一种片上变压器及其制作工艺的制作方法

1.本发明属于buck类dcdc转换器技术领域，具体涉及一种三端输出的片上变压器及其制作工艺，该片上变压器主要应用于桥式隔离dc
‑
dc转换器。


背景技术：

2.随着电子产品的发展，便携式的移动设备的需求在不断增长，各个厂家的竞争也日趋白热化，促使降低电子系统体积重量。在这些电子装置中，电源部分由于磁性元件如电感、变压器的存在，成为影响电子设备体积和重量的主要因素。片上变压器的问世，使变压器的面积和重量大大减小，因而被人们广泛的应用。而半桥式隔离型dc
‑
dc转换器和全桥式隔离型dc
‑
dc转换器因其本身具有双向励磁变压器、开关少且输出功率大、输出功率范围广、不仅成本低而且可靠性高等优点，被广泛运用于多种电源系统中。
3.现有技术中，gan材料因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、介电常数小、导热性好、耐高温以及耐腐蚀等优良性能，被认为满足新型功率器件发展要求而迅速成为研究热点。
4.现有片上变压器一般采用同层金属之间的交叉耦合结构，也就是初级线圈和次级线圈均间隔设置在同一层中，如中国公开专利cn107293393a片上变压器巴伦和cn104103636a一种片上变压器，这类结构的片上变压器不仅耦合面积小、占用面积大，且无法同时适用于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器。还有，这类结构是非对称的抽头式变压器，同时由于次级线圈的长度不同，无法精确实现线圈匝数比为1:1的转换。
5.中国公开专利cn108269677a片上变压器，提出一种八角形结构片上变压器，这一结构是每一层金属层由多圈个同心不同直径且封闭的八角圈，经设置在不同圈的连接头进行搭接循环；这种结构不仅导致接头数量多，影响信号传输传递，无法一次性连续且无阻碍地进行信号传递。而且这一结构的片上变压器其在垂直于x轴方向上不是完全重叠，无法达到耦合面积的最大化；同时初级线圈和次级线圈中的结构长度不同，无法做到线圈匝数比为1：1的转换。
6.所以，如何设计一种片上变压器，并与gan基工艺相结合，获得适应于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器，通过升压、降压或等压进行调节实现任意比例的输出，平衡电阻并降低在线圈中的寄生效应，并精确实现线圈匝数比为1：1输出的变压器，是提高电源管理系统性能、转换效率以及工作频率，获得性能好、微型化且低耗的功率器件的关键。


技术实现要素：

7.本发明提供一种片上变压器及其制作工艺，尤其是适用于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器，解决了现有技术中耦合效率差、寄生效应高导致电感储存能力差的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
9.一种片上变压器，包括置于衬底层同侧的初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈均包括多层金属层；
10.所有所述金属层沿所述初级线圈和所述次级线圈高度方向叠放设置；
11.每一所述金属层均包括若干个独立且结构相同的金属圈；
12.所述金属圈被配置为从内向外扩散设置的螺旋形结构；
13.所述初级线圈中的最上层的所述金属层被配设有n个输入端；
14.所述次级线圈中的最上层的所述金属层具有(n 1)个输出端，其中，n为整数；
15.信号经所述输入端进入后再从所述输出端输出。
16.进一步的，所有所述金属层中的所有所述金属圈与其上下相邻且对应的所述金属圈均沿所述初级线圈和所述次级线圈高度方向无错位叠放设置；
17.且所有所述金属圈均为从内向外扩散设置的环状螺旋形结构。
18.进一步的，所述初级线圈和所述次级线圈中的所述金属层的数量相同；
19.优选地，所述初级线圈和所述次级线圈中的所述金属层的数量均为2；
20.并同层所述金属层中的所有所述金属圈同排设置。
21.进一步的，所述初级线圈和所述次级线圈的最上层所述金属层中的所有所述金属圈相互通过连接桥连接设置；
22.所述初级线圈和所述次级线圈中除去最上层所述金属层的其它同层所述金属层中的所有所述金属圈均相互断开设置。
23.进一步的，所述初级线圈和所述次级线圈中所有所述金属圈的圈数均相同；
24.每一所述金属圈的宽度相同；
25.且每一所述金属圈中的间隙宽度相同；
26.所述初级线圈和所述次级线圈中不同层的所述金属圈的厚度不同。
27.进一步的，n为2；
