TW201714278A

TW201714278A - 積體電感結構及積體變壓器結構

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Publication number: TW201714278A
Application number: TW104132810A
Authority: TW
Inventors: 顏孝璁; 簡育生; 葉達勳
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-16
Also published as: US10153078B2; US20170098500A1; TWI591800B

Abstract

一種積體電感結構包含一第一螺旋狀線圈、一第二螺旋狀線圈及一連接線段。第一螺旋狀線圈包含複數金屬線段與及一跨接線段，並具有一第一端點、一第二端點、一第三端點及一第四端點，其中該跨接線段與該些金屬線段不同層，用來連接該些金屬線段。第二螺旋狀線圈具有一第五端點及一第六端點。連接線段連接該第三端點與該第五端點以及該第四端點與該第六端點。該積體電感結構以該第一及第二端點作為輸入端及輸出端，且該第一端點與該第三端點位於一第一假想直線上，該第一假想直線通過該第一螺旋狀線圈所圍繞之一範圍的中心區域，且該跨接線段與該範圍的中心區域位於一第二假想直線上，該第一假想直線及該第二假想直線之一較小夾角係大於等於45度。

Description

積體電感結構及積體變壓器結構

本發明是關於積體電感結構及積體變壓器結構，尤其是關於具有高對稱性的8字型積體電感及積體變壓器。

電感以及變壓器為射頻積體電路中用來實現單端至差動訊號轉換、訊號耦合、阻抗匹配等功能的重要元件，隨著積體電路往系統單晶片（System on Chip，SoC）發展，積體電感（integrated inductor）及積體變壓器（integrated transformer）已逐漸取代傳統的分離式元件，而被廣泛地使用在射頻積體電路中。然而，積體電路中的電感及變壓器，往往會佔用大量的晶片面積，因此，如何縮小積體電路中的電感及變壓器的面積，並同時維持元件的特性，例如電感值、品質因數（quality factor，Q）及耦合係數（coupling coefficient，K）等等，成為一個重要的課題。

圖1為習知8字型積體電感的結構圖。8字型積體電感100包含螺旋狀線圈110及120。螺旋狀線圈110（120）包含金屬線段112（122）及金屬線段114（124）。金屬線段112（122）與金屬線段114（124）透過位於貫穿位置的貫穿結構相連接，貫穿結構可以例如是導孔（via）結構或是導孔陣列（via array）。使用時，訊號從8字型積體電感100的其中一端點111（或121）輸入，從另一端點121（或111）輸出。此8字型積體電感100的缺點是，螺旋狀線圈110及120本身的對稱性不佳，造成8字型積體電感100的品質因數及電感值無法提升；再者，8字型積體電感100的兩端點111及121距離遠（當螺旋狀線圈的圈數多時更明顯），不利於與積體電路中的差動元件耦接。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種積體電感結構及積體變壓器結構，以提高電感的對稱性及電感值。

本發明揭露了一種積體電感結構，包含：一第一螺旋狀線圈，包含複數金屬線段與及一跨接線段，並具有一第一端點、一第二端點、一第三端點及一第四端點，其中該跨接線段與該些金屬線段不同層，用來連接該些金屬線段；一第二螺旋狀線圈，具有一第五端點及一第六端點；一連接線段，連接該第三端點與該第五端點以及該第四端點與該第六端點；其中該積體電感結構以該第一端點及該第二端點的其中一者為輸入端，以另一者為輸出端，且該第一端點與該第三端點位於一第一假想直線上，該第一假想直線通過該第一螺旋狀線圈所圍繞之一範圍的中心區域，且該跨接線段與該範圍的中心區域位於一第二假想直線上，該第一假想直線及該第二假想直線之一較小夾角係大於等於45度。

本發明另揭露了一種積體變壓器結構，包含：一第一螺旋狀線圈，包含複數金屬線段與及一跨接線段，並具有一第一端點、一第二端點、一第三端點及一第四端點，其中該跨接線段與該些金屬線段不同層，用來連接該些金屬線段；一第二螺旋狀線圈，具有一第五端點、一第六端點、一第七端點及一第八端點；一連接線段，連接該第三端點與該第五端點以及該第四端點與該第六端點；其中該積體變壓器以該第一端點及該第二端點為輸入埠，以及以該第七端點及該第八端點為輸出埠，且該第一端點與該第三端點位於一第一假想直線上，該第一假想直線通過該第一螺旋狀線圈所圍繞之一範圍的中心區域，且該跨接線段與該範圍的中心區域位於一第二假想直線上，該第一假想直線及該第二假想直線之一較小夾角係大於等於45度。

