DE112012002725T5

DE112012002725T5 - Isolierter Umrichter mit ON-Chip-Magnetik

Info

Publication number: DE112012002725T5
Application number: DE112012002725.6T
Authority: DE
Inventors: Baoxing Chen
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CN103650075A; WO2013003788A1; US20200243240A1; US20130027170A1; CN105575626A; US20150348687A1

Abstract

Eine integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist, kann einen Träger, einen Transformator mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einem Magnetkern umfassen. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung können den Magnetkern umgeben. Der Transformator kann über einer ersten Seite des Trägers angeordnet sein. Ein Flussleiter kann auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des Trägers angeordnet sein.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen Anmeldung s. n. 61/503,578, eingereicht am 30. Juni, 2011 in Anspruch, deren Offenbarung hierin einbezogen ist.
HINTERGRUND
Der Gegenstand dieser Anmeldung betrifft magnetische Kreise, die auf einer integrierten Schaltung ausgeführt werden, um von magnetischen Kreisen abgeleitete Funktionalität bereitzustellen, beispielsweise Spannungsumwandlung.
Transformatoren mit magnetischen Kreisen mit Luftkern weisen Einschränkungen auf, teilweise aufgrund hohen Widerstands und geringer Induktivität der magnetischen Kreise mit Luftkern. Beispielsweise kann in magnetischen Kreisen mit Luftkern Strom zurück auf die Versorgungs- oder Massefläche einer integrierten Schaltung (IS) gestrahlt werden, was die elektromagnetische Interferenz (EMI) beeinflussen kann. Um die Auswirkungen der EMI in einem magnetischen Kreis mit Luftkern zu vermindern, müssen Entwickler viel Mühe aufbringen, um die physikalischen Parameter der Schaltung und der Wicklungen zu entwerfen, die den Luftkern umschließen. Die Wirkung der EMI ist besonders wichtig, wenn Hochfrequenzsignale verwendet werden, da EMI proportional zur Frequenz ist. Entwickler von Leiterplatten müssen auch die Wirkungen aufgrund von Hochströmen berücksichtigen, die erzeugt werden. Abgestrahlte Leistung ist ebenfalls ein Problem, da sie andere Schaltungen stören kann, die nicht mit der Leiterplatte verbunden sind.
Außerdem sind magnetische Kreise mit Luftkern nicht effizient und das Gehäuse dieser Schaltungen kann die Leistung, die bereitgestellt werden kann, beschränken. Beispielsweise kann die Verlustleistung auf Chip die Leistung einschränken, die von einem On-Chip-Transformator bereitgestellt werden kann. Daher ist die Leistungsmenge, die bereitgestellt werden kann, durch die Wirksamkeit der Schaltung und dadurch begrenzt, wie viel Leistung das Gehäuse handhaben kann. Oft muss zu viel zusätzliche Leistung bereitgestellt werden, um den Leistungsverlust aufgrund der Ineffizienz der magnetischen Kreise mit Luftkern zu überwinden.
Um die Einschränkungen magnetischer Kreise mit Luftkern zu überwinden, beziehen Entwickler Magnetkerne in die Transformatoren ein, um die Wicklungsinduktivität und Leistungsumwandlungseffizienz zu erhöhen, was zu einer geringeren Induktorspitzenleistung und reduziertem Leistungsverbrauch führt. Die erhöhte Wicklungsinduktivität und Leistungsumwandlungseffizienz vermindern auch die Interferenz mit anderen Komponenten, da geringere Schaltfrequenzen verwendet werden können und der magnetische Fluss durch das Hinzufügen des Magnetkerns eingeschränkter ist. Das Einbeziehen von Magnetkernen in Transformatoren erhöht die Induktivität pro Einheitsfläche, wodurch höhere Energiedichten bereitgestellt werden, und Geräteverkleinerung möglich wird.
Transformatoren mit Magnetkernen können unter Verwendung von isolierten Umrichtern aufgebaut werden. Isolierte Umrichter stellen elektrische Isolierung zwischen miteinander zusammenhängenden Schaltungen bereit. Isolierte Umrichter können beispielsweise verwendet werden, wenn Schaltungen vor Signalspikes oder Überspannungen geschützt werden müssen. Bestehende isolierte Transformatoren können jedoch viel Platz einnehmen. Außerdem besteht die Herausforderung, die Effizienz zu verbessern und die Transformatoren ausreichend von anderen Schaltungskomponenten zu isolieren, wenn sich die Transformatoren nahe an anderen Schaltungskomponenten befinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) und 1(b) stellen beispielhafte Konfigurationen eines On-Chip-Transformators nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators, der einen Flussleiter aufweist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
3 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators mit Magnetkern nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
4 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators mit zwei Magnetkernen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
5 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators mit Magnetkern nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
6 stellt eine Schnittzeichnung einer integrierten Schaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
7 stellt ein Umrichtersystem dar, das einen On-Chip-Transformator mit Magnetkern nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegende Erfindung verwenden kann.
