调谐无源器件的电感率的制作方法
【专利摘要】一种包括器件的装置，该器件包括在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐该初级绕组和该次级绕组中的一个的电感。一种方法包括在衬底上形成阻抗匹配变压器器件，该器件包括以横向耦合布局在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐该初级绕组和该次级绕组中的一个的电感。
【专利说明】调谐无源器件的电感率
[0001 ] 背景
[0002]题堡
[0003]集成电路器件。
[0004]相关技术描述
[0005]诸如变压器和线圈之类的无源电感元件通常不能通过向下缩减集成电路(IC)技术进行缩放。在射频(RF)互补金属氧化物半导体(CMOS)中，蜂窝和连通性收发器变压器是阻抗匹配应用的关键元素。变压器布局设计可以容易地占据一平方毫米之上的面积以便满足规定的频率和电感率(inductance rat1)。
[0006]低成本CMOS工艺通常具有可用于电感器和变压器器件的两个顶部通常较厚的金属层。具有双层面金属重分布层(two level metal redistribut1n layer)的封装体中的线圈也可用于电感器和变压器应用。
[0007]变压器设计通常要求初级绕组和次级绕组之间的高耦合系数(k)以便实现最大能量传送。耦合因数k可具有0(无耦合)与1(高耦合)之间的值。通常存在适用于硅芯片或封装体技术的针对高耦合因数的两种类型的变压器:两个相邻金属层(例如，芯片的末级和次末级金属层)中的垂直耦合的变压器和横向耦合的变压器。针对芯片上或封装体上的高耦合(耦合因数大于7)，这些技术的设计规则，变压器的面积、金属(例如，顶部金属I和顶部金属2之间)之间的间隔距离以及金属的电导率经常偏向于横向耦合的变压器设计。
[0008]双金属横向親合的变压器(twometal laterally coupled transformer)的问题是调谐到初级绕组和次级绕组之间的所需电感率。例如，通常不可能通过横向耦合的变压器得到高于3:1的电感率。
[0009]附图简要描述
[0010]图1示出在封装体上芯片的相邻金属层中有代表性地形成的阻抗匹配变压器器件的变压器的实施例。
[0011 ]图2示出图1的变压器的电感差分。
[0012]图3示出变压器器件的另一个实施例。
[0013]图4示出图3的器件的电感差分。
[0014]图5示出计算设备的实施例。
[0015]详细描述
[0016]描述了一种包括无源器件(诸如芯片上或封装体上变压器)的装置，该无源器件包括在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地连接的初级绕组和次级绕组。针对初级绕组和次级绕组之间的目标电感率调谐初级绕组和次级绕组之一的电感。还描述了在双层金属层叠中构造器件布局以调谐初级绕组和次级绕组之一的电感来得到目标初级-次级电感率(primary to secondary inductance)的方法。
[0017]在一个实施例中，器件是无源器件，该无源器件是变压器。在一个代表性示例中，射频(RF)收发器电路要求具有量级为2.5毫微亨(nH)的初级电感和量级为0.7nH的次级电感且在2千兆赫(GHz)的操作频率下具有高耦合系数(例如，大于0.7)的阻抗匹配变压器。以下变压器器件布局示出被调谐以便满足此代表性示例的器件。
[0018]图1示出RF收发器电路的阻抗匹配变压器器件的变压器的实施例，该变压器以芯片的相邻金属层的形式代表性地形成。图1示出包括芯片105连接到其上的封装体衬底102的封装体的一部分的侧视图。芯片105例如是RF基带管芯。还连接到封装体衬底102上的是次级芯片106，诸如存储器芯片。在所示实施例中，芯片105和次级芯片106被安排在堆叠式安排中。在另一个实施例中，这些芯片以并排安排被组装在封装体10中。图1还示出包括变压器器件100的芯片105的器件侧的一部分的放大俯视图。在本实施例中，变压器器件100包括初级绕组IlOA和初级绕组IlOB以及次级绕组120A和次级绕组120B。初级绕组和次级绕组在横向耦合的布局中在芯片或封装体的两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合。这些绕组交叉缠绕成四边形螺旋(例如，正方形或矩形螺旋)，其中，每个绕组具有宽度为w的导电金属层和相邻绕组之间的间隔。在一个实施例中，这些绕组是由导电材料(诸如铜材料)通过常规技术(诸如图案化和沉积(例如，播种(seeding)和电镀))在例如芯片或封装体的顶部的两个金属层中形成的。在一方面，每个绕组包括由该绕组和相邻外部绕组(如所示)之间的间隔定义的周界尺寸。对于所有但非最内侧绕组而言，该绕组和相邻外部绕组之间的间隔d在四边形螺旋的四侧中的每一侧上相同或大致相同。如本实施例中所示，最内侧绕组(次级绕组)包括由这种绕组和相邻外部绕组之间的间隔所定义的周界尺寸，其中，一侧上的间隔D不同于该绕组的其他侧上的间隔d。该绕组的一侧上的间隔D显著地大于其他三侧上的间隔d。因此，如果间隔在所有侧上保持恒定，则变压器器件100的最内侧绕组与相比于这种缩放可允许的可用面积而言减少(缩放地更小)。在所示实施例中，该绕组的一侧上的间隔D是相对于相邻绕组的上侧或顶侧。在另一个实施例中，间隔D可以相对于相邻绕组的底侧或下侧或者相对于相邻绕组的左侧或右侧。
