專利名稱：螺旋電感元件的制作方法
技術領域：
本發明有關于一種電感器，特別關于一種具有多重導線結 構的電感元件。
背景技術：
如圖l所示，在一0.35[im的硅制程中， 一氧化硅層3設置于 硅基底1上的P型阱層2之上，三個金屬層M1、 M2、 M3嵌于氧 化硅層3中，最上層的金屬層M3則暴露于氧化硅層3的上表面， 一氮化硅層4則覆蓋氧化硅層3與金屬層M3。在三個金屬層M1、 M2、 M3中，金屬層M3的厚度最大，因此其導電率高于其他二 者，并具有最低的導體損失(conductor loss),而適用于低損失 的射頻元件設計。
圖2顯示一傳統的三匝式的電感元件5的俯一見圖。電感元件5 的最內匝導線部分6具有最高的磁通量，因此在最內匝導線部分 6所產生的感應渦電流會使此處的電流密度的分布非常不均勻。 亦即，流動的電流會集中于最內匝導線部分6的內側，而明顯地 減少了此處供電流流動的有效截面積，而對電感元件5的性能造 成不良影響而降j氐其品質因子(quality factor; Q質)。而且，當 電子信號的頻率增加時，對電感元件5的品質因子的不良影響就 更加劇烈。
發明內容
有鑒于此，業界需要一種技術，可消除或減少電感元件內 部的電流密度分布不均的情形，而借此提升電感元件的性能， 提升電感元件的品質因子。
本發明提供一種螺旋電感元件，包括 一第一螺旋導線，其為多匝式，其具有一外臣端點部與一內臣端點部； 一第二螺 旋導線圍繞于上述第 一 螺旋導線的最外匝導線部分的至少 一 部 分的外側，其具有一第一端點部與一第二端點部；以及一連接 裝置，電性連接于上述內匝端點部與上述第一端點部之間。
本發明又提供一種螺旋電感元件，包括 一絕緣層，設置 于一基底上； 一第一螺旋導線，其為多匝式，設置于上述絕緣 層內，其具有一外匝端點部與一內匝端點部； 一第二螺旋導線設置于上述絕緣層內、且圍繞于上述第一螺旋導線的最外匝導 線部分的至少一部分的外側，其具有一第一端點部與一第二端 點部，上述第一螺旋導線與上述第二螺旋導線是屬于同一導線 層； 一第一柱狀導體，電性連接于上述內匝端點部且凸出于上 述第一螺旋導線； 一第二柱狀導體，電性連接于上述第一端點 部且凸出于上述第二螺旋導線，且其凸出方向實質上與上述第 一柱狀導體的凸出方向相同；以及一連接線，電性連接于上述 第一柱狀導體與上述第二柱狀導體之間，上述連接線與上述第 一螺旋導線位于不同導線層。
本發明所述的螺旋電感元件，其品質因子高于傳統螺旋電 感元件的品質因子，此外，還可以確保射頻裝置系統的品質， 降低制造成本。
圖l為一剖面圖,顯示已知的硅制程的半導體裝置的結構。
圖2為一俯一見圖，顯示傳統的三匝式的電感元件。
圖3為一俯視圖,顯示本發明較佳實施例的螺旋電感元件。
圖4為一剖面圖，顯示本發明較佳實施例的螺旋電感元件的一應用例。
圖5為 一 剖面圖，顯示本發明較佳實施例的螺旋電感元件的 另一應用例。
圖6為 一剖面圖，顯示圖5所示的應用例的一變化形式。
圖7為 一剖面圖，顯示圖5所示的應用例的另 一 變化形式。
具體實施例方式
為讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂， 下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。
后文所述的"'實質上，均勻"、"'實質上，平行"、"'實質 上，等于"、"'實質上，(與)......相同"等的敘述，是指在設計