8 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators mit Magnetkern und einem Flussleiter, der auf der gleichen Seite eines Trägers angeordnet ist, nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegende Erfindung können eine integrierte Schaltung mit einem Transformator bereitstellen, der eine oder mehrere Wicklungen um einen Magnetkern aufweist, der einen Pfad für magnetischen Fluss bereitstellt. Ein dielektrisches Material kann einbezogen werden, um elektrische Isolierung zwischen dem Magnetkern und der (den) Wicklung(en) bereitzustellen. Der Transformator kann auf einem Träger bereitgestellt sein. Die Wicklung(en) und der Magnetkern können so ausgerichtet werden, dass sie einen Pfad für magnetischen Fluss in einer Richtung bereitstellen, die parallel zu einer Oberfläche des Trägers verläuft, auf dem der Transformator ausgebildet ist. Ein Flussleiter kann auf einer anderen Oberfläche des Trägers bereitgestellt sein, um die Flussleitung durch den Transformator zu verbessern. Die integrierte Schaltung kann mit einer Anzahl von Schichten gefertigt werden.
Ein Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung kann eine erste Wicklung aufweisen, die einen ersten Teil des Magnetkerns umgibt, und eine zweite Wicklung, die einen zweiten Teil des Magnetkerns umgibt. Mindestens eine der Wicklungen erste Wicklung und zweite Wicklung kann mehrere Schichten der Anzahl von Schichten der integrierten Schaltung einnehmen. Der Magnetkern kann auch mehrere Schichten der Anzahl von Schichten der integrierten Schaltung in einnehmen.
Der Magnetkern kann ein massiver Kern sein, eine Vielzahl von Zwischenräumen umfassen, oder ein Kern aus mehreren Segmenten sein, die in mindestens einem Zwischenraum zwischen nebeneinanderliegenden Segmenten ein dielektrisches Material aufweisen. Ein Kern mit nur einem Stab weist die größte Flächenwirksamkeit auf, da ein Kernpaar auf der gleichen Oberfläche einen größeren Bereich einnimmt um die gleiche Flusskonduktanz bereitzustellen. Jedoch kann die Verwendung eines Kerns mit nur einem Stab aufgrund von Streufluss die EMI vergrößern. Die integrierte Schaltung kann einen zweiten Magnetkern beinhalten, der neben dem Magnetkern angeordnet ist, der die erste und die zweite Wicklung aufweist. Wenn der Magnetkern, der die erste und die zweite Wicklung aufweist, auf einer Seite eines Trägers angeordnet ist, kann der zweite Magnetkern auf der entgegengesetzten Seite des Trägers bereitgestellt sein. Der zweite Magnetkern kann dazu beitragen, die Flussschleife zu „schließen”, ohne dass auf der integrierten Schaltung zusätzliche Oberfläche erforderlich ist. Der zweite Magnetkern kann einfach eine mit Ferrit geladene Epoxidschicht oder eine andere Schicht mit magnetischer Permeabilität sein, die größer als ein aufgebrachte oder beschichtete ist.
Der Magnetkern kann eine Öffnung umfassen, durch die die erste Wicklung und die zweite Wicklung den Magnetkern umgeben. Weist der Magnetkern eine Öffnung auf, kann die erste Wicklung den Magnetkern auf einer Seite der Öffnung umgeben und die zweite Wicklung kann den Magnetkern auf der entgegengesetzten Seite der Öffnung umgeben.
Die erste Wicklung und die zweite Wicklung können den gleichen Teil des Magnetkerns umgeben. Mit einer solchen Konfiguration können die erste Wicklung und die zweite Wicklung zwischeneinander um den gleichen Teil des Magnetkerns gewunden sein, ohne einander zu berühren. Auch kann ein dielektrisches Material zwischen den zwischeneinander gewundenen Wicklungen und dem Magnetkern bereitgestellt sein, um Isolierung zwischen den Wicklungen und zwischen den Wicklungen und dem Magnetkern bereitzustellen.
Ausführungsformen des auf der integrierten Schaltung bereitgestellten Transformators können zwei Magnetkerne umfassen, die eine oder mehrere Wicklungen aufweisen, die jeden der Magnetkerne umgeben. Beispielsweise kann ein erster Magnetkern von den ersten Wicklung umgeben werden und ein zweiter Magnetkern kann von der zweiten Wicklung umgeben werden. Mehrere Wicklungen können auch jeden der Magnetkerne umgeben und jede Wicklung kann mehrere Magnetkerne umgeben. Beispielsweise kann ein erster Magnetkern von einer ersten Wicklung umgeben werden und ein zweiter Magnetkern kann von einer ersten und einer zweiten Wicklung umgeben werden. Die Wicklungen können zwischeneinander den gleichen Teil des jeweiligen Magnetkerns umgeben, ohne einander zu berühren.
1(a) und 1(b) stellen beispielhafte Konfigurationen eines On-Chip-Transformators nach Ausführungsformen der vorliegende Erfindung dar. 1(a) stellt eine Aufsicht eines On-Chip-Transformators 100 nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Der Transformator 100 kann einen Magnetkern 110 umfassen, der einen Pfad für magnetischen Fluss bereitstellt, eine oder mehrere Wicklungen 120, die um dem Magnetkern 110 gewickelt sind, und ein dielektrisches Material 130, das elektrische Isolierung zwischen dem Magnetkern 110 und der (den) Wicklung(en) 120 bereitstellt.