28.所述输入端均设于所述初级线圈的最上层所述金属层中，并分设于所述初级线圈最上层所述金属层中的最外端的两个所述金属圈的外圈。
29.进一步的，所有所述输出端均设于所述次级线圈的最上层所述金属层中；
30.其中两个所述输出端分设于所述次级线圈最上层所述金属层中最外端的两个所述金属圈的外圈；
31.其它的所述输出端被设于所述金属圈中的连接桥上。
32.进一步的，其特征在于，所述初级线圈靠近所述衬底层一侧设置；
33.在所述初级线圈和所述衬底层之间，以及
34.在所述初级线圈和所述次级线圈中的所有相邻所述金属层之间，
35.均设有由si3n4形成的不同结构的介质层进行隔离。
36.进一步的，设于所述初级线圈和所述衬底层之间的所述介质层的厚度大于设于相邻所述金属层之间的所述介质层的厚度；
37.设于所述初级线圈和所述衬底层之间的所述介质层的厚度为100
‑
300um；优选地，设于所述初级线圈和所述衬底层之间的所述介质层的厚度为100um。
38.进一步的，所有设于相邻所述金属层之间的所述介质层的厚度相同，均为60
‑
200nm；
39.优选地，设于相邻所述金属层之间的所述介质层的厚度为60nm。
40.一种用于制备如上任一项所述的片上变压器的制作工艺，步骤包括：
41.在基于gan制成的所述衬底层上涂覆一层介质层；
42.再在所述介质层上依次生长具有多层金属层形成的所述初级线圈和所述次级线圈，并每一所述金属层均在不同层的所述介质层上进行生长；
43.信号从设置于所述初级线圈上的n个输入端进入再经设置于所述次级线圈中的(n 1)个输出端输出，其中，n为整数。
44.进一步的，所有所述金属层中的所有所述金属圈与其上下相邻且对应的所述金属圈均沿所述初级线圈和所述次级线圈高度方向无错位叠放设置；并
45.所有所述金属圈均为从内向外扩散设置的环状螺旋形结构。
46.进一步的，n为2，且所有所述介质层均为si3n4介质层；
47.所述初级线圈和所述次级线圈中的所述金属层的数量相同，均为2。
48.采用本发明设计的一种片上变压器及其制作工艺，耦合面积大且占用面积小，并同时适用于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器，通过升压、降压或等压进行调节实现任意比例的输出，平衡电阻并降低在线圈中的寄生效应。
49.这一结构的初级线圈和次级线圈中的长度相同，精确实现线圈匝数比为1:1的转换，耦合效率高且线圈中的寄生效应小，从而可获得频率范围较宽、寄生效果好的变压器，提高电感储存能力。
附图说明
50.图1是本发明一实施例的一种片上变压器的俯视图；
51.图2是本发明一实施例的片上变压器沿y轴的剖面图；
52.图3是本发明一实施例的制作初级线圈中金属层一时的俯视图；
53.图4是本发明一实施例的制作初级线圈中金属层二时的俯视图；
54.图5是本发明一实施例的片上变压器的等效电路图；
55.图6是本发明一实施例的不同端口的电感值随频率变化的模拟图；
56.图7是本发明一实施例的耦合系数和品质因数随频率变化的模拟图。
57.图中：
58.10、衬底层
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20、介质层一
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30、初级线圈
59.31、金属层一
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32、金属层二
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40、次级线圈
60.41、金属层三
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42、金属层四
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50、介质层二
61.60、介质层三
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70、介质层四
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80、连接桥
具体实施方式
62.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
