具有金属屏蔽件的电感器的制作方法

1.本公开的实施例总体上涉及印刷电路板(pcb)的领域，尤其涉及在高电流开关电感器下的信号路由(signal routing)的挑战。


背景技术：

2.计算平台典型地包括印刷电路板(pcb)，该pcb包括功率元件，例如，包括电感器的电压调节器(vr)。当前，为了避免干扰，这种元件下方的信号路由是在pcb上的第四个内层处执行的。通常，最高层(第四层)处的信号路由仅限于非关键或低速信号(《1gps)。
附图说明
3.通过以下具体实施方式结合附图，将容易地理解实施例。为了促进该描述，相同的附图标记表示相同的结构元件。在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了实施例。
4.图1示出了根据各种实施例的具有和不具有金属屏蔽件的电感器的示例。
5.图2示出了根据各种实施例的在pcb上的金属屏蔽式电感器和非屏蔽式电感器的应用。
6.图3示出了根据各种实施例的屏蔽式电感器在制造的各种阶段的多个透视图。
7.图4示出了根据各种实施例的用于在电感器周围形成金属屏蔽件的示例工艺。
8.图5是根据本发明实施例的计算机系统500的示意图。
具体实施方式
9.本公开的实施例可以涉及在模制铁氧体电感器周围形成金属屏蔽件以减少在操作期间由电感器辐射的电磁能量。金属屏蔽件允许将电感器放置在pcb上，该pcb具有在电感器下方且靠近电感器的多个信号路由层，以及在pcb的靠近电感器的表面上的微带(micro strip)，以在操作期间可靠地对信号进行路由。
10.在旧有的实现方式中，由于电感器组件在操作期间生成的磁场或h场会带来显著的噪声耦合，因此在pcb设计中，禁止在高电流开关电感器组件下方或接近高电流开关电感器组件进行信号路由，其中电流通常高于1安培。电感器是开关vr系统的主要组件中的一个，其用于过滤传入的脉冲电压的纹波(ripple)。例如，intel
tm
酷睿处理器使这种电感器的2-4相用于主电压输入轨，例如，vccin和vccin_aux。在这些旧有的实现方式中，减小pcb板的尺寸为对靠近电感器(在其下方)的关键信号路径进行路由提供了挑战。
11.如先前所描述的，这些旧有的实现方式允许针对非关键或低速信号(例如，小于1gbps)在pcb上的第四层处进行信号路由。pcb层1-3处不允许路由，以避免将导致信号损坏和功能故障的磁场耦合噪声。这也可以称为电感器效应。类似地，针对功率电感器附近的任何微带路由的信号，在pcb设计中通常要求大距离，例如，大于500密耳。该距离是基于通过电感器的开关电流的幅度和频率确定的。
12.因此，旧有的实现方式增加了pcb或母板层计数，并增加了绕过电感器效应所要求
的排除区域(keep-out-zone，koz)。这限制了系统微型化和互连密度缩放。另外地，与成本高效的1-x-1/类型3解决方案相比，要求更昂贵的高密度互连(hdi)pcb技术，例如，2-x-2 或过孔任意层(val)。
13.使用本文描述的实施例，与广泛使用的模制铁氧体电感器结构相比，可以利用金属屏蔽式电感器结构来实现耦合噪声的显著降低，从而允许信号迹线在微带层中紧邻电感器被路由。另外地，这允许信号迹线在金属屏蔽式电感器以下的第一参考平面(例如，在层2接地平面之后的层3)下方被路由。因此，这促进了系统微型化，通过减少koz约束，允许在开关电感器附近的更密集的路由。
14.在以下描述中，将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实现方式的各种方面，以将他们的工作的实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本公开的实施例可以仅通过所描述的方面中的一些来实践。出于解释的目的，阐述了具体数字、材料和配置以提供对说明性实现方式的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，省略或简化了公知的特征，以免混淆说明性实现方式。
15.在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部分，并且在附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本公开的主题的实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为限制意义的，并且实施例的范围由所附权利要求书及其等同物限定。
16.出于本公开的目的，短语“a和/或b”意味着(a)、(b)或(a和b)。出于本公开的目的，短语“a，b和/或c”意味着(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)或(a，b和c)。
