一種片上變壓器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種片上變壓器，其包括主線圈、次線圈、主線圈接頭以及次線圈接頭，其中，主線圈通過(guò)n-1條相互間隔的環(huán)形分割槽分割為n條并聯(lián)的主子線圈，次線圈同樣通過(guò)n-1條相互間隔的環(huán)形分割槽分割為n條并聯(lián)的次子線圈，并且第i個(gè)主子線圈寬度與第i個(gè)次子線圈寬度相同均為wi，主線圈和次線圈寬度相同均為W。本發(fā)明通過(guò)多條相互間隔的環(huán)形分割槽將片上變壓器的主線圈和次線圈拆分為多條并聯(lián)的主子線圈和次子線圈，減小了主線圈和次線圈的表面積，降低周?chē)鷮?dǎo)體的鄰近效應(yīng)和環(huán)境的電磁干擾，有效提高了片上變壓器性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種片上變壓器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種集成電路片上變壓器結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 片上變壓器廣泛應(yīng)用于射頻集成電路（RFIC)的設(shè)計(jì)，如功率放大器（PA)、低噪聲 放大器（LNA)、混頻器（Mixer)、壓控振蕩器（VC0)等。片上變壓器一般用來(lái)實(shí)現(xiàn)單端信號(hào) 和差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變，也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶匹配、信號(hào)反饋、功率合成等功能，所以片上 變壓器的性能好壞直接決定所設(shè)計(jì)電路的性能。
[0003] 通常來(lái)說(shuō)，主線圈和次線圈之間的耦合系數(shù)k是片上變壓器的主要性能之一，k值 越大，主線圈和次線圈之間的耦合越緊，片上變壓器的效率越高。從線圈繞線形式上，目前 片上變壓器主要采用交錯(cuò)互繞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主線圈和次線圈相互交叉繞線，如圖la-ld 所示；從變壓器的幾何形狀上，目前片上變壓器主要采用矩形，而且以正方形居多；從金屬 層數(shù)上，片上變壓器主要采用最頂層金屬走線，以CMOS工藝為例說(shuō)明，主流的射頻CMOS工 藝頂層金屬最厚，如TSMC180nmlP6M射頻CMOS工藝頂層金屬厚度高達(dá)4. 6 μ m，所以采用單 層金屬走線完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在沒(méi)有超厚頂層金屬的情況下，變壓器一般采用多層 金屬并聯(lián)走線來(lái)增加耦合系數(shù)；從金屬寬度上，根據(jù)設(shè)計(jì)效率和工作頻率要求，變壓器主線 圈和次線圈的寬度一般都大于厚度，有時(shí)可能達(dá)到幾十微米。在射頻工作頻段，趨膚效應(yīng)和 鄰近效應(yīng)是影響片上變壓器性能的主要因素，片上變壓器主線圈和次線圈的寬度達(dá)到一定 值以后，由于線圈等效面積的增加，以上兩種效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響更加顯著，直接導(dǎo)致片上 變壓器性能的下降。
[0004] 圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的片上變壓器結(jié)構(gòu)，其中圖la所示為主次線圈比為1:1的片 上變壓器100,100由主線圈l〇〇a、次線圈100b、主線圈接頭100c和次線圈接頭100d組成， 100為單層變壓器，該層一般采用工藝的最頂層金屬制造。為了避免同層主次線圈短路，次 線圈接頭100d需要采用次頂層金屬100g走線，次線圈100b首先通過(guò)過(guò)孔100f和次頂層 金屬l〇〇g相連，然后通過(guò)一段l〇〇g引出來(lái)，最后通過(guò)一個(gè)過(guò)孔接到頂層金屬100e，所以片 上變壓器100需要兩層金屬和一層過(guò)孔實(shí)現(xiàn)。片上變壓器100的尺寸如下：線圈寬度W為 20 μ m, 1 μ m。
[0005] 圖lb所示為主次線圈比為2:2的片上變壓器101，和100-樣，101由主線圈101a、 次線圈101b、主線圈接頭101c和次線圈接頭組成，101為單層變壓器。為了避免同層主次 線圈短路，金屬線101d、101e、101k和101m用來(lái)連接主次線圈，由于線圈的增加，需要三層 金屬才能實(shí)現(xiàn)變壓器101，頂層金屬l〇lf通過(guò)過(guò)孔l〇li和次頂層金屬l〇lg相連，次頂層金 屬l〇lg通過(guò)過(guò)孔101 j和下一層金屬l〇lh相連。片上變壓器101的尺寸如下：線圈寬度W 為20 μ m，線間距為1 μ m。
