芯片上的具有磁性的隔离型功率转换器的制造方法
【专利说明】芯片上的具有磁性的隔离型功率转换器
[0001 ] 本申请是进入中国国家阶段日期为2013年12月30日、申请号为201280032352.4，发明名称为“芯片上的具有磁性的隔离型功率转换器”的发明专利申请的分案申请。
[0002]优先权声明
[0003]本申请受益于2011年6月30日提交的临时申请s.η.61/503，578的优先权，该临时申请的公开内容并入本文。
【背景技术】
[0004]本申请的主题涉及在集成电路上实施的磁路，所述集成电路用于提供源自于磁路的功能，例如电压转换。
[0005]具有空气芯磁路的变压器有局限性，部分归因于空气芯磁路的高电阻和低电感。例如，在空气芯磁路中，可以将功率辐射回可能影响电磁干扰(EMI)的集成电路(IC)的电源平面或接地平面。为了减轻空气芯磁路中的EMI的影响，设计者必须在设计电路和包括空气芯的绕组的物理参数上花很多的精力。因为EMI与频率成比例，所以当施加高频率信号时，EMI的影响是特别重要的。由于所产生的高电流，印刷电路板(PCB)设计者也必定会担忧EMI影响。辐射功率也是一个问题，因为它可能干扰未连接到PCB的其它电路。
[0006]此外，空气芯磁路不是有效的，并且这些电路的封装可能限制可提供的功率。例如，芯片上的功率耗散可能限制可由片上变压器提供的功率。因此，可提供的功率量受到电路效率和封装可应付多少功率的限制。通常需要供应太多附加功率以克服由于空气芯磁路的无效率而导致的功率损失。
[0007]为了克服空气芯磁路的局限性，设计者在变压器中包括磁芯以增加绕组电感和功率转换效率，导致较低电感器峰值电流和减少的功率消耗。增加的绕组电感和功率转换效率还减少与其它部件的干扰，因为可使用较低的开关频率并且磁通量由于磁芯的添加而受到更多约束。在变压器中包括磁芯增加每单位面积的电感，这提供更高的能量密度并且允许设备小型化。
[0008]可使用隔离式变压器构造具有磁芯的变压器。隔离式变压器在相关的电路之间提供电隔离。例如，当需要保护电路免受信号尖峰或浪涌时，可使用隔离式变压器。然而，现有的隔离式变压器会需要较大的空间。此外，当变压器非常接近于其它电路部件时，存在提高效率以及将变压器与其它电路部件充分地隔离的挑战。
【附图说明】
[0009]图1(a)和图1(b)图示根据本发明的实施方案的片上变压器的示例性配置。
[0010]图2图示根据本发明的实施方案的具有通量导体的片上变压器的示例性配置。
[0011]图3图示根据本发明的实施方案的具有磁芯的片上变压器的示例性配置。
[0012]图4图示根据本发明的实施方案的具有两个磁芯的片上变压器的示例性配置。
[0013]图5图示根据本发明的实施方案的具有磁芯的片上变压器的示例性配置。
[0014]图6图示根据本发明的实施方案的集成电路的截面图。
[0015]图7图示根据本发明的示例性实施方案的可使用具有磁芯的片上变压器的功率转换器系统。
[0016]图8图示根据本发明的实施方案的具有布置在衬底的相同侧上的磁芯和通量导体的片上变压器的示例性配置。
【具体实施方式】
[0017]本发明的实施方案可提供具有变压器的集成电路，该变压器具有环绕为磁通量提供路径的磁芯缠绕的一个或多个绕组。介电材料可以被包括以在磁芯和绕组之间提供电气绝缘。变压器可以设置在衬底上。绕组和磁芯可以被定向成为磁通量提供路径，该路径沿平行于衬底(变压器形成于其上)的表面的方向。通量导体可以设置在衬底的另一个表面上，以提高通过变压器的通量传导。集成电路可用一些层制造。
[0018]具有第一绕组和第二绕组的变压器可具有围绕磁芯的第一部分的第一绕组和围绕磁芯的第二部分的第二绕组。第一绕组和第二绕组中的至少一个可占据集成电路的一些层中的若干层。磁芯也可占据集成电路的一些层中的若干层。
[0019]磁芯可以是实芯的，可以包括多个空隙或可以是多段芯，具有在相邻的段之间的至少一个空隙中提供的介电材料。单个棒芯具有最高的面积效率，因为在相同表面上的一对核芯将占据更大的面积以提供相同的通量传导。然而，使用单个棒芯可能由于漏通量而增加EMI。集成电路可包括布置成与具有第一绕组和第二绕组的磁芯相邻的第二磁芯。如果具有第一绕组和第二绕组的磁芯布置在衬底的一侧上，则可在衬底的相对侧上提供第二磁芯。第二磁芯可协助“封闭”通量回路，无需集成电路上的额外的表面面积。第二磁芯可以简单地为铁素体-环氧树脂层(ferrite loaded epoxy layer)或具有大于沉积薄膜或涂层薄膜的导磁率的导磁率的其它薄膜。
