平面式变压器及平衡不平衡转换器结构的制作方法

本发明是关于变压器，尤其是关于平面式变压器及平衡不平衡转换器的结构。

背景技术：

用于射频讯号接收端的集成电路常需要使用变压器来调整讯号的阻抗匹配。集成电路的变压器不外乎包含平面式的线圈，利用线圈的圈数比及耦合关系来达到阻抗匹配的效果。除了阻抗匹配之外，用于射频讯号接收端的集成电路亦可能需要将讯号在共模(common mode)模式与差动(differential)模式之间作转换。这类的转换常使用一种平衡不平衡转换器(balanced-to-unbalanced transformer)，或称为巴伦(BALUN)。平衡不平衡转换器属于变压器的一种应用，在集成电路中也是由线圈所组成。因此，不论是变压器或是平衡不平衡转换器，如何安排其线圈，使线圈具有良好的耦合效果、高的质量因素(quality factor)Q及避免磁场散射(radiation)以保护其它组件成为重要的课题。

技术实现要素：

鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种平面式变压器及平衡不平衡转换器的结构，以提高质量因素Q及减少磁场散射。

本发明揭露了一种平面式变压器结构，包含：一第一平面式线圈，包含一第一环状结构、一第二环状结构及一连接部，该第一环状结构及该第 二环状结构通过该连接部相连接；一第二平面式线圈，其范围与该第一环状结构的范围至少一部分地重叠；以及一第三平面式线圈，其范围与该第二环状结构的范围至少一部分地重叠；其中该第一平面式线圈与该第二平面式线圈或该第三平面式线圈构成一变压器。

本发明另揭露了一种平面式平衡不平衡转换器结构，包含：一第一平面式线圈，包含一第一环状结构、一第二环状结构及一连接部，该第一环状结构及该第二环状结构通过该连接部相连接；一第二平面式线圈，其范围与该第一环状结构的范围至少一部分地重叠，具有一第一接点及一第二接点；以及一第三平面式线圈，其范围与该第二环状结构的范围至少一部分地重叠，具有一第三接点及一第四接点；其中，该第一接点与该第三接点相连接，该第二接点与该第四接点相连接。

本发明的平面式变压器及平衡不平衡转换器的结构，相较于现有技术，提高了对称性及质量因素Q，并且电感值容易调整因此更容易逹成阻抗匹配的需求。再者，本发明的结构亦减少磁场的散射以保护其它组件。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作较佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1A至图1D为依据本发明的一实施例的平面式变压器的结构与其等效组件图；

图2A和图2B为依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构与其等效组件图；

图3为依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构；

图4为依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构；

图5为依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构；

图6为依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构；

图7为依据本发明的另一实施例的平衡不平衡转换器的结构；

图8为依据本发明的另一实施例的平衡不平衡转换器的结构；

图9为本发明增加平面式线圈的电感值的一实施例的结构图；以及

图10为对应本发明的变压器或平衡不平衡转换器的半导体结构的剖面图。

具体实施方式

以下说明内容的技术用语系参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释系以本说明书的说明或定义为准。本发明的揭露内容包含平面式变压器及平衡不平衡转换器的结构，在实施为可能的前提下，本技术领域具有通常知识者能够依本说明书的揭露内容来选择等效的组件来实现本发明，亦即本发明的实施并不限于后叙的实施例。由于本发明的平面式变压器及平衡不平衡转换器的结构所包含的部分组件单独而言可能为已知组件，因此在不影响该装置发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下说明对于已知组件的细节将予以节略。