[0006] 圖lc為主次線圈比為2:2的片上變壓器102,和100-樣，102由主線圈102a、次 線圈102b、主線圈接頭102c和次線圈102e接頭組成，102為多層變壓器。片上變壓器102 的主次線圈的三維結(jié)構(gòu)如102d描述，主次線圈由三層金屬組成，其中主線圈由102f、102g、 10211組成，次線圈由1021、102」、1021^組成，為了避免同層主次線圈短路，次線圈接頭1026 需要通過(guò)過(guò)孔連接到下面兩層金屬102m、102η，最后再接出來(lái)，這樣片上變壓器102需要五 層金屬和四層過(guò)孔實(shí)現(xiàn)，片上變壓器102的尺寸如下：線圈寬度W為11 μ m，線間距為1 μ m。
[0007] 圖Id為主次線圈比為4:4的片上變壓器103,103由主線圈103a、次線圈103b、主 線圈接頭和次線圈接頭組成，103為多層變壓器，103同102類(lèi)似，同樣需要五層金屬和四層 過(guò)孔實(shí)現(xiàn)。片上變壓器103的尺寸如下：線圈寬度W為11 μ m，線間距為1 μ m。
[0008] 以上圖la-ld為現(xiàn)有技術(shù)所設(shè)計(jì)的片上變壓器，其中圖la-lb為單層變壓器，適合 頂層金屬較厚的射頻集成電路制造工藝，圖lc-ld為多層變壓器，適合普通集成電路制造 工藝，為了降低片上變壓器的損耗，線圈寬度一般較大（大于10 μ m)，這樣在射頻范圍，由 于渦流效應(yīng)、趨膚效應(yīng)的影響，線圈上面的損耗增加，降低片上變壓器的耦合系數(shù)，影響其 所應(yīng)用的射頻集成電路性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種片上變壓器，通過(guò)將片上 變壓器的主線圈和次線圈各自拆分為多條并聯(lián)的主子線圈和次子線圈，解決現(xiàn)有片上變壓 器耦合系數(shù)低、損耗高的技術(shù)問(wèn)題，尤其適用于射頻集成電路。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種片上變壓器，其包括主線圈、次線圈、主線圈 接頭以及次線圈接頭，其中，主線圈通過(guò)n-1條相互間隔的環(huán)形分割槽分割為η條并聯(lián)的主 子線圈，次線圈同樣通過(guò)η-1條相互間隔的相同環(huán)形分割槽分割為η條并聯(lián)的次子線圈，并 且第i個(gè)主子線圈寬度與第i個(gè)次子線圈寬度相同均為主線圈和次線圈的總寬度相同 且均為W，它們之間滿(mǎn)足如下公式，=￡ u_,. +.，("-1)，" 2 2，其中n為大于等于2的正整 ?-1 數(shù)，S為各個(gè)環(huán)形分割槽的槽寬，此外，各個(gè)主子線圈與其對(duì)應(yīng)的各個(gè)次子線圈并聯(lián)走線。
[0011] 通過(guò)將寬度為W的主線圈和次線圈分別拆分為η個(gè)間距為s的子線圈，減小了主 線圈和次線圈的表面積，降低周?chē)鷮?dǎo)體的鄰近效應(yīng)和環(huán)境的對(duì)片上變壓器的電磁干擾，提 高了片上變壓器的性能。
[0012] 優(yōu)選地，所述主子線圈和次子線圈寬度Wi由內(nèi)到外依次增大。
[0013] 由于片上變壓器的內(nèi)外徑相差一般較大，導(dǎo)致相同線寬的主子線圈和次子線圈表 面積不等，各個(gè)線圈受外圍電磁干擾不均勻，通過(guò)將主子線圈和次子線圈寬度^設(shè)計(jì)為由 內(nèi)到外依次增大，保證各個(gè)子線圈表面積相同，使得各個(gè)子線圈等效電阻相等、感應(yīng)電流均 勻，進(jìn)一步提高片上變壓器性能。
[0014] 優(yōu)選地，所述環(huán)形分割槽的槽寬s的取值范圍為0.5μπι?2μπι。
[0015] 優(yōu)選地，所述片上變壓器適用于高于0. 5GHz的射頻工作頻段。
[0016] 優(yōu)選地，所述片上變壓器的主線圈包括單層金屬和多層金屬兩種情況。
[0017] 優(yōu)選地，所述片上變壓器的次線圈包括單層金屬和多層金屬兩種情況。
[0018] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 1.通過(guò)多條相互間隔的環(huán)形分割槽將片上變壓器的主線圈和次線圈拆分為多條 并聯(lián)的主子線圈和次子線圈，減小了主線圈和次線圈的表面積，降低周?chē)鷮?dǎo)體的鄰近效應(yīng) 和環(huán)境的電磁干擾；
[0020] 2.多個(gè)主子線圈和次子線圈分別并聯(lián)走線，增加了電流的有效導(dǎo)電面積，提高主 線圈和次線圈之間的耦合系數(shù)，減小線圈損耗，降低趨膚效應(yīng)，從而降低了變壓器的損耗， 有效提高了片上變壓器性能。