上期望為均勻、平行、等于、(與)……相同，但受限于實際制 造上的誤差，而現實上難以達成如數學或幾何學所定義的均勻、 平行、等于、(與)......相同，但是其誤差若是落于對應的制造
規格所能允許的范圍者，仍視為均勻、平行、等于、(與)…… 相同。本領域技術人員應當了解，前述制造規格依據各種條件 而有不同的變化，故未——列出。
請參考圖3，為一俯視圖，顯示本發明較佳實施例的螺旋電 感元件。圖3所示的螺旋電感元件包括一螺旋導線10、 一螺旋導 線20與一連接裝置30。
螺旋導線10為多匝式的螺旋導線，具有一外匝端點部ll與 一內匝端點部12,其整體可實質上位于相同平面、亦可以不位 于相同平面。外匝端點部11為最外匝導線部分13的起始處，內 匝端點部12為最內匝導線部分14的終止處；或是由另 一觀點而 言，內匝端點部12為最內匝導線部分14的起始處，外匪端點部 11為最外匝導線部分13的終止處。在本實施例中，螺旋導線IO 是由外匝端點部11開始以順時鐘方向回旋至內臣端點部12為 止，而本領域纟支術人員亦可浮見其需求變更為逆時針方向回。
圖3雖顯示螺旋導線10的匝數為2，但是本領域技術人員亦可視 其需求增加其匪數，而且螺旋導線10的臣數可以是整數、亦可 以為非整數，可視需求加以變化。另外，螺旋導線10的外型可 為圓型、橢圓型、矩型、六邊型、八邊型或多邊型。在圖3中， 是以矩型作為范例說明。
螺旋導線2 0圍繞于螺旋導線10的最外匝導線部分13的至少 一部分的外側、亦可圍繞于螺旋導線10的最外匝導線部分13的 整個外側，其具有一端點部21與一端點部22,其整體可實質上 位于相同平面、亦可以不位于相同平面。而在螺旋導線10的整 體實質上位于相同平面的情況下，螺旋導線2 0可實質上與螺旋 導線10位于相同平面、亦可以不位于相同平面。另外，螺旋導 線20未伸入螺旋導線10所圍繞的領域15中、且未接觸螺旋導線 10。再者，由于螺旋導線20是圍繞于螺旋導線10的最外匝導線 部分13,其外型視所選擇的螺旋導線10的外型而變化。
連接裝置30電性連接于內匝端點部12與端點部21之間，且 除了內匝端點部12與端點部21之外，連接裝置30并未接觸螺旋 導線IO、 20的其他部分，例如連接裝置30可設于螺旋導線10、 20的上方、下方或是不會接觸螺旋導線IO、 20的其他部分。在 本發明較佳實施例的螺旋電感元件的各種不同的應用例中，連 接裝置30可具有不同的細部組成，可詳見后文對圖4 圖7所作 敘述。
而為因應本發明較佳實施例的螺旋電感元件對外連線的需 求，可視情況增設信號輸入/輸出端口 41、 42。其中信號輸入/ 輸出端口 41電性連接于外臣端點部11,且朝遠離螺旋導線10的 方向延伸；而信號輸入/輸出端口42電性連4妻于端點部22,且朝 遠離螺旋導線20的方向延伸。信號輸入/輸出端口41與42的延伸 方向可以實質上平行或不平行，而圖3所示的情況則為信號輸入/輸出端口41與42實質上平行。
另外，圖3所示的螺旋導線20的匝數是不足但接近于一匝而 使信號輸入/輸出端口 41、 42的排列位置相當接近；但在另一實 施例中，螺旋導線20的臣數可以一見需求而定而為四分之三、二 分之一或是其他小于1的正數，并因而拉開信號輸入/輸出端口 41、 42的距離。亦即，螺旋導線20圍繞于螺旋導線10的最外匝 導線部分13的至少一部分的外側、亦可圍繞于螺旋導線10的最 外匝導線部分13的整個外側。
