一种基于同轴硅通孔的三维变压器
文献发布时间:2023-06-19 10:11:51
技术领域
本发明属于无源电子器件技术领域,涉及一种基于同轴硅通孔的三维变压器。
背景技术
三维集成电路就是将多个同质、异质的芯片或电路模块在垂直方向堆叠起来,并利用硅通孔(through-silicon-via,TSV)实现不同层器件之间的电学连接,共同完成一个或多个功能,从而有效缩短全片内互连线的长度,并提高了器件密度。在三维集成电路中出于应力平衡、屏蔽噪声、散热等存在大量的冗余硅通孔。这些冗余硅通孔通常被用来制作射频无源器件,如:电感、电容、变压器和滤波器。占用芯片面积小是基于硅通孔的三维器件的一个显著优势,这也使得其在高集成度集成电路中具有应用潜力,因此在国内外得到了广泛的研究。传统的片式变压器为平面或者叠层结构,占用芯片面积较大,影响了高密度射频集成电路的集成度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同轴硅通孔的三维变压器,解决了现有传统的片式变压器为平面或者叠层结构,占用芯片面积较大的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种基于同轴硅通孔的三维变压器,包括硅衬底层,硅衬底层中设置有2×N的同轴硅通孔阵列,硅衬底层的一端连接有顶部介质层,另一端连接有底部介质层。
每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱,介质层,外侧环形金属以及绝缘层。
顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属,顶部第一金属层,以及顶部第二金属层。
底部介质层中从上到下依次制作有两层金属,底部第二金属层,以及底部第一金属层。
顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端,同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属,构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端,同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属,构成变压器的次级线圈。
变压器的初级线圈设置有Port
端口Port
顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作;同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属选用铜或铝;同轴硅通孔的介质层由二氧化硅或金属氧化物材料制作;同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
本发明的有益效果是,同轴硅通孔的采用,使得本发明所需使用的硅通孔数量仅为2N,实现了小的芯片占用面积,这对提高射频电路的集成度是有利的。同时使用同轴硅通孔可以提高初级线圈与次级线圈之间的耦合,使变压器具有更低的损耗,改善了变压器的电学性能。
附图说明
图1为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的三维视图。
图2为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的顶部视图。
图3为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的局部连接视图。
图中,1.Port
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于同轴硅通孔的三维变压器,如图1所示包括硅衬底层,硅衬底层中设置有2×N的同轴硅通孔阵列,硅衬底层的一端连接有顶部介质层,另一端连接有底部介质层。
如图2所示,每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱9,介质层10,外侧环形金属11以及绝缘层12。
顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属,顶部第一金属层5,以及顶部第二金属层6。
底部介质层中从上到下依次制作有两层金属,底部第二金属层8,以及底部第一金属层7。
顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端,同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属,构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端,同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属,构成变压器的次级线圈。
变压器的初级线圈设置有Port
如图3所示,端口Port
顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作;同轴硅通孔的中心金属柱9以及外侧环形金属11选用铜或铝;同轴硅通孔的介质层10由二氧化硅或金属氧化物材料制作;同轴硅的绝缘层12使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
基于同轴硅通孔的三维变压器从器件结构来看,包括:
位于器件中部的硅衬底层,硅衬底层中制作有2×N的同轴硅通孔阵列,每个同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱,介质层,外侧环形金属以及绝缘层;
位于硅衬底层之上的顶部介质层,顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属,顶部第一金属层,以及顶部第二金属层;
位于硅衬底层之下的底部介质层,底部介质层中从上到下依次制作有两层金属,底部第二金属层,以及底部第一金属层。
顶部第一金属层,同轴硅通孔的外侧环形金属,底部第一金属依次连接,构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层,同轴硅通孔的中心金属柱,底部第二金属依次相连,构成变压器的次级线圈。
变压器的初次级线圈都有两个端口,分别为Port
端口Port
变压器工作时,端口Port
本事实例中,顶部、底部介质层可使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作;同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属可选用铜或铝;同轴硅通孔的介质层可由二氧化硅或金属氧化物材料制作;同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅;金属互联线使用的材料为铜或铝。
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