请参阅图1A至图1D，其是依据本发明的一实施例的平面式变压器的结构与其等效组件图。图1A所示的平面式变压器100由三个平面式线圈组成。为了清楚说明平面式变压器100的结构，将其细部构件显示于图1B及图1C。图1B为其中一平面式线圈120，包含环状结构130、连接部140及环状结构150。连接部140连接环状结构130及环状结构150。环状结构130及环状结构150各自包含围绕成两圈的金属线段。其中不同图案的金属线段代表位于半导体结构中不同的金属层，例如金属线段132(以条 纹表示)以及金属线段134(以点状表示)可以分别制作于半导体结构中的超厚金属(Ultra Thick Metal,UTM)层及重布线层(Re-Distribution Layer,RDL)，或是相反。不同金属层的金属线段以垂直于该金属线段的半导体结构(以黑色表示)相连接，例如连接结构136。连接结构136可以例如是导孔(via)结构。连接部140为一个交叉状(crossing)的结构，因此由接点138进入环状结构130的电流以逆时钟方向流过环状结构130的大部分的金属线段后，经过金属线段142进入环状结构150。电流在环状结构150中以顺时钟方向流经所有金属线段后，再经由金属线段144回到环状结构130，最后由接点139流出平面式线圈120。如此的设计使得电流在两个环状结构中具有不同的电流方向，因此环状结构130及环状结构150所生成的磁场会互相耦合，可以避免磁场四处散射。

图1C显示平面式线圈160及平面式线圈170。平面式线圈160及平面式线圈170各自包含围绕成三圈的金属线段。同样的，以灰色表示的金属线段(例如金属线段166)与以点状表示的金属线段(例如金属线段168)位于半导体结构中的不同金属层。在一个实施例中，平面式线圈160与平面式线圈170中灰色的金属线段与平面式线圈120中条纹的金属线段制作于半导体结构中的同一层，在其它实施例中亦可能制作于不同层。平面式线圈160及平面式线圈170各自形成一个对称式的螺旋状电感，并且两电感的两端分别为接点162、164以及接点172、174。

将图1B的平面式线圈120与图1C的平面式线圈160及平面式线圈170结合后，便如图1A的平面式变压器100所示。平面式线圈160与平面式线圈120不互相连接，同样的，平面式线圈170与平面式线圈120亦不互相连接。平面式线圈160的范围与环状结构130的范围至少一部分重叠，同样的，平面式线圈170的范围与环状结构150的范围至少一部分重叠。图1A的平面式变压器100可以利用图1D的组件表示。线圈125代表平面式线圈120，线圈165代表平面式线圈160，线圈175代表平面式线圈170。线圈125的中央的接点152对应图1A的接点152。此三个线圈 即实现变压器的功能。更明确地说，线圈125与线圈165可形成一变压器，线圈125与线圈175可形成另一变压器。在不同的实施例中，此三个线圈亦可作为平衡不平衡转换器使用。线圈125的三个接点可以作为平衡不平衡转换器的平衡传输端(balanced terminals)；而线圈165的接点162可以先与线圈175的接点174相连接形成第一接点，线圈165的接点164可以先与线圈175的接点172相连接形成第二接点，第一接点及第二接点可以作为平衡不平衡转换器的不平衡传输端(unbalanced terminals)。也就是说，当本发明用于平衡不平衡转换器的应用时，上述的线圈165与线圈175呈并联关系。此种连接关系的好处是，当环状结构130与平面式线圈160的圈数差异不大，且环状结构150与平面式线圈170的圈数差异不大时，可以藉由将平面式线圈160与平面式线圈170并联来调整平面式线圈120与平面式线圈160及平面式线圈170的电感值的比例，以调整阻抗匹配。另外，可于任一组输入/输出端并联一个或多个电容，亦可调整阻抗匹配。

请参阅图2A及图2B，其是依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构与其等效组件图。平面式变压器200同样由三个平面式线圈所组成，分别为具有接点238及接点239的平面式线圈220、具有接点262及接点264的平面式线圈260以及具有接点272及接点274的平面式线圈270。与平面式线圈120类似，平面式线圈220由两个环状结构及一个连接部所组成，连接部连接两个环状结构。连接部同样为交叉状的结构，因此电流在两个环状结构中的方向不同，有助于减少平面式线圈220的磁场向外散射。平面式线圈260及平面式线圈270同样为对称式螺旋状电感。平面式线圈260还包含中央抽头(central tap)266，平面式线圈270还包含中央抽头276。

