527 gekoppelt. Der Lastpfad des ersten Transistors 524 ist zwischen den zweiten Anschluss des ersten Kondensators 521 und eine Stromquelle 528 geschaltet, während der Lastpfad des zweiten Transistors 525 zwischen die erste Klemme der ersten Kapazität 521 und der Stromquelle 528 geschaltet ist. Die Stromquelle 528 kann über das Übertragungssignal IN ein- und ausgeschaltet werden. Zu diesem Zweck ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 ein Schalter 529 vorhanden, dem das Übertragungssignal IN zugeführt wird und der in Reihe zu der Stromquelle 528 geschaltet ist. Es kann jedoch ebenso jedes beliebige andere Schaltmittel zum Ein-oder Ausschalten der Stromquelle 528 angewendet werden. Die Erregerstufe wird aktiviert, wenn das Übertragungssignal IN seinen Ein-Pegel annimmt, d.h. wenn der Schalter 529 geschlossen ist. In diesem Fall versorgt die Erregerstufe die parallele Resonanzschaltung mit einem Strom, dessen Flussrichtung wechselt und erzeugt somit ein oszillierendes Eingangssignal Sin.
Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt lediglich von den Charakteristika des LC-Kreises, der durch die Transformatoranordnung 1 mit den wenigstens zwei Transformatoren 2, 3 und die Kapazität 521, die parallel zu den Eingangsklemmen 11, 12 geschaltet ist, gebildet wird. Die Zeitkonstanten des RC-Gliedes, das durch die Widerstände 522, 523 und die Kapazitäten 526, 527 gebildet wird, sollten größer sein als die Zeitkonstanten des LC-Gliedes. Abgesehen davon, beeinflussen die RC-Glieder die Resonanzfrequenz des Schwingkreises nicht.
Es ist selbstverständlich, dass die Erregerstufe, wie sie in der 11 dargestellt ist, lediglich ein Beispiel darstellt. Es kann ebenso jede andere Erregerstufe benutzt werden.
In 12 ist schematisch eine Signalübertragungsanordnung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind mehr als zwei Transformatoren in Reihe zwischen die Eingangsklemmen 11, 12 und die Ausgangsklemmen 13, 14 geschaltet. In dem Beispiel gemäß 12 sind drei Transformatoren dargestellt: ein erster Transformator 2 mit einer Primärwicklung 21, die an die Eingangsklemmen 11, 12 gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung 22; ein zweiten Transformator 3₁ mit einer Primärwicklung 31₁ mit Eingangsklemmen 33₁ , 34₁ , die an die Sekundärwicklung 22 des ersten Transformators gekoppelt sind, und mit einer Sekundärwicklung 32₁; ein dritter Transformator 3_n mit einer Primärwicklung 31_n mit Eingangsklemmen 31_n , 34_n , die an die Sekundärwicklung 31₂ des zweiten Transformators 3₁ gekoppelt sind, und mit einer Sekundärwicklung 32_n . Die Sekundärwicklung 32_n des dritten Transformators 3_n ist an die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt. Wie anhand punktierter Linien in 12 dargestellt ist, können weitere Transformatoren zwischen den zweiten Transformator 3₁ und den dritten Transformator 3_n gekoppelt werden. Optional sind Verstärkerschaltungen 4_a , 4_n zwischen zwei benachbarte Transformatoren in der kaskadierten Transformatorstruktur gemäß 12 geschaltet.
Die zuvor erläuterte Signalübertragungsanordnung weist wenigstens zwei Transformatoren auf, die kaskadiert sind und die dazu dienen, zwei Signalverarbeitungsschaltungen, beispielsweise eine Sende- und eine Empfängerschaltung 5, 6, galvanisch zu isolieren. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Transformatoren kann eine höhere Sperrspannungsfähigkeit erreicht werden als bei Verwendung von lediglich einem Transformator, wenn eine maximale Dicke einer dielektrischen Schicht, die zur Implementierung des Transformators angewendet wird, gegeben ist.
