CN105977240A - 一种单片集成微型变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单片集成微型变压器，包括衬底，完全或部分嵌入衬底上表面的第一金属线圈，完全或部分嵌入衬底下表面的第二金属线圈，第一金属线圈和第二金属线圈可通过磁场耦合。本发明微型变压器的两个金属线圈分别全部或部分嵌入衬底的上、下表面，可有效利用衬底面积，实现较大的电感；且能制作厚度较厚的线圈，实现较小的电阻；嵌入式的结构增大了金属线圈与衬底的接触面积，不易发生温度升高引起热应力致使线圈脱落的现象，增加了该结构的可靠性。

Description

一种单片集成微型变压器

技术领域

本发明涉及集成电路和电子元件，特别涉及用于信号传输、能量传输及隔离的单片集成微型变压器。

背景技术

高压隔离是指在具有高电压差的两个电路之间实现信号和能量传输的技术，在工业、汽车、发电、电信、医疗等多个领域具有广泛需求。微型变压器隔离技术作为一种极具竞争力的新兴隔离技术，具有速度快、功耗低、集成度高等优点，而且能实现隔离式能量传输，正不断占据更大的市场份额。

S.Y.(R.)Hui等(S.Y.(R.)Hui,H.S.-H.Chung,and S.C.Tang,“Coreless printedcircuit board(PCB)transformers for power MOSFET/IGBT gate drive circuits,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.14,no.3,1999.)报道了一种微型变压器，如图1所示，其两个线圈11和12分别位于印制电路板衬底10的上、下表面，两个线圈之间通过印制电路板衬底10进行隔离。但是，该微型变压器存在如下缺陷：其一，该微型变压器的金属线圈只有底面与衬底接触，在发热情况下由于热应力的作用很容易从衬底上脱落；其二，该微型变压器的金属线圈形成于衬底表面，受工艺限制不易得到厚的线圈，特别是在线圈的线宽较小的情况下；其三，该微型变压器两金属线圈之间为印制电路板，线圈之间的间隔较远，耦合较差。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种新的单片集成微型变压器。本发明微型变压器的两个导体线圈分别位于衬底的上、下表面，并部分或全部嵌入衬底，每个线圈均可利用全部衬底面积，有利于实现大电感；可充分利用衬底厚度得到较厚的线圈，有利于实现小电阻；两个导体线圈通过绝缘衬底或绝缘层隔离，有利于实现高隔离能力；线圈之间的距离为衬底厚度减去两个线圈的厚度，距离较小，有利于实现好的线圈耦合；线圈从三面与衬底接触，不易脱落。

本发明的技术方案如下：

一种单片集成微型变压器，其特征在于，包括衬底1，完全或部分嵌入衬底1上表面的第一金属线圈21，完全或部分嵌入衬底1下表面的第二金属线圈22，第一金属线圈21和第二金属线圈22可通过磁场耦合。

进一步地，所述第一金属线圈21和衬底1之间设置第一绝缘层31。

进一步地，所述第二金属线圈22和衬底1之间设置第二绝缘层32。

进一步地，所述衬底1上表面或上方设置第一磁性材料层，第一磁性材料层可以为图形化磁性材料组成。

进一步地，所述衬底1下表面或下方设置第二磁性材料层，第二磁性材料层可以为图形化磁性材料组成。

进一步地，所述微型变压器中的第一金属线圈21和第二金属线圈22可分别从所述衬底(1)上方和下方与外界电学连接；或者将第二金属线圈22通过金属通孔23连接到衬底1上表面后，从衬底1的上表面同时实现第一金属线圈和第二金属线圈与外界的电学连接。

