TWI287239B - Symmetric three-dimension type inductor - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種對稱立體式電感，尤指一種由半 導體製程所形成，而運用於射頻電路之電感元件者。 【先前技術】 在科技日益進步的今日，通訊科技進步與設備普及’ 從行動電話發展趨勢就可以很明顯看出，通訊需求快速增 加中’其伴隨而至的是通訊頻率增向，以提供更寬的頻段 ，現今的攜帶式通訊產品朝著高頻、輕、薄、短、小及多 功能展示，對於元件小型化、高精密度、高可信度及模組 化的要求也隨之增加；而影響高頻率無線通訊最主要之關 鍵在於射頻電路（Radio Frequency)之設計，而射頻應用 電路所面臨到的問題在於，運用在射頻應用電路中之高頻 電子元件電感，在其使用上之要求需有高的品質因素 (Quality Factor，Q)、高的自振頻率（Self-resonnant frequency)、低的寄生電容產生及高穩定度等特點，在設 計製作上極為不易。

請參閱第一圖，當習用之電感3如螺旋電感及微型3 D 電感等，運用於對稱電路上時如電感-電容壓控震盪器1中 (LC voltage control oscillator，LC VC0)，其係包含有 兩獨立之習用電感3，一組電容5，一交錯偶合電路7 (Close Couple)及一中間抽頭裝置9，因在電感-電容壓控 震盈裔1之電路5又计上必須基於對稱性，如在電感-電容壓 控震盪器1上使用沒有具對稱性之習用電感3，即必須使用 兩相同獨立之習用電感3達到對稱電路之對稱性，在使用

第5頁 1287239 五、發明說明（2) 設計上增加設計電路之佈局面積及設計上整體之成本且無 法有效降低相位雜訊（P h a s e η 〇 i s e )。 因此，本發明即在如何針對上述問題而提出一種對稱 立體式電感，不僅可改善電感無對稱性之缺點，又可降低 於設計射頻電路使用之電感數目、相位雜訊及整體設計之 成本，使可解決上述之問題。 【發明内容】

本發明之主要目的，在於提供一種對稱立體式電感， 使電感結構達對稱性，以降低於設計射頻電路時使用之電 感數目之目的。 本發明之次要目的，在於提供一種對稱立體式電感， 使達提高電感之品質因素之目的。 本發明之又一目的，在於提供一種對稱立體式電感， 使降低於射頻電路中之相位雜訊。

為達以上之目的，本發明提供一種對稱立體式電感， 一種對稱立體式電感，其係具有複數導電層，其係為一左 右對稱的幾何形狀導電層，且每一導電層係分別位於半導 體之各絕緣層上，藉由絕緣層使上下相鄰之該導電層保持 相互隔離，導電層上係由至少一導體線於互不相交下繞成 一左右對稱之幾何形狀，該左右對稱之幾何形狀導電層其 /系可為方形、圓形或其它相關之對稱幾何形狀，而每一導 電層之間之絕緣層中係具有複數介層窗插塞以連接上下層 之導電層，介層窗插塞其係為該對稱立體式電感之一部 份0

第6頁 1287239 五、發明說明（3) 茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之 功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及 配合詳細之說明，說明如後： 【圖 號 對 昭 說 明 ] 1 電 感 -電容壓控震 3 習 用 電 感 5 電 容 7 交 錯 偶 合 電 路 9 抽 頭 裝 置 10 對 稱 立 體 式 電感 ；12 第 一 導 電 層 14 第 .二 導 電 層 16 第 三 導 電 層 18 第 四 導 電 層 20 導 體 線 22 介 層 窗 插 塞 24 第 一 埠 25 第 二 埠 26 抽 頭 裝 置 :2 7 電 感 -電容壓控震 28 電 容 29 交 錯 偶 合 電 路 30 第 波 形 線 32 第 _ 一 波 形 線

