硅变压器集成芯片制造技术

一种变压器，包括：硅衬底；多个金属层和多个绝缘层，层压在硅衬底上；金属的底部绕组，与多个金属层中的第一金属层和第二金属层接触；第一绝缘层，位于底部绕组上；磁芯，位于第一绝缘层上；第二绝缘层，位于磁芯上；金属的顶部绕组，围绕磁芯和第二绝缘层的一部分延伸；以及第三绝缘层，位于顶部绕组上。顶部绕组和底部绕组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。绕组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。绕组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硅变压器集成芯片


[0001]本专利技术涉及变压器。更具体地，本专利技术涉及一种集成到硅衬底中的变压器，该变压器可用于DC
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DC转换器或电源应用。

技术介绍

[0002]传统电源和DC
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DC转换器需要较大的分立磁性组件，例如变压器和电感器，这些组件具有固有损耗、发热，发射电磁干扰(EMI)且制造成本高。电池供电的手机和手持式应用需要小型的高效的且具有成本效益的组件。
[0003]因此，已经开发出较小的磁性组件和变压器，它们直接制造在衬底上，例如印刷电路板(PCB)或硅衬底。平面电感器之类的组件已经作为半导体芯片制造在硅衬底的表面上。这些组件已经使用半导体制造技术制成类似于集成电路(IC)。然而，例如在WO公开号2016/209245中所示，在具有无源组件的电源管理控制IC中，硅衬底上的金属层中的变压器绕组不适合大电流操作，诸如在DC
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DC转换器应用中。

技术实现思路

[0004]为了克服上述问题，本专利技术的优选实施例提供了一种集成到硅衬底中的变压器，该变压器可用于大电流DC
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DC转换器应用中。
[0005]根据本专利技术的优选实施例，使用硅衬底上的电镀金属层制造变压器。包括磁芯的变压器是通过电镀工艺制成的，这与传统的硅工艺不同，在传统硅工艺中，变压器组件被绝缘材料(例如聚酰亚胺)覆盖。此外，位于变压器初级侧的电路和次级侧的电路可以共存于硅衬底上，并且可以通过PN结相互电隔离，这使得初级电路和次级电路之间的距离最小化。
[0006]根据本专利技术的一个优选实施例，一种变压器包括：硅衬底；多个金属层和多个绝缘层，层压在硅衬底上；金属的第一底部绕组和铜的第二底部绕组，该第一底部绕组与多个金属层中的第一金属层接触，并且该第二底部绕与多个金属层中的第二金属层接触；第一绝缘层，位于第一底部绕组和第二底部绕组上；磁芯，位于第一绝缘层上；第二绝缘层，位于磁芯上；金属的第一顶部绕组和第二顶部绕组，围绕磁芯和第二绝缘层的一部分延伸；以及第三绝缘层，位于第一顶部绕组和第二顶部绕组上。包括第一顶部绕组、第二顶部绕组、第一底部绕组和第二底部绕组在内的组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。