In 13 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Signalübertragungsanordnung 101 dargestellt. Die Signalübertragungsschaltung gemäß 13 hat einen Eingang 111 zum Anschließen einer ersten Signalverarbeitungsschaltung, wie beispielsweise einer Sendeschaltung 6, und einen Ausgang 113 zum Anschließen einer zweiten Signalverarbeitungsschaltung 1, wie beispielsweise einer Empfängerschaltung 5. Die Signalverarbeitungsschaltung gemäß 13 unterscheidet sich von der Signalverarbeitungsschaltung 1 gemäß den 1 bis 12 dadurch, dass die Signalverarbeitungsschaltung 101 wenigstens zwei Kondensatoren 102, 103 zur galvanischen Trennung der ersten und zweiten Signalübertragungsschaltungen 5, 6 aufweist. Die zwei Kondensatoren 102, 103 sind in Reihe zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen 111, 113 geschaltet. Jeder der zwei Kondensatoren 102, 103 hat eine erste und eine zweite Kondensatorplatte, wobei eine erste Kondensatorplatte 121 des ersten Kondensators 102 an die Eingangsklemme 111 und die zweite Kondensatorplatte 122 des zweiten Kondensators 103 an die Ausgangsklemme 113 gekoppelt ist. Die zweite Kondensatorplatte 122 des ersten Kondensators 102 und die erste Kondensatorplatte 121 des zweiten Kondensators 103 sind elektrisch miteinander gekoppelt.
Optional ist ein Verstärker 104 zwischen die zweite Kondensatorplatte 122 des ersten Kondensators 102 und die erste Kondensatorplatte 121 des zweiten Kondensators 103 geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die zweite Kondensatorplatte 122 des ersten Kondensators 102 und die erste Kondensatorplatte 121 des zweiten Kondensators 103 elektrisch über eine elektrisch leitfähige Leitung gekoppelt.
In der Signalübertragungsanordnung 101 gemäß 13 sind die Eingangs- und die Ausgangsklemmen 113 kapazitiv gekoppelt. Eine Änderung des Potentials an der Eingangsklemme 111 hat eine äquivalente Änderung des Potentials an der Ausgangsklemme 113 zur Folge. Daher hat eine vorzugsweise schnelle Spannungsänderung dV/dt an der Eingangsklemme 111 einen kapazitiven Strom an der Ausgangsklemme 113 zur Folge, der proportional zu dV/dt ist und der beispielsweise als Spannungsabfall über einem Widerstand detektierbar ist, wobei der Widerstand an Massepotential 114 der Empfängerschaltung 6 angeschlossen ist.
Die Signalübertragungsanordnung 101 ist ebenfalls zur Übertragung eines oszillierenden Eingangssignals Sin geeignet, wobei das oszillierende Eingangssignal zwischen die Eingangsklemme 111 und eine erste Klemme 112 für ein Referenzpotential angelegt wird. Ein an die Eingangsklemme 111 angelegtes Eingangssignal Sin hat ein oszillierendes Ausgangssignal Sout zur Folge, wobei das Ausgangssignal Sout zwischen der Ausgangsklemme 113 und einer Klemme 114 für ein zweites Referenzpotential anliegt. Das erste und zweite Referenzpotential können unterschiedlich sein.
Die Kondensatorplatten 121, 122 des ersten Kondensators 102 und die Kondensatorplatten 131, 132 des zweiten Kondensators 103 sind dielektrisch voneinander isoliert durch eine dielektrische Schicht, die im Folgenden als Kondensatordielektrikum bezeichnet wird. Eine maximale Spannung, der die Signalübertragungsanordnung 101 zwischen der Eingangs- und Ausgangsklemme 111, 113 bzw. der die Signalübertragungsanordnung 101 zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzpotential standhalten kann, ist durch die maximale Spannung gegeben, der die Reihenschaltung der zwei Kondensatoren 102, 103 standhalten kann. Durch die serielle Verschaltung der zwei Kondensatoren 102, 103 kann eine höhere maximale Spannung erreicht werden als durch die Nutzung lediglich eines Kondensators.
