[發明專利]一種基于同軸硅通孔的三維變壓器

在審

• 申請號: 202011269697.4
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112490213A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 王鳳娟;任睿楠;余寧梅;楊媛;朱樟明;尹湘坤
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H01L23/522
• 分類號: H01L23/522;H01L23/528;H01L23/66
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 寧文濤

本發明公開了一種基于同軸硅通孔的三維變壓器，包括硅襯底層，硅襯底層中設置有2×N的同軸硅通孔陣列，硅襯底層的一端連接有頂部介質層，另一端連接有底部介質層。每個所述同軸硅通孔從內到外依次為同軸設置的中心金屬柱，介質層，外側環形金屬以及絕緣層。同軸硅通孔的采用，使得本發明所需使用的硅通孔數量僅為2N,實現了小的芯片占用面積，這對提高射頻電路的集成度是有利的。同時使用同軸硅通孔可以提高初級線圈與次級線圈之間的耦合，使變壓器具有更低的損耗，改善了變壓器的電學性能。

技術領域

本發明屬于無源電子器件技術領域，涉及一種基于同軸硅通孔的三維變壓器。

背景技術

三維集成電路就是將多個同質、異質的芯片或電路模塊在垂直方向堆疊起來，并利用硅通孔(through-silicon-via,TSV)實現不同層器件之間的電學連接,共同完成一個或多個功能,從而有效縮短全片內互連線的長度，并提高了器件密度。在三維集成電路中出于應力平衡、屏蔽噪聲、散熱等存在大量的冗余硅通孔。這些冗余硅通孔通常被用來制作射頻無源器件，如：電感、電容、變壓器和濾波器。占用芯片面積小是基于硅通孔的三維器件的一個顯著優勢，這也使得其在高集成度集成電路中具有應用潛力，因此在國內外得到了廣泛的研究。傳統的片式變壓器為平面或者疊層結構，占用芯片面積較大，影響了高密度射頻集成電路的集成度。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于同軸硅通孔的三維變壓器，解決了現有傳統的片式變壓器為平面或者疊層結構，占用芯片面積較大的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種基于同軸硅通孔的三維變壓器，包括硅襯底層，硅襯底層中設置有2×N的同軸硅通孔陣列，硅襯底層的一端連接有頂部介質層，另一端連接有底部介質層。

每個所述同軸硅通孔從內到外依次為同軸設置的中心金屬柱，介質層，外側環形金屬以及絕緣層。

頂部介質層中從上到下依次制作有兩層金屬，頂部第一金屬層，以及頂部第二金屬層。

底部介質層中從上到下依次制作有兩層金屬，底部第二金屬層，以及底部第一金屬層。

頂部第一金屬層連接同軸硅通孔的外側環形金屬的一端，同軸硅通孔的外側環形金屬的另一端連接底部第一金屬，構成了變壓器的初級線圈。

頂部第二金屬層連接同軸硅通孔的中心金屬柱的一端，同軸硅通孔的中心金屬柱的另一端連接底部第二金屬，構成變壓器的次級線圈。

變壓器的初級線圈設置有Port_p1、Port_p2兩個端口，變壓器的次級線圈設置有Port_s1、Port_s2兩個端口，端口Port_p2、Port_s1、Port_s2的位置始終保持不變，通過調整Port_p1的位置可改變初級線圈的匝數，通過改變每列硅通孔的數量N來改變次級線圈的匝數。

端口Port_p1和Port_s2接地，端口Port_s1和Port_p2作為變壓器的輸入輸出端口，輸入輸出端口位于變壓器的兩側。

頂部介質層、底部介質層使用絕緣材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同軸硅通孔的中心金屬柱以及外側環形金屬選用銅或鋁；同軸硅通孔的介質層由二氧化硅或金屬氧化物材料制作；同軸硅的絕緣層使用的材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

本發明的有益效果是，同軸硅通孔的采用，使得本發明所需使用的硅通孔數量僅為2N,實現了小的芯片占用面積，這對提高射頻電路的集成度是有利的。同時使用同軸硅通孔可以提高初級線圈與次級線圈之間的耦合，使變壓器具有更低的損耗，改善了變壓器的電學性能。

附圖說明

圖1為本發明基于同軸硅通孔的三維變壓器的三維視圖。