一种集成变压器的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种集成变压器。

背景技术：

变压器是一种利用电磁互感应，实现变换电压，电流和阻抗的器件，是射频集成电路中的重要组件，变压器被广泛地使用在射频集成电路中。然而，变压器往往会占用大量的芯体体积，因此，需要缩小集成电路中变压器的面积。

现有技术中，为了缩小变压器的体积，出现了由多个金属层层叠组成的集成变压器，多个金属层的层叠设计减少了集成变压器的体积。

但这样的集成变压器大部分都是通过将多个金属层进行完全相互贴合而形成的，这类由完全贴合的多层金属层组成的集成变压器，相互贴合的多个金属层之间容易在趋肤效应的影响下成为一个“整体”，使得集成变压器内的电流集中在这个“整体”的表面，换而言之，多个金属层中只有最外层的表面才是电流的有效截面，这使得无论集成变压器具有多少金属层，电流的有效截面均为上、下、左、右四个截面，导致集成变压器的性能不佳，即便可以通过增加金属层数来增加有效截面，增加的有效截面也比较少，使得集成变压器的有效电流不足，降低了集成电路中集成变压器的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成变压器，以解决现有技术中集成变压器性能不佳的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种集成变压器，包括：

多个层叠设置的金属层，各所述金属层设有线圈；

多个介质层，各所述介质层位于相邻两所述金属层之间，各所述介质层上设有通孔；

相邻两所述金属层中线圈的输入端之间通过所述介质层中输入端对应的通孔连接，相邻两所述金属层中线圈的输出端之间通过所述介质层中输出端对应的通孔连接。

进一步地，各所述金属层的结构均相同。

进一步地，所述线圈包括主级线圈和次级线圈，所述主级线圈和所述次级线圈之间相互耦合，相邻两所述金属层的所述主级线圈通过对应通孔连接，相邻两所述金属层的所述次级线圈通过对应的通孔连接。

进一步地，所述主级线圈包括一匝或多匝子线圈，所述次级线圈包括一匝或多匝子线圈。

进一步地，所述主级线圈中每一匝子线圈之间串联或并联连接，所述次级线圈中每一匝子线圈之间串联或并联连接。

进一步地，所述主级线圈包括第一子线圈和第二子线圈，所述次级线圈包括第三子线圈和第四子线圈。

进一步地，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间并联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间串联连接。

进一步地，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间串联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间并联连接。

进一步地，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间并联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间并联连接。

进一步地，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间串联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间串联连接。

本发明提供的一种集成变压器的有益效果在于：上述集成变压器包括多个层叠设置的金属层，各金属层设有线圈；多个介质层，各介质层位于相邻两金属层之间，各介质层上设有通孔；相邻两金属层中线圈的输入端之间通过介质层中输入端对应的通孔连接，相邻两金属层中线圈的输出端之间通过介质层中输出端对应的通孔连接；本发明中，在金属层与金属层之间设置介质层，介质层上设有通孔，相邻两金属层的线圈通过对应的通孔连接，使得集成变压器的金属层之间仅需在介质层上设置通孔即可连接，不需要金属层之间完全贴合就实现电流的流通，大大减少了趋肤效应所带来的影响，使得每个金属层都具有上、下、左、右四个有效截面，金属层的层数越多，有效截面越大，通过增加金属层的层数，可极大地增加集成变压器电流的总有效截面，从而有效提高集成变压器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的集成变压器的两层金属层结构示意图；

图2为现有集成变压器的两层金属层带电流的有效截面示意图；

图3为本实施例提供的集成变压器的两层金属层带电流的有效截面示意图；

图4为本实施例提供的集成变压器的一金属层俯视图；

图5为本实施例提供的集成变压器的一金属层俯视线圈图；

图6为本实施例提供的集成变压器电感仿真结果示意图；

图7为本实施例提供的集成变压器品质仿真结果示意图；

图8为本实施例提供的集成变压器耦合仿真结果示意图；

图9为本实施例提供的集成变压器匝数比仿真结果示意图。

其中，图中各附图标记：

1-上层金属层；2-下层金属层；3-连接端口；

4-金属层俯视图；41-主级线圈；411-主级线圈的第一输入端；412-主级线圈的第二输入端；42-次级线圈；421-次级线圈的第一输出端；422-次级线圈的第二输出端；

5-金属层俯视线圈图；51-主级线圈；511-第一线圈；512-第二线圈；52-次级线圈；521-第三线圈；522-第四线圈；

01-本发明集成变压器的仿真结果；02-现有集成变压器的仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明提供的一种集成变压器进行说明。所述集成变压器包括：

