芯片上的具有磁性的隔離型功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】芯片上的具有磁性的隔離型功率轉(zhuǎn)換器
[0001 ] 本申請(qǐng)是進(jìn)入中國國家階段日期為2013年12月30日、申請(qǐng)?zhí)枮?01280032352.4，發(fā)明名稱為“芯片上的具有磁性的隔離型功率轉(zhuǎn)換器”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]優(yōu)先權(quán)聲明
[0003]本申請(qǐng)受益于2011年6月30日提交的臨時(shí)申請(qǐng)s.η.61/503，578的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)的公開內(nèi)容并入本文。
【背景技術(shù)】
[0004]本申請(qǐng)的主題涉及在集成電路上實(shí)施的磁路，所述集成電路用于提供源自于磁路的功能，例如電壓轉(zhuǎn)換。
[0005]具有空氣芯磁路的變壓器有局限性，部分歸因于空氣芯磁路的高電阻和低電感。例如，在空氣芯磁路中，可以將功率輻射回可能影響電磁干擾(EMI)的集成電路(IC)的電源平面或接地平面。為了減輕空氣芯磁路中的EMI的影響，設(shè)計(jì)者必須在設(shè)計(jì)電路和包括空氣芯的繞組的物理參數(shù)上花很多的精力。因?yàn)镋MI與頻率成比例，所以當(dāng)施加高頻率信號(hào)時(shí)，EMI的影響是特別重要的。由于所產(chǎn)生的高電流，印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)者也必定會(huì)擔(dān)憂EMI影響。輻射功率也是一個(gè)問題，因?yàn)樗赡芨蓴_未連接到PCB的其它電路。
[0006]此外，空氣芯磁路不是有效的，并且這些電路的封裝可能限制可提供的功率。例如，芯片上的功率耗散可能限制可由片上變壓器提供的功率。因此，可提供的功率量受到電路效率和封裝可應(yīng)付多少功率的限制。通常需要供應(yīng)太多附加功率以克服由于空氣芯磁路的無效率而導(dǎo)致的功率損失。
[0007]為了克服空氣芯磁路的局限性，設(shè)計(jì)者在變壓器中包括磁芯以增加繞組電感和功率轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致較低電感器峰值電流和減少的功率消耗。增加的繞組電感和功率轉(zhuǎn)換效率還減少與其它部件的干擾，因?yàn)榭墒褂幂^低的開關(guān)頻率并且磁通量由于磁芯的添加而受到更多約束。在變壓器中包括磁芯增加每單位面積的電感，這提供更高的能量密度并且允許設(shè)備小型化。
[0008]可使用隔離式變壓器構(gòu)造具有磁芯的變壓器。隔離式變壓器在相關(guān)的電路之間提供電隔離。例如，當(dāng)需要保護(hù)電路免受信號(hào)尖峰或浪涌時(shí)，可使用隔離式變壓器。然而，現(xiàn)有的隔離式變壓器會(huì)需要較大的空間。此外，當(dāng)變壓器非常接近于其它電路部件時(shí)，存在提高效率以及將變壓器與其它電路部件充分地隔離的挑戰(zhàn)。
【附圖說明】
[0009]圖1(a)和圖1(b)圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的片上變壓器的示例性配置。
[0010]圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有通量導(dǎo)體的片上變壓器的示例性配置。
[0011]圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有磁芯的片上變壓器的示例性配置。
[0012]圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有兩個(gè)磁芯的片上變壓器的示例性配置。
[0013]圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有磁芯的片上變壓器的示例性配置。
[0014]圖6圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的集成電路的截面圖。
[0015]圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的可使用具有磁芯的片上變壓器的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。
[0016]圖8圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有布置在襯底的相同側(cè)上的磁芯和通量導(dǎo)體的片上變壓器的示例性配置。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的實(shí)施方案可提供具有變壓器的集成電路，該變壓器具有環(huán)繞為磁通量提供路徑的磁芯纏繞的一個(gè)或多個(gè)繞組。介電材料可以被包括以在磁芯和繞組之間提供電氣絕緣。變壓器可以設(shè)置在襯底上。繞組和磁芯可以被定向成為磁通量提供路徑，該路徑沿平行于襯底(變壓器形成于其上)的表面的方向。通量導(dǎo)體可以設(shè)置在襯底的另一個(gè)表面上，以提高通過變壓器的通量傳導(dǎo)。集成電路可用一些層制造。
[0018]具有第一繞組和第二繞組的變壓器可具有圍繞磁芯的第一部分的第一繞組和圍繞磁芯的第二部分的第二繞組。第一繞組和第二繞組中的至少一個(gè)可占據(jù)集成電路的一些層中的若干層。磁芯也可占據(jù)集成電路的一些層中的若干層。