63.本实施例提出一种片上变压器，如图1所示，包括置于衬底层10同侧的初级线圈30和次级线圈40，初级线圈30靠近衬底层10一侧设置，在初级线圈30和衬底层10之间、以及在初级线圈30和次级线圈40中的所有相邻金属层之间，均设有由si3n4形成的不同结构的介质层进行隔离。其中，初级线圈30和次级线圈40均包括多层金属层，且所有金属层沿初级线圈30和次级线圈40高度方向叠放设置，并每一金属层均包括若干个独立且结构相同的金属圈；所有金属圈被配置为从内向外扩散设置的螺旋形结构；并在初级线圈30中的最上层的
金属层被配设有n个输入端；次级线圈40中的最上层的金属层具有(n 1)个输出端，其中，n为整数；输出端较输入端多的一个是用于作为桥式隔离变换器的地线；信号经输入端进入后再从输出端输出。
64.具体地，对于图1中的片上变压器，沿y轴的剖视图如图2所示，所有金属层中的所有金属圈与其上下相邻且对应的金属圈均沿初级线圈30和次级线圈40的高度方向无错位叠放设置；且金属圈为从内向外扩散设置的环状螺旋形结构。也即是，初级线圈30和次级线圈40均为上下对应且重合叠放设置的环状螺旋型结构的金属圈并排连接而成，重叠放置的金属圈可提高初级线圈30和次级线圈40的耦合面积，且整体占用面积较小，并可在垂直与每一金属层结构上的增大磁通量的传递效率。
65.进一步的，初级线圈30和次级线圈40中的金属层的数量相同，均为2；也即是初级线圈30包括金属层一31和金属层二32，次级线圈40包括金属层三41和金属层四42，每一金属层中均包括相同数量的金属圈，且同层金属层中的所有金属圈同排设置。并所有金属圈均为环形向外扩散的连续性螺旋形结构，且在每个螺旋形环状金属圈的连接处采用弧形结构的金属线进行连接。弧形结构的金属线的连接处为120
‑
160
°
的钝角作为拐点的连接角，优选地，钝角为150
°
。弧形结构的连接方式，较现有多边形结构的多连接桥的连接方式的金属线圈，不仅折弯弧度平缓且连接变化幅度缓，有利于电阻的平衡，并可使寄生电阻在直线与拐点处尽量一致，也即是减少变压器金属线圈的寄生效应；尤其是当采用150
°
的钝角的金属线对金属圈中的拐点处进行连接各螺旋圈时，可进一步保证其金属圈均匀且环形向外扩散设置。
66.进一步的，初级线圈30中的最上层的金属层二32和次级线圈40中的最上层的金属层四42中的所有金属圈相互通过连接桥80进行连接；并除去最上层金属层，初级线圈30中和次级线圈40中的其它金属层，也即是最下层的金属层一31和最下层金属层三41中的所有金属圈均相互断开设置。且初级线圈30中的同一侧的金属圈通过过孔上下连通设置。
67.初级线圈30和次级线圈40中所有金属圈的圈数均相同；每一金属圈的宽度相同，且每一圈金属圈中的间隙宽度相同。在本实施例中，所有金属圈的内径为100μm，金属圈的线宽为20μm，每一圈金属线中的间隙宽度为10μm，并每个金属圈的匝数为3。
68.初级线圈30的厚度与次级线圈40的厚度相同，初级线圈30和次级线圈40中不同层的金属圈的厚度不同，即初级线圈30中金属层一31的厚度小于金属层二32的厚度，但与次级线圈40中金属层三41的厚度相同；次级线圈40中的金属层三41的厚度小于金属层四42的厚度；其中，金属层一31和金属层三41的厚度相同，金属层二32与金属层四42的厚度相同，也就是，金属层一31和金属层三41中所有金属圈的厚度相同，金属层二32和金属层四42中所有金属圈的厚度相同。这一结构，使得变压器的初级线圈30和次级线圈40的垂直距离重合，这样可以有效的将初级线圈30产生的磁通量直接就传递到了次级线圈40中，同时相对于其它类型的片上变压器，会更节省面积，具有更高的输出效率。
69.在本实施例中，优选地n为2，也即是有2个输入端，有3个输出端，其中，2个输入端分别为a端和b端，均设于初级线圈30的最上层金属层二32中，并分设于初级线圈30的最上层金属层二32中的最外端的两个金属圈的外圈的引线上。3个输出端分别为c端、d端和e端，所有输出端均设置在次级线圈40的最上层的金属层四42中，其中，c端和e端两个输出端分设于次级线圈40的最上层的金属层四42中最外端的两个金属圈的外圈，并分别与a端和b端
对齐设置；d端设在两个金属圈中的连接桥80上，其作为桥式隔离变换器的地线而设。
70.进一步的，设于初级线圈30和衬底层10之间为介质层一20，也即是在金属层一31与衬底层10之间的隔离层为介质层一20；同时，在金属层一31和金属层二32之间、金属层二32和金属层三41之间、金属层三和金属层四42之间分设有介质层二50、介质层三60和介质层四70作为隔离层，其中，所有介质层均采用si3n4材料做成的隔离层，将初级线圈30和衬底层10、初级线圈30和次级线圈40之间隔开，隔离的作用是只允许初级线圈30和次级线圈40之间有交流信号通过，无直流信号通过，从而实现变压器的作用，从而使得初级线圈30和次级线圈40之间既能传递信号，也能传递功率，从而实现从电信号到磁信号再到电信号的传递，也即是这一结构的片上变压器可同时适用于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器，并可通过升压、降压或等压进行调节，以实现任意比例的输出，平衡电阻并降低在线圈中的寄生效应。
