TW462131B - Assembling type inductive devices - Google Patents

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^62131 32 2 2twf/005 A 7 B7 五、發明説明（丨） 本發明是有關於一種電感元件，且特別是有關於一種 以半導體製程實現的電感元件。 隨著科技不斷地進步，半導體技術日益成熟，使得電 信技術的發展一日千里，發展日漸蓬勃。一般而言，在半 導體元件中製作高頻電感元件是十分困難的，而特性良好 的半導體電感元件，至少需要具備高電感密度、高品質因 數與高穩定性等特點，故使其製作難度也相對地提高。在 電感的製作過程中，可藉由增加電感的匝數使電感量增 加，但電感匝數增加後，基底的寄生電容亦隨之增加，使 自振頻率（self-resonant frequency)逐漸降低。通常， 吾人可利用多層（multi-level)電感結構解決此等問題， 其具體作法將於下文中加以說明。 請參照第1圖，其繪示習知的一種多層電感元件，掲 露於美國專利案第5,610,433號。如圖所示，電感10可 由線圏Ml, M2, M3所組成，而架構出三層式電感結構； 其中，每一線圈均可由數個不同口徑之金屬線圈所構成， 如圖式中的內外層金屬線圈即其中一例。金屬線圈的直徑 介於數十微米至數千微米之間，金屬材質可以是鋁或它種 具高導電係數之材料。每一層金屬線圈彼此間的內連線 (interconnections)關係如圖所示，在半導體實務中， 此等内連線係藉由各絕緣層（isolating layers )彼此間 的介層窗（via)予以實現。由圖中可看出，電流得自導 線11餽入電感10內，每一線圈內的電流方向如圖式中 矢號所示，並自導線48向外流出。 I I i I !Αΐ^i 11 n ^ I J ϋ 1 (誚先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國固家標準（CNS ) Λ4規格（210X29·/公麓）

4 B 2 i 3 I 3222twf/0〇5 A7 --—_____________ B7 五、發明説明（>) 雖然利用多層式電感結構可達到增加高單位面積電感 値的目的，但相對的，此種方法使製程複雜性提高，因而 使可罪度降低。再者，一般的微波電路並非多層式結構， 若單只爲了電感的製作而增加多道金屬製程及光罩，相當 不符合經濟效益，且耗費相當的人力及時間成本。 另一習知技藝係利用增加線圈匝數的作法，達到增加 電感値的目的。但線圈匝數提高後，相對使得所佔用的面 積增加’整體而言’反而使單位面積電感値降低，徒然浪 費電路的可用面積’使電感自振頻率下降，無法達到預期 的目標。 綜觀以上所述’習知上所採用之電感結構至少具有下 列缺點： 一、 多層式電感結構使製程複雜性提高，並使可靠度 降低。 二、 多層式電感結構需增加多道金屬製程及光罩，不 符合經濟效益，且耗費人力及時間成本。 三、 線圈匝數增加除大幅降低單位面積電感値外，更 使電感自振頻率下降，徒然浪費電路的可用面積。 因此本發明的目的就是在提供一種組合式電感元件， 可利用單層結構加以實現，使製程複雜性降低，以提高可 靠度。 本發明的另…目的是在提供-種組合式電感元件，可 大幅提高電感値，並維持原有的單位面積電感値。 爲達成t述及其他目的，本發明提供一種組合式電感 木紙张尺度適扣中國國家橾缭（CNS ) Μ规格（2!Ox 297公釐） ^---:------^—裝------訂------線 (諳先閱讀f'面之注意事項再填寫本頁) 3222twf/005 A7 經滅部中ΐ標卑妁员Jr.消f合作社印$;- 五、發明説明（4 ) 元件，可形成於半導體基底或絕緣體之表面處，包括有數 個螺旋狀電感，並以一串聯方式相互耦接。由於此等螺旋 狀電_可利用同一金屬製程予以實現，故每一螺旋狀導體 均可位於同一平面上，以形成組合式電感結構。另一方面， 每一螺旋狀導體彼此間的串聯方式，可採順向串聯或反向 串聯，其中任一螺旋狀導體，最少有一相鄰螺旋狀導體與 之反向串聯。