[0021] 3.主子線圈和次子線圈寬度Wi設(shè)計(jì)為由內(nèi)到外依次增大，解決了由線圈長(zhǎng)度不同 引起的電阻分布不均勻的問(wèn)題，保證各個(gè)子線圈表面積相同，使得各個(gè)子線圈等效電阻相 等、感應(yīng)電流均勻，進(jìn)一步提高片上變壓器性能。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖la為現(xiàn)有技術(shù)中N = l、W=20ym、s = Ιμπι單層變壓器結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023] 圖lb為現(xiàn)有技術(shù)中N = 2、W=20ym、s = Ιμπι單層變壓器結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0024] 圖lc為現(xiàn)有技術(shù)中N = 2、W = llym、s = Ιμπι多層變壓器結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
[0025] 圖Id為現(xiàn)有技術(shù)中N = 4、W = llym、s = Ιμπι多層變壓器結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
[0026] 圖2a為本發(fā)明實(shí)施例1 :Ν = 1、Wi = w2 = 9. 5 μ m、η = 2、s = 1 μ m片上單層變 壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0027] 圖2b為本發(fā)明實(shí)施例1和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0028] 圖 3a 為本發(fā)明實(shí)施例 2:N= = = = Ιμπι 片上單層 變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0029] 圖3b為本發(fā)明實(shí)施例2和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0030] 圖 4a 為本發(fā)明實(shí)施例 3 :N = 1、Wi = w2 = w3 = w4 = 4. 25 μ m、η = 4、s = 1 μ m 片上單層變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0031] 圖4b為本發(fā)明實(shí)施例3和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0032] 圖 5a 為本發(fā)明實(shí)施例 4 :N = 1、《^ = 3 μ m、w2 = 6 μ m、w3 = 9 μ m、n = 3、s = 1 μ m 片上單層變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0033] 圖5b為本發(fā)明實(shí)施例4和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0034] 圖6a為本發(fā)明實(shí)施例5 :N = 2、《^ = w2 = w3 = 6 μ m、n = 3、s = 1 μ m片上單層 變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0035] 圖6b為本發(fā)明實(shí)施例5和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0036] 圖 7a 為本發(fā)明實(shí)施例 6 :N = 2、《^ = 3 μ m、w2 = 6 μ m、w3 = 9 μ m、n = 3、s = 1 μ m 片上單層變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0037] 圖7b為本發(fā)明實(shí)施例6和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上單層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0038] 圖8a為本發(fā)明實(shí)施例7 :N = 2, = w2 = w3 = 3 μ m、n = 3、s = 1 μ m片上多層 變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0039] 圖8b為本發(fā)明實(shí)施例7和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上多層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖；
[0040] 圖9a為本發(fā)明實(shí)施例8 :N = 4、《^ = w2 = w3 = 3 μ m、n = 3、s = 1 μ m片上多層 變壓器結(jié)構(gòu)及其局部剖面示意圖；