71.进一步的，介质层一20的厚度大于设于相邻金属层之间的介质层的厚度；这是由于在衬底层10上的介质层一20，可以防止变压器对衬底层10的影响，减小变压器与衬底层10的寄生效应。介质层一20越厚，隔离能力越强，则寄生效应越少；但介质层一20的厚度不能太厚，否则会影响片上其他器件的性能，其中，介质层一20的厚度范围100
‑
300um，优选地，介质层一20的厚度为100um。
72.所有设于相邻金属层之间的介质层的厚度相同，也即是，介质层二50、介质层三60和介质层四70的厚度均为60
‑
200nm；优选地，介质层二50、介质层三60和介质层四70的厚度均为60nm。
73.其中，对于介质层二50，其是生长在金属层一31上，其厚度根据外加电压的大小来确定，在本实施例中，选择输入电压为48v，其厚度范围为60
‑
200nm，同时根据si3n4介质材料的耐压特性，选择其厚度为60nm，有利于金属圈的引出。
74.介质层三60生长在金属层二32上，目的是将初级线圈30与次级线圈40隔离开，并使初级线圈30上只有交流信号通过，在不被击穿的情况下，使得变压器的性能更好，选择其厚度为60nm，并有利于次级线圈40中的金属层三41的生长。
75.介质层四70是用于隔离次级线圈40中的金属层三41和金属层四42，并有利于金属层四42的生长，优选地，介质层四70的厚度为60nm。
76.采用了无错位重合的层叠式结构，且每一层金属圈相对于x轴对称的片上变压器，其从初级线圈30中的金属层一31到次级线圈40中的金属层四42之间的传递信号的效率逐步增加，电阻和信号的损耗会减小；还有这一结构的片上变压器在使用过程中有很小的寄生电阻，故，会进一步降低电阻和信号损耗，提高输出效率。
77.还有这一结构的片上转换器，主要应用于半桥式和全桥式的隔离型dc
‑
dc转换器；相对于传统的dc
‑
dc转换器的片上变压器，不仅可提升频率，提升效率，还可以大幅度减小占用面积，提高耦合效率，提升dc
‑
dc转换器的效率。
78.一种用于制备如上所述的片上变压器的制作工艺，步骤包括：
79.在基于gan制成的衬底层10上涂覆一层介质层一20；
80.再在介质层一20上依次生长具有多层金属层形成的初级线圈30和次级线圈40，并每一金属层均在不同层的介质层上进行生长；
81.信号从设置于初级线圈30上的n个输入端进入再经设置于次级线圈40中的(n 1)
个输出端输出，其中，n为整数。
82.进一步的，所有金属层中的所有金属圈与其上下相邻且对应的金属圈均沿初级线圈和次级线圈高度方向无错位叠放设置；并
83.所有金属圈均为从内向外扩散设置的环状螺旋形结构。
84.进一步的，n为2，且所有介质层均为si3n4介质层；
85.初级线圈30和次级线圈40中的金属层的数量相同，均为2。
86.具体步骤如下：
87.s1、先在基于gan做成的衬底层10上涂覆一层介质层一20。
88.介质层一20可以防止变压器对衬底层10的影响，减小变压器与衬底层10的寄生效应。介质层一20越厚，隔离能力越强，则寄生效应越少；但介质层一20的厚度不能太厚，否则会影响片上其他器件的性能，其中，介质层一20的厚度范围100
‑
300um，优选地，介质层一20的厚度为100um。
89.s2、再在介质层一20上生长初级线圈30中的金属层一31，并在金属层一31上生长一层介质层二50。
90.如图3所示，金属层一31包括两个独立且沿x轴对称设置的环状从内向外扩散设置的螺旋形结构的金属圈，两个金属圈之间断开设置，且每个金属圈的匝数为3。所有金属圈均为环形向外扩散的连续性螺旋形结构，且在每个螺旋形环状金属圈的连接处采用钝角的弧度进行连接，且钝角为120
‑
160
°
，优选地，钝角为150
°
。这是由于采用150
°
的钝角进行连接各螺旋向外扩散的环形连接处，较现有多边形结构的多连接桥的连接方式的金属线圈，不仅折弯弧度平缓且连接变化幅度缓，有利于电阻的平衡，并可使寄生电阻在直线与拐点处尽量一致，也即是减少变压器金属线圈的寄生效应。
91.为了保证将金属层一31中的金属圈的中心金属线引出，在金属层一31上设置一层介质层二50，并使金属层一31和金属层二32隔离开，故介质层二50的厚度大于金属层一31的厚度。介质层二50是生长在金属层一31上，其厚度根据外加电压的大小来确定，在本实施例中，选择输入电压为48v，其厚度范围为60
