調諧無源器件的電感率的制作方法
【專利摘要】一種包括器件的裝置，該器件包括在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧該初級繞組和該次級繞組中的一個的電感。一種方法包括在襯底上形成阻抗匹配變壓器器件，該器件包括以橫向耦合布局在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧該初級繞組和該次級繞組中的一個的電感。
【專利說明】調諧無源器件的電感率
[0001 ] 背景
[0002]題堡
[0003]集成電路器件。
[0004]相關技術描述
[0005]諸如變壓器和線圈之類的無源電感元件通常不能通過向下縮減集成電路(IC)技術進行縮放。在射頻(RF)互補金屬氧化物半導體(CMOS)中，蜂窩和連通性收發器變壓器是阻抗匹配應用的關鍵元素。變壓器布局設計可以容易地占據一平方毫米之上的面積以便滿足規定的頻率和電感率(inductance rat1)。
[0006]低成本CMOS工藝通常具有可用于電感器和變壓器器件的兩個頂部通常較厚的金屬層。具有雙層面金屬重分布層(two level metal redistribut1n layer)的封裝體中的線圈也可用于電感器和變壓器應用。
[0007]變壓器設計通常要求初級繞組和次級繞組之間的高耦合系數(k)以便實現最大能量傳送。耦合因數k可具有0(無耦合)與1(高耦合)之間的值。通常存在適用于硅芯片或封裝體技術的針對高耦合因數的兩種類型的變壓器:兩個相鄰金屬層(例如，芯片的末級和次末級金屬層)中的垂直耦合的變壓器和橫向耦合的變壓器。針對芯片上或封裝體上的高耦合(耦合因數大于7)，這些技術的設計規則，變壓器的面積、金屬(例如，頂部金屬I和頂部金屬2之間)之間的間隔距離以及金屬的電導率經常偏向于橫向耦合的變壓器設計。
[0008]雙金屬橫向親合的變壓器(twometal laterally coupled transformer)的問題是調諧到初級繞組和次級繞組之間的所需電感率。例如，通常不可能通過橫向耦合的變壓器得到高于3:1的電感率。
[0009]附圖簡要描述
[0010]圖1示出在封裝體上芯片的相鄰金屬層中有代表性地形成的阻抗匹配變壓器器件的變壓器的實施例。
[0011 ]圖2示出圖1的變壓器的電感差分。
[0012]圖3示出變壓器器件的另一個實施例。
[0013]圖4示出圖3的器件的電感差分。
[0014]圖5示出計算設備的實施例。
[0015]詳細描述
[0016]描述了一種包括無源器件(諸如芯片上或封裝體上變壓器)的裝置，該無源器件包括在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地連接的初級繞組和次級繞組。針對初級繞組和次級繞組之間的目標電感率調諧初級繞組和次級繞組之一的電感。還描述了在雙層金屬層疊中構造器件布局以調諧初級繞組和次級繞組之一的電感來得到目標初級-次級電感率(primary to secondary inductance)的方法。
[0017]在一個實施例中，器件是無源器件，該無源器件是變壓器。在一個代表性示例中，射頻(RF)收發器電路要求具有量級為2.5毫微亨(nH)的初級電感和量級為0.7nH的次級電感且在2千兆赫(GHz)的操作頻率下具有高耦合系數(例如，大于0.7)的阻抗匹配變壓器。以下變壓器器件布局示出被調諧以便滿足此代表性示例的器件。
[0018]圖1示出RF收發器電路的阻抗匹配變壓器器件的變壓器的實施例，該變壓器以芯片的相鄰金屬層的形式代表性地形成。圖1示出包括芯片105連接到其上的封裝體襯底102的封裝體的一部分的側視圖。芯片105例如是RF基帶管芯。還連接到封裝體襯底102上的是次級芯片106，諸如存儲器芯片。在所示實施例中，芯片105和次級芯片106被安排在堆疊式安排中。在另一個實施例中，這些芯片以并排安排被組裝在封裝體10中。圖1還示出包括變壓器器件100的芯片105的器件側的一部分的放大俯視圖。在本實施例中，變壓器器件100包括初級繞組IlOA和初級繞組IlOB以及次級繞組120A和次級繞組120B。初級繞組和次級繞組在橫向耦合的布局中在芯片或封裝體的兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合。這些繞組交叉纏繞成四邊形螺旋(例如，正方形或矩形螺旋)，其中，每個繞組具有寬度為w的導電金屬層和相鄰繞組之間的間隔。在一個實施例中，這些繞組是由導電材料(諸如銅材料)通過常規技術(諸如圖案化和沉積(例如，播種(seeding)和電鍍))在例如芯片或封裝體的頂部的兩個金屬層中形成的。在一方面，每個繞組包括由該繞組和相鄰外部繞組(如所示)之間的間隔定義的周界尺寸。對于所有但非最內側繞組而言，該繞組和相鄰外部繞組之間的間隔d在四邊形螺旋的四側中的每一側上相同或大致相同。如本實施例中所示，最內側繞組(次級繞組)包括由這種繞組和相鄰外部繞組之間的間隔所定義的周界尺寸，其中，一側上的間隔D不同于該繞組的其他側上的間隔d。該繞組的一側上的間隔D顯著地大于其他三側上的間隔d。因此，如果間隔在所有側上保持恒定，則變壓器器件100的最內側繞組與相比于這種縮放可允許的可用面積而言減少(縮放地更小)。在所示實施例中，該繞組的一側上的間隔D是相對于相鄰繞組的上側或頂側。在另一個實施例中，間隔D可以相對于相鄰繞組的底側或下側或者相對于相鄰繞組的左側或右側。