[0041] 圖9b為本發(fā)明實(shí)施例8和其相對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上多層變壓器的仿 真結(jié)果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0043] 本發(fā)明提供的片上變壓器的結(jié)構(gòu)，主線圈和次線圈包括單層金屬和多層金屬兩種 情況。表征變壓器的幾何尺寸如下：主（次）線圈繞線圈數(shù)N、主（次）線圈寬度W、主（次） 子線圈個(gè)數(shù)n(n彡2)、主（次）子線圈寬度Wi(i = 1，2. . . η)、分割槽槽寬s和外徑0D等，其 中主（次）線圈寬度W和主（次）子線圈寬度&滿(mǎn)足如下公式：『 = 1), ?>2， Μ η為大于等于2的正整數(shù)。
[0044] 為了對(duì)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證，共選取了 8個(gè)不同尺寸的片上變壓器作為較佳實(shí) 施例，各個(gè)片上變壓器的結(jié)構(gòu)分別如圖2a_9a所示，其中圖2a_5a為主次線圈比為1:1，線圈 寬度20 μ m、線間距1 μ m的單層變壓器結(jié)構(gòu)俯視圖，區(qū)別在于各個(gè)片上變壓器的子線圈數(shù)η 和子線圈寬度Κ設(shè)計(jì)值不同；圖6a與圖7a為主次線圈比為2:2、線圈寬度20 μ m、線間距 1 μ m、子線圈數(shù)為3的單層變壓器結(jié)構(gòu)俯視圖，區(qū)別在于子線圈寬度Wi不同；圖8a與圖9a 為線圈寬度11 μ m、子線圈寬度3 μ m、線間距1 μ m、子線圈數(shù)為3的多層變壓器結(jié)構(gòu)三維視 圖，區(qū)別在于主次線圈比。以上八個(gè)實(shí)施例均采用Agilent Momentum軟件進(jìn)行仿真，單層 變壓器（實(shí)施例1?6)基于TSMC180nmlP6M射頻CMOS工藝，多層變壓器（實(shí)施例7?8) 基于SMIC130nmlP6M普通CMOS工藝，將本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例與其各自對(duì)應(yīng)的采用現(xiàn)有技術(shù) 設(shè)計(jì)的片上變壓器進(jìn)行對(duì)比，在主次線圈比相同、主次線圈寬度相同的情況下，各個(gè)變壓器 仿真結(jié)果如圖2b-圖9b所示，結(jié)果表明本發(fā)明所述的片上變壓器性能總體均優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù) 所設(shè)計(jì)的片上變壓器。下面將對(duì)以上8個(gè)實(shí)施例詳細(xì)介紹分別如下所示：
[0045] 實(shí)施例1
[0046] 如圖2a所示的單層片上變壓器200, 200由主線圈200a、次線圈200b、主線圈接頭 200c和次線圈接頭200d組成，其中主線圈200a由兩條等寬的主子金屬線圈200e和200f并 聯(lián)組成，次線圈200b由兩條等寬的次子金屬線圈200g和200h并聯(lián)組成。單層片上變壓器 200的基本尺寸如下：主（次）線圈數(shù)N= 1，主次線圈數(shù)之比1:1、主線圈和次線圈寬度W均 為20 μ m、環(huán)形分割槽槽寬s為1 μ m、子線圈個(gè)數(shù)η為2、子線圈寬度& = w2 = 9. 5 μ m。同 片上變壓器100類(lèi)似，為了避免主次線圈的走線短路，需要用到次頂層金屬將次線圈引出， 接頭200d的結(jié)構(gòu)和100d完全一樣，不再詳述，片上變壓器200需要兩層金屬和一層過(guò)孔實(shí) 現(xiàn)。本實(shí)施例的片上變壓器200與采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的片上變壓器100的尺寸相同，片上 變壓器200與現(xiàn)有變壓器100的仿真結(jié)果對(duì)比如圖2b所示，可以看到在0. 8GHz?10GHz 頻率范圍內(nèi)，實(shí)施例1的耦合系數(shù)均高于片上變壓器100。
[0047] 實(shí)施例2
[0048] 如圖3a所示的單層片上變壓器300, 300由主線圈300a、次線圈300b、主線圈接頭 300c和次線圈接頭300d組成。片上變壓器300的基本尺寸和實(shí)施例1類(lèi)似，區(qū)別在于子線 圈數(shù)為3,子線圈寬度& = w2 = w3 = 6 μ m。片上變壓器300和采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu) 相同的片上變壓器100仿真結(jié)果對(duì)比如圖3b所示，可以看到在0. 8GHz?10GHz頻率范圍 內(nèi)，片上變壓器300的耦合系數(shù)均高于片上變壓器100。
[0049] 實(shí)施例3