本發明之積體電感結構及積體變壓器結構具有高對稱性，有利於提升電感值，再者，電感的輸入端與輸入端之間的距離，不受螺旋狀線圈的圈數影響，方便與積體電路中的差動元件耦接。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本發明之揭露內容包含積體電感結構及積體變壓器結構，其所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。

圖2為本發明一實施例之8字型電感的結構圖。8字型積體電感200包含螺旋狀線圈210及220。螺旋狀線圈210包含圍繞成3圈的金屬線段215a、215b、215c、215d（製作於同一金屬層），此4個金屬線段藉由位於不同金屬層的跨接線段216a及216b連接。螺旋狀線圈210包含4個端點211、212、213及214，端點211及212的其中之一為8字型積體電感200的輸入端，另一為輸出端，兩者分別透過引導線段211a及212a傳輸訊號。類似地，螺旋狀線圈220包含圍繞成3圈的金屬線段225a、225b、225c（製作於同一金屬層），此3個金屬線段藉由位於不同金屬層的跨接線段226a及226b連接。

端點211及212位於螺旋狀線圈210的外層線圈，而端點213及214則位於螺旋狀線圈210的最內層線圈；另一方面，端點223及224位於螺旋狀線圈220的最內層線圈。螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220透過連接線段（包含跨接線段230及240）連接，其中跨接線段230連接端點213及端點224，跨接線段240連接端點214及端點223。此實施例中，螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220中除了跨接線段以外的金屬線段製作於第一金屬層，而跨接線段230及240為交叉（crossing）結構，分別製作於第二金屬層及第三金屬層。因此跨接線段230及240可以跨越複數條構成螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220的金屬線段（位於第一金屬層），使螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220兩者的最內層透過連接線段互相連接。在其他的實施例中，連接線段可以不為交叉結構（亦即其中一跨接線段連接端點213及端點223，另一跨接線段連接端點214及端點224），此時連接線段可以只用一層金屬層實作。

實際上螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220兩者皆為對稱型的螺旋狀線圈，且兩者以背對背（back-to-back）的方式排列。兩者位於內層線圈的端點（端點213、214、223、224）透過連接線段耦接後，便形成8字型的積體電感結構，而螺旋狀線圈220中相對於螺旋狀線圈210之端點211及212的位置，可以形成8字型的積體電感200的中央抽頭（center tap）221，因此8字型積體電感200的接口（由端點211及端點212所構成）、連接線段及中央抽頭221位於一直線250上，且8字型積體電感200對該直線250對稱，因此本發明的8字型積體電感200相較於習知的8字型積體電感100有更好的對稱性，而且端點211及端點212兩者間的距離可以縮短，且不受螺旋狀線圈的圈數影響，使得8字型積體電感200更適合應用於差動電路。當8字型積體電感200應用於差動電路時，中央抽頭221可連接至地或差動電路的電源VDD。

螺旋狀線圈210所圍繞的範圍具有一中心區域217（此處以螺旋狀線圈210為例作說明，螺旋狀線圈220同理，具有中心區域227），中心區域217大致位於螺旋狀線圈210的最內層線圈的中心處，也就是中心區域217與上下金屬線段的距離h1及h2大約相等，與左右金屬線段的距離d1及d2大約相等。此實施例中，跨接線段216a及216b位於螺旋狀線圈210中與直線250平行的邊上，也就是跨接線段216a及216b不位於直線250上。然而當螺旋狀線圈210不以四邊形實作時（例如以其他多邊形或甚至圓形實作），跨接線段216a（或216b）的位置可以進一步地定義如下：對該螺旋狀線圈210而言，第一端點或第二端點與第三端點或第四端點的連線可形成一第一假想直線（即約略為直線250），跨接線段216a（或216b）與螺旋狀線圈210所圍繞的範圍的中心區域217的連線可形成一第二假想直線（即約略為直線260），兩假想直線所形成的夾角（以較小者為討論對象）可以是大於等於45度且小於等於90度（圖2的實施例為90度）。在這樣的設計下且連接線段為圖中所示的交叉結構時，8字型積體電感200最多只需佔用三層金屬層；然而如果跨接線段216a（或216b）位於或接近直線250，則8字型積體電感200將必須使用四層金屬層，即交叉結構的連接線段必須製作於第三及第四金屬層，才能同時跨越螺旋狀線圈210的多數金屬線段（第一金屬層）及跨接線段216a（或216b）（第二金屬層）。