‑
200nm，同时根据si3n4介质材料的耐压特性，选择其厚度为60nm，有利于金属圈的引出。
92.s3、在介质层二50上生长金属层二32，并在金属层二32上生长一层介质层三60。
93.如图4所示，在介质层二50上依次进行刻蚀、开孔，再生长一层金属层二32，其中金属层二32也包括与金属层一31中的金属圈的结构相同的两个金属圈，并分别与金属层一31中的金属圈上下重合叠放设置，并金属液通过开孔与金属层一31中的金属圈连接并充满与刻蚀的金属圈中的形状内形成金属层二32，且相邻两个金属圈通过连接桥80连接设置，连接桥80也为同一金属液凝固形成的结构。并在金属层二50的外圈端处设有输入端引线，分别为a端和b端。
94.介质层三60生长在金属层二32上，目的是将初级线圈30与次级线圈40隔离开，并使初级线圈30上只有交流信号通过，在不被击穿的情况下，使得变压器的性能更好，选择其厚度为60nm，并有利于次级线圈40中的金属层三41的生长。
95.s4、在介质层三60上生长金属层三41，并在金属层三41上生长一层介质层四70。
96.与制作初级线圈30的工艺相同，在介质层三60上依次进行刻蚀、开孔，再生长一层金属层三41，且金属层三41的结构与金属层一31的结构相同，结构与图3相同，在此省略，即
包括两个独立设置的金属圈，且金属层三41中的金属圈与金属层二32中的金属圈上下叠放设置。
97.并在金属层三41上生长一层介质层四70，介质层四70是用于隔离次级线圈40中的金属层三41和金属层四42，并有利于金属层四42的生长，优选地，介质层四70的厚度为60nm。
98.s5、在介质层四70上生长金属层四42，并在金属层四42上设置三个输出端。
99.如图1所示，在介质层四70上依次进行刻蚀、开孔，再生长一层金属层四42，其中金属层四42的结构与金属层二32的结构相同，也包括两个金属圈，金属层四42的两个金属圈分别与金属层三41中的两个金属圈上下重合叠放设置，其制作工艺与金属层二32相同，在此省略。金属层四42中的两个金属圈通过连接桥80连接设置。并在金属层四42中的两个金属圈外端处设有输出端引线，分别为c端和e端，同时在金属层四42中的两个金属圈的连接桥80上设有d端的输出引线。
100.对于片上变压器的等效电路图，如图5所示，其中，l1为初级线圈30中a端和b端的电感值，l2为次级线圈40中c端和d端的电感值，l3为次级线圈40中d端和e端的电感值。
101.通过z参数仿真可以计算出采用上述制作工艺获得的片上变压器的性能参数，计算初级线圈30的寄生参数，其中imag表示z参数的虚部，real表示z参数的实部，w表示输出变压器信号的角频率，f表示输出信号的频率，m指的是变压器初次、级线圈的互感，计算方法如下：
102.变压器的寄生电阻：r1＝real(z
11
)
103.变压器电感为：
104.变压器互感：互感为：
105.耦合系数：
106.品质因数：
107.通过仿真，可以得到5
‑
100mhz的片上变压器的各个参数，即获得对三个不同端口的电感值随频率变化的模拟图，如图6所示，其中，l1为初级线圈30中a端和b端的电感值，l2为次级线圈40中c端和d端的电感值，l3为次级线圈40中d端和e端的电感值。同时对片上变压的耦合系数和品质因数随频率变化的模拟图，如图7所示，其中，a为耦合系数k，b为品质因数q。
108.这一结构的片上变压器采用的是隔离型层叠式片上变压器，以上下对称的方式组成变压器，所以匝数比可以做到1；品质因数最大可做到1.9。电感的品质因数表示电感储能能力。电感的品质因数越高，表示电感存储的能量越大。
109.根据图6和图7可以看出，片上变压器可以在比较宽的范围内使用，且频率越高，寄生电阻越小，表明功耗也更小。当频率比较小时，寄生电感比较大，表明初级线圈30和次级线圈40的能量传递增加更多。对于一般的隔离dc
‑
dc转换器来说，完全可以满足要求。
110.采用本发明设计的一种片上变压器及其制作工艺，耦合面积大且占用面积小，并同时适用于半桥式或全桥式的dc
‑
dc转换器，通过升压、降压或等压进行调节实现任意比例
的输出，平衡电阻并降低在线圈中的寄生效应。
111.这一结构的初级线圈和次级线圈中的长度相同，精确实现线圈匝数比为1:1的转换，耦合效率高且线圈中的寄生效应小，从而可获得频率范围较宽、寄生效果好的变压器，提高电感储存能力。
112.以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。