TWI553679B - 具有兩平面式電感的電子裝置 - Google Patents

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Description

具有兩平面式電感的電子裝置
本發明所揭露之實施例係相關於一種電子裝置，尤指一種具有一第一平面式電感以及一第二平面式電感，且彼此互相局部重疊的電子裝置。
電感是電路系統中常見的被動元件，可用以濾波、阻流以及儲存能量等等。舉例來說，在直流-直流轉換器中會使用電感來儲存能量，且所能夠儲存的能量大小和電感值成正比，為了滿足系統所需，所需要的電感值通常較大。又例如，可以使用兩個電感互相耦合以形成變壓器(transformer)。
不過，在積體電路中電感所佔用的面積相較於其它元件要大的多，因此，有必要尋找一種新的電感元件結構來降低實作電感時所需要的面積，也就是提高電感元件單位面積所貢獻的電感值。
根據本發明的實施例，揭露一種具有一第一平面式電感以及一第二平面式電感，且彼此互相局部重疊的電子裝置以解決上述問題。
依據本發明一第一實施例，揭露一種電子裝置，包含有一第一平面式電感以及一第二平面式電感。其中該第一平面式電感至少包含相連接之一第一環狀構造與一第二環狀構造，分別用以產生具有一第一方向之一第一磁場與具有一第二方向之一第二磁場，其中該第一方向與該第二方向之方向 不同。該第二平面式電感至少包含相連接之一第三環狀構造與一第四環狀構造，分別用以產生具有一第三方向之的一第三磁場與具有一第四方向之一第四磁場，其中該第三方向與該第四方向之方向不同。其中該第一環狀構造與該第三環狀構造的至少一部份重疊並形成一第一重疊區域，與該第二環狀構造與該第四環狀構造的至少一部份重疊並形成一第二重疊區域。
本發明的其中一個優點係可以降低實作電感時所需要的晶片面積，也就是提高電感元件單位面積所貢獻的電感值，進而降低硬體成本。
102、104、202A、204A、202B、204B、202C、204C、202D、204D、302A、304A、302B、304B‧‧‧平面式電感
106、206A、206B、206C、206D、306A、306B、500‧‧‧電子裝置
1022、1024、1042、1044、2022A、2024A、 2042A、2044A、2022B、2024B、2042B、2044B‧‧‧環狀構造
502、504‧‧‧部分元件
第1圖為本發明電子裝置的一第一實施例的示意圖。
第2A圖為本發明電子裝置的一第二實施例的示意圖。
第2B圖為本發明電子裝置的一第三實施例的示意圖。
第2C圖為本發明電子裝置的一第四實施例的示意圖。
第2D圖為本發明電子裝置的一第五實施例的示意圖。
第3A圖為本發明電子裝置的一第六實施例的示意圖。
第3B圖為本發明電子裝置的一第七實施例的示意圖。
第4圖為針對使用不對稱平面式電感組成的電子裝置分別在不同重疊區域大小的情況下的耦合係數值的頻率響應圖。
第5圖為本發明電子裝置的一第八實施例的示意圖。
第6圖為8字型和非8字型平面電感的電感值的頻率響應圖。
第1圖為本發明電子裝置的一第一實施例的示意圖。其中一電子裝置106係由一平面式電感102以及一平面式電感104所構成的一電感。平面式電感102係位於一第一導體層，並包含有一第一環狀構造1022與一第二 環狀構造1024並分別產生具有一第一方向的一第一磁場與具有一第二方向的一第二磁場，例如該第一方向為垂直於第一環狀構造1022所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第二方向為垂直於第二環狀構造1024所形成的一平面並且由該平面的上方往下。平面式電感102具有一電感值H102。另一方面，平面式電感104係位於不同於一第一導體層的一第二導體層，並包含有一第一環狀構造1042與一第二環狀構造1044並分別產生具有一第三方向的一第三磁場與具有一第四方向的一第四磁場，例如該第三方向為垂直於第一環狀構造1042所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第四方向為垂直於第二環狀構造1044所形成的一平面並且由該平面的上方往下。其中該第一方向與該第三方向之方向相同，該第二方向與該第四方向之方向相同。其中，第一環狀構造1022的開口朝圖面右方，該第二環狀構造1024的開口朝圖面上方，第三環狀構造1042的開口朝圖面右方，該第四環狀構造1044的開口朝圖面下方。該平面式電感104具有一電感值H104。