CN113066645B - 非对称式螺旋状电感 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称式螺旋状电感，该电感包含第一绕组、第二绕组及第三绕组。第一绕组具有第一端点及第二端点，且制作于半导体结构的超厚金属层。第二绕组具有第三端点及第四端点，制作于半导体结构的重布线层，并且具有第一最大走线宽度。第三绕组具有第五端点及第六端点，制作于半导体结构的超厚金属层，并且具有小于第一最大走线宽度的第二最大走线宽度。第二端点及第三端点通过第一贯穿结构连接，第四端点及第五端点通过第二贯穿结构连接，以及第一端点及第六端点形成非对称式螺旋状电感的两端点。

Description

非对称式螺旋状电感

技术领域

本发明涉及积体电感，尤其涉及非对称式螺旋状积体电感。

背景技术

图1A及图1B分别显示现有的非对称式螺旋状电感(asymmetric spiralinductor)及对称式螺旋状电感(symmetric spiral inductor)。非对称式螺旋状电感100及对称式螺旋状电感200为平面式的结构。对称式螺旋状电感200主要由位于两个导体层(分别以灰色及黑色表示)的导体线段所构成。位于不同导体层的导体线段由贯穿结构105连接，贯穿结构105例如是半导体工艺中的导孔(via)结构或导孔数组(via array)。一般而言，因为对称式螺旋状电感200在结构上较对称，所以适用于差动(differential)信号，而非对称式螺旋状电感100则适用于单端(single-ended)信号。

提高非对称式螺旋状电感100及对称式螺旋状电感200的电感值的方法之一为增加其线圈数。线圈数的增加除了导致非对称式螺旋状电感100及对称式螺旋状电感200的面积增加之外，也会造成其寄生串联电阻(parasitic series resistance)及寄生电容(parasitic capacitance)的增加。高的寄生串联电阻及寄生电容会造成非对称式螺旋状电感100及对称式螺旋状电感200的自振频率(self-resonant frequency)及质量因素(quality factor)Q下降。此外，金属损耗(metal loss)以及基板损耗(substrate loss)也是影响质量因素Q的重要因素。金属损耗是由于金属本身的阻值所导致。基板损耗来源有两种，一种是来自于当电感作用时，电感的金属线圈以及基板之间产生一时变的电位移(electric displacement)，此电位移在金属线圈与基板之间产生一位移电流(displacement current)，此位移电流穿透至低阻抗的基板内，形成能量的损耗。此位移电流与电感线圈面积相关，面积越大，位移电流越大。另一种是来自于电感的时变电磁场穿透介电质，在基板上产生感应电流(magnetically induced eddy current)，此感应电流与电感电流的方向相反，造成能量的损耗。

当电感操作于低频时，金属线圈中的电流会呈现均匀分布，此时金属损耗在低频时是来自于金属线圈的串联电阻。当电感操作于高频时，越靠近内圈的金属线圈产生越强的磁场；强烈的磁场在金属线圈的内圈感应出涡状电流(eddy current)。此涡状电流造成电流不均匀分布，使大部分的电流被推挤到金属线圈的表面；此现象称为集肤效应(skineffect)。在集肤效应下，电流流过的金属截面变小，因此将感受到较大的电阻，而造成质量因素Q下降。

因此，如何在不增加电感面积的情况下提高电感的质量因素Q及电感值成为本领域的重要课题。

发明内容

鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种非对称式螺旋状电感。

本发明揭露一种非对称式螺旋状电感包含第一绕组、第二绕组及第三绕组。第一绕组具有第一端点及第二端点，且制作于半导体结构的超厚金属层。第二绕组具有第三端点及第四端点，制作于半导体结构的重布线层，并且具有第一最大走线宽度。第三绕组具有第五端点及第六端点，制作于半导体结构的超厚金属层，并且具有小于第一最大走线宽度的第二最大走线宽度。第二端点及第三端点通过第一贯穿结构连接，第四端点及第五端点通过第二贯穿结构连接，以及第一端点及第六端点形成非对称式螺旋状电感的两端点。

本发明还揭露一种非对称式螺旋状电感包含螺旋状线圈、第一走线及第二走线。螺旋状线圈具有第一端点及第二端点，且制作于半导体结构的第一导体层。第一走线具有第三端点及第四端点，且制作于半导体结构的第二导体层，其中第一导体层不等于第二导体层，且第一走线的长度小于螺旋状线圈的一圈。第二走线具有第五端点及第六端点，且制作于半导体结构的第一导体层。第二端点及第三端点通过第一贯穿结构连接，第四端点及第五端点通过第二贯穿结构连接，以及第一端点及第六端点形成非对称式螺旋状电感的两端点。

