DE102018113765B4

DE102018113765B4 - Transformator mit einer durchkontaktierung für einen magnetkern

Info

Publication number: DE102018113765B4
Application number: DE102018113765.6A
Authority: DE
Inventors: Jan KUBIK; Bernard P. Stenson; Mike Morrissey
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2038-06-09
Also published as: CN109036798B; US20180358166A1; CN109036798A; DE102018113765A1; US11404197B2

Abstract

Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung, wobei der Transformator Folgendes aufweist:eine Primärspule und eine Sekundärspule;einen Magnetkern aufweisend eine untere Schicht (1502, 300) des Magnetkerns, eine obere Schicht (1506, 322) des Magnetkerns und eine die untere Schicht (1502, 300) des Magnetkerns mit der oberen Schicht (1506, 322) des Magnetkerns koppelnde Durchkontaktierung (1608);eine erste Isolierschicht (302), die über der unteren Schicht (1502, 300) des Magnetkerns ausgebildet ist; undeine Trennschicht (1504), die über der unteren Schicht (1502, 300) des Magnetkerns ausgebildet und neben der ersten Isolierschicht (302) angeordnet ist,wobei mindestens ein Teil der Primärspule, mindestens ein Teil der Sekundärspule, die Trennschicht und die erste Isolierschicht (302) zwischen der unteren Schicht (1502, 300) und der oberen Schicht (1506, 322) des Magnetkerns angeordnet sind;wobei mindestens ein Teil der Primärspule die erste Isolierschicht (302), ohne die Trennschicht zu kontaktieren, kontaktiert;wobei die Durchkontaktierung (1608) durch die Trennschicht (1504) passiert, um einen Weg für magnetischen Fluss zwischen der unteren Schicht (1502) und der oberen Schicht (1506) des Magnetkerns bereitzustellen;wobei die Trennschicht (1504) zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht des Magnetkerns auf einander gegenüberliegenden Seiten der Durchkontaktierung angeordnet ist; undwobei die Trennschicht (1504) und die erste Isolierschicht (302) aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Magnetkern eines induktiven Bauteils, wie zum Beispiel eines Transformators, und solch einen Magnetkern enthaltende integrierte Schaltungen.
HINTERGRUND
Induktive Bauteile, wie zum Beispiel Induktivitäten und Transformatoren, haben viele Verwendungen. Zum Beispiel können Induktivitäten bei der Herstellung von Filtern und Resonanzkreisen verwendet werden oder können in Schalt-Leistungsumsetzern verwendet werden, um eine Eingangsspannung zur Erzeugung einer anderen Ausgangsspannung zu erhöhen oder zu verringern. Transformatoren können bei der Übertragung von Leistung oder Signalen von einer Schaltung zu einer weiteren verwendet werden, während sie hohe Niveaus der galvanischen Trennung bereitstellen.
Induktivitäten und Transformatoren können innerhalb einer Umgebung integrierter Schaltungen hergestellt werden. Beabstandete Leiter, die im Allgemeinen eine Spirale oder eine Approximation einer Spirale bilden, können auf oder in einem Halbleitersubstrat gebildet werden, um eine Spule als Teil einer Induktivität oder eines Transformators zu bilden. Derartige beabstandete spiralförmige Induktivitäten können nebeneinander oder in einer gestapelten Konfiguration platziert sein.
Induktive Bauteile können einen Magnetkern in einer integrierten Schaltung enthalten. Die Leistung von induktiven Bauteilen, die Magnetkerne enthalten, kann durch Reduzieren von mit Magnetkernen verbundenen Verlusten verbessert werden.
Aus den Druckschriften DE 10 2016 123 920 A1 , US 2008 / 0 003 699 A1 sowie der US 2013 / 0 328 165 A1 sind unterschiedliche Ausgestaltungen miniaturisierter induktiver Komponenten bekannt, die jeweils einen geschlossenen Magnetkern aufweisen.
US 2008 / 0 238 602 A1 betrifft ein Gerät mit einer ersten magnetischen Schicht, einer zweiten magnetischen Schicht und einem leitenden Muster. Das leitende Muster befindet sich in einer dritten Schicht zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht. Darüber hinaus verbinden ein oder mehrere magnetische Vias die erste und die zweite magnetische Schicht. Die magnetischen Schichten und Durchkontaktierungen können als ferromagnetische Kerne oder Abschirmungen fungieren. Außerdem können sie auf einem Chip integriert sein (On-Die-Magnetik). Das Gerät kann in Induktoren, Transformatoren, Übertragungsleitungen usw. eingesetzt werden.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es werden Techniken zur Herstellung von verlustarmen magnetischen Durchkontaktierungen in einem Magnetkern bereitgestellt. Gemäß einigen Ausführungsformen können Durchkontaktierungen mit kleinen, wohldefinierten Größen hergestellt werden, ohne von einer genauen Ausrichtung von Schichten abhängig zu sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein eine verlustarme magnetische Durchkontaktierung enthaltender Magnetkern um leitende Spulen einer Induktivität herumgewickelt sein. Die verlustarmen magnetischen Durchkontaktierungen können die Leistung eines induktiven Bauteils durch Verbesserung des Gütefaktors bezüglich magnetischer Durchkontaktierungen mit höheren Verlusten verbessern.
Gemäß einigen Aspekten wird ein Magnetkern einer integrierten Schaltung bereitgestellt, wobei der Magnetkern eine erste Schicht des Magnetkerns, eine zweite Schicht des Magnetkerns, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht des Magnetkerns jeweils Schichten aus einem magnetischen Material und mindestens eine Laminierungsschicht aufweisen, und eine Durchkontaktierung, die die erste Schicht mit der zweiten Schicht magnetisch koppelt, aufweist, wobei sich die Durchkontaktierung durch eine Isolierschicht erstreckt.
Gemäß einigen Aspekten wird ein Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.
Gemäß einigen Aspekten wird ein Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereitgestellt.
Die vorhergehenden Vorrichtungsformen können mit jeglicher geeigneten Kombination von oben beschriebenen oder unten weiter detaillierten Aspekten, Merkmalen und Handlungen implementiert werden. Diese und weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale der vorliegenden Lehren können anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren verschiedene Aspekte und Ausführungsformen beschrieben. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Figuren nicht zwangsweise maßstäblich sind. In den Zeichnungen wird jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, mit einer gleichen Zahl dargestellt. Der Übersicht halber ist möglicherweise nicht jede Komponente jeder Zeichnung mit einer Bezeichnung versehen.

1 ist eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht durch den Transformator von 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Transformators, der in einer integrierten Schaltung ausgebildet ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
4 ist eine Querschnittsansicht durch den Transformator von 3;
5 ist ein Schaltbild, das eine Schaltung zum Messen der Flussdichte als eine Funktion des Spulenstroms gemäß einigen Ausführungsformen zeigt;
6 zeigt ein Schaubild der Flussdichte gegenüber dem Spulenstrom für einen Transformator gemäß einigen Ausführungsformen;
7 zeigt ein Schaubild der Flussdichte gegenüber dem Spulenstrom für einen optimierten Transformator gemäß einigen Ausführungsformen;
8 ist ein Schaubild, das die Windungsdichte als Funktion der Position entlang einer Spulenachse für eine einen Magnetkern umgebende Spule gemäß einigen Ausführungsformen darstellt;
9 ist eine schematische Ansicht einer Induktivität oder eines Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
10 ist ein schematischer Querschnitt durch ein beispielhaftes IC-Bauelement;
11 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Transformator gemäß einigen Ausführungsformen;
12 ist eine schematische Draufsicht eines Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
13 ist eine schematische Draufsicht eines Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
15A zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften Transformator gemäß einigen Ausführungsformen;
15B, 15C und 15D sind vergrößerte Darstellungen, die Beispiele für die Kontaktbasis in 15A zeigen;
16 zeigt ein Schaubild des Gütefaktors (Q-Faktors) einer Induktivität in einem beispielhaften Transformator über einen Bereich von Frequenzen;
17A und 17B zeigen Querschnitte eines beispielhaften Transformators mit verschiedenen Kontaktbasisbreiten gemäß einigen Ausführungsformen;
18A und 18B zeigen perspektivische Ansichten eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators mit verschiedenen Kontaktbasisbreiten gemäß einigen Ausführungsformen;
19 zeigt ein Schaubild des Q-Faktors einer Induktivität in einem Transformator über einen Bereich von Frequenzen;
20A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
20B zeigt eine Querschnittsansicht des Transformators in 20A;
21A zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften Transformators mit der in 21B gezeigten Kontaktbasis gemäß einigen Ausführungsformen;
21B zeigt Details einer in 21A enthaltenen Kontaktbasis;
22A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators, der die in 21B gezeigten Kontaktbasen enthält, gemäß einigen Ausführungsformen;
22B zeigt eine Querschnittsansicht durch 22A;
23A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators gemäß einigen Ausführungsformen;
23B zeigt eine Querschnittsansicht durch den Transformator von 23A;
24A-24F zeigen beispielhafte schematische Querschnitte einer Kontaktbasis während verschiedener Stadien der Herstellung einer magnetischen Durchkontaktierung gemäß einigen Ausführungsformen;
25 ist ein schematischer Querschnitt durch ein beispielhaftes IC-Bauelement, das eine verlustarme magnetische Durchkontaktierung enthält, gemäß einigen Ausführungsformen;
26 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Bauelement gemäß einigen Ausführungsformen; und
27 zeigt eine beispielhafte Draufsicht, die Masken zur Herstellung von Durchkontaktierungen gemäß einer Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Magnetkerne werden in verschiedenen Vorrichtungen, einschließlich Elektromagneten, Transformatoren, Elektromotoren und Induktivitäten, verwendet. Ein Magnetkern weist ein magnetisches Material (zum Beispiel ein ferromagnetisches Metall), das zum Begrenzen und Führen eines Magnetfelds verwendet wird, auf. In einigen Vorrichtungen, wie etwa Transformatoren, kann ein Magnetkern einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sein. Diese Konfiguration kann dazu führen, dass in dem Kern Leistung verlorengeht, da das sich ändernde Magnetfeld aufgrund von elektromagnetischer Induktion elektrische Ströme in dem Kern erzeugen kann. Diese induzierten Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet.
In integrierten Schaltungen werden Magnetkerne in der Regel durch Bilden einer oder mehrerer Schichten aus magnetischem Material über und unter anderen Bauteilen, so dass magnetischer Fluss um die Bauteile herum fließen kann, hergestellt. Zum Beispiel kann in einem Transformator eine Leiterbahn im Inneren eines Magnetkerns angeordnet werden, indem Schichten aus magnetischem Material um die Bahn herum gebildet werden. In Vorrichtungen, in denen zwei getrennte Schichten aus magnetischem Material zur Erzeugung eines einzigen Magnetkerns gebildet sind, kann es an der Grenzfläche zwischen diesen Schichten zu Verlusten kommen. Mit zunehmender Größe der Kontaktfläche zwischen den Schichten, auch als Durchkontaktierung bezeichnet, neigen insbesondere Wirbelstromverluste in der und/oder um die Durchkontaktierung herum dazu, zuzunehmen. Die Herstellung von Magnetkernen mit kleinen Durchkontaktierungen sieht sich jedoch zahlreichen Herausforderungen gegenüber. Mit kleiner werdenden Durchkontaktierungen nimmt zum Beispiel die zur ordnungsgemäßen Ausrichtung mehrerer Schichten erforderliche Präzision zu. In Fällen, in denen Schichten nicht ordnungsgemäß aufeinander ausgerichtet sind, können zwischen magnetischen Schichten Luftspalte erzeugt werden, die verhindern, dass sich der magnetische Fluss um die Kernmaterialien herum bewegt.
Die Erfinder haben Techniken zur Herstellung verlustarmer magnetischer Durchkontaktierungen in einem Magnetkern erkannt. Insbesondere haben die Erfinder Techniken zur Herstellung von Durchkontaktierungen mit kleinen, wohldefinierten Größen erkannt. Gemäß einigen Aspekten sind diese Techniken nicht von einer genauen Ausrichtung mehrerer Schichten, wie es bei herkömmlichen Ansätzen der Fall ist, abhängig. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Magnetkern um leitende Spulen in einer Induktivität herum ausgebildet sein. Die verlustarmen magnetischen Durchkontaktierungen können die Leistung eines induktiven Bauteils durch Verbesserung des Gütefaktors (Q-Faktors) bezüglich magnetischer Durchkontaktierungen mit höheren Verlusten verbessern.