本發明係使用平面式電感102以及平面式電感104彼此耦接並堆疊來組合成電子裝置(電感)106。其中，第一環狀構造1022的端點與第三環狀構造1042的端點可以穿孔(VIA)連接以使平面式電感102以及平面式電感104共同形成一電感(亦即電子裝置106)。平面式電感102的第一環狀構造1022與第二環狀構造1024所形成的平面區域和平面式電感104的第一環狀構造1042與第二環狀構造1044所形成的平面區域完全重疊，以儘量的增加電子裝置(電感)106的一電感值H106。使電感值H106分別大於電感值H102以及電感值H104，以達到增加單位面積的電感值的目的。具體來說，依此方法繞線來結合二個類8字型平面電感所得到的架構，能夠達到比習知的螺旋架構更大的單位面積電感值。此外，由於第一環狀構造1022與第三環狀構造1042的磁場方向和第二環狀構造1024與第四環狀構造1044的磁場方向相反，因此可以降低電磁干擾(EMI)。
第2A圖為本發明電子裝置的一第二實施例的示意圖。其中一電子裝置206A係由一平面式電感202A以及一平面式電感204A所構成的一變壓器。平面式電感202A係位於一第一導體層，並包含有一第一環狀構造2022A與一第二環狀構造2024A並分別產生不同方向的一第一磁場與一第二磁場，例如該第一磁場方向為垂直於第一環狀構造2022A所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第二磁場方向為垂直於第二環狀構造2024A所形成的一平面並且由該平面的上方往下。平面式電感202A具有一電感值H202A。另一方面，平面式電感204A係位於不同於一第一導體層的一第二導體層，並包含有一第一環狀構造2042A與一第二環狀構造2044A並分別產生不同方向的一第一磁場與一第二磁場，例如該第一磁場方向為垂直於第一環狀構造2042A所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第二磁場方向為垂直於第二環狀構造2044A所形成的一平面並且由該平面的上方往下。平面式電感204A具有一電感值H204A。本發明係使用平面式電感202A以及平面式電感204A彼此堆疊來組合成電子裝置(變壓器)206A。其中耦合係數值K206A的大小係平面式電感202A的第一環狀構造2022A與第二環狀構造2024A所形成的平面區域和平面式電感204A的第一環狀構造2042A與第二環狀構造2044A所形成的平面區域之間的重疊區域的大小來決定。實務上，第一環狀構造2022A與第二環狀構造2024A並非限定於實作在同一晶粒(die)上。在某些實施例中，可以使用三維堆疊構裝(3D Stack Packaging)，也就是第一環狀構造2022A與第二環狀構造2024A可以分別位於上晶粒及下晶粒(或相反的設計)，中間以介電質(under-fill)材料填充。其它實施例亦可以有類似的設計。
第2B圖為本發明電子裝置的一第三實施例的示意圖。其中一電子裝置206B係由一平面式電感202B以及一平面式電感204B所構成的一變壓器。平面式電感202B包含有位於一第一導體層的一第一環狀構造2022B 與位於一第二導體層的一第二環狀構造2024B，並分別產生具有一第一方向的一第一磁場與具有一第二方向一第二磁場，例如該第一方向為垂直於第一環狀構造2022B所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第二方向為垂直於第二環狀構造2024B所形成的一平面並且由該平面的上方往下。平面式電感202B具有一電感值H202B。另一方面，平面式電感204B包含有位於該第二導體層的一第一環狀構造2042B與位於該第一導體層的一第二環狀構造2044B，並分別產生具有一第三方向的一第三磁場與具有一第四方向的一第四磁場，例如該第一方向為垂直於第一環狀構造2042B所形成的一平面並且由該平面的下方往上；而該第二方向為垂直於第二環狀構造2044B所形成的一平面並且由該平面的上方往下。平面式電感204B具有一電感值H204B。本發明係使用平面式電感202B以及平面式電感204B彼此堆疊來組合成電子裝置(變壓器)206B，其中平面式電感202B的第一環狀構造2022B與平面式電感204B的第一環狀構造2042B重疊；平面式電感202B的第二環狀構造2024B與平面式電感204B的第二環狀構造2044B重疊，因此雖然平面式電感202B與平面式電感204B均使用兩層導體層，但組合成的電子裝置(變壓器)206B總共仍只需兩層導體層。其中耦合係數值K206B的大小係平面式電感202B的第一環狀構造2022B與第二環狀構造2024B所形成的平面區域和平面式電感204B的第一環狀構造2042B與第二環狀構造2044B所形成的平面區域之間的重疊區域的大小來決定。