17.描述可以使用基于透视的描述，例如，顶部/底部、内/外、上方/下方等。这样的描述仅用于促进讨论并且不旨在将本文描述的实施例的应用限制为任何特定方向。
18.描述可以使用短语“在实施例中”或“在多个实施例中”，它们可以各自指代相同或不同的实施例中的一个或多个。此外，关于本公开的实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词。
19.术语“与
……
耦合”及其派生词可以在本文中使用。“耦合”可以意味着以下各项中的一个或多个。“耦合”可以意味着两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”也可以意味着两个或更多个元件间接相互接触，但仍然彼此协作或交互，并且“耦合”可以意味着一个或多个其他元件耦合或连接在被称为彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”可以意味着两个或更多个元件直接接触。
20.图1示出了根据各种实施例的具有和不具有金属屏蔽件的电感器的示例。屏蔽芯电感器(shielded core inductor)100示出了电感器的横截面，该电感器包括被屏蔽芯104包围的空芯线圈102。屏蔽芯104可以部分地被铁氧体材料106包围，该铁氧体材料106可以是软磁金属粉末。在该旧有的实现方式中，屏蔽芯104能够限制磁场中的一些从电感器100逸出。
21.金属屏蔽式电感器120示出了包括被屏蔽芯104包围的空芯线圈102的实施例。屏蔽芯104被嵌入在铁氧体材料106中，其中金属屏蔽件108包围铁氧体材料106。金属屏蔽件108提供了外壳，以显著地阻挡金属屏蔽式电感器120外部的场泄漏。另外地，金属屏蔽件
108为电感器120提供了附加的灵活性，例如，将电感器周围的金属板接地以导致显著减少对附近的电路的噪声耦合。
22.图2示出了根据各种实施例的在pcb上的金属屏蔽式电感器和非屏蔽式电感器的应用。旧有的实现方式200示出了与pcb 214耦合的旧有的电感器212，该pcb 214包括用于在pcb 214内路由电信号的多个层。这些多个层可以包括也可以称为带状线(strip line)的迹线。另外地，可以称为微带的迹线216可以以koz 222所要求的距离被放置在pcb 214的接近电感器212的表面218上，以沿着表面218路由电信号。诸如场效应变压器(fet)220之类的其他组件也可以耦合到pcb 214接近旧有的电感器212。
23.图200a示出了旧有的电感器212在操作期间生成电磁场213，该电磁场213泄漏到旧有的电感器212外部，包括深入到pcb 214的层中，并且相对于旧有的电感器212横向延伸。这些在操作期间产生的电磁场213导致在pcb 214层内的带状线和迹线以及迹线216生成耦合噪声，该耦合噪声导致这些迹线不再可靠地承载电信号。在旧有的实现方式中，针对微带216路由要求例如300密耳的koz 222，以使耦合噪声最小化为小于15mv。
24.因此，由于由电磁场213导致的信号失真，因此不允许在旧有的电感器212正下方的相邻层214a上进行路由。对于在旧有的电感器212正下方的层214b，可以从第四层到第六层对非关键信号进行路由。在层214c处，可以从第七层向前对关键信号进行路由。
25.在旧有的实现方式中，可以基于功率电感器下方/附近可用的屏蔽式平面层的数量、这些平面层的厚度、平面层中接近电感器放置的穿孔、开关频率、通过电感器的最大电流等来决定pcb 214的允许进行信号路由的内层。通常，针对微带216的koz 222是基于通过旧有的电感器212的开关电流的幅度和频率来决定的。
26.金属屏蔽式电感器实现方式250示出了包括耦合到pcb 254的表面258的金属屏蔽式电感器252的实施例。因此，微带256可以被放置得更靠近金属屏蔽式电感器252并且用于对关键信号进行路由。另外地，关于pcb 254，可以不针对层254a进行信号路由，同时可以在层254b中路由包括关键信号的信号路由。在实施例中，层254b可以在第二层直接接地平面(solid ground plane)之后从第三层向前开始。在实施例中，金属屏蔽式电感器实现方式250可以导致大约180密耳的路由空间的增益。
27.图3示出了根据各种实施例的屏蔽式电感器在制造的各种阶段的多个透视图。图300a示出了创建金属屏蔽式电感器的第一阶段，该金属屏蔽式电感器包括被嵌入在铁氧体材料306中的电感器线圈302。这些可以类似于图1的线圈102和铁氧体106。如所示的，与电感器线圈302电耦合的连接器305可以表现为沿着铁氧体材料306的底部表面。在实施例中，可以是焊盘的连接器305用于将金属屏蔽式电感器252与pcb 254的表面258电耦合，如图2中示出的。