多个层叠设置的金属层，各所述金属层设有线圈；

多个介质层，各所述介质层位于相邻两所述金属层之间，各所述介质层上设有通孔；

相邻两所述金属层中线圈的输入端之间通过所述介质层中输入端对应的通孔连接，相邻两所述金属层中线圈的输出端之间通过所述介质层中输出端对应的通孔连接。

相邻两金属层的线圈的输入端穿过介质层中输入端对应的通孔连接，相邻两金属层的线圈的输出端穿过介质层中输出端对应的通孔连接，以使得集成变压器中的上层金属层与下层金属层之间通过介质层上对应的通孔进行连接，以实现集成变压器金属层之间的连通，并使得各金属层之间不完全贴合连接。

例如，请参阅图1，如图1所示，以集成变压器的金属层为两层为例，介质层上设有的通孔，上层金属层1的输出端与下层金属层2的输出端穿过介质层上的输出端对应的通孔进行连接，形成连接端口3，此外，上层金属层1的输入端与下层金属层2的输入端也穿过介质层上的输入端对应通孔进行连接，使得上层金属层1与下层金属层2之间通过介质层上的通孔直接连接。

需要理解的是，现有集成变压器大部分都是通过将多个金属层进行完全相互贴合而形成的，这类由完全贴合的多金属层组成的变压器，金属层与金属层之间完全贴合会导致趋肤效应，相互贴合的多个金属层之间容易在趋肤效应的影响下成为一个“整体”，使得内的电流集中在这个“整体”的表面，也就是说多个中最外层的表面才是电流的有效截面，这使得不管具有多少金属层，电流的有效截面均为上、下、左、右四个截面，导致的性能不佳，即便可以通过增加金属层数来增加有效截面，增加的有效截面也比较少。

本实施例中，集成变压器中的上层金属层与下层金属层之间通过对应的通孔进行连接，具体地，上层金属层的线圈与下层金属层的线圈直接穿过对应的通孔连接，以实现上层金属层与下层金属层之间的连通，并使得各金属层之间不完全贴合连接。

以集成变压器的金属层为两层为例，如图2所示，图2为集成变压器中两层金属层带电流的有效截面图，现有的集成变压器中金属层与金属层之间完全贴合，电流流过完全贴合的金属层的电流的有效截面为a、b、c、d、g和h，而本实施例提供的集成变压器，设有介质层，金属层与金属层之间只在输入端和输出端处通过介质层上的对应的通孔进行连接，如图3所示，金属层与金属层之间不贴合，上层金属层的有效截面为a、b、f、d，下层金属层的有效截面为e、g、c、h，与现有集成变压器相比，增加了e、f两个不贴合的金属层截面。因此，本发明提供的集成变压器，可以通过增加集成变压器中金属层的层数，即可增大集成变压器的带电流的总有效截面，金属层的层数越多，集成变压器带电流的总有效截面越大，从而增加了集成变压器在趋肤效应下带电流的有效截面，提高了集成变压器的性能。

本发明中，集成变压器包括多个层叠设置的金属层，各金属层设有线圈；多个介质层，各介质层位于相邻两金属层之间，各介质层上设有通孔；相邻两金属层中线圈的输入端之间通过介质层中输入端对应的通孔连接，相邻两金属层中线圈的输出端通过介质层中输出端对应的通孔连接；本发明中，在金属层与金属层之间设置介质层，介质层上设有通孔，相邻两金属层的线圈通过对应的通孔连接，使得集成变压器的金属层之间仅需在介质层上设置通孔即可连接，不需要金属层之间完全贴合就实现电流的流通，大大减少了趋肤效应所带来的影响，使得每个金属层都具有上、下、左、右四个有效截面，金属层的层数越多，有效截面越大，通过增加金属层的层数，可极大地增加集成变压器电流的总有效截面，从而有效提高集成变压器的性能。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，各所述金属层的结构均相同。

例如，每层金属层中的线圈位置、结构相同，每个介质层中对应的通孔位置、大小也相同，使得金属层与金属层之间直接可以相互匹配叠合，使得不同金属层里面主级线圈重叠，次级线圈也重叠，从俯视角度看本发明的集成变压器，每层金属层上的线圈之间层层叠合，以便在集成变压器的某线圈出现故障时，可直接使用其他金属层替换，方便快捷。