Diese Offenbarung stellt auch eine Ausgleichsstruktur zum Ausgleichen einer Kernsättigungsungleichmäßigkeit eines Magnetkerns bereit. Diese Struktur kann eine Spule enthalten, in der die Windungsdichte über die Spule variiert. Windungsdichte kann als die Anzahl von Windungen pro Längeneinheit definiert werden. Durch Vergrößern der Breite der die Spule bildenden Leiter kann die Windungsdichte verringert werden. Die Windungsdichte kann variiert werden, indem Leiter mit unterschiedlicher Dicke für jede Windung der Spule vorgesehen werden. Es ist somit möglich, ein magnetisches Bauteil an oder als Teil einer integrierten Schaltung vorzusehen, bei dem der Magnetkern gleichmäßiger gesättigt wird. Dies kann wiederum zu einer größeren Linearität und einer verbesserten Leistungsübertragung innerhalb eines Betriebsbereichs, in dem im Wesentlichen kein Teil des Kerns eine magnetische Sättigung erreicht hat, führen. Dies kann erreicht werden, ohne dass dies mit einem vergrößerten Platzbedarf für das magnetische Bauteil auf einem Substrat, wie zum Beispiel einem Halbleiter, auf dem das magnetische Bauteil getragen wird, einhergeht.
1 stellt schematisch ein Beispiel für einen Transformator 1 dar. Der Transformator 1 enthält zwei Magnetkerne. Ein erster Magnetkern wird durch die Bezugszahl 2 allgemein gezeigt, und ein zweiter Magnetkern wird durch die Bezugszahl 3 allgemein gezeigt. Die Magnetkerne sind als rechteckige Rohre ausgebildet, in denen die Transformatorspulen positioniert sind, wie unten ausführlicher erläutert werden wird. Der erste und der zweite Magnetkern 2, 3 sind über einem Teil eines Substrats 4 ausgebildet. Vorteilhafterweise kann das Substrat 4 ein Halbleitersubstrat (zum Beispiel ein Siliziumsubstrat) sein, so dass andere Bauteile, wie zum Beispiel Treiberschaltungen und Empfängerschaltungen, die mit der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators 1 in Verbindung stehen, auf dem Substrat 4 und/oder auf physisch getrennten Substraten in dem gleichen IC-Package ausgebildet werden können. Bei einigen Anwendungen kann das Substrat 4 jedoch Nicht-Halbleiter-Substratmaterialien aufweisen, was für seine elektrischen Eigenschaften, wie zum Beispiel eine hohe Impedanz, von Vorteil sein kann. Solche Nicht-Halbleiter-Substrate können gemäß jeglichen geeigneten Grundzügen und Vorteilen, die hierin besprochen werden, implementiert werden.
Der Transformator 1 enthält zwei Spulen oder Wicklungen. In 1 wird eine Primärwicklung 10 gezeigt. Die Primärwicklung 10 ist aus Leiterbahnen, die über das Substrat 4 ausgebildet sind, ausgebildet. Die Primärwicklung 10 ist aus linearen Bahnabschnitten 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 und 32 ausgebildet. Die linearen Bahnabschnitte 12, 14, 16, 18 und 20 sind im Wesentlichen parallel zueinander und sind in der x-Richtung ausgebildet. Die linearen Bahnabschnitte 22, 24, 26, 28, 30 und 32 sind im Wesentlichen parallel zueinander und sind in der y-Richtung ausgebildet. Die Bahnabschnitte in der x-Richtung sind im Wesentlichen senkrecht zu den Bahnabschnitten in der Y-Richtung. Die linearen Bahnabschnitte sind an ihren Enden verbunden, wie in 1 gezeigt, um die Primärwicklung 10 zu bilden. Die dargestellten linearen Bahnabschnitte sind aus einer ersten Metallschicht gebildet. An beiden Enden der Primärspule 10 sind Verbindungspads 34, 36 ausgebildet, um die Verbindung des Transformators 1 mit anderen Bauteilen zu ermöglichen. Eine Sekundärwicklung (von der der Großteil in 1 nicht gezeigt wird) kann aus weiteren linearen Bahnabschnitten in einer zweiten Metallschicht unter der ersten Metallschicht ausgebildet sein. Diese Abschnitte werden in 1 nicht gezeigt, da sie unter den Bahnabschnitten der Primärwicklung 10 ausgebildet sind. Die Enden der Sekundärspule weisen jedoch Verbindungspads 38, 40 auf, die in 1 zu sehen sind.
In dem Beispiel von 1 sind die Primär- und die Sekundärwicklung als planare Spiralen ausgebildet. Die Spirale der Primärwicklung 10 befindet sich in derselben Ebene wie die durch die X- und die Y-Achse gebildete Ebene. Die Primär- und die Sekundärwicklung sind gegen den ersten und den zweiten Magnetkern 2, 3 isoliert und sind gegeneinander isoliert. Somit gibt es keinen galvanischen Pfad zwischen der Primärwicklung 10 und der Sekundärwicklung, und der primäre Mechanismus, der die Spulen miteinander koppelt, ist ein magnetischer. Geringfügige parasitäre Kapazitäten können außerdem Signalflusswege zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung bilden, wobei diese aber weitaus weniger signifikant sind. Die z-Richtung in 1 ist zu den Spulenachsen parallel.
2 ist eine Endansicht des Transformators 1. In dieser Figur wird die Sekundärwicklung 50 gezeigt. Diese Figur zeigt deutlicher die erste und die zweite Metallschicht der Primär- und der Sekundärwicklung 10, 50. Ferner werden die Verbindungspads 34, 36, 38 und 40 gezeigt. Die erste und die zweite Metallschicht sind im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 4 ausgebildet. 2 zeigt außerdem weitere Einzelheiten des ersten und des zweiten Magnetkerns 2, 3. Jeder Kern ist aus einer oberen magnetischen Schicht 52, 54 und einer unteren magnetischen Schicht 56, 58 gebildet. Diese Schichten sind in einer rechteckigen Form dargestellt und sind zu dem Substrat 4 und der ersten und der zweiten Metallschicht im Wesentlichen parallel. Jeder Kern 2, 3 erstreckt sich über den Rand der äußeren und der inneren linearen Bahn der Primär- und der Sekundärwicklung 10, 50 hinaus. Die längeren Ränder der oberen und der unteren magnetischen Schichten sind durch Durchkontaktierungen 60, 62, 64 und 66 verbunden, die aus einem magnetischen Material ausgebildet sind. Jeder Kern 2, 3 bildet somit ein rechteckiges Rohr, durch das die Primär- und die Sekundärwicklung 10, 50 ausgebildet sind.
In dem obigen Beispiel verbinden die magnetischen Durchkontaktierungen 60, 62, 64, 66 außerdem die oberen 52, 54 und die unteren 56, 58 magnetischen Schichten. In einem alternativen Beispiel überbrücken die Durchkontaktierungen möglicherweise nicht vollständig den Raum zwischen den Schichten. Stattdessen kann zwischen den Durchkontaktierungen und zum Beispiel der unteren Schicht ein Spalt ausgebildet sein. Dieser Spalt kann durch das Bereitstellen einer Schicht aus Isoliermaterial zwischen den Enden der Durchkontaktierungen und der unteren Schicht unter Verwendung eines Materials, wie zum Beispiel eines Oxids, eines Nitrids oder eines Polyimids, gebildet sein. Der Spalt kann sich in einem Bereich von 10 nm bis 500 nm befinden. Es ist bei einer derartigen Anordnung von Vorteil, dass in dem Kern ein Bereich mit einem relativ hohen magnetischen Widerstand ausgebildet ist. Dies verringert die Permeabilität und hilft dabei, die verfrühte Sättigung zu verringern und/oder zu verhindern.
In dem obigen Beispiel verleiht die planare Beschaffenheit der Spulen ihnen bei Draufsicht das Erscheinungsbild einer Rennbahn. Demgemäß kann der Transformator 1 als Rennbahntransformator bezeichnet werden.
Für Veranschaulichungszwecke sind Strukturen um die Magnetkerne 2, 3 herum, wie zum Beispiel Schichten aus Isoliermaterial, beispielsweise Polyimid, weggelassen worden. Somit sind die in den 1 und 2 gezeigten Strukturen das Substrat 4, der erste und der zweite Magnetkern 2, 3 und Leiterbahnen, die die Primär- und die Sekundärwicklung 10, 50 bilden.
Die 3 und 4 zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Endansicht eines Transformators der in den 1 und 2 gezeigten Art, wie er auf einer integrierten Schaltung ausgebildet sein kann. Es ist zu sehen, dass die Primärwicklung 10 und die Sekundärwicklung 50 ihren Weg zwischen den Magnetkernen 2, 3 spiralförmig zurücklegen. Bei dem in den 3 und 4 gezeigten Transformator ist die Breite jedes eine Wicklung bildenden Leiters gleichmäßig, genauso wie der Raum zwischen benachbarten Wicklungen oder Leitern in jeder der Metallschichten der Leiter gleichmäßig ist. Allgemein ausgedrückt, der Raum zwischen benachbarten Leitern in einer Schicht kann beträchtlich verkleinert sein, entsprechend der Verringerung des Ohm'schen Widerstands der Spule, während ein ausreichender Abstand gewährt wird, um das Kurzschließen zwischen Spulenwindungen infolge von Herstellungsfehlern zu vermeiden. Die dargestellten gleichmäßigen Wicklungen können die Anzahl von Windungen für einen gegebenen belegten Bereich vergrößern und/oder maximieren.
Bei der Herstellung eines Bauelements, wie zum Beispiel eines Transformators, ist der Sättigungsstrom, der der Maximalstrom ist, welcher durch die Primärwicklung des Transformators geleitet werden kann, bevor es zu einer Sättigung des Magnetkerns kommt, eine Eigenschaft des Transformators und seines ferromagnetischen Kerns, wobei er mit der Gesamtnennleistung des Transformators verknüpft ist. Deshalb kann das Maximieren des Sättigungsstroms und der Leistungsübertragung eines Transformators mit einer gegebenen Größe im hohen Grade erwünscht sein.
Ein magnetisches Material kann einen bestimmten magnetischen Fluss aufnehmen, bevor es magnetisch gesättigt wird und seine relative Permeabilität, in einigen Fällen dramatisch, abfällt (wenn das Material vollständig gesättigt ist, dann fällt seine Permeabilität auf 1 ab). Die relative Permeabilität in Kombination mit der Windungsdichte der Spule und der Sättigungsflussdichte bestimmen den Sättigungsstrom des Bauelements.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Magnetfeld zu den Rändern der Abschnitte der Wicklungen 10, 50, die durch die Kerne 2, 3 hindurchgehen, hin abfällt. Darüber hinaus erzeugt ein Entmagnetisierungsfeld ein Magnetfeld, das sich innerhalb des Körpers des Kerns befindet und das in einer zu dem von der Spule angelegten Feld entgegengesetzten Richtung wirkt. Das Entmagnetisierungsfeld ist zu den Längsrändern der Kerne 2, 3 hin am stärksten. Die räumliche Variation des Entmagnetisierungsfelds kann hinsichtlich der räumlichen Variation der relativen Permeabilität beschrieben werden. Da das Entmagnetisierungsfeld zu den Längsrändern des Kerns hin stärker wird, fällt die relative Permeabilität zu den Längsrändern hin ab, und die magnetische Sättigung der Längsränder des Kerns erfordert einen höheren Strom als die Mitte des Kerns.
Allgemein ausgedrückt, wenn die Wicklungen 10, 50 schmaler werden, wird das Entmagnetisierungsfeld stärker. Außerdem sind die Magnetfelder, sowohl das angelegte als auch das entmagnetisierende, in drei Dimensionen vorhanden. Obgleich die Magnetkerne im Wesentlichen eben sind, können sie an ihren Enden einige Felder erfahren, die sich außerhalb der Ebene des planaren Kerns befinden. Dies verursacht verschiedene innere Feldstärken als eine Funktion der Position innerhalb des Magnetkerns.