[0019]在一個實施例中，變壓器器件100所占用的面積的量級為239χ239μπι2。在一個實施例中，變壓器器件具有I.975GHz的頻率;次級電感(U熾=6.967E-10);以及初級電感(1?=2.647E-9)。圖2示出電感差分。如可見，通過減少交叉繞組(次級繞組)的周界，電感被縮放為匹配大約2.5nH的初級電感目標;并且次級電感的量級為0.7nH并且操作頻率為2GHz。為了比較，如果最內側繞組具有由四邊形繞組的四側中的每一側上的相似間隔定義的周界尺寸，則變壓器器件的面積將是相似的(239χ239μπι2);頻率將是2.037GHz ;次級電感將是1.078E-9;并且初級電感將是2.645E-9。在這種情況下，由于次級電感是InH，將無法獲得期望的電感率(Um:1?量級為0.7:2.5)。
[0020]圖3示出變壓器器件的繞組的縮放的另一個實施例。在本實施例中，經縮放的變壓器器件中不存在附加面積并且可以靈活地調諧初級繞組或次級繞組的電感。圖3示出在例如是芯片或封裝體中的襯底205中形成的器件200。在一個實施例中，襯底205是芯片或管芯(例如，RF基帶管芯)并且連接到還包括一個或多個存儲器芯片的封裝體襯底。類似于器件100，器件200在一個實施例中是包括以橫向耦合的布局交叉纏繞并且磁性地耦合到襯底的金屬層中的初級繞組210A和初級繞組210B以及次級繞組220A和次級繞組220B的阻抗匹配變壓器器件。該器件交叉纏繞成初級繞組和次級繞組的四邊形螺旋，如本領域已知的，且該繞組的頂側或上側由符號T表示。在本實施例中，每個繞組包括由該繞組和相鄰外部繞組之間的間隔d定義的周界尺寸，其中間隔d在每個四邊形螺旋的每一側上相同。相對于最內側繞組和最內側繞組外部的繞組示出了繞組的每一側上的間隔d。在本實施例中，最內側繞組是次級繞組。除了初級和次級繞組之外，器件200包括由例如導電材料制成的分流跡線(shunt trace )230。在一個實施例中，分流跡線230連接在最內側繞組的兩個相對側之間。通過在四邊形螺旋內添加分流跡線230，附加電感被引入到器件中而不會增加器件的面積。如所示，分流跡線230平行于最內側繞組并且可操作以便減小電感。分流跡線230例如是類似于器件200的初級和次級繞組的金屬材料的金屬材料。通常來講，分流跡線230離繞組的頂部T的距離越遠，次級電感就越低。分流跡線203的配置基本上是平行的兩個電感器的平行配置形式的電感。
[0021 ]在一個實施例中，分流跡線230具有類似于繞組的維度的維度(寬度、厚度)。可在通過常規的圖案化和沉積(例如，播種以及隨后電鍍)技術形成最內側繞組時弓I入例如由銅材料制成的分流跡線230。
[0022]圖4示出器件200的繞組的電感差分。該器件的屬性是頻率為1.975GHz;次級電感(Um=6.967E-10);以及初級電感(L搬=2.647E-9)。如所示，該器件符合初級電感大約為
2.5nH而次級電感為0.7nH并且在操作頻率2GHz下耦合系數大于0.7的目標。被設置在最內側繞組的相對側之間以便創建平行于最內側繞組的電感的分流跡線230提供了調諧電感的靈活性。分流線朝向P1、P2的定位將趨向于減少電感。在替代實施例中，(在圖3中以虛線示出)，分流跡線可被放置在最外側繞組上而不是最內側繞組上。
[0023]圖5示出根據一個實現方式的計算設備300。計算設備300容納板302。板302可包括多個組件，包括但不限于處理器304和至少一個通信芯片306。處理器304物理地并且電氣地耦合到板302。在一些實現方式中，至少一個通信芯片306也物理地并電氣地耦合到板302。在進一步的實現方式中，通信芯片306是處理器304的一部分。
[0024]取決于其應用，計算設備300可包括可或可不物理地和電氣地耦合到板302的其他組件。這些其他組件包括但不限于易失性存儲器(例如DRAM)、非易失性存儲器(例如R0M)、閃存、圖形處理器、數字信號處理器、加密處理器、芯片組、天線、顯示器、觸摸屏顯示器、觸摸屏控制器、電池、音頻編解碼器、視頻編解碼器、功率放大器、全球定位系統(GPS)器件、羅盤、加速度計、陀螺儀、揚聲器、照相機和大容量存儲器件(諸如硬盤驅動器、致密盤(CD)、數字通用盤(DVD)等等)。
