专利名称：双层对称式固体电路变压器的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种变压器，特别是一种具有以对称的方式排列于二绝缘层的导线的固体电路变压器。
背景技术：
随着半导体技术的突飞猛进及无线通讯晶片的应用需求，传统的电感性无源元件，例如像是电感、或变压器等，皆已被整合至单一晶片上，以符合无线通讯晶片中体积小、成本低的要求。
在无线通讯领域的固体电路中，变压器是用来转换不同讯号之间的阻抗(impedance)。为了有效降低共模(common mode)噪声对电路的干扰，有越来越多的电路中是采用差分讯号对的设计方式。因此，变压器也必需具备将单端(single ended)不平衡讯号转换成差分平衡讯号(反之亦然)的能力，而平衡到非平衡(balance-to-unbalance，BALUN)变压器即为一种具备此种转换能力的变压器。
请参考图1A至图1D，图1为一传统BALUN固体电路变压器10的示意图，图1B及图1C为变压器10的等效电路图，其中图1B是变压器10的差分讯号至差分讯号之间的阻抗转换等效电路图，而图1C则为变压器10的单端讯号至差分讯号之间的阻抗转换等效电路图，最后，图1D是图1A中的变压器10沿一切面11的剖面图。变压器10包含一主线圈12及一次线圈14，皆是设于同一绝缘层16(显示于图1D)上的导体线圈。主线圈12及次线圈14分别包含两个差分讯号端P+、P-及S+、S-。
图1A中的变压器10上的主线圈12及次线圈14是以相互交错缠绕但不相交的方式设于绝缘层16上，当次线圈14经过主线圈12或主线圈12、次线圈14与其自身相交时(如图1A中各箭头所示的交点)，主线圈12或次线圈14是以设介层插塞(via plug)的方式先绕经其它的绝缘层后再回到绝缘层16。此外，主线圈12及次线圈14皆是对称于一对称线18，也就是说，主线圈12及次线圈14皆可被对称线18区分为上下两全等且完全对称于对称线18的线圈。如此一来，变压器10中的共模噪声就能被有效地抑制。BALUN固体电路变压器10的单端讯号点17、19是分别位于主线圈12及次线圈14的最内圈与对称线18的交点上。差分讯号端P+、P-及S+、S-间的阻抗转换比值是决定于主线圈12及次线圈14的导线圈数。
上述的变压器10虽然能有效地降低共模噪声，然而，由于主线圈12及次线圈14皆位于同一绝缘层16上，因此变压器10的晶片面积无法有效地缩小。
请参考图2A至图2C，图2A为一传统双层式固体电路变压器20的示意图，图2B为变压器20的等效电路图，而图2C则是图2A中的变压器20沿一切面21的剖面图，请注意，变压器20并无法提供单端讯号与差分讯号之间的转换。变压器20也包含一主线圈22及一次线圈24，主线圈22及次线圈24也分别包含两个差分讯号端P+、P-及S+、S-，差分讯号端P+、P-及S+、S-间的阻抗转换比值是决定于主线圈22及次线圈24的导线圈数。与图1A中的变压器10不同的是，变压器20的主线圈22及次线圈24是分别设于不同的绝缘层26、28内，如图2C所示，主线圈22是设于绝缘层26内，而次线圈24则是设于绝缘层28内。如此双层式布局的好处在于其能有效地减小变压器20的晶片面积。但由于主线圈22及次线圈24于绝缘层26、28上的布局方式并未具有如图1A中的变压器10中的主线圈12及次线圈14于绝缘层16内的布局方式所具有的对称性质，所以双层式变压器20并无法有效地抑制共模噪声。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能兼具小晶片体积及有效抑制共模噪声这两种特性的双层对称式固体电路变压器，以解决传统技术的缺点。
本发明的固体电路变压器包含一第一绝缘层、一第一导线段设于该第一绝缘层内且位于一第一直线的第一侧、及一第二导线段设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第二侧，该第二导线段与该第一导线段是对称于该第一直线且该第一导线段的第一端与该第二导线段的第一端是连接于该第一直线处。该变压器另包含一第二绝缘层设于该第一绝缘层上、一第三导线段设于该第二绝缘层内且位于一第二直线的第一侧、及一第四导线段设于该第二绝缘层内且位于该第二直线的第二侧，该第四导线段与该第三导线段是对称于该第二直线且该第三导线段的一端与该第四导线段的一端是连接于该第二直线处。该变压器另包含一第五导线段设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第一侧及一第六导线段设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第二侧，该第五导线段与该第六导线段是对称于该第一直线。该变压器另包含一第一连接导线段及一第二连接导线段，该第一连接导线的第一端是连接于该第五导线段的一端，该第一连接导线段的第二端是连接于该第二导线段的第二端，该第二连接导线段的第一端是连接于该第六导线段的一端，该第二连接导线段的第二端是连接于该第一导线段的第二端。
