TWI674595B

TWI674595B - 積體變壓器

Info

Publication number: TWI674595B
Application number: TW108114413A
Authority: TW
Inventors: 顏孝璁; Hsiao-Tsung Yen; 陳家源; Ka-Un Chan
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司; Realtek Semiconductor Corporation
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-10-11
Also published as: TW202040603A; US20200343334A1; US11670669B2

Abstract

積體變壓器包含第一電感及第二電感。第一電感包含第一繞組與第二繞組。第二電感包含第三繞組與第四繞組。第一繞組、第二繞組、第三繞組，以及第四繞組分別具有第一外圈、第二外圈、第三外圈，以及第四外圈。第一外圈的部分線段與第三外圈的部分線段實質上重疊，第二外圈的部分線段與第四外圈的部分線段實質上重疊。第一外圈及第二外圈透過交叉之第一線段及第一走線相互連接，且第三外圈及第四外圈透過交叉之第二走線及第二線段相互連接。第一走線及第二線段位於半導體結構的第一金屬層，而第一線段及第二走線位於半導體結構的第二金屬層。第一金屬層不等於第二金屬層。

Description

積體變壓器

本發明是關於半導體元件，尤其是關於積體變壓器。

變壓器為射頻積體電路中用來實現單端至差動訊號轉換、訊號耦合、阻抗匹配等功能的重要元件，隨著積體電路往系統單晶片（System on Chip，SoC）發展，積體變壓器（integrated transformer）已逐漸取代傳統的分離式元件，而被廣泛地使用在射頻積體電路中。然而，積體電路中的變壓器，往往會佔用大量的晶片面積，因此，如何縮小積體電路中的變壓器的面積，並同時維持元件的特性（例如耦合係數（coupling coefficient，K）），成為一個重要的課題。

特別是，8字型積體變壓器的對稱性及位於中心區域的交叉（crossing）結構都增加8字型積體變壓器的設計難度。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種積體變壓器。

本發明揭露一種積體變壓器。積體變壓器包含第一電感及第二電感。第一電感包含第一繞組與第二繞組。第一繞組具有第一外圈，第二繞組具有第二外圈，第一外圈及第二外圈共用第一走線，且第一外圈及第二外圈透過第二走線相連接。第二電感包含第三繞組與第四繞組。第三繞組具有第三外圈，第四繞組具有第四外圈，第三外圈及第四外圈共用第三走線，且第三外圈及第四外圈透過第四走線相連接。第一走線及第二走線形成第一交叉結構，第三走線及第四走線形成第二交叉結構。第一走線及第四走線位於半導體結構的第一金屬層，且第二走線及第三走線位於半導體結構的第二金屬層。第一金屬層不等於第二金屬層。

本發明另揭露一種積體變壓器。積體變壓器包含第一電感及第二電感。第一電感包含第一繞組與第二繞組。第一繞組具有第一外圈，第二繞組具有第二外圈。第二電感包含第三繞組與第四繞組。第三繞組具有第三外圈，第四繞組具有第四外圈。第一外圈的部分線段與第三外圈的部分線段實質上重疊，第二外圈的部分線段與第四外圈的部分線段實質上重疊。第一外圈及第二外圈透過交叉之第一線段及第一走線相互連接，且第三外圈及第四外圈透過交叉之第二走線及第二線段相互連接。第一走線及第二線段位於半導體結構的第一金屬層，而第一線段及第二走線位於半導體結構的第二金屬層。第一金屬層不等於第二金屬層。

相較於傳統技術，本發明之積體變壓器具有以下優點：（1）積體變壓器的兩個電感本身具有良好的對稱性；（2）積體變壓器在中心區域的兩個交叉結構只用到兩層金屬層，有利於實作。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含積體變壓器。由於本發明之積體變壓器所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。