[0025]通信芯片306可使得能夠進行無線通信以便向和從計算設備300傳遞數據。術語“無線”及其衍生物可用于描述可通過使用經調制的電磁輻射經由非固態介質傳遞數據的電路、器件、系統、方法、技術、通信信道等等。該術語不暗示相關聯的器件不包含任何電線，盡管在某些實施例中它們可能包含。通信芯片306可實現多種無線標準或協議中的任何一種，包括但不限于 W1-Fi (IEEE 802.1802.11家族)、WiMAX(IEEE 802.16家族)、IEEE802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍牙、其衍生物，以及任何其他被指定為2G、3G、4G、5G的無線協議等等。計算設備300可包括多個通信芯片306。例如，第一通信芯片306可專用于短距離無線通信(諸如W1-Fi和藍牙)，而第二通信芯片306可專用于長距離無線通信(諸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等等)。
[0026]計算設備300的處理器304包括封裝在處理器304內的集成電路管芯。在某些實現方式中，處理器的集成電路管芯包括一個或多個器件，諸如根據以上描述的實現方式形成的阻抗匹配變壓器。術語“處理器”可指代任何器件或處理來自寄存器和/或存儲器的電子數據以便將該電子數據轉換成可存儲在寄存器和/或存儲器中的其他電子數據的器件的一部分。
[0027]通信芯片306還包括封裝在通信芯片306內的集成電路管芯。根據另一個實現方式，通信芯片的集成電路管芯包括一個或多個器件，諸如根據以上描述的實現方式形成的阻抗匹配變壓器。
[0028]在進一步的實現方式中，容納在計算設備300內的另一個組件可包含包括一個或多個器件的集成電路管芯，諸如根據以上描述的實現方式形成的阻抗匹配變壓器。
[0029]在各個實現方式中，計算設備300可以是膝上計算機、上網本計算機、筆記本計算機、超極本計算機、智能電話、平板計算機、個人數字助理(PDA)、超移動PC、移動電話、桌上計算機、服務器、打印機、掃描儀、監視器、機頂盒、娛樂控制裝置、數碼相機、便攜式音樂播放器、或數字錄像機。在進一步的實現方式中，計算設備300可以是處理數據的任何其他電子器件。
[0030]示例
[0031]示例I是一種包括器件的裝置，該器件包括在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧該初級繞組和該次級繞組中的一個的電感。
[0032]在示例2中，示例I所述的裝置中的該器件被交叉纏繞成該初級繞組和該次級繞組與該變壓器的最內側繞組的四邊形螺旋，該最內側繞組包括由該最內側繞組和與該螺旋的至少一側不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。
[0033]在示例3中，示例2所述的裝置中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0034]在示例4中，該最內側繞組和相鄰繞組之間的該間隔在該螺旋的至少一側上比該螺旋的其他側上更大。
[0035]在示例5中，示例4所述的裝置中的該最內側繞組和相鄰繞組之間的該間隔在該螺旋的其他側上相似。
[0036]在示例6中，示例I所述的裝置中的該器件被交叉纏繞成該初級繞組和該次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋，該每個后續繞組包括由該繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，該間隔在該螺旋的每一側上相似，并且進一步包括耦合在繞組的兩個相對側之間的分流跡線。
[0037]在示例7中，示例6所述的裝置中的該分流跡線耦合到其上的該繞組是最內側繞組。
[0038]在示例8中，示例7所述的裝置中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0039]示例9是一種包括封裝體的裝置，該封裝體包括(I)管芯，該管芯包括變壓器器件，該變壓器器件包括以橫向耦合布局在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，并且針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧該初級繞組和該次級繞組中的一個的電感；以及(2)存儲器芯片。
[0040]在示例10中，示例9所述的裝置中的該變壓器器件被交叉纏繞成該初級繞組和該次級繞組與該變壓器的最內側繞組的四邊形螺旋，該最內側繞組包括由該最內側繞組和與該螺旋的至少一側不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。