图1A为传统固体电路变压器的示意图。
图1B为图1A中的传统固体电路变压器的等效电路图。
图1C为图1A中的传统固体电路变压器的另一等效电路图。
图1D是图1A中的变压器沿一剖面的剖面图。
图2A为另一传统固体电路变压器的示意图。
图2B为图2A中的传统固体电路变压器的等效电路图。
图2C是图2A中的变压器沿一剖面的剖面图。
图3为本发明固体电路变压器的示意图。
图4A为图3A中主线圈的布局图。
图4B为图3A中次线圈的布局图。
图5为本发明固体电路变压器的另一实施例的示意图。
图6为本发明固体电路变压器的另一实施例的示意图。
符号说明10、20、40、200、300变压器12、22、42主线圈14、24、44次线圈16、26、28绝缘层46、306主绝缘层 48、314次绝缘层58、302第一导线段84、86介层插塞60、304第二导线段88、90介层插塞
62、310第三导线段 328主导线段64、312第四导线段 330次导线段66第一主连接导线段322第一介层插塞68第二主连接导线段324第二介层插塞166第一次连接导线段 334第三介层插塞168第二次连接导线段 338第四介层插塞326第一次导线段 342第五介层插塞332第一主导线段 346第六介层插塞336第二主导线段 340第二次导线段344第三主导线段具体实施方式
请参考图3，图3为本发明的双层对称式固体电路变压器40的示意图。变压器40包含一主线圈42及一次线圈44，分别设于一主绝缘层46及一次绝缘层48内，主绝缘层46是平行于次绝缘层48，主线圈42及次线圈44均为金属导体线圈。
变压器40的主线圈42包含一第一导线段58、一第二导线段60、一第三导线段62、一第四导线段64、一第一主连接导线段66、及一第二主连接导线段68。第一导线段58、第二导线段60及第三导线段62、第四导线段64分别是以沿着一第一正方形70及一第二正方形72的边的方式设于主绝缘层46内(由于第一导线段58、第二导线段60及第三导线段62、第四导线段64分别设于第一正方形70及第二正方形72的边上，所以图3A中所示的第一正方形70及第二正方形72仅余虚线所示的部分)。第一正方形70及第二正方形72是分别内接于具有不同长度直径的一第一圆74及一第二圆76，其中第一圆74与第二圆76为具有共同圆心76的同心圆。第一导线段58及第三导线段62皆是位于一主直径78的一侧，而第二导线段60、第四导线段64分别与第一导线段58、第三导线段62是对称于主直径78。第一导线段58及第二导线段60为变压器40在主绝缘层46内的第一圈导线，而第三导线段62及第四导线段64为变压器40在主绝缘层46内的第二圈导线。变压器40在主绝缘层46内的第一圈导线设有一单端讯号点81，单端讯号点81是位于主直径78上，且位于第一导线段58与第二导线段60的交点上。第三导线段62及第四导线段64分别包含一第一主差分讯号端80及一第二主差分讯号端82，第一主差分讯号端80与第二主差分讯号端82是对称于主直径78。第一主连接导线段66及第二主连接导线段68分别将第一导线段58连接至第四导线段64及将第二导线段60连接至第三导线段62，第一主连接导线段66不交于第二主连接导线段68，其具体的布局方式以下再述。
变压器40的主线圈42上的第一导线段58至第四导线段64在次绝缘层48上皆存在相对应的导线段，次线圈44的导线布局说明如下。变压器40的次线圈44也包含一第一导线段158、一第二导线160、一第三导线段162及一第四导线段164，其中次线圈44的第一导线段158与主线圈42的第一导线段58是对称于通过共同圆心76且垂直于主直径78的直线99与主绝缘层46及次绝缘层48的中心面98的交点100。同样的，次线圈44的第二导线段160、第三导线段162、及第四导线段164分别与主线圈42的第二导线段60、第三导线段62、及第四导线段64也是对称于交点100。如此一来，次线圈44的第一导线段158、第三导线段162分别与次线圈44的第二导线段160、第四导线段164就会对称于一次直径178，而次直径178与主直径78也是对称于交点100。第三导线段162及第四导线段164分别包含一第一次差分讯号端180及一第二次差分讯号端182，同样地，第一次差分讯号端180与第二次差分讯号端182当然也对称于次直径178。变压器40在次绝缘层48内的第一圈导线(第一导线段158及第二导线段160)设有一单端讯号点181，单端讯号点181是位于次直径178上，且位于第一导线段158与第二导线段160的交点上。次线圈44另包含一第一次连接导线段166及一第二次连接导线段168，分别用来将第一导线段158连接至第四导线段164及将第二导线段160连接至第三导线段162，第一次连接导线段166亦不交于第二次连接导线段168。