圖1A~1C為本發明積體變壓器之一實施例的結構圖。積體變壓器1由多條走線（trace）構成，其中大部分的走線分佈於第一金屬層（圖1A），小部分的走線分佈於第二金屬層（圖1B）及第三金屬層（圖1C）。一條走線可以被劃分為數個線段（segment）。積體變壓器1主要包含四個繞組（winding）：繞組11、繞組12、繞組21，以及繞組22。繞組11及繞組12構成積體變壓器1的其中一個電感，而繞組21及繞組22構成另一個電感。第一、第二及第三金屬層為不同的金屬層。舉例來說：第一金屬層是半導體結構中的重佈線層（Re-Distribution Layer, RDL）、第二金屬層可以是半導體結構中的超厚金屬（Ultra Thick Metal, UTM）層，以及第三金屬層可以是半導體結構中的第六層金屬層。

繞組11包含走線111、走線112、走線113、走線114、走線115、走線116，以及走線117。繞組12包含走線121、走線122、走線123、走線124、走線125，以及走線126。繞組11及繞組12共用走線13及走線14。繞組11及繞組12共同構成電感10。

端點（end point）111-b與端點112-a相連接；更明確地說，相連接的端點透過貫穿結構（例如導孔（via）結構或是導孔陣列（via array））相連接。類似地，端點112-b與端點113-a相連接；端點113-b與端點13-a相連接；端點13-b與端點121-a相連接；端點121-b與端點122-a相連接；端點122-b與端點123-a相連接；端點123-b與端點124-a相連接；端點124-b與端點125-a相連接；端點125-b與端點126-a相連接；端點126-b與走線14的其中一端點相連接；走線14的另一端點與端點114-a相連接；端點114-b與端點115-a相連接；端點115-b與端點116-a相連接，以及端點116-b與端點117-a相連接。端點111-a以及端點117-b是電感10的輸出/入端，也形成積體變壓器的其中一個埠（port）。

繞組21包含走線211、走線212、走線213，以及走線214。繞組22包含走線221、走線222、走線223、走線224，以及走線225。繞組21及繞組22共用走線23及走線24。繞組21及繞組22共同構成電感20。

端點221-b與端點222-a相連接；端點222-b與端點223-a相連接；端點223-b與走線23的其中一端點相連接；走線23的另一端點與端點211-a相連接；端點211-b與端點212-a相連接；端點212-b與端點213-a相連接；端點213-b與端點214-a相連接；端點214-b與端點24-a相連接；端點24-b與端點224-a相連接，以及端點224-b與端點225-a相連接。端點221-a以及端點225-b是電感20的輸出/入端，也形成積體變壓器的其中一個埠。

圖1A~1C中的參考線RH1A、參考線RV1A、參考線RH1B、參考線RV1B、參考線RH1C、參考線RV1C不屬於積體變壓器或積體電感的一部分，而是用於說明。參考線RH1A、參考線RH1B及參考線RH1C重疊且參考線RV1A、參考線RV1B及參考線RV1C重疊；換言之，圖1A~1C的中心點重疊。

圖2A為電感10的示意圖。走線111、走線113、走線115、走線117、走線121、走線123、走線125，以及走線14實作於第一金屬層（以實線表示）；走線112、走線114、走線124、走線126，以及走線13實作於第二金屬層（以第一種虛線表示）；走線116及走線122實作於第三金屬層（以第二種虛線表示）。繞組11的外圈包含部分的走線13、走線113、部分的走線112、部分的走線117、走線116、走線115、走線114，以及部分的走線14。繞組11的內圈包含走線111、部分的走線112，以及部分的走線117。繞組12的外圈包含部分的走線13、走線121、走線122、部分的走線123、部分的走線124、走線125、走線126，以及部分的走線14。繞組12的內圈包含部分的走線123以及部分的走線124。繞組11的內圈及繞組12的內圈實質上實作於第一金屬層。除了繞組11的外圈的部分線段及繞組12的外圈的部分線段之外，電感10（亦即繞組11及繞組12）的大部分線段實質上實作於第一金屬層。更明確地說，除了走線13、走線112、走線114、走線116、走線122、走線124，以及走線126之外，電感10實質上實作於第一金屬層。如圖2A所示，繞組11及繞組12實質上為對稱結構。