Der Magnetkern 110, der einen Pfad für den magnetischen Fluss bereitstellt, kann mehrere Schichten der Anzahl von Schichten einer integrierten Schaltung einnehmen. Beispielsweise kann eine erste Wicklung 120 den Magnetkern 110 an einer Vielzahl von Seiten des Magnetkerns 110 durch einen ersten Teil der mehreren Schichten umgeben, und eine zweite Wicklung 120 kann den Magnetkern an einer Vielzahl von Seiten des Magnetkerns 110 durch einen zweiten Teil der mehreren Schichten umgeben. Wie in 1(a) gezeigt, kann die erste Wicklung 120 den Magnetkern 110 an einer Vielzahl von Seiten des Magnetkerns 110 in einem ersten Teil des Magnetkerns 110 umgeben, und eine zweite Wicklung 120 kann den Magnetkern 110 an einer Vielzahl von Seiten des Magnetkerns 110 in einem zweiten Teil des Magnetkerns 110 umgeben, der sich vom ersten Teil des Magnetkerns 110 unterscheidet. Die erste und die zweite Wicklung 120 können den Magnetkern 110 so umgeben, dass die Wicklungen 120 den Magnetkern 110 umrunden.
1(b) stellt eine Schnittzeichnung des Transformators 100 von 1(a) dar. Wie gezeigt, kann der Transformator 100 auf einem Träger 140 angeordnet sein. Der Magnetkern 110 und die Wicklungen) 120 können so ausgerichtet sein, dass magnetischer Fluss in eine Richtung geleitet wird, die parallel zur Oberfläche des Trägers 140 verläuft, auf dem der Transformator 100 ausgebildet ist. Das dielektrische Material 130, das sich zwischen dem Magnetkern und der (den) Wicklung(en) 120 befindet, kann eine Isolierschicht sein. Die Isolierschicht kann eine Isolierschicht mit hohem dielektrischem Durchschlag sein, wie Polyimid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und dergleichen. Die Schichten des Magnetkerns 110 können Schichten mit hoher Permeabilität, wie Legierungen auf NiFe- und FeCo-Basis sein.
Durch die Ausrichtung des Magnetkerns 110 und der Wicklung(en) 120 kann der Transformator 100 nach herkömmlichen Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen gefertigt werden. Unter Verwendung von Halbleitermasken und Fotolithografie können die Wicklung(en) 120, das dielektrische Material 130 und der Magnetkern 110 in mehreren Materialablagerungsschichten aufgebaut werden. In einem Beispiel können in einem ersten Herstellungsschritt die Wicklungsbahnen aufgebaut werden, die eine „Rückseite” des Transformators 100, einen Teil des Transformators, der den Träger 140 berührt, bilden. Das Auftragen einer dielektrischen Schicht 130 kann in einem anschließenden Herstellungsschritt erfolgen, um die Zwischenbereiche zwischen den Wicklungsbahnen zu füllen und auch die Wicklungsbahnen zu bedecken. In einem weiteren Schritt, können Materialien, die den Magnetkern 110 darstellen, auf die dielektrische Schicht 130 gelegt werden. Zusätzliches Aufbringen dielektrischen Materials kann erfolgen, um den Magnetkern 110 im Dielektrikum zu umschließen. In einem späten Schritt kann metallisches Material auf ungeschützte Bereichen der hinteren Wicklungsbahnen aufgebracht werden, um „Seitenbahnen” aufzubauen. Ferner kann metallisches Material auf die dielektrisch abgedeckte Vorderseite des Magnetkerns 110 aufgebracht werden, um auf der Vorderseite des Transformators 100 Bahnen aufzubauen, und die Wicklung(en) 120 zu vervollständigen.
2 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators 200, der einen Flussleiter aufweist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 2 gezeigt, kann die Struktur des Transformators 200 einen Magnetkern 210, eine oder mehrere Wicklungen 220, die um dem Magnetkern 210 gewickelt sind, ein dielektrisches Material 230, einen Träger 240 und einen Flussleiter 250 umfassen. Auf dem Träger 240 können eine oder mehrere Schaltungskomponenten 260 angeordnet sein. Das eine oder die mehreren Schaltelemente kann/können mit den Wicklungen 220 verbunden sein.
Der Flussleiter 250 kann auf einer dem Magnetkern 210 entgegengesetzten Seite des Trägers 240 bereitgestellt sein. Andere Anordnungen des Magnetkerns 210, des Flussleiters 250 und des Trägers 240 sind möglich. Der Flussleiter 250 kann direkt auf der Oberfläche des Trägers 240 bereitgestellt sein. Alternativ kann zwischen dem Flussleiters 250 und dem Träger 240 ein Dielektrikum angeordnet sein. Das Dielektrikum kann auf einer oder mehreren Seiten des Flussleiters 250 bereitgestellt sein. Der Flussleiter 250 kann einen zusätzlichen Flusspfad bereitstellen, wobei magnetischer Fluss vom Magnetkern 210 durch den Flussleiter 250 fließen kann. Der Flussleiter 250 kann am Träger 240 mit Epoxid befestigt sein, oder auf dem Träger 240 mithilfe bekannter Verfahren aufgebaut werden. Der Flussleiter 250 kann als Film aus magnetischem Material bereitgestellt sein, der auf die Oberfläche des Trägers 240 aufgesputtert wurde. Der Flussleiter 250 kann aus dem gleichen Material gefertigt sein, das für den Magnetkern 210 verwendet wurde. Beispielsweise kann der Flussleiter 250 aus Materialien mit hoher Permeabilität gefertigt sein, wie Legierungen auf der Basis von CoTaZr (Kobalt, Tantal, Zirconium) NiFe (Nickel-Eisen) und FeCo (Eisen-Kobalt).
