CN101206948A - 螺旋电感元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种螺旋电感元件，上述螺旋电感元件包括：一第一螺旋导线，其为多匝式，其具有一外匝端点部与一内匝端点部；一第二螺旋导线围绕于上述第一螺旋导线的最外匝导线部分的至少一部分的外侧，其具有一第一端点部与一第二端点部；以及一连接装置，电性连接于上述内匝端点部与上述第一端点部之间。本发明所述的螺旋电感元件，其品质因子高于传统螺旋电感元件的品质因子，此外，还可以确保射频装置系统的品质，降低制造成本。

Description

螺旋电感元件

技术领域

本发明有关于一种电感器，特别关于一种具有多重导线结构的电感元件。

背景技术

如图1所示，在一0.35μm的硅制程中，一氧化硅层3设置于硅基底1上的P型阱层2之上，三个金属层M1、M2、M3嵌于氧化硅层3中，最上层的金属层M3则暴露于氧化硅层3的上表面，一氮化硅层4则覆盖氧化硅层3与金属层M3。在三个金属层M1、M2、M3中，金属层M3的厚度最大，因此其导电率高于其他二者，并具有最低的导体损失(conductor loss)，而适用于低损失的射频元件设计。

图2显示一传统的三匝式的电感元件5的俯视图。电感元件5的最内匝导线部分6具有最高的磁通量，因此在最内匝导线部分6所产生的感应涡电流会使此处的电流密度的分布非常不均匀。亦即，流动的电流会集中于最内匝导线部分6的内侧，而明显地减少了此处供电流流动的有效截面积，而对电感元件5的性能造成不良影响而降低其品质因子(quality factor；Q质)。而且，当电子信号的频率增加时，对电感元件5的品质因子的不良影响就更加剧烈。

发明内容

有鉴于此，业界需要一种技术，可消除或减少电感元件内部的电流密度分布不均的情形，而借此提升电感元件的性能，提升电感元件的品质因子。

本发明提供一种螺旋电感元件，包括：一第一螺旋导线，其为多匝式，其具有一外匝端点部与一内匝端点部；一第二螺旋导线围绕于上述第一螺旋导线的最外匝导线部分的至少一部分的外侧，其具有一第一端点部与一第二端点部；以及一连接装置，电性连接于上述内匝端点部与上述第一端点部之间。

本发明又提供一种螺旋电感元件，包括：一绝缘层，设置于一基底上；一第一螺旋导线，其为多匝式，设置于上述绝缘层内，其具有一外匝端点部与一内匝端点部；一第二螺旋导线设置于上述绝缘层内、且围绕于上述第一螺旋导线的最外匝导线部分的至少一部分的外侧，其具有一第一端点部与一第二端点部，上述第一螺旋导线与上述第二螺旋导线是属于同一导线层；一第一柱状导体，电性连接于上述内匝端点部且凸出于上述第一螺旋导线；一第二柱状导体，电性连接于上述第一端点部且凸出于上述第二螺旋导线，且其凸出方向实质上与上述第一柱状导体的凸出方向相同；以及一连接线，电性连接于上述第一柱状导体与上述第二柱状导体之间，上述连接线与上述第一螺旋导线位于不同导线层。

本发明所述的螺旋电感元件，其品质因子高于传统螺旋电感元件的品质因子，此外，还可以确保射频装置系统的品质，降低制造成本。

附图说明

图1为一剖面图，显示已知的硅制程的半导体装置的结构。

图2为一俯视图，显示传统的三匝式的电感元件。

图3为一俯视图，显示本发明较佳实施例的螺旋电感元件。

图4为一剖面图，显示本发明较佳实施例的螺旋电感元件的一应用例。

图5为一剖面图，显示本发明较佳实施例的螺旋电感元件的另一应用例。

图6为一剖面图，显示图5所示的应用例的一变化形式。

图7为一剖面图，显示图5所示的应用例的另一变化形式。

具体实施方式

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

后文所述的“‘实质上’均匀”、“‘实质上’平行”、“‘实质上’等于”、“‘实质上’(与)......相同”等的叙述，是指在设计上期望为均匀、平行、等于、(与)......相同，但受限于实际制造上的误差，而现实上难以达成如数学或几何学所定义的均匀、平行、等于、(与)......相同，但是其误差若是落于对应的制造规格所能允许的范围者，仍视为均匀、平行、等于、(与)......相同。本领域技术人员应当了解，前述制造规格依据各种条件而有不同的变化，故未一一列出。