而在實用上，螺旋導線10、 20的材質與各項尺寸參數較好 為實質上均勻，以方便計算、控制本發明較佳實施例的螺旋電 感元件的電感值與其他性能表現。而接下來所說明的螺旋電感 元件的較佳尺寸參數亦可應用于本說明書在后文所舉出的應用 例或是本領域技術人員所能應用的其他應用例中。另外，為了 方便說明，會以未知數來表現一些尺寸上的參數，在實際實施 方面，這些以未知數所表示的數值是可由本領域技術人員根據 其需求而作適當調整。
螺旋導線10、 20較好為實質上位于相同平面，例如可以對 一導線層進行圖形化，而同時形成螺旋導線IO、 20。螺旋導線 IO較好為具有實質上均勻的線寬值W!，其線寬視需求可在某些 部位有所變動，例如在內匝端點部12的寬度值可漸變為W2，其 中W2大于W1。另外，螺旋導線10的各相鄰匝之間的導線間距 (pitch)較好為具有實質上均勻的間距值P。在一實施例中，內匝 端點部12的寬度值可與螺旋導線10、 20的線寬值相同，皆為 WK未繪示)。
螺旋導線20較好為亦具有實質上均勻的線寬，且其線寬值 更好為實質上等于螺旋導線10的線寬值W"而在選擇增設信號 輸入/輸出端口41、 42的情況中，二者可實質上位于相同平面或位于不同平面。而在較佳的實施例中，信號輸入/輸出端口41、
42可與螺;旋導線10、 20實質上位于相同平面，例如可以在形成 螺旋導線IO、 20時，通過同一圖形化的步驟，而同時形成螺旋 導線IO、 20與信號輸入/輸出端口 41 、 42。信號輸入/輸出端口 41、 42較好為均具有實質上均勻的線寬，且線寬值更好為均實 質上等于螺旋導線10的線寬值W!。
而螺旋導線20與螺旋導線10的最外臣導線部分13較好為實 質上為平行，螺旋導線20與螺旋導線10的最外匝導線部分13的 導線間距更好為實質上等于螺旋導線10的各相鄰匝之間的導線 間距值P。在選擇增設信號輸入/輸出端口41、 42的情況中，二 者的間距可以是等于螺旋導線IO的各相鄰匪之間的導線間距值 P、亦可以是大于P的其他數值。
接下來說明本發明較佳實施例的螺旋電感元件作為芯片內 建電感元件的應用例，其一例示的剖面結構、即是沿著圖3的 AA，線的剖面結構，癥會示于圖4。
在圖4中， 一絕緣層110設置于一基底100上。在芯片內建電 感元件的應用例中，基底100包括一硅基底或其他已知的半導體 基底。另外，基底100中可包括各種不同的元件，例如晶體管、 電阻及其他已知的半導體元件。再者，基底100亦可包括其他導 電層(例如，銅、鋁或其合金)以及絕緣層(例如，氧化硅層、氮 化硅層或低介電材料層)。此處為了簡化圖式，上述結構僅以一 平整基底表示。
絕緣層IIO通常是具有多層不同介電材料的多層膜，且其各 層分別對應于嵌入、設置于其內的內連線系統的各導線層12 2 、 123。同樣地，為了簡化圖式，上述結構僅以單一且平整的絕緣 層表示。
在圖4中，螺旋導線IO、 20是屬于同一最上層的導線層123,由于導線層123的厚度在各導線層中屬最大者，因此其導電率高
于其他的導電層，并具有最低的導體損失，而適用于低損失的
射頻元件設計。而在其他的實施例中，亦可將螺旋導線IO、 20 設置于其他較低層的導線層例如導線層122中。
在本實施例中，由于螺旋導線IO、 20是屬于同一最上層的 導線層123，電性連接于內匝端點部12與端點部21之間的連接裝 置30 (請參考圖3)則是設置于螺旋導線10、 20的下方，并具有柱 狀導體31、柱狀導體32與連接線33等結構。