Die Transformatoren 100 und 200 können verbindende Bahnen umfassen, um die Kontakte der Transformatoren mit anderen Schaltelementen zu verbinden, andere dielektrische Schichten, um den Transformator in isolierende Materialien einzuschließen und unbeabsichtigten elektrischen Kontakt mit anderen Komponenten zu vermeiden, Abschirmmaterialien, soweit sie zum Reduzieren elektromagnetischer Interferenz mit nahegelegenen elektrischen Komponenten erforderlich sind, und andere Trägermaterialien, die dem Transformator mechanische Stabilität verleihen können. Obwohl in 1(a), 1(b) und 2 nicht gezeigt, finden die Grundsätze der vorliegende Erfindung mit allen diesen zusätzlichen Merkmalen Anwendung.
3 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators 300 mit Magnetkern nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Der Transformator 300 kann einen On-Chip-Magnetkern 310, eine erste Wicklung 320 und eine zweite Wicklung 330 umfassen. Die Konfiguration des Transformators 300 kann eine erste Wicklung 320 aufweisen, die sich zwischen einer zweiten Wicklung 330 befindet, wobei sich beide spiralförmig um den On-Chip-Magnetkern 310 winden. Der On-Chip-Magnetkern 310 kann durch die Mitte der zwischeneinander liegenden ersten Wicklung 320 und zweiten Wicklung 330 geführt werden.
Der On-Chip-Magnetkern kann als einfacher Kern 310 (gezeigt in 1(a)), oder mit Zwischenräumen 340 zwischen den Magnetstäben ausgebildet sein. Die Zwischenräume 340 können mit einem zuvor festgelegten Abstand (beispielsweise 1–10 Mikrometer) ausgebildet sein, um die Formanisotropie des Magnetkerns 310 zu verändern und verbesserte Permeabilität bereitzustellen. Die Zwischenräume 340 können mit einem dielektrischen oder elektrischen Isoliermaterial gefüllt sein. Um das Reduzieren der Gesamtquerschnittfläche des Kerns 310 zu minimieren, können die Stäbe des Kerns 310 so angeordnet sein, dass die Zwischenräume 340 eng sind. Die Zwischenräume 340 können die Formanisotropie des Magnetkerns 310 verändern und verbesserte Permeabilität bereitstellen. Hohe Permeabilität führt zu hoher Induktivität, hoher Effizienz und höherer Energiedichte. Die Zwischenräume 340 können auch die Permeabilität verbessern, indem sie die Bildung und Übertragung von Wirbelströmen im Magnetkern 310 aufgrund von magnetischem Fluss einschränken.
4 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators 400 mit zwei Magnetkernen nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Der On-Chip-Transformator 400 kann einen ersten Kern 410A, einen zweiten Kern 410B, eine Primärwicklung 420 und eine Sekundärwicklung 430 umfassen. Die Primärwicklung 420 kann sich um den zweiten Kern 410B wickeln und zum ersten Kern 410A überkreuzen. Die Primärwicklung 420 kann sich auch um den ersten Kern 410 wickeln. Ähnlich kann sich die zweite Wicklung 430 um den zweiten Kern 410B wickeln und zum ersten Kern 410 überkreuzen, wo sich die zweite Wicklung 430 auch um den zweiten Kern 410B wickeln kann. Die Primärwicklung 420 und die Sekundärwicklung 430 können sich spiralförmig um den ersten Kern 410A und den zweiten Kern 410B winden. Mindestens einer der Kerne erster Kern 410A und zweiter Kern 410B kann eine Vielzahl von Zwischenräumen und eine Vielzahl von Magnetstäben umfassen, wie in 3 gezeigt.
Die erste Wicklung 420 kann einen ersten Kontakt 422 und einen zweiten Kontakt 424 umfassen. Wie in 4 gezeigt, können der erste und der zweite Kontakt der Primärwicklung an den entgegengesetzten Enden der Primärwicklung 420 angeordnet sein. Die Sekundärwicklung 430 kann einen ersten Kontakt 432 und einen zweite Kontakt 434 umfassen. Wie in 4 gezeigt, können der erste und der zweite Kontakt der Sekundärwicklung 430 an den entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung angeordnet sein. Der erste Kontakt 422 der Primärwicklung 420 und der erste Kontakt der Sekundärwicklung 430 können nahe des ersten Kerns 410A angeordnet sein. Der zweite Kontakt 424 der Primärwicklung 420 kann nahe dem ersten Kern 410A und der zweite Kontakt 434 der Sekundärwicklung 430 kann nahe dem zweiten Kern 410B angeordnet sein.