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖繪示習知的一種多層電感元件； 第2圖繪示依照本發明之第一實施例，所提供的一種 組合式電感元件； 第3圖繪示依照本發明之第二實施例，所提供的一種 組合式電感元件； 第4圖繪示依照本發明之第三實施例，所提供的一種 組合式電感元件； 第5圖繪示依照本發明之第四實施例，所提供的一種 組合式電感元件； 第6圖繪示依照本發明之第五實施例，所提供的一種 組合式電感元件； 第7圖係利用兩螺旋狀電感互相順向串聯，所組成的 電感元件； ---^-------X於------1T------線 (請先閱讀f'面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標绛< CNS〉Λ4規格（210X297公釐） 經"部t决標準局ρ'τ,消资合作社印裝 -r^13f 3222twf/005 A 7 B7 五、發明説明（f ) 第8圖爲依照本發明之第一實施例，所製作的一種組 合式電感元件； 第9圖繪示不同的電感串聯方式對電感値所造成的影 響： 第10圖繪示電感匝數與單位面積電感値二者間的關 係；以及 第11圖繪示單一電感與反向串聯電感之單位面積電 感値比較。 圖式之標記說明： 10 電感； 300 電感； 302, 304 螺旋狀導體； 500 電感； 600 電感；以及 602, 604, 606, 608 螺旋狀導體。 第一實施例 請參照第2圖，其繪示依照本發明之第一實施例，所 提供的一種組合式電感元件。如圖所示，電感300可由螺 旋狀導體302與螺旋狀導體304互相串聯而成，而此等 串聯方式係採反向串聯。以此圖爲例，螺旋狀導體3〇2內 的電流方向爲逆時針方向，而螺旋狀導體304內的電流方 向爲順時針方向，故將此等連接方式稱之爲反向串聯。根 據實驗結果顯示，反向串聯所得到的等效電感値較順向串 耳缔胃胃’故下文中將針對反向串聯的連接方式加以說明。 6 本紙張尺度通元中S國家；lii~7cNS )A4規$. ( 21〇'心7公# ) '~ Γ i n I I~ 1 I —r —ί ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 3^2 2t\vf/U0 5 五、發明説明（f ) 需要注意的是，螺旋狀導體302與螺旋狀導體304二者 的電感値可以相同（幾何結構及環境條件相同），亦可不 同（幾何結構及環境條件有所差異）；若兩螺旋狀導體的 條件相同，則將兩螺旋狀導體串聯後與單一螺旋狀導體相 比較，其電感値約爲單一螺旋狀導體的兩倍；但由於其所 佔用面積亦爲單一螺旋狀導體的兩倍，故單位面積電感値 變化不大。 第二實施例 請參照第3圖，其繪示依照本發明之第二實施例，所 提供的一種組合式電感元件。如圖所示，吾人可將數個螺 旋狀導體依同一方向反向串聯，以成爲一電感組件，使電 感値增加。 第三實施例 請參照第4圖，其繪示依照本發明之第三實施例，所 提供的·一種組合式電感元件。如圖所示，吾人可將數個螺 旋狀導體依同一方向彼此串聯，以成爲一電感組件。與第 二實施例相異之處，在於第二實施例中，每兩相鄰之螺旋 狀導體均爲反向串聯；而第三實施例中，係採用順、反、 反、順、順、反、反、順…之串聯方式相互連接，如此， 依然可達到使電感値增加之目的。 第四實施例 請參照第5圖，其繪示依照本發明之第四實施例，所 提供的一種組合式電感元件。如圖所示，吾人可將數個螺 旋狀導體彼此反向串聯，以成爲電感矩陣500，使電感値 本紙张尺度適用中國围家標率（CNS ) Λ4规格（210X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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T 經墒部中决榡準而兵^-消费合作社印絮 4 62131 3222twf/〇〇5 A7 B7 五、發明説明（έ ) 增加’並提高其實用性。 第五實施例 晴參照第6圖，其繪示依照本發明之第五實施例，所 提供的一種組合式電感元件。如圖所示，此爲另一種電感 矩陣之連結方式，吾人可將螺旋狀導體602, 604, 606與 608彼此間反向串聯，以成爲電感矩陣600，使電感値增 加，並提高其實用性。 接著，爲彰顯本發明之特點及其實用性，下文中將針 對一些實驗結果及數據加以探討，以期對此等組合式電感 元件有更深刻的認識。 請參照第7圖，由兩螺旋狀電感互相順向串聯而成； 而第8圖則是依照本發明之第一實施例，所製作的一種組 合式電感元件，由兩螺旋狀電感互相反向串聯而成。下文 中，將針對這兩個實作成品的特性加以探討’進而整理出 一些組合式電感元件的操作特性，以利實務上的應用。 請參照第9圖，其繪示不同的電感串聯方式對電感値 所造成的影響。如圖所示，若以2匝的單一電感作爲比較 的基準，則反向串聯電感所得到的電感値最大1順向串聯 電感所得到的電感値次之，而2匝的單一電感其電感値最 低。 