图2A的平面式变压器200可以利用图2B的组件表示。线圈225代表平面式线圈220，线圈265代表平面式线圈260，线圈275代表平面式线圈270。此三个线圈即实现变压器的功能。更明确地说，线圈225与线圈265可形成一变压器，线圈225与线圈275可形成另一变压器。在不同 的实施例中，此三个线圈亦可作为平衡不平衡转换器使用。线圈225的二个接点可以作为平衡不平衡转换器的不平衡传输端；而线圈265的接点262、264及266可以先分别与线圈275的接点274、272及276相连接。连接后线圈265与线圈275成为一个并联的线圈。该并联的线圈的三个接点可以作为平衡不平衡转换器的平衡传输端。同样的，藉由将线圈并联可以调整平面式线圈220与平面式线圈260及平面式线圈270的电感值的比例，以进一步调整阻抗匹配。此外，本实施例亦可藉由在平面式线圈220上设置跨接金属线段来分别连接平面式线圈220中的一环状结构(图左侧)的外圈与内圈，以及另一环状结构(图右侧)的外圈与内圈，例如跨接金属线段222及跨接金属线段224。以跨接金属线段连接内外圈后平面式线圈220的电感值将下降。也就是说，本实施例通过设置跨接金属线段来进一步调整阻抗匹配。跨接金属线段222或224的两端分别连接平面式线圈220的部分的金属线段，被跨接金属线段222或跨接金属线段224连接的金属线段基本上互相平行，并且中间包含其它组件的金属线段。举例来说，与跨接金属线段222两端连接的金属线段为平面式线圈220的金属线段，而中间部分的金属线段为平面式线圈260的金属线段。平面式线圈260的金属线段不与跨接金属线段222以及平面式线圈220的金属线段相连接。请注意，这里仅以跨接金属线段222及跨接金属线段224为例作说明，平面式线圈220可以包含如图2A所示或是更多的跨接金属线段。

请参阅图3，其是依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构。图3的结构与图2A相似，平面式线圈320具有两个接点，而平面式线圈360与平面式线圈370各具有3个接点。因此图3的结构的等效组件图与图2B相似。应用于平衡不平衡转换器时，同样可以将平面式线圈320作为不平衡传输端，将平面式线圈360及平面式线圈370的并联作为平衡传输端。与图2A的实施例不同的是，平面式变压器300没有跨接金属线段，且包含制作于第三层(有别于条纹及灰色金属线段所属的金属层及点状金属线段所属的金属层)的金属线段，即金属线段322、金属线段324及金属线段326。此外，在图2A的实施例中，具有三个端点的线圈(即平面 式线圈260及平面式线圈270)的最外圈位于具有二个端点的线圈(即平面式线圈220)的最外圈之内，但图3A为另一种不同的实施方式。

请参阅图4，其是依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构。平面式变压器400的平面式线圈420、平面式线圈460及平面式线圈470的配置与图3的实施例相似，但平面式线圈420没有直接与其接点438及接点439相连接。接点438及接点439直接连接连接部440，再通过连接部440连接平面式线圈420。将接点438及接点439设置于平面式线圈420的中间可以提高平面式线圈420的对称性，也就是平面式线圈420的两个环状结构以接点438及接点439的联机为对称轴对称。连接部440不再是交叉状的结构，而是两个不交叉的金属线段。电流在两个环状结构中仍以不同的方向流动，所以这样的平面式线圈420不仅提高对称性，且仍具有避免磁场向外散射的功效。由实验结果得知，提升对称性有助提高平面式线圈420的质量因素Q。