Der erste und der zweite Magnetkern 410A, 410B können eine Breite Wm aufweisen, die so festgelegt werden kann, dass die für eine bestimmte Anwendung notwendige Induktivität bereitgestellt wird. Die Primärwicklung 420 und die Sekundärwicklung 430 können so um den ersten und den zweiten Magnetkern 410A und 410B angeordnet sein, dass die Richtung des Flusses von einem Kern gegenläufig zu der Richtung des Flusses von einem anderen Kern ist. Insbesondere kann die Richtung der Wicklungen 420 und 430 zwischen den ersten und zweiten Kernelementen 410A und 410B umgekehrt werden, um Flussstreuung vom Transformator 400 zu reduzieren. Auf diese Weise kann ein Treiberstrom in den beiden zweikernigen Elementen Fluss in voneinander gegensätzlichen Richtung herbeiführen. Diese Konfiguration kann dazu beitragen, einen Rückflusspfad bereitzustellen und Flussstreuung in die umgebenden Komponenten und EMI-Strahlung zu reduzieren. Der Transformator 400 kann in einem Halbleiterträger angebracht sein, so dass sich die vom Kern geführte Konduktivität magnetischen Flusses in eine Richtung parallel zu einer Oberfläche des Trägers erstreckt.
Während der Fertigung kann die schwere Achse des Magnetkernmaterials so gesteuert werden, dass sie an der Richtung des magnetischen Flusses ausgerichtet ist, der vom Transformator während des Betriebs erzeugt wird. Das Ausrichten der schweren Achse an der Flussrichtung sollen Schaltverluste reduziert werden, die während des Betriebs des Transformators auftreten können.
5 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators 500 mit Magnetkern nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Der On-Chip-Transformator 500 kann einen Magnetkern 510, eine erste Wicklung 520 und eine zweite Wicklung 530 umfassen. Der Kern 510 kann die Form eines Rechtecks mit einer Öffnung in der Mitte aufweisen. Der Kern 510 kann die Form eines Rechtecks mit gerundeten Kanten aufweisen. Der Kern 510 kann eine Länge aufweisen, die länger als die Breite des Kerns 510 ist.
Der Magnetkern 510 kann ein massiver Magnetkern sein. In einer anderen Ausführungsform können Teile des Kerns 510 eine Vielzahl von Zwischenräumen 516 aufweisen. Die Anzahl der Zwischenräume 516 kann beliebig sein, solange der Kern 510 den magnetischer Fluss bereitstellt, der für die bestimmte Anwendung erforderlich ist. Die Vielzahl von Zwischenräumen 516 können in Teilen des Kerns bereitgestellt sein, die sich auf jeder Seite der Öffnung in der Mitte des Kerns 510 befinden. Die Zwischenräume 516 können mit Isoliermaterial oder einem dielektrischen Material gefüllt sein, das die Anistropie ändern und die magnetische Permeabilität verbessern kann.
Die erste Wicklung 520 und die zweite Wicklung 530 können um Teile des Kerns 510 gewickelt sein. Beispielsweise kann, wie in 5 gezeigt, die erste Wicklung 520 um den Kern auf einer Seite der Öffnung gewickelt sein, und die zweite Wicklung 530 kann um den Kern auf einer anderen Seite der Öffnung gewickelt sein. Die erste und zweite Wicklung 520, 530 können an den Teilen des Kerns 510 zentriert sein, der umwickelt wird. Die erste und zweite Wicklung 520, 530 können um den Teil des Kerns 510 gewickelt sein, der die Zwischenräume 516 aufweist. Die erste Wicklung 520 kann sich zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskontakt 522, 423 auf einer Seite des Kerns 510 erstrecken, und die zweite Wicklung 530 kann sich zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskontakt 532, 533 erstrecken, die sich auf einer anderen Seite des Kerns 510 befindet.
Magnetischer Fluss im Kern 510 kann sich kreisförmig durch den ringförmigen Kern bewegen. Während der Fertigung kann die anisotropische Richtung so gesteuert werden, dass sich die leichte Achse entlang der Y-Richtung und die schwere Achse entlang der X-Richtung erstreckt. Fluss, der von den Wicklungen erzeugt wird, kann leicht mit dem Kern entlang der schweren Achse (X-Richtung) fließen. Der Hauptteil des Flusses kann entlang der schweren Achse geschaltet werden, um Histereseverlust zu minimieren.
Wenn der Fluss die Enden (an der Y-Achse) des Magnetkerns 510 erreicht, kann der Fluss die Tendenz haben abzufließen, anstatt der Form des Magnetkerns 510 (in der X-Achse) zu folgen. Mit dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann weniger Fluss am oberen und unteren Ende des Magnetfelds abfließen. Ein Vorteil kann weniger induzierte Störung durch das Limitieren der Strahlung des magnetischen Flusses im Vergleich zu anderen Designs sein. Es kann jedoch zusätzlicher Verlust auftreten, wenn der Fluss in den oberen und unteren Bereichen entlang der X-Achse, der leichten Achse fließt. Für praktische Designs kann, abhängig von Faktoren, die für die Anwendungen wichtig sind, ein Entwurf zugunsten eines anderen gewählt werden.
Der On-Chip-Transformator 500 kann in einem Halbleiterträger angebracht sein, so dass sich die vom Kern 510 geführte Konduktivität magnetischen Flusses in eine Richtung parallel zu einer Oberfläche des Trägers erstreckt.
6 stellt eine Schnittzeichnung einer integrierten Schaltung 600 nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Der Transformator 600 kann in einen Chip einer integierten Schlatung eingebaut sein. Der Chip der integrierten Schaltung kann Träger 660, isolierenden Träger 650, Elektrode 645, aktive Komponentenschicht 655, Isolierschichten 640, eine erste Wicklung 671, eine zweite Wicklung 673, Magnetkern 625, dielektrische Schichten 630, 620 und eine Isolierschicht 610 umfassen. Dielektrische Schichten 620 und 630 können ausgebildet sein, um genügend Isolierung zwischen den Primärwicklungen und den Sekundärwicklungen bereitzustellen. Die dielektrischen Schichten 620 und 630 können auch Isolierung zwischen den Primärwicklungen und dem Kern sowie zwischen den Sekundärwicklungen und dem Kern bereitstellen.