请参考图3，为一俯视图，显示本发明较佳实施例的螺旋电感元件。图3所示的螺旋电感元件包括一螺旋导线10、一螺旋导线20与一连接装置30。

螺旋导线10为多匝式的螺旋导线，具有一外匝端点部11与一内匝端点部12，其整体可实质上位于相同平面、亦可以不位于相同平面。外匝端点部11为最外匝导线部分13的起始处，内匝端点部12为最内匝导线部分14的终止处；或是由另一观点而言，内匝端点部12为最内匝导线部分14的起始处，外匝端点部11为最外匝导线部分13的终止处。在本实施例中，螺旋导线10是由外匝端点部11开始以顺时钟方向回旋至内匝端点部1 2为止，而本领域技术人员亦可视其需求变更为逆时针方向回旋。图3虽显示螺旋导线10的匝数为2，但是本领域技术人员亦可视其需求增加其匝数，而且螺旋导线10的匝数可以是整数、亦可以为非整数，可视需求加以变化。另外，螺旋导线10的外型可为圆型、椭圆型、矩型、六边型、八边型或多边型。在图3中，是以矩型作为范例说明。

螺旋导线20围绕于螺旋导线10的最外匝导线部分13的至少一部分的外侧、亦可围绕于螺旋导线10的最外匝导线部分13的整个外侧，其具有一端点部21与一端点部22，其整体可实质上位于相同平面、亦可以不位于相同平面。而在螺旋导线10的整体实质上位于相同平面的情况下，螺旋导线20可实质上与螺旋导线10位于相同平面、亦可以不位于相同平面。另外，螺旋导线20未伸入螺旋导线10所围绕的领域15中、且未接触螺旋导线10。再者，由于螺旋导线20是围绕于螺旋导线10的最外匝导线部分13，其外型视所选择的螺旋导线10的外型而变化。

连接装置30电性连接于内匝端点部12与端点部21之间，且除了内匝端点部12与端点部21之外，连接装置30并未接触螺旋导线10、20的其他部分，例如连接装置30可设于螺旋导线10、20的上方、下方或是不会接触螺旋导线10、20的其他部分。在本发明较佳实施例的螺旋电感元件的各种不同的应用例中，连接装置30可具有不同的细部组成，可详见后文对图4～图7所作叙述。

而为因应本发明较佳实施例的螺旋电感元件对外连线的需求，可视情况增设信号输入/输出端口41、42。其中信号输入/输出端口41电性连接于外匝端点部11，且朝远离螺旋导线10的方向延伸；而信号输入/输出端口42电性连接于端点部22，且朝远离螺旋导线20的方向延伸。信号输入/输出端口41与42的延伸方向可以实质上平行或不平行，而图3所示的情况则为信号输入/输出端口41与42实质上平行。

另外，图3所示的螺旋导线20的匝数是不足但接近于一匝而使信号输入/输出端口41、42的排列位置相当接近；但在另一实施例中，螺旋导线20的匝数可以视需求而定而为四分之三、二分之一或是其他小于1的正数，并因而拉开信号输入/输出端口41、42的距离。亦即，螺旋导线20围绕于螺旋导线10的最外匝导线部分13的至少一部分的外侧、亦可围绕于螺旋导线10的最外匝导线部分13的整个外侧。

而在实用上，螺旋导线10、20的材质与各项尺寸参数较好为实质上均匀，以方便计算、控制本发明较佳实施例的螺旋电感元件的电感值与其他性能表现。而接下来所说明的螺旋电感元件的较佳尺寸参数亦可应用于本说明书在后文所举出的应用例或是本领域技术人员所能应用的其他应用例中。另外，为了方便说明，会以未知数来表现一些尺寸上的参数，在实际实施方面，这些以未知数所表示的数值是可由本领域技术人员根据其需求而作适当调整。

螺旋导线10、20较好为实质上位于相同平面，例如可以对一导线层进行图形化，而同时形成螺旋导线10、20。螺旋导线10较好为具有实质上均匀的线宽值W1，其线宽视需求可在某些部位有所变动，例如在内匝端点部12的宽度值可渐变为W2，其中W2大于W1。另外，螺旋导线10的各相邻匝之间的导线间距(pitch)较好为具有实质上均匀的间距值P。在一实施例中，内匝端点部12的宽度值可与螺旋导线10、20的线宽值相同，皆为W1(未绘示)。

