DE102011055500A1

DE102011055500A1 - Transformatorvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung

Info

Publication number: DE102011055500A1
Application number: DE102011055500A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kroener; Carsten von Koblinski
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-19
Also published as: CN102479605A; US20130333203A1; US9245684B2; DE102011055500B4; US8552829B2; CN102479605B; US20120126926A1

Abstract

Eine Transformatorvorrichtung umfasst ein Glassubstrat (10) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist. Eine erste Ausnehmung (21) ist an der ersten Seite des Glassubstrats (10) gebildet. Eine zweite Ausnehmung (22) ist an der zweiten Seite des Glassubstrats (10) gebildet. Die ersten und zweiten Ausnehmungen (21, 22) sind einander gegenüberliegend angeordnet. Eine erste Spule (31) ist in der ersten Ausnehmung (21) angeordnet und eine zweite Spule (32) ist in der zweiten Ausnehmung (22) angeordnet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Transformatorvorrichtungen und insbesondere auf Transformatorvorrichtungen, die in ein Glassubstrat integriert sind, kernlose Transformatoren und Transformatoren mit einem ferromagnetischen Kern und auf Verfahren für ihre Herstellung.
HINTERGRUND
Induktoren und Transformatoren werden zur Signalverarbeitung wie etwa der Verarbeitung von Gatesignalen für Leistungseinrichtungen verwendet. Bei vielen Anwendungen insbesondere Hochleistungsanwendungen können die Primär- und Sekundärspulen des Transformators mit verschiedenen Spannungen betrieben werden. Derartige Transformatoren benötigen eine zuverlässige elektrische Isolierung zwischen den Primär- und Sekundärspulen, um einen elektrischen Durchschlag und eine Fehlfunktion der Leistungseinrichtungen zu verhindern. Ein Transformator kann z. B. verwendet werden, um eine Niederspannungs-Steuereinheit zur Steuerung einer Hochspannungs-Einrichtung direkt mit der Hochspannungs-Einrichtung zu verbinden. Weitere Möglichkeiten zum Verbinden einer Niederspannungs-Einrichtung mit einer Hochspannungs-Einrichtung sind Lichtleitfasern oder integrierte Schaltungen auf Grundlage der SOI-Technologie.
Transformatoren werden häufig in die integrierte Schaltung (IC) der Steuereinheit integriert durch Verwendung der oberen Metallisierungslage der IC zum Bilden der Primärspule.
Die obere Metallisierung ist mit einer Imidlage beschichtet, auf der die Sekundärspule gebildet wird. Derartige Transformatoren benötigen zusätzliche Schichten und besitzen infolge der Imidisolierung eine eingeschränkte dielektrische Festigkeit. Des Weiteren kann eine dicke Imidlage das Halbleitersubstrat der IC verwerfen. Darüber hinaus können Imid oder andere synthetische Werkstoffe, die als Isolation verwendet werden, in Sputter-Anlagen, die zum Bilden der Sekundärspule verwendet werden, entgasen, was eine zusätzliche Reinigung der Sputter-Anlagen verursacht.
ZUSAMMENFASSUNG
Spezifische Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Transformatorvorrichtung mit wenigstens einer ersten Spule auf einer ersten Seite eines Glassubstrats und einer zweiten Spule auf einer zweiten Seite des Glassubstrats, wobei das Glassubstrat eine elektrische Isolierung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule bildet. Weitere Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, kernlose Transformatoren unter Verwendung eines Glassubstrats, um die Primärspule von der Sekundärspule zu isolieren. Andere Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, Transformatoren mit einem ferromagnetischen Kern und einem Glassubstrat, das die Primärspule von der Sekundärspule isoliert. Weitere spezifische Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, betreffen Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Transformatorvorrichtung bereitgestellt. Die Transformatorvorrichtung umfasst ein Glassubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist. Eine erste Ausnehmung ist in dem Glassubstrat an der ersten Seite des Glassubstrats ausgebildet. Eine zweite Ausnehmung ist in dem Glassubstrat an der zweiten Seite des Glassubstrats ausgebildet. Die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung sind einander gegenüberliegend angeordnet. Eine erste Spule ist in der ersten Ausnehmung angeordnet und eine zweite Spule ist in der zweiten Ausnehmung angeordnet.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Transformatorvorrichtung bereitgestellt. Die Transformatorvorrichtung umfasst ein Glassubstrat, das einen ersten Abschnitt mit einer ersten Dicke und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Dicke, die kleiner als die erste Dicke ist, aufweist. Der erste Abschnitt umgibt den zweiten Abschnitt seitlich. Der zweite Abschnitt weist eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, auf. Eine ebene Primärspule ist auf der ersten Seite des zweiten Abschnitts des Glassubstrats angeordnet. Eine ebene Sekundärspule ist auf der zweiten Seite des zweiten Abschnitts des Glassubstrats der Primärspule gegenüberliegend angeordnet. Die Primärspule und die Sekundärspule sind durch den zweiten Abschnitt des Glassubstrats voneinander elektrisch isoliert.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Transformatorvorrichtung bereitgestellt. Die Transformatorvorrichtung umfasst ein Glassubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist. Eine erste ebene Primärspule umfasst einen Leiter, der auf der ersten Seite des Glassubstrats angeordnet ist. Der Leiter hat einen Endabschnitt, der distal zu der ersten Seite des Glassubstrats und zu Seitenwänden angeordnet ist. Eine zweite ebene Spule umfasst einen Leiter, der auf der zweiten Seite des Glassubstrats angeordnet ist. Die erste und die zweite ebene Spule sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der Leiter der zweiten ebenen Spule hat einen Endabschnitt, der distal zu der zweiten Seite des Glassubstrats und zu Seitenwänden angeordnet ist. Eine erste ferromagnetische Abdeckung befindet sich über der ersten ebenen Spule auf der ersten Seite des Glassubstrats. Die erste ferromagnetische Abdeckung ist von der ersten ebenen Spule elektrisch isoliert und bedeckt die Seitenwände und den Endabschnitt des Leiters der ersten ebenen Spule. Eine zweite ferromagnetische Abdeckung befindet sich über der zweiten ebenen Spule auf der zweiten Seite des Glassubstrats. Die zweite ferromagnetische Abdeckung ist von der zweiten ebenen Spule elektrisch isoliert und bedeckt die Seitenwände und den Endabschnitt des Leiters der zweiten ebenen Spule. Das Glassubstrat ist zwischen der ersten Abdeckung und der zweiten ferromagnetischen Abdeckung angeordnet.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Glassubstrats mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist; das Bilden einer ersten Ausnehmung in dem Glassubstrat an der ersten Seite des Glassubstrats; das Bilden einer zweiten Ausnehmung in dem Glassubstrat an der zweiten Seite des Glassubstrats der ersten Ausnehmung gegenüberliegend; das Bilden einer ersten Spule in der ersten Ausnehmung; und das Bilden einer zweiten Spule in der zweiten Ausnehmung.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung geschaffen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Glassubstrats mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist; das Bilden einer ersten ebenen Spule mit einem Leiter an der ersten Seite des Glassubstrats; das Bilden einer ersten isolierenden Schicht auf der ersten ebenen Spule; das Bilden einer ersten ferromagnetischen Abdeckung über der ersten ebenen Spule; das Bilden einer zweiten ebenen Spule mit einem Leiter auf der zweiten Seite des Glassubstrats; das Bilden einer zweiten isolierenden Schicht auf der zweiten ebenen Spule; und das Bilden einer zweiten ferromagnetischen Abdeckung über der zweiten ebenen Spule.
Ein Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung und beim Betrachten der beigefügten Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu gewährleisten, sind eingeschlossen und Bestandteil dieser Spezifikation. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien der Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Ausführungsformen werden leicht erkannt, da sie durch Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung besser verstanden werden. Die Zeichnungselemente sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgerecht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
Die 1A bis 1J veranschaulichen Prozesse eines Verfahrens zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 veranschaulicht eine Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
3 veranschaulicht eine Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
4 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Eindringungstiefe von Wirbelströmen und der Frequenz eines elektrischen Felds für verschiedene Werkstoffe.