Der Magnetkern 625 kann ein massiver Stab mit ihn umgebenden Wicklungen sein. Der Magnetkern 625 kann aus einer Vielzahl magnetischer Stäben gebildet sein, die durch dielektrischen Distanzstücke getrennt sind, wobei die Wicklung um die Sammlung von Stäben bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der Magnetkern 625 Schichtanordnungen oder mehrere Schichten von magnetischem Material 626 und nicht leitendem dielektrischem Material 627 umfassen. Die Dicke der Distanzschicht muss optimiert werden um die Permeabilität bei hoher Frequenz und hohe Effizienz aufrechtzuerhalten.
Die Isolierschicht 610 kann als Einkapselung dienen, um die Vorrichtung zu schützen und den Transformator vor externen Signalen wie Hochfrequenzsignalen isolieren, die von Masseflächen oder Versorgungsflächen ausgehen, die an den Wicklungen 671 und 673 Störsignale induzieren können. Isolierschichten 640 können Wicklungen vom Träger 660 isolieren.
Die optionale Elektrode 645 kann als Verbindung von einer beliebigen Komponente in der aktiven Komponentenschicht 655 unter dem Transformator mit einer der Wicklungen dienen. Die aktive Komponentenschicht 655 kann auf einer Oberfläche eines Trägers bereitgestellt sein, die von der Oberfläche des Trägers, die die Wicklungen 671 und 673 aufweist, abgewandt ist. Wenn keine Verbindung von den Wicklungen zum Träger benötigt wird, muss die Elektrode 645 nicht verwendet werden, und sowohl die Primärwicklungen als auch die Sekundärwicklungen werden vom Träger 660 durch dielektrische Schichten 640 isoliert. Der Isolierträger 650 kann die optionale Elektrode 645 vom Träger 560 isolieren.
Abhängig von den Anforderungen an die Schaltung können die Wicklungen 671 und 673 nur mit Komponenten der aktiven Komponentenschicht 655 verbunden sein. Alternativ kann eine der Wicklungen 671 und 673 nur mit der aktiven Komponentenschicht 655 verbunden sein, und ein anderer Induktor kann, je nach Anforderungen des Designs, nur mit einer Leiterplatte (jetzt in 6 gezeigt) verbunden sein. Komponente(n) der aktiven Komponentenschicht 655 werden jeweils für bestimmte Anwendungen der integrierten Schaltung konfiguriert.
Zusätzlich zur Fertigung von Leistungstransformatoren können die Ausführungsformen oben auch zur Fertigung von Rückspeisetransformatoren verwendet werden.
Die Ausführungsbeispiele, die die Transformatorkonfigurationen oben aufweisen, können auf das Aufbauen eines Chips für eine integrierte Schaltung mit einem On-Chip-Transformator zutreffen, der einen Magnetkern aufweist. 7 stellt ein Umrichtersystem 700 dar, in dem ein On-Chip-Transformator mit einem Magnetkern nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die Umrichtersysteme 700 können einen Transformator mit Magnetkern 710, einen Transformator-Umschaltkreis 720 und eine Gleichrichterschaltung 730 umfassen. Optional kann auch ein Rückspeisetransformator 740 bereitgestellt sein. Die allgemeine Anordnung des Transformators 710, des Leistungsumschaltkreis 720, der Gleichrichterschaltung 730 und des Rückspeisetransformator 740 sind nicht der Schwerpunkt dieser Erfindung. Wie in 7 gezeigt, kann der Transformator 710, der einen Magnetkern aufweist, auf demselben Rohchip wie der Leistungsumschaltkreis 720 und die Gleichrichterschaltung 730 bereitgestellt sein. In diesen Fällen kann die optionale Elektrode 645, gezeigt in 6, dazu verwendet werden, den Leistungsumschaltkreis 720 mit der Primärwicklung zu verbinden oder die Sekundärwicklung mit der Gleichrichtungsschaltung 730 zu verbinden.
Wird ein zweckbestimmter Transformator-Rohchip verwendet, kann die Verbindung vom Leistungsumschaltkreis 720 zur Primärwicklung und die Verbindung von der Gleichrichtungsschaltung 730 zur Sekundärwicklung wie gezeigt durch Chip-zu Chip-Bonddrähte bewerkstelligt werden. Die Transformatoren 710 und/oder 740 können in einer Vielzahl verschiedener allgemeiner Konfigurationen angeordnet werden, wie in 1–6 gezeigt. Beispielsweise können die Transformatoren 710 und 740 Folgendes aufweisen: spiralförmige erste und zweite Leiterschleifen, wobei ein Magnetkern durch das Zentrum der Spiralen läuft; ineinander angeordnete Spiralen, in denen sich eine erste spiralförmige Leiterschleife und eine zweite spiralförmige Leiterschleife umeinander winden, wobei ein Magnetkern durch das Zentrum der Spiralen läuft; und ein Magnetkern aus übereinander angeordneten Spiralen in der Form eines Magnetschalters.