[0019]磁芯可以是實(shí)芯的，可以包括多個(gè)空隙或可以是多段芯，具有在相鄰的段之間的至少一個(gè)空隙中提供的介電材料。單個(gè)棒芯具有最高的面積效率，因?yàn)樵谙嗤砻嫔系囊粚?duì)核芯將占據(jù)更大的面積以提供相同的通量傳導(dǎo)。然而，使用單個(gè)棒芯可能由于漏通量而增加EMI。集成電路可包括布置成與具有第一繞組和第二繞組的磁芯相鄰的第二磁芯。如果具有第一繞組和第二繞組的磁芯布置在襯底的一側(cè)上，則可在襯底的相對(duì)側(cè)上提供第二磁芯。第二磁芯可協(xié)助“封閉”通量回路，無需集成電路上的額外的表面面積。第二磁芯可以簡單地為鐵素體-環(huán)氧樹脂層(ferrite loaded epoxy layer)或具有大于沉積薄膜或涂層薄膜的導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁率的其它薄膜。
[0020]磁芯可包括開口，第一繞組和第二繞組通過該開口圍繞磁芯。在磁芯具有開口的情況下，第一繞組可圍繞開口的一側(cè)上的磁芯，并且第二繞組可圍繞開口的相對(duì)側(cè)上的磁芯。
[0021]第一繞組和第二繞組可圍繞磁芯的相同部分。在這樣的配置的情況下，第一繞組和第二繞組可環(huán)繞磁芯的相同部分互相纏繞且彼此不接觸。還可在互相纏繞的繞組和磁芯之間提供介電材料以在繞組之間以及在繞組和磁芯之間提供隔離。
[0022]在集成電路上提供的變壓器的實(shí)施方案可以包括兩個(gè)磁芯，該兩個(gè)磁芯具有圍繞各個(gè)磁芯的一個(gè)或多個(gè)繞組。例如，第一磁芯可由第一繞組包圍并且第二磁芯可由第二繞組包圍。多個(gè)繞組也可以圍繞各個(gè)磁芯，并且各繞組可圍繞多個(gè)磁芯。例如，第一磁芯可由第一繞組包圍，并且第二繞組和第二磁芯可由第一繞組和第二繞組包圍。繞組可環(huán)繞相應(yīng)的磁芯的相同部分互相纏繞且彼此不接觸。
[0023]圖1(a)和圖1(b)圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的片上變壓器的示例性配置。圖1(a)示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的上芯片變壓器100的頂視圖。變壓器100可以包括為磁通量提供路徑的磁芯110、環(huán)繞磁芯110纏繞的一個(gè)或多個(gè)繞組120和在磁芯110和繞組120之間提供電氣絕緣的介電材料130。
[0024]為磁通量提供路徑的磁芯110可以占據(jù)集成電路的一些層中的若干層。例如，第一繞組120可以通過若干層的第一部分在磁芯110的多個(gè)側(cè)上圍繞磁芯110，并且第二繞組120可以通過若干層的第二部分在磁芯110的多個(gè)側(cè)上圍繞磁芯。如圖1(a)中所示，第一繞組120可以在磁芯110的第一部分中在磁芯110的多個(gè)側(cè)上圍繞磁芯110，并且第二繞組120可以在磁芯110的第二部分中在磁芯110的多個(gè)側(cè)上圍繞磁芯110，磁芯110的第二部分不同于磁芯110的第一部分。第一繞組和第二繞組120可以圍繞磁芯110使得繞組120環(huán)繞磁芯110。
[0025]圖1(b)圖示圖1(a)的變壓器100的截面圖。如圖示的，變壓器100可以在襯底140上建構(gòu)。磁芯110和繞組120可以被定向成沿平行于襯底140(變壓器100形成于其上)的表面的方向傳導(dǎo)磁通量。在磁芯和繞組120之間提供的介電材料130可以是隔離層。隔離層可以是具有高介質(zhì)擊穿的絕緣層，諸如聚酰亞胺、二氧化硅、氮化硅等。磁芯110層可以是具有高導(dǎo)磁率的層，諸如NiFe和FeCo基合金。
[0026]磁芯110和繞組120的定向允許根據(jù)常規(guī)集成電路制造技術(shù)來制造變壓器100。使用半導(dǎo)體掩模和影印石版術(shù)，可以在多個(gè)材料沉積層中構(gòu)建繞組120、介電材料130和磁芯110。在一個(gè)實(shí)例中，形成變壓器100的“后表面”的繞組跡線，變壓器的接觸襯底140的一部分可在制造的第一階段中被構(gòu)建。介電層130的應(yīng)用可能在隨后的制造階段中出現(xiàn)，以填充繞組跡線之間的間隙區(qū)并且還覆蓋繞組跡線。在另一個(gè)階段中，代表磁芯110的材料可以鋪設(shè)在介電層130上。介電材料的附加沉積可以適用于包繞電介質(zhì)中的磁芯110。在稍后的階段中，金屬材料可以被沉積在后繞組跡線的暴露區(qū)域上以構(gòu)建“側(cè)”跡線。此外，金屬材料可以被沉積在磁芯110的電介質(zhì)覆蓋的前側(cè)上以在變壓器100的前側(cè)上構(gòu)建跡線并且完成繞組 120。
[0027]圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有通量導(dǎo)體的片上變壓器200的示例性配置。如圖2中所示，變壓器200的結(jié)構(gòu)可包括磁芯210，環(huán)繞磁芯210纏繞的一個(gè)或多個(gè)繞組220、介電材料230、襯底240和通量導(dǎo)體250。一個(gè)或多個(gè)電路部件260可以布置在襯底240上。一個(gè)或多個(gè)電路元件可以耦接到繞組220。
[0028]可在襯底240的相對(duì)側(cè)上將通量導(dǎo)體250提供給磁芯210。磁芯210、通量導(dǎo)體250和襯底240的其它布置是可能的?？芍苯釉谝r底240的表面上提供通量導(dǎo)體250。替代地，電介質(zhì)可布置在通量導(dǎo)體250和襯底240之間?？稍谕繉?dǎo)體250的一個(gè)或多個(gè)側(cè)上提供電介質(zhì)。通量導(dǎo)體250可提供附加通量路徑，因而來自磁芯