进一步地，所述金属通孔23的截面为圆形、矩形、三角形等形状。

进一步地，所述第一金属线圈21和第二金属线圈22中的金属线条的截面为矩形、椭圆形等形状。

进一步地，所述金属通孔23与衬底1之间设置第三绝缘层33。

进一步地，所述金属通孔23全部或部分填充导电金属。

进一步地，所述第一绝缘层31、第二绝缘层32和第三绝缘层33为硅氮化物、硅氧化物、硅氮氧化物中的一种或两种以上组成的绝缘层，采用热氧化、化学气相沉积、旋转涂布等方法制备得到。

进一步地，所述衬底1的材料为硅、玻璃、石英、有机基板等，厚度为100～1000μm。

进一步地，所述第一金属线圈21和第二金属线圈22为铜、金、铝、钨、钽等金属及其氮化物、合金中的一种或两种以上组成，采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法制备得到；所述第一金属线圈21和第二金属线圈22厚度为10～400μm，线宽为5～200μm，线间距为5～200μm，线圈的深宽比为4:1以上，可在增大电感密度的同时减小电阻。

进一步地，所述第二金属线圈22通过金属通孔23实现与衬底上表面的电连接，所述金属通孔23的材料为铜、金、铝、钨钽等金属及其氮化物、合金中的一种或两种以上组成，采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法制备得到。

进一步地，所述第一磁性材料层可为镍、铁、钴等金属及其合金、氧化物、复合材料中的一种或两种以上组成，通过电镀、溅射等方法制备；或者采用磁性材料和非磁性材料交替层叠得到。所述第一磁性材料层可提供一段低磁阻的磁路，形成非闭合磁芯，从而增大变压器线圈电感以及两个线圈之间的耦合。

进一步地，所述第二磁性材料层可为镍、铁、钴等金属及其合金、氧化物、复合材料中的一种或两种以上组成，通过电镀、溅射等方法制备；或者采用磁性材料和非磁性材料交替层叠得到。所述第二磁性材料层可提供一段低磁阻的磁路，形成非闭合磁芯，从而增大变压器线圈电感以及两个线圈之间的耦合。

进一步地，所述第一磁性材料层与衬底上表面之间可设置绝缘层，所述第二磁性材料层与衬底下表面之间可设置绝缘层。

一种单片集成微型变压器，其特征在于，包括衬底(1)，完全或部分嵌入衬底(1)上表面的一个或两个以上的金属线圈，完全或部分嵌入衬底(1)下表面的一个或两个以上的金属线圈。

进一步地，当所述衬底1为绝缘材料时，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的隔离通过衬底1实现，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的距离为衬底1的厚度减去第一金属线圈21嵌入衬底的厚度再减去第二金属线圈22嵌入衬底的厚度，可达到50μm以下，有助于增加第一金属线圈21和第二金属线圈22的耦合。

进一步地，所述第一金属线圈21和衬底1之间设置第一绝缘层31、第二金属线圈22和衬底1之间设置第二绝缘层32时，当衬底1为绝缘材料时，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的隔离通过衬底1、第一绝缘层31和第二绝缘层32实现；当衬底1为非绝缘材料时，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的隔离通过第一绝缘层31和第二绝缘层32实现。

本发明的有益效果为：

1、本发明微型变压器的两个金属线圈分别全部或部分嵌入衬底的上、下表面，可有效利用衬底面积，实现较大的电感；且能制作厚度较厚的线圈，实现较小的电阻；嵌入式的结构增大了金属线圈与衬底的接触面积，不易发生温度升高引起热应力致使线圈脱落的现象，增加了该结构的可靠性。

2、本发明微型变压器中衬底为绝缘材料时，通过两个线圈之间的衬底进行隔离，由于衬底厚度大，易于实现高隔离能力；衬底为非绝缘材料(例如硅)时，通过线圈与衬底之间的绝缘层进行隔离，由于绝缘层是通过化学反应(例如硅热氧化)或沉积等方法得到的，因此具有高的击穿场强，同时该变压器可设置两层绝缘层，易于实现高隔离能力。