Es ist selbstverständlich, dass auch mehr als zwei Kondensatoren in Reihe zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen 111, 113 geschaltet werden können, um die maximale Spannung weiter zu erhöhen. Ein mögliches Übertragungsprotokoll zur Übertragung eines zweiwertigen Signals von der Sendeschaltung 5 zu der Empfangsschaltung 6 ist beispielsweise wie folgt:

Zur Übertragung eines ersten Wertes legt die Sendeschaltung 5 ein oszillierendes Signal an die Eingangsklemme 111 an. Das oszillierende Signal an der Eingangsklemme 111 hat ein oszillierendes Signal an der Ausgangsklemme 113 zur Folge. Die Empfangsschaltung 6 detektiert das oszillierende Ausgangssignal und ermittelt, dass ein erster Wert des zu übertragenden Signals übertragen worden ist.
Zur Übertragung eines zweiten Werts des zu übertragenden Signals legt die Sendeschaltung 5 ein konstantes Signal an die Eingangsklemme 111, beispielsweise durch Kurzschließen der Eingangsklemmen 111 mit der Klemme 112 für das erste Referenzpotential. Das konstante Signal an der Eingangsklemme 111 hat ein konstantes Signal an der Ausgangsklemme 113 zur Folge, wobei das konstante Signal von der Empfängerschaltung 6 detektiert wird, um einen zweiten Wert des zu übertragenden Signals zu repräsentieren.

Ein erstes Ausführungsbeispiel zur Implementierung einer Signalübertragungsanordnung 101 gemäß 13 soll nun anhand der 14 erklärt werden. In 14 ist eine Querschnittsdarstellung von zwei Halbleiteranordnungen gezeigt, in denen Kondensatorplatten 121, 122 des ersten Kondensators 102 und 131, 132 des zweiten Kondensators 103 integriert sind. Bezugnehmend auf 14 sind die ersten und zweiten Kondensatorplatten 121, 122 des ersten Kondensators 102 in einer ersten dielektrischen Schicht 222 angeordnet, die auf einem ersten Halbleitersubstrat 210 angeordnet ist. Optional ist die Sendeschaltung 5 in dem ersten Halbleitersubstrat 210 integriert. Die Kondensatorplatten 131, 132 des zweiten Kondensators 103 sind in einer zweiten dielektrischen Schicht 320 angeordnet, die auf einem zweiten Halbleitersubstrat 210 angeordnet ist. Optional ist die Empfängerschaltung 6 in das zweite Halbleitersubstrat 310 integriert. Die zweite Kondensatorplatte 132 des ersten Kondensators 102 und die erste Kondensatorplatte 133 des zweiten Kondensators 103 sind elektrisch miteinander verbunden (ein optionaler Verstärker ist in 14 nicht dargestellt). Zur elektrischen Verbindung der beiden Kondensatorplatten 122, 132 der beiden Halbleiteranordnungen können gewöhnliche elektrische Leitungsdrähte, beispielsweise Bonddrähte, verwendet werden.
14 zeigt vertikale Querschnittsdarstellungen der zwei Halbleiteranordnungen. In der horizontalen Ebene können die Kondensatorplatten 121, 122, 131, 132 eine beliebige geeignete Geometrie aufweisen. 15 zeigt eine Querschnittsdarstellung der zweiten Kondensatorplatte 132 des ersten Kondensators 102 in einer horizontalen Schnittebene B-B. Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigte zweite Kondensatorplatte 122 hat eine rechteckige, insbesondere quadratische Geometrie. Jedoch kann ebenso jede beliebige andere als eine rechteckige Geometrie, beispielsweise eine elliptische oder kreisförmige oder sogar eine spiralförmige Geometrie verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel haben die Kondensatorplatten, die einen der Kondensatoren 102, 103 bilden, die gleiche Geometrie.