Die Erfinder haben erkannt, dass infolge dieser Faktoren aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der magnetischen Flussdichte innerhalb des Kerns ein ferromagnetischer Transformatorkern eine frühere Sättigung des mittleren Kernbereichs erfahren kann. Dieser Beginn der Sättigung, der in einer räumlichen Ausdehnung wächst, wenn der Ruhestrom erhöht wird, kann ein frühes, nicht ideales Verhalten des Transformators einleiten und kann deshalb den verfügbaren Sättigungsstrom begrenzen.
5 zeigt eine Einrichtung, die zum Messen der Leistung des Transformators verwendet werden kann. Wie gezeigt, wird eine Gleichstrom-Ruhestrom (DC-Ruhestrom) 100, die eine Stromquelle sein könnte, verwendet, um die Primärwicklung 10 eines Transformators mit einem DC-Strom zu beaufschlagen. Eine Induktivität 102 ist typischerweise in Reihe mit der DC-Ruhestromquelle 100 enthalten, um Wechselstromsignalen (AC-Signalen) eine hohe Impedanz darzubieten. Es wird ein AC-Signalgenerator 104 in Reihe mit einem DC-Sperrkondensator 106 verwendet, um dem DC-Ruhestrom ein AC-Signal zu überlagern. Die über den Ausgang der Sekundärwicklung 50 auftretende Spannung wird dann gemessen und dann mit der durch die AC-Erregungsquelle 104 (AC exc) bereitgestellten Spannung verglichen. Dies gestattet die als eine Funktion des DC-Ruhestroms zu messende Momentan-AC-Leistungsübertragung des Transformators.
Ein Schaubild, das die Messung dieser Beziehung darstellt, wird in 6 für einen Transformator mit gleichmäßigen Wicklungen gezeigt. Es ist ersichtlich, dass bei relativ geringen Ruheströmen das Verhältnis von Vout zu Vin relativ hoch ist und als Betreiben des Transformators in einem Bereich, in dem der Kern nicht gesättigt ist, betrachtet werden kann. Deshalb ist die effektive Permeabilität für eine geringe Änderung des Primärstroms für einen hohen Wert der relativen Permeabilität µ_r repräsentativ. Wenn umgekehrt der DC-Ruhestrom relativ groß wird und der Kern vollständig gesättigt ist, verringert sich die Ausgabe auf einen kleineren Wert, der dem eines Luftkerntransformators ähnlicher ist, da der ferromagnetische Kern eine Vergrößerung der Flussdichte infolge einer geringen Änderung des Stroms nicht länger bereitstellen kann.
In 7 sind die Daten von 6 erneut aufgetragen, um den gesättigten und den nicht gesättigten Bereich kenntlich zu machen und um ferner Geraden-Approximationen auf Abschnitte des Schaubilds anzuwenden. Zwischen dem nicht gesättigten Bereich und dem vollständig gesättigten Bereich gibt es einen in 7 mit 110 bezeichneten Übergangsbereich, in dem die Permeabilität von den nicht gesättigten zu den vollständig gesättigten Werten übergeht. Die mathematische Modellierung zeigt, dass die Flussdichte B innerhalb des ferromagnetischen Kerns ungleichmäßig ist und an den Rändern oder den Enden des Kerns schwächer ist und zur Mitte des Kerns hin stärker wird. Wenn der DC-Ruhestrom zunimmt, beginnt infolgedessen die Sättigung des mittleren Teils des Kerns, was in 7 durch den Punkt angegeben wird, an dem das Verhältnis beginnt, sich um den mit 112 bezeichneten Bereich des Schaubilds herum zu verringern. Der Bereich der Sättigung wächst von der Mitte bis zu den Enden weiter, bis der Kern vollständig gesättigt wird.
Vorzugsweise würde der Kernübergang in den gesättigten Zustand bei einem höheren Ruhestrom beginnen und würde plötzlicher von dem nicht gesättigten Betrieb in den gesättigten Betrieb übergehen. Dies würde es einer gegebenen Größe des Magnetkerns ermöglichen, mehr Leistung und Strom zu bewältigen, bevor die Sättigung auftritt, obwohl sich dann seine Leistung viel schneller verschlechtern würde.
Die Erfinder haben Techniken zum Verringern der Tendenz, dass der mittlere Abschnitt des Magnetkerns früher als die Randabschnitte des Magnetkerns gesättigt wird, erkannt. Diese Techniken können insbesondere Variieren der Windungsdichte der Spule als Funktion des Abstands radial über die Ebene der Wicklungen (zum Beispiel die x-Richtung in 1) aufweisen. Das Ergebnis dieser Techniken wird in dem Beispiel von 7 gezeigt. In 7 stellt die gestrichelte Linie 114 das magnetische Sättigungsverhalten einer Spule mit konstanter Windungsdichte dar, während die gestrichelte Linie 116 das erwartete magnetische Sättigungsverhalten einer Spule mit einer variierten und/oder optimierten Windungsdichte darstellt.
Als ein veranschaulichendes Beispiel dafür, wie die Windungsdichte der Spule als Funktion des Abstands variiert werden kann, zeigt 8 ein Schaubild, das die Variation der Windungsdichte als Funktion des Abstands in der x-Richtung über den Kern 2 mit einer Breite mit einer beliebigen Einheit Wc schematisch darstellt. Es ist zu sehen, dass die Windungsdichte zu den Rändern des Kerns hin vergrößert sein kann, wie durch die Werte von x = 0 und x = 1 dargestellt ist, und zur Mitte des Kerns hin verringert sein kann, um die Tendenz zu einer frühen Sättigung des mittleren Abschnitts zu verringern. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Spule mit variierender Windungsdichte, wie zum Beispiel durch die durchgezogene Linie in 8 dargestellt, ein magnetisches Sättigungsverhalten aufweisen, das in 7 als die gestrichelte Linie 116 gezeigt wird, während eine Spule mit einer konstanten Windungsdichte, wie in 8 durch die gestrichelte Linie dargestellt, ein magnetisches Sättigungsverhalten aufweisen kann, das in 7 als die gestrichelte Linie 114 gezeigt wird.
Die Abmessungen einer Spule innerhalb eines Magnetkerns in einer integrierten Schaltung sind ziemlich kompakt, und es ist deshalb unwahrscheinlich, dass die Windungen in einer gleichmäßig variierenden Weise, die durch die optimierte Kurve in 8 dargestellt ist, modifiziert werden würden, aber es ist eine stufenweise Approximation, wie in 8 gezeigt, möglich.
Infolge des Anwendens einer stufenweisen Approximation auf die Wicklungsdichte kann eine Wicklungsdichte wie in 9 erreicht werden, wobei die Spule beabstandete Leiter aufweisen kann, von denen die Primärwicklung 10 gezeigt ist, wobei aber auch ein entsprechendes Muster an der Sekundärwicklung 50 unter der Primärwicklung 10 ausgebildet sein kann. Die Leiterstreifen sind so angeordnet, dass sie eine Spule mit einer relativ geringen Wicklungsdichte, die als Dichte D1 bezeichnet wird, zu einem mittleren Teil der Spule hin und einer dazwischenliegenden Wicklungsdichte, die als Dichte D2 bezeichnet wird, auf beiden Seiten des Bereichs in der Mitte der Spule ergeben. Jeder Rand der Spule weist im Vergleich zu der mittleren und der dazwischenliegenden Dichte eine größere Wicklungsdichte, die als Dichte D3 bezeichnet wird, auf. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die sich unterscheidenden Dichten durch das Variieren der Leiterbreiten an verschiedenen Abschnitten der Spule erreicht. Der erste Abschnitt der Spule weist relativ breite Streifen des leitenden Materials, die als 200, 202 und 204 bezeichnet werden, mit einer Breite w1 und einem Spaltabstand g1 zwischen den Leitern auf. Die Zwischenbereiche der Spulendichte, die Dichte D2, werden durch die Leiter 206 und 208 mit einer Leiterbreite w2 und einem Spaltabstand g2 zwischen den Leitern gebildet. Die Endteile, die die größte Wicklungsdichte, die Dichte D3 aufweisen, werden durch die Leiter 210 und 212 mit einer Breite w3 und einem Spaltabstand g3 zwischen den Leitern gebildet. Die Spule ist somit eine Ausgleichsstruktur, die eine Ungleichmäßigkeit der Kernsättigung des Magnetkerns ausgleicht.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Spalt zwischen den Leitern variiert werden, während die gleiche Leiterbreite beibehalten wird, so dass w1 = w2 = w3 und g3 > g2 > g1. Während diese Anordnung allgemein erwünschte Magneteigenschaften ergibt, kann sie aber eine Zunahme des Widerstands der Spule im Vergleich zu dem, der erhalten werden könnte, indem der Spalt zwischen den benachbarten Leitern gleich gehalten wird, so dass g1 = g2 = g3, und dann die relative Breite der leitenden Elemente w1, w2 und w3 variiert wird, so dass w1 > w2 > w3, verursachen. Das Variieren der Breiten der die Spulen bildenden Leiter kann gemäß einigen Ausführungsformen, anstatt die dielektrischen Spalte zu variieren, das Ausmaß des Leiters (für eine gegebene Dicke des Leiters), der an dem Führen des Stroms durch die Spule beteiligt ist, erhöhen und/oder maximieren und kann dadurch den Widerstand der Spule verringern.
Als Alternative zu dem Beispiel von 9 kann die Ausgleichsstruktur den Kern selbst enthalten. Zum Beispiel kann die Länge des Kerns (in 1 in y-Richtung) über den Kern (in 1 in x-Richtung) variieren. Somit ist die Länge des Kerns an den Rändern des Kerns in dem Bereich neben dem inneren und äußeren Leiter 210, 212 kürzer als Länge des Kerns in dem Bereich neben den inneren Leitern 200, 202, 204. Solch eine Anordnung kann eine Ungleichmäßigkeit der Kernsättigung auf ähnliche Weise wie das Variieren der Windungsdichte der Spule ausgleichen.
Wie oben besprochen, haben die Erfinder Techniken zur Herstellung von verlustarmen magnetischen Durchkontaktierungen in einem Magnetkern erkannt. Insbesondere haben die Erfinder Techniken zur Erzeugung von Durchkontaktierungen mit kleinen, wohldefinierten Größen, die nicht von einer genauen Ausrichtung mehrerer Schichten abhängig sind, wie dies bei herkömmlichen Ansätzen der Fall ist, erkannt. Eine beispielhafte integrierte Schaltung, die einen Transformator mit einem Magnetkern enthält, wird in 10 dargestellt.
10 ist ein schematischer Querschnitt durch eine integrierte Schaltung, die einen Transformator mit einem Magnetkern enthält. Wie in 10 gezeigt, weist die integrierte Schaltung ein Substrat 4 auf, auf dem eine unterste magnetische Schicht 300 abgeschieden ist. Nach der Abscheidung wird eine magnetische Schicht maskiert und geätzt, um eine untere Schicht 300 des Magnetkerns 2 zu bilden. Eine obere Schicht 322 des Kerns wird über andere Bauteile, einschließlich der Wicklungen 304, 306, 308 der Sekundärspule und der Wicklungen 312, 314, 316 der Primärspule, gebildet.
Wie oben besprochen, hat es sich als schwierig erwiesen, verlustarme magnetische Durchkontaktierungen herzustellen, wobei solche magnetischen Durchkontaktierungen Verbindungen zwischen oberen und unteren Teilen eines Magnetkerns in einer (einem) integrierten Induktivität oder Transformator bereitstellen. Ein Grund für diese Schwierigkeit liegt darin, dass schmalere Durchkontaktierungen geringere Verluste haben können, aber aufgrund von Herstellungsbegrenzungen sind magnetische Durchkontaktierungen breit hergestellt, um zu gewährleisten, dass zwischen einem oberen und unteren Kern im Falle einer Schichtfehlausrichtung eine ausreichende Überlappung besteht. Bei dem in 10 gezeigten beispielhaften Transformator würde zum Beispiel die Schicht 322 idealerweise auf die anderen Schichten abgeschieden sein, um eine kleine Kontaktfläche zwischen der magnetischen Schicht 322 und der magnetischen Schicht 300 zu erzeugen. Mit größer werdender Kontaktfläche können Wirbelströme im Kontaktbereich zunehmen und sich negativ auf die Fähigkeit des magnetischen Flusses, um den Kern herumzufließen, auswirken. Dieser Kontaktbereich ist in 25 als Bereich 1602 markiert.