螺旋导线20较好为亦具有实质上均匀的线宽，且其线宽值更好为实质上等于螺旋导线10的线宽值W1。而在选择增设信号输入/输出端口41、42的情况中，二者可实质上位于相同平面或位于不同平面。而在较佳的实施例中，信号输入/输出端口41、42可与螺旋导线10、20实质上位于相同平面，例如可以在形成螺旋导线10、20时，通过同一图形化的步骤，而同时形成螺旋导线10、20与信号输入/输出端口41、42。信号输入/输出端口41、42较好为均具有实质上均匀的线宽，且线宽值更好为均实质上等于螺旋导线10的线宽值W1。

而螺旋导线20与螺旋导线10的最外匝导线部分13较好为实质上为平行，螺旋导线20与螺旋导线10的最外匝导线部分13的导线间距更好为实质上等于螺旋导线10的各相邻匝之间的导线间距值P。在选择增设信号输入/输出端口41、42的情况中，二者的间距可以是等于螺旋导线10的各相邻匝之间的导线间距值P、亦可以是大于P的其他数值。

接下来说明本发明较佳实施例的螺旋电感元件作为芯片内建电感元件的应用例，其一例示的剖面结构、即是沿着图3的AA’线的剖面结构，绘示于图4。

在图4中，一绝缘层110设置于一基底100上。在芯片内建电感元件的应用例中，基底100包括一硅基底或其他已知的半导体基底。另外，基底100中可包括各种不同的元件，例如晶体管、电阻及其他已知的半导体元件。再者，基底100亦可包括其他导电层(例如，铜、铝或其合金)以及绝缘层(例如，氧化硅层、氮化硅层或低介电材料层)。此处为了简化图式，上述结构仅以一平整基底表示。

绝缘层110通常是具有多层不同介电材料的多层膜，且其各层分别对应于嵌入、设置于其内的内连线系统的各导线层122、123。同样地，为了简化图式，上述结构仅以单一且平整的绝缘层表示。

在图4中，螺旋导线10、20是属于同一最上层的导线层123，由于导线层123的厚度在各导线层中属最大者，因此其导电率高于其他的导电层，并具有最低的导体损失，而适用于低损失的射频元件设计。而在其他的实施例中，亦可将螺旋导线10、20设置于其他较低层的导线层例如导线层122中。

在本实施例中，由于螺旋导线10、20是属于同一最上层的导线层123，电性连接于内匝端点部12与端点部21之间的连接装置30(请参考图3)则是设置于螺旋导线10、20的下方，并具有柱状导体31、柱状导体32与连接线33等结构。

柱状导体3 1电性连接于内匝端点部12、且凸出于螺旋导线10；柱状导体32电性连接于端点部21且凸出于螺旋导线20，且其凸出方向实质上与柱状导体31的凸出方向相同。在本实施例中，柱状导体31、32设置于绝缘层110内的插塞结构，且分别位于内匝端点部12、端点部21的下方。而连接线33电性连接于柱状导体31、32之间，连接线33与螺旋导线10位于不同导线层。在本实施例中，连接线33位于导线层123下方的导线层122中，即是所谓的“下跨线”(underpass)；在另一实施例中，亦可将连接线33设于导线层122的下一层导线层(未绘示)中，此时导线层122的其他绕线必须避开柱状导体31、32预定通过的区域而避免与其电性接触，而使柱状导体31、32直接向下延伸而电性连接位于导线层122的下一层导电层中的连接线33；在又另一实施例中，连接线33亦可设置于导线层122以下数层的其他导电层(未绘示)中，此时螺旋导线10、20与连接线33之间的各导电层的其他绕线均必须避开柱状导体31、32预定通过的区域而避免与其电性接触，而使柱状导体31、32直接向下延伸而电性连接连接线33。

另外，将螺旋导线10、20设置于其他较低层的导线层的情况中，可将连接线33设置于其下层或上层的其他导电层中，通过类似柱状导体31、32的插塞结构，完成内匝端点部12与端点部21之间的电性连接。