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1287239 五、 發明說明 丨⑷ 34 第 二 波 形 線 36 偶 數 導 電 層 t38 奇 數 導 電 層 40 偶 數 内 導 電 層 42 層 窗 插 塞 44 奇 數 外 導 電 層 46 第 四 波 形 線 48 第 五 波 形 線 49 第 六 波 形 線 50 對 稱 立 體 式 單 晶 變 壓 器 52 主 要 部 分 對 稱 立 體 式 電 感 5 3 第 -— 埠 54 次 要 部 分 對 稱 立 體 式 電 感 55 第 二 埠 60 對 稱 立 體 式 單 晶 B a 1 u η元件 62 主 要 部 分 對 稱 立 體 式 電 感 63 第 一 瑋 64 次 要 部 分 對 稱 立 體 式 電 感 65 第 二 埠 66 第 三 埠 68 抽 頭 裝 置 【實施 方 式 ] 請參閱第二圖，係為本發明之一較佳實施例；如圖所 示，一對稱立體式電感1 〇，其係形成於半導體上，對稱立 1287239 五、發明說明（5) 體式電感10其係包括有一第一導電層12，一第二導電層14 ，一第三導電層16及一第四導電層18，每一導電層12、14 ‘、1 6、1 8其係為一左右對稱的幾何形狀導電層並皆位於半 導體之各絕緣層之平面上，藉由絕緣層使該各導電層1 2、 1 4、1 6、1 8保持相互隔離，而每一導電層1 2、1 4、1 6、1 8 皆由至少一導體線2 0以互不相交下繞成左右對稱之幾何形 狀，且該偶數導電層1 4及1 8之形狀大小係大於奇數導電層 1 2及1 6之形狀大小，以減少寄生電容的產生，導電層1 2、 1 4、1 6、1 8尚可繞成為圓形或其它對稱之幾何形狀，複數 介層窗插塞2 2 ( V i a P 1 ug )係位於絕緣層中，以連接上下層 相鄰之導電層1 2、1 4、1 6、1 8使可互相電性導通，且於第 一導電層1 2上係設有一第一埠2 4及一第二璋2 5，該對稱立 體式電感1 0不論從第一淳2 4或由第二埠2 5看入皆為呈對稱 狀，對稱立體式電感1 〇中間尚可裝設有一抽頭裝置2 6。 請一併參閱第三A圖、第三B圖及第三C圖，對稱立體 式電感1 0，其中間係可裝設抽頭裝置2 6，其係可接至一定 直流偏壓或是接地，其可簡化示意為如第三A圖所示，然 而，此架構就如同一反向變壓器（inverting-type transformer )如第三B圖所示；請參閱第三C圖，而對稱立 體式電感1 0運用於對稱電路中，如電感-電容壓控震盪器 2 7中，其係包含有一對稱立體式電感10，一組電容28，一 交錯偶合電路29(Close Couple)及一中間抽頭裝置26，當 對稱立體式電感1 0使用於對稱性電路，電感-電容壓控震 盪器2 7中只要一個對稱立體式電感1 0即可取代兩個不對稱