Die 5A bis 5C veranschaulichen Druckprozesse, die zum Herstellen einer Druckmaske gemäß mehreren Ausführungsformen verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung erfolgt eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die deren Teil bilden und in denen zur Erläuterung spezielle Ausführungsformen, in denen die Erfindung realisiert werden kann, gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird die Richtungsterminologie wie etwa ”oben”, ”unten”, ”vorn”, ”hinten”, ”vordere”, ”hintere” usw. verwendet unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der Figuren (der Figuren), die beschrieben wird (werden). Da Komponenten der Ausführungsformen in mehreren unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zum Zweck der Erläuterung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist klar, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle und logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende genaue Beschreibung sollte deswegen nicht in einem begrenzenden Sinn aufgefasst werden und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert. Die beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine spezifische Sprache, die nicht als Einschränkung des Umfangs der angefügten Ansprüche aufgefasst werden sollte.
Es sollte klar sein, dass Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, falls nicht ausdrücklich anders angegeben. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, können z. B. in Verbindung mit Merkmalen anderer Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erreichen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Variationen umfasst.
Der in dieser Spezifikation verwendete Ausdruck ”seitlich” soll eine Ausrichtung parallel zur Hauptoberfläche eines Glassubstrats beschreiben.
Der in dieser Spezifikation verwendete Ausdruck ”vertikal” soll eine Ausrichtung senkrecht zu der Hauptoberfläche des Glassubstrats beschreiben.
In dieser Spezifikation wird eine zweite Oberfläche eines Glassubstrats in der Weise betrachtet, dass sie durch die untere oder rückseitige Oberfläche gebildet wird, während eine erste Oberfläche in der Weise betrachtet wird, dass sie durch die obere, vordere oder Hauptoberfläche des Glassubstrats gebildet wird. Die in dieser Spezifikation verwendeten Ausdrücke ”über” und ”unter” beschreiben deswegen eine relative Lage eines strukturellen Merkmals zu einem anderen strukturellen Merkmal unter Berücksichtigung dieser in den Figuren gezeigten Ausrichtung.
Die Ausdrücke ”magnetisch weicher Kern”, ”magnetischer Kern”, ”magnetisierbare Kernstruktur” und ”ferromagnetische Abdeckung” sollen Strukturen beschreiben, die durch einen ”magnetisch weichen” Werkstoff gebildet sind, der durch Anlegen eines externen magnetischen Felds leicht magnetisiert und ummagnetisiert werden kann. Beispiele von magnetisch weichen Werkstoffen sind unlegiertes Eisen, Nickel-Eisen-Legierungen und Cobalt-Eisen-Legierungen. Derartige Werkstoffe bleiben im Unterschied zu ”magnetisch harten” Werkstoffen nicht magnetisiert oder lediglich schwach magnetisiert, wenn das Feld entfernt wird.
Der Ausdruck ”Querschnittansicht” soll eine vertikale Querschnittansicht durch das Glassubstrat von der ersten Seite zur zweiten Seite und durch die Strukturen, die auf beiden Seiten des Glassubstrats gebildet sind, beschreiben.
Wenn auf Halbleitereinrichtungen Bezug genommen wird, sind Einrichtungen mit wenigstens zwei Anschlüssen gemeint, wobei eine Diode ein Beispiel darstellt. Halbleitereinrichtungen können außerdem Einrichtungen mit drei Anschlüssen sein wie etwa ein Feldeffekt-Transistor (FET), ein Bipolar-Transistor mit isoliertem Gate (IGBT), ein Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET) und Thyristoren, um einige Beispiele zu nennen. Die Halbleitereinrichtungen können außerdem mehr als drei Anschlüsse aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform sind Halbleitereinrichtungen Leistungseinrichtungen. Integrierte Schaltungen umfassen mehrere integrierte Einrichtungen.
Die hier beschriebenen Transformatorvorrichtungen, die im Folgenden als Transformatoren bezeichnet werden, sind Vorrichtungen, die getrennt von Halbleitereinrichtungen oder integrierten Schaltungen hergestellt werden, so dass die Herstellungsprozesse, die zum Bilden der Transformatoren verwendet werden, sich nicht mit Herstellungsprozessen der Halbleitereinrichtungen oder integrierten Schaltungen stören und umgekehrt. Das schafft eine größere Freiheit beim Zuschneiden der Prozesse gemäß spezifischen Bedürfnissen.
Der Transformator wird auf beiden Seiten eines Glassubstrats gebildet, wie im Folgenden beschrieben. Das Glassubstrat bildet eine elektrische Isolierung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule des Transformators. Die erste und die zweite Spule können außerdem als Primär- bzw. Sekundärspule bezeichnet werden. Das Glassubstrat schafft eine elektrische Isolierung mit einer dielektrischen Festigkeit, die signifikant höher ist als die von Imidwerkstoffen oder anderen synthetischen Werkstoffen, die gewöhnlich zur Isolierung verwendet werden. Deswegen kann die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule in Abhängigkeit von dem verwendeten Glaswerkstoff und der ausgewählten Glasdicke zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule bis zu 10.000 V und mehr betragen. Derartige Transformatoren stellen eine geeignete Alternative zu anderen Signalübertragungseinrichtungen dar wie etwa Lichtleitfasern oder Einrichtungen, die auf der SOI-Technologie basieren, die vergleichsweise teuer sind.
In den 1A bis 1J einer ersten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung beschrieben.
Wie in 1A dargestellt, wird ein Glassubstrat oder Glaswafer 10 mit einer anfänglichen Dicke d₁ zwischen etwa 200 μm und etwa 1000 μm geschaffen. Die anfängliche Dicke d₁ kann typischerweise etwa 300 μm betragen. Der Werkstoff des Glassubstrats 10 kann in der Weise ausgewählt werden, dass er eine gewünschte dielektrische Festigkeit aufweist, wie im Folgenden beschrieben ist. Gemäß einer Ausführungsform kann das Glassubstrat 10 Borsilicatglas wie etwa BF33 enthalten.
Das Glassubstrat 10 hat eine erste Seite oder Oberfläche 11 und eine zweite Seite oder Oberfläche 12, die der ersten Seite 11 gegenüberliegend angeordnet ist. Eine Ätzmaske 15 mit wenigstens einer Öffnung 15a, typischerweise mit mehreren Öffnungen 15a, ist auf der ersten Seite 11 des Glassubstrats 10 gebildet. Jede Öffnung 15a definiert die Lage und Größe einer Ausnehmung, die in dem Glassubstrat 10 ausgebildet werden soll. Die Ätzmaske 15 kann aus einem geeigneten Werkstoff z. B. einem photolithographisch strukturierbaren Resist bestehen.
Wie in 1B gezeigt, werden erste Ausnehmungen 21 auf der ersten Seite 11 des Glassubstrats 10 unter Verwendung der Ätzmaske 15 geätzt. Die Ausnehmungen 21 können durch nasschemisches Ätzen z. B. in einer erwärmten HF-Lösung gebildet werden. In weiteren Ausführungsformen können die Ausnehmungen 21 durch trockenchemisches Ätzen gebildet werden. Die resultierende Struktur ist in 1B dargestellt.
Die in den 1A und 1B dargestellten Prozesse werden auf der zweiten Seite 12 wiederholt, d. h. auf der zweiten Seite 12 wird eine weitere Ätzmaske mit Öffnungen gebildet, die die zu ätzenden Ausnehmungen definieren, und anschließend wird die zweite Seite 12 geätzt, um die Ausnehmungen 22 zu bilden. Die resultierende Struktur nach dem Entfernen der Ätzmasken ist in 1C dargestellt. Erste und zweite Ausnehmungen 21, 22 sind in der Weise angeordnet, dass eine erste Ausnehmung 21 gegenüberliegend zu einer zweiten Ausnehmung 22 angeordnet ist, d. h. eine erste und eine zweite Ausnehmung 21, 22 bilden ein Paar von Ausnehmungen an gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats 10. Typischerweise weisen erste und zweite Ausnehmungen 21, 22 im Wesentlichen die gleiche Größe auf, obwohl unterschiedliche Größen und Tiefen ebenfalls möglich sind.
Die Glasdicke d₂ zwischen der ersten Ausnehmung 21 und der zweiten Ausnehmung 22 eines Paars von Ausnehmungen wird eingestellt, um eine dielektrische Festigkeit zu schaffen, die ausreichend ist, um einen elektrischen Durchschlag zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule des Transformators zu verhindern, wenn der Transformator betrieben wird. Die Glasdicke d₂ kann in einem Bereich von etwa 40 μm bis etwa 100 μm liegen. In einer Ausführungsform beträgt die Glasdicke d₂ etwa 100 μm.