Das Ausführungsbeispiel der kapazitiven Signalübertragungsanordnung 101 gemäß 14 basiert auf dem Ausführungsbeispiel der induktiven Signalübertragungsanordnung 1 gemäß 6. Die einzelnen Komponenten der Halbleiteranordnungen gemäß 14 werden deshalb mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, wie die entsprechenden Komponenten der Halbleiteranordnung gemäß 6,
Generell kann die kapazitive Signalübertragungsanordnung 101 auf die gleiche Weise wie die induktive Signalübertragungsanordnung 1 implementiert werden mit dem Unterschied, dass anstatt der ersten und zweiten Primärwindungen 21, 22, 31, 32 der induktiven Signalübertragungsanordnung 1 erste und zweite Kondensatorplatten 121, 122, 131, 132 verwendet werden, und mit dem Unterschied, dass die kapazitive Signalübertragungsanordnung 101 lediglich eine Eingangsklemme 111 und lediglich eine Ausgangsklemme 113 sowie lediglich eine Verbindungsleitung zwischen den beiden Kondensatoren 102, 103 anstatt der zwei Verbindungsleitungen zwischen den beiden Transformatoren 2, 3 aufweist.
Die Kondensatoren der kapazitiven Signalübertragungsanordnung 101 können mittels der Verfahrensschritte, die bereits zuvor anhand der Herstellung der Primär- und Sekundärwicklungen der Transformatoren 2, 3 erläutert wurden, hergestellt werden, mit dem Unterschied, dass die Kondensatorplatten lediglich eine Verbindungsklemme erfordern, während die primären und sekundären Wicklungen 2, 3 zwei Klemmen erfordern, und mit dem Unterschied, dass die Kondensatorplatten 121, 122, 131, 132 eine Geometrie aufweisen können, die sich von der Geometrie der Primär- und Sekundärwicklungen unterscheidet. Alle die Ausführungen, die bezugnehmend auf die Realisierung der Primär- und Sekundärwicklungen der induktiven Signalübertragungsanordnungen 1 dargelegt wurden, gelten äquivalent für die Realisierung der ersten und zweiten Kondensatorplatten.
Insbesondere kann das Material, welches zur Realisierung der Primär- und Sekundärwicklungen verwendet wurde, gleich dem Material sein, das für die Realisierung der Kondensatorplatten verwendet wird. Darüber hinaus kann das Material der dielektrischen Schicht, die die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators voneinander trennt, gleich dem Material des Kondensatordielektrikums sein, und der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung eines Transformators kann gleich dem Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte eines Kondensators sein.
Wie die zwei Transformatoren 2, 3 der Signalübertragungsanordnungen gemäß den 2 und 4, können die ersten und zweiten Kondensatoren 102, 103 der kapazitiven Signalübertragungsanordnung 101 in einer gemeinsamen dielektrischen Schicht oberhalb eines üblichen Halbleitersubstrats implementiert werden.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Signalübertragungsanordnung, die Elemente der induktiven und der kapazitiven Signalübertragungsanordnungen, die zuvor beschrieben wurden, kombiniert. Die Anordnung gemäß 16 weist zwei Kondensatoren, nämlich einen ersten Kondensator 102₁ mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorplatte 121₁ , 122₁ , und einen zweiten Kondensator 102₂ mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorplatte 121₂ , 122₂ und einen Transformator 104 mit einer Primär und einer Sekundärwicklung 141, 142 auf. Der erste Kondensator 102₁ ist zwischen eine erste Eingangsklemme 111 und eine erste Klemme 133 der Primärwicklung gekoppelt, und der zweite Kondensator 102₂ ist zwischen eine zweite Eingangsklemme 112 und eine zweite Klemme 134 der Primärwicklung 141 gekoppelt. Die Primär- und die Sekundärwicklungen 141, 142 sind induktiv gekoppelt. Die Sekundärwicklung 142 ist an die Ausgangsklemmen 113, 114 der Übertragungsanordnung gekoppelt.
