一种差分螺线管电感的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种差分螺线管电感，包括三层金属线圈，三层金属线圈宽度相同，三层金属线圈的厚度不相等；所述上下层金属线圈图形对称；所述金属线圈上有电感端口；所述上下层金属线圈通过层间通孔互连；第一层金属线圈从电感的一个端口开始，经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和第三层金属线连接；第三层金属经过半圈走线，通过一层层间通孔及金属连线和第二层金属线连接；第二层金属经过一圈走线，通过一层层间通孔和第三层金属线连接；第三层金属线圈经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和第一层金属线连接；第一层金属线圈经过半圈金属走线，从另一个端口引出。该电感具有更好的品质因数和自谐振频率特性。
【专利说明】一种差分螺线管电感
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电感，尤其涉及一种差分螺线管电感。
【背景技术】
[0002]目前，在CMOS射频集成电路(RFIC)的发展中，最迫切和最困难的是要生产出高性能的新器件和新的单元电路，它们是实现单片CMOS集成射频前端的基础。片上螺旋电感作为射频集成电路中的关键元件，在射频前端的各个模块中均有广泛的应用，如射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及LC回路等模块，也是电路中最难设计和掌握的元件，它的性能参数直接影响着射频集成电路的性能。片上螺旋电感能实现射频集成电路中电感的集成化问题，从而有助于射频集成电路的片上系统实现。
[0003]传统的螺线管(Helical)电感每层只有一圈，电感的总圈数就等于电感所使用的金属层数。由于受邻近效应和寄生电容的影响较小，螺线管电感在所有类型多层电感中具有相对较高的品质因数和自谐振频率。螺线管电感两个端口位置的差异使得电感表现出强烈的不对称性。差分电感多用于对称结构的电路中，对称特性较好。传统的差分电感所有线圈都位于同一金属层上，其连线方式使得电压差较大的线圈相邻，增大了线圈间的寄生电容，使得电感的品质因数和自谐振频率较低。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型螺线管电感。
【发明内容】
[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种品质因数和自谐振频率特性更好的螺线管电感。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种差分螺线管电感，其特征在于，包括一个或多个电感单元，所述电感单元具有三层金属线圈:第一层、第二层、第三层；所述第一层金属线圈上有两个电感端口 ；上下层金属线圈通过层间通孔互连；所述第一层金属线圈从一个电感端口开始，经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第三层金属线连接；所述第三层金属经过半圈走线，通过一层层间通孔及金属连线和所述第二层金属线连接；所述第二层金属经过一圈走线，通过一层层间通孔和所述第三层金属线连接；所述第三层金属线圈经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第一层金属线连接；所述第一层金属线圈经过半圈金属走线，从另一个电感端口引出。
[0007]进一步地，每个电感单元中所述金属线圈宽度相同。
[0008]进一步地，每个电感单元中所述金属线圈的厚度均不相等。
[0009]进一步地，每个电感单元中上下层金属线圈图形对称。
[0010]进一步地，每个电感单元中所述第一层金属线圈与第三层金属线圈有3/4圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/4圈，所述第一层金属线圈与第三层金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。所述垂直方向是指通孔连接的方向。
[0011]进一步地，每个电感单元中所述第一层、第三层金属线圈与所述第二层金属线圈有1/2圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/2圈，所述第一层、第三层金属线圈与所述第二层金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。
[0012]进一步地，每个电感单元中所述金属线圈为四边形、多边形或圆形。
[0013]进一步地,所述多个电感单元依次连接。
[0014]本发明提供了一种差分螺线管电感，该电感通过改变多层线圈的连线方式使得层间线圈的寄生电容降低，对称特性较好。与传统的差分电感相比，其高频寄生电阻降低，实现相同的电感值所需的电感面积较小。从而使电感获得更好的品质因数和自谐振频率特性。
[0015]本发明提供的差分螺线管电感，通过改变多层线圈的连线方式，电位差相差较大的电感线圈在垂直方向上的间距加大，从而降低了层间线圈的寄生电容。由于该电感采用差分的连线方式，电感的对称特性较好。由于将传统的差分电感线圈分布在多层上实现，减小了相邻线圈的高频临近效应，降低了高频寄生电阻。对于相同圈数的电感，本发明电感可以采用较小的面积，由于本发明的电感线圈在垂直方向有较大部分相互重叠，从而该电感具有较大的电感值，从而使电感获得更好的品质因数和自谐振频率特性。
[0016]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是传统的螺线管电感立体图；
[0018]图2是传统的三维差分电感立体图；
[0019]图3是传统的三维差分电感电位分布图；
[0020]图4是本发明实施例差分螺线管电感的立体图；
[0021]图5是本发明实施例差分螺线管电感的电流路径及线圈电压的分布情况图；
[0022]图6是本发明实施例差分螺线管电感的金属6层电感线圈的俯视图；
[0023]图7是本发明实施例差分螺线管电感的金属4层电感线圈的俯视图；
[0024]图8是本发明实施例差分螺线管电感的金属5层电感线圈的俯视图；
[0025]图9是本发明实施例差分螺线管电感Q值的仿真结果。
[0026]图10是本发明实施例差分螺线管电感L值的仿真结果。
[0027]图11是传统差分螺线管电感Q值的仿真结果。