[0007]变压器可以进一步包括位于硅衬底上的电路，其中第一底部绕组、第二底部绕组、第一顶部绕组、第二底部绕组和磁芯可以与电路位于硅衬底的同一侧上。变压器还可以包括在硅衬底中的PN结，该PN结将变压器的初级侧和次级侧隔离。第一底部绕组、第二底部绕组、第一顶部绕组和第二顶部绕组可以包括电镀覆铜层。第一顶部绕组和第一底部绕组可以限定初级绕组并且第二顶部绕组和第二底部绕组限定次级绕组，初级绕组和次级绕组可以与多个金属层中的相应金属层连接，并且可以不相互电连接。
[0008]根据本专利技术的一个优选实施例，一种制造变压器的方法，包括：提供硅衬底；在硅衬底上层压多个金属层和多个绝缘层；电镀覆铜以形成与多个金属层中的第一金属层接触
的第一底部绕组和与多个金属层中的第二金属层接触的第二底部绕组；在底部绕组上形成第一绝缘层；在第一绝缘层上电镀覆磁芯；在磁芯上形成第二绝缘层；电镀覆铜以在第二绝缘层上形成第一顶部绕组和第二顶部绕组，第一顶部绕组和第二顶部绕组围绕磁芯延伸；以及在第一顶部绕组和第二顶部绕组上形成第三绝缘层。
[0009]包括第一顶部绕组、第二顶部绕组、第一底部绕组和第二底部绕组在内的组中的至少一个可以比多个金属层中的每一个厚。第一顶部绕组和第一底部绕组可以限定初级绕组；第二顶部绕组和第二底部绕组限定次级绕组，并且初级绕组和次级绕组可以与多个金属层中的相应金属层连接，并且可以不相互电连接。
[0010]根据本专利技术的一个优选实施例，一种变压器包括：第一硅衬底；电路，位于第一硅衬底的第一侧上并且包括多个金属层；氧化层，位于第一硅衬底的第二侧上；第二硅衬底，位于氧化层上；金属的底部绕组，位于第二硅衬底上，并且通过第二硅衬底、氧化层和第一硅衬底与电路连接；第一绝缘层，位于底部绕组上；磁芯，位于第一绝缘层上；第二绝缘层，位于磁芯上；金属的顶部绕组，围绕磁芯和第二绝缘层的一部分延伸，并且通过第二硅衬底、氧化层和第一硅衬底与电路连接；以及第三绝缘层，位于顶部绕组上。顶部绕组和底部绕组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。
[0011]变压器还可以包括在第一硅衬底和第二硅衬底中的PN结，该PN结将变压器的初级侧和次级侧隔离。底部绕组和顶部绕组可以包括电镀覆铜层。顶部绕组和底部绕组可以限定初级绕组和次级绕组，初级绕组和次级绕组可以与多个金属层中的相应金属层连接并且可以不相互电连接。
[0012]根据本专利技术的一个优选实施例，一种制造变压器的方法包括：提供第一硅衬底；在第一硅衬底的第一侧上形成电路；在第一硅衬底的第二侧上形成氧化层；在氧化层上提供第二硅衬底；在第二硅衬底、氧化层和第一硅衬底中形成通孔；用与电路直接接触的导电金属填充通孔；在第二硅衬底上沉积金属以形成与导电金属接触的底部绕组；在底部绕组上形成第一绝缘层；在第一绝缘层上电镀覆磁芯；在磁芯上形成第二绝缘层；沉积金属以在第二绝缘层上和围绕与导电金属接触的磁芯而形成顶部绕组；以及在顶部绕组上形成第三绝缘层。
[0013]形成电路的步骤可以包括形成多个金属层，并且顶部绕组和底部绕组中的至少一个可以比多个金属层中的每一个厚。顶部绕组和底部绕组可以限定初级绕组和次级绕组，初级绕组和次级绕组可以与多个金属层中的相应金属层连接并且可以不相互电连接。金属可以是电镀覆铜。
[0014]根据本专利技术的一个优选实施例，一种变压器包括：硅衬底；电路，位于硅衬底的第一侧上并且包括多个金属层；金属的底部绕组，位于硅衬底的第二侧上并且通过硅衬底与电路接触；第一绝缘层，位于底部绕组上；磁芯，位于第一绝缘层上；第二绝缘层，位于磁芯上；金属的顶部绕组，围绕磁芯和第二绝缘层的一部分，并且通过硅衬底与电路接触；以及第三绝缘层，位于顶部绕组上。顶部绕组和底部绕组中的至少一个比多个金属层中的每一个厚。