3、本发明微型变压器两个线圈之间的距离为衬底厚度减去两个线圈嵌入衬底的厚度，可通过增加线圈的厚度来减小两个线圈之间的距离，从而增加线圈之间的耦合。

附图说明

图1为背景技术中微型变压器的结构示意图；其中，10为印制电路板衬底，11和12为分别位于印制电路板衬底的上、下表面的两个线圈；

图2为本发明提供的一种单片集成微型变压器的三维结构示意图；其中，1为衬底，21为第一金属线圈，22为第二金属线圈；

图3为图2单片集成微型变压器沿X-X’面的截面示意图；其中，1为衬底，21为第一金属线圈，22为第二金属线圈，31为第一绝缘层，32为第二绝缘层；

图4为本发明另一实施方式的单片集成微型变压器的三维结构示意图；其中，1为衬底，21为第一金属线圈，22为第二金属线圈，23为金属通孔；

图5为图4单片集成微型变压器沿X-X’面的截面示意图，其中，1为衬底，21为第一金属线圈，22为第二金属线圈，31为第一绝缘层，32为第二绝缘层，23为金属通孔，33为第三绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图2和图3所示，为本发明提供的一种单片集成微型变压器，包括衬底1，完全或部分嵌入衬底1上表面的第一金属线圈21，完全或部分嵌入衬底1下表面的第二金属线圈22，所述第一金属线圈21和第二金属线圈22可通过磁场耦合；所述第一金属线圈21和衬底1之间设置第一绝缘层31，所述第二金属线圈22和衬底1之间设置第二绝缘层32，该微型变压器通过分别位于上表面和下表面的第一金属线圈和第二金属线圈与外界电学连接。

进一步地，当衬底1为绝缘材料时，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的隔离通过衬底1、第一绝缘层31和第二绝缘层32实现；当衬底1为非绝缘材料时，第一金属线圈21和第二金属线圈22之间的隔离通过第一绝缘层31和第二绝缘层32实现。

上述单片集成微型变压器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用光刻刻蚀工艺、激光刻蚀或激光打孔等工艺在衬底1的上、下表面分别形成金属线圈图形的沟槽；

步骤2：采用热氧化、化学气相沉积、旋转涂布等方法在步骤1形成的沟槽表面形成绝缘层；

步骤3：采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法在步骤2得到的绝缘层上形成第一金属线圈和第二金属线圈。

如图4和图5所示，为本发明提供的单片集成微型变压器的另一种实施方式，所述单片集成微型变压器包括衬底1，完全或部分嵌入衬底1上表面的第一金属线圈21，完全或部分嵌入衬底1下表面的第二金属线圈22，所述第一金属线圈21和第二金属线圈22可通过磁场耦合；所述第一金属线圈21和衬底1之间设置第一绝缘层31，所述第二金属线圈22和衬底1之间设置第二绝缘层32，所述第二金属线圈22的两端分别通过金属通孔23连接到衬底1的上表面，从而在衬底1的上表面实现第一金属线圈和第二金属线圈与外界的电学连接，所述金属通孔23与衬底1之间设置第三绝缘层33。

进一步地，所述第一绝缘层31、第二绝缘层32、第三绝缘层33的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝等，通过硅热氧化工艺或化学沉积等方法制备得到，其隔离能量最高可达3kV以上。

上述单片集成微型变压器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用光刻刻蚀工艺、激光刻蚀或激光打孔等工艺在衬底1的上、下表面分别形成金属线圈以及金属通孔图形的沟槽；

步骤2：采用热氧化、化学气相沉积、旋转涂布等方法在步骤1形成的沟槽表面形成绝缘层；

步骤3：采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法在步骤2得到的绝缘层上形成第一金属线圈、第二金属线圈和金属通孔。