1287239 五、發明說明（6) 獨立之習用電感3以降低整體之設計成本及設計面積。 請參閱第四A圖、第四B圖及第四C圖，該圖係為經由 模擬所得之波形圖，如圖所示；第一波形線3 0係將電感之 一埠接地而由另一琿所得之波形線，第二波形線3 2及第三 波形線3 4係分別由電感之兩個埠所得之波形線，由第四A 圖及第四B圖的第二波形線3 2及第三波形線3 4可看出習用 的螺旋電感及微形3 D電感其重疊性不佳，即表示習用電感 之對稱性不佳，由第四C圖可知本發明對稱立體式電感1 0 ，其第二波形線3 2及第三波形線3 4幾乎重疊在一起，即可 知本發明係為一對稱式電感而適用於對稱性電路中，當對 稱立體式電感1 0使用於對稱性電路中只要一個對稱立體式 電感1 0即可取代兩個不對稱獨立之習用電感以降低整體之 設計成本及設計面積。 請參閱第五圖，如圖所示，其係於對稱立體式電感10 之偶數導電層3 6之内側，繞有與奇數導電層3 8相同大小之 左右對稱幾何形狀之一偶數内導電層4 0，而偶數内導電層 4 0不與外圍之偶數導電層3 6相交，且偶數内導電層4 0藉由 於絕緣層中設有之複數介質窗插塞4 2，與奇數導電層3 8相 並聯；而在奇數導電層3 8之外侧，繞有與偶數導電層3 6相 同大小之左右對稱幾何形狀之一奇數外導電層4 4，而奇數 外導電層4 4不與内侧之奇數導電層3 8相交，且奇數外導電 層4 4藉由於絕緣層中設有之複數介質窗插塞4 2，與偶數導 電層3 6相並聯，藉由偶數内導電層4 0與奇數導電層3 8相並 聯及奇數外導電層4 4與偶數導電層3 6相並聯，以降低串聯

第10頁 (7) 1287239 五、發明說明 電阻’其係* „ ，其對r 、為多層金屬並聯法（mulu level shunt，mls) 〃 ^冉立體式電感i 〇仍是對稱立體狀。 5 月 ~ ^

感1 0之偶數4閱第六圖，如圖所示，其係於對稱立體式電 3、之左右對^電層36之内側，繞有與奇數導電層38相同大 電層40不歲％幾何形狀之一偶數内導電層40，而偶數内導 藉由於絕緣2圍之偶數導電層36相交，且偶數内導電層4C 38相並聯，】中設有之複數介質窗插塞42，與奇數導電層 掉，豆係Λ 係將上述第三圖實施例之奇數外導電層44去 以1^1；、，41^：進3層金屬並聯法（1"11)1'(^6(1_1七116^1 ^ /、， ’其對稱立體式電感1 〇仍是對稱立體狀。 吕賣 一—Xjr a Μ撼祕彡曰口 '閱第七圖，其係將本發明上述三個實施例經 棋擬所付品督m主Α , 斤一與Α月因素Q之波形比較示意圖，如圖中所示，由 =凰回1知例所得之第四波形線4 6、由第五圖實施例多層 *並％卩去所得之第五波形線4 8及由第六圖實施例改進多 層金屬並聯法所得之第六波形線4 9，可知多層金屬並聯法 可有效的減少_聯電阻，增加低頻時的品質因素Q，但因 偶數内導電層4 0與奇數導電層3 8相並聯及奇數外導電層4 4 與偶數導電層3 6相並聯，電容接觸面積加大，故使寄生電 容增加，反使高頻的品質因素Q下降，因此採取改進多層

金屬並聯法降低寄生電容增加的量，以提高對稱立體式電 感1 0於高低頻時之品質因素Q。 請參閱第八圖，如圖所示，一對稱立體式單晶變壓器 5 0，其係運用一主要部分對稱立體式電感5 2及一次要部分 對稱立體式電感5 4，分別作為單晶變壓器之主要部份及次

