一种基于IC载板的片上功率变压器的制作方法

本发明属于隔离器芯片，具体涉及了一种基于ic载板的片上功率变压器。

背景技术：

1、高传输效率、高隔离耐压、大输出电流的片上功率变压器是集成dc-dc隔离电源的核心模块，决定了输出电流大小、能量转换效率、隔离耐压程度等关键指标。

2、通常情况下，制备片上变压器主要采用基于硅衬底和sio2绝缘介质的cmos工艺形成堆叠绕组金属线圈。在采用硅工艺制作变压器线圈时，由于硅材料具有相对较小的电阻率，将在变压器内部形成涡流损耗，抑制变压器效率，尤其在高效大电流的功率变压器中该效应更显著。同时硅工艺制备的金属线圈存在硅基工艺的线条宽度限制问题，难以制备大截面积的金属绕组线圈，从而造成金属线圈内阻大，增加线圈损耗，降低线圈品质因数。不利于形成dc-dc隔离电源中所使用的大输出电流片上功率变压器。基于此，本发明提出了一种基于ic载板的片上功率变压器。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即在磁耦合隔离电源、数字隔离器等产品应用中，硅工艺制备的金属线圈存在硅基工艺的线条宽度限制问题，难以制备大截面积的金属绕组线圈，从而造成金属线圈内阻大，增加线圈损耗，降低线圈品质因数。不利于形成dc-dc隔离电源中所使用的大输出电流片上功率变压器的问题，本发明提供了一种基于ic载板的片上功率变压器。

2、本发明的另一方面，提出了一种基于ic载板的片上功率变压器，包括

3、至少一对变压器线圈和至少一个隔离介质；

4、所述变压线圈包括原边线圈、副边线圈，所述原边线圈与所述副边线圈相互层叠设置；

5、所述隔离介质位于所述原边线圈和所述副边线圈之间，所述隔离介质能够将所述原边线圈与所述副边线圈进行电流隔离。

6、在一些优选的实施方式中，所述原边线圈由第一金属线匝组成，所述第一金属线匝环绕式位于第一金属层内，所述第一金属线匝为从内向外扩散设置的螺旋形结构，所述第一金属层为ic载板的电镀铜层；

7、所述副边线圈由第二金属线匝组成，所述第二金属线匝环绕式位于第二金属层内，所述第二金属线匝为从内向外扩散设置的螺旋形结构，所述第二金属层与所述第一金属层相互交错且平行设置，所述第二金属层为ic载板的电镀铜层；

8、所述原边线圈与原边驱动电路的输出端相连，所述副边线圈与副边整流电路的输入端相连；

9、所述片上功率变压器、所述原边线圈与所述副边线圈以多芯片封装的形式封装在同一电路内部。

10、在一些优选的实施方式中，所述第一金属线匝位于所述第二金属线匝的上方或下方。

11、在一些优选的实施方式中，所述原边线圈所在的所述第一金属层刻蚀形成螺旋式第一绕组线圈，所述副边线圈所在的所述第二金属层刻蚀形成螺旋式第二绕组线圈。

12、在一些优选的实施方式中，当所述原边线圈位于所述副边线圈的上方时，所述原边线圈为上层线圈，所述副边线圈为下层线圈，在所述上层线圈的最外侧端点处有一个向上的通孔作为原边线圈外侧连接点；在所述上层线圈的内侧端点处有一个向上的通孔作为原边线圈内侧连接点；在所述下层线圈的最外侧端点处有一个向下的通孔作为副边线圈外侧连接点；在所述下层线圈的最内侧端点处有一个向下的通孔作为副边线圈内侧连接点；

13、当所述副边线圈位于所述原边线圈的上方时，所述副边线圈为上层线圈，所述原边线圈为下层线圈，在所述上层线圈的最外侧端点处有一个向上的通孔作为副边线圈外侧连接点；在所述上层线圈的最内侧端点处有一个向上的通孔作为副边线圈内侧连接点；在所述下层线圈的最外侧端点处有一个向下的通孔作为原边线圈外侧连接点；在所述下层线圈的最内侧端点处有一个向下的通孔作为原边线圈内侧连接点。

14、在一些优选的实施方式中，当所述原边线圈位于所述副边线圈的上方时，所述原边线圈外侧连接点与所述原边线圈内侧连接点均通过通孔向上与顶层金属相连，并通过金属引线连接到线圈外的pad上，所述顶层金属为所述ic载板中最上层金属。

15、在一些优选的实施方式中，当所述原边线圈位于所述副边线圈的下方时，所述原边线圈外侧连接点与所述原边线圈内侧连接点均通过通孔向下与所述第二金属层的下层金属层连接，并通过金属引线连接到线圈外的pad上。

16、在一些优选的实施方式中，当所述副边线圈位于所述原边线圈的上方时，所述副边线圈外侧连接点与所述副边线圈内侧连接点均通过通孔向上与顶层金属相连，并通过金属引线连接到线圈外的pad上，所述顶层金属为所述ic载板中最上层金属。

17、在一些优选的实施方式中，当所述副边线圈位于所述原边线圈的下方时，所述副边线圈外侧连接点与所述副边线圈内侧连接点均通过通孔向下与所述第二金属层的下层金属层连接，并通过金属连线连接到线圈外，并通过金属引线连接到线圈外的pad上。