进一步地，所述金属通孔完全填充沟槽，或者不完全填充沟槽，能实现第二金属线圈与衬底上表面之间电连接即可。

进一步地，所述第二金属线圈22还可以通过焊接等方式连接到衬底1上表面。

进一步地，所述微型变压器的上表面和下表面中的一面或者两面可设置磁性材料层，以形成非闭合磁芯，增大线圈的电感以及两个线圈之间的耦合；所述磁性材料层与衬底的上表面或下表面之间可设置绝缘层。

进一步地，所述第一金属线圈、第二金属线圈、金属通孔在制备时，首先在衬底表面依次制备可增强粘附性的Ti、Ta等金属及其合金、制备可阻挡材料之间扩散的TiN、TaN等金属氮化物、一级Cu种子层，然后再采用电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积等方法制备金属层，从而得到第一金属线圈、第二金属线圈和金属通孔。

实施例

本实施例的双面嵌入式微型变压器采用如下工艺制备：首先，选取直径为4英寸、厚度为360μm、电阻率为56Ω·cm的双面抛光的P型<100>硅片作为衬底1，在硅片上、下表面分别生长2μm厚的二氧化硅，用于金属线圈深硅刻蚀的硬掩膜；然后采用光刻以及二氧化硅干法刻蚀工艺得到第一金属线圈、第二金属线圈以及金属通孔23的图形，在第一金属线圈、第二金属线圈和金属通孔的图形化沟槽内热生长一层厚度为2μm的二氧化硅作为绝缘层，用于隔离金属线圈以及金属通孔和硅衬底；接着，在硅片刻蚀得到的第一金属线圈图形的沟槽内溅射1000A钛钨和3μm厚的铜，在刻蚀得到的第二金属线圈图形的沟槽内溅射1000A钛钨和3μm厚的铜，在刻蚀得到的金属通孔图形的沟槽内电镀铜；最后，将硅衬底下表面剩余的铜磨掉，上表面的铜磨平后再湿法刻蚀形成接触点，用于与外界进行电学连接。

实施例中第一金属线圈和第二金属线圈的面积为2mm²，线圈圈数为9圈，线条宽度为22μm，线条间距为15μm，线条厚度为170μm，第一金属线圈与第二金属线圈之间的距离为20μm。

实施例得到的单片集成微型变压器的电学性能如下：直流电阻为0.31Ω；在20MHz频率时，线圈电感为104nH，Q值为8.9，电感电阻比为335nH/Ω；变压器耦合因子为0.73，最大传输效率为73.2％，电压隔离能力达到1050V，可用于隔离式功率传输电路中。实施例单片集成微型变压器在较低的工作频率下实现了高的电感电阻比，可有效降低开关损耗和整理损耗，提高功率传输效率。

Claims (9)

1.一种单片集成微型变压器，其特征在于，包括衬底(1)，完全或部分嵌入衬底(1)上表面的第一金属线圈(21)，完全或部分嵌入衬底(1)下表面的第二金属线圈(22)。

2.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述第一金属线圈(21)和衬底(1)之间设置第一绝缘层(31)。

3.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述第二金属线圈(22)和衬底(1)之间设置第二绝缘层(32)。

4.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述衬底(1)上表面或上方设置第一磁性材料层。

5.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述衬底(1)下表面或下方设置第二磁性材料层。

6.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述微型变压器中的第一金属线圈(21)和第二金属线圈(22)可分别从所述衬底(1)上方和下方与外界电学连接。

7.根据权利要求1所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述微型变压器可将第二金属线圈(22)通过金属通孔(23)连接到衬底(1)上表面后，从衬底(1)的上表面同时实现第一金属线圈和第二金属线圈与外界的电学连接。

8.根据权利要求7所述的单片集成微型变压器，其特征在于，所述金属通孔(23)与衬底(1)之间设置第三绝缘层(33)。

9.一种单片集成微型变压器，其特征在于，包括衬底(1)，完全或部分嵌入衬底(1)上表面的一个或两个以上的金属线圈，完全或部分嵌入衬底(1)下表面的一个或两个以上的金属线圈。