Die Erfinder haben Techniken zur Erzeugung relativ kleiner, relativ schmaler und somit verlustarmer magnetischer Durchkontaktierungen erkannt. Solche Durchkontaktierungen können eine Isolierschicht mit definierten schmalen Öffnungen, die magnetische Durchkontaktierungen bilden, verwenden, während eine starke Fehlausrichtung bei der Definition der Magnetkerne gestattet wird. Demgemäß können dadurch ein Rennbahn-Magnetkerntransformator oder eine Induktivität mit verlustarmen magnetischen Durchkontaktierungen, die zwei um Leiter herumgewickelte Magnetkernschichten verbinden, und Verfahren zur Herstellung derselben bereitgestellt werden.
21B zeigt ein veranschaulichendes Beispiel für eine verlustarme magnetische Durchkontaktierung gemäß einigen Ausführungsformen. Der in 21B gezeigte Bereich eines Magnetkerns kann dem Kontaktbereich zwischen zwei magnetischen Schichten eines Magnetkerns, wie zum Beispiel dem in 25 markierten Bereich 1602, entsprechen. Eine Isolier- oder Trennschicht 1504 ist über eine erste magnetische Schicht 1502 ausgebildet, und eine zweite magnetische Schicht 1506 ist über beide Schichten 1502 und 1504 ausgebildet, wodurch eine Durchkontaktierung 1524 zwischen zwei magnetischen Schichten des Kerns gebildet wird. In dem Beispiel von 21B enthält die erste magnetische Schicht 1502 eine Schicht aus magnetischem Material 1508, eine Laminierungsschicht 1518 und eine Schicht aus magnetischem Material 1510; und die zweite magnetische Schicht 1506 enthält eine Laminierungsschicht 1520, eine Schicht aus magnetischem Material 1512, eine Laminierungsschicht 1522 und eine Schicht aus magnetischem Material 1514. Die Laminierungsschichten 1518, 1520 und 1522 können Isoliermaterial enthalten, so dass Wirbelströme im Inneren der magnetischen Schichten reduziert werden. Techniken zur Herstellung der verlustarmen magnetischen Durchkontaktierung von 21B werden unten unter Bezugnahme auf die 24A-24F weiter beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf den beispielhaften Transformator von 25 können die Elemente im Magnetkern wie folgt hergestellt werden. Eine Isolierschicht 302, zum Beispiel aus Polyimid, wird auf die magnetische Schicht 300 abgeschieden, um den Magnetkern gegen die Transformatorwicklungen zu isolieren. Dann werden die Wicklungen 304, 306, 308 der Sekundärspule 50 beispielsweise durch Galvanisieren über das gesamte Substrat abgeschieden. Dann wird die Struktur maskiert und dann geätzt, um isolierte metallische Spulenbereiche über der Isolierschicht 302 zu bilden. Dann kann zusätzliches Isoliermaterial abgeschieden werden, um die Spalte zwischen benachbarten Spulen zu ihrer Verkapselung in einem Dielektrikum zu füllen. Solch eine Isolierschicht wird in 25 mit 310 bezeichnet. Dann werden die Wicklungen 312, 314, 316 der Primärspule 10 zum Beispiel durch Galvanisieren über das gesamte Substrat abgeschieden. Dann wird die Struktur maskiert und dann geätzt, um isolierte metallische Spulenbereiche über der Isolierschicht 310 zu bilden. Dann wird zusätzliches Isoliermaterial abgeschieden, um die Spalte zwischen benachbarten Spulen zu ihrer Verkapselung in einem Dielektrikum zu füllen. Solch eine Isolierschicht wird in 25 mit 318 bezeichnet.
Dann kann die Isolierschicht 318 einer Planarisierung unterzogen werden, um eine im Wesentlichen flache Oberseite der integrierten Schaltung zu bilden. Bei der Herstellung jeder Schicht des Isolators kann ihre Oberfläche unter Verwendung eines Materials, wie zum Beispiel Polyimid, maskiert werden und kann geätzt werden, um einen Spalt in jeder der Isolierschichten 302, 310, 318 zu bilden. Sobald alle Schichten hergestellt worden sind, können die Spalte eine Vertiefung 320 bilden, die sich bis zu der untersten magnetischen Schicht 300 nach unten erstreckt. Die Oberseite der Isolierschicht 318 kann dann eine auf ihr abgeschiedene magnetische Schicht 322 aufweisen. Die magnetische Schicht kann auch in die V-förmige Vertiefung 320 abgeschieden werden, wobei dadurch eine Verbindung zwischen der untersten magnetischen Schicht 300 und der obersten magnetischen Schicht 322 gebildet wird. Die Schicht 322 kann dann maskiert und geätzt werden, um unter anderem den oberen Teil des Kerns 2 zu bilden.
Die unterste magnetische Schicht 300 kann über eine Isolierschicht 330, zum Beispiel aus Siliziumdioxid oder irgendeinem anderen geeigneten dielektrischen Material, das selbst verschiedene Halbleiterbauelemente (nicht gezeigt), die durch Implantation von Donator- oder Akzeptor-Störstellen in das Substrat 4 gebildet worden sind, überlagern kann, gebildet werden. Wie einem Fachmann bekannt ist, können in den Isolierschichten 302, 310, 318 Öffnungen gebildet werden, um Bauelementverbindungen zwischen den verschiedenen Schaltungsbauteilen zu bilden.
Jede Schicht des Magnetkerns 300, 322 kann mehrere Unterschichten aufweisen. Jede Schicht kann zum Beispiel vier Unterschichten aufweisen. Der Magnetkern 2 kann ferner mehrere erste Isolierschichten, die in einer abwechselnden Folge mit Unterschichten des magnetisch funktionalen Materials angeordnet sind, aufweisen. In diesem Beispiel sitzen vier Schichten des Isoliermaterials in einem abwechselnden Stapel über den vier Unterschichten des magnetischen Materials. Es sei darauf hingewiesen, dass weniger oder sogar mehr Schichten des magnetisch funktionalen Materials und des Isoliermaterials verwendet werden können, um den Kern 2 zu bilden. Der Magnetkern 3 ist in ähnlicher Weise ausgebildet. Diese Unterschichten helfen dabei, die Bildung von Wirbelströmen zu verhindern oder zu verringern.
Die Unterschichten des Isoliermaterials können Aluminiumnitrid sein (obgleich andere Isoliermaterialien, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, für einige oder alle der Schichten des Isoliermaterials verwendet werden können) und können eine Dicke in einem Bereich von 3 bis 20 Nanometern aufweisen. Die magnetisch aktiven Schichten können aus Nickeleisen, Nickelkobalt oder Zusammensetzungen aus Kobalt oder Eisen mit einem oder mehreren der Elemente Zirkon, Niob, Tantal und Bor ausgebildet sein. Die magnetisch aktiven Schichten können typischerweise eine Dicke in einem Bereich von 50 bis 300 Nanometern aufweisen. Magnetischer Fluss strömt in der durch die Pfeile 334 und 336 gezeigten Richtung um den Kern 2 herum. Somit werden Wirbelströme, die sich in der durch den Pfeil 332 angegebenen Richtung bewegen, durch die oben beschriebenen Unterschichten stark verringert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Unterschichten im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Strömung von mindestens einem Teil des Wirbelstrompfads ausgebildet sind.
Obgleich ein rechteckiger Transformator mit zwei Kernen und zwei Wicklungen beschrieben worden ist, sind andere planare Transformatorbauformen möglich. Es können zum Beispiel zusätzliche Metallschichten bereitgestellt sein, oder es können in einer gegebenen Schicht zusätzliche Spulen bereitgestellt sein, um die Anzahl der Spulen zu erhöhen. Außerdem kann eine einzige angezapfte Wicklung verwendet werden, um einen Autotransformator zu bilden, oder kann eine einzige Wicklung verwendet werden, um eine Induktivität zu bilden. Ferner könnten die Wicklungen in einer gemeinsam gewickelten Anordnung in einer einzigen Schicht ausgebildet sein. Ein derartiges Beispiel wird in 11 gezeigt. In 11 wird ein Transformator 400 gezeigt, der eine Primärspule 402 und eine Sekundärspule 404 enthält. Die Spulen 402, 404 sind in einer einzigen Metallschicht gemeinsam gewickelt. Bei einer weiteren Alternative könnten die Wicklungen von oben betrachtet quadratisch sein. Dies wird in den 12 und 13 gezeigt. In 12 wird ein Transformator 500 gezeigt. Der Transformator 500 enthält vier Magnetkerne 502, 504, 506 und 508. In 13 wird ein quadratischer Transformator 600 gezeigt. In diesem Beispiel erstrecken sich die Kerne 602, 604, 606 und 608 in die Ecken, wobei ihre Gestalt trapezförmig ist. Als eine weitere Alternative kann ein so genannter doppelter Rennbahntransformator 700 gebildet sein, wie in 14 gezeigt wird. Die sich überlappenden Teile können in einem ersten Magnetkern 702 gewickelt sein, wohingegen die sich nicht überlappenden Teile in einem zweiten und einen dritten Magnetkern 704, 706 gewickelt sein können. Sämtliche dieser Beispiele können mit der in 9 gezeigten variierenden Windungsdichte kombiniert werden.
Während der Herstellung können Materialschichten strukturiert und abgeschieden werden. Herstellungstechniken zum Herstellen und Ausrichten spezieller Geometrien von Merkmalen sind jedoch nicht perfekt. Mit der Herstellung von immer mehr Schichten werden Verbindungsmerkmale in höheren Schichten zu Merkmalen in unteren Schichten immer schwieriger und die Auflösung wird begrenzt. Verschiedene Designtechnologien können den Gütefaktor (Q-Faktor) von Induktivitäten und/oder Transformatoren trotz begrenzter Herstellungsauflösung verbessern. Zum Beispiel betrifft eine Designtechnologie das Reduzieren und/oder Beseitigen von nichtmagnetischen Trennungen zwischen Durchkontaktierungen und Schichten eines Magnetkerns. Eine andere beispielhafte Designtechnologie betrifft das Steuern der Breiten von magnetischen Durchkontaktierungen.
15A ist ein Querschnitt durch den Transformator von 3 mit zusätzlichen Bezeichnungen bezüglich 4. Der Magnetkern 2 enthält eine oberste magnetische Schicht 801, eine untere magnetische Schicht 804 und eine die oberste Schicht 801 mit der unteren Schicht 804 koppelnde Durchkontaktierung 802. Die oberste Schicht 801 ist am Kontaktbasisteil 800 mit der unteren Schicht 804 gekoppelt. Der Kontaktbasisteil 800 kann als oberer und unterer Kernüberlappungsbereich bezeichnet werden. Die 15B, 15C und 15D sind vergrößerte Darstellungen, die Beispiele für den Kontaktbasisteil 800 von 15A in verschiedenen Implementierungen zeigen. Es sei darauf hingewiesen, dass zwar bezüglich einer der oberen und unteren Schicht des Magnetkerns beispielhafte Durchkontaktierungsmerkmale beschrieben werden, aber die hierin besprochene Technologie auch auf eine der oberen und unteren Schicht oder auf beide angewandt werden kann. Des Weiteren können ein oder mehrere Merkmale der Durchkontaktierungen, die hierin besprochen werden, in Verbindung mit zwei oder mehr Magnetkernen eines induktiven Bauteils, wie zum Beispiel den Magnetkernen 2 und 3 von 15A, angewandt werden. Andere Beispiele für den Kontaktbasisteil 800 werden in 24F und 25 gezeigt.
Ein Transformator, wie zum Beispiel der in 15A gezeigte, kann zum Beispiel durch Ausbilden der unteren Schicht 804 des Magnetkerns 2, Ausbilden einer Isolierschicht, Ausbilden einer Metallschicht (zum Beispiel zur Herstellung der Wicklung 50), Ausbilden einer anderen Isolierschicht über der Wicklung 50, Ausbilden einer Metallschicht (zum Beispiel zur Herstellung der Wicklung 10) und dann Ausbilden der Durchkontaktierungen 802 und der obersten Schicht 801 hergestellt werden. Die oberste Schicht 801 und die untere Schicht 804 können jeweils abwechselnde Schichten aus magnetisch funktionalem Material und Isoliermaterial enthalten.