本实施例中，各金属层的结构完全相同仅为示例性说明，在其他实施例中，各金属层的结构还可以是其他。在此不再赘述。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述线圈包括主级线圈和次级线圈，所述主级线圈和所述次级线圈之间相互耦合，相邻两所述金属层的所述主级线圈之间通过对应的通孔连接，相邻两所述金属层的所述次级线圈之间通过对应的通孔连接。

例如，如图4所示，图4为某一层金属层的俯视图，包括主级线圈41和次级线圈42，其中，主级线圈41包括第一输入端411和第二输入端412，次级线圈42包括第一输出端421和第二输出端422，主级线圈41的第一输入端411与相邻金属层的主级线圈的第一输入端连接，主级线圈41的第二输入端412与相邻金属层的主级线圈的第二输入端连接，次级线圈42的第一输出端421与相邻金属层的次级线圈的第一输出端连接，次级线圈42的第二输出端422与相邻金属层的次级线圈的第二输出端连接。

其中，在保证集成变压器带电流的总有效截面不变的情况下，通过增加集成变压器中的层叠设置的金属层的个数，可以将每层金属层上主级线圈和次级线圈的宽度设计得越窄/细，以有效减小金属层的平面面积，从而有效节省集成变压器的体积。

本实施例中，金属层包括主级线圈和次级线圈，主级线圈和次级线圈之间相互耦合，此外，由于集成变压器的可以金属层完全相同，每层金属层的主级线圈之间依次通过介质层上的通孔相互连接，即上层金属层的主级线圈的输出端与下层金属层的主级线圈的输出端通过输出端对应的通孔连接，每层金属层的次级线圈之间也依次通过介质层上对应的通孔相互连接，即上层金属层的次级线圈的输入端与下层金属层的次级线圈的输入端通过输入端对应的通孔连接，以实现集成变压器金属层之间的连通，并使得各金属层之间不完全贴合连接。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，各所述介质层的厚度不同，以便于根据需求调整集成变压器内的介质层厚度。所述介质层的厚度会影响趋肤效应，集成变压器中介质层厚度不同，集成变压器的性能不同。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，主级线圈和次级线圈的线圈形状可以为菱形、长方形、弧形等任意形状，以便于根据需求调整集成变压器内的线圈形状。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述主级线圈包括一匝或多匝子线圈，所述次级线圈包括一匝或多匝子线圈，使得用户可根据需求调整集成变压器的线圈匝数。

本实施例中，介质层上通孔的数量会根据金属层中线圈的实际情况变化，在相邻的两层金属层中，只要保证上层金属层的主级线圈所包含的每一子线圈与下层金属层的主级线圈所包含的每一子线圈之间相互连接上，上层金属层的次级线圈所包含的每一子线圈与下层金属层的次级线圈所包含的每一子线圈之间相互连接上即可，主级线圈和次级线圈所包含的每一子线圈之间的耦合相对位置关系可根据实际情况自定义设定。

进一步地，主级线圈和次级线圈所包含的子线圈的数量可以相同也可以不同，可根据集成变压器的实际需求调整。

进一步地，所述主级线圈中每一匝子线圈之间串联或并联连接，所述次级线圈中每一匝子线圈之间串联或并联连接。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述主级线圈包括第一子线圈和第二子线圈，所述次级线圈包括第三子线圈和第四子线圈。

其中，主级线圈和次级线圈中所包含的子线圈可以以并联方式和/或串联方式组装，以是各金属层上的线圈获得所需的阻抗匹配。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间串联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间串联连接。

例如，第一子线圈和第二子线圈之间串联连接，第三子线圈和第四子线圈之间串联连接。主级线圈和次级线圈的匝数比为1:1，匝数比的平方等于阻抗比，当匝数比为1:1时，阻抗比为1:1。

例如，如图5所示，图5为一金属层的俯视线圈平面图。图5中的黑色线圈51为主级线圈，主级线圈包括第一子线圈511和第二子线圈512，第一子线圈511和第二子线圈512之间串联连接，图5中的黑色线圈52为次级线圈，次级线圈包括第三子线圈521和第四子线圈522，第三子线圈521和第四子线圈522之间串联连接。主级线圈51和次级线圈52的阻抗匹配比为1:1。其中，其中，黑色圆圈为该金属层与相邻金属层进行连接的端口位置，即介质层上的通孔位置。通孔的个数和实际位置的设定可根据实际情况设定，只要保证金属层的主级线圈所包含的每一子线圈与相邻金属层的主级线圈所包含的每一子线圈之间相互连接上，金属层的次级线圈所包含的每一子线圈与相邻金属层的次级线圈所包含的每一子线圈之间相互连接上即可。