本发明的非对称式螺旋状电感实际操作于半导体结构中的两个不同的导体层，相较于传统技术，本发明可以在不增加电感面积的情况下提高非对称式螺旋状电感的电感值，进而提高质量因素Q

有关本发明的特征、实际操作与效果，配合图式作实施例详细说明如下。

附图说明

图1A为现有的非对称式螺旋状电感；

图1B为现有的对称式螺旋状电感；

图2为四圈的非对称式螺旋状电感。

图3为四圈的非对称式螺旋状电感。

图4A为图3的绕组410；

图4B为图3的绕组420；

图4C为图3的绕组430；

图5为图3的横截面A-A的一实施例；

图6为图3的横截面A-A的另一实施例；

图7为图3的横截面A-A的另一实施例；

图8A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例；

图8B为图8A的横截面B-B；

图9A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例；

图9B为图9A的横截面C-C；

图10A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例；

图10B为图10A的横截面D-D；以及

图11显示非对称式螺旋状电感300及非对称式螺旋状电感400的质量因素Q。

具体实施方式

以下说明内容的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。

本发明的揭露内容包含非对称式螺旋状电感。由于本发明的非对称式螺旋状电感所包含的部分组件单独而言可能为已知组件，因此在不影响该装置发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下说明对于已知组件的细节将予以节略。

图2及图3各显示一个四圈的非对称式螺旋状电感的俯视图或仰视图，图2的非对称式螺旋状电感300实际操作于半导体结构的第一导体层或第二导体层，而图3的非对称式螺旋状电感400实际操作于半导体结构的第一导体层及第二导体层。第一导体层及第二导体层可以是半导体结构的任意两个不同的导体层，举例来说，第一导体层可以是超厚金属(ultra-thick metal,UTM)层及重布线层(re-distribution layer,RDL)的其中一者，而第二导体层是另一者。

如图2所示，非对称式螺旋状电感300由单一个绕组310构成。换言之，绕组310本身即为非对称式螺旋状电感300。绕组310可以视为由单一走线(trace)构成。

如图3所示，非对称式螺旋状电感400由三个绕组构成：绕组410、绕组420及绕组430。绕组410及绕组430实际操作于第一导体层，而绕组420实际操作于第二导体层。绕组410、绕组420及绕组430通过贯穿结构401及贯穿结构402连接。更明确地说，贯穿结构401连接绕组420的其中一个端点与绕组410，而贯穿结构402连接绕组420的另一个端点与绕组430。绕组420沿着非对称式螺旋状电感400或绕组430的边缘延伸，因此，绕组420的形状与非对称式螺旋状电感400及/或绕组430的部分的轮廓相似。

如图2及图3所示，非对称式螺旋状电感300及非对称式螺旋状电感400同为4圈的螺旋状电感，差别在于非对称式螺旋状电感300的全部走线实际操作于同一导体层，而非对称式螺旋状电感400虽然大部分的走线实际操作于第一导体层，但有一部分的走线(即绕组420)实际操作于第二导体层。换言之，非对称式螺旋状电感300为平面的结构，而非对称式螺旋状电感400为立体的结构。如此一来，在具有同样的圈数及外径D1的前提下(亦即电感的面积实质上相同的前提下)，非对称式螺旋状电感400的内径D3大于非对称式螺旋状电感300的内径D2，使得非对称式螺旋状电感400的质量因素Q高于非对称式螺旋状电感300的质量因素Q。

图4A、图4B及图4C分别显示绕组410、绕组420及绕组430。绕组410为长度大约为非对称式螺旋状电感400的半圈的走线或线圈。绕组420为长度大约为非对称式螺旋状电感400的一圈的走线或线圈。绕组430构成一个非对称的螺旋状线圈。绕组410的两端点为端点411及端点412，绕组420的两端点为端点421及端点422，而绕组430的两端点为端点431及端点432。端点411为非对称式螺旋状电感400的其中一个端点，端点412通过贯穿结构401与端点421连接，端点422通过贯穿结构402与端点431连接，而端点432为非对称式螺旋状电感400的另一个端点。在此实施例中，绕组410的走线的长度约为非对称式螺旋状电感400或绕组430的半圈，然而也可为更长(例如3/4圈、1圈，或多圈)或更短(例如小于等于1/4圈)。在此实施例中，绕组420的走线的长度约为非对称式螺旋状电感400或绕组430的1圈，然而也可为更长(例如1.5圈或多圈)或更短(例如小于1圈)。在此实施例中，绕组430为一个多圈的结构，优选为大于等于1圈。

图5显示图3的横截面A-A的一实施例。在此实施例中，绕组410、绕组420及绕组430的走线的宽度均为W1。在图的左半部中，绕组420的部分走线与绕组430的部分走线完全重叠或部分重叠，而在图的右半部中，绕组420的部分走线与绕组410的部分走线部分重叠以及与绕组430的部分走线部分重叠。绕组420与邻近的绕组410及/或绕组430可以产生互感Lm。