Der isolierte Transformator 710 kann auf der Oberseite des Rohchips des integrierten Transformator-Umschaltkreis, auf der Oberseite des Rohchips der integrieten Gleichrichterschaltung oder als zweckbestimmter Transformator-Rohchip ausgebildet sein, wie in 7 gezeigt. Der Umrichter 700 kann ferner einen Rückspeisetransformator-Rohchip umfassen, der sich ebenfalls auf dem gleichen Rohchip wie der Leistungstransformator 710 oder einem getrennten Rohchip befinden kann. Ist ein Rückspeisetransformator 740 auf den gleichen Rohchip wie der Leistungstransformator 710 bereitgestellt, kann der Aufbau des Rückspeisetransformators 740 ähnlich oder unterschiedlich sein, wie der in übereinander angeordneten Spiralen, d. h. einer oberen Wicklung und einer unteren Wicklung, sein. Der Rückspeisetransformator 740 kann, obwohl er mit einem Magnetkern gezeigt wird, entweder einen Magnetkern oder einen Luftkern aufweisen.
8 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines On-Chip-Transformators 800 mit Magnetkern 810 und einem Flussleiter 850, der auf der gleichen Seite eines Trägers 240 angeordnet ist, nach einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung dar. Wie in 8 gezeigt, kann die Struktur des Transformators 800 kann einen Magnetkern 810, eine oder mehrere Wicklungen 820, die um den Magnetkern 810 gewickelt sind, ein dielektrisches Material 830, einen Träger 840 und einen Flussleiter 850 und ein dielektrisches Material 870 umfassen. Auf dem Träger 840 können eine oder mehrere Schaltkreiskomponenten 860 angeordnet sein. Das eine oder die mehreren Schaltkreiselemente kann/können mit den Wicklungen 820 verbunden sein.
Der Flussleiter 850 kann auf einer Seite des Trägers 840 bereitgestellt sein, auf der der Magnetkern 810 angeordnet ist. Ein dielektrisches Material 870 kann zwischen der einen oder den mehreren Wicklungen 820 und dem Flussleiter 850 angeordnet sein. Der Flussleiter 850 kann einen zusätzlichen Flusspfad bereitstellen, wobei magnetischer Fluss vom Magnetkern 810 durch den Flussleiter 850 fließen kann. Der Flussleiter 850 kann am Träger 840 mit Epoxid befestigt sein, oder auf dem Träger 840 mithilfe bekannter Verfahren aufgebaut werden. Der Flussleiter 850 kann als Film aus magnetischem Material bereitgestellt sein, der auf die Oberfläche des Trägers 840 aufgesputtert wurde. Der Flussleiter 850 kann aus dem gleichen Material gefertigt sein, das für den Magnetkern 810 verwendet wurde. Beispielsweise kann der Flussleiter 850 aus Materialien mit hoher Permeabilität gefertigt sein, wie Legierungen auf der Basis von CoTaZr (Kobalt, Tantal, Zirconium) NiFe (Nickel-Eisen) und FeCo (Eisen-Kobalt).
In den Ausführungsbeispielen können die dielektrischen Materialien Materialien mit mit hohem dielektrischem Durchschlag sein, wie Polyimid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und dergleichen. Die Magnetkernschichten und die Flussleiterschicht können aus Materialien mit hoher Permeabilität gefertigt sein, wie Legierungen auf der Basis von CoTaZr (Kobalt, Tantal, Zirconium) NiFe (Nickel-Eisen) und FeCo (Eisen-Kobalt). Schließlich können die Wicklungen und metallverbindenden Strukturen aus einem geeigneten leitenden Metall wie Gold oder Kupfer ausgebildet sein.
Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen oben und die spezifischen in den Zeichnungen gezeigten Konfigurationen beschränkt. Beispielsweise können manche gezeigten Komponenten miteinander als eine Ausführungsform kombiniert werden, oder eine Komponente kann in mehrere Unterkomponenten aufgeteilt werden, oder eine beliebige andere bekannte oder verfügbare Komponente kann hinzugefügt werden. Der Fachmann versteht, dass die Erfindung auf andere Weisen ausgeführt werden kann, ohne vom Geist und wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Daher müssen die vorliegenden Ausführungsformen in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als einschränkend angesehen werden. Der Umfang der Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche und nicht die vorausgehende Beschreibungen festgelegt, und alle Änderungen, die in Bedeutung und Umfang den Ansprüchen gleichwertig sind, gelten somit als in diese einbezogen.