28.图300b示出了创建金属屏蔽式电感器的后续阶段，其中具有嵌入式电感器线圈302的铁氧体材料306被金属屏蔽件308包围，该金属屏蔽件308可以类似于图1的金属屏蔽件108。在实施例中，也可以称为金属外壳的金属屏蔽件308可由铜或铜合金制成。在实施例中，金属屏蔽件308可以完全包围铁氧体材料306。在实施例中，金属屏蔽件308可以具有100μm的厚度。随着金属屏蔽件308的厚度增加，减少电感器操作期间释放的电磁能量的能力越强，这减少了周围的电磁干扰。
29.图300c示出了不同的透视图，其中金属屏蔽件308包围铁氧体材料306，除了暴露
了连接器305。在实施例中，各种水平的电磁能量可以通过这些非屏蔽式连接器305逸出，这取决于连接器305的几何形状和组成。
30.图4示出了根据各种实施例的用于在电感器周围形成金属屏蔽件的示例工艺。工艺400可以由本文描述的设备或技术(包括关于图1-3描述的设备或技术)中的一个或多个执行。
31.在框402处，工艺可以包括将电感器嵌入铁氧体结构内，该电感器包括与该电感器电耦合的电连接器。在实施例中，空芯线圈102被嵌入在图1的铁氧体结构106内。在实施例中，电连接器305可以与电感器线圈302电耦合，如图3中示出的。
32.在框404处，工艺可以包括形成包围其内具有电感器的铁氧体结构的屏蔽件，以通过阻挡由电感器辐射的电磁能量来减少对接近电感器的信号路由的干扰。在实施例中，屏蔽件可以是图3的包围铁氧体结构306的金属屏蔽件308。在实施例中，金属屏蔽件可以由铜或铜合金制成。金属屏蔽件可以具有变化的厚度，例如，100μm或更大的厚度。在操作期间，金属屏蔽层将阻挡从电感器辐射的电磁能量。
33.在其他实施例中，在铁氧体电感器周围形成金属屏蔽件之后，可以将金属屏蔽式导体设置在pcb衬底的表面的位置。例如，屏蔽式电感器252可以被设置在图2的pcb 254的表面258上。在实施例中，屏蔽式电感器252可以被设置为接近微带，其中微带与屏蔽式电感器相隔120密耳或更少。在实施例中，屏蔽式电感器252可以被设置为接近pcb内的带状线，其中带状线与屏蔽式电感器相隔100密耳或更少。
34.图5是根据本发明实施例的计算机系统500的示意图。根据本公开中阐述的若干公开的实施例及其等同物中的任一个，所描绘的计算机系统500(也称为电子系统500)可以体现具有金属屏蔽件的电感器。计算机系统500可以是诸如上网本计算机之类的移动设备。计算机系统500可以是诸如无线智能电话之类的移动设备。计算机系统500可以是台式计算机。计算机系统500可以是手持阅读器。计算机系统500可以是服务器系统。计算机系统500可以是超级计算机或高性能计算系统。
35.在实施例中，电子系统500是包括系统总线520以电耦合电子系统500的各种组件的计算机系统。根据各种实施例，系统总线520是单个总线或总线的任何组合。电子系统500包括向集成电路510提供电力的电压源530。在一些实施例中，电压源530通过系统总线520向集成电路510提供电流。
36.根据实施例，集成电路510电耦合到系统总线520并且包括任何电路或电路的组合。在实施例中，集成电路510包括可以是任何类型的处理器512。如本文所使用的，处理器512可以表示任何类型的电路，例如但不限于微处理器、微控制器、图形处理器、数字信号处理器或另一处理器。在实施例中，处理器512包括如本文所公开的具有金属屏蔽件的电感器或与其耦合。在实施例中，sram实施例存在于处理器的存储器高速缓存中。集成电路510中可以包括的其他类型的电路是定制电路或专用集成电路(asic)，例如，在无线设备(例如，蜂窝电话、智能电话、寻呼机、便携式计算机、双向无线电设备和类似的电子系统)中使用的通信电路514，或用于服务器的通信电路。在实施例中，集成电路510包括诸如静态随机存取存储器(sram)之类的管芯上存储器516。在实施例中，集成电路510包括嵌入式管芯上存储器516，例如，嵌入式动态随机存取存储器(edram)。
37.在实施例中，集成电路510由随后的集成电路511补充。有用的实施例包括双处理
器513和双通信电路515和双管芯上存储器517(例如，sram)。在实施例中，双集成电路510包括嵌入式管芯上存储器517，例如，edram。