[0019]在一个实施例中，变压器器件100所占用的面积的量级为239χ239μπι2。在一个实施例中，变压器器件具有I.975GHz的频率;次级电感(U熾=6.967E-10);以及初级电感(1?=2.647E-9)。图2示出电感差分。如可见，通过减少交叉绕组(次级绕组)的周界，电感被缩放为匹配大约2.5nH的初级电感目标;并且次级电感的量级为0.7nH并且操作频率为2GHz。为了比较，如果最内侧绕组具有由四边形绕组的四侧中的每一侧上的相似间隔定义的周界尺寸，则变压器器件的面积将是相似的(239χ239μπι2);频率将是2.037GHz ;次级电感将是1.078E-9;并且初级电感将是2.645E-9。在这种情况下，由于次级电感是InH，将无法获得期望的电感率(Um:1?量级为0.7:2.5)。
[0020]图3示出变压器器件的绕组的缩放的另一个实施例。在本实施例中，经缩放的变压器器件中不存在附加面积并且可以灵活地调谐初级绕组或次级绕组的电感。图3示出在例如是芯片或封装体中的衬底205中形成的器件200。在一个实施例中，衬底205是芯片或管芯(例如，RF基带管芯)并且连接到还包括一个或多个存储器芯片的封装体衬底。类似于器件100，器件200在一个实施例中是包括以横向耦合的布局交叉缠绕并且磁性地耦合到衬底的金属层中的初级绕组210A和初级绕组210B以及次级绕组220A和次级绕组220B的阻抗匹配变压器器件。该器件交叉缠绕成初级绕组和次级绕组的四边形螺旋，如本领域已知的，且该绕组的顶侧或上侧由符号T表示。在本实施例中，每个绕组包括由该绕组和相邻外部绕组之间的间隔d定义的周界尺寸，其中间隔d在每个四边形螺旋的每一侧上相同。相对于最内侧绕组和最内侧绕组外部的绕组示出了绕组的每一侧上的间隔d。在本实施例中，最内侧绕组是次级绕组。除了初级和次级绕组之外，器件200包括由例如导电材料制成的分流迹线(shunt trace )230。在一个实施例中，分流迹线230连接在最内侧绕组的两个相对侧之间。通过在四边形螺旋内添加分流迹线230，附加电感被引入到器件中而不会增加器件的面积。如所示，分流迹线230平行于最内侧绕组并且可操作以便减小电感。分流迹线230例如是类似于器件200的初级和次级绕组的金属材料的金属材料。通常来讲，分流迹线230离绕组的顶部T的距离越远，次级电感就越低。分流迹线203的配置基本上是平行的两个电感器的平行配置形式的电感。
[0021 ]在一个实施例中，分流迹线230具有类似于绕组的维度的维度(宽度、厚度)。可在通过常规的图案化和沉积(例如，播种以及随后电镀)技术形成最内侧绕组时弓I入例如由铜材料制成的分流迹线230。
[0022]图4示出器件200的绕组的电感差分。该器件的属性是频率为1.975GHz;次级电感(Um=6.967E-10);以及初级电感(L搬=2.647E-9)。如所示，该器件符合初级电感大约为
2.5nH而次级电感为0.7nH并且在操作频率2GHz下耦合系数大于0.7的目标。被设置在最内侧绕组的相对侧之间以便创建平行于最内侧绕组的电感的分流迹线230提供了调谐电感的灵活性。分流线朝向P1、P2的定位将趋向于减少电感。在替代实施例中，(在图3中以虚线示出)，分流迹线可被放置在最外侧绕组上而不是最内侧绕组上。
[0023]图5示出根据一个实现方式的计算设备300。计算设备300容纳板302。板302可包括多个组件，包括但不限于处理器304和至少一个通信芯片306。处理器304物理地并且电气地耦合到板302。在一些实现方式中，至少一个通信芯片306也物理地并电气地耦合到板302。在进一步的实现方式中，通信芯片306是处理器304的一部分。
[0024]取决于其应用，计算设备300可包括可或可不物理地和电气地耦合到板302的其他组件。这些其他组件包括但不限于易失性存储器(例如DRAM)、非易失性存储器(例如R0M)、闪存、图形处理器、数字信号处理器、加密处理器、芯片组、天线、显示器、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编解码器、视频编解码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)器件、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、照相机和大容量存储器件(诸如硬盘驱动器、致密盘(CD)、数字通用盘(DVD)等等)。