柱狀導體31電性連接于內匝端點部12、且凸出于螺旋導線 10;柱狀導體32電性連接于端點部21且凸出于螺旋導線20，且 其凸出方向實質上與柱狀導體31的凸出方向相同。在本實施例 中，柱狀導體31、 32設置于絕緣層110內的插塞結構，且分別位 于內匝端點部12、端點部21的下方。而連接線33電性連接于柱 狀導體31、 32之間，連接線33與螺旋導線10位于不同導線層。 在本實施例中，連接線33位于導線層123下方的導線層122中， 即是所謂的"下跨線"(underpass);在另一實施例中，亦可將 連接線33設于導線層122的下一層導線層(未繪示)中，此時導線 層122的其他繞線必須避開柱狀導體31、32預定通過的區域而避 免與其電性接觸，而使柱狀導體31、 32直接向下延伸而電性連 接位于導線層122的下一層導電層中的連接線33;在又另 一 實施 例中，連接線33亦可設置于導線層122以下數層的其他導電層 (未繪示)中，此時螺旋導線IO、 20與連接線33之間的各導電層 的其他繞線均必須避開柱狀導體31、 32預定通過的區域而避免 與其電性接觸，而使柱狀導體31、 32直接向下延伸而電性連接 連接線33。
另外，將螺旋導線IO、 20設置于其他較低層的導線層的情 況中，可將連接線33設置于其下層或上層的其他導電層中，通
過類似柱狀導體31、 32的插塞結構，完成內臣端點部12與端點 部21之間的電性連接。
還有，在選擇增設信號輸入/輸出端口 41、 42的情況中，雖 然圖4并未繪示，信號輸入/輸出端口41、 42亦可以設置于與螺 旋導線IO、 20相同的導線層123中，而直接電性連接外匝端點部 11、端點部22 (請參考圖3);在另一實施例中，信號輸入/輸出 端口41、 42亦可以設置于與螺旋導線10、 20不同的導線層中， 而通過類似柱狀導體31 、 32的結構而電性連接外匝端點部11 、 端點部22 (請參考圖3)。
圖4所示的結構為本發明較佳實施例的螺旋電感元件作為 芯片內建電感元件的應用例的一例示的剖面結構，然而亦適用 于其他具有多層線路結構的裝置例如作為封裝基板、電子裝置 母板的印刷電路板或作為封裝基板的多層線路的導線架。此時， 基底100就可以是上述裝置的核心基板，而設于絕緣層110上的 保護層13 0則可作為防焊層。
站在螺旋電感元件的觀點，連接裝置30為一重要的元件， 通過連接裝置30而能夠串接螺旋導線IO、 20而成為完整的螺旋 電感元件。而在其他應用例中，可以僅將螺旋導線IO、 20形成 于一內連線系統中，連接裝置30則不一定需要形成于此一內連 線系統中，而通過使上述內連線系統與一外部裝置的連接，而 電性連接螺旋導線IO、 20，完成本發明較佳實施例的螺旋電感 元件。
例如在圖4所示的芯片內建電感元件、印刷電路板內建電感 元件或導線架內建電感元件中，可使螺旋導線10的內匝端點部 12與螺旋導線2 0的端點部21之間的電性連接不經由其下層導電 層，而是通過連接于螺旋導線IO、 20上方的外部裝置來達成。 如此 一 來，可使本發明較佳實施例的螺旋電感元件不止可適用于具有多層內連線系統元件的裝置，亦可適用于僅具單層內連 線系統的裝置，例如作為封裝基板的單層布線的印刷電路板或 單層的導線架等。上述內連線系統的 一 例示結構的剖面圖繪示
于圖5，其俯視圖亦可為圖3所顯示者；亦即，圖5亦為沿著圖3 的剖面線AA'的剖面圖。
圖5中所示的螺旋導線10與20、內匝端點部12、端點部21、 基底IOO、絕緣層110及其上表面110a、導線層123與保護層130 等元件，與圖4所示的同樣元件符號所代表的元件為相同或等效 元件，故在此省略其敘述。而在另一實施例中，上述內連線系 統可僅具有單層的導線層123;或可在導電層123下增設一或數 層的導線層。