In einem weiteren Prozess, der in 1D dargestellt ist, wird auf der ersten Seite 11 des Glassubstrats 10 eine erste Keimlage 27 gebildet. Die erste Keimlage 27 kleidet die ersten Ausnehmungen 21 aus und kann z. B. durch Sputtern abgelagert werden. Die erste Keimlage 27 kann z. B. eine Ti- oder Ag-Schicht sein. Eine zweite Keimlage kann gleichzeitig oder anschließend auf der zweiten Seite 12 des Glassubstrats gebildet werden. Es ist außerdem möglich, die zweite Keimlage in einem späteren Schritt zu bilden. 1J zeigt verbleibende Abschnitte 28a einer zweiten Keimlage 28 in einer fertigen Struktur.
In einem weiteren Prozess wird ein gießfähiger Werkstoff 24, typischerweise ein thermoplastischer Werkstoff auf die erste Seite 11 des Glassubstrats 10 aufgebracht. Der gießfähige Werkstoff 24 füllt wenigstens teilweise die Ausnehmungen 21. Der gießfähige Werkstoff 24 füllt typischerweise die ersten Ausnehmungen 21 vollständig und bedeckt die erste Seite 11 des Glassubstrats 10. Der gießfähige Werkstoff 24 kann z. B. ein Polymerwerkstoff wie etwa ein Acrylresist sein. PMMA (Poly(methylmethacrylat)) ist ein Beispiel.
In einem weiteren Prozess, der in 1E dargestellt ist, wird eine Schablone oder Matrize 26 mit einem erhabenen Muster 26a geschaffen. Das Muster 26a definiert Strukturen, die in den gießfähigen Werkstoff 24 gedruckt werden sollen. Das Muster 26a weist z. B. erhabene Strukturen auf, die die Form eines oder mehrerer Gräben definieren, die in dem gießfähigen Werkstoff 24 gebildet werden sollen.
Die Schablone oder Matrize 26, die auch als ein Urmodell bezeichnet werden kann, wird in den gießfähigen Werkstoff 24 gepresst, so dass das erhabene Muster 26a in die erste Ausnehmung 21 eingesetzt wird. In Bezug auf die 1F bis 1I werden Einzelheiten der nachfolgenden Prozesse unter Verwendung des Abschnitts, der in 1E durch die gestrichelte Linie eingekreist ist, erläutert.
Der gießfähige Werkstoff 24 wird typischerweise erwärmt, damit er fließfähig wird. Die Erwärmungstemperatur übersteigt typischerweise die Glasübergangstemperatur des Polymers, das den gießfähigen Werkstoff 24 bildet. Wie in 1F dargestellt, wird die Schablone oder Matrize 26 dann gepresst, bis das erhabene Muster 26a den Boden der ersten Ausnehmung 21 erreicht oder nahezu erreicht. Das erhabene Muster 26a erreicht typischerweise nicht die erste Keimlage 27. Die Erwärmung kann außerdem eine Vernetzung des Polymerwerkstoffs bewirken. Nach dem Kühlen wird die Schablone oder Matrize 26 entfernt.
In einem weiteren Prozess wird der gießfähige Werkstoff 24 in geeigneter Weise geätzt, um den Werkstoff zu entfernen, der zwischen dem erhabenen Muster 26a und der ersten Keimlage 27 zurückgeblieben ist, um die erste Keimlage 27 in den Gräben 25a der auf diese Weise gebildeten Druckmaske 25 freizulegen. Die oben beschriebenen Prozesse sind eine Möglichkeit zum Bilden einer Maske durch Drucklithographie. Andere Möglichkeiten sind in den 5A bis 5C dargestellt.
Kurz gesagt, die 5A veranschaulicht ein sogenanntes ”Heißprägen”, das in Verbindung mit den 1D bis 1F beschrieben ist. Ein gießfähiger Polymerwerkstoff 524a wird auf einem Substrat 510 abgelagert und über seine Glasübergangstemperatur erwärmt. Dann wird eine Schablone oder Matrize 526a, die aus einem vergleichbar harten Werkstoff gebildet ist, auf den Werkstoff 524a gepresst, um das Muster der Schablone oder Matrize 526a in den Polymerwerkstoff 524a zu übertragen, der nachfolgend gekühlt wird. Nach dem Kühlen wird die Schablone oder Matrize 526a entfernt und der Polymerwerkstoff 524a wird geätzt, um die Druckmaske 525a fertig zu stellen.
5B veranschaulicht eine sogenannte UV-Drucklithographie unter Verwendung einer Schablone oder Matrize 526b, die für UV-Strahlung durchlässig ist. Die Schablone 526b ist typischerweise ein Quarzglassubstrat. UV-härtbares Resist 524b wird auf dem Substrat 510 z. B. tropfenweise abgelagert und anschließend wird die Schablone oder Matrize 526b in das fließfähige Resist 524b gepresst, um das Muster der Schablone oder Matrize 526b zu drucken. Anschließend wird UV-Strahlung 580 verwendet, um das Resist 524b zu härten, das nach dem Entfernen der Schablone oder Matrize 526b geätzt wird, um die Druckmaske 525b zu erhalten.
5C veranschaulicht ein sogenanntes Mikrokontakt-Drucken (μ-CP) unter Verwendung einer Schablone oder Matrize 526c mit einem Muster, das in eine Lösung eines Druckwerkstoffs getaucht wird, der auf die Oberfläche des Substrats 510 übertragen werden soll. Die Schablone oder Matrize 526c wird gewöhnlich aus einem elastischen Werkstoff wie etwa Silicon z. B. PDMS (Polydimethylsiloxan) hergestellt. Die Schablone oder Matrize 526c wird dann sanft gegen das Substrat gepresst, um den mit dem Muster versehenen Druckwerkstoff 524c zu übertragen, der schließlich eine Druckmaske 525c auf dem Substrat 510 bildet.
Durch die Verwendung eines der oben genannten oder eines anderen geeigneten Druckprozesses wird eine Druckmaske 25, die wenigstens einen Graben 25a aufweist, in der ersten Ausnehmung 21 gebildet, wobei sich der Graben 25a zur ersten Keimlage 27 erstreckt und diese freilegt. Die oben genannten Prozesse können zusammengefasst werden als Drucklithographie unter Verwendung einer Schablone oder Matrize mit einem erhabenen Muster, das verwendet wird, um eine Druckmaske auf dem Substrat zu bilden.
Die Bildung der Maskenlage 25 ist jedoch nicht auf Drucklithographie beschränkt. Photolithographie kann z. B. ebenfalls verwendet werden, um eine Maske mit einem großen Streckungsverhältnis zu bilden, wie im Folgenden beschrieben wird.
In einem weiteren Prozess, der in 1G veranschaulicht ist, wird ein leitender Werkstoff in dem Graben oder den Gräben 25a abgelagert. Gemäß einer Ausführungsform ist der leitende Werkstoff Kupfer oder ein anderer geeigneter stark leitender Werkstoff, der elektrolytisch abgelagert wird, was auch als Elektroplattieren bezeichnet werden kann, wobei die erste Keimlage 27 als Anfangslage verwendet wird. Eine CuSO₄-Lösung kann z. B. für die elektrolytische Ablagerung von Kupfer verwendet werden. Die Gräben 25a werden teilweise gefüllt, um den Werkstoff der angrenzenden Gräben 25a voneinander getrennt zu halten. Es sollte angemerkt werden, dass die Gräben 25a, die in den Figuren dargestellt sind, Teile eines einzigen Grabens sind, der eine, zwei oder mehr Windungen umfasst. Die 1F bis 1J veranschaulichen einen Graben mit zwei ebenen spiralförmigen Windungen. In der Querschnittansicht, die in den Figuren gezeigt ist, erscheint eine derartige Doppelwindung als vier Gräben 25a.
Wie in den Figuren dargestellt, haben die Gräben 25a ein vergleichsweise großes Seitenverhältnis, d. h. die Gräben 25a weisen eine Tiefe (oder Höhe) auf, die größer als die Breite der Gräben 25a ist. In einer Ausführungsform liegt das Seitenverhältnis (Höhe/Breite) in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 50. Die Verwendung von Gräben 25a mit einem derartigen Seitenverhältnis ermöglicht die Bildung eines Kondensators 31a mit einem gleichen oder geringfügig kleineren Seitenverhältnis. Der Leiter 31a ist durch den leitenden Werkstoff, der in den Gräben 25a abgelagert ist, gebildet. Leiter mit einem größeren Seitenverhältnis haben eine große Querschnittsfläche und deswegen einen verminderten Widerstand, was für die Qualität (oder den Qualitätsfaktor; Q-Faktor) des Transformators vorteilhaft ist.
