TWI402866B - 懸吊式電感元件 - Google Patents

Description

懸吊式電感元件

本發明係有關於一種懸吊式電感元件，特別有關於一種具有高電感值的懸吊式電感元件。

在高頻電路設計中，直流與高頻訊號扮演相同重要的角色。直流訊號提供主動電路操作於正常的工作區間，使其能處理高頻訊號的傳輸，例如放大訊號、減低雜訊指數或是進行大功率傳輸等。另一方面，高頻訊號承載欲傳輸的資訊，透過主動電路進行處理與傳遞。理想上，直流與高頻訊號應為互相獨立運作，不會對彼此造成影響。但實際上，直流訊號往往因高頻訊號傳輸波動，造成直流位準的偏移，使主動電路無法工作在正常的區間。而直流訊號常引入許多的雜訊，使高頻訊號混入額外的雜訊訊號，造成通訊系統無法進行解調。

一般而言，電感等效阻抗會隨著頻率上升而變大，如公式1所示：Z ＝jwL w ＝2×π ×freq L ＝inductance 公式1

因此，在高頻訊號所看到電感等效阻抗會很大，訊號傳遞會被電感等效高阻抗所阻隔。而直流訊號理論上並未存在頻率，其所看到的阻抗很小，因此訊號能順利通過。由上可知，電感可用來分隔直流與高頻訊號，使電路系統能正常運作。再者，在較低頻率(MHz)的電路設計上，需要配合大感值電感才能達到高阻抗效果，這是因為此時操作頻率不高所造成。或是在大功率電路設計時，需要大電感值元件隔離高頻訊號，以預防有訊號洩漏至電流端。大感值電感在電路應用設計上是不可或缺的。

然而，傳統電感元件其需大面積佈局傳輸線才能得到效果，而電路佈局面積的損耗是一讓設計者頭痛的問題。例如，由傳輸線特性阻抗等效模型，如公式2得知；

若欲獲得高阻抗的特性(或高電感性)，需提高基板厚度或是減少傳輸線寬度。或者，增加電感線圈的耦合程度，如公式3所示：

電感值可簡單定義由互感與自感產生，不過在電感線圈上自感在頻率很低時因集膚效應(Skin effect)產生且僅有些微影響，在此只針對互感部份進行說明。請參閱第1圖，其顯示電感值由兩具電流線圈S1與S2感應而成，在感值上可由紐曼互感公式(Neumann formula for mutual inductance)推導出，如公式3所示。若減少兩線圈的間距R或是提升線圈的面積，對於電感值將會有大幅度的提升。

另外，大感值電感的品質因子特性通常不好，因為在大面積傳輸線佈局，提升了電感本身等效電阻值。請參閱公式4：

電阻值的提升會造成能量損耗上升，品質因子特性因此下降。而大面積下的佈局對於雙埠電感輸入與輸出端會造成距離問題，使系統電路佈局上造成困難度。加上電感架構上需要的傳輸線密度與面積的增加，製程上將存在技術困難點。

美國專利US 5,461,353號揭露一種可調式內埋電感架構。請參閱第2圖，一可調式線圈10以內埋的形式，設置於多層基板結構中。藉由控制訊號由控制線15控制電晶體18，使相鄰的兩導孔14和16短路，達到調整電感值的效果。再者，多層基板上下層佈局金屬，作為電感屏蔽之功能。其優點在於具有調整電感值功能，且電磁場分佈於螺旋電感中，具有極佳的品質因子特性。然而，此方式在製作大電感上。需耗費大量電路佈局面積。當製作雙埠電感時，輸入端12與輸出端14相隔甚遠，增加電路佈局的面積。

再者，美國專利第US 6,384,706號揭露一種利用佈局多個平面螺旋形電感於不同層基板上，再利用通孔將各個平面螺旋形電感進行連結。請參閱第3A圖，一電感元件20包括基板結構，包括複數層介電層25。兩個平面螺旋形電感26a和26b設置於於基板結構中，並藉由連線27連結，以大幅提升電感值。電感元件20的剖面圖請參閱第3B圖，於基板結構中更包括電源線24、接地線23、訊號線22，由接觸線31連接，並藉由積體電路32a和32b及電容33a和33b控制。然而，此方式所製作的大電感架構，因電磁場較易輻射致使品質因子特性較差。此外，輸入與輸出端並非在同一層上，不利電路佈局，需透過導線或通孔拉近。