[0020]磁芯可包括开口，第一绕组和第二绕组通过该开口围绕磁芯。在磁芯具有开口的情况下，第一绕组可围绕开口的一侧上的磁芯，并且第二绕组可围绕开口的相对侧上的磁芯。
[0021]第一绕组和第二绕组可围绕磁芯的相同部分。在这样的配置的情况下，第一绕组和第二绕组可环绕磁芯的相同部分互相缠绕且彼此不接触。还可在互相缠绕的绕组和磁芯之间提供介电材料以在绕组之间以及在绕组和磁芯之间提供隔离。
[0022]在集成电路上提供的变压器的实施方案可以包括两个磁芯，该两个磁芯具有围绕各个磁芯的一个或多个绕组。例如，第一磁芯可由第一绕组包围并且第二磁芯可由第二绕组包围。多个绕组也可以围绕各个磁芯，并且各绕组可围绕多个磁芯。例如，第一磁芯可由第一绕组包围，并且第二绕组和第二磁芯可由第一绕组和第二绕组包围。绕组可环绕相应的磁芯的相同部分互相缠绕且彼此不接触。
[0023]图1(a)和图1(b)图示根据本发明的实施方案的片上变压器的示例性配置。图1(a)示出根据本发明的实施方案的上芯片变压器100的顶视图。变压器100可以包括为磁通量提供路径的磁芯110、环绕磁芯110缠绕的一个或多个绕组120和在磁芯110和绕组120之间提供电气绝缘的介电材料130。
[0024]为磁通量提供路径的磁芯110可以占据集成电路的一些层中的若干层。例如，第一绕组120可以通过若干层的第一部分在磁芯110的多个侧上围绕磁芯110，并且第二绕组120可以通过若干层的第二部分在磁芯110的多个侧上围绕磁芯。如图1(a)中所示，第一绕组120可以在磁芯110的第一部分中在磁芯110的多个侧上围绕磁芯110，并且第二绕组120可以在磁芯110的第二部分中在磁芯110的多个侧上围绕磁芯110，磁芯110的第二部分不同于磁芯110的第一部分。第一绕组和第二绕组120可以围绕磁芯110使得绕组120环绕磁芯110。
[0025]图1(b)图示图1(a)的变压器100的截面图。如图示的，变压器100可以在衬底140上建构。磁芯110和绕组120可以被定向成沿平行于衬底140(变压器100形成于其上)的表面的方向传导磁通量。在磁芯和绕组120之间提供的介电材料130可以是隔离层。隔离层可以是具有高介质击穿的绝缘层，诸如聚酰亚胺、二氧化硅、氮化硅等。磁芯110层可以是具有高导磁率的层，诸如NiFe和FeCo基合金。
[0026]磁芯110和绕组120的定向允许根据常规集成电路制造技术来制造变压器100。使用半导体掩模和影印石版术，可以在多个材料沉积层中构建绕组120、介电材料130和磁芯110。在一个实例中，形成变压器100的“后表面”的绕组迹线，变压器的接触衬底140的一部分可在制造的第一阶段中被构建。介电层130的应用可能在随后的制造阶段中出现，以填充绕组迹线之间的间隙区并且还覆盖绕组迹线。在另一个阶段中，代表磁芯110的材料可以铺设在介电层130上。介电材料的附加沉积可以适用于包绕电介质中的磁芯110。在稍后的阶段中，金属材料可以被沉积在后绕组迹线的暴露区域上以构建“侧”迹线。此外，金属材料可以被沉积在磁芯110的电介质覆盖的前侧上以在变压器100的前侧上构建迹线并且完成绕组 120。
[0027]图2图示根据本发明的实施方案的具有通量导体的片上变压器200的示例性配置。如图2中所示，变压器200的结构可包括磁芯210，环绕磁芯210缠绕的一个或多个绕组220、介电材料230、衬底240和通量导体250。一个或多个电路部件260可以布置在衬底240上。一个或多个电路元件可以耦接到绕组220。
[0028]可在衬底240的相对侧上将通量导体250提供给磁芯210。磁芯210、通量导体250和衬底240的其它布置是可能的。可直接在衬底240的表面上提供通量导体250。替代地，电介质可布置在通量导体250和衬底240之间。可在通量导体250的一个或多个侧上提供电介质。通量导体250可提供附加通量路径，因而来自磁芯