圖3A為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖。8字型積體電感300包含螺旋狀線圈310及320。螺旋狀線圈310包含圍繞成3圈的金屬線段315a、315b、315c、315d（製作於同一金屬層），此4個金屬線段藉由跨接線段316a、316b連接。螺旋狀線圈310包含端點311及312，其中之一為8字型積體電感300的輸入端，另一為輸出端，兩者分別透過引導線段311a及312a傳輸訊號。類似地，螺旋狀線圈320包含圍繞成3圈的金屬線段325a、325b、325c（製作於同一金屬層），此3個金屬線段藉由跨接線段連接。

與上一個實施例相同，螺旋狀線圈310及螺旋狀線圈320皆為對稱型的螺旋狀線圈，兩者同樣以背對背的方式排列，透過連接線段380連接，且跨接線段的安排方式也與螺旋狀線圈210及螺旋狀線圈220相同。不同的是，端點311及312位於螺旋狀線圈310的最內層線圈，所以引導線段311a及312a製作於不同的金屬層，在這個實施例中，引導線段311a及312a位於金屬線段315a、315b、315c、315d所屬金屬層的上方。由於螺旋狀線圈320與310對稱，所以同理中央抽頭321位於金屬線段325a、325b、325c所屬金屬層的上方。

為了更加清楚說明螺旋狀線圈310、螺旋狀線圈320的端點及連接線段380的連接關係，圖3B顯示了三者的獨立結構。除了端點311及312之外，螺旋狀線圈310還包含端點313及314，兩者位於螺旋狀線圈310的外層線圈。類似地，螺旋狀線圈320包含端點323及324，兩者位於螺旋狀線圈320的外層線圈。連接線段380包含延伸線段330及跨接線段340，延伸線段330連接端點313及端點324，跨接線段340連接端點314及端點323。延伸線段330與金屬線段315b、325a位於同一金屬層，所以在一個實施例中可以將延伸線段330視為金屬線段315b與金屬線段325a的延伸，亦即金屬線段315b、延伸線段330以及金屬線段325a為連續的線段，此時連接線段380可以視為只包含跨接線段340。然而本實施例中為了清楚說明螺旋狀線圈310及320的端點間的連接關係，特地將延伸線段330定義為獨立的線段。相較於圖2的結構，由於螺旋狀線圈310及螺旋狀線圈320之間互相連接的端點皆製作於各自的外層線圈，所以連接線段380無須跨越螺旋狀線圈310及320的金屬線段，不僅簡化連接線段380的製作程序，也同時使8字型積體電感300至多只需兩層的金屬層即可完成。請注意，端點311及312製作於最內層線圈，且本實施例中螺旋狀線圈310的圈數為奇數，因此引導線段311a及312a不與螺旋狀線圈310所圍繞的範圍的中心區域重疊。螺旋狀線圈320的中央抽頭同理。

圖4為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖。8字型積體電感400包含螺旋狀線圈410及420。此實施例中螺旋狀線圈410及420皆為偶數圈，螺旋狀線圈410的端點411及412位於內圈，引導線段411a及412a與螺旋狀線圈410所圍繞範圍的中心區域重疊；同理，中央抽頭421與螺旋狀線圈420所圍繞範圍的中心區域重疊。圖4中，螺旋狀線圈410的跨接線段416與螺旋狀線圈420的跨接線段426位於8字型積體電感400的同一側，而在不同的實施例中，跨接線段416與跨接線段426可以位於8字型積體電感500的不同側，如圖5所示。

圖6為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖。8字型積體電感600包含螺旋狀線圈610及620，其中螺旋狀線圈610的圈數為奇數，螺旋狀線圈620的圈數為偶數。也就是說，本發明8字型電感的兩個螺旋狀線圈不限於相同圈數，而且亦不限於偶數圈與偶數圈的組合，或奇數圈與奇數圈的組合。