Die Prozesse, die zum Bilden der Spulen verwendet werden, können außerdem als Musterplattierungsprozess unter Verwendung einer Plattierungsmaske, die durch die Maske (Druckmaske) 25 gebildet wird, beschrieben werden. Die Spulen 31, 32 sind typischerweise ebene Spulen, d. h. die Windungen sind im Wesentlichen in der gleichen Ebene auf dem Glassubstrat gebildet.
Wie in 1H veranschaulicht, wird in einem weiteren Prozess z. B. durch Ätzen die Druckmaske 25 entfernt, um den Leiter 31a, der eine in der ersten Ausnehmung 21 angeordnete erste Spule 31 bildet, freizulegen. Das Entfernen der Druckmaske 25 legt Seitenwandabschnitte und einen Endabschnitt, der distal zu dem Glassubstrat 10 angeordnet ist, frei. In 1H ist dieser Endabschnitt durch das obere Ende des Leiters 31a gebildet. Die erste Keimlage 27 wird dann unter Verwendung des freigelegten Leiters 31a als Maske geätzt. Abschnitte 27a der ersten Keimlage 27, die durch den Leiter 31a bedeckt sind, bleiben auf der Oberfläche des Glassubstrats 10.
Der endgültige Leiter 31a weist einen Querschnitt auf, der durch den Werkstoff der verbleibenden Abschnitte 27a der ersten Keimlage 27 und den abgelagerten leitenden Werkstoff z. B. Kupfer gebildet wird. Die Gesamthöhe h ist durch die Dicke der ersten Keimlage 27 und die Dicke des abgelagerten leitenden Werkstoffs gegeben, wie in 1H dargestellt. Typischerweise ist die erste Keimlage 27 dünn im Vergleich zu dem elektrolytisch abgelagerten leitenden Werkstoff, so dass die Höhe h des endgültigen Leiters 31a im Wesentlichen der Höhe des elektrolytisch abgelagerten leitenden Werkstoffs entspricht.
In einem weiteren Prozess wird, wie in 1I dargestellt, eine Passivierungslage 47 auf der ersten Seite 11 des Glassubstrats 10 abgelagert. Die Passivierungslage 47 bedeckt die erste Spule 31, die durch den Leiter 31a gebildet ist, vollständig.
Wie in einer Draufsicht auf die erste Seite des Glassubstrats 10 zu sehen ist, kann der Leiter 31a der ersten Spule 31 eine beliebige Form aufweisen wie etwa eine Spule mit einzelner Windung, eine Spule mit doppelter Windung oder eine Spule mit mehr als zwei spiralförmigen Windungen. Die Windungen können, in einer Draufsicht betrachtet, in Abhängigkeit von den Umständen eine quadratische, elliptische, kreisförmige, rechtwinklige oder jede andere Form aufweisen.
Die Druckmaske 25 definiert außerdem Bereiche, in denen Strukturen von Anschlussflächen gebildet werden, um einen elektrischen Kontakt mit der ersten Spule 31 zu schaffen. 2 veranschaulicht einen Transformator mit ersten Anschlussflächenstrukturen 41a und 41b, die mit Enden des Leiters 31a der ersten Spule 31 in elektrischer Verbindung stehen. Diese Anschlussflächenstrukturen 41a und 41b werden typischerweise ebenfalls in der ersten Ausnehmung 21 gebildet und werden durch Ätzen der Passivierungslage 47 freigelegt.
Die in den 1D bis 1I dargestellten Prozesse werden auf der zweiten Seite 12 wiederholt, um eine zweite Spule 32 mit einem Leiter 32a, der durch elektrolytisch abgelagerten leitenden Werkstoff und Abschnitte 28a der zweiten Keimlage 28 gebildet wird, zu bilden. Abschließend wird das Glassubstrat 10 gesägt oder auf andere Weise getrennt, um einzelne Transformatoren zu bilden. Eine resultierende Struktur ist in 1J dargestellt, wobei 71 die Sägekante bezeichnet, 48 einen Passivierungswerkstoff bezeichnet, der die zweite Spule 32 einkapselt, und 75 einen Isolationswerkstoff bezeichnet, der zum Einkapseln des Transformators verwendet wird.
Ein Fachmann wird anerkennen, dass außerdem andere Prozesse wie etwa Drucken oder Kaschieren zum Bilden der ersten und zweiten Spule 31, 32 verwendet werden können. Wenn Spulen mit einem Leiter, der ein großes Seitenverhältnis aufweist, gewünscht sind, wird typischerweise die Drucklithographie oder Photolithographie unter Verwendung einer Maske, die auf dem Glassubstrat 10 gebildet wird, verwendet, da diese Techniken eine leichte Bildung von Masken mit großem Seitenverhältnis ermöglichen.
Der Transformator, der in Verbindung mit der Ausführungsform der 1A bis 1J beschrieben wird, kann eine symmetrische Anordnung in Bezug auf Größe und Lage der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 und Lage der ersten und zweiten Spule 31, 32 in den entsprechenden Ausnehmungen 21, 22 aufweisen. Die erste und die zweite Spule 31, 32 sind einander gegenüberliegend auf verschiedenen Seiten des Glassubstrats 10 angeordnet. Die elektrische Isolierung zwischen den beiden Spulen 31, 32 wird durch das Glassubstrat 10 geschaffen, das eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist und hohen Spannungsunterschieden widerstehen kann. Es ist deswegen möglich, die Glasdicke d₂ zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung 21, 22 zu vermindern, um die elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Spule 31, 32 zu verbessern. Hierdurch wird die Qualität des Transformators verbessert.
Glassubstrate können eine vergleichsweise hohe dielektrische Festigkeit im Vergleich zu Imidresists oder anderen synthetischen Werkstoffen aufweisen. Deswegen kann der hier beschriebene Transformator so entworfen sein, dass er hohen Spannungsunterschieden zwischen der Primärspule und der Sekundärspule (erste und zweite Spulen) widersteht, während andererseits eine ausreichende elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen geschaffen wird.
Die geometrische Form des Glassubstrats verbessert außerdem die dielektrische Isolierung. Der dünne Abschnitt des Glassubstrats 10 zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 bildet einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Dicke, während dicke Abschnitte des Glassubstrats 10 außerhalb der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22, d. h. nicht geätzte Abschnitte des Glassubstrats 10 einen ersten Abschnitt mit einer ersten oder anfänglichen Dicke d₁ bilden, wie oben beschrieben. Die zweite Dicke d₂ ist kleiner als die erste Dicke d₁. Das Verhältnis d₁/d₂ kann in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 25 liegen. In einer Ausführungsform ist das Verhältnis d₁/d₂ etwa 3. Die Dicke d₂ des zweiten Abschnitts ist entworfen, um den hohen Spannungsunterschieden zwischen der ersten und der zweiten Spule 31, 32 zu widerstehen, während andererseits der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Spule 31, 32 vermindert wird. Die Dicke d₂ des zweiten Abschnitts kann z. B. in der Weise ausgewählt sein, dass der zweite Abschnitt (verdünnter Glasbereich zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung 21, 22) eine dielektrische Festigkeit schafft, die ausreichend ist, um einem Spannungsunterschied zu widerstehen, der etwa das 3-Fache der benötigten Sperrspannung ist. Die anfängliche oder erste Dicke d₁ kann Z. B. etwa 300 μm betragen, jede der ersten und zweiten Ausnehmungen 21, 22 kann eine Tiefe von etwa 100 μm haben, so dass die Dicke d₂ etwa 100 μm beträgt. Die Tiefe der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 kann größer sein als die Höhe der darin gebildeten Leiter 31a, 32a.