图6显示图3的横截面A-A的另一实施例。在此实施例中，绕组410及绕组430的走线的宽度均为W1(换言之，绕组410及绕组430的最大走线宽度为W1)，而绕组420的最大走线宽度为W2或W3。当W2等于W3时，绕组420的走线具有均匀的宽度；当W2不等于W3时，绕组420的走线具有不均匀的宽度。相较于图5，因为绕组420与绕组410及/或绕组430之间的重叠部分变大(亦即W2及/或W3大于W1)，所以绕组420与绕组410及/或绕组430之间的互感Lm'大于图5的实施例的互感Lm。换言之，相较于图5的实施例，图6的电感具有更高的电感值。

一般来说，重布线层的单位电阻值大于超厚金属层的单位电阻值，所以当第一导体层为超厚金属层且第二导体层为重布线层时，较大的宽度W2及/或W3(相较于W1)可以使绕组420具有较低的电阻值。因此，虽然实际操作于单位电阻值较大的导体层，因为走线的宽度加大，所以绕组420的整体的电阻值有可能不会变大(相较于当实际操作于超厚金属层且宽度为W1时的电阻值)。

图7显示图3的横截面A-A的另一实施例。在绕组430的走线中，与绕组420重叠或部分重叠的走线相较于未与绕组420重叠的走线可以具有更大的宽度(即W4>W1)，使得绕组420与绕组430之间的互感Lm”大于图6的实施例的互感Lm'。在一些实施例中，绕组420和绕组430可能重叠不只一圈，可能二圈以上。换言之，相较于图6的实施例，图7的电感具有更高的电感值。图7的电感的外径等于图6的电感的外径(皆为D1)，但因为图7中部分绕组430的走线较宽，所以图7的电感的内径D4小于图6的电感的内径D3。在图7的实施例中，绕组420的部分走线的宽度W5大于绕组430的部分走线的宽度W4与相邻两圈的间隔D5的和。

图8A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例的俯视图或仰视图，图8B显示图8A的横截面B-B。非对称式螺旋状电感800与非对称式螺旋状电感400同样是4圈的结构，并且包含绕组810、绕组820及绕组830。绕组810及绕组830实际操作于第一导体层，而绕组820实际操作于第二导体层。绕组810、绕组820及绕组830通过贯穿结构801及贯穿结构802连接。更明确地说，贯穿结构801连接绕组820的其中一个端点与绕组810，而贯穿结构802连接绕组820的另一个端点与绕组830。绕组820沿着非对称式螺旋状电感800或绕组830的边缘延伸，因此，绕组820的形状与非对称式螺旋状电感800及/或绕组830的部分的轮廓相似。端点811及端点832为非对称式螺旋状电感800的两个端点。

如图8A及图8B所示，部分的绕组820与绕组830的其中一圈(在此实施例为最外圈)重叠。绕组820与邻近的绕组830之间产生互感Lm。请参考图5至图7，绕组810、绕组820及绕组830的走线的宽度不限于图8B所显示的范例。

图9A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例的俯视图或仰视图，图9B显示图9A的横截面C-C。非对称式螺旋状电感900与非对称式螺旋状电感400同样是4圈的结构，并且包含绕组910、绕组920及绕组930。绕组910及绕组920实际操作于第一导体层，而绕组930实际操作于第二导体层。绕组910、绕组920及绕组930通过贯穿结构901及贯穿结构902连接。更明确地说，贯穿结构901连接绕组920的其中一个端点与绕组910，而贯穿结构902连接绕组920的另一个端点与绕组930。绕组920沿着非对称式螺旋状电感900或绕组930的边缘延伸，因此，绕组920的形状与非对称式螺旋状电感900及/或绕组930的部分的轮廓相似。端点911及端点932为非对称式螺旋状电感900的两个端点。

如图9A及图9B所示，绕组920不与绕组910及绕组930重叠。绕组920位于非对称式螺旋状电感900的最外圈，且绕组920的走线的长度约为非对称式螺旋状电感900或绕组930的半圈。请参考图5至图7，绕组910、绕组920及绕组930的走线的宽度不限于图9B所显示的范例。

图10A为本发明非对称式螺旋状电感的另一实施例的俯视图或仰视图，图10B显示图10A的横截面D-D。非对称式螺旋状电感1000与非对称式螺旋状电感400同样是4圈的结构，并且包含绕组1010、绕组1020、绕组1030及绕组1040。绕组1020及绕组1040实际操作于第一导体层，而绕组1010及绕组1030实际操作于第二导体层。绕组1010、绕组1020、绕组1030及绕组1040通过贯穿结构1001、贯穿结构1002及贯穿结构1003连接。绕组1010及绕组1030沿着非对称式螺旋状电感1000或绕组1040的边缘延伸，因此，绕组1010及绕组1030的形状与非对称式螺旋状电感1000及/或绕组1040的部分的轮廓相似。端点1011及端点1042为非对称式螺旋状电感900的两个端点。