38.在实施例中，电子系统500还包括外部存储器540，该外部存储器540进而可以包括适合特定应用的一个或多个存储器元件，例如，以ram形式的主存储器542、一个或多个硬盘驱动器544和/或处理可移除介质546(例如，软盘、压缩盘(cd)、数字多功能盘(dvd)、闪存驱动器和本领域已知的其他可移除介质)的一个或多个驱动器。根据实施例，外部存储器540还可以是嵌入式存储器548，例如，管芯堆叠中的第一管芯。
39.在实施例中，电子系统500还包括显示设备550、音频输出560。在实施例中，电子系统500包括诸如控制器570之类的输入设备，其可以是键盘、鼠标、轨迹球、游戏控制器、麦克风、语音识别设备或将信息输入电子系统500的任何其他输入设备。在实施例中，输入设备570是相机。在实施例中，输入设备570是数字录音机。在实施例中，输入设备570是相机和数字录音机。
40.如本文所示，集成电路510可以在多个不同的实施例中实现，这些实施例包括：根据若干公开的实施例及其等同物中的任一个的包括具有金属屏蔽件的电感器的封装衬底；根据在本文各种实施例中阐述的若干公开的实施例及其本领域公认的等同物中的任一个的电子系统、计算机系统，制造集成电路的一种或多种方法、以及制造电子组装件的一种或多种方法，该电子组装件包括封装衬底，该封装衬底包括具有金属屏蔽件的电感器。根据若干公开的包括具有金属屏蔽件实施例的电感器的封装衬底(多层pcb)及其等同物中的任一个，元件、材料、几何形状、尺寸和操作顺序都可以变化，以适应特定的i/o耦合要求，包括嵌入处理器安装衬底中的微电子管芯的阵列触点数、阵列触点配置。可以包括基础多层pcb，如图5中的虚线所示。也可以包括无源器件，也如图5所描绘的。
41.示例
42.示例1是一种装置，包括：电感器，其被嵌入在铁氧体结构内；电连接器，其与电感器电耦合；以及包围其内具有电感器的铁氧体结构的屏蔽件，其用于阻挡由电感器辐射的电磁能量。
43.示例2可以包括示例1的装置，其中，装置用于被设置在印刷电路板(pcb)的衬底的表面的位置处。
44.示例3可以包括示例2的装置，其中，衬底包括多个非信号路由层和信号路由层，该多个非信号路由层和多个信号路由层位于衬底的设置有装置的位置下方。
45.示例4可以包括示例3的装置，其中，信号路由层中的至少一个位于衬底的设置有装置的位置下方三层以内。
46.示例5可以包括示例1的装置，其中，电感器是电压调节器电路的一部分。
47.示例6可以包括示例1-5中任一项的装置，其中，屏蔽件由金属材料形成。
48.示例7可以包括示例6的装置，其中，金属材料是铜或铜合金。
49.示例8可以包括示例6的装置，其中，屏蔽件的厚度至少为100μm。
50.示例9是一种方法，包括：将电感器嵌入铁氧体结构内，该电感器包括与电感器电耦合的电连接器；以及形成包围其内具有电感器的铁氧体结构的屏蔽件，以通过阻挡由电感器辐射的电磁能量来减少对接近电感器的信号路由的干扰。
51.示例10可以包括示例9的方法，还包括：将屏蔽式电感器设置在pcb的衬底的表面
的位置。
52.示例11可以包括示例10的方法，其中，将屏蔽式电感器设置在衬底的表面还包括：将屏蔽式电感器设置为接近微带，其中，微带与屏蔽式电感器相隔120密耳或更少。
53.示例12可以包括示例10的方法，其中，将屏蔽式电感器设置在衬底的表面还包括：将屏蔽式电感器设置为接近pcb内的带状线，其中，带状线与屏蔽式电感器相隔100密耳或更少。
54.示例13可以包括示例10的方法，其中，设置包括：设置具有屏蔽式电感器的电压调节器或场效应变压器。
55.示例14可以包括示例9-13中任一项的方法，其中，形成屏蔽件包括：形成铜或铜合金的厚度至少为100μm的屏蔽件。
56.示例15可以是一种系统，包括：印刷电路板(pcb)，其包括具有多个非信号路由层和多个信号路由层的衬底，其中，信号路由层中的至少一个距离pcb的表面不超过三层深；屏蔽式电感器，其与pcb的衬底的表面电耦合且物理耦合，该屏蔽式电感器包括：电感器，其被嵌入在金属结构内；电连接器，其与电感器电耦合；以及包围其内具有电感器的金属结构的屏蔽件，其中，该屏蔽件用于阻挡由电感器辐射而干扰在一个信号路由层中的信号路由的电磁能量。
57.示例16可以包括示例15的系统，其中，屏蔽式电感器被设置在pcb的表面上的位置中，该位置位于pcb的非信号路由层和信号路由层上方。
58.示例17可以包括示例15的系统，其中，衬底的表面包括微带，并且其中，微带与屏蔽式电感器相隔120密耳或更少。
59.示例18可以包括示例15的系统，其中，pcb的一个信号路由层包括带状线，并且其中，带状线与屏蔽式电感器相隔100密耳或更少。
60.示例19可以包括示例15的系统，其中，系统还包括：电压调节器或场效应变压器，其耦合到衬底的接近屏蔽式电感器的表面。
61.示例20可以包括示例15-19中任一项的系统，其中，屏蔽式电感器是电压调节器电路的一部分。