Die ”vergrößerte” Dicke des Glassubstrats 10 seitlich von der ersten und zweiten Spule 31, 32 dient der kontrollierten Verringerung der elektrischen Feldstärke. Das ist in 1J dargestellt, die den Verlauf der Äquipotentiallinien oder isoelektrischen Linien 35 zwischen der ersten Spule 31 und der zweiten Spule 32 zeigt. Die isoelektrischen Linien 35 sind in dem Bereich zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 vergleichsweise eng zueinander beabstandet, was eine hohe elektrische Feldstärke anzeigt. Seitlich von der ersten und zweiten Spule 31, 32 können die isoelektrischen Linien 35 in dem dicken Glasabschnitt auseinander laufen, so dass der Abstand zwischen isoelektrischen Linien 35 größer wird, wobei die Vergrößerung einer Verringerung der elektrischen Feldstärke entspricht. Diese ”Verminderung” der elektrischen Feldstärke tritt in dem Glassubstrat 10 auf, bevor das elektrische Feld einen anderen isolierenden Werkstoff ”erreicht”. Der Isolationswerkstoff 75 erfährt z. B. ein signifikant schwächeres elektrisches Feld als der dünne oder zweite Abschnitt des Glassubstrats 10 zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22. Die große Dicke d₁ des Glassubstrats 10 schafft deswegen eine ”Isolationsübereinstimmung”, um einen ”Übergang” des Spannungsunterschieds zwischen der ersten und zweiten Spule 21, 22 durch eine verminderte elektrische Feldstärke zu ermöglichen. Der Isolationswerkstoff 75, der eine geringere dielektrische Festigkeit aufweist als das Glassubstrat 10, kann somit eine zuverlässige dielektrische Isolation bilden. Die anfängliche oder erste Dicke d₁ außerhalb der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 kann deswegen so gewählt sein, dass eine ausreichende ”Spreizung” der isoelektrischen Linien 35 für diesen Übergang möglich ist. Die dickeren Glasbereiche bilden deswegen einen seitlichen Isolations- oder Übergangsbereich rund um den Transformator. Typischerweise ist der dünne Glasabschnitt (zweite Abschnitt) seitlich vollständig von dem dicken Glasabschnitt (ersten Abschnitt) umgeben.
Ein Fachmann wird anerkennen, dass der Verlauf der isoelektrischen Linien 35 in 1J lediglich schematisch ist und nur den prinzipiellen Verlauf anzeigt.
Die erste und zweite Spule 31, 32 sind in der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 angeordnet, um ihren Abstand klein zu halten. Der ”Luftspalt” zwischen den beiden Spulen ist durch die Dicke d₂ des Glassubstrats 10 definiert. 1J gibt außerdem den Verlauf der magnetischen Feldlinien 36 schematisch an. Wie oben angegeben, wird der Abstand zwischen den beiden Spulen möglichst klein gehalten, während eine ausreichende dielektrische Festigkeit aufrechterhalten wird. Anschlussflächen zum elektrischen Verbinden der entsprechenden Spulen 31, 32 können in den entsprechenden Ausnehmungen 21, 22 oder außerhalb der Ausnehmungen 21, 22 auf dem ersten Abschnitt des Glassubstrats 10 angeordnet sein.
1J veranschaulicht außerdem, dass die entsprechenden Leiter 31a, 32a der ersten und zweiten Spule 31, 32 einen Querschnitt mit einem vergleichsweise großen Seitenverhältnis aufweisen, was die Bildung von in Seitenrichtung kleinen Transformatoren ermöglicht, während der elektrische Widerstand der Leiter 31a, 32a klein gehalten wird.
Die hier beschriebenen Transformatoren sind für Hochspannungsanwendungen geeignet, z. B. für die Kopplung von Gate-Steuersignalen mit Hochspannungs-IGBTs, die für eine PWM (Impulsbreitenmodulation) von Strom, der an Hochleistungslasten wie etwa Eisenbahnlokomotiven und Generatoren von Windturbinen geliefert wird, verwendet werden können. Des Weiteren können die Transformatoren außerdem für Mittel- und Niederspannungsanwendungen verwendet werden, um andere Kopplungseinrichtungen zwischen einer Steuereinheit und der angetriebenen Einrichtung zu ersetzen.
Die Transformatoren können kosteneffektiv hergestellt werden. Insbesondere die verwendete Drucklithographie trägt dazu bei. Die Schablone oder Matrize 26, die zum Drucken des Grabenmusters verwendet wird, kann mehrmals verwendet werden.
2 veranschaulicht einen kernlosen Transformator gemäß einer Ausführungsform. Ähnlich wie der kernlose Transformator, der in 1J dargestellt ist, umfasst der kernlose Transformator von 2 ein Glassubstrat 10 mit zwei Ausnehmungen 21, 22, die an gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats 10 angeordnet sind. Eine erste Spule 231, die in dieser Ausführungsform vier Windungen 231a aufweist, ist in der ersten Ausnehmung 21 angeordnet, während eine zweite Spule 232, die vier Windungen 232a aufweist, in der zweiten Ausnehmung 22 angeordnet ist. Ein Fachmann wird anerkennen, dass die Anzahl von Windungen den Umständen entsprechend gewählt werden kann und für die erste und die zweite Spule 231, 232 nicht gleich sein muss. Erste Kontaktanschlussflächen 41a, 41b sind in der ersten Ausnehmung 21 seitlich von der ersten Spule 231 angeordnet, während zweite Kontaktanschlussflächen 42a, 42b in der zweiten Ausnehmung 22 seitlich von der zweiten Spule 232 angeordnet sind. Die erste und zweite Spule 231, 232 können durch gleiche oder ähnliche Prozesse wie oben beschrieben gebildet werden. Die zweiten Kontaktanschlussflächen 42a, 42b sind mit einem leitenden Klebstoff 46 zum Verbinden der zweiten Spule 232, die hier die Primärspule (Niederspannungsseite) des Transformators bilden kann, mit einer IC, die den Transformator ansteuert, versehen. Alternativ kann ein Lötmittelwerkstoff an Stelle eines leitenden Klebstoffs verwendet werden. Die erste Spule 231 bildet die Sekundärspule (Hochspannungsseite). Der Transformator kann z. B. an einer IC oder einer anderen Einrichtung durch Kleben, Löten oder jeden anderen geeigneten Prozess angebracht werden. Der Transformator kann außerdem einzeln oder gemeinsam mit der IC durch einen Passivierungswerkstoff eingekapselt sein.
Die Breite A der ersten und zweiten Ausnehmung 21, 22 ist gewählt, um einen ausreichenden Raum zum Integrieren jeder der Spulen 231, 232 einschließlich ihrer entsprechenden Kontaktanschlussflächen 41a, 41b, 42a, 42b zu schaffen. Die Kontaktanschlussflächen 41a, 41b, 42a, 42b können außerdem außerhalb der Ausnehmungen 21, 22 auf dem dicken Glasabschnitt des Substrats 10 gebildet sein. Erste Kontaktanschlussflächen 41a, 42b werden durch entsprechende Bonddrähte 45 kontaktiert.
Wie oben beschrieben, werden mehrere Transformatoren gemeinsam in dem Glassubstrat 10 gebildet und werden schließlich durch Sägen oder eine andere geeignete Trenneinrichtung voneinander getrennt, um einzelne Transformatoren zu erhalten.
Während die 1A bis 1J und 2 kernlose Transformatoren veranschaulichen, veranschaulicht 3 einen Transformator mit einem ferromagnetischen Kern gemäß einer Ausführungsform. Ähnlich wie in Verbindung mit den obigen Ausführungsformen beschrieben, wird ein Glassubstrat 310 mit einer ersten Ausnehmung 321 und einer zweiten Ausnehmung 322, die der ersten Ausnehmung 321 gegenüberliegend angeordnet ist, geschaffen. Erste und zweite Spulen 331 und 332 werden in einer entsprechenden Ausnehmung von erster und zweiter Ausnehmung 321, 322 wie oben beschrieben gebildet. Erste und zweite Keimlagen für eine elektrolytische Ablagerung von leitendem Werkstoff und ihre nach dem Ätzen verbleibenden Abschnitte sind zur einfachen Darstellung nicht gezeigt.
In einem weiteren Prozess wird eine erste isolierende Schicht 351 auf der ersten Seite des Glassubstrats 310 gebildet. Die erste isolierende Schicht 351 ist vergleichsweise dünn, z. B. 5 μm und muss nicht entworfen sein, um dem Spannungsunterschied zwischen der ersten und der zweiten Spule 331, 332 zu widerstehen. Die erste isolierende Schicht 351 schafft lediglich eine elektrische Isolierung zwischen der ersten Spule 331 einer nachfolgend gebildeten ferromagnetischen Abdeckung. Die erste isolierende Schicht 351 ist entworfen, um Spannungen zu widerstehen, die infolge der Selbstinduktion der Spulen auftreten. Diese Spannungen sind signifikant niedriger als die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Spule 331, 332. Die erste isolierende Schicht 351 kann z. B. eine Oxidschicht wie etwa eine Siliciumoxidschicht sein, die durch CVD oder einen anderen geeigneten Ablagerungsprozess gebildet wird.