在圖5中，螺旋導線IO、 20的上表面曝露于絕緣層110的上 表面110a中，可在保護層130形成開口 131、 132，而分別曝露端 點部21與內匝端點部12，以1更制作焊墊34、 35分別電性連接端 點部21與內匝端點部12。此時較好為經由適當的布局，使端點 部21與內匝端點部12位于適于形成焊墊34、 35的位置。完成焊 墊34、 35的制作后，可視需求再形成一保護層140于保護層130 及焊墊34、 35上，再形成開口141、 142而分別曝露焊墊34、 35。
以下說明在螺旋導線10的內匝端點部12與螺旋導線20的端 點部21之間形成電性連接的應用例。
例如在圖6中，可以使用焊線接合的技術，形成一焊線36 而電性連接于焊墊34、 35之間，而完成螺旋導線10的內匝端點 部12與螺旋導線20的端點部21之間的電性連接。此時，焊墊34、 35可作為柱狀導體，而焊線36則作為連接線，而構成圖3所示的 連接裝置30。
在另 一例示的應用例中，如圖7所示，可提供一外部裝置50, 其具有連接端點53、 54及電性連接于連接端點53與54之間的連接線37。外部裝置50可以是印刷電路板、封裝基板、半導體芯 片、被動元件或其他具內部線路的裝置，視圖5所示的內連線系統是屬于何種裝置例如半導體芯片、印刷電路板、導線架或其 他裝置而定。
接下來通過導電凸塊51電性連接于焊墊34與連接端點53之間，并通過導電凸塊52電性連接于焊墊35與連接端點54之間，而完成螺旋導線10的內匝端點部12與螺旋導線20的端點部2l之 間的電性連接。此時，焊墊34、 35可作為柱狀導體，而導電凸 塊51、連接端點53、連接線37、連接端點54與導電凸塊52的組 合則作為連接線，而構成圖3所示的連接裝置30。
在另一應用例中，可以類似焊線36的焊線結構來取代圖7所示的導電凸塊51、 52,此時外部裝置50就可能不會在螺旋導線10、20的上方，而可能在基底100的下方或旁邊。
本發明較佳實施例的螺旋電感元件，是以螺旋導線20來取代傳統螺旋電感元件的最內匝導線，而可以在總匝數不變的情形下，改善消除或減少電感元件內部的電流密度分布不均的情 形，而借此提升電感元件的性能，提升電感元件的品質因子(Q 值)。
本發明的實施例具有多項優點。其一，本發明較佳實施例的螺旋電感元件的制造，適用于或相容于標準的硅制程。另夕卜， 已通過對照實驗證明，本發明較佳實施例的螺旋電感元件的品 質因子(Q值)高于傳統螺旋電感元件的品質因子(Q值)。另外， 本發明較佳實施例的螺旋電感元件的制造，不需要特殊的制造條件。還有，通過本發明較佳實施例的螺旋電感元件的實施， 可以確保射頻裝置系統的品質，并可降低制造成本。
以上所述僅為本發明較佳實施例，然其并非用以限定本發 明的范圍，任何熟悉本項技術的人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，可在此基礎上做進一步的改進和變化，因此本發明 的保護范圍當以本申請的權利要求書所界定的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下
Ml:金屬層M2:金屬層
M3:金屬層1:硅基底
2: P型阱層3:氧化硅層
4:氮化硅層5: 電感元件
6:最內匝導線部分10:螺旋導線
11:外匝端點部12:內匝端點部
13:最外壓導線部分14:最內匝導線部分
15:領域20:螺旋導線
21:端點部22:端點部
30:連接裝置31:柱狀導體
32:柱狀導體33:連接線
34:焊墊35:焊墊
36:焊線37:連接線