请参阅图5，其是依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构。平面式变压器500的平面式线圈520、平面式线圈560及平面式线圈570的配置与图4的实施例相似，平面式线圈520的接点538及接点539同样设置在平面式线圈520的中心位置以提升平面式线圈520的对称性及其质量因素Q。接点538直接连接平面式线圈520的其中一个环状结构，接点539直接连接平面式线圈520的另一个环状结构，而不是通过连接部540连接。本实施例中平面式线圈520的两个环状结构同样具有不同的电流方向，以避免磁场向外散射。相较于图4的实施例，电流由任一接点进入平面式线圈520后，会先流经两个环状结构中的一个的全部，再经由连接部540流至另一个环状结构。此电流的时间差使得先有电流流通的环状结构所产生的磁场可以顺利地与另一环状结构所产生的磁场耦合。由实验结果得知，平面式线圈520的磁场耦合效果提高有助提升平面式线圈560及平面式线圈570的质量因素Q。因此与图4的实施例相较，图5的实施例不仅提高对称性，亦提升质量因素Q。

请参阅图6，其是依据本发明的另一实施例的平面式变压器的结构。平面式变压器600包含平面式线圈620、平面式线圈660及平面式线圈670。平面式线圈660的接点662及接点664形成传输埠669，以及平面式线圈670的接点672及接点674形成传输埠679。传输埠669与传输埠679分别朝向远离连接部640的方向。传输埠669与传输埠679的联机形成对称轴A-A’，平面式线圈660或平面式线圈670依据此对称轴A-A’对称。这样设计的优点在于平面式线圈660及平面式线圈670有更好的对称性。更明确地说，平面式线圈660及平面式线圈670在靠近连接部640的部分的磁场耦合效应明显。此耦合效应不论对平面式线圈660而言或是对平面式线圈670而言都是对称的(对称于对称轴A-A’)。较佳的对称性有助提升其质量因素Q。此实施中，平面式线圈620的接点638及接点639虽设置于平面式线圈620的其中一个环状结构上，然而亦可以如图4或图5所示的实施例一般，将接点638及接点639设置于平面式线圈620的中间位置。

请参阅图7，其是依据本发明的另一实施例的平衡不平衡转换器的结构。平衡不平衡转换器700包含平面式线圈720、平面式线圈760及平面式线圈770。平面式线圈760的传输埠769(由其两个接点所构成)及平面式线圈770的传输埠779(由其两个接点所构成)分别朝向连接部740(包含金属线段740-1及金属线段740-2)。类似地，传输埠769与传输埠779的联机形成对称轴(图未示)，不论是平面式线圈760或平面式线圈770皆对称于此对称轴。平面式线圈760的其中一个接点与平面式线圈770的其中一个接点相连接后形成接点782，平面式线圈760的另一个接点与平面式线圈770的另一个接点相连接后形成接点784。另外，平面式线圈760的中央抽头766也可与平面式线圈770的中央抽头776连接。也就是说在这样的设置下，平面式线圈760与平面式线圈770自然形成并联，使得平面式线圈720成为平衡不平衡转换器700的不平衡传输端，平面式线圈760与平面式线圈770的并联成为平衡不平衡转换器700的平衡传输端。

请参阅图8，其是依据本发明的另一实施例的平衡不平衡转换器的结构。平衡不平衡转换器800包含平面式线圈820、平面式线圈860及平面式线圈870。平面式线圈860的传输埠869(由其两个接点所构成)及平面式线圈870的传输埠879(由其两个接点所构成)分别朝向平面式线圈820的连接部。与图7的实施例不同的是，此连接部为一个交叉状的结构。传输埠869与传输埠879的联机形成对称轴(图未示)，不论是平面式线圈860或平面式线圈870皆对称于此对称轴。平面式线圈860的其中一个接点与平面式线圈870的其中一个接点相连接后形成接点882，平面式线圈860的另一个接点与平面式线圈870的另一个接点相连接后形成接点884。另外，平面式线圈860的中央抽头866也可与平面式线圈870的中央抽头876连接。也就是说在这样的安排下，平面式线圈860与平面式线圈870自然形成并联，使得平面式线圈820成为平衡不平衡转换器800的不平衡传输端，平面式线圈860与平面式线圈870的并联成为平衡不平衡转换器800的平衡传输端。