美國專利第US 6,847,282號揭露一種多層基板佈局傳輸線並利用通孔、盲孔、埋孔聯結各層傳輸線，形成立體電感架構。請參閱第4A圖，多個螺旋線圈51、52、54、56分別設置於積層介電基板的表面53、55、57、59上，各螺旋線圈藉由導孔62、64、66連接。並在下層表面63形成屏蔽圖案65，做為接地面，以達到電感屏蔽效果。此電感元件結構可以縮減佈局面積，以及維持元件大感值與高品質因子特性。然而，輸入與輸出端並非在同一層上，需透過通孔67拉近使輸入與輸出靠近67以利整體電路佈局。

有鑑於此，本發明提供一種懸吊式電感元件，具有大電感值、高品質因子特性與縮減佈局面積。此懸吊式電感元件除了提昇系統電路效能外並能使電路佈局縮小。

本發明實施例提供一種懸吊式電感元件，包括一介電基板以及一懸吊式電感線圈。該懸吊式電感線圈包括：一輸入端，設置於該介電基板上；一螺旋線圈，自該介電基板纏繞至一電性連接；該電性連接貫穿該介電基板，且位於該螺旋線圈內，自該輸入端連接該螺旋線圈；以及一輸出端，設置於該介電基板上，連接該螺旋線圈且相鄰於該輸入端。

本發明實施例另提供一種懸吊式電感元件，包括：一介電基板，其具有複數層次基板疊層結構；一輸入端，設置於該介電基板上；一螺旋線圈，自該介電基板纏繞至一電性連接，其中該螺旋線圈包括至少一圈次線圈，其中任一次線圈包括一繞線節段設置於一次基板上，以及一導孔穿透該次基板連接次一線圈的繞線節段；該電性連接貫穿該介電基板，且位於該螺旋線圈內，自該輸入端連接該螺旋線圈；以及一輸出端，設置於該介電基板上，連接該螺旋線圈且相鄰於該輸入端。

為使本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。

本發明實施例之主要特徵及樣態，以縮減電感元件佈局面積以及維持元件高電感值與高品質因子特性，而提出一懸吊式電感架構。並利用立體架構集中電磁場的分佈，能有效解決大電感所帶來佈局面積損耗問題。再者，懸吊式電感架構能使電磁場輻射率降低，減低能量的消耗，而獲得極佳品質因子特性。在雙埠電感佈局上，此架構能彈性改變輸入與輸出端的位置，對於系統電路佈局衍生出多種佈局方式。

第5圖係顯示本發明之實施例的懸吊式電感元件架構的立體示意圖。請參閱第5圖，一懸吊式電感線圈200包括一輸入端202，設置於介電基板的一第一面上。輸入端202經由一電性連接205貫穿介電基板，再經由一導線節段203與一螺旋線圈電性連接。電性連接205的型式包括通孔(through hole)、盲孔(blind hole)、或埋孔(buried hole)。電性連接250位於該螺旋線圈內。例如，電性連接205可位於該螺旋線圈的中央，將電磁場集中於線圈內，減少電磁場的輻射耗損，改進電感元件整體的品質因子。螺旋線圈自介電基板的一第二面(例如底面)向上纏繞至第一面上，且連接一輸出端208，設置於介電基板的一第一面上。螺旋線圈包括複數閘繞線211、212、213，各繞線藉由一電性連接207連結。應注意的是，懸吊式電感線圈200的輸入端202相鄰於輸出端208，使佈局面積縮小，因此更有助於與其他主動或被動元件整合。

應注意的是，懸吊式電感線圈200的形狀亦為一矩形螺旋線圈、多邊形螺旋線圈或一圓形螺旋線圈。或者，懸吊式電感線圈200可為順時針方向纏繞或逆時針時針方向纏繞。

根據本發明實施例，於元件運作時，訊號200S_F 先由輸入端經導孔貫通基板，再利用多層板上環繞通孔的傳輸線佈局方式，使輸出訊號利用盲孔、埋孔聯結傳輸線，旋繞回輸入訊號旁，形成立體電感架構。此電感架構能節省佈局面積的消耗並能獲得大電感值特性。並可任意控制雙埠電感輸入與輸出端位置，為系統電路佈局提供更多的設計彈性。再者，立體結構電感可將電磁場集中於線圈內，減少電磁場的輻射損耗，因此也具有極佳的品質因子特性。