請參照第10圖’其繪示電感匣數與單位面積電感値 二者間的關係。眾所周知，增加電感的匝數可使電感量增 加，但另一方面，吾人亦可看出，當電感胆數增加後’相 對的，其單位面積電感値反而降低。如圖所示，2匝電感 請 先 閱 讀 背. 拳 填 寫製 本衣 頁 1 丁 線 用中國國家標準（CNS ) Α4規格(210X297公釐） A7 32 2/2twf/0 0 5 B7 五、發明説明（7 ) 之單位面積電感値約爲單匝電感的70%至76%，亦即單 位面積電感値將隨電感匝數的增加而降低，因此利用增加 匝數使電感量增加的方式，在使用空間有限的情況下是十 分不經濟的，且電感的整體效能亦隨之滑落。 請參照第11圖，其繪示單一電感與反向串聯電感之 單位面積電感値比較。如圖所示，雖反向串聯電感之單位 面積電感値較單一電感爲低，但差異性並不大，且操作頻 率愈高，兩者間的差異性愈低；整體而言，反向串聯電感 之單位面積電感値，約可維持在單一電感結構的86%至 100%，成果相當卓著；因此，此等結構提供了一種新的 作法，可大幅縮減電感所佔用的面積，使RF電路的尺寸 得以盡可能地縮小，增加了實用的價値。 需要注意的是，本發明提出了一種組合式電感元件， 以提高單位面積電感値。此種將電感値增加的作法，係利 用數個螺旋狀電感互相串聯加以實現，故單位面積電感値 不致因電感値的增加而滑落；反觀習知作法，係利用增加 匝數的方法使電感量增加，故而在電感量增加的同時，亦 使得單位面積電感値隨之滑落，在匝數愈多的情況下，此 等缺失將更加嚴重；故而在相同的可利用面積下，利用本 發明所提出之組合式電感架構可獲致更大的電感値，且單 位面積電感値不致因電感値的增加而滑落，使空間的利用 更具有效率。利用數個螺旋狀電感互相串聯以實現組合式 電感元件係本發明之重要技術特徵之一。 綜觀以上所述，與習知的電感結構相比較，本發明至 本紙張尺度適用中國國家標準（<：〜5)厶4規格（210>< 297公漦> (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 訂· 杈部中次梂枣局员τ_消费合作社印繁 3222twf/005 A7 ____B7__ 五、發明説明（g) 少具有下列優點： 一、 本發明所提供之組合式電感元件，可利用單層結 構加以實現，使製程複雜性降低，以提高可靠度。 二、 本發明所提供之組合式電感元件，可大幅提高電 感値’並維持原有的單位面積電感値。 此外’上文中所提及之組合式電感元件，係利用螺旋 狀導體之串聯結構加以實現，故此等電感元件可形成於同 一平面上’此亦爲本發明之精神所在；然實施例中所繪示 之螺旋狀導體數目僅供參考，並非用以限定本發明，且電 感矩陣之名詞係定義爲數個相互串聯之電感所形成之集 合’熟悉此技藝之人士應用不同數目之類似結構應不脫離 本發明之精神。 以上所述僅爲本發明之較佳實施例，然其並非用以限 定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準，凡依本發明申 請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之 涵蓋範圍。 本紙張尺度適Λ中國國家標準{ CNS ) Λ4規輅（210χ297公楚） J Μ. I I I 訂 .I ^ (請先閱讀"-面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 462131 3222twf/005 gg C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種組合式電感元件，位於一絕緣體之表面處，該 組合式電感元件包括： 複數個串聯的螺旋狀導體，該等複數個螺旋狀導體 中，有一個螺旋狀導體係爲反向串聯。 2. —種組合式電感元件，包括： 一絕緣體；以及 複數個螺旋狀導體，位於該絕緣體上，而該等螺旋狀 導體係位於同一層，而該等螺旋狀導體中之一螺旋狀導 體，有一相鄰的螺旋狀導體與之反向串聯。 3. 如申請專利範圍第1項所述之組合式電感元件，其 中該等螺旋狀導體係構成一電感矩陣。 4. 如申請專利範圍第2項所述之組合式電感元件，其-中該等螺旋狀導體係構成一電感矩陣。 5. 如申請專利範圍第1項所述之組合式電感元件，其 中該絕緣體係爲一半導體基底。 6. 如申請專利範圍第2項所述之組合式電感元件，其 中該絕緣體係爲一半導體基底。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）