第2C圖為本發明電子裝置的一第四實施例的示意圖。其中一電子裝置206C係由一平面式電感202C以及一平面式電感204C所構成的一變壓器。電子裝置206C和電子裝置206A相似，差別僅在於由於重疊區域變大，電子裝置206C的一耦合係數值K206C的大小會大於電子裝置206A的耦合係數值K206A。此外電子裝置206C較電子裝置206A多使用了一層導體層用作繞線使用。
第2D圖為本發明電子裝置的一第五實施例的示意圖。其中一電子裝置206D係由一平面式電感202D以及一平面式電感204D所構成的一變壓器。電子裝置206D和電子裝置206B相似，差別僅在於由於重疊區域變大，電子裝置206D的一耦合係數值K206D的大小會大於電子裝置206B的耦合係數值K206B。此外電子裝置206D較電子裝置206B多使用了一層導體層用作繞線使用。
第3A圖為本發明電子裝置的一第六實施例的示意圖。其中一電子裝置306A係由一不對稱平面式電感302A以及一不對稱平面式電感304A所構成的一變壓器。電子裝置306A和電子裝置206A相似，差別僅在於電子裝置306A中的平面式電感302A的一第一環狀構造以及一第二環狀構造的環形圈數不同，使得平面式電感302A之該第一環狀構造以及該第二環狀構造的磁場大小不相同；而平面式電感304A亦是如此。具體來說，電子裝置306A中的平面式電感302A中具有較多環形圈數之該第一環狀構造係部分重疊於平面式電感304A中具有較多環形圈數之該第一環狀構造；而電子裝置306A中的平面式電感302A中具有較少環形圈數之該第二環狀構造係部分重疊於平面式電感304A中具有較少環形圈數之該第二環狀構造。
第3B圖為本發明電子裝置的一第七實施例的示意圖。其中一電子裝置306B係由一不對稱平面式電感302B以及一鏡像(mirrored)不對稱平面式電感304B所構成的一變壓器。電子裝置306B和電子裝置306A相似，差別僅在於電子裝置306B中的平面式電感302B中具有較多環形圈數的一第一環狀構造係部分重疊於平面式電感304B中具有較少環形圈數的一第一環狀構造；而電子裝置306B中的平面式電感302B中具有較少環形圈數的一第二環狀構造係部分重疊於平面式電感304B中具有較多環形圈數的一第二環 狀構造。如此一來，由於不對稱鏡像結構所造成的反相抵消作用，再加上平面式電感302B和平面式電感304B之間的位移相較於平面式電感302A和平面式電感304A之間的位移來的更大，依據安培右手定則(thumb rule)，此時反相抵消作用加劇。因此，電子裝置(變壓器)306B的耦合係數值K306B的大小較電子裝置(變壓器)306A來的更低。
第4圖為針對使用不對稱平面式電感組成的電子裝置分別在不同重疊區域大小的情況下的耦合係數值的頻率響應圖。其中一曲線C1代表由一不對稱平面式電感(8字型平面電感架構且線圈數為2圈：1圈)以及另一不對稱平面式電感(8字型平面電感架構且線圈數為2圈：1圈)彼此堆疊所構成的一電子裝置(變壓器)(類似第3A圖中的配置方式)的耦合係數值的頻率響應，其中該不對稱平面式電感以及該另一不對稱平面式電感的重疊程度為最大(完全重疊或是幾乎完全重疊)；一曲線C2代表由一不對稱平面式電感(8字型平面電感架構且線圈數為2圈：1圈)以及另一鏡像不對稱平面式電感(8字型平面電感架構且線圈數為1圈：2圈)彼此堆疊所構成的一電子裝置(變壓器)(類似第3B圖中的配置方式)的耦合係數值的頻率響應，其中該不對稱平面式電感以及該另一不對稱平面式電感的重疊程度為最大(完全重疊或是幾乎完全重疊)。由曲線C1和C2可以得知，在低頻(大約在13GHz以下)時，在完全重疊或是幾乎完全重疊的程度下，利用一不對稱平面式電感堆疊另一鏡像不對稱平面式電感可以實質降低耦合值，因此在目標耦合值較低的情況下，可以用較小的面積達到同樣的低耦合值效果。另外，以曲線C1的配置，將重疊程度分別降低為75%以及50%，可以得到一曲線C3以及一曲線C5；以曲線C2的配置，將重疊程度分別降低為75%以及50%，可以得到一曲線C4以及一曲線C6。由第4圖中的曲線C3、C4和C5、C6可以得知，在低頻時(約10GHz以下)，在重疊程度為75%和50%的情況下，利用一不對稱平面式電感堆疊另一鏡像不對稱平面式電感可以實質且明顯地降 低耦合值，因此在目標耦合值較低的情況下，可以用較小的面積達到同時放置二個電感或一變壓器的目的。因此，可以利用不同的重疊程度或面積來設計實現所需的耦合係數值。