如图10A及图10B所示，绕组1010及绕组1030不与绕组1040重叠。绕组1010及绕组1030位于非对称式螺旋状电感1000的最外圈，且绕组1010及绕组1030的走线的长度各约为非对称式螺旋状电感1000或绕组1040的半圈。请参考图5至图7，绕组1010、绕组1020、绕组1030及绕组1040的走线的宽度不限于图10B所显示的范例。

图11显示非对称式螺旋状电感300及非对称式螺旋状电感400的质量因素Q。曲线1110代表非对称式螺旋状电感300的质量因素Q，而曲线1120代表非对称式螺旋状电感400的质量因素Q。相较于非对称式螺旋状电感300，非对称式螺旋状电感400的结构可以提升电感的质量因素Q。

上述实施例的线圈虽以八边形为例，然此并非对本发明的限制，该些电感也可以是其他多边形或圆形。本发明的电感不限于4圈。

综上所述，本发明可以在不增加电感面积的情况下提高非对称式螺旋状电感的电感值，进而提高质量因素Q。

请注意，上述图标中，组件的形状、尺寸以及比例等仅为示意，仅供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求范围所界定者为准。

【符号说明】

100、300、400、800、900、1000 非对称式螺旋状电感

200 对称式螺旋状电感

105、401、402、801、802、901、902、1001、1002、1003 贯穿结构

310、410、420、430、810、820、830、910、920、930、1010、1020、1030、1040 绕组

411、412、421、422、431、432、811、832、911、932、1011、1042 端点

D1 外径

D2、D3、D4 内径

D5 间隔

W1、W2、W3、W4、W5 宽度

Lm、Lm'、Lm” 互感

1110、1120 曲线。

Claims (9)

1.一种非对称式螺旋状电感，包含：

一第一绕组，具有一第一端点及一第二端点，且制作于一半导体结构的一超厚金属层；

一第二绕组，具有一第三端点及一第四端点，制作于该半导体结构的一重布线层，且具有一第一最大走线宽度；以及

一第三绕组，具有一第五端点及一第六端点，制作于该半导体结构的该超厚金属层，且具有小于该第一最大走线宽度的一第二最大走线宽度；

其中该第二端点及该第三端点通过一第一贯穿结构连接，该第四端点及该第五端点通过一第二贯穿结构连接，以及该第一端点及该第六端点形成该非对称式螺旋状电感的两端点；

其中，所述第一最大走线宽度大于所述第二最大走线宽度与所述第三绕组中相邻两条走线的间隔之和。

2.根据权利要求1所述的非对称式螺旋状电感，其中，该第二绕组的长度小于该非对称式螺旋状电感的一圈。

3.根据权利要求1所述的非对称式螺旋状电感，其中，部分该第二绕组沿着该第三绕组的边缘延伸。

4.根据权利要求3所述的非对称式螺旋状电感，其中，部分该第二绕组与部分该第三绕组重叠。

5.根据权利要求3所述的非对称式螺旋状电感，其中，该第二绕组的一第一部分与部分该第三绕组重叠，且该第二绕组的一第二部分与部分该第一绕组重叠及与部分该第三绕组重叠。

6.根据权利要求1所述的非对称式螺旋状电感，其中，该第二绕组位于该非对称式螺旋状电感的外圈且不与该第三绕组重叠。

7.一种非对称式螺旋状电感，包含：

一螺旋状线圈，具有一第一端点及一第二端点，且制作于一半导体结构的一第一导体层；

一第一走线，具有一第三端点及一第四端点，且制作于该半导体结构的一第二导体层，其中该第一导体层不等于该第二导体层，且该第一走线的长度小于该螺旋状线圈的一圈；以及

一第二走线，具有一第五端点及一第六端点，且制作于该半导体结构的该第一导体层；

其中该第二端点及该第三端点通过一第一贯穿结构连接，该第四端点及该第五端点通过一第二贯穿结构连接，以及该第一端点及该第六端点形成该非对称式螺旋状电感的两端点；

其中，该螺旋状线圈具有一第一最大走线宽度，该第一走线具有一第二最大走线宽度，该第二最大走线宽度大于该第一最大走线宽度，且所述第二最大走线宽度大于所述第一最大走线宽度与所述螺旋状线圈中相邻两条线圈的间隔之和。

8.根据权利要求7所述的非对称式螺旋状电感，其中，该第一导体层是超厚金属层，且该第二导体层是重布线层。

9.根据权利要求7所述的非对称式螺旋状电感，其中，部分该第一走线沿着该螺旋状线圈的边缘延伸。

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