In 15B erstreckt sich die Durchkontaktierung 802 von der obersten Schicht 801 des Magnetkerns 2 und ist mit der unteren Schicht 804 des Magnetkerns 2 gekoppelt. In 15B wird nur ein Endteil der unteren Schicht 804 des Magnetkerns 2 gezeigt. Der Rest der unteren Schicht 804 des Magnetkerns 2 würde sich nach rechts hin erstrecken (nicht gezeigt). Die Durchkontaktierung 802 enthält eine relativ breite Kontaktbasis 800 zur Verbesserung der Chancen eines Überlappungskontakts mit der unteren Schicht 804. Die Kontaktbasis 800 ist breiter als der Rest der Durchkontaktierung 802. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung 802 jedoch eine allgemeinere gleichmäßige Form haben (zum Beispiel weist die Kontaktbasis eine ähnliche Größe und Form wie der Rest der Durchkontaktierung auf), und die Breite der Durchkontaktierung kann sich auf die allgemeine Breite der Durchkontaktierung beziehen. Herstellungswerkzeuge können die Durchkontaktierung 802 mit einer begrenzten Auflösung definieren, wie zum Beispiel in Fällen, in denen sich die Durchkontaktierung 802 über eine relativ große topographische Höhe erstreckt.
Die untere Schicht 804 kann den (durch die gestrichelte Linie begrenzten) Erstreckungsbereich 805 zur Bereitstellung eines breiteren Kontaktziels für die Durchkontaktierung 802 enthalten. Die zusätzliche Breite sowohl bei der Durchkontaktierung 802 als auch der unteren Schicht 804 kann die Chancen erhöhen, dass die Durchkontaktierung 802 einen magnetischen Kontakt bildet, selbst wenn eine Fehlausrichtung oder die Herstellung eines Merkmals von dem Design abweicht. Obgleich beispielsweise die Durchkontaktierung 802, wie in 15B gezeigt, zur linken Seite hin fehlausgerichtet ist, kann immer noch ein ausreichender Kontakt gebildet werden. Wäre die Durchkontaktierung 802 in einer entgegengesetzten Richtung fehlausgerichtet (nicht gezeigt), dann könnte die Durchkontaktierung 802 mit der unteren Schicht 804 immer noch ausreichenden Kontakt herstellen, und darüber hinaus könnte die ähnliche Durchkontaktierung auf der anderen Seite des Magnetkerns 2 auch immer noch ausreichenden Kontakt mit der unteren Schicht herstellen.
In 15C ist die Durchkontaktierung 802 auf die untere Schicht 804 des Magnetkerns 2 ausgerichtet, um einen direkten Kontakt zu bilden.
In 15D ist die Durchkontaktierung 802 auf die untere Schicht 804 ausgerichtet und mittels einer nichtmagnetischen Schicht 806 damit gekoppelt. Die nichtmagnetische Schicht 806 kann ein Isoliermaterial (wie zum Beispiel SiO2 oder ein anderer Oxidisolator), ein Trennmaterial, ein Schichtstoffmaterial oder ein anderes nichtmagnetisches Material sein. Wie in 15D gezeigt, kann die nichtmagnetische Schicht 806 zwischen der unteren Schicht 804 und der Durchkontaktierung 802 angeordnet sein. Die nichtmagnetische Schicht 806 kann zum Beispiel ca. 100 nm dick sein. Als ein anderes Beispiel kann die nichtmagnetische Trennschicht ca. 10 nm dick sein.
16 zeigt ein Schaubild 900 des Q-Faktors einer Induktivität in einem Transformator über einen Bereich von Frequenzen. Die x-Achse zeigt einen Bereich von Frequenzen entlang einer log. Skala in GHz. Die y-Achse gibt einen Q-Faktor an. Kennlinie 902 gibt den Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator, wenn eine Durchkontaktierung eines magnetischen Kerns einen direkten magnetischen Weg mit einer Schicht des Kerns bildet (wie zum Beispiel durch 15C gezeigt), an. Kennlinie 904 gibt den Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator, wenn eine Durchkontaktierung eines Magnetkerns mit einer Schicht des Kerns mit einer Schicht aus nichtmagnetischem Material dazwischen (wie zum Beispiel durch 15D gezeigt) gekoppelt ist, an.
Im Vergleich zu einem 15D entsprechenden Transformator weist eine in 15C gezeigte Induktivität in einem Transformator mit einer Kontaktbasis einen höheren Q-Faktor über niedrigere Frequenzen unter einem Kreuzungspunkt irgendwo zwischen 0,04 und 0,05 GHz auf. Bei Frequenzen hinter dem Kreuzungspunkt gilt das Umgekehrte. Die Q-Faktoren weisen in 16 ihre Spitze zwischen 0,02 und 0,03 GHz auf. An der Spitze ist der durch Kennlinie 902 angegebene Q-Faktor größer als der durch Kennlinie 904 angegebene Q-Faktor. Bei ca. 0,02 GHz beträgt der Q-Faktor von Kennlinie 902 ca. 11,8597, und der Q-Faktor von Kennlinie 904 beträgt ca. 11,0876.
Demgemäß kann der Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator durch die Ausführung der Durchkontaktierungen im Transformator, einschließlich jeglicher nichtmagnetischer Trennung zwischen der oberen und unteren Schicht eines Magnetkerns (zum Beispiel des in 15A gezeigten Magnetkerns 2) beeinflusst werden. Ferner kann die Selbstinduktivität auch durch die nichtmagnetische Trennung zwischen der oberen und unteren Schicht eines Magnetkerns auf ähnliche Weise beeinflusst werden. Bei einigen Anwendungen kann selbst ein relativ geringes Ausmaß an nichtmagnetischer Trennung zwischen der oberen und unteren Schicht des Magnetkerns die Selbstinduktivität beeinflussen und einen Q-Faktor reduzieren. In einem Beispiel fiel eine Selbstinduktivität infolge einer nichtmagnetischen Trennung zwischen einer oberen und unteren Schicht eines Magnetkerns von ca. 100 nm von ca. 470 nH auf ca. 425 nH ab.
Bei einigen Ausführungsformen kann jeglicher Isolator oder irgendein anderes nichtmagnetisches Material vor Ausbildung einer magnetischen Durchkontaktierung entfernt werden, um einen durchgehenderen magnetischen Weg bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen ist eine oberste Schicht des Magnetkerns durch eine Durchkontaktierung mit der unteren Schicht des Magnetkerns ohne irgendwelche dazwischenliegenden nichtmagnetischen Materialien gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Trennung zwischen der Durchkontaktierung und einer Schicht des Magnetkerns möglicherweise unvermeidlich (zum Beispiel verwenden Laminierungsprozesse manchmal eine Laminierungsschicht). Bei solchen Ausführungsformen kann die Trennung zwischen der Durchkontaktierung und der Schicht des Magnetkerns reduziert oder minimiert werden.
Die 17A und 17B zeigen Querschnitte eines Transformators gemäß einigen Ausführungsformen. In den 17A und 17B sind die Durchkontaktierungen aus magnetischen Materialien hergestellt und berühren die untere Schicht des Magnetkerns, wie in 15C gezeigt. In 17A weisen die Durchkontaktierungen Breiten 1002, 1004, 1006, 1008 auf, die kleiner als die Durchkontaktierungsbreiten 1010, 1012, 1014 von 17B sind. In einem Beispiel betragen die Kontaktbasisbreiten 1002, 1004, 1006 und 1008 ca. 13,5 µm, während die Kontaktbasisbreiten 1010, 1012 und 1014 ca. 205 µm, 300 µm bzw. 205 µm betragen. In 17B erstreckt sich ein Teil der Durchkontaktierungsbreite 1012 von dem Magnetkern 2 bis zu dem Magnetkern 3, so dass der verlängerte Teil der Kontaktbasis von Durchkontaktierungen an beiden Kernen geteilt wird.
Die 18A und 18B zeigen perspektivische Ansichten von in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformatoren. Die Transformatoren in 18A und 18B enthalten Elemente, die mit Bezug auf den in 3 gezeigten Transformator gezeigt und besprochen werden. Der in 18A gezeigte Transformator weist Kontaktbasen auf, die den in der Querschnittsansicht in 17A gezeigten Kontaktbasen entsprechen. Der in 18B gezeigte Transformator weist Kontaktbasen auf, die den in der Querschnittsansicht in 17B gezeigten Kontaktbasen entsprechen. In 18B zeigen die schattierten Teile die verlängerten Kontaktbasen, die in 18B vorhanden sind, aber nicht in 18A vorhanden sind.
19 zeigt ein Schaubild 1100 des Q-Faktors einer Induktivität in einem Transformator über einen Bereich von Frequenzen. Die x-Achse zeigt einen Bereich von Frequenzen entlang einer log. Skala in GHz. Die y-Achse gibt einen Q-Faktor an. Kennlinie 1102 gibt den Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator mit schmaleren Durchkontaktierungsbreiten (wie zum Beispiel durch 17A gezeigt) an. Kennlinie 1104 gibt den Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator mit breiteren Kontaktbasisbreiten (wie zum Beispiel durch 17B gezeigt) an.
Wie in 19 gezeigt, weist die Induktivität in dem System von 17A einen höheren Q-Faktor über einen wesentlichen Bereich von Frequenzen auf. Zum Beispiel beträgt der Q-Faktor von Kennlinie 1102 bei ca. 0,02 GHz ca. 11,8576, und der Q-Faktor von Kennlinie 1104 beträgt ca. 7,3714.
Der Unterschied beim Q-Faktor kann bedeutend sein. Bei einem größeren Q-Faktor kann eine Drosselspule im Vergleich zu der abgeführten Energiemenge mehr Energie speichern. Der Q-Faktor ist in der Regel umgekehrt proportional zu der verlorenen Energiemenge. Bei einer Frequenz von ca. 0,02 GHz würde das in 17A gezeigte System zum Beispiel ca. 1/11,1 oder ca. 9,01% Energie verlieren, während das in 17B gezeigte System ca. 1/7,37 oder ca. 13,5% Energie verlieren würde. Demgemäß kann der Transformator von 17B ca. das 1,5-Fache der Energieverluste des Transformators von 17A aufweisen.
Demgemäß kann der Q-Faktor einer Induktivität in einem Transformator durch die Ausführung der Durchkontaktierungen in dem Transformator, einschließlich der Durchkontaktierungsbreite, beeinflusst werden.
20A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators. Der Transformator in 20A enthält Elemente des in 18A gezeigten Transformators und enthält eine einen in 20B dargestellten Querschnitt definierende Linie von A bis B. 20B zeigt eine Querschnittsansicht des Transformators in 20A entlang dem durchgezogenen Teil der in 20A gezeigten Linie von A bis B. 20B stellt den Magnetkern 3 und in einer einzigen Metallschicht gemeinsam gewickelte Wicklungen (wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 11 beschrieben) dar. In 20B geben die gestrichelten Linien 1202 eine Richtung des Verlaufs des magnetischen Flusses an.
Eine magnetische Laminierung in der Ebene des magnetischen Flusses (zum Beispiel in der Ebene der gestrichelten Linien 1202) hilft dabei, Wirbelstromzirkulation zu reduzieren. Magnetische Laminierungen senkrecht zu der Ebene des Verlaufs des magnetischen Flusses (zum Beispiel der dunkler schattierte Durchkontaktierungsbereich um 1204) reduziert in der Regel jedoch nicht effizient Wirbelstromzirkulation. Demgemäß können eine Dicke des magnetischen Materials (zum Beispiel Dicken der oberen und unteren Schicht des magnetischen Kerns) und eine Breite des magnetischen Materials (zum Beispiel eine Breite der Durchkontaktierung, die eine Breite der Basis der Durchkontaktierung enthält) groß genug sein, den magnetischen Fluss aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig kann die Breite der Durchkontaktierung minimiert oder reduziert sein, um den Q-Faktor zu verbessern.