第5圖為本發明電子裝置的一第八實施例的示意圖。一電子裝置500係一8字型平面電感，包含有位於一第一導體層的一部分元件502以及位於一第二導體層的另一部分元件504。其中部分元件502和部分元件504具有兩重疊部分，即一第一交叉點P1以及一第二交叉點P2。第6圖為8字型和非8字型平面電感的電感值的頻率響應圖。在第6圖中，一曲線D1係第5圖中的8字型平面電感對應不同頻率的電感值；一曲線D2係非8字型架構的平面電感對應不同頻率的電感值，其和第5圖中的8字型平面電感具有相同面積。由第6圖可知，第5圖中的電子裝置500在一定頻率範圍內有效地提升單位面積的電感值(I)以達到降低晶片大小、節省硬體成本的目的。
應注意的是，本發明中的平面電感的環狀構造的實際形狀並不侷限於實施例中的平面電感的環狀構造的具體型態。亦即，平面電感的環狀構造可以為方形、圓形或是多邊形狀。另外，對於平面電感的環狀構造或其繞線在不同導體層中的配置，亦不以上述實施例為限。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
102、104‧‧‧平面式電感
106‧‧‧電子裝置
1022、1024、1042、1044‧‧‧環狀構造

Claims (11)

  1. 一種電子裝置，包含有：一第一平面式電感，至少包含相連接之一第一環狀構造與一第二環狀構造，分別用以產生具有一第一方向之一第一磁場與具有一第二方向之一第二磁場，其中該第一方向與該第二方向之方向不同；以及一第二平面式電感，至少包含相連接之一第三環狀構造與一第四環狀構造，分別用以產生具有一第三方向之的一第三磁場與具有一第四方向之一第四磁場，其中該第三方向與該第四方向之方向不同；其中該第一環狀構造與該第三環狀構造的至少一部份重疊並形成一第一重疊區域，與該第二環狀構造與該第四環狀構造的至少一部份重疊並形成一第二重疊區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一平面式電感具有一第一電感值，該第二平面式電感具有一第二電感值，該第一平面式電感係耦接至該第二平面式電感，以構成具有一第三電感值之一第三電感，該第三電感值係大於該第一電感值與該第二電感值中任一者，且該第三電感值的大小係根據該第一與第二重疊區域的大小來決定。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一方向與該第三方向之方向相同，該第二方向與該第四方向之方向相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一平面式電感係位於一第一導體層，以及該第二平面式電感係位於一第二導體層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一環狀構造以及該第二環狀構造係分別位於一第一導體層以及一第二導體層，該第三環狀構造以 及該第四環狀構造係分別位於該第二導體層以及該第一導體層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一平面式電感與該第二平面式電感構成一變壓器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電子裝置，其中該變壓器具有一耦合係數值，且該耦合係數值的大小係由該第一與第二重疊區域的大小來決定。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一環狀構造與該第四環狀構造的至少一部份重疊並形成一第三重疊區域。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電子裝置，其中該第一磁場大於該第二磁場，該第三磁場小於該第四磁場。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一環狀構造與該第三環狀構造的開口方向相同，該第二環狀構造與該第四環狀構造的開口方向不同。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該第一平面式電感與該第二平面式電感位於不同晶粒，並使用三維堆疊構裝共同形成一變壓器。
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