[0041]在示例11中，示例10所述的裝置中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0042]在示例12中，示例10所述的裝置中的該最內側繞組和相鄰繞組之間的該間隔在該螺旋的至少一側上比該螺旋的其他側上更大。
[0043]在示例13中，示例12所述的裝置中的該最內側繞組和相鄰繞組之間的該間隔在該螺旋的其他側上相似。
[0044]在示例14中，示例9所述的裝置中的該變壓器器件被交叉纏繞成該初級繞組和該次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋，該每個后續繞組包括由該繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，該間隔在該螺旋的每一側上相似，并且進一步包括在繞組的兩個相對側之間的分流跡線。
[0045]在示例15中，示例14所述的裝置中的該分流跡線耦合到其上的該繞組是最內側繞組。
[0046]在示例16中，示例15所述的裝置中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0047]示例17是一種方法，包括在襯底上形成阻抗匹配變壓器器件，該器件包括以橫向耦合布局在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧該初級繞組和該次級繞組中的一個的電感。
[0048]在示例18中，示例17所述的方法中的形成該變壓器器件包括將該初級繞組和該次級繞組與該變壓器的最內側繞組交叉纏繞成四邊形螺旋中，該最內側繞組包括由該最內側繞組和與該螺旋的至少一側不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。
[0049]在示例19中，示例17所述的方法中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0050]在示例20中，示例19所述的方法中的該最內側繞組和相鄰繞組之間的該間隔在該螺旋的至少一側上比該螺旋的其他側上更大并且在該螺旋的其他側上相似。
[0051]在示例21中，示例17所述的方法中的該變壓器器件被交叉纏繞成該初級繞組和該次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋中，該每個后續繞組包括由該繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，該間隔在該螺旋的每一側上相似，并且進一步包括在繞組的兩個相對側之間的分流跡線。
[0052]在示例22中，示例21所述的方法中的該分流跡線形成在最內側繞組的相對側之間。
[0053]在示例23中，示例22所述的方法中的該最內側繞組包括次級繞組。
[0054]包括在摘要中描述的內容的所示實現方式的以上描述不旨在是排他性的或者將本公開的實施例限制為所公開的精確形式。盡管在此為了示意性的目的描述了本發明的特定實現方式和示例，在范圍內，各種等效修改是可能的，正如本領域普通技術人員將認識到的那樣。
[0055]可鑒于以上細節描述對本發明做出這些修改。在以下權利要求書中所使用的術語不應被解釋為將本發明限制到在說明書和權利要求書中公開的特定實現方式。而是，范圍全部由以下權利要求書確定，應當根據權利要求解釋的確定條文對其進行解釋。
【主權項】
1.一種裝置，包括: 器件，所述器件包括在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對所述初級繞組和所述次級繞組之間的目標電感率調諧所述初級繞組和所述次級繞組中的一個的電感。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述器件被交叉纏繞成所述初級繞組和所述次級繞組與所述變壓器的最內側繞組的四邊形螺旋，所述最內側繞組包括由所述最內側繞組和與所述螺旋的至少一側上不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組和相鄰繞組之間的所述間隔在所述螺旋的至少一側上比所述螺旋的其他側上更大。5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組和相鄰繞組之間的所述間隔在所述螺旋的其他側上相似。6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述器件被交叉纏繞成所述初級繞組和所述次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋，所述每個后續繞組包括由所述繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，所述間隔在所述螺旋的每一側上相似，并且進一步包括耦合在繞組的兩個相對側之間的分流跡線。