[0015]变压器还可以包括在硅衬底中的将变压器的初级侧与次级侧隔离的PN结。底部绕组和顶部绕组可以包括电镀覆铜层。顶部绕组和底部绕组可以限定初级绕组和次级绕组，初级绕组和次级绕组可以与多个金属层中的相应金属层连接并且可以不相互电连接。
[0016]根据本专利技术的优选实施例，一种制造变压器的方法包括：提供硅衬底；在硅衬底的第一侧上形成电路；在硅衬底中形成通孔，用与电路的金属层直接接触的导电金属填充通孔；在硅衬底的第二侧上沉积金属以形成与导电金属接触的底部绕组；在底部绕组上形成第一绝缘层；在第一绝缘层上电镀覆磁芯；在磁芯上形成第二绝缘层；沉积金属以在第二绝缘层上和围绕与导电金属接触的磁芯而形成顶部绕组；以及在顶部绕组上形成第三绝缘层。
[0017]顶部绕组和底部绕组中的至少一个可以比形成在硅衬底上的任何金属层厚。顶部绕组和底部绕组可以限定初级绕组和次级绕组，并且初级绕组和次级绕组可以不相互电连接。
[0018]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种变压器，包括：硅衬底；多个金属层和多个绝缘层，层压在所述硅衬底上；金属的第一底部绕组和铜的第二底部绕组，所述第一底部绕组与所述多个金属层中的第一金属层接触，并且所述第二底部绕组与所述多个金属层中的第二金属层接触；第一绝缘层，位于所述第一底部绕组和所述第二底部绕组上；磁芯，位于所述第一绝缘层上；第二绝缘层，位于所述磁芯上；所述金属的第一顶部绕组和第二顶部绕组，围绕所述磁芯和所述第二绝缘层的一部分延伸；以及第三绝缘层，位于所述第一顶部绕组和所述第二顶部绕组上；其中包括所述第一顶部绕组、所述第二顶部绕组、所述第一底部绕组和所述第二底部绕组在内的组中的至少一个比所述多个金属层中的每一个厚。2.根据权利要求1所述的变压器，还包括：位于所述硅衬底上的电路；其中所述第一底部绕组、所述第二底部绕组、所述第一顶部绕组、所述第二顶部绕组和所述磁芯与所述电路位于所述硅衬底的同一侧上。3.根据权利要求1或2所述的变压器，还包括在所述硅衬底中的PN结，所述PN结将所述变压器的初级侧和次级侧隔离。4.根据权利要求1至3中的一项所述的变压器，其中，所述第一底部绕组、所述第二底部绕组、所述第一顶部绕组和所述第二顶部绕组包括电镀覆铜层。5.根据权利要求1至4中的一项所述的变压器，其中所述第一顶部绕组和所述第一底部绕组限定初级绕组；所述第二顶部绕组和所述第二底部绕组限定次级绕组；以及所述初级绕组和所述次级绕组与所述多个金属层中的相应金属层连接并且不彼此电连接。6.根据权利要求1至5中的一项所述的变压器，其中，所述金属是铜。7.一种制造变压器的方法，所述方法包括：提供硅衬底；在所述硅衬底上层压多个金属层和多个绝缘层；电镀覆铜以形成与所述多个金属层中的第一金属层接触的第一底部绕组以及与所述多个金属层中的第二金属层接触的第二底部绕组；在所述底部绕组上形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层上电镀覆磁芯；在所述磁芯上形成第二绝缘层；电镀覆铜以在所述第二绝缘层上形成第一顶部绕组和第二顶部绕组，所述第一顶部绕组和所述第二顶部绕组围绕所述磁芯延伸；以及在所述第一顶部绕组和所述第二顶部绕组上形成第三绝缘层。8.根据权利要求7所述的方法，其中，包括所述第一顶部绕组、所述第二顶部绕组、所述第一底部绕组和所述第二底部绕组在内的组中的至少一个比所述多个金属层中的每一个