[0028]图12是传统差分螺线管电感L值的仿真结果。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030]本发明提供了 一种差分螺线管电感，包括一个或多个电感单元，所述电感单元具有三层金属线圈:第一层、第二层、第三层；所述第一层金属线圈上有两个电感端口 ；上下层金属线圈通过层间通孔互连；所述第一层金属线圈从一个电感端口开始，经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第三层金属线连接；所述第三层金属经过半圈走线，通过一层层间通孔及金属连线和所述第二层金属线连接；所述第二层金属经过一圈走线，通过一层层间通孔和所述第三层金属线连接；所述第三层金属线圈经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第一层金属线连接；所述第一层金属线圈经过半圈金属走线，从另一个电感端口引出。本实施例以一个电感单元为例，差分螺线管电感包括:三层金属线圈，三层金属线圈宽度相同，三层金属线圈的厚度不相等；所述上下层金属线圈图形对称；所述金属线圈上有电感端口 ；所述上下层金属线圈通过层间通孔互连；第一层金属线圈从电感的一个端口开始，经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和第三层金属线连接；第三层金属经过半圈走线，通过一层层间通孔及金属连线和第二层金属线连接；第二层金属经过一圈走线，通过一层层间通孔和第三层金属线连接；第三层金属线圈经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和第一层金属线连接；第一层金属线圈经过半圈金属走线，从另一个端口引出。
[0031]本实施例的差分螺线管电感(以三层金属、四边形螺线管电感为例)立体结构见图4。从图4可以看出，本实施例所述差分的螺线管电感分为上中下三层，分别由第一金属层、第二金属层、第三金属层构成电感的金属线圈，第一层有两个对称的电感端口。所述差分的螺线管电感电流路径及线圈上电压的分布情况(以三层金属、3圈四边形电感为例)见附图5。电流由一个端口流入电感，电感线圈上的电位沿着电感线圈的走线路径依次降低，以数字I?6表示电感线圈上电位的大小，定义电位依次降低。所述差分的螺线管电感电位差为I和5的半圈线圈分别位于第一层金属和第三层金属，其电位差为6和2的半圈线圈分别位于第一层金属和第三层金属，第二层金属上电位分别为3和4，自上到下电感左半线圈上电感的电位分别为1、3、5(对应第一金属层、第二金属层、第三金属层)，右半金属线圈上电感的电位分别为6、4、2(对应第一金属层、第二金属层、第三金属层)。该走线方式将电位差相差较大的电感线圈在垂直方向上的间距加大，从而降低了垂直方向上电感线圈间的寄生电容，且保持了良好的对称特性。本发明将传统的差分电感线圈分布在多层上实现，对相同圈数的差分电感，该发明所述电感所需面积更小，且降低了高频时临近效应的影响，降低了电感的高频寄生电阻，从而获得更高的品质因数。由于本发明的电感线圈在垂直方向有较大部分相互重叠，从而该电感具有较大的电感值。
[0032]差分螺线管电感第一层金属线圈与第三层金属线圈有3/4圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/4圈，金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。
[0033]差分螺线管电感第一、三层金属线圈与第二层金属线圈有1/2圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/2圈，金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。
[0034]以三层金属、四边形差分螺线管电感为例做仿真，仿真结果如图9所示。仿真结果表明本发明所述结构电感的自谐振频率较传统的差分螺线管有很大的提高，品质因数略有提升。
[0035]图4中所示上下层金属有较大部分相互重叠，这可以充分利用层间金属之间的互感，提闻电感的品质因数Q。
[0036]本发明的一种实施方式是在标准的六层金属射频集成电路工艺上制作电感，以外径为100微米的电感为例。其最上层线圈图形如附图6所示，电感线圈宽度为8微米。其中、下层线圈图形如图7、8所示，线圈宽度与上层金属相同。上下层线圈通过层间通孔及层间金属连接，从而实现上下层之间的连接。[0037]所述金属线圈可以为四边形，也可是圆形或其它形状。所述多层金属线圈在通孔处的连接方式不局限于本发明示例的连接方式。
[0038]本发明所述的结构不限于三层电感，其他多层电感也可是适用。本发明优先适用于上层金属线圈为顶层金属的情况，但其他多层的电感的其他金属层也可以适用。
[0039]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种差分螺线管电感，其特征在于，包括一个或多个电感单元，所述电感单元具有三层金属线圈:第一层、第二层、第三层；所述第一层金属线圈上有两个电感端口 ；上下层金属线圈通过层间通孔互连；所述第一层金属线圈从一个电感端口开始，经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第三层金属线连接；所述第三层金属经过半圈走线，通过一层层间通孔及金属连线和所述第二层金属线连接；所述第二层金属经过一圈走线，通过一层层间通孔和所述第三层金属线连接；所述第三层金属线圈经过半圈金属走线，通过两层层间通孔及金属连线和所述第一层金属线连接；所述第一层金属线圈经过半圈金属走线，从另一个电感端口引出。
2.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中所述金属线圈览度相问。
3.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中所述金属线圈的厚度均不相等。
4.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中上下层金属线圈图形对称。
5.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中所述第一层金属线圈与第三层金属线圈有3/4圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/4圈，所述第一层金属线圈与第三层金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。
6.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中所述第一层、第三层金属线圈与所述第二层金属线圈有1/2圈在垂直方向相互重叠，在有通孔连接的1/2圈，所述第一层、第三层金属线圈与所述第二层金属线圈在垂直方向上交叉连接，线圈不重叠。
7.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，每个电感单元中所述金属线圈为四边形、多边形或圆形。
8.如权利要求1所述的差分螺线管电感，其特征在于，所述多个电感单元依次连接。
【文档编号】H01L23/64GK104037165SQ201410247035
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】庄奕琪, 李振荣, 邱肖, 汤华莲, 李小明, 李聪, 刘伟峰, 曾志斌, 靳刚 申请人:西安电子科技大学