Bezugnehmend auf 17, die ein Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß 16 zeigt, können der erste und der zweite Kondensator 102₁ , 102₂ in einer ersten dielektrischen Schicht 220 oberhalb eines ersten Halbleitersubstrats 210 angeordnet werden. Die Kondensatorplatten 121₁ , 122₁ und 121₂ und 122₂ , die einen der Kondensatoren bilden, sind beabstandet zueinander innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet, und die Kondensatorplatten der verschiedenen Kondensatoren sind beabstandet zueinander in einer lateralen Richtung angeordnet. Optional ist eine Sendeschaltung 5 in dem ersten Halbleitersubstrat 210 integriert.
Die Transformatoren 104 können in einer zweiten dielektrischen Schicht 320 oberhalb eines zweiten Halbleitersubstrats 310 angeordnet sein, wobei die Primär- und die Sekundärwicklung 141, 142 beabstandet zueinander in vertikaler Richtung angeordnet sind.
Die Kondensatoren 102₁ , 102₂ in der ersten Anordnung sind an die Primärwicklung 141 in der zweiten Anordnung über Verbindungsleitungen, beispielsweise Bondingdrähte oder Verbindungsleitungen auf einer Leiterplatte, angeschlossen.
Die Erläuterungen bezüglich der 1 bis 9 bezüglich die Implementierung einer induktiven Signalübertragungsanordnung, gelten ebenso für die Implementierung des Transformators 104. Äquivalent gelten die Erläuterungen bezüglich der 13 und 14 bezüglich der Implementierung einer kapazitiven Signalübertragungsanordnung für die Implementierung der Kondensatoren 102₁ , 102₂ entsprechend.
Darüber hinaus soll erwähnt werden, dass Merkmale die anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurden, mit Merkmalen gemäß anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, auch wenn dies nicht explizit erwähnt wurde.

Claims

Signalübertragungsanordnung (1), die aufweist: Eingangsklemmen (11, 12) zum Zuführen eines Eingangssignals (Sin) und Ausgangsklemmen (13, 14) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (Sout); einen ersten Transformator (2) mit einer Primärwicklung (21) und einer Sekundärwicklung (22), wobei die Primärwicklung (21) an die Eingangsklemmen (11, 12) gekoppelt ist; wenigstens einen zweiten Transformator (3) mit einer Primärwicklung (31), wobei die Primärwicklung (31) an die Sekundärwicklung (22) des ersten Transformators (2) gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (32), die an die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt ist; einen ersten Halbleiterkörper (110); eine Dielektrikumsschicht (120), die die Primärwicklungen (21, 31) und die Sekundärwicklungen (22, 32) des ersten Transformators (2) und des zweiten Transformators (3) jeweils voneinander isoliert und die auf dem ersten Halbleiterkörper (120) angeordnet ist; und einen Isolationsgraben (123), der in der Dielektrikumsschicht (120) zwischen dem ersten Transformator (2) und dem zweiten Transformator (3) angeordnet ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Transformatoren (2, 3) kernlose Transformatoren sind.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin aufweist: einen Verstärker (4), der zwischen die Sekundärwicklung (22) des ersten Transformators (3) und die Primärwicklung (31) des zweiten Transformators (3) gekoppelt ist.
Signalübertragungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: eine Sendeschaltung (5), die an die Eingangsklemmen (11, 12) gekoppelt ist und eine Empfangsschaltung (6), die an die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt ist.
Signalübertragungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklung (21, 31) und die Sekundärwicklung (22, 32) des ersten Transformators (2) und des zweiten Transformators (3) jeweils in einer ersten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Primärwicklungen (21, 31) des ersten und des zweiten Transformators (2, 3) in einer zweiten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, und wobei die Sekundärwicklungen (22, 32) des ersten und des zweiten Transformators (2, 3) in der zweiten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 5, bei der ein Abstand (d2) sowohl zwischen den Primärwicklungen (21, 31) als auch zwischen den Sekundärwicklungen (22, 32) mindestens so groß ist wie ein Abstand (d1) zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung (21, 22, 31, 32) des ersten und/oder des zweiten Transformators (2, 3).
Signalübertragungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: wenigstens eine Sendeschaltung (5), wobei die Sendeschaltung (5) an die Eingangsklemmen (11, 12) gekoppelt sind, und/oder eine Empfangsschaltung (6), wobei die Empfangsschaltung (6) an die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt ist, und wobei eine von der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung (5, 6) in dem ersten Halbleiterkörper (110, 210) integriert ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 7 mit einer Sendeschaltung und einer Empfangsschaltung (5, 6), die weiterhin aufweist: einen zweiten Halbleiterkörper (310), in dem die andere von der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung (5, 6) integriert ist.
Signalübertragungsanordnung, die aufweist: Eingangsklemmen (11, 12) zum Zuführen eines Eingangssignals (Sin) und Ausgangsklemmen (13, 14) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (Sout); einen ersten Kondensator (102) mit einer ersten Kondensatorplatte (121) und einer zweiten Kondensatorplatte (122), wobei die erste Kondensatorplatte (121) an eine Eingangsklemme (11, 12) gekoppelt ist; wenigstens einen zweiten Kondensator (103) mit einer ersten Kondensatorplatte (131) und einer zweiten Kondenstorplatte (132), wobei die erste Kondensatorplatte (131) an die zweite Kondensatorplatte (122) des ersten Kondensators (102) gekoppelt ist, und wobei die zweite Kondensatorplatte (132) an eine Ausgangsklemme (13, 14) gekoppelt ist; einen ersten Halbleiterkörper (210); eine Dielektrikumsschicht (220), die die erste Kondensatorplatte (121) und die zweite Kondensatorplatte (122) des ersten Kondensators (102) und des zweiten Kondensators (103) jeweils voneinander isoliert und die auf dem Halbleiterkörper (210) angeordnet ist; und einen Isolationsgraben, der in der Dielektrikumsschicht (120) zwischen dem ersten Kondensator (102) und dem zweiten Kondensator (103) angeordnet ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 9, die weiterhin aufweist: einen Verstärker (104), der zwischen die zweite Kondensatorplatte (122) des ersten Kondensators (102) und die erste Kondensatorplatte (131) des zweiten Kondensators (103) gekoppelt ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, die weiterhin aufweist: eine Sendeschaltung (5), die an die Eingangsklemme(n) (11, 12) gekoppelt ist und eine Empfangsschaltung (6), die an die Ausgangsklemme (13, 14) gekoppelt ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Kondensatorplatte (121, 131, 122, 132) des ersten Kondensators (102) und des zweiten Kondensators (103) jeweils in einer ersten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die ersten Kondensatorplatten (121, 131) der ersten und zweiten Kondensatoren (102, 103) in einer zweiten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, und wobei die zweiten Kondensatorplatten (122, 132) der ersten und zweiten Kondensatoren (102, 103) in der zweiten Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 12, bei der eine Entfernung sowohl zwischen den ersten Kondensatorplatten (121, 131) als auch zwischen den zweiten Kondensatorplatten (122, 132) wenigstens so groß ist, wie eine Entfernung zwischen den ersten Kondensatorplatten (121, 131) und den zweiten Kondensatorplatten (122, 132) der ersten und zweiten Kondensatoren (102, 103).
Signalübertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die weiterhin aufweist: wenigstens eine Sendeschaltung (5), die an die Eingangsklemme(n) (11, 12) gekoppelt ist und/oder eine Empfangsschaltung (6), die an die Ausgangsklemme(n) (13, 14) gekoppelt ist, wobei eine von der Sendeschaltung (5) und der Empfangsschaltung (6) in dem ersten Halbleiterkörper (210) integriert ist.
Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 14 mit einer Sendeschaltung (5) und einer Empfangsschaltung (6), die weiterhin aufweist: einen zweiten Halbleiterkörper (320), wobei die andere der von der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung (6) in dem zweiten Halbleiterkörper (320) integriert ist.