Demgemäß kann die Breite der Durchkontaktierung bei einigen Ausführungsformen ungefähr gleich der Dicke der oberen Schicht und/oder der unteren Schicht des Magnetkerns sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung mindestens die Hälfte der Dicke der oberen Schicht und/oder der unteren Schicht des Magnetkerns betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Breite der Durchkontaktierung kleiner als 150%, 200% oder 500% der Dicke der oberen Schicht und/oder der unteren Schicht des Magnetkerns sein. Bei einigen Ausführungsformen wird eine oberste Schicht des Magnetkerns gebildet, nachdem die untere Schicht des Magnetkerns gebildet worden ist und nachdem Metalle und/oder Isolierschichten über der unteren Schicht des Magnetkerns gebildet worden sind, und die Breite der Durchkontaktierung kann ungefähr eine Mindestbreite des Durchkontaktierungsmerkmals sein, die bei wirtschaftlich akzeptablen Erträgen zuverlässig einen Kontakt zwischen der oberen und unteren Schicht des Magnetkerns herstellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Durchkontaktierung groß genug, so dass ein magnetischer Widerstand einer Trennschicht größer als der magnetische Widerstand der Durchkontaktierung ist und so dass sich der magnetische Fluss in erster Linie durch die Durchkontaktierung statt um die Durchkontaktierung herum bewegt.
21A zeigt einen Querschnitt eines Transformators, der mit Bezug auf den Transformator von 17B gezeigte und besprochene Elemente enthält. 21A enthält einen Kontaktbasisteil 1500 mit in 21B gezeigten Details. Der Kontaktbasisteil 1500 von 21B enthält mehr Merkmale als der in 17B gezeigte Kontaktbasisteil.
Wie in 21B gezeigt, enthält der Magnetkern 3 eine unterste magnetische Schicht 1502. Über der untersten magnetischen Schicht 1502 befindet sich eine Isolier- oder Trennschicht 1504. Die Trennschicht 1504 enthält ein Trennmaterial 1516, wie zum Beispiel ein Oxid wie beispielsweise SiO2, ein Nitrid wie beispielsweise Si3N4, oder irgendeine andere geeignete Trennschicht. Der Magnetkern enthält auch eine magnetische Schicht 1506. Eine Durchkontaktierung durch die Trennschicht 1504 koppelt die unterste magnetische Schicht 1502 mit der magnetischen Schicht 1506. Die in 21A gezeigte Durchkontaktierung ist mit geneigten Seitenwänden dargestellt. Einige andere Ausführungsformen können vertikale Durchkontaktierungen enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Durchkontaktierungsbreite 1524 wenige Mikrometer, wie zum Beispiel 2-4 µm, betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierungsbreite 1524 mit einer Dicke einer Schicht des Magnetkerns (zum Beispiel der untersten magnetischen Schicht 1502 oder der magnetischen Schicht 1506) vergleichbar sein. Die Durchkontaktierungsbreite 1524 kann weniger als das 5-Fache der Dicke der Schicht des Magnetkerns betragen und immer noch eine relativ verlustarme Leistung bereitstellen.
Die unterste magnetische Schicht 1502 kann Schichten 1508 und 1510 aus magnetischem Material enthalten. Das magnetische Material kann zum Beispiel CoZrTa sein. Eine Schicht aus magnetischem Material, wie zum Beispiel 1508 und/oder 1510, kann bei einigen Ausführungsformen ca. 100 nm dick sein. Die unterste magnetische Schicht 1502 kann auch eine Laminierungsschicht 1518 enthalten. Ein Laminierungsmaterial kann zum Beispiel Al2O3 oder Aluminiumnitrid enthalten. Bei einigen Ausführungsformen weist die Laminierungsschicht 1518 eine Dicke von ca. 10 nm oder darunter auf. Bei einigen Ausführungsformen können die Laminierungsschichten, wie zum Beispiel 1518, 1520 und/oder 1522, eine Mindestdicke für einen zur Verfügung stehenden Laminierungsprozess, wie zum Beispiel ca. 10 nm, ca. 20 nm oder weniger usw., aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Laminierungsschichten entlang der Durchkontaktierungsbreite 1524 eine geringere Dicke auf. Einige Ausführungsformen können mehr oder weniger Laminierungsschichten haben.
Die magnetische Schicht 1506 kann Schichten aus magnetischen Materialien 1512 und 1514 enthalten. Die magnetische Schicht 1506 kann auch die Laminierungsschichten 1520 und 1522 enthalten. Einige Ausführungsformen können mehr oder weniger Laminierungsschichten und/oder mehr oder weniger Schichten aus magnetischem Material enthalten. Die Laminierungsschichten 1520 und 1522 können Isoliermaterial enthalten und in solchen Fällen als Isolierschichten bezeichnet werden.
Die Trennschicht 1504 trennt Teile der untersten magnetischen Schicht 1502 von der magnetischen Schicht 1506. Durch Trennen der magnetischen Schicht 1506 von der untersten magnetischen Schicht 1502 können Wirbelströme entlang den magnetischen Schichten 1506 und 1502 reduziert werden. Gleichzeitig gestattet eine magnetische Durchkontaktierung durch die Trennschicht 1504 immer noch die Bewegung eines magnetischen Flusses dort hindurch.
22A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators, der die in 21B gezeigte Kontaktbasis enthält. 22B zeigt eine Querschnittsansicht durch 22A. Bei Vergleich von 22A bis 18B sind die breiten magnetischen Kontaktbasen (schwarze Bereiche) in 18B der in 15C gezeigten Ausführung in 22A durch die in 21B gezeigte komplexere Ausführung ersetzt worden. In 22A und 22B entsprechen die magnetischen Durchkontaktierungen 1302, 1304, 1306 und 1308 Durchkontaktierungen, die durch eine Trennschicht 1504 in 21B passieren. In 22A entsprechen die magnetischen Schichten 1314, 1318 und 1310 der in 21B gezeigten magnetischen Schicht 1506. In 22A entsprechen die unteren magnetischen Schichten 1312 und 1316 der in 21B gezeigten unteren magnetischen Schicht 1502.
In 22A ragt eine Schicht aus magnetischem Material 1310 über der Durchkontaktierung 1308 vor. Die untere Schicht aus magnetischem Material 1312 erstreckt sich unter der Durchkontaktierung 1308. Die Durchkontaktierung 1308 ist zwischen der Schicht aus magnetischem Material 1310 und der unteren magnetischen Schicht 1312 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen können Isolatoren, Trennschichten und/oder Laminierungsschichten zwischen der Schicht aus magnetischem Material 1310 und der unteren magnetischen Schicht 1312 vorgesehen sein.
Die Schicht aus magnetischem Material 1314 ragt über der Durchkontaktierung 1302 vor. Die untere Schicht aus magnetischem Material 1316 ragt unter der Durchkontaktierung 1302 vor. Die Durchkontaktierung 1302 ist zwischen der Schicht aus magnetischem Material 1314 und der unteren Schicht aus magnetischem Material 1316 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen können Isolatoren, Trennschichten und/oder Laminierungsschichten zwischen dem oberen Teil des magnetischen Materials 1314 und dem unteren Teil des magnetischen Materials 1316 vorgesehen sein.
Zwischen den Magnetkernen 2 und 3 erstreckt sich eine Schicht aus magnetischem Material 1318 über den Durchkontaktierungen 1304 und 1306 in 22A. Eine untere Schicht (nicht sichtbar) aus magnetischem Material zwischen den Magnetkernen 2 und 3 erstreckt sich unter den Durchkontaktierungen 1304 und 1306. Bei einigen Ausführungsformen können Isolatoren, Trennschichten und/oder Laminierungsschichten zwischen der magnetischen Schicht 1318 und unteren Schichten aus magnetischem Material vorgesehen sein. Obgleich das magnetische Material zwischen den Magnetkernen 2 und 3 in den 21A und 21B als ein durchgehender Teil dargestellt ist, kann das magnetische Material zwischen den Magnetkernen 2 und 3 bei einigen Ausführungsformen einen oder mehrere Spalte oder Lücken (nicht dargestellt) haben. In dem Ausführungsbeispiel bilden die Durchkontaktierungen 1302, 1304, 1306 und 1308 Linien, aber die Durchkontaktierungen 1302, 1304, 1306 und 1308 können bei einigen anderen Ausführungsformen anders angeordnet sein.
23A zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer integrierten Schaltung ausgebildeten Transformators, der die mit Bezug auf den Transformator von 22A gezeigten und besprochenen Elemente enthält. 23B zeigt eine Querschnittsansicht durch 23A. Die in 22A gezeigten Durchkontaktierungen 1302, 1304, 1306, 1308 in durchgezogener Linie sind in 23A durch die Linien von kürzeren, einzelnen Durchkontaktierungen 1402, 1404, 1406, 1408 ersetzt worden. Ferner sind zusätzliche Linien von einzelnen Durchkontaktierungen 1401, 1403, 1405, 1407 hinzugefügt worden. Durch Unterteilen der Linien in relativ kurze, einzelne Durchkontaktierungen kann eine Wirbelstromzirkulation reduziert werden. Die zusätzlichen Linien von Durchkontaktierungen können auch günstig sein, wenn Durchkontaktierungsbreiten schmal hergestellt werden können. Die zusätzlichen Linien von Durchkontaktierungen können dazu hinzugefügt werden, dass die Durchkontaktierungen nicht zu schnell mit magnetischem Fluss gesättigt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verwendung mehrerer Reihen von Durchkontaktierungen den magnetischen Widerstand verbessern. Bei einigen Ausführungsformen können die Reihen von Durchkontaktierungen versetzt und/oder zumindest teilweise überlappend sein. Durchkontaktierungen in der Linie der einzelnen Durchkontaktierungen 1401 sind zum Beispiel von den Durchkontaktierungen in der Linie der einzelnen Durchkontaktierungen 1402 versetzt und überlappen sich teilweise mit ihnen. Demgemäß kann magnetischer Fluss, der nicht durch eine Durchkontaktierung in der Linie 1401 geht, immer noch durch eine Durchkontaktierung in der Linie 1402 gehen.
Die 24A-24F zeigen beispielhafte schematische Querschnitte eines Kontaktbasisteils (der zum Beispiel Elemente der Kontaktbasis 1500 in 21A enthalten kann) während der Herstellung einer verlustarmen magnetischen Durchkontaktierung gemäß einigen Ausführungsformen. Die unter Bezugnahme auf die 24A-24F besprochene Technologie kann bei der Herstellung von Kontaktbasen gemäß jeglichen geeigneten Grundzügen und Vorteilen, die hier besprochen werden, verwendet werden.
Wie in 24A gezeigt, kann eine untere magnetische Schicht 1502 des Magnetkerns abgeschieden und strukturiert sein. Dies kann Abscheiden der magnetischen Materialien, wie zum Beispiel 1508 und 1510, von Metallen (nicht gezeigt) und Laminierungsschichten, wie zum Beispiel 1518, enthalten. Es kann auch eine Trennschicht 1504, die das Trennmaterial 1516 enthält, abgeschieden werden.
Wie in 24B gezeigt, kann die Trennschicht 1504 strukturiert sein. Die Strukturierung kann Ausbilden einer oder mehrerer Öffnungen 1517 für Durchkontaktierungen durch die Trennschicht 1504 enthalten. Die Trennschicht 1504 kann dahingehend strukturiert sein, geneigte Seitenwände entlang den Trennmaterialien 1516 zu enthalten. Die Breite der Trennschicht 1504 kann dazu verwendet werden, die Breite der unteren magnetischen Schicht 1502 des Magnetkerns zu beeinflussen. Eine breitere Trennschicht 1504 hinterlässt eine breitere untere magnetische Schicht 1502 des Magnetkerns nach dem Ätzen.
Die Öffnung 1517 ist in einer Trennschicht 1504 hergestellt, die sich auf einer im Verhältnis niedrigeren topographischen Höhe über einer Wafer-Oberfläche und/oder über der unteren magnetischen Schicht 1502 des Magnetkerns befindet. Auf der im Verhältnis niedrigeren topographischen Höhe können Lithographiewerkzeuge mit einer im Verhältnis höheren Auflösung im Verhältnis kleinere Geometrien mit genauerer Ausrichtung erzeugen. Demgemäß kann eine in der Öffnung 1517 ausgebildete Durchkontaktierung relativ gut ausgerichtet sein und eine relativ fein gesteuerte Breite 1524 aufweisen.