[0050] 如圖4a所示的單層片上變壓器400,400由主線圈400a、次線圈400b、主線圈接 頭400c和次線圈接頭400d組成。片上變壓器400的基本尺寸和實(shí)施例1類(lèi)似，區(qū)別在于 主（次）子線圈個(gè)數(shù)為4,主（次）子線圈寬度& = w2 = w3 = w4 = 4. 25 μ m。單層片上變 壓器400和采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相同的片上變壓器100仿真結(jié)果對(duì)比如圖4b所示，可 以看到在1. 5GHz?10GHz頻率范圍內(nèi)，單層片上變壓器400的耦合系數(shù)均高于片上變壓器 100。
[0051] 以上三個(gè)實(shí)施例主要從不同主（次）子線圈數(shù)N進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0052] 實(shí)施例4
[0053] 如圖5a所示的單層片上變壓器500由主線圈500a、次線圈500b、主線圈接頭500c 和次線圈接頭500d組成。片上變壓器500的基本尺寸和實(shí)施例1類(lèi)似，區(qū)別在于主子線 圈和次子線圈個(gè)數(shù)均為3,并且子線圈（主子線圈和次子線圈）寬度不等 ：Wl = 3 μ m、w2 = 6 μ m、w3 = 9 μ m。單層片上變壓器500和采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相同的片上變壓器100 仿真結(jié)果對(duì)比如圖5b所示，可以看到在0.8GHz?10GHz頻率范圍內(nèi)，單層片上變壓器500 的耦合系數(shù)均高于片上變壓器100。
[0054] 以上四個(gè)實(shí)施例的線圈比均為1:1，為了進(jìn)一步和現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，如圖6a所示為 本發(fā)明的實(shí)施例5,單層片上變壓器600由主線圈600a、次線圈600b、主線圈接頭600c和 次線圈接頭600d組成。600的基本尺寸如下：主次線圈圈數(shù)比2:2、主線圈和次線圈寬度W 均為20 μ m、分割槽槽寬s為1 μ m、子線圈個(gè)數(shù)η為3、主線圈和子線圈寬度& = w2 = w3 = 6 μ m。同片上變壓器101類(lèi)似，為了避免主次線圈的走線短路，需要用到低兩層金屬將主次 線圈相接，走線結(jié)構(gòu)和101完全一樣，不再詳述，片上變壓器600需要三層金屬和一兩層過(guò) 孔實(shí)現(xiàn)。片上變壓器600和采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相同的片上變壓器101仿真結(jié)果對(duì)比 如圖6b所示，可以看到在1. 4GHz?4. 8GHz頻率范圍內(nèi)，片上變壓器600的耦合系數(shù)均高 于片上變壓器101。
[0055] 如圖7a所示為本發(fā)明的實(shí)施例6,單層片上變壓器700, 700由主線圈700a、次線 圈700b、主線圈接頭700c和次線圈接頭700d組成。片上變壓器700的基本尺寸和實(shí)施例 5類(lèi)似，區(qū)別在于子線圈寬度不等％ = 3 μ m、w2 = 6 μ m、w3 = 9 μ m。實(shí)施例6和采用現(xiàn) 有技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相同的片上變壓器101仿真結(jié)果對(duì)比如圖7b所示，可以看到在1GHz? 4. 8GHz頻率范圍內(nèi)，實(shí)施例6的耦合系數(shù)均高于片上變壓器101。
[0056] 以上6個(gè)實(shí)施例均為單層片上變壓器，為了進(jìn)一步和現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，圖8a所示為 本發(fā)明的實(shí)施例7,多層片上變壓器800由主線圈800a、次線圈800b、主線圈接頭和次線圈 接頭組成。主線圈800a由三層等寬的金屬800c、800d、800e并聯(lián)相接，次線圈800b由三層 等寬的金屬800f、800g、800h并聯(lián)相接，金屬800c?800h由三條等寬的子線圈并聯(lián)相接。 800的基本尺寸如下：主次線圈比2:2、主線圈和次線圈的寬度W均為11 μ m、分割槽寬度s 為1 μ m、子線圈個(gè)數(shù)η為3、子線圈寬度％ = w2 = w3 = 3 μ m。同片上變壓器102類(lèi)似，為 了避免主次線圈的走線短路，需要用到低兩層金屬將主次線圈相接，走線結(jié)構(gòu)和102完全 一樣，不再詳述，片上變壓器800需要五層金屬和四兩層過(guò)孔實(shí)現(xiàn)。多層片上變壓器800和 采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的尺寸相同的片上變壓器102仿真結(jié)果對(duì)比如圖8b所示，可以看到在 0. 1GHz?10GHz頻率范圍內(nèi)，多層片上變壓器800的耦合系數(shù)均高于片上變壓器102。