在積體變壓器1的中心處（亦即大約框選區域210處）形成一交叉結構。交叉結構由兩個線段組成，其中一個線段是走線14或部分的走線14，另一個線段是部分的走線13。繞組11的外圈及繞組12的外圈透過該交叉結構相連接，換言之，繞組11及繞組12透過該交叉結構相連接。

圖2B為電感20的示意圖。走線211、走線213、走線221、走線223、走線225，以及走線24實作於第一金屬層（以實線表示）；走線214、走線222，以及走線23實作於第二金屬層（以第一種虛線表示）；走線212以及走線224實作於第三金屬層（以第二種虛線表示）。繞組21的外圈包含部分的走線23、部分的走線211、部分的走線214，以及部分的走線24。繞組21的內圈包含部分的走線211、走線212、走線213，以及部分的走線214。繞組22的外圈包含部分的走線23、走線223、部分的走線222，以及部分的走線24。繞組22的內圈包含走線221、部分的走線222、部分的走線24、走線224，以及走線225。電感20（亦即繞組21及繞組22）的大部分線段實質上實作於第一金屬層。更明確地說，除了走線23、走線212、走線214、走線222，以及走線224之外，電感20實質上實作於第一金屬層。如圖2B所示，繞組21及繞組22實質上為對稱結構。

在積體變壓器1的中心處（亦即大約框選區域220處）形成一交叉結構。交叉結構由兩個線段組成，其中一個線段是走線23或部分的走線23，另一個線段是部分的走線24。繞組21的外圈及繞組22的外圈透過該交叉結構相連接，換言之，繞組21及繞組22透過該交叉結構相連接。

圖2C為積體變壓器1的示意圖。電感10（包含繞組11及繞組12）以黑色線表示，電感20（包含繞組21及繞組22）以灰色線表示。在靠近積體變壓器1的中心區域（亦即大約框選區域230處），繞組11的外圈的部分線段與繞組21的外圈的部分線段平行且實質上重疊，以及繞組12的外圈的部分線段與繞組22的外圈的部分線段平行且實質上重疊。繞組11的內圈與繞組21的內圈不重疊，且繞組12的內圈與繞組22的內圈不重疊。繞組11實質上被繞組21的外圈包圍，亦即繞組11的面積小於繞組21的面積。繞組12實質上被繞組22的外圈包圍，亦即繞組12的面積小於繞組22的面積。此外，電感10的面積小於電感20的面積。

圖3為本發明積體變壓器之另一實施例的結構圖。積體變壓器2包含第一電感（以黑色線表示）及第二電感（以灰色線表示）。端點311-a以及端點317-b是第一電感的輸出/入端，也形成積體變壓器的其中一個埠；端點421-a以及端點425-b是第二電感的輸出/入端，也形成積體變壓器的另一個埠。

圖3的積體變壓器2與圖2C的積體變壓器1相似，差別在於框選區域50及框選區域60處的連接方式稍有不同，但積體變壓器1及積體變壓器2具有相似的特性。換言之，本技術領域具有通常知識者可以修改框選區域50、框選區域60、框選區域70及框選區域80處的連接方式，來得到不同的積體變壓器。然而，以此種方式修改後的積體變壓器皆等效於積體變壓器1，皆屬本發明所保護的範疇。

在前揭的實施例中，繞組的圈數僅為示意，非用來限制本發明；本技術領域具有通常知識者可以根據前揭的實施例以任意的圈數實作繞組。

請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸以及比例等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

1、2‧‧‧積體變壓器

11、12、21、22‧‧‧繞組

111、112、113、114、115、116、117、121、122、123、124、125、126、13、14、211、212、213、214、221、222、223、224、225、23、24‧‧‧走線