第11頁 1287239 五、發明說明（8) 要部份，即建構成一對稱立體式單晶變壓器5 0，主要部分 對稱立體式電感5 2其係具有一第一埠5 3，而次要部分對稱 立體式電感5 4具有一第二埠55。 請參閱第九圖，如圖所示，一對稱立體式單晶Ba 1 un元 件6 0，其係運用一主要部分對稱立體式電感6 2及一次要部 分對稱立體式電感64，分別作為單晶Baiun元件之一主要 部份及一次要部份，即建構成一對稱立體式單晶Ba 1 un元 件6 0，主要部分對稱立體式電感6 2其係具有一第一埠6 3， 而次要部分對稱立體式電感6 4具有一第二埠6 5及一第三埠 66，且該對稱立體式單晶Baiun60元件之中間具有一抽頭 裝置6 8以作為直流偏壓之輸入端。 綜上所述，本發明對稱立體式電感1 0因在架構上係具 有對稱性，故使用在射頻電路設計上之對稱電路時，只需 一個對稱立體式電感1 0即可取代原本需兩個獨立習用之電 感，係可降低整體設計製作之成本，且係可在中間裝設有 一抽頭裝置2 6，就如同為一反相型變壓器，使用於電感-電容壓控震盪器2 7時，係可減少電感-電容壓控震盪器2 7 之面積，亦可降低電感-電容壓控震盪器2 7之相位雜訊 (phase noise)0 故本發明實為一具有新穎性、進步性即可供產業上利 用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出 發明專利申請，祈 鈞局早曰賜至准專利，至感為禱 。 惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非 用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範

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1287239 圖式簡單說明 第一圖係習用電感建構之電感-電容壓控震盪器之架構示 意圖； 第二圖係本發明之一較佳實施例之架構示意圖； 第三A圖係本發明之簡化示意圖； 第三B圖係第三A圖之等效示意圖； 第三C圖係本發明運用在電感-電容壓控震盪器之架構示意 圖， 第四A圖係習用螺旋電感對稱性之波形示意圖； 第四B圖係習用微形3D電感對稱性之波形示意圖；

第四C圖係本發明對稱性之波形示意圖； 第五圖係本發明之另一較佳實施例之架構示意圖； 第六圖係本發明之又一較佳實施例之架構示意圖； 第七圖係本發明實施例之品質因素Q之波形比較示意圖； 第八圖係以本發明建立之對稱立體式單晶變壓器之架構示 意圖； 第九圖係以本發明建立之對稱立體式單晶ba 1 un元件之架 構不意圖。

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Claims (1)

1287239 六、申請專利範圍 1 · 一種對稱立體式電感，其係包括有： 複數導電層，其係由至少一互不相交之導體線繞成之 左右對稱的幾何形狀導電層，該每一導電層其係位於 半導體之各絕緣層上，藉由該絕緣層使上下相鄰之該 導電層保持相互隔離；及 複數介層窗插塞，其係位於該絕緣層中，以連接上下 層相鄰之該導電層。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該左右對稱之幾何形狀導電層，其係為一方形。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該左右對稱之幾何形狀導電層，其係為一圓形。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該對稱立體式電感中間其裝設有一抽頭裝置。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該對稱立體式電感，其係可運用於單晶變壓器以作為 一主要部分及一次要部分而構成一對稱立體式單晶變 壓器。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該對稱立體式電感，其係可運用於單晶Ba 1 un元件作 為一主要部分及一次要部分，且中間具有一抽頭裝置 ，而構成一對稱立體式單晶Baiun元件。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該導體線係可為鋁、銅、鋁銅合金及相關之導電金屬 之其中之一者。

第15頁 1287239 六、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第1項所述之對稱立體式電感，其中 該偶數導電層之左右對稱幾何形狀大小，係不同於該 奇數導電層之左右對稱幾何形狀大小。 9 ·如申請專利範圍第8項所述之對稱立體式電感，其中 該偶數導電層内部，尚可繞有與該奇數導電層相同大 小之左右對稱幾何形狀之一偶數内導電層，且藉由該 絕緣層中設有複數介層窗插塞，而與該奇數導電層相 並聯，但該偶數内導電層不與外側之該偶數導電層相 交。 1 〇 ·如申請專利範圍第9項所述之對稱立體式電感，其中 該奇數導電層外側，尚可繞有與該偶數導電層相同大 小之左右對稱幾何形狀之一奇數外導電層，且藉由該 絕緣層中設有複數介層窗插塞，而與該偶數導電層相 並聯，但該奇數外導電層不與内側之該奇數導電層相 交。

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