Wie in 3 angegeben, bedeckt die erste isolierende Schicht 351 oberflächentreu die freiliegenden Leiter 331a der ersten Spule 331, so dass die Räume zwischen benachbarten Leitern oder Verdrahtungen 331a durch die erste isolierende Schicht 351 nicht vollständig gefüllt sind. Die Dicke der ersten isolierende Schicht 351 ist deswegen signifikant kleiner als der halbe Abstand zwischen benachbarten Leitern 331a. Somit verbleibt ein Freiraum zwischen benachbarten Leitern 331a, der mit einem ferromagnetisch oder magnetisch weichen Werkstoff gefüllt wird. Der verbleibende Freiraum zwischen den benachbarten Windungen 331a ist so gewählt, dass die Bildung von Wirbelströmen in dem ferromagnetischen Werkstoff vermindert oder vermieden wird.
In einem weiteren Prozess wird eine weitere Keimlage 391 z. B. durch Sputtern abgelagert. Eine Maske 385, z. B. eine Photoresistlage, die durch Strichpunktlinien angegeben ist, wird gebildet, um Bereiche zu bedecken, in denen keine ferromagnetische Abdeckung gebildet werden soll.
Anschließend wird ein ferromagnetischer Werkstoff wie etwa Eisen auf freiliegenden Bereichen auf der Keimlage 391 elektrolytisch abgelagert. Elektrolytisch abgelagertes Eisen ist vergleichsweise rein und besitzt eine hohe magnetische Permittivität. Ein geeignetes Plattierungsbad kann Eisenchlorid (z. B. 375 g/l) und Calciumchlorid (z. B. 185 g/l) enthalten. Der pH-Wert des Plattierungsbads ist auf einen Wert zwischen 1 und 2 eingestellt und das Bad wird auf eine Temperatur zwischen 90°C und 110°C erwärmt. Unter Verwendung einer Stromdichte von etwa 4 bis 20 A/dm² kann eine Eisenlage mit geringer Härte und guter Duktilität gebildet werden. Ein derartiger Werkstoff ist geeignet zum Bilden einer ersten ferromagnetischen Abdeckung 361. Ein Fachmann wird anerkennen, dass andere Plattierungslösungen und andere ferromagnetische Werkstoffe ebenfalls verwendet werden können. Das elektrolytisch abgelagerte Eisen kann eine Dicke aufweisen, die ausreichend ist, um die Leiter 331a vollständig einzukapseln und eine geschlossene ferromagnetische Abdeckung 361 zu bilden. Eisen kann z. B. in einer Dicke von etwa 100 μm abgelagert werden, was für viele Anwendungen ausreichend ist. Andere Dicken sind ebenfalls möglich.
In einem weiteren Prozess wird die Maske 385 entfernt und die weitere Keimlage 391 geätzt, um sie von Bereichen außerhalb der ferromagnetischen Abdeckung 361 zu entfernen, wobei die ferromagnetische Abdeckung 361 als Maske verwendet wird. Es ist außerdem möglich, Abschnitte der ersten isolierenden Schicht 351 zu entfernen.
Die gleichen Prozesse werden an der zweiten Seite ausgeführt, um die zweite Spule 332, die durch eine zweite ferromagnetische Abdeckung 362 bedeckt ist, zu bilden. Die auf diese Weise gebildeten ferromagnetischen Abdeckungen 361, 362 werden nachfolgend geglüht. Weitere Prozesse umfassen das Bilden von Passivierungslagen und geeigneten elektrischen Verbindungen mit der ersten und zweiten Spule 331, 332, die in 3 nicht gezeigt sind.
Die erste und zweite ferromagnetische Abdeckung 361, 362 bilden gemeinsam einen ferromagnetischen Kern, der einen Spalt aufweist, der durch das verdünnte Glassubstrat 310 zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung 321, 322 gebildet ist. Das Glassubstrat 310 trennt die erste ferromagnetische Abdeckung 361 von der zweiten ferromagnetischen Abdeckung 362. Der Spalt d_L, der im Wesentlichen d₂ entspricht, kann den Q-Faktor des Transformators verringern. Der Spalt d_L, der durch den dünnen Abschnitt des Glassubstrats 310 und die entsprechenden isolierenden Schichten 351, 352 gebildet ist, kann z. B. im Bereich von etwa 40 μm bis etwa 110 μm liegen. Das ist jedoch für viele Anwendungen annehmbar. Andererseits sind die Leiter 331a und 332a der ersten und zweiten Spule 331, 332 vollständig von dem ferromagnetischen Werkstoff der ferromagnetischen Abdeckung 361 und 362 mit Ausnahme der Seite, die dem Glassubstrat 310 zugewandt ist, umgeben. Diese Konfiguration verbessert die Transformatorqualität und gleicht wenigstens teilweise den Spalt aus, der durch das Glassubstrat 310 gebildet ist. Die magnetischen Feldlinien 336 sind in 3 durch gepunktete Linien angegeben und sind im Wesentlichen innerhalb der ersten und zweiten ferromagnetischen Abdeckung 361, 362 begrenzt, während sie durch den durch das Glassubstrat 310 gebildeten ”Spalt” verlaufen.
Der Transformator mit einem derartigen ferromagnetischen Kern 361, 362 besitzt eine hohe Qualität (Q-Faktor) und ist geeignet für eine Signalübertragung im kHz-Bereich bis zum MHz-Bereich. Die geometrischen Parameter des ferromagnetischen Kerns, d. h. der ersten und zweiten ferromagnetischen Abdeckung 361, 362 und der Leiter 331a und 332a können im Hinblick auf die Signalfrequenz angepasst werden.
Die Leiter 331a und 332a können z. B. ein großes Seitenverhältnis aufweisen und eng beabstandet sein, so dass der Freiraum zwischen benachbarten Leitern klein bleibt. In diesem Fall werden lediglich kleine ”Finger” der jeweiligen ferromagnetischen Abdeckung 361, 362 gebildet. Diese Finger aus dem Schichtstoffverbund der ferromagnetischen Abdeckungen 361, 362 sind vorzugsweise ausreichend dünn, um eine Erzeugung von Wirbelströmen zu verhindern. Das Gleiche gilt für die Breite der Leiter. Dies wird in Verbindung mit 4 beschrieben, die die Eindringtiefe des elektrischen Felds in verschiedene Werkstoffe in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt.
4 veranschaulicht die Eindringtiefe δ eines elektrischen Wechselfelds für Kohle (1), Manganin^® (2), das eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung ist, Blei (3), Zinn (4), Messing (5), Aluminium (6), Kupfer (7) und Silber (8). Die Eindringtiefe δ eines elektrischen Wechselfelds in einen leitenden Werkstoff kann unter Verwendung der folgenden Relation berechnet werden:
wobei ω die Winkelfrequenz des elektrischen Wechselfelds, κ die elektrische Leitfähigkeit des leitenden Werkstoffs und μ die Permeabilität des leitenden Werkstoffs bezeichnen. Die Dicke des Schichtstoffverbunds oder der Finger der ferromagnetischen Abdeckung 361, 362 sowie der Leiter ist vorzugsweise kleiner als die Eindringtiefe δ, um die Erzeugung von Wirbelstrom zu unterdrücken. Infolge der unterschiedlichen verwendeten Werkstoffe gelten für die Leiter und die Finger unterschiedliche Eindringtiefen δ. Wenn z. B. Signale mit einer Frequenz von etwa 1 MHz betrachtet werden, ist die Breite ω der Leiter vorzugsweise kleiner als 50 μm. Die Bildung derartig kleiner Leiter kann durch die oben beschriebenen Prozesse einfach erreicht werden. Die Druckmasken 25 können z. B. mit Gräben 25a gebildet werden, die eine Breite von 10 μm oder kleiner aufweisen. Ähnliche Schätzungen können für die ferromagnetischen Abdeckungen 361, 362 gemacht werden. Die Breite der ferromagnetischen Finger oder des Schichtstoffverbunds sollte in einem ähnlichen Bereich liegen wie jener der Leiter und ist typischerweise kleiner als die Breite der Leiter.
Deswegen können Transformatoren, die für das Transformieren von Signalen bis zum MHz-Bereich geeignet sind, gebildet werden. Das ist ausreichend für viele Anwendungen wie etwa Brückenschaltkreise, die durch Leistungseinrichtungen zum Übertragen von Gate-Signalen gebildet werden.