可以發現，圖2至圖6所示的8字型電感，其中一個螺旋狀線圈的電流方向為順時針方向，另一個為逆時針方向，因此兩者有極佳的磁場耦合效果，可避免磁場散射（radiation）而使其他元件遭受電磁干擾。

除了上述的8字型積體電感之外，本發明亦提出積體變壓器結構，只要將圖2至圖6之8字型電感的中央抽頭的部分改為2個端點，該2個端點成為積體變壓器的輸出埠（port），而原本8字型電感的輸入端與輸出端成為積體變壓器的輸入埠。以圖3A所示的8字型電感為例，其改為變壓器後如圖7所示。積體變壓器700包含2個螺旋狀線圈710及720，其中螺旋狀線圈710與螺旋狀線圈310相同，皆包含4個端點，而螺旋狀線圈720也同樣包含4個端點，其中2個端點位於其外層線圈（可類比於圖3B之端點323及324），透過連接線段與螺旋狀線圈710的其中2個端點連接，而另外2個端點端點721及722則構成積體變壓器700的其中一埠（另一埠由端點711及712所構成），而且2者分別藉由引導線段721a及722a傳送訊號。

本發明的積體變壓器除了上述的實現方法之外，還可將圖2至圖6之任一8字型電感重覆1個製作於其他金屬層，使2個8字型電感在垂直方向上有重疊的範圍，藉由2電感的磁場耦合來達到變壓器的功效。以2個8字型電感實現1個積體變壓器時，各個8字型電感不需實作中央抽頭。再者，2個8字型電感的跨接線段可以製作於同一金屬層，以減少所需的金屬層層數；以圖3A的8字型積體電感300為例，當2個8字型電感在垂直方向上完全對齊時，此積體變壓器需要4層金屬層（各8字型電感佔用2層）；然而如果使2個8字型電感的跨接線段參差排列，例如使其中1個8字型電感的跨接線段遠離連接線段380，同時使另1個8字型電感的跨接線段靠近連接線段380，則2個8字型電感的跨接線段可以同時製作於同一金屬層，如此一來此積體變壓器便只需要3層金屬層。在其他實施例中，2個8字型電感可分別製作於三維晶片的2個晶粒中，2個晶粒呈面對面排列，使各一個8 字型電感分別位於上下堆疊的晶粒中，形成變壓器（transformer）的結構，中間填充底部填充劑（underfill）。

請注意，圖2至圖7的跨接金屬線段雖然都製作於上層（相較於螺旋狀線圈的多數金屬線段所屬的金屬層），然而亦可製作於下方的金屬層。

請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸以及比例等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400、500、600‧‧‧8字型積體電感
110、120、210、220、310、320、410、420、610、620、710、720‧‧‧螺旋狀線圈
111、121、211、212、213、214、223、224、311、312、313、314、323、324、411、412、711、712、721、722‧‧‧端點
211a、212a、311a、312a、411a、412a、721a、722a‧‧‧引導線段
221、321、421‧‧‧中央抽頭
112、114、122、124、215a、215b、215c、215d、225a、225b、225c、315a、315b、315c、315d、325a、325b、325c‧‧‧金屬線段
216a、216b、226a、226b、230、240、316a、316b、340、416、426‧‧‧跨接線段
217、227‧‧‧中心區域
250、260‧‧‧直線
380‧‧‧連接線段
330‧‧‧延伸線段
700‧‧‧積體變壓器

［圖1］為習知8字型積體電感的結構圖；［圖2］為本發明一實施例之8字型電感的結構圖；［圖3A］為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖；［圖3B］為圖3A之8字型電感結構的連接關係圖；［圖4］為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖；［圖5］為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖；［圖6］為本發明另一實施例之8字型電感的結構圖；以及［圖7］為本發明一實施例之積體變壓器的結構圖。