由于第一主连接导线段66、第二主连接导线段68及第一次连接导线段166、第二次连接导线段168不可相交，所以当第一主连接导线段66、第二次连接导线段168将要分别相交于第二主连接导线段68、第一次连接导线段166时，第一主连接导线段66、第二次连接导线段168必需布局至其它的绝缘层。第一主连接导线段66、第二主连接导线段68及第一次连接导线段166、第二次连接导线段168的布局方式说明如下请同时参考图4A及图4B，其分别为图2A中主线圈42及次线圈44分别于主绝缘层46及次绝缘层48内的布局图。主线圈42的第二主连接导线段68是位于主绝缘层46内，而主线圈42的第一主连接导线段66则设于次绝缘层48内，第一主连接导线段66是透过分别设于主绝缘层46上的两个介层插塞84、86连接至主绝缘层46上的第一导线段58及第四导线段64。次线圈44的布局方式是相似于主线圈42的布局方式，次线圈44的第一次连接导线段166是设于次绝缘层46上，而次线圈44的第二次连接导线段168则设于主绝缘层46上，第二次连接导线段168是透过分别设于主绝缘层46上的另外两个介层插塞88、90连接至次绝缘层48上的第二导线段160及第三导线段162。
图4A及图4B中所示的第一主连接导线段66、第二主连接导线段68、第一次连接导线段166、及第二次连接导线段168的布局方式仅为众多布局方式中的一种。凡是能将主绝缘层46及次绝缘层48上的第一导线段58、158分别连接至第四导线段64、164及第二导线段60、160分别连接至第三导线段62、162的第一主连接导线段66、第二主连接导线段68、第一次连接导线段166、及第二次连接导线段168的布局方式皆属于本发明所公开的范围。此外，变压器40的主绝缘层46上的导线的圈数与次绝缘层48上的导线的圈数均为2，因此，变压器40的阻抗转换因数为1，当然也可借由改变主绝缘层46或次绝缘层48上的导线段的圈数以适应不同的阻抗转换比值需求。
图3A所示的变压器40中所有导线段皆是以沿着一正方形的边的方式分别设于不同的绝缘层上，然而本发明的变压器40中的所有导线段也可沿着一六边形、一八边形、或其它任何正多多边形甚至圆形(也就是无穷多边形)的边的方式分别设于不同的绝缘层上。请参考图5，图5为固体电路变压器200的示意图，变压器200与图3A的变压器40的不同点仅在于变压器200中的所有导线段皆是沿着一八边形的边的方式分别设于不同的绝缘层上且每一绝缘层上皆包含三圈导线。由于变压器200中所有导线段的对称关系及各连接导线段的布局方式皆与变压器40中所有导线段的对称关系及各连接导线段的布局方式相同，所以于此不再对变压器200另作额外的说明。
上述的变压器40、200皆具有完整的对称性(变压器40、200中的导线段相互对称于主直径78、次直径178、以及交点100)，但本发明的变压器中的导线段只要能各自对称于其所在的绝缘层上的其它导线段即可。举例来说，请参考图6，图6为本发明的另一实施例具有以对称的方式排列于二绝缘层的导线段的固体电路变压器300。变压器300包含一第一导线段302及一第二导线段304，皆设于一主绝缘层306上，第一导线段302与第二导线段304是对称于一主直线308。变压器300另包含一第三导线段310及一第四导线段312，皆设于一次绝缘层314上，第三导线段310与第四导线段312是对称于一次直线316。次绝缘层314上的导线段不一定要与主绝缘层306上的导线段有任何的对称关系。
虽然本发明的变压器中的导线段只要能各自对称于其所在的绝缘层上的其它导线段即可，并不需要与其它绝缘层上的任何导线段有对称的关系，然而需注意的是，上述任一种变压器中的任一导线段不仅不能交于与其位于同一绝缘层的其它导线段，其也不能交于与其位于不同绝缘层的其它导线段。举例来说，请再参考图6，图6中变压器300的主绝缘层306上的第一导线段302与第二导线段304相交的主导线段328于次绝缘层314上的投影为一第一次导线段326。由于第一次导线段326是完全位于两相邻第四导线段312之间。因此第一导线段302可经由一位于主绝缘层306上的第一介层插塞322、第一次导线段326、及另一位于主绝缘层306上的第二介层插塞324连接至第二导线段304。第一次导线段326不会与任何位于次绝缘层314上的导线段相交。再举另一例，也同样请参考图6，图6中变压器300的次绝缘层314上的第三导线段310及第四导线段312相交的次导线段330于主绝缘层306上的投影为一第一主导线段332，由于第一主导线段332是交于第一导线段302，因此第三导线段310必需以依序经由一第三介层插塞334、一第二主导线段336、一第四介层插塞338、一第二次导线段340、一第五介层插塞342、一第三主导线段344、及一第六介层插塞346的方式才能连接至第四导线段312。当然，上述第二个例子中所发生的情况可使用其它的布局方式来完成，或者甚至可利用略为修改导线段路径(trace)的方式来加以避免。