[0025]通信芯片306可使得能够进行无线通信以便向和从计算设备300传递数据。术语“无线”及其衍生物可用于描述可通过使用经调制的电磁辐射经由非固态介质传递数据的电路、器件、系统、方法、技术、通信信道等等。该术语不暗示相关联的器件不包含任何电线，尽管在某些实施例中它们可能包含。通信芯片306可实现多种无线标准或协议中的任何一种，包括但不限于 W1-Fi (IEEE 802.1802.11家族)、WiMAX(IEEE 802.16家族)、IEEE802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、其衍生物，以及任何其他被指定为2G、3G、4G、5G的无线协议等等。计算设备300可包括多个通信芯片306。例如，第一通信芯片306可专用于短距离无线通信(诸如W1-Fi和蓝牙)，而第二通信芯片306可专用于长距离无线通信(诸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等等)。
[0026]计算设备300的处理器304包括封装在处理器304内的集成电路管芯。在某些实现方式中，处理器的集成电路管芯包括一个或多个器件，诸如根据以上描述的实现方式形成的阻抗匹配变压器。术语“处理器”可指代任何器件或处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以便将该电子数据转换成可存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的器件的一部分。
[0027]通信芯片306还包括封装在通信芯片306内的集成电路管芯。根据另一个实现方式，通信芯片的集成电路管芯包括一个或多个器件，诸如根据以上描述的实现方式形成的阻抗匹配变压器。
[0028]在进一步的实现方式中，容纳在计算设备300内的另一个组件可包含包括一个或多个器件的集成电路管芯，诸如根据以上描述的实现方式形成的阻抗匹配变压器。
[0029]在各个实现方式中，计算设备300可以是膝上计算机、上网本计算机、笔记本计算机、超极本计算机、智能电话、平板计算机、个人数字助理(PDA)、超移动PC、移动电话、桌上计算机、服务器、打印机、扫描仪、监视器、机顶盒、娱乐控制装置、数码相机、便携式音乐播放器、或数字录像机。在进一步的实现方式中，计算设备300可以是处理数据的任何其他电子器件。
[0030]示例
[0031]示例I是一种包括器件的装置，该器件包括在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐该初级绕组和该次级绕组中的一个的电感。
[0032]在示例2中，示例I所述的装置中的该器件被交叉缠绕成该初级绕组和该次级绕组与该变压器的最内侧绕组的四边形螺旋，该最内侧绕组包括由该最内侧绕组和与该螺旋的至少一侧不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。
[0033]在示例3中，示例2所述的装置中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0034]在示例4中，该最内侧绕组和相邻绕组之间的该间隔在该螺旋的至少一侧上比该螺旋的其他侧上更大。
[0035]在示例5中，示例4所述的装置中的该最内侧绕组和相邻绕组之间的该间隔在该螺旋的其他侧上相似。
[0036]在示例6中，示例I所述的装置中的该器件被交叉缠绕成该初级绕组和该次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋，该每个后续绕组包括由该绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，该间隔在该螺旋的每一侧上相似，并且进一步包括耦合在绕组的两个相对侧之间的分流迹线。
[0037]在示例7中，示例6所述的装置中的该分流迹线耦合到其上的该绕组是最内侧绕组。
[0038]在示例8中，示例7所述的装置中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0039]示例9是一种包括封装体的装置，该封装体包括(I)管芯，该管芯包括变压器器件，该变压器器件包括以横向耦合布局在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，并且针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐该初级绕组和该次级绕组中的一个的电感；以及(2)存储器芯片。