第6圖係顯示根據本發明實施例之介電基板的示意圖。適用時本發明實施例的介電基板包括多層的介電基板300。將懸吊式電感線圈200埋藏入多層的介電基板300中。例如，多層的介電基板300包括第一介電層310(RO4403，厚度4mil的介電材料)、第二介電層320(高介電係數材料(High dielectric constant material，HiDK 20厚度2mil))、第三介電層330(BT厚度12mil)、第四介電層340(HiDK 20厚度2mil))、第五介電層350(RO4403，厚度4mil)。介電基板的材質包括高分子基板、一陶瓷基板或一半導體基板，且介電基板可為單一材質構成的單層基板或多種材質構成的複合基板。再者，介電基板更包括至少一主動元件或一被動元件所構成的電路。

根據本發明另一實施例，各層傳遞返回訊號傳輸線，環繞上層基板至下層之信號饋入孔圈數小於一圈。更明確地說，利用懸吊式電感線圈於多層的介電基板內完成一個完整的螺旋電感(spiral inductor)。再者，在懸吊式電感架構中，中心點的導孔結構與多層基板完成一個完整的螺旋電感會是整個專利特點，使得電感線圈往Z方向延伸，形成3D螺旋電感架構。

請參閱第7A圖，本發明之一實施例提供一懸吊式電感元件400a，其包括一懸吊式電感線圈420埋藏入多層的介電基板410中。一輸入端430設置於介電基板410的第一面上，且連接懸吊式電感線圈420中央導孔。懸吊式電感線圈420向上纏繞連接一輸出端440。第7B圖為第7A圖所示之懸吊式電感線圈420沿切割線7B－7B剖面圖。請參閱第7B圖，多層的介電基板410例如為五層的次介電基板411－415，輸入端430與輸出端440可選擇位於不同層的次介電基板上。懸吊式電感線圈420的外層分別裸露於多層的介電基板410外。螺旋線圈的輸入端430相鄰於輸入端440，因而可任意控制雙埠電感輸入與輸出端位置，為系統電路佈局提供更多的設計彈性。

請參閱第8A圖，本發明另一實施例提供一懸吊式電感元件400b，其包括一懸吊式電感線圈420埋藏入多層的介電基板410中。一輸入端430設置於介電基板410的第一面上，且連接懸吊式電感線圈420中央導孔。懸吊式電感線圈420向上纏繞連接一輸出端440。一頂蓋層455設置於多層的介電基板410的頂部，以及一底蓋層405設置於多層的介電基板410的底部(示於第8B圖)。第8B圖為第8A圖所示之懸吊式電感線圈420沿切割線8B－8B剖面圖。請參閱第8B圖，多層的介電基板410例如為五層的次介電基板411－415，輸入端430與輸出端440可選擇位於不同層的次介電基板上。懸吊式電感線圈420的外層分別埋於頂蓋層455與底蓋層405內。根據以上說明，主要舉例說明本發明實施例之懸吊式電感線圈可以內埋至基板中，然非用以限定本發明，其他技術特徵，例如輸入與輸出端並非一定在表層，或者電感可部分位於表層或內層中，皆落於本發明之精神和範圍內。

請參閱第9A圖，本發明另一實施例提供一懸吊式電感元件400c，其包括一懸吊式電感線圈420埋藏入多層的介電基板410中。一輸入端430設置於介電基板410的第一面上，且連接懸吊式電感線圈420中央導孔。懸吊式電感線圈420向上纏繞連接一輸出端440。一底蓋層405設置於多層的介電基板410的底部(示於第9B圖)。第9B圖為第9A圖所示之懸吊式電感線圈420沿切割線9B－9B剖面圖。請參閱第9B圖，多層的介電基板410例如為五層的次介電基板411－415，輸入端430與輸出端440可選擇位於不同層的次介電基板上。懸吊式電感線圈420的上層裸露於多層的介電基板410上，且其下層埋於底蓋層405內。

第10A圖係顯示傳統的螺旋電感元件的立體示意圖。第10B圖為第10A圖所示的螺旋電感元件的平面圖。請參見第10A圖，傳統的螺旋電感元件500包括一螺旋電感線圈520埋藏入多層的介電基板510中。一輸入端530與一輸出端540設置於介電基板510的第一面上，且分別連接螺旋電感線圈520的兩端。於螺旋電感元件500的週邊區域設置接地線512。

第11A圖係顯示根據本發明之一實施例的懸吊式螺旋電感元件的立體示意圖。第11B圖為第11A圖所示的懸吊式螺旋電感元件的平面圖。請參見第11A圖，一懸吊式電感元件600，其包括一懸吊式電感線圈620埋藏入多層的介電基板610中。一輸入端630設置於介電基板610的第一面上，且連接懸吊式電感線圈620中央導孔。懸吊式電感線圈620向上纏繞連接一輸出端640。於懸吊式螺旋電感元件600的週邊區域設置接地線612。