7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述分流跡線耦合到其上的所述繞組是最內側繞組。8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。9.一種裝置，包括: 封裝體，所述封裝體包括:(I)管芯，所述管芯包括變壓器器件，所述變壓器器件包括以橫向耦合布局在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，并且針對所述初級繞組和所述次級繞組之間的目標電感率調諧所述初級繞組和所述次級繞組中的一個的電感；以及(2)存儲器芯片。10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述變壓器器件被交叉纏繞成所述初級繞組和所述次級繞組與所述變壓器的最內側繞組的四邊形螺旋，所述最內側繞組包括由所述最內側繞組和與所述螺旋的至少一側上不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。12.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組和相鄰繞組之間的所述間隔在所述螺旋的至少一側上比所述螺旋的其他側上更大。13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組和相鄰繞組之間的所述間隔在所述螺旋的其他側上相似。14.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述變壓器器件被交叉纏繞成所述初級繞組和所述次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋，所述每個后續繞組包括由所述繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，所述間隔在所述螺旋的每一側上相似，并且進一步包括在繞組的兩個相對側之間的分流跡線。15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述分流跡線耦合到其上的所述繞組是最內側繞組。16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。17.一種方法，包括: 在襯底上形成阻抗匹配變壓器器件，所述器件包括以橫向耦合布局在兩個金屬層中交叉纏繞并且磁性地耦合的初級繞組和次級繞組，其中，針對該初級繞組和該次級繞組之間的目標電感率調諧所述初級繞組和所述次級繞組中的一個的電感。18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，形成所述變壓器器件包括將所述初級繞組和所述次級繞組與所述變壓器的最內側繞組交叉纏繞成四邊形螺旋，所述最內側繞組包括由所述最內側繞組和與所述螺旋的至少一側上不同的相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸。19.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述最內側繞組和相鄰繞組之間的所述間隔在所述螺旋的至少一側上比所述螺旋的其他側上更大并且在所述螺旋的其他側上相似。21.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述變壓器器件被交叉纏繞成所述初級繞組和所述次級繞組與每個后續繞組的四邊形螺旋，所述每個后續繞組包括由所述繞組和相鄰繞組之間的間隔定義的周界尺寸，所述間隔在所述螺旋的每一側上相似，并且形成變壓器器件包括在繞組的兩個相對側之間形成分流跡線。22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述分流跡線形成在最內側繞組的相對側之間。23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述最內側繞組包括次級繞組。24.—種通過權利要求17至23所述的方法中的任一項制造的阻抗匹配變壓器器件。
【文檔編號】H01F27/30GK106024328SQ201610172908
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】S·馬魯桑母斯
【申請人】英特爾Ip公司