[0040]在示例10中，示例9所述的装置中的该变压器器件被交叉缠绕成该初级绕组和该次级绕组与该变压器的最内侧绕组的四边形螺旋，该最内侧绕组包括由该最内侧绕组和与该螺旋的至少一侧不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。
[0041]在示例11中，示例10所述的装置中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0042]在示例12中，示例10所述的装置中的该最内侧绕组和相邻绕组之间的该间隔在该螺旋的至少一侧上比该螺旋的其他侧上更大。
[0043]在示例13中，示例12所述的装置中的该最内侧绕组和相邻绕组之间的该间隔在该螺旋的其他侧上相似。
[0044]在示例14中，示例9所述的装置中的该变压器器件被交叉缠绕成该初级绕组和该次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋，该每个后续绕组包括由该绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，该间隔在该螺旋的每一侧上相似，并且进一步包括在绕组的两个相对侧之间的分流迹线。
[0045]在示例15中，示例14所述的装置中的该分流迹线耦合到其上的该绕组是最内侧绕组。
[0046]在示例16中，示例15所述的装置中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0047]示例17是一种方法，包括在衬底上形成阻抗匹配变压器器件，该器件包括以横向耦合布局在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐该初级绕组和该次级绕组中的一个的电感。
[0048]在示例18中，示例17所述的方法中的形成该变压器器件包括将该初级绕组和该次级绕组与该变压器的最内侧绕组交叉缠绕成四边形螺旋中，该最内侧绕组包括由该最内侧绕组和与该螺旋的至少一侧不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。
[0049]在示例19中，示例17所述的方法中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0050]在示例20中，示例19所述的方法中的该最内侧绕组和相邻绕组之间的该间隔在该螺旋的至少一侧上比该螺旋的其他侧上更大并且在该螺旋的其他侧上相似。
[0051]在示例21中，示例17所述的方法中的该变压器器件被交叉缠绕成该初级绕组和该次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋中，该每个后续绕组包括由该绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，该间隔在该螺旋的每一侧上相似，并且进一步包括在绕组的两个相对侧之间的分流迹线。
[0052]在示例22中，示例21所述的方法中的该分流迹线形成在最内侧绕组的相对侧之间。
[0053]在示例23中，示例22所述的方法中的该最内侧绕组包括次级绕组。
[0054]包括在摘要中描述的内容的所示实现方式的以上描述不旨在是排他性的或者将本公开的实施例限制为所公开的精确形式。尽管在此为了示意性的目的描述了本发明的特定实现方式和示例，在范围内，各种等效修改是可能的，正如本领域普通技术人员将认识到的那样。
[0055]可鉴于以上细节描述对本发明做出这些修改。在以下权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制到在说明书和权利要求书中公开的特定实现方式。而是，范围全部由以下权利要求书确定，应当根据权利要求解释的确定条文对其进行解释。
【主权项】
1.一种装置，包括: 器件，所述器件包括在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对所述初级绕组和所述次级绕组之间的目标电感率调谐所述初级绕组和所述次级绕组中的一个的电感。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述器件被交叉缠绕成所述初级绕组和所述次级绕组与所述变压器的最内侧绕组的四边形螺旋，所述最内侧绕组包括由所述最内侧绕组和与所述螺旋的至少一侧上不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组和相邻绕组之间的所述间隔在所述螺旋的至少一侧上比所述螺旋的其他侧上更大。5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组和相邻绕组之间的所述间隔在所述螺旋的其他侧上相似。