將傳統的螺旋電感元件500與懸吊式電感元件600的電感特性比較，列於表一。

傳統螺旋電感元件500的佈局面積為140mil×60mil，且輸入端與輸出端分別設置於線圈的兩端，因此不易佈局電路設計，且與其他元件難整合。再者，請參閱第12B與13B圖，螺旋電感元件500的電感值僅7.76nH，且最大品質因子71.03，以上兩者電氣特性都相對較低。相對於本發明實施例提供之懸吊式電感元件600，佈局面積為70mil×80mil，且輸入端與輸出端位置靠近，使電路設計佈局容易。再者，請參閱第12A與13A圖，懸吊式電感元件600的電感值提升為16.95nH，且最大品質因子也提升為76.92，以上兩者電氣特性相對傳統的螺旋電感元件500，已顯著地改善。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

習知部分(第1~4B圖)

10．．．可調式線圈

12．．．輸入端

14．．．輸出端

15．．．控制線

16．．．導孔

18．．．電晶體

20．．．電感元件

22．．．訊號線

23．．．接地線

24．．．電源線

25．．．介電層

26a、26b．．．平面螺旋形電感

27．．．連線

31．．．接觸線

32a、32b．．．積體電路

33a、33b．．．電容

51、52、54、56．．．螺旋線圈

53、55、57、59．．．積層介電基板的表面

62、64、66．．．導孔

63．．．下層表面

65．．．屏蔽圖案

67．．．通孔

本案部分(第513B圖)

200．．．懸吊式電感線圈

202．．．輸入端

203．．．導線節段

205．．．電性連接

207．．．導線線圈

208．．．輸出端

211、212、213．．．繞線

200S_F ．．．訊號

300．．．介電基板

310．．．第一介電層

320．．．第二介電層

330．．．第三介電層

340．．．第四介電層

350．．．第五介電層

400a、400b、400c．．．懸吊式電感元件

410．．．介電基板

411－415．．．次介電基板

420．．．懸吊式電感線圈

430．．．輸入端

440．．．輸出端

455．．．頂蓋層

405．．．底蓋層

500．．．傳統的螺旋電感元件

510．．．多層的介電基板

512．．．接地線

520．．．螺旋電感線圈

530．．．輸入端

540．．．輸出端

600．．．懸吊式電感元件

610．．．多層的介電基板

612．．．接地線

620．．．懸吊式電感線圈

630．．．輸入端

640．．．輸出端

第1圖係顯示電感值由兩具電流線圈S1與S2之間感應而成的示意圖；第2圖係顯示傳統具可調式線圈的電感元件的示意圖；第3A圖係顯示傳統兩個平面螺旋形電感設置於不同層基板上的示意圖；第3B圖為第3A圖所示的平面螺旋形電感元件的剖面示意圖；第4A圖係顯示傳統的多層基板間形成的立體電感元件的示意圖；第4B圖為第4A圖所示的立體電感元件的剖面示意圖；第5圖係顯示本發明之實施例的懸吊式電感元件架構的立體示意圖；第6圖係顯示根據本發明實施例之介電基板的示意圖；第7A圖係顯示根據本發明之一實施例的懸吊式電感元件的示意圖；第7B圖為第7A圖所示的懸吊式電感元件的剖面圖；第8A圖係顯示根據本發明另一實施例的懸吊式電感元件的示意圖；第8B圖為第8A圖所示的懸吊式電感元件的剖面圖；第9A圖係顯示根據本發明另一實施例的懸吊式電感元件的示意圖；第9B圖為第9A圖所示的懸吊式電感元件的剖面圖；第10A圖係顯示傳統的螺旋電感元件的立體示意圖；第10B圖為第10A圖所示的螺旋電感元件的平面圖；第11A圖係顯示根據本發明之一實施例的懸吊式螺旋電感元件的立體示意圖；第11B圖為第11A圖所示的懸吊式螺旋電感元件的平面圖；第12A圖係顯示根據本發明實施例的懸吊式螺旋電感元件的電感值與頻率關係圖；第12B圖係顯示傳統的螺旋電感元件的電感值與頻率關係圖；第13A圖係顯示根據本發明實施例的懸吊式螺旋電感元件的品質因子與頻率關係圖；以及第13B圖係顯示傳統的螺旋電感元件的品質因子與頻率關係圖。

200．．．懸吊式電感線圈

202．．．輸入端

203．．．導線節段

205．．．電性連接

207．．．導線線圈

208．．．輸出端

211、212、213．．．繞線

200S_F ．．．訊號

Claims (29)