相较于传统的单绝缘层对称式变压器或双绝缘层非对称式变压器而言，本发明的双层对称式变压器的优点在于其是利用上、下两层的金属导体来设计变压器的主线圈及次线圈，如此的设计方式可有效地减少固体电路变压器的晶片面积，以进而降低晶片成本。其次、由于变压器中的主线圈及次线圈均是采对称架构的设计方式，因此当本发明的变压器应用于差分讯号时，可有效地降低共模噪声对本发明的变压器的干扰。第三、本发明的变压器中的主线圈及次线圈由于是采上、下重叠的设计，因此更能增加两线圈之间的互感效应。最后、由于本发明的变压器中的主线圈及次线圈是位于不同的绝缘层，因此，位于每一绝缘层的线圈皆可使用较宽的金属线，如此就能降低主线圈及次线圈中的电阻值，并进而减少因电阻而消耗的能量，也就是说，本发明的变压器在提高变压器的品质因数(qualityfactor)的同时，又不致于大幅增加变压器晶片的体积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种使用固体电路所制成的变压器，其包含一第一绝缘层；一第一导线段，设于该第一绝缘层内且位于一第一直线的第一侧；一第二导线段，设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第二侧，该第二导线段与该第一导线段是对称于该第一直线且该第一导线段的第一端与该第二导线段的第一端是连接于该第一直线处；一第二绝缘层，设于该第一绝缘层上；一第三导线段，设于该第二绝缘层内且位于一第二直线的第二侧；一第四导线段，设于该第二绝缘层内且位于该第二直线的第二侧，该第四导线段与该第三导线段是对称于该第二直线且该第三导线段的一端与该第四导线段的一端是连接于该第二直线处；一第五导线段，设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第一侧；一第六导线段，设于该第一绝缘层内且位于该第一直线的第二侧，该第五导线段与该第六导线段是对称于该第一直线；一第一连接导线段，其第一端是连接于该第五导线段的一端，该第一连接导线段的第二端是连接于该第二导线段的第二端；以及一第二连接导线段，其第一端是连接于该第六导线段的一端，该第二连接导线段的第二端是连接于该第一导线段的第二端。
2.如权利要求1所述的变压器，其中该第一连接导线段是形成于该第一绝缘层，而该第二连接导线段是形成于该第二绝缘层，该第二连接导线段的第一端是经由一介层插塞(via plug)连接至该第六导线段的一端，该第二连接导线段的第二端亦是经由一介层插塞连接于该第一导线段的第二端。
3.如权利要求1所述的变压器，其另包含一第七导线段，设于该第二绝缘层内且位于该第二直线的第一侧；一第八导线段，设于该第二绝缘层内且位于该第二直线的第二侧，该第七导线段与该第八导线段是对称于该第二直线；一第三连接导线段，其第一端是连接于该第七导线段的一端，该第三连接导线段的第二端是连接于该第八导线段的另一端；以及一第四连接导线段，其第一端是连接于该第八导线段的一端，该第四连接导线段的第二端是连接于该第三导线段的另一端。
4.一种使用固体电路技术所制成的变压器，其包含多层变压器线圈，所述变压器的主线圈及副线圈具有对称的结构；绝缘层，用来隔离该多层变压器线圈；以及多个介层插塞，用来连接位于不同绝缘层的变压器线圈。
5.如权利要求4所述的变压器，其中该多层变压器线圈是两层。
6.如权利要求4所述的变压器，其中该多个介层插塞是在变压器线圈交错时换层，以使该变压器的主线圈及副线圈具有对称的结构。
全文摘要
本发明提供一种双层对称式固体电路变压器，其包含一第一、一第二、一第五、及一第六导线段，皆设于一第一绝缘层内且该第一、该第五导线段与该第二、该第六导线段对称于一第一直线。该变压器另包含一第三导线段及一第四导线段，皆设于一第二绝缘层内且对称于一第二直线。该变压器另包含一第一连接导线段连接于该第五导线段与该第二导线段之间、及一第二连接导线段连接于该第六导线段与该第一导线段之间。
文档编号H01L27/01GK1414635SQ0215044
公开日2003年4月30日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者游永杰, 高荣穗 申请人:威盛电子股份有限公司