18、在一些优选的实施方式中，所述第一绕组线圈的匝数与所述第二绕组线圈的匝数相同或不相同。

19、在一些优选的实施方式中，所述隔离介质为ic载板中的金属层间介质，所述隔离介质的材料为聚酰亚胺、聚乙烯、环氧树混合材料中的任意一种。

20、本发明的有益效果：

21、(1)采用ic载板工艺，利用双层金属，在各自平面制作原边以及副边线圈。纵向上，原边与副边线圈叠层放置，原边与副边线圈之间利用隔离介质形成耐压，线圈耐压能力与线圈之间距离，即隔离介质厚度成正比。

22、(2)横向上，原边与副边线圈交错缠绕，避免上下线圈重合，减小寄生电容，提高传输效率。采用ic载板工艺制备的变压器线圈能够解决硅工艺制备线圈时线圈宽度受工艺限制的问题。同时与基于硅工艺的片上变压器相比，基于ic载板的片上变压器可减小涡流效应，从而提高q值和耦合系数。

23、(3)采用基于ic载板工艺的变压器，其隔离介质采用高分子聚酯材料，避免了硅衬底中的涡流效应，减小涡流损耗，效率提升明显。采用ic载板方式制备片上变压器金属线圈，避免了硅工艺制备金属线圈时的线条工艺限制问题，提高线圈宽度，增大线圈截面积，可降低金属线圈内阻，提高电感线圈品质因数。采用ic载板制备的片上功率变压器中副边线圈与原边线圈相互交错排列，重合面积小，减小串联电容。同时高电介质强度的聚酰亚胺材料作为隔离介质，在实现高耐压强度的同时，减小线圈耦合距离，形成高耦合系数，提高变压器效率，提高dc-dc隔离电源能量转换能力。

技术特征：

1.一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于包括：至少一对变压器线圈和至少一个隔离介质；

2.根据权利要求1所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，所述原边线圈由第一金属线匝组成，所述第一金属线匝环绕式位于第一金属层内，所述第一金属线匝为从内向外扩散设置的螺旋形结构，所述第一金属层为ic载板的电镀铜层；

3.根据权利要求2所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于：所述第一金属线匝位于所述第二金属线匝的上方或下方。

4.根据权利要求3所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，所述原边线圈所在的所述第一金属层刻蚀形成螺旋式第一绕组线圈，所述副边线圈所在的所述第二金属层刻蚀形成螺旋式第二绕组线圈。

5.根据权利要求4所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，当所述原边线圈位于所述副边线圈的上方时，所述原边线圈为上层线圈，所述副边线圈为下层线圈，在所述上层线圈的最外侧端点处有一个向上的通孔作为原边线圈外侧连接点；在所述上层线圈的内侧端点处有一个向上的通孔作为原边线圈内侧连接点；在所述下层线圈的最外侧端点处有一个向下的通孔作为副边线圈外侧连接点；在所述下层线圈的最内侧端点处有一个向下的通孔作为副边线圈内侧连接点；

6.根据权利要求5所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，当所述原边线圈位于所述副边线圈的上方时，所述原边线圈外侧连接点与所述原边线圈内侧连接点均通过通孔向上与顶层金属相连，并通过金属引线连接到线圈外的pad上，所述顶层金属为所述ic载板中最上层金属。

7.根据权利要求5所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，当所述原边线圈位于所述副边线圈的下方时，所述原边线圈外侧连接点与所述原边线圈内侧连接点均通过通孔向下与所述第二金属层的下层金属层连接，并通过金属引线连接到线圈外的pad上。

8.根据权利要求5所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于：当所述副边线圈位于所述原边线圈的上方时，所述副边线圈外侧连接点与所述副边线圈内侧连接点均通过通孔向上与顶层金属相连，并通过金属引线连接到线圈外的pad上，所述顶层金属为所述ic载板中最上层金属。

9.根据权利要求5所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于：当所述副边线圈位于所述原边线圈的下方时，所述副边线圈外侧连接点与所述副边线圈内侧连接点均通过通孔向下与所述第二金属层的下层金属层连接，并通过金属连线连接到线圈外，并通过金属引线连接到线圈外的pad上。

10.根据权利要求9所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于：所述第一绕组线圈的匝数与所述第二绕组线圈的匝数相同或不相同。

11.根据权利要求10所述的一种基于ic载板的片上功率变压器，其特征在于，所述隔离介质为ic载板中的金属层间介质，所述隔离介质的材料为聚酰亚胺、聚乙烯、环氧树混合材料中的任意一种。

技术总结
本发明属于隔离器芯片领域，具体涉及了一种基于IC载板的片上功率变压器，旨在解决基于硅工艺的片上变压器制备时线条纵向尺寸限制问题、基于硅工艺的片上变压器中的涡流效应的问题以及现有片上DC‑DC隔离电源大电流输出限制的问题。本发明包括：至少一对变压器线圈和至少一个隔离介质；所述变压器线圈包括原边线圈、副边线圈，所述原边线圈与所述副边线圈相互层叠设置；所述隔离介质配置在所述原边线圈和所述副边线圈之间。本发明提高片上变压器输出电流能力。同时所述原边线圈与所述副边线圈的对应第一金属线匝和所述第二金属线匝的线条交错排列，能够减小片上变压器寄生电容，提升品质因数。

技术研发人员：杨佳音,陈雷,张龙,李虎明,周博远,金萧
受保护的技术使用者：北京微电子技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15