需要说明的是，上述图示只表示本发明的部分实施例，主级线圈和次级线圈所包含的子线圈的匝数可根据实际情况自定义设定，主级线圈和次级线圈的线圈粗细可根据实际情况自定义设定，主级线圈和次级线圈所包含的每一子线圈之间的耦合位置关系也可以根据实际情况自定义设定。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间并联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间串联连接。

例如，第一子线圈和第二子线圈之间并联连接，第三子线圈和第四子线圈之间串联连接。主级线圈和次级线圈的匝数比为2:1，匝数比的平方等于阻抗比，当匝数比为2:1时，阻抗比为4:1。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间串联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间并联连接。

例如，第一子线圈和第二子线圈之间串联连接，第三子线圈和第四子线圈之间并联连接。主级线圈和次级线圈的匝数比为1:2，匝数比的平方等于阻抗比，当匝数比为1:2时，阻抗比为1:4。

进一步地，作为本发明提供的集成变压器的一种具体实施方式，所述第一子线圈和所述第二子线圈之间并联连接，所述第三子线圈和所述第四子线圈之间并联连接。

例如，第一子线圈和第二子线圈之间并联连接，第三子线圈和第四子线圈之间并联连接。主级线圈和次级线圈的匝数比为2:2，匝数比的平方等于阻抗比，当匝数比为2:2时，阻抗比为4:4。

本发明中，以集成变压器的金属层为两层，主级线圈包括第一子线圈和第二子线圈，次级线圈包括第三子线圈和第四子线圈，第一子线圈和第二子线圈之间并联连接，第三子线圈和第四子线圈之间串联连接为例，利用仿真软件对本发明中的集成变压器和现有集成变压器(金属层完全贴合)进行了仿真，仿真结果如图6、图7和图8所示。

其中，图中的黑粗线01表示本发明集成变压器的仿真结果，黑细线02表示现有集成变压器的仿真结果，图6表示集成变压器的电感情况，横轴为频率(freq，单位ghz)，纵轴l为电感，lpri为主级线圈的电感，lsec为次级线圈的电感，在集成变压器中，电感越平缓表示集成变压器的性能越好，从图6可以看出，本发明提供的集成变压器的电感曲线明显比现有集成变压器的电感曲线平缓，本发明提供的集成变压器的性能好于现有集成变压器的性能；图7表示集成变压器的品质情况，横轴为频率(freq，单位ghz)，纵轴l为品质因子，lpri为主级线圈的品质因子，lsec为次级线圈的品质因子，在集成变压器中，品质因子越大指示集成变压器的能量损耗得越慢，从图7可以看出，本发明提供的集成变压器的品质因子曲线比现有集成变压器的品质因子曲线表现好，本发明提供的集成变压器的能量损耗低于现有集成变压器的能量损耗；图8为集成变压器的耦合效率情况，横轴为频率(freq，单位ghz)，纵轴k为耦合系数，在集成变压器中要求耦合系数随频率波动越小越好，从图8可以看出，本发明提供的集成变压器的耦合效率曲线比现有集成变压器的耦合效率曲线平缓，本发明提供的集成变压器的耦合系数随频率波动较小。

本发明中，以集成变压器的金属层为两层为例，还利用仿真软件对本发明中的集成变压器和现有集成变压器(金属层完全贴合)中匝数比随频率的变化情况进行了仿真，仿真结果如图9所示，图中的黑粗线表示本发明集成变压器的仿真结果，黑细线表示现有集成变压器的仿真结果，横轴为频率(freq，单位ghz)，纵轴t为线圈匝数比，在集成变压器中要求线圈匝数比随频率波动越小越好，从图9可以看出，本发明提供的集成变压器的线圈匝数比曲线比现有集成变压器的线圈匝数比曲线平缓，本发明提供的集成变压器的线圈匝数比随频率波动较小。

本发明所述的集成变压器的工作原理：在金属层与金属层之间设置介质层，并在介质层上设置通孔，使得集成变压器写的金属层之间仅需在介质层上设置通孔即可连接，不需要金属层之间完全贴合就实现电流的流通，以实现集成变压器金属层之间的连通，并使得各金属层之间不完全贴合连接，大大减少了趋肤效应所带来的影响，使得每个金属层都具有上、下、左、右四个有效截面，金属层的层数越多，有效截面越大，可以通过增加集成变压器中金属层的层数，即可增大集成变压器的带电流的总有效截面，金属层的层数越多，集成变压器带电流的总有效截面越大，从而增加了集成变压器在趋肤效应下带电流的有效截面，从而有效提高集成变压器的电感、品质因子及耦合系数等性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。