Lediglich für Erläuterungszwecke wird im Folgenden ein nicht einschränkendes Beispiel beschrieben. Die Leiter der entsprechenden ersten und zweiten Spule haben eine Querschnittsfläche mit einer Breite von etwa 10 μm und einer Höhe von etwa 100 μm, was ein Seitenverhältnis (h/w) von 10 ergibt. Eine Spule mit einer Windung, die eine Fläche von etwa 100 μm mal 100 μm bedeckt, indem eine quadratische Windung gebildet wird, die die oben genannte Querschnittsabmessung besitzt, hat eine Induktivität von etwa 1 nH. Die Induktivität der jeweiligen Spule kann vergrößert werden, indem die Anzahl der Windungen vergrößert wird. Unter der Annahme, dass die Gesamtfläche, die für die Spule einschließlich ihrer Anschlussflächen und ihrer seitlichen Isolierung, die durch das dicke Glassubstrat gebildet ist, zur Verfügung steht, etwa 1 mm² oder weniger beträgt, können deswegen Spulen mit einer Induktivität im Bereich bis zu ein paar Dutzend nH gebildet werden.
Eine Vergrößerung der Höhe der Leiter ändert die Induktivität nicht signifikant, sondern vermindert den Widerstand des Leiters. Der Qualitätsfaktor Q einer Spule kann durch die folgende Relation geschätzt werden:
wobei R der Widerstand des Leiters, L die Induktivität und C die durch den Leiter gebildete Kapazität sind. Für eine Kupferspule mit den oben beschriebenen Abmessungen kann ein Qualitätsfaktor zwischen einigen Dutzend Hundert und bis zu Tausend und mehr geschätzt werden. Wenn, wie oben beschrieben, eine ferromagnetische Abdeckung verwendet wird, kann der Qualitätsfaktor weiter signifikant vergrößert werden, was außerdem die Kopplung zwischen den beiden Spulen verbessert.
In dieser Beschreibung sind Ausführungsformen von Transformatoren, die zwischen der Primär- und Sekundärspule eine Isolierung mit hoher dielektrischer Festigkeit aufweisen, beschrieben. Primär- und Sekundärspule sind durch ein Glassubstrat mit einer hohen dielektrischen Festigkeit getrennt und voneinander isoliert, wodurch die Spulen nahe zueinander angeordnet werden können, während eine ausreichende dielektrische Isolation aufrechterhalten wird. Jede der Spulen kann z. B. eine Doppelwindung sein, die durch einen Leiter mit einem Seitenverhältnis (Höhe/Breite) signifikant größer als 5, typischerweise größer als 10 oder sogar 20 gebildet ist. Die seitliche Isolierung der Spulen ist durch ein Glassubstrat oder einen Abschnitt des Glassubstrats mit einer größeren Dicke als das direkt zwischen den Spulen angeordnete Glassubstrat gebildet, um einen Übergangsbereich zu schaffen, um den hohen Spannungsunterschied zwischen den Spulen zu einem dielektrischen Werkstoff mit einer niedrigeren dielektrischen Festigkeit als das Glassubstrat zu ”leiten”. Zu diesem Zweck kann das Glassubstrat zwei Ausnehmungen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats gebildet sind, aufweisen, wobei jede der Ausnehmungen eine entsprechende der beiden Spulen aufnimmt.
Jede der beiden Spulen kann durch eine entsprechende ferromagnetische Abdeckung bedeckt sein, so dass die Leiter an Seitenwand- und oberen Abschnitten durch die ferromagnetische Abdeckung bedeckt sind. Die ferromagnetischen Abdeckungen sind durch das Glassubstrat voneinander getrennt. Die ferromagnetischen Abdeckungen können außerdem in den Ausnehmungen angeordnet sein. Der magnetische Fluss verläuft von einer ferromagnetischen Abdeckung durch das Glassubstrat zu der gegenüberliegenden ferromagnetischen Abdeckung.
Die Transformatoren haben eine vergleichsweise kleine Größe und können kosteneffektiv auf einem Glassubstrat oder Wafer hergestellt werden, wobei mehrere Transformatoren auf dem Glaswafer gebildet werden, der anschließend in einzelne unterschiedliche Transformatoren geschnitten wird.
Ausdrücke wie ”erste”, ”zweite” und dergleichen werden verwendet, um verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sollen nicht einschränkend sein. In der gesamten Beschreibung bezeichnen gleiche Ausdrücke gleiche Elemente.
Die hier verwendeten Ausdrücke ”aufweisen”, ”enthalten”, ”aufweisen”, ”einschließen”, ”umfassen” und dergleichen sind unbestimmte Ausdrücke, die das Vorhandensein von genannten Elementen oder Merkmalen angeben, die jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel ”ein” und ”der, die, das” sollen den Plural sowie den Singular enthalten, falls im Kontext nicht ausdrücklich anders angegeben.
Unter Berücksichtigung des oben angegebenen Bereichs von Variationen und Anwendungsmöglichkeiten sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung weder auf die vorhergehende Beschreibung noch durch die beigefügten Zeichnungen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung ist stattdessen lediglich durch die folgenden Ansprüche und ihre gesetzlich zulässigen Entsprechungen beschränkt.

Claims

Transformatorvorrichtung, umfassend: ein Glassubstrat (10, 310) mit einer ersten Seite (11) und einer zweiten Seite (12), die der ersten Seite (11) gegenüberliegend angeordnet ist; eine erste Ausnehmung (21, 321), die in dem Glassubstrat (10, 310) an der ersten Seite (11) des Glassubstrats (10, 310) gebildet ist; eine zweite Ausnehmung (22, 322), die in dem Glassubstrat (10, 310) an der zweiten Seite (12) des Glassubstrats (10, 310) gebildet ist, wobei die erste und zweite Ausnehmung (21, 22, 321, 322) einander gegenüberliegend angeordnet sind; eine erste Spule (31, 231, 331), die in der ersten Ausnehmung (21, 321) angeordnet ist; und eine zweite Spule (32, 232, 332), die in der zweiten Ausnehmung (22, 322) angeordnet ist.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Glassubstrat (10, 310) zwischen der ersten und zweiten Ausnehmung (21, 22, 321, 322) eine Dicke in einem Bereich von etwa 40 μm bis etwa 100 μm aufweist.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Glassubstrat (10, 310) in einem Bereich außerhalb der ersten und zweiten Ausnehmung (21, 22, 321, 322) eine Dicke in einem Bereich von etwa 200 μm bis etwa 1000 μm aufweist.
Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Spule (31, 231, 331) einen ersten Leiter (31a, 231a, 331a) umfasst und die zweite Spule (32, 232, 332) einen zweiten Leiter (32a, 232a, 332a) umfasst, wobei jeder der Leiter (31a, 32a, 231a, 232a, 331a, 332a) eine sich von dem Glassubstrat (10, 310) nach außen erstreckende Höhe aufweist, die größer ist als eine Breite des Leiters (31a, 32a, 231a, 232a, 331a, 332a).
Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: eine erste ferromagnetische Abdeckung (361) über der ersten Spule (331); und eine zweite ferromagnetische Abdeckung (362) über der zweiten Spule (332), wobei die erste ferromagnetische Abdeckung (361) durch das Glassubstrat (310) von der zweiten ferromagnetischen Abdeckung (362) isoliert ist.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich jede der ersten und zweiten ferromagnetischen Abdeckungen (361, 362) wenigstens teilweise zwischen benachbarten Windungen der jeweiligen ersten und zweiten Spule (331, 332) erstreckt.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, die ferner eine erste isolierende Schicht (351) zwischen der ersten ferromagnetischen Abdeckung (361) und der ersten Spule (331) und eine zweite isolierende Schicht (352) zwischen der zweiten ferromagnetischen Abdeckung (362) und der zweiten Spule (332) umfasst.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die isolierende Schicht (351, 352) eine dielektrische Festigkeit aufweist, die kleiner ist als eine dielektrische Festigkeit des Glassubstrats (10, 310) in einem Bereich zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen (21, 22, 321, 322).