厚。9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一顶部绕组和所述第一底部绕组限定初级绕组；所述第二顶部绕组和所述第二底部绕组限定次级绕组；以及所述初级绕组和所述次级绕组与所述多个金属层中的相应金属层连接并且不彼此电连接。10.一种变压器，包括：第一硅衬底；电路，位于所述第一硅衬底的第一侧上并且包括多个金属层；氧化层，位于所述第一硅衬底的第二侧上；第二硅衬底，位于所述氧化层上；金属的底部绕组，位于所述第二硅衬底上，并通过所述第二硅衬底、所述氧化层和所述第一硅衬底与所述电路连接；第一绝缘层，位于所述底部绕组上；磁芯，位于所述第一绝缘层上；第二绝缘层，位于所述磁芯上；所述金属的顶部绕组，围绕所述磁芯和所述第二绝缘层的一部分延伸，并且通过所述第二硅衬底、所述氧化层和所述第一硅衬底与所述电路连接；以及第三绝缘层，位于所述顶部绕组上；其中所述顶部绕组和所述底部绕组中的至少一个比所述多个金属层中的每一个厚。11.根据权利要求10所述的变压器，还包括在所述第一硅衬底和所述第二硅衬底中的PN结，所述PN结将所述变压器的初级侧和次级侧隔离。12.根据权利要求10或11所述的变压器，其中，所述底部绕组和所述顶部绕组包括电镀覆铜层。13.根据权利要求10至12中的一项所述的变压器，其中所述顶部绕组和所述底部绕组限定初级绕组和次级绕组；以及所述初级绕组和所述次级绕组与所述多个金属层中的相应金属层连接并且不彼此电连接。14.根据权利要求10至13中的一项所述的变压器，其中，所述金属是铜。15.一种制造变压器的方法，所述方法包括：提供第一硅衬底；在所述第一硅衬底的第一侧上形成电路；在所述第一硅衬底的第二侧上形成氧化层；在所述氧化层上形成第二硅衬底；在所述第二硅衬底、所述氧化层和所述第一硅衬底中形成通孔；用与所述电路直接接触的导电金属填充所述通孔；在所述第二硅衬底上沉积金属以形成与所述导电金属接触的底部绕组；在所述底部绕组上形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层上电镀覆磁芯；
在所述磁芯上形成第二绝缘层；沉积所述金属以在所述第二绝缘层上并围绕与所述导电金属接触的所述磁芯而形成顶部绕组；以及在所述顶部绕组上形成第三绝缘层。16.根据权利要求15的方法，其中形成所述电路的步骤包括形成多个金属层；以及所述顶部绕组和所述底部绕组中的至少一个比所述多个金属层中的每一个厚。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述顶部绕组和所述底部绕组限定初级绕组和次级绕组；以及所述初级绕组和所述次级绕组与所述多个金属层中的相应金属层连接并且不彼此电连接。18.根据权利要求15至17中的一项所述的方法，其中，所述金属是电镀覆铜。19.一种变压器，包括：硅衬底；电路，位于所述硅衬底的第一侧上并且包括多个金属层；金属的底部绕组，位于所述硅衬底的第二侧上并通过所述硅衬底与所述电路接触；第一绝缘层，位于所述底部绕组上；磁芯，位于所述第一绝缘层上；第二绝缘层，位于所述磁芯上；所述金属的顶部绕组，围绕所述磁芯和所述第二绝缘层的一部分，并通过所述硅衬底与所述电路接触；以及第三绝缘层，位于所述顶部绕组上；其中所述顶部绕组和所述底部绕组中的至少一个比所述多个金属层中的每一个厚。20.根据权利要求19所述的变压器，还包括在所述硅衬底中的PN结，所述PN结将所述变压器的初级侧和次级侧隔离。21.根据权利要求18或20所述的变压器，其中，所述底部绕组和所述顶部绕组包括电镀覆铜层。22.根据权利要求19至21中的一项所述的变压器，其中所述顶部绕组和所述底部绕组限定初级绕组和次级绕组；以及所述初级绕组和所述次级绕组与所述多个金...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹下贵之，牛见义光，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：