300‧‧‧8字型積體電感

310、320‧‧‧螺旋狀線圈

311、312‧‧‧端點

311a、312a‧‧‧引導線段

321‧‧‧中央抽頭

315a、315b、315c、315d、325a、325b、325c‧‧‧金屬線段

316a、316b‧‧‧跨接線段

380‧‧‧連接線段

Claims

一種積體電感結構，包含：一第一螺旋狀線圈，包含複數金屬線段與及一跨接線段，並具有一第一端點、一第二端點、一第三端點及一第四端點，其中該跨接線段與該些金屬線段不同層，用來連接該些金屬線段；一第二螺旋狀線圈，具有一第五端點及一第六端點；一連接線段，連接該第三端點與該第五端點以及該第四端點與該第六端點；其中該積體電感結構以該第一端點及該第二端點的其中一者為輸入端，以另一者為輸出端，且該第一端點與該第三端點位於一第一假想直線上，該第一假想直線通過該第一螺旋狀線圈所圍繞之一範圍的中心區域，且該跨接線段與該範圍的中心區域位於一第二假想直線上，該第一假想直線及該第二假想直線之一較小夾角係大於等於45度。
如申請專利範圍第1項所述之積體電感結構，其中該第一螺旋狀線圈包含一第一外層線圈及至少一第一內層線圈，該第二螺旋狀線圈包含一第二外層線圈及至少一第二內層線圈，該第一端點及該第二端點係位於該第一外層線圈，該第三端點及該第四端點係位於該第一內層線圈，且該第五端點及該第六端點係位於該第二內層線圈。
如申請專利範圍第2項所述之積體電感結構，其中該些金屬線段係製作於一第一金屬層，該第二螺旋狀線圈包含製作於該第一金屬層之複數附加金屬線段，該連接線段包含分別製作於一第二金屬層及一第三金屬層之一第一跨接線段及一第二跨接線段，該第一跨接線段及該第二跨接線段係跨越部分該些金屬線段及部分該些附加金屬線段。
如申請專利範圍第1項所述之積體電感結構，其中該第一螺旋狀線圈包含一第一外層線圈及至少一第一內層線圈，該第二螺旋狀線圈包含一第二外層線圈及至少一第二內層線圈，該第一端點及該第二端點係位於該第一內層線圈，該第三端點及該第四端點係位於該第一外層線圈，且該第五端點及該第六端點係位於該第二外層線圈。
如申請專利範圍第4項所述之積體電感結構，其中該些金屬線段係製作於一第一金屬層，該第二螺旋狀線圈包含製作於該第一金屬層之複數附加金屬線段，該連接線段包含分別製作於該第一金屬層及一第二金屬層之一延伸線段及一跨接線段，該跨接線段跨越該延伸線段但不跨越該些金屬線段及該些附加金屬線段。
如申請專利範圍第4項所述之積體電感結構，其中該第一端點及該第二端點係分別透過一第一引導線段及一第二引導線段傳輸訊號，該第一引導線段及該第二引導線段跨越該些金屬線段，且當該第一螺旋狀線圈的圈數為奇數時，該第一引導線段及該第二引導線段係不與該範圍重疊。
如申請專利範圍第4項所述之積體電感結構，其中該第一端點及該第二端點係分別透過一第一引導線段及一第二引導線段傳輸訊號，該第一引導線段及該第二引導線段跨越該些金屬線段，且當該第一螺旋狀線圈的圈數為偶數時，該第一引導線段及該第二引導線段係與該範圍重疊。
如申請專利範圍第1項所述之積體電感結構，其中該第一螺旋狀線圈及該第二螺旋狀線圈的圈數不同。
如申請專利範圍第1項所述之積體電感結構，其中該較小夾角係小於等於90度。
一種積體變壓器結構，包含：一第一螺旋狀線圈，包含複數金屬線段與及一跨接線段，並具有一第一端點、一第二端點、一第三端點及一第四端點，其中該跨接線段與該些金屬線段不同層，用來連接該些金屬線段；一第二螺旋狀線圈，具有一第五端點、一第六端點、一第七端點及一第八端點；一連接線段，連接該第三端點與該第五端點以及該第四端點與該第六端點；其中該積體變壓器以該第一端點及該第二端點為輸入埠，以及以該第七端點及該第八端點為輸出埠，且該第一端點與該第三端點位於一第一假想直線上，該第一假想直線通過該第一螺旋狀線圈所圍繞之一範圍的中心區域，且該跨接線段與該範圍的中心區域位於一第二假想直線上，該第一假想直線及該第二假想直線之一較小夾角係大於等於45度。