还有，在选择增设信号输入/输出端口41、42的情况中，虽然图4并未绘示，信号输入/输出端口41、42亦可以设置于与螺旋导线10、20相同的导线层123中，而直接电性连接外匝端点部11、端点部22(请参考图3)；在另一实施例中，信号输入/输出端口41、42亦可以设置于与螺旋导线10、20不同的导线层中，而通过类似柱状导体31、32的结构而电性连接外匝端点部11、端点部22(请参考图3)。

图4所示的结构为本发明较佳实施例的螺旋电感元件作为芯片内建电感元件的应用例的一例示的剖面结构，然而亦适用于其他具有多层线路结构的装置例如作为封装基板、电子装置母板的印刷电路板或作为封装基板的多层线路的导线架。此时，基底100就可以是上述装置的核心基板，而设于绝缘层110上的保护层130则可作为防焊层。

站在螺旋电感元件的观点，连接装置30为一重要的元件，通过连接装置30而能够串接螺旋导线10、20而成为完整的螺旋电感元件。而在其他应用例中，可以仅将螺旋导线10、20形成于一内连线系统中，连接装置30则不一定需要形成于此一内连线系统中，而通过使上述内连线系统与一外部装置的连接，而电性连接螺旋导线10、20，完成本发明较佳实施例的螺旋电感元件。

例如在图4所示的芯片内建电感元件、印刷电路板内建电感元件或导线架内建电感元件中，可使螺旋导线10的内匝端点部12与螺旋导线20的端点部21之间的电性连接不经由其下层导电层，而是通过连接于螺旋导线10、20上方的外部装置来达成。如此一来，可使本发明较佳实施例的螺旋电感元件不止可适用于具有多层内连线系统元件的装置，亦可适用于仅具单层内连线系统的装置，例如作为封装基板的单层布线的印刷电路板或单层的导线架等。上述内连线系统的一例示结构的剖面图绘示于图5，其俯视图亦可为图3所显示者；亦即，图5亦为沿着图3的剖面线AA’的剖面图。

图5中所示的螺旋导线10与20、内匝端点部12、端点部21、基底100、绝缘层110及其上表面110a、导线层123与保护层130等元件，与图4所示的同样元件符号所代表的元件为相同或等效元件，故在此省略其叙述。而在另一实施例中，上述内连线系统可仅具有单层的导线层123；或可在导电层123下增设一或数层的导线层。

在图5中，螺旋导线10、20的上表面曝露于绝缘层110的上表面110a中，可在保护层130形成开口131、132，而分别曝露端点部21与内匝端点部12，以便制作焊垫34、35分别电性连接端点部21与内匝端点部12。此时较好为经由适当的布局，使端点部21与内匝端点部12位于适于形成焊垫34、35的位置。完成焊垫34、35的制作后，可视需求再形成一保护层140于保护层130及焊垫34、35上，再形成开口141、142而分别曝露焊垫34、35。

以下说明在螺旋导线10的内匝端点部12与螺旋导线20的端点部21之间形成电性连接的应用例。

例如在图6中，可以使用焊线接合的技术，形成一焊线36而电性连接于焊垫34、35之间，而完成螺旋导线10的内匝端点部12与螺旋导线20的端点部21之间的电性连接。此时，焊垫34、35可作为柱状导体，而焊线36则作为连接线，而构成图3所示的连接装置30。

在另一例示的应用例中，如图7所示，可提供一外部装置50，其具有连接端点53、54及电性连接于连接端点53与54之间的连接线37。外部装置50可以是印刷电路板、封装基板、半导体芯片、被动元件或其他具内部线路的装置，视图5所示的内连线系统是属于何种装置例如半导体芯片、印刷电路板、导线架或其他装置而定。

接下来通过导电凸块51电性连接于焊垫34与连接端点53之间，并通过导电凸块52电性连接于焊垫35与连接端点54之间，而完成螺旋导线10的内匝端点部12与螺旋导线20的端点部21之间的电性连接。此时，焊垫34、35可作为柱状导体，而导电凸块51、连接端点53、连接线37、连接端点54与导电凸块52的组合则作为连接线，而构成图3所示的连接装置30。

在另一应用例中，可以类似焊线36的焊线结构来取代图7所示的导电凸块51、52，此时外部装置50就可能不会在螺旋导线10、20的上方，而可能在基底100的下方或旁边。