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述器件被交叉缠绕成所述初级绕组和所述次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋，所述每个后续绕组包括由所述绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，所述间隔在所述螺旋的每一侧上相似，并且进一步包括耦合在绕组的两个相对侧之间的分流迹线。7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分流迹线耦合到其上的所述绕组是最内侧绕组。8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。9.一种装置，包括: 封装体，所述封装体包括:(I)管芯，所述管芯包括变压器器件，所述变压器器件包括以横向耦合布局在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，并且针对所述初级绕组和所述次级绕组之间的目标电感率调谐所述初级绕组和所述次级绕组中的一个的电感；以及(2)存储器芯片。10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述变压器器件被交叉缠绕成所述初级绕组和所述次级绕组与所述变压器的最内侧绕组的四边形螺旋，所述最内侧绕组包括由所述最内侧绕组和与所述螺旋的至少一侧上不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组和相邻绕组之间的所述间隔在所述螺旋的至少一侧上比所述螺旋的其他侧上更大。13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组和相邻绕组之间的所述间隔在所述螺旋的其他侧上相似。14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述变压器器件被交叉缠绕成所述初级绕组和所述次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋，所述每个后续绕组包括由所述绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，所述间隔在所述螺旋的每一侧上相似，并且进一步包括在绕组的两个相对侧之间的分流迹线。15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述分流迹线耦合到其上的所述绕组是最内侧绕组。16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。17.一种方法，包括: 在衬底上形成阻抗匹配变压器器件，所述器件包括以横向耦合布局在两个金属层中交叉缠绕并且磁性地耦合的初级绕组和次级绕组，其中，针对该初级绕组和该次级绕组之间的目标电感率调谐所述初级绕组和所述次级绕组中的一个的电感。18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成所述变压器器件包括将所述初级绕组和所述次级绕组与所述变压器的最内侧绕组交叉缠绕成四边形螺旋，所述最内侧绕组包括由所述最内侧绕组和与所述螺旋的至少一侧上不同的相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸。19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述最内侧绕组和相邻绕组之间的所述间隔在所述螺旋的至少一侧上比所述螺旋的其他侧上更大并且在所述螺旋的其他侧上相似。21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述变压器器件被交叉缠绕成所述初级绕组和所述次级绕组与每个后续绕组的四边形螺旋，所述每个后续绕组包括由所述绕组和相邻绕组之间的间隔定义的周界尺寸，所述间隔在所述螺旋的每一侧上相似，并且形成变压器器件包括在绕组的两个相对侧之间形成分流迹线。22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述分流迹线形成在最内侧绕组的相对侧之间。23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述最内侧绕组包括次级绕组。24.—种通过权利要求17至23所述的方法中的任一项制造的阻抗匹配变压器器件。
【文档编号】H01F27/30GK106024328SQ201610172908
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】S·马鲁桑母斯
【申请人】英特尔Ip公司