Transformatorvorrichtung, umfassend: ein Glassubstrat (10, 310), das einen ersten Abschnitt mit einer ersten Dicke (d₁) und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Dicke (d₂), die kleiner als die erste Dicke (d₁) ist, umfasst, wobei der erste Abschnitt den zweiten Abschnitt seitlich umgibt, wobei der zweite Abschnitt eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, umfasst; eine ebene Primärspule (31, 231, 331), die auf der ersten Seite des zweiten Abschnitts des Glassubstrats (10, 310) angeordnet ist; eine ebene Sekundärspule (32, 232, 332), die auf der zweiten Seite des zweiten Abschnitts des Glassubstrats der ersten Spule (31, 231, 331) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Primärspule (31, 231, 331) und die Sekundärspule (32, 232, 332) durch den zweiten Abschnitt des Glassubstrats (10, 310) voneinander isoliert sind.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Abschnitt des Glassubstrats (10, 310) die Primär- und Sekundärspulen (31, 32, 231, 232, 331, 332) seitlich umgibt.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend: eine erste isolierende Schicht (351) auf der Primärspule (331) und eine erste ferromagnetische Abdeckung (361) über der Primärspule (331), wobei die erste isolierende Schicht (351) die Primärspule (331) von der ersten ferromagnetischen Abdeckung (361) elektrisch isoliert; eine zweite isolierende Schicht (352) auf der Sekundärspule (332) und eine zweite ferromagnetische Abdeckung (362) über der Sekundärspule (332), wobei die zweite isolierende Schicht (352) die Sekundärspule (332) von der zweiten ferromagnetischen Abdeckung (362) elektrisch isoliert; wobei jede der ersten und zweiten isolierenden Schichten (351, 352) eine dielektrische Festigkeit kleiner als eine dielektrische Festigkeit des zweiten Abschnitts des Glassubstrats (310) aufweist.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jede der ersten und zweiten ferromagnetischen Abdeckungen (361, 362) sich wenigstens teilweise zwischen benachbarten Windungen der jeweiligen Primär- und Sekundärspulen (331, 332) erstreckt.
Transformatorvorrichtung, umfassend: ein Glassubstrat (10, 310) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist; eine erste ebene Spule (31, 231, 331), die einen Leiter (31a, 231a, 331a) umfasst, der auf der ersten Seite des Glassubstrats (10, 310) angeordnet ist, wobei der Leiter (31a, 231a, 331a) einen Endabschnitt umfasst, der distal zu der ersten Seite des Glassubstrats (10, 310) und zu Seitenwänden angeordnet ist; eine zweite ebene Spule (32, 232, 332), die einen Leiter (32a, 232a, 332a) umfasst, der auf der zweiten Seite des Glassubstrats (10, 310) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten ebenen Spulen (31, 32, 231, 232, 331, 332) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Leiter der zweiten ebenen Spule (32, 232, 332) einen Endabschnitt umfasst, der distal zu der zweiten Seite des Glassubstrats (10, 310) und zu Seitenwänden angeordnet ist; eine erste ferromagnetische Abdeckung (361) über der ersten ebenen Spule (331) auf der ersten Seite des Glassubstrats (310), wobei die erste ferromagnetische Abdeckung (361) von der ersten ebenen Spule (331) elektrisch isoliert ist und die Seitenwände und den Endabschnitt des Leiters der ersten ebenen Spule (331) bedeckt; eine zweite ferromagnetische Abdeckung (362) über der zweiten ebenen Spule (332) auf der zweiten Seite des Glassubstrats (310), wobei die zweite ferromagnetische Abdeckung (362) von der zweiten ebenen Spule (332) elektrisch isoliert ist und die Seitenwände und den Endabschnitt des Leiters der zweiten ebenen Spule (332) bedeckt; wobei das Glassubstrat (10, 310) zwischen der ersten und der zweiten ferromagnetischen Abdeckung (361, 362) angeordnet ist.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste und die zweite ferromagnetische Abdeckung (361, 362) um einen Abstand in einem Bereich von etwa 40 μm und etwa 110 μm voneinander beabstandet sind.
Transformatorvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Glassubstrat (10, 310) eine erste Ausnehmung (21, 321) an der ersten Seite des Glassubstrats (10, 310) und eine zweite Ausnehmung (22, 322) an der zweiten Seite des Glassubstrats (10, 310) der ersten Ausnehmung (21, 321) gegenüberliegend aufweist, wobei die erste ebene Spule (31, 231, 331) in der ersten Ausnehmung (21, 321) angeordnet ist und die zweite ebene Spule (32, 332) in der zweiten Ausnehmung (22, 322) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines Glassubstrats (10, 310) mit einer ersten Seite (11) und einer zweiten Seite (12), die der ersten Seite (11) gegenüberliegend angeordnet ist; Bilden einer ersten Ausnehmung (21) in dem Glassubstrat (10, 310) an der ersten Seite (11) des Glassubstrats (10, 310); Bilden einer zweiten Ausnehmung (22) in dem Glassubstrat (10, 310) an der zweiten Seite (12) des Glassubstrats (10, 310) der ersten Ausnehmung (21, 321) gegenüberliegend; Bilden einer ersten Spule (31, 231, 331) in der ersten Ausnehmung (21, 321); und Bilden einer zweiten Spule (32, 232, 332) in der zweiten Ausnehmung (22, 322).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bilden wenigstens einer von der ersten und zweiten Spule umfasst: Bilden einer Keimlage (27, 28) in der entsprechenden Ausnehmung (21, 22, 321, 322); Bilden einer Maske (25) auf der Keimlage (27, 28), wobei die Maske (25) einen Graben (25a) umfasst, der eine Lage und Breite eines Leiters der jeweiligen Spule (31, 32, 231, 232, 331, 332) definiert und der Graben (25a) einen Abschnitt der Keimlage (27) freilegt; und elektrolytisches Ablagern eines leitenden Werkstoffs in dem Graben (25a), um den Leiter (31a, 32a, 231a, 232a, 331a, 332a) der jeweiligen Spule (31, 32, 231, 232, 331, 332) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: Bilden einer isolierenden Schicht (351, 352) auf dem Leiter der entsprechenden Spule (331, 332); Bilden einer weiteren Keimlage (391, 392) auf der isolierenden Schicht (351, 352); und elektrolytisches Ablagern eines ferromagnetischen Werkstoffs, um eine ferromagnetische Abdeckung (361, 362) über der jeweiligen Spule (331, 332) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: Glühen oder Ausheilen des ferromagnetischen Werkstoffs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Graben (25a) in der Maske (25) eine Tiefe aufweist, die größer ist als die Breite des Grabens (25).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, weiterhin umfassend: Entfernen der Maske (25) nach der elektrolytischen Ablagerung des leitenden Werkstoffs; und Ätzen der Keimlage (27) unter Verwendung des leitenden Werkstoffs als Maske.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, weiterhin umfassend: Entfernen der Maske (25) nach der elektrolytischen Ablagerung des leitenden Werkstoffs, um Seitenwand- und obere Abschnitte des Leiters (331a, 332a) der entsprechenden Spule (331, 332) freizulegen; Bilden einer isolierenden Schicht (351, 352), die die freigelegten Seitenwand- und obere Abschnitte des Leiters (331a, 332a) konform bedeckt; Bilden einer weiteren Keimlage (391, 392) auf der isolierenden Schicht (351, 352); und elektrolytisches Ablagern eines ferromagnetischen Werkstoffs, um eine ferromagnetische Abdeckung (361, 362) über den Seitenwand- und oberen Abschnitten des Leiters (331a, 332a) der entsprechenden Spule (331, 332) zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das Bilden der Maske (25) umfasst: Ablagern einer Polymerschicht (24); Bereitstellen einer Schablone oder Matrize (26) mit einem Muster, das dem zu bildenden Graben (25a) entspricht; und Pressen der Schablone oder Matrize (26) in die Polymerschicht (24), um das Muster in die Polymerschicht (24) zu drucken.
Verfahren zum Herstellen einer Transformatorvorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines Glassubstrats (310) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist; Bilden einer ersten ebenen Spule (331), die einen Leiter (331a) umfasst, auf der ersten Seite des Glassubstrats (310); Bilden einer ersten isolierenden Schicht (351) auf der ersten ebenen Spule (331); Bilden einer ersten ferromagnetischen Abdeckung (361) über der ersten ebenen Spule (331); Bilden einer zweiten ebenen Spule (332), die einen Leiter (332a) umfasst, auf der zweiten Seite des Glassubstrats (310); Bilden einer zweiten isolierenden Schicht (352) auf der zweiten ebenen Spule (332); und Bilden einer zweiten ferromagnetischen Abdeckung (362) über der zweiten ebenen Spule (332).
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bilden der ersten und zweiten Spulen umfasst: Verwenden der Drucklithographie zum Bilden einer entsprechenden Maske (25), die eine Größe und eine Lage des Leiters der jeweiligen Spule definiert; und elektrolytisches Ablagern von leitendem Werkstoff, um den Leiter der jeweiligen Spule zu bilden.