Wie in 10 gezeigt, koppelt das magnetische Material entlang den Seiten der V-förmigen Vertiefung 320 hingegen die oberste magnetische Schicht 322 durch die Isolierschichten 318, 310 und 302 mit der untersten magnetischen Schicht 300. Das magnetische Material in 10 ist in der V-förmigen Vertiefung 320 auf im Verhältnis größeren Höhen über einer Wafer-Oberfläche (zum Beispiel der Oberfläche des Substrats 4) und/oder der unteren magnetischen Schicht 300 des Magnetkerns 2 hergestellt. Auf den im Verhältnis größeren Höhen können Lithographiewerkzeuge mit im Verhältnis geringerer Auflösung im Verhältnis größere Geometrien mit weniger genauer Ausrichtung erzeugen. Demgemäß kann das magnetische Material entlang den Seiten der in 10 gezeigten V-förmigen Vertiefung 320 gröber ausgerichtet sein als die in der Öffnung 1517 von 24B ausgebildete Durchkontaktierung, und die Breite des magnetischen Materials entlang den Seiten der in 10 gezeigten V-förmigen Vertiefung 320 kann eine weniger fein gesteuerte Breite als die Breite 1524 einer in der in 21B gezeigten Öffnung ausgebildeten Durchkontaktierung sein.
Wie in 24C gezeigt, kann die magnetische Schicht 1506 des Magnetkerns abgeschieden werden. Dies kann Abscheiden der magnetischen Materialien, wie zum Beispiel 1512 und 1514, der Metalle (nicht gezeigt) und der Laminierungsschichten, wie zum Beispiel 1520 und 1522, beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die magnetische Schicht 1506 mehr oder weniger Schichten magnetischer und Laminierungsschichten enthalten. Bei einigen Ausführungsformen weist die magnetische Schicht 1506 zum Beispiel 25 oder mehr Perioden sich abwechselnder magnetischer und Laminierungsschichten für eine Dicke von ca. 2 um auf.
In 24D wird ein Maskierungs-Resist 1524 abgeschieden und/oder strukturiert. Die Breite des Maskierungs-Resists 1524 kann dazu verwendet werden, die Breite der magnetischen Schicht 1506 des Magnetkerns zu beeinflussen. Ein breiterer Maskierungs-Resist 1524 hinterlässt nach dem Ätzen eine breitere magnetische Schicht 1506 des Magnetkerns.
Wie in 24E gezeigt, können die magnetische Schicht 1506 und die untere magnetische Schicht 1502 des Magnetkerns von der Seite geätzt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Ätzen der magnetischen Schichten 1506 und 1502 des Magnetkerns unter Verwendung des gleichen Lacks gleichzeitig erfolgen. Während des Ätzens dient die Trennschicht 1504 dazu, die untere magnetische Schicht 1502 des Magnetkerns zu maskieren. Ein Ätzen für längere Zeitspannen reduziert die Gesamtbreite der magnetischen Schichten 1502 und 1506.
Wie in 24F gezeigt, kann der Fotolack 1524 aufgelöst oder auf andere Weise entfernt werden.
25 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 25 enthält eine Kontaktbasis 1602, die die in 24F gezeigte beispielhafte Struktur enthält.
Unter Bezugnahme sowohl auf 24F als auch 25 wird demgemäß eine beispielhafte Ausführung für einen Magnetkern 2 gezeigt, der den Gütefaktor eines induktiven Bauteils (zum Beispiel einer oder mehrerer durch die Wicklungen 304, 306, 308, 312, 314, 316 gebildeten Induktivitäten) verbessern kann. Der Magnetkern 2 enthält die oberste magnetische Schicht 322 und eine unterste magnetische Schicht 300. Die unterste magnetische Schicht 300 ist auf einem Substrat 4, wie zum Beispiel einem Halbleitersubstrat, abgeschieden. Die oberste Schicht 322 von 25 entspricht der magnetischen Schicht 1506 von 24F, und die unterste magnetische Schicht 300 von 25 entspricht der magnetischen Schicht 1502 von 24F. Bei einigen Ausführungsformen können die oberste magnetische Schicht 322 und die magnetische Schicht 1506 die gleiche Schicht aus magnetischem Material oder die gleiche mehrlagige Struktur, die magnetische und Laminierungsmaterialien enthält, sein.
Die oberste Schicht 322 bildet einen Großteil der oberen Schicht des Kerns 2, und die obere Schicht des Kerns 2 enthält auch einen geneigten Teil 1604, der magnetisches Material enthält. In dem geneigten Teil 1604 können die magnetischen Laminierungen in der ordnungsgemäßen Ausrichtung bezüglich der Bewegung des magnetischen Flusses vorliegen. Der geneigte Teil 1604 geht bis zu dem Kontaktbasisteil 1602 weiter.
In dem Kontaktbasisteil 1602 wird das magnetische Material horizontal und ist durch eine Trennschicht 1504 von der untersten magnetischen Schicht 1502 (die der Schicht 300 von 25 entspricht) getrennt. Ein Teil des magnetischen Materials bildet eine Durchkontaktierung 1608 durch die Trennschicht 1504, die die magnetische Schicht 1506 mit der untersten magnetischen Schicht 1502 koppelt. Die Breite 1524 der Durchkontaktierung 1608 ist kleiner als die Breite der Kontaktbasis. Ein Teil des magnetischen Materials in der magnetischen Schicht 1506 bleibt durch die Trennschicht 1504 von der unteren magnetischen Schicht 1502 getrennt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung 1608 eine Breite 1524 aufweisen, die ungefähr einer Dicke der untersten magnetischen Schicht 1502, der magnetischen Schicht 1506 und/oder der obersten magnetischen Schicht 322 entspricht. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung 1608 eine Breite 1524 aufweisen, die zwischen 25% und 200%, 300% oder 500% der Dicke von irgendeiner der: untersten magnetischen Schicht 1502, magnetischen Schicht 1506 und/oder obersten magnetischen Schicht 322 liegt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung 1608 geneigte Seiten aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite 1524 der Durchkontaktierung 1608 um mindestens das 2-Fache, 5-Fache oder 10-Fache schmaler als eine Breite 1606 der Öffnung 320 von 25. Bei einigen Ausführungsbeispielen beträgt die Breite 1524 ca. 2 bis 4 um, und die Breite 1606 beträgt ca. 20 bis 40 µm.
Die Durchkontaktierung 1608 bildet eine Bahn, durch die sich magnetischer Fluss zwischen der obersten magnetischen Schicht 322 zu der untersten magnetischen Schicht 300 bewegen kann. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich eine Laminierungsschicht 1520 an der Grenzfläche zwischen der Durchkontaktierung 1608 und der untersten magnetischen Schicht 1502. Die Schichten aus magnetischem Material 1512 und 1514 in der magnetischen Schicht 1506 können sich auf den Laminierungsschichten 1520 und 1522 befinden, wie dargestellt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Laminierungsschichten 1520 und 1522 vermieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Dicke der Laminierungsschichten 1520 und 1522 relativ dünn, wie zum Beispiel unter 20 nm, unter 10 nm, so dünn, wie es der Laminierungsprozess gestattet, usw. ausgeführt werden, insbesondere, wo die Durchkontaktierung 1608 mit der untersten magnetischen Schicht 1502 gekoppelt ist. Obgleich in 24F drei Laminierungsschichten gezeigt werden, sollte auf der Hand liegen, dass verschiedene Herstellungs- und/oder Laminierungsprozesse irgendeine geeignete Anzahl von Laminierungsschichten verwenden können. Obgleich in 24F eine einzige Durchkontaktierung 1608 gezeigt wird, sollte auf der Hand liegen, dass ferner einige Ausführungsformen mehrere Durchkontaktierungen 1608 enthalten können, die in einer oder mehreren Reihen, wie zum Beispiel in 23A gezeigt, angeordnet sein können. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trennmaterial 1516 in 24F das gleiche Material wie das Isoliermaterial 302 in 25 sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trennmaterial 1516 eine gleiche oder dünnere Schicht wie das Isoliermaterial 302 sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trennmaterial 1516 ein von dem Isoliermaterial 302 verschiedenes Material sein und/oder in einer anderen Schicht als dieses liegen.
26 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 26 enthält einen Wafer oder eine Substratschicht 1704, eine Schicht 1706, die ein Oxid oder eine Fortführung des darin eingeätzten Wafers 1704 sein kann, mehrere Wicklungen 1712, Isoliermaterial 1714 und Isoliermaterial 1716. Wie dargestellt, enthält die Schicht 1706 Absätze 1708, die einen Graben dazwischen bilden. Eine Durchkontaktierung 1702 befindet sich zwischen einer unteren magnetischen Schicht 1710 eines Magnetkerns und einer oberen magnetischen Schicht 1711 eines Magnetkerns.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Schicht 1706 eine Oxidschicht, die auf die Substratschicht 1704 abgeschieden worden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schicht 1706 Teil des Substrats, und Absätze 1708 sind durch Wegätzen von Teilen des Substrats gebildet. Die untere magnetische Schicht 1710 des Magnetkerns kann auf der Schicht 1706 abgeschieden sein. Die untere magnetische Schicht 1710 kann so über den Graben abgeschieden sein, dass geneigte Teile des magnetischen Materials entlang den Seitenwänden und über die Oberseiten der Absätze 1708 gebildet werden.
Die oberste Schicht 1711 des Magnetkerns kann unter Verwendung eines späteren Lithographieschritts in einer Ebene definiert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Herstellungsschritthöhe reduziert werden, wenn die Wicklungen 1712 zwischen den Absätzen 1708 platziert werden. Die Durchkontaktierung 1702 passiert durch einen Teil des Isoliermaterials 1714. Die Höhe der Durchkontaktierung 1702 kann bezüglich der topographischen Höhe im Vergleich zu der Durchkontaktierung 802 in 15A kürzer sein. Bei einigen Anwendungen kann die Absatzhöhe ca. 10, 25, 50 oder 75 Mikrometer betragen. Die Höhe kann so ausgewählt werden, dass Masken für einige Teile der integrierten Schaltung auf einer glatten, flachen Fläche ausgegeben werden können. Da die an dem Teil der unteren magnetischen Schicht 1710 oben am Absatz 1708 endende Durchkontaktierung im Verhältnis kürzer ist, kann sie genauer hergestellt werden als eine längere Durchkontaktierung, die an der unteren magnetischen Schicht 1710 an der Basis von Absatz 1708 endet. Demgemäß kann die Breite der Durchkontaktierung 1702 bei bestimmten Herstellungsprozessen genauer gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen ähnelt die Breite der Durchkontaktierung 1702 der Höhe entweder der oberen magnetischen Schicht 1711 und/oder der unteren magnetischen Schicht 1710. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Durchkontaktierung 1702 kleiner als das Doppelte einer Dicke oder kleiner als das 5-Fache einer Dicke entweder der oberen magnetischen Schicht 1711 und/oder der unteren magnetischen Schicht 1710. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung 1702 dort eine Kontaktbasis enthalten, wo die Durchkontaktierung 1702 mit der unteren magnetischen Schicht 1710 gekoppelt ist, wobei die Kontaktbasis eine beispielsweise unter Bezugnahme auf 24F beschriebene Struktur aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Durchkontaktierung 1702 über ihre gesamte Höhe im Wesentlichen gleichmäßig und berührt im Wesentlichen die untere magnetische Schicht 1710.
27 zeigt eine beispielhafte Draufsicht, die ein Maskieren während der Verarbeitung zur Herstellung von Durchkontaktierungen zeigt. 27 enthält mehrere Leiter 1802 von Spulen, eine erste Maske 1804, eine zweite Maske 1806 und magnetische Durchkontaktierungen 1808. Bei einigen Ausführungsformen kann zwischen den Leitern 1802 und den Durchkontaktierungen 1808 eine Differenz der vertikalen typologischen Höhe (der in die Seite in 27 eintretenden/daraus heraustretenden Höhe) vorliegen. Die Durchkontaktierungen 1808 erstrecken sich zu einer tieferen Topologie, und die Leiter 1802 befinden sich an einer höheren Topologie. Es kann wünschenswert sein, sowohl die Durchkontaktierungen 1808 als auch die Leiter 1802 von Spulen mit scharfen Kanten und/oder anderen Merkmalen mit einer guten Auflösung zu definieren.
Die erste Maske 1804 kann zur Definition einer Länge eines Magnetkerns in vertikaler Richtung der Seite verwendet werden. Die erste Maske 1804 kann Bereiche für Durchkontaktierungen relativ breit hinterlassen. Die erste Maske 1804 kann mit einem dicken Fotolack (zum Beispiel einer Sprühbeschichtung) verwendet werden und kann mit Steppern großer Geometrie verwendet werden.