不论是变压器或是平衡不平衡转换器，当有需要调整平面式线圈的电感值来达成阻抗匹配的需求时，可以藉由将同一平面式线圈的金属线段并排，以藉由提高金属线段间的互感(mutual inductance)来增加该平面式线圈的电感值。请参阅图9，其是本发明增加平面式线圈的电感值的一实施方示的结构图。图9显示两个平面式线圈的局部结构，此两个平面式线圈具有至少部分重叠的范围。金属线段910及金属线段940属于其中一平面式线圈，金属线段920及金属线段930属于另一平面式线圈。金属线段920及金属线段930相邻排列，中间不包含其它平面式线圈的金属线段，因此金属线段920与金属线段930具有良好的互感效应，有助提升其所属的平面式线圈的电感值。此外，跨接金属线段950的一端连接金属线段910(通过连接结构952)，另一端连接金属线段940(通过连接结构954)，其中间横跨非属与其相连接的平面式线圈的金属线段，亦即金属线段920与金属线段930不与金属线段910或金属线段940相连接。藉由跨接金属线段950的连接，金属线段910及金属线段940所属的平面式线圈的电感 值会降低。藉由图9的设计，可以进一步提高两个平面式线圈的电感值的比例，藉此调整阻抗匹配。

请参阅图10，其是对应本发明的变压器或平衡不平衡转换器的半导体结构的剖面图。基板1010之上为氧化层1020。氧化层1020中间包含图案接地保护层(pattern-ground shielding)1022及金属层1024。氧化层1020之上为另一金属层1030。金属层1024例如是半导体制程中的超厚金属层，金属层1030例如是重布线层。前述的实施例中，以灰色及条纹表示的金属线段可制作于同一金属层，而以点状表示的金属线段(包含跨接金属线段)可制作于另一金属层。也就是三个平面式线圈的大部分的金属线段皆制作于同一金属层。在其它的实施例中，三个平面式线圈的至少其中之一可制作于不同的金属层。然而即使将螺旋状电感的平面式线圈与具有两个环状结构的平面式线圈制作于不同的金属层，两者之间仍实质上具有至少一部分重叠的范围。图案接地保护层1022能够避免平面式线圈与基板1010之间产生基板损耗，基板损耗会使平面式线圈的质量因素Q下降。连接结构1040即代表图1～图9中黑色部分的连接结构，例如连接结构136、连接结构952、954。请注意，即使三个平面式线圈分布于金属层1024及金属层1030，本发明仍可利用氧化层1020中的其它金属层(图未示)来制作跨接金属线段。

上述的实施例中平面式线圈及环状结构虽然以四边形为例，但亦有可能为其它多边形或是圆形。此外，平面式线圈的圈数亦不受限于上述的实施例。前揭图标中，组件的形状、尺寸以及比例等仅为示意，系供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。另外，于实施为可能的前提下，本技术领域人士可依本发明的揭露内容及自身的需求选择性地实施任一实施例的部分或全部技术特征，或者选择性地实施复数个实施例的部分或全部技术特征的组合，藉此增加本发明实施时的弹性。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发 明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。

符号说明

100、200、300、400、500、600 平面式变压器

120、160、170、220、260、270、320、360、370、420、460、470、520、560、570、620、660、670、720、760、770、820、860、870 平面式线圈

125、165、175、225、265、275 线圈

130、150 环状结构

132、134、142、144、166、168、322、324、326、910、920、930、940 金属线段

136、952、954、1040 连接结构

138、139、152、162、164、172、174、238、239、262、264、272、274、438、439、538、539、638、639、662、664、672、674、782、784、882、884 接点

140、440、540、640、740 连接部

222、224、950 跨接金属线段

266、276、766、776、866、876 中央抽头

669、679、769、779、869、879 传输埠

700、800 平衡不平衡转换器

1010 基板

1020 氧化层

1022 图案接地保护层

1024、1030 金属层