Claims

Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger; einen Transformator, der über einer ersten Oberfläche des Trägers angeordnet ist, wobei der Transformator eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfasst, die einen Magnetkern umgeben; und einen Flussleiter, der auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des Trägers angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei: die erste Wicklung den Magnetkern in einem ersten Teil des Magnetkerns umgibt; und die zweite Wicklung den Magnetkern in einem zweiten Teil des Magnetkerns umgibt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung den gleichen Teil des Magnetkerns umgeben.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung zwischeneinander um den Magnetkern gewunden sind, ohne einander zu berühren.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Wicklungen erste Wicklung und zweite Wicklung eine Vielzahl von Schichten aus der Anzahl der Schichten der integrierten Schaltung einnimmt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern eine Vielzahl von Schichten aus der Anzahl der Schichten der integrierten Schaltung einnimmt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die ferner ein dielektrisches Material umfasst, das zwischen dem Magnetkern und der ersten und zweiten Wicklung angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Wicklung so ausgerichtet ist, dass Fluss in eine Richtung geleitet wird, die allgemein parallel zur ersten Oberfläche des Trägers verläuft.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ein massiver Kern ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern und der Flussleiter aus demselben Material gefertigt sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern eine Vielzahl von Zwischenräumen umfasst, die in mindestens einem der Teile erster Teil und zweiter Teil angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ein Kern aus mehreren Segmenten ist, die ein dielektrisches Material aufweisen, das in mindestens einem Zwischenraum zwischen nebeneinanderliegenden Segmenten bereitgestellt ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Magnetkern eine Öffnung umfasst, durch die die erste Wicklung und die zweite Wicklung den Magnetkern umgeben.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 13, wobei sich der erste Teil auf einer Seite der Öffnung befindet und der zweite Teil sich auf der entgegengesetzten Seite der Öffnung befindet.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Magnetkern eine Vielzahl von Zwischenräumen umfasst, die in mindestens einem der Teile erster Teil und zweiter Teil angeordnet ist.
Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger; einen Transformator, der auf einer ersten Seite des Trägers angeordnet ist, wobei der Transformator einen ersten Magnetkern, einen zweiten Magnetkern, eine erste Wicklung, die einen ersten Teil des ersten Magnetkerns umgibt, und eine zweite Wicklung, die einen zweiten Teil des Magnetkerns umgibt, umfasst; und einen Flussleiter, der auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche des Trägers angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die erste Wicklung ferner einen Teil des zweiten Magnetkerns und die zweite Wicklung ferner einen Teil des ersten Magnetkerns umgibt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung zwischeneinander um den ersten Magnetkern und den zweiten Magnetkern gewunden sind, ohne einander zu berühren.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei der mindestens eine der Magnetkerne erster Magnetkern und zweiter Magnetkern eine Vielzahl von Schichten aus der Anzahl der Schichten der integrierten Schaltung einnimmt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, die ferner ein dielektrisches Material umfasst, das zwischen dem ersten Magnetkern und der ersten Wicklung und zwischen dem zweiten Magnetkern und der zweiten Wicklung angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die erste Wicklung so ausgerichtet ist, dass Fluss in eine Richtung geleitet wird, die allgemein parallel zur ersten Oberfläche des Trägers verläuft.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei mindestens einer der Magnetkerne erster Magnetkern und zweiter Magnetkern ein massiver Kern ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei mindestens einer der Magnetkerne erster Magnetkern und zweiter Magnetkern eine Vielzahl von Zwischenräumen umfasst.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei mindestens einer der Magnetkerne erster Magnetkern und zweiter Magnetkern ein aus mehreren Segmenten bestehender Kern ist, der ein dielektrisches Material aufweist, das in mindestens einem Zwischenraum zwischen nebeneinanderliegenden Segmenten bereitgestellt ist.
Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger; einen Transformator, der über dem Träger angeordnet ist, wobei der Transformator eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfasst, die einen Magnetkern umgeben; und einen Flussleiter, der zwischen dem Träger und dem Transformator angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 25, die ferner ein dielektrisches Material umfasst, das zwischen dem Flussleiter und mindestens einer der Wicklungen erste Wicklung und zweite Wicklung angeordnet ist.
Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger einen Transformator, der auf dem Träger angeordnet ist, wobei der Transformator eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfasst, die einen aus mehreren Segmenten bestehenden Magnetkern umgeben.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 27, wobei: die erste Wicklung den Magnetkern in einem ersten Teil des aus mehreren Segmenten bestehenden Magnetkerns umgibt; und die zweite Wicklung den Magnetkern in einem zweiten Teil des aus mehreren Segmenten bestehenden Magnetkerns umgibt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 27, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung den gleichen Teil des Magnetkerns umgeben.
Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger einen Transformator, der auf dem Träger angeordnet ist, wobei der Transformator einen ersten Magnetkern, einen zweiten Magnetkern, eine erste Wicklung, die den ersten Magnetkern und den zweiten Magnetkern umgibt, und eine zweite Wicklung, die den ersten Magnetkern und den zweiten Magnetkern umgibt, umfasst, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung um den ersten Magnetkern und den zweiten Magnetkern so ausgerichtet sind, dass eine Richtung des Flusses vom ersten Magnetkern einer Richtung des Flusses vom zweiten Magnetkern entgegengesetzt ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 30, wobei der Fluss vom ersten Magnetkern und der Fluss vom zweiten Magnetkern allgemein parallel zu einer Oberfläche des Trägers verlaufen, auf dem der Transformator angeordnet ist.
Integrierte Schaltung, die mit einer Anzahl von Schichten gefertigt ist und Folgendes umfasst: einen Träger einen Transformator, der auf dem Träger angeordnet ist, einen Magnetkern, eine erste Wicklung, die einen ersten Teil des Magnetkerns umgibt, und eine zweite Wicklung, die einen zweiten Teil des Magnetkerns umgibt, wobei der Magnetkern einen oder mehrere Zwischenräume umfasst, die im ersten Teil und zweiten Teil angeordnet sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 32, wobei der Magnetkern eine Öffnung umfasst, durch die die erste Wicklung und die zweite Wicklung den Magnetkern umgeben.