Die zweite Maske 1806 kann in Verbindung mit fokussierterer Lithographie verwendet werden, die wohldefinierte Merkmale bei geringeren Topologien auf Kosten der Auflösung bei höheren Topologien bereitstellt. Die zweite Maske 1806 kann mit einem dünneren Fotolack und mit einem Stepper feiner Geometrie verwendet werden. Die zweite Maske 1806 kann zur Definition von Durchkontaktierungen mit einer relativ feinen Toleranz, wie zum Beispiel 2-3 um, für Durchkontaktierungen verwendet werden, während eine gröbere Auflösung zur Definition von Merkmalen im Leiterbereich, wie zum Beispiel 20-30 µm Toleranz, bereitgestellt wird. Der Durchkontaktierungsbereich kann minimiert werden und eine Breite aufweisen, die mit einer Höhe der oberen magnetischen Schicht oder unteren magnetischen Schicht des Magnetkerns vergleichbar ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Durchkontaktierung mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Breite entlang der gesamten Durchkontaktierung (zum Beispiel ohne eine breitere Kontaktbasis, die sich am unteren Ende der Durchkontaktierung senkrecht nach außen erstreckt) hergestellt werden, während immer noch ein ordnungsgemäßer Kontakt mit der unteren magnetischen Schicht hergestellt wird.
Die Durchkontaktierungen 1808 können zusätzlich oder als eine Alternative zu Durchkontaktierungsstrukturen in Kontaktbasen, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 24F beschrieben, verwendet werden.
Jegliche der hierin besprochenen Transformatoren können zur Übertragung von Leistung über eine Isolationsbarriere bei gleichzeitiger Bereitstellung von galvanischer Trennung implementiert werden. In einigen Fällen kann ein integrierter Gleichstrom-zu-Gleichstrom (DC-DC-) Wandler auf dem gleichen Chip wie der Transformator implementiert werden. Jegliche der hierin besprochenen Transformatoren können Leistung von einer Schaltung in einem Spannungsbereich zu einer Schaltung in einem anderen Spannungsbereich übertragen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Breite kleiner als 500% einer Dicke der oberen Schicht eines Magnetkerns sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Breite einer Durchkontaktierung kleiner als 200% einer Dicke der unteren Schicht eines Magnetkerns sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen stellt eine Durchkontaktierung eines Magnetkerns eines Transformators direkten Kontakt mit einer ersten Schicht des Magnetkerns her.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Transformator eine sich durch einen Magnetkern erstreckende Primärspule und eine sich durch den Magnetkern erstreckende Sekundärspule aufweisen, wobei der Magnetkern eine Durchkontaktierung enthält.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Transformator eine Primärspule und/oder eine Sekundärspule, die eine nicht gleichmäßige Windungsdichte hat, aufweisen, die dahingehend ausgebildet ist, eine Ungleichmäßigkeit einer Magnetkernsättigung des Magnetkerns auszugleichen.
Die offenbarte Technologie kann in jeder beliebigen Anwendung oder in jeder beliebigen Vorrichtung, bei der das Erfordernis eines Magnetkerns mit reduzierter Kernsättigungsungleichmäßigkeit besteht, implementiert werden. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen implementiert werden. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können Unterhaltungselektronikprodukte, Teile der elektronischen Produkte, elektronische Prüfgeräte, Mobilfunkinfrastruktur usw. enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können Präzisionsinstrumente, medizinische Geräte, drahtlose Geräte, ein Mobiltelefon, wie zum Beispiel ein Smartphone, ein Telefon, ein Fernsehgerät, einen Computermonitor, einen Computer, ein Modem, einen Handheld-Computer, einen Laptop, ein Tablet, einen tragbaren Rechner, wie zum Beispiel eine Smartwatch, einen elektronischen Organizer (PDA), ein Fahrzeugelektroniksystem, eine Mikrowelle, einen Kühlschrank, ein Fahrzeugelektroniksystem wie beispielsweise Autoelektroniksystem, eine Stereoanlage, einen DVD-Player, einen CD-Player, einen digitalen Musik-Player wie beispielsweise einen MP3-Player, ein Radio, einen Camcorder, eine Kamera, eine Digitalkamera, einen tragbaren Speicherchip, eine Waschmaschine, einen Trockner, einen Waschtrockner, eine Armbanduhr, eine Uhr usw. enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen unfertige Produkte enthalten.
Obgleich bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden sind, wurden diese Ausführungsformen nur beispielhaft dargestellt Tatsächlich können die hier beschriebenen neuen Vorrichtungen und Systeme in einer Vielfalt anderer Formen ausgestaltet sein; außerdem können an der Form der hier beschriebenen Systeme verschiedene Elemente und Teile weggelassen, ersetzt oder verändert werden, ohne von dem Wesen der Offenbarung abzuweichen. Obgleich die offenbarten Ausführungsformen in einer gegebenen Anordnung vorgestellt werden, können zum Beispiel alternative Ausführungsformen ähnliche Funktionalitäten mit unterschiedlichen Komponenten und/oder Schaltkreistopologien ausführen, und einige Elemente können gestrichen, verschoben, hinzugefügt, unterteilt, kombiniert und/oder modifiziert werden. Jedes dieser Elemente kann in einer Vielfalt von verschiedenen Weisen implementiert werden. Jede geeignete Kombination der Elemente und Aktionen der oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kann kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
Es werden hierin verschiedene Aspekte der neuen Systeme, Vorrichtungen beschrieben. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet sein und sollten nicht als auf irgendeine irgendwo in dieser Offenbarung vorgestellte, spezifische Struktur oder Funktion beschränkt ausgelegt werden. Diese Aspekte werden vielmehr bereitgestellt, damit diese Offenbarung umfassend und vollständig ist, und dem Fachmann vollständig den Umfang der Offenbarung vermittelt. Zum Beispiel kann unter Verwendung jeglicher Anzahl von hierin dargelegten Aspekten eine Vorrichtung implementiert werden.
Die Begriffe „ungefähr“, „im Wesentlichen“ und „ca.“ können so verwendet werden, dass sie bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±20% eines Zielwerts, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±10% eines Zielwerts, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±5% eines Zielwerts und dennoch bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±2% eines Zielwerts liegen. Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können den Zielwert beinhalten.

Claims

Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung, wobei der Transformator Folgendes aufweist: eine Primärspule und eine Sekundärspule; einen Magnetkern aufweisend eine untere Schicht (1502, 300) des Magnetkerns, eine obere Schicht (1506, 322) des Magnetkerns und eine die untere Schicht (1502, 300) des Magnetkerns mit der oberen Schicht (1506, 322) des Magnetkerns koppelnde Durchkontaktierung (1608); eine erste Isolierschicht (302), die über der unteren Schicht (1502, 300) des Magnetkerns ausgebildet ist; und eine Trennschicht (1504), die über der unteren Schicht (1502, 300) des Magnetkerns ausgebildet und neben der ersten Isolierschicht (302) angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der Primärspule, mindestens ein Teil der Sekundärspule, die Trennschicht und die erste Isolierschicht (302) zwischen der unteren Schicht (1502, 300) und der oberen Schicht (1506, 322) des Magnetkerns angeordnet sind; wobei mindestens ein Teil der Primärspule die erste Isolierschicht (302), ohne die Trennschicht zu kontaktieren, kontaktiert; wobei die Durchkontaktierung (1608) durch die Trennschicht (1504) passiert, um einen Weg für magnetischen Fluss zwischen der unteren Schicht (1502) und der oberen Schicht (1506) des Magnetkerns bereitzustellen; wobei die Trennschicht (1504) zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht des Magnetkerns auf einander gegenüberliegenden Seiten der Durchkontaktierung angeordnet ist; und wobei die Trennschicht (1504) und die erste Isolierschicht (302) aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die Durchkontaktierung (1608) eine Breite aufweist, die schmaler als eine Breite eines Teils der unteren Schicht des Magnetkerns ist, die sich im Wesentlichen parallel zu der oberen Schicht des Magnetkerns erstreckt.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die untere Schicht des Magnetkerns mit einem Halbleitersubstrat gekoppelt ist, und wobei ein Abstand von der Trennschicht zu dem Halbleitersubstrat geringer als ein Abstand von entweder der Primärspule oder der Sekundärspule zu dem Halbleitersubstrat ist.
Transformator nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Laminierungsschicht an einer die untere Schicht mit der Durchkontaktierung koppelnden Grenzfläche.
Transformator nach Anspruch 4, wobei eine Dicke der Laminierungsschicht 10 nm oder kleiner ist.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die Durchkontaktierung in einem geneigten Winkel durch die Trennschicht passiert.
Transformator nach Anspruch 1, ferner aufweisend mehrere Durchkontaktierungen, die in mindestens zwei Reihen angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 1, ferner aufweisend zusätzliche Durchkontaktierungen, die in einer Reihe mit der Durchkontaktierung angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die Primärspule und/oder die Sekundärspule eine nichtgleichmäßige Windungsdichte aufweist/aufweisen, die dahingehend ausgebildet ist, eine Ungleichmäßigkeit der Magnetkernsättigung des Magnetkerns auszugleichen.
Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung, wobei der Transformator Folgendes aufweist: eine obere Schicht (1310) eines Magnetkerns; eine untere Schicht (1316) des Magnetkerns; eine erste Leiterspule, von der mindestens ein Teil zwischen der oberen Schicht (1310) und der unteren Schicht (1316) des Magnetkerns angeordnet ist; eine zweite Leiterspule, von der mindestens ein Teil zwischen der oberen Schicht (1310) und der unteren Schicht (1316) angeordnet ist; eine Durchkontaktierung (1308), die magnetisches Material aufweist, wobei die Durchkontaktierung (1308) einen Weg für magnetischen Fluss zwischen der oberen Schicht (1310) und der unteren Schicht (1316) bereitstellt; eine Trennschicht (1504), die aus einem ersten Material gebildet ist, wobei mindestens ein Teil der Trennschicht auf und in Kontakt mit der unteren Schicht des Magnetkerns und zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns angeordnet ist, wobei die Durchkontaktierung durch einen Pfad durch die Trennschicht gebildet ist, und eine Isolierschicht (302), die aus einem zweiten Material gebildet ist, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei zumindest ein Teil der Isolierschicht auf und in Kontakt mit der unteren Schicht des Magnetkerns und zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns angeordnet ist, wobei die Primärspule die Isolierschicht, ohne die Trennschicht zu kontaktieren, kontaktiert.
Transformator nach Anspruch 10, wobei die Durchkontaktierung im Wesentlichen die gleiche Breite entlang der Gesamtheit der Durchkontaktierung aufweist.
Transformator nach Anspruch 10, wobei die erste Leiterspule und/oder die zweite Leiterspule eine nicht gleichmäßige Windungsdichte aufweist/aufweisen, die dahingehend ausgebildet ist, eine Ungleichmäßigkeit der Magnetkernsättigung des Magnetkerns auszugleichen.
Transformator zur Übertragung von Leistung und zur Bereitstellung von galvanischer Trennung, wobei der Transformator Folgendes aufweist: eine untere Schicht (1502) eines Magnetkerns; eine obere Schicht (1506) des Magnetkerns; eine Spule, die zumindest teilweise zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns angeordnet ist; eine Trennschicht (1504), die aus einem ersten Material gebildet ist, wobei mindestens ein Teil der Trennschicht auf und in Kontakt mit der unteren Schicht des Magnetkerns und zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns angeordnet ist, wobei eine Durchkontaktierung, die einen Weg für den magnetischen Fluss zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns bereitstellt, durch eine Öffnung in der Trennschicht gebildet wird; und eine Isolierschicht (302), die aus einem zweiten Material gebildet ist, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei zumindest ein Teil der Isolierschicht auf und in Kontakt mit der unteren Schicht des Magnetkerns und zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht des Magnetkerns angeordnet ist, und wobei die Isolierschicht dicker ist als die Trennschicht.
Transformator nach Anspruch 13, wobei die Trennschicht (1504) einen ersten Teil, der in Kontakt mit der Isolierschicht (302) steht und einen zweiten Teil, der nicht in Kontakt mit der Isolierschicht (302) steht, umfasst, und wobei der erste und der zweite Teil der Trennschicht (1504) auf gegenüberliegenden Seiten der Durchkontaktierung (1608) angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 13, wobei eine Breite der Durchkontaktierung (1608) kleiner ist als eine Dicke der oberen Schicht des Magnetkerns.