111-b、112-a、112-b、113-a、113-b、13-a、13-b、121-a、121-b、122-a、122-b、123-a、123-b、124-a、124-b、125-a、125-b、126-a、126-b、114-a、114-b、115-a、115-b、116-a、116-b、117-a、111-a、117-b、221-b、222-a、222-b、223-a、223-b、211-a、211-b、212-a、212-b、213-a、213-b、214-a、214-b、24-a、24-b、224-a、224-b、225-a、221-a、225-b、311-a、317-b、421-a、425-b‧‧‧端點

10、20‧‧‧電感

210、220、230、50、60、70、80‧‧‧框選區域

［圖1A］~［圖1C］為本發明積體變壓器之一實施例的結構圖；
［圖2A］為積體變壓器的其中一個電感的示意圖；
［圖2B］為積體變壓器的另一個電感的示意圖；
［圖2C］為積體變壓器的示意圖；以及
［圖3］為本發明積體變壓器之另一實施例的示意圖。

Claims

一種積體變壓器，包含：
一第一電感，包含一第一繞組與一第二繞組，其中該第一繞組具有一第一外圈，該第二繞組具有一第二外圈，該第一外圈及該第二外圈共用一第一走線，且該第一外圈及該第二外圈透過一第二走線相連接；
一第二電感，包含一第三繞組與一第四繞組，其中該第三繞組具有一第三外圈，該第四繞組具有一第四外圈，該第三外圈及該第四外圈共用一第三走線，且該第三外圈及該第四外圈透過一第四走線相連接；
其中，該第一走線及該第二走線形成一第一交叉結構，該第三走線及該第四走線形成一第二交叉結構，該第一走線及該第四走線位於一半導體結構之一第一金屬層，該第二走線及該第三走線位於該半導體結構之一第二金屬層，且該第一金屬層不等於該第二金屬層。
如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一外圈之部分線段與該第三外圈之部分線段平行且實質上重疊，且該第二外圈之部分線段與該第四外圈之部分線段平行且實質上重疊。
如申請專利範圍第2項所述之積體變壓器，其中該第一繞組具有一第一內圈，該第二繞組具有一第二內圈，該第三繞組具有一第三內圈，以及該第四繞組具有一第四內圈，其中該第一內圈及該第三內圈不重疊，且該第二內圈及該第四內圈不重疊。
如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一繞組實質上被該第三外圈包圍，且該第二繞組實質上被該第四外圈包圍。
如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一電感的面積小於該第二電感的面積。
一種積體變壓器，包含：
一第一電感，包含一第一繞組與一第二繞組，其中該第一繞組具有一第一外圈，該第二繞組具有一第二外圈；
一第二電感，包含一第三繞組與一第四繞組，其中該第三繞組具有一第三外圈，該第四繞組具有一第四外圈；
其中，該第一外圈的部分線段與該第三外圈的部分線段實質上重疊，該第二外圈的部分線段與該第四外圈的部分線段實質上重疊，該第一外圈及該第二外圈透過交叉之一第一線段及一第一走線相互連接，該第三外圈及該第四外圈透過交叉之一第二走線及一第二線段相互連接，該第一走線及該第二線段位於一半導體結構之一第一金屬層，該第一線段及該第二走線位於該半導體結構之一第二金屬層，該第一金屬層不等於該第二金屬層。
如申請專利範圍第6項所述之積體變壓器，其中該第一外圈之部分線段與該第三外圈之部分線段平行且實質上重疊，且該第二外圈之部分線段與該第四外圈之部分線段平行且實質上重疊。
如申請專利範圍第7項所述之積體變壓器，其中該第一繞組具有一第一內圈，該第二繞組具有一第二內圈，該第三繞組具有一第三內圈，以及該第四繞組具有一第四內圈，其中該第一內圈及該第三內圈不重疊，且該第二內圈及該第四內圈不重疊。
如申請專利範圍第6項所述之積體變壓器，其中該第一繞組實質上被該第三外圈包圍，且該第二繞組實質上被該第四外圈包圍。
如申請專利範圍第6項所述之積體變壓器，其中該第一電感的面積小於該第二電感的面積。