[0057] 如圖9a所示為本發(fā)明的實(shí)施例8,多層片上變壓器900由主線圈900a、次線圈 900b、主線圈接頭和次線圈接頭組成。片上變壓器900的基本尺寸和實(shí)施例7類(lèi)似，區(qū)別在 于主次線圈比為2:2。片上變壓器900和采用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的尺寸相同的片上變壓器103 仿真結(jié)果對(duì)比如圖9b所示，可以看到在0. 1GHz?6. 5GHz頻率范圍內(nèi)，片上變壓器900的 耦合系數(shù)均高于片上變壓器103。
[0058] 趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)是降低片上變壓器性能的主要因素，采用圖la-ld所示的現(xiàn) 有變壓器結(jié)構(gòu)，為了降低線圈阻抗所引起的損耗，主、次線圈寬度一般較大（大于10 μ m)， 這樣直接導(dǎo)致線圈的表面積增加，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的公式（1)，導(dǎo)體表面積的增加 導(dǎo)致線圈更易受周?chē)姶艌?chǎng)的干擾，變壓器的片上損耗越大。本發(fā)明將寬度為W的線圈拆 分為η個(gè)間距為s的子線圈，減小線圈的表面積，降低周?chē)鷮?dǎo)體的鄰近效應(yīng)和環(huán)境的電磁干 擾。由于平面變壓器的內(nèi)外徑相差一般較大，導(dǎo)致相同線寬的導(dǎo)體表面積不等，各線圈受外 圍電磁干擾不均勻，變壓器的性能同樣也會(huì)下降，尤其是本發(fā)明所提出的子線圈寬度^漸 變方案很好地解決了這一問(wèn)題。
[0059] (j)￡.i//--(j) ^ds (1) J J ' (?
[0060] 金屬導(dǎo)體在高頻條件下，由于趨膚效應(yīng)的作用，導(dǎo)體內(nèi)的電流全都集中在導(dǎo)體的 表面，導(dǎo)致有效導(dǎo)電面積縮小，等效電阻增加。趨膚效應(yīng)一般用趨膚深度\來(lái)衡量：
[0061] / j· (2) V雄〇σ
[0062] 現(xiàn)有技術(shù)中采用單導(dǎo)體組成主、次線圈，電流有效導(dǎo)電面積Ai約為：
[0063] A! = 2* (W+d) * δ s (3)
[0064] 其中d為金屬導(dǎo)體厚度，由制造的工藝條件決定，采用本發(fā)明所述的η條子線圈并 聯(lián)走線，電流有效導(dǎo)電面積Α 2約為：
[0065] 4 = ?! 2 * (u;. + ") * 么 (4)
[0066] 通過(guò)選擇恰當(dāng)η值，使A2大于Ai，增加電流的等效導(dǎo)電面積，減小線圈損耗，提高 片上變壓器的性能。
[〇〇67] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種片上變壓器，包括主線圈、次線圈、主線圈接頭以及次線圈接頭，其特征在于，主 線圈通過(guò)n-1條相互間隔的環(huán)形分割槽分割為η條并聯(lián)的主子線圈，次線圈同樣通過(guò)n-1 條相互間隔的相同環(huán)形分割槽分割為η條并聯(lián)的次子線圈，并且第i個(gè)主子線圈寬度與第 i個(gè)次子線圈寬度相同均為主線圈和次線圈的總寬度相同均為W，它們之間滿(mǎn)足如下公 式：『 = 1)，《22,其中n為大于等于2的正整數(shù)，s為各個(gè)環(huán)形分割槽的槽 ?-\ 寬，各個(gè)主子線圈與其對(duì)應(yīng)的各個(gè)次子線圈并聯(lián)走線。
2. 如權(quán)利要求1所述的片上變壓器，其特征在于，所述主子線圈和次子線圈寬度Wi從 內(nèi)到外依次增大。
3. 如權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)所述的片上變壓器，其特征在于，所述環(huán)形分割槽的槽寬 s的取值范圍為0. 5 μ m?2 μ m。
4. 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的片上變壓器，其特征在于，所述片上變壓器用于高 于0. 5GHz的射頻工作頻段。
5. 如權(quán)利要求1-4所述的片上變壓器，其特征在于，所述片上變壓器的主線圈包括單 層金屬和多層金屬兩種情況。
6. 如權(quán)利要求1-5所述的一種片上變壓器，其特征在于，所述片上變壓器的次線圈包 括單層金屬和多層金屬兩種情況。
【文檔編號(hào)】H01L27/02GK104103636SQ201410319736
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】任志雄, 張科峰, 劉覽琦, 任達(dá)明 申請(qǐng)人:武漢芯泰科技有限公司