本发明较佳实施例的螺旋电感元件，是以螺旋导线20来取代传统螺旋电感元件的最内匝导线，而可以在总匝数不变的情形下，改善消除或减少电感元件内部的电流密度分布不均的情形，而借此提升电感元件的性能，提升电感元件的品质因子(Q值)。

本发明的实施例具有多项优点。其一，本发明较佳实施例的螺旋电感元件的制造，适用于或相容于标准的硅制程。另外，已通过对照实验证明，本发明较佳实施例的螺旋电感元件的品质因子(Q值)高于传统螺旋电感元件的品质因子(Q值)。另外，本发明较佳实施例的螺旋电感元件的制造，不需要特殊的制造条件。还有，通过本发明较佳实施例的螺旋电感元件的实施，可以确保射频装置系统的品质，并可降低制造成本。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

M1：金属层             M2：金属层

M3：金属层             1：硅基底

2：P型阱层             3：氧化硅层

4：氮化硅层            5：电感元件

6：最内匝导线部分      10：螺旋导线

11：外匝端点部         12：内匝端点部

13：最外匝导线部分     14：最内匝导线部分

15：领域               20：螺旋导线

21：端点部             22：端点部

30：连接装置           31：柱状导体

32：柱状导体           33：连接线

34：焊垫               35：焊垫

36：焊线               37：连接线

41：信号输入/输出端口  42：信号输入/输出端口

50：外部装置           51：导电凸块

52：导电凸块           53：连接端点

54：连接端点           100：基底

110：绝缘层            110a：上表面

122：导线层            123：导线层

130：保护层            131：开口

132：开口              140：保护层

141：开口              142：开口。

Claims (10)

1.一种螺旋电感元件，其特征在于，包括：

一第一螺旋导线，其为多匝式，其具有一外匝端点部与一内匝端点部；

一第二螺旋导线围绕于该第一螺旋导线的最外匝导线部分的至少一部分的外侧，其具有一第一端点部与一第二端点部；以及

一连接装置，电性连接于该内匝端点部与该第一端点部之间。

2.根据权利要求1所述的螺旋电感元件，其特征在于，更包括：

一第一信号输入/输出端口，电性连接于该外匝端点部，且朝远离该第一螺旋导线的方向延伸；以及

一第二信号输入/输出端口，电性连接于该第二端点部，且朝远离该第二螺旋导线的方向延伸。

3.根据权利要求1所述的螺旋电感元件，其特征在于，该第二螺旋导线未伸入该第一螺旋导线所围绕的领域中、且未接触该第一螺旋导线。

4.根据权利要求1所述的螺旋电感元件，其特征在于，更包括：

一绝缘层，设置于一基底上，且该第一螺旋导线、该第二螺旋导线设置于该绝缘层中，且该第一螺旋导线与该第二螺旋导线属于同一导线层；

一第一柱状导体，电性连接于该内匝端点部且凸出于该第一螺旋导线；以及

一第二柱状导体，电性连接于该第一端点部且凸出于该第二螺旋导线，且其凸出方向实质上与该第一柱状导体的凸出方向相同，其中该连接装置电性连接于该第一柱状导体与该第二柱状导体之间，且该连接装置与该第一螺旋导线位于不同导线层。

5.根据权利要求4所述的螺旋电感元件，其特征在于，该第一柱状导体与该第二柱状导体为设置于该绝缘层内的插塞结构，而该连接装置位于该第一螺旋导线与该第二螺旋导线的下层导线层。

6.根据权利要求4所述的螺旋电感元件，其特征在于，该第一柱状导体与该第二柱状导体为设置于该绝缘层上方的焊垫结构。

7.根据权利要求6所述的螺旋电感元件，其特征在于，该连接装置为焊线接合结构。

8.根据权利要求4所述的螺旋电感元件，其特征在于，更包括一电子元件电性连接于该第一柱状导体与该第二柱状导体，且该电子元件包括该连接装置。

9.根据权利要求4所述的螺旋电感元件，其特征在于，更包括：

一第一信号输入/输出端口，设置于该绝缘层内、且电性连接于该外匝端点部，并朝远离该第一螺旋导线的方向延伸；以及

一第二信号输入/输出端口，设置于该绝缘层内、且电性连接于该第二端点部，并朝远离该第二螺旋导线的方向延伸。

10.根据权利要求4所述的螺旋电感元件，其特征在于，该第二螺旋导线未伸入该第一螺旋导线所围绕的领域中、且未接触该第一螺旋导线。

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