1. 一種懸吊式電感元件，包括：一介電基板，其中一底層設置於該介電基板的底部；以及一懸吊式電感線圈，包括：一輸入端，設置於該介電基板上；一螺旋線圈，自該介電基板纏繞一電性連接；該電性連接貫穿該介電基板，且位於該螺旋線圈的中央，自該輸入端連接該螺旋線圈；以及一輸出端，設置於該介電基板上，連接該螺旋線圈且相鄰於該輸入端，其中該懸吊式電感線圈從該輸入端纏繞到該螺旋線圈，穿過位於該螺旋線圈中央的該電性連接與該介電基板到該底層，接著向上纏繞連接該輸出端，因此構成電感元件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，該介電基板為單一材質構成的單層基板或多種材質構成的複合基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板的材質包括一高分子基板、一陶瓷基板或一半導體基板。
4. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板包括複數層介電層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，更包括一頂蓋層設置於該介電基板的頂部，其中該電性連接利用疊孔製程包括通孔製程、盲孔製程、或埋孔製程，並形成於不同介電層間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中 該介電基板包括至少一主動元件或一被動元件所構成的一電路。
7. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板包括複數層次基板的疊層結構。
8. 如申請專利範圍第7項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈包括至少一圈線圈，其中任一線圈包括一繞線節段設置於一次基板上，以及一導孔穿透該次基板連接次一線圈的繞線節段，並且由不同層的線圈與盲埋孔組合成一完整的螺旋線圈。
9. 如申請專利範圍第7項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈包括複數圈線圈，其中該輸入端與輸出端位於不同層的次基板上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該電性連接位於該螺旋線圈內。
11. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該電性連接的材質包括導電材料或導磁材料。
12. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈為一矩形螺旋線圈、多邊形螺旋線圈或一圓形螺旋線圈。
13. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈為順時針方向纏繞或逆時針時針方向纏繞。
14. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中各層傳遞返回訊號傳輸線，環繞上層基板至下層之信號饋入孔圈數小於一圈。
15. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中該懸吊式電感線圈於多層的介電基板內完成一完整的螺旋電感。
16. 如申請專利範圍第1項所述之懸吊式電感元件，其中在該懸吊式電感元件中，中心點的導孔結構與多層基板完成一個完整的螺旋電感，使得電感線圈往Z方向延伸，形成3D螺旋電感架構。
17. 一種懸吊式電感元件，包括：一介電基板，其具有複數層次基板疊層結構，其中一底層設置於該介電基板的底部；一輸入端，設置於該介電基板上；一螺旋線圈，自該介電基板纏繞至一電性連接，其中該螺旋線圈包括至少一圈次線圈，其中任一次線圈包括一繞線節段設置於一次基板上，以及一導孔穿透該次基板連接次一線圈的繞線節段；該電性連接貫穿該介電基板，且位於該螺旋線圈的中央，自該輸入端連接該螺旋線圈；以及一輸出端，設置於該介電基板的一第一面上，連接該螺旋線圈且相鄰於該輸入端，其中該懸吊式電感線圈從該輸入端纏繞到該螺旋線圈，穿過位於該螺旋線圈中央的該電性連接與該介電基板到該底層，接著向上纏繞連接該輸出端，因此構成電感元件。
18. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板的材質包括一高分子基板、一陶瓷基板或一半導 體基板，且該介電基板為單一材質構成的單層基板或多種材質構成的複合基板。
19. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板包括複數層介電層。
20. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，更包括一頂蓋層設置於該介電基板的頂部，其中該電性連接利用疊孔製程包括通孔製程、盲孔製程、或埋孔製程，並形成於不同介電層間。
21. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該介電基板包括至少一主動元件或一被動元件所構成的一電路。
22. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈包括複數圈線圈，其中該輸入端與輸出端位於不同層的次基板上。
23. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該電性連接位於該螺旋線圈內。
24. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該電性連接的材質包括導電材料或導磁材料。
25. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈為一矩形螺旋線圈、多邊形螺旋線圈或一圓形螺旋線圈。
26. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該螺旋線圈為順時針方向纏繞或逆時針時針方向纏繞。
27. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其 中各層傳遞返回訊號傳輸線，環繞上層基板至下層之信號饋入孔圈數小於一圈。
28. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中該懸吊式電感線圈於多層的介電基板內完成一完整的螺旋電感。
29. 如申請專利範圍第17項所述之懸吊式電感元件，其中在該懸吊式電感元件中，中心點的導孔結構與多層基板完成一個完整的螺旋電感，使得電感線圈往Z方向延伸，形成3D螺旋電感架構。