41:信號專lr入/輸出端口42:信號輸入/輸出端口
50:外部裝置51:導電凸塊
52:導電凸塊53:連接端點
54:連接端點100:基底
110絕緣層110a:上表面
122導線層123:導線層
130.保護層131:開口
132:開口140:保護層
141:開口142:開口 。
權利要求
1.一種螺旋電感元件，其特征在于，包括一第一螺旋導線，其為多匝式，其具有一外匝端點部與一內匝端點部；一第二螺旋導線圍繞于該第一螺旋導線的最外匝導線部分的至少一部分的外側，其具有一第一端點部與一第二端點部；以及一連接裝置，電性連接于該內匝端點部與該第一端點部之間。
2. 根據權利要求l所述的螺旋電感元件，其特征在于，更 包括一第一信號輸入/輸出端口 ，電性連接于該外匝端點部，且朝遠離該第一螺旋導線的方向延伸；以及一第二信號輸入/輸出端口 ，電性連接于該第二端點部，且 朝遠離該第二螺旋導線的方向延伸。
3. 根據權利要求l所述的螺旋電感元件，其特征在于，該 第二螺旋導線未伸入該第一螺旋導線所圍繞的領域中、且未接 觸該第一螺旋導線。
4. 根據權利要求l所述的螺旋電感元件，其特征在于，更 包括一絕緣層，設置于一基底上，且該第一螺旋導線、該第二 螺旋導線設置于該絕緣層中，且該第一螺旋導線與該第二螺旋導線屬于同一導線層；一第一柱狀導體，電性連接于該內匝端點部且凸出于該第一螺旋導線；以及一第二柱狀導體，電性連接于該第一端點部且凸出于該第 二螺旋導線，且其凸出方向實質上與該第 一柱狀導體的凸出方 向相同，其中該連接裝置電性連接于該第一柱狀導體與該第二柱狀導體之間，且該連接裝置與該第一螺旋導線位于不同導線層。
5. 根據權利要求4所述的螺旋電感元件，其特征在于，該 第一柱狀導體與該第二柱狀導體為設置于該絕緣層內的插塞結 構，而該連接裝置位于該第 一 螺旋導線與該第二螺旋導線的下 層導線層。
6. 根據權利要求4所述的螺旋電感元件，其特征在于，該第一柱狀導體與該第二柱狀導體為設置于該絕緣層上方的焊墊結構。
7. 根據權利要求6所述的螺旋電感元件，其特征在于，該 連接裝置為焊線接合結構。
8. 根據權利要求4所述的螺旋電感元件，其特征在于，更 包括一電子元件電性連接于該第 一柱狀導體與該第二柱狀導 體，且該電子元件包括該連接裝置。
9. 根據權利要求4所述的螺旋電感元件，其特征在于，更 包括一第一信號輸入/輸出端口 ，設置于該絕緣層內、且電性連接于該外匝端點部，并朝遠離該第一螺旋導線的方向延伸；以 及一第二信號輸入/輸出端口 ，設置于該絕緣層內、且電性連 接于該第二端點部，并朝遠離該第二螺旋導線的方向延伸。
10. 根據權利要求4所述的螺旋電感元件，其特征在于，該 第二螺旋導線未伸入該第一螺旋導線所圍繞的領域中、且未接 觸該第一螺旋導線。
全文摘要
本發明揭露一種螺旋電感元件，上述螺旋電感元件包括一第一螺旋導線，其為多匝式，其具有一外匝端點部與一內匝端點部；一第二螺旋導線圍繞于上述第一螺旋導線的最外匝導線部分的至少一部分的外側，其具有一第一端點部與一第二端點部；以及一連接裝置，電性連接于上述內匝端點部與上述第一端點部之間。本發明所述的螺旋電感元件，其品質因子高于傳統螺旋電感元件的品質因子，此外，還可以確保射頻裝置系統的品質，降低制造成本。
文檔編號H01F17/00GK101206948SQ20071016379
公開日2008年6月25日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年11月8日
發明者李勝源, 林筱筑 申請人:威盛電子股份有限公司