TWI400725B - 具有積體式電感器的裝置及系統 - Google Patents

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Description

具有積體式電感器的裝置及系統
本發明係有關一種積體式電感器。
 發明背景
電感器可廣泛使用於各種不同的積體電路應用中，該等應用包括諸如切換電力轉換器之電壓調節器。一電感器是一導體，其以一種儲存鄰近該導體之一磁場中的能量之方式來形成。一電感器典型具有一或更多“匝”，其集中流經該等電感器匝中定義之一“電感性”區域中的該導體之每一個匝的電流所感應之該磁場通量。某些實例中，該匝之縱橫比可以很大，藉此該匝形成一橢圓形或一矩形。該縱橫比可大到使該電感器匝及其返回路徑形成一傳輸線。
電感器可於積體電路晶粒及電路封裝體中實施，但其會有若干缺點。其典型可藉由於傳導層(諸如於傳導半導體或封裝體或印刷電路板基體層)中形成螺旋或捲線線跡而形成電感器匝來達成。某些實例中，該等線跡可耦合至相鄰層中之線跡以便達到較高電感及/或電流能力。但不幸地，其會耗損過多線跡層資源並在無不合理標度情況下，無法提供足夠的電流能力或足夠高的品質因數。此外，因為其電感區域與該封裝基體及電路晶粒中之其他線跡層實質平行，所以其對該積體電路中之其他構件會有不利的電磁干擾(EMI)，而且/或者其電感器特性會受到該基體或電路晶粒中之相鄰導體不良影響。因此，需要一全新電感器之解決方案。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種裝置，其包含：一基體，其包含由耦合在一起之分隔的第一及第二通孔來形成之一電感器，以提供第一及第二電感器端子及定義出一電感器區域。
圖式簡單說明
本發明之實施例經由該等伴隨圖式中之圖形的範例，而非經由限制來加以繪示，其中相同參考數字表示類似元件。
第1A圖是一習知積體電路之圖形。
第1B圖是一來自第1A圖之該積體電路的一基體之一部分的截面圖。
第2圖是一根據某些實施例，具有嵌式基體電感器之一積體電路的圖形。
第3圖是一根據某些實施例，具有電感器之一電力轉換器的示意圖。
第4A圖是一根據某些實施例之一電感器的立體圖。
第4B圖是一根據某些實施例，具有一較寬電感性迴圈區域之一電感器的立體圖。
第5圖是一根據某些實施例，具有多個耦合傳導層之一電感器的立體圖。
第6圖是一根據某些實施例，安排於鄰近橫列之多個電感器的立體圖。
第7圖是一根據某些實施例，第6圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第8圖是一根據某些實施例，安排於一單一橫列之多個電感器的立體圖。
第9圖是一根據某些實施例，第8圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第10圖是一根據某些實施例，安排於具有交錯端子之一單一橫列的多個電感器之立體圖。
第11圖是一根據某些實施例，第10圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第12圖是一根據某些實施例，具有附帶電感器之一電力轉換器的一電腦系統之方塊圖。
 較佳實施例之詳細說明
第1A圖顯示一習知積體電路(IC)100，其通常包含(例如，透過焊接突塊)電氣耦合至一封裝基體104之至少一半導體晶粒102。該晶粒102可電氣耦合至遍及其下表面之大部分的基體(如此實例中，例如，以一覆晶類型封裝體)，其允許具有更多電流容量之更多外部連接。本專利申請案之範疇中，該術語“基體”參照為晶粒102所安裝之任何基體，包括一專屬或分享之封裝基體、中介層基體或印刷電路板。亦即，某些實施例中，晶粒102可安裝於一印刷電路板或一中介層基體上。
第1B圖是一來自第1A圖之一IC的該基體104之截面圖。該基體104包含一絕緣核心(例如，由有機樹脂材料、塑膠、陶瓷、或其他某些適合的材料所構成)113，其夾於傳導核心層111、絕緣(例如，核心)層109、以及傳導增長層107之間。該晶粒102典型使用焊接突塊或其他某些適當的接點來透過一傳導增長層107(例如，“上”層)上之其接點來電氣耦合。因此，通孔(微通孔115及金屬鍍敷穿孔117)將該等晶粒接點電氣耦合至該等不同傳導層111、107所需之部分(例如，線跡)，以將其耦合至，例如，容裝該基體之一基座或電路板。
一金屬鍍敷穿孔(PTH)是一種通孔類型。如本文所用，該術語“通孔”參照為一基體中之一傳導構件，其可用於電氣耦合一基體中之兩個或更多分隔傳導層。金屬鍍敷穿孔正常用於耦合由較遠距離分開之線跡，而微通孔115典型用於將末端外側(上或下側)線跡層耦合至相鄰層。典型情況是，通孔由排列及/或充滿一傳導材料(例如，銅)之一圓孔來形成。只要其具有一垂直構件，則其通常垂直於該基體之平面來放置但亦可轉向，因而允許其橫跨兩個或更多層。根據該基體之大小及所需電氣連接之數量，一基體可具有數百或數千個通孔，而許多實例中，甚至可具有本文揭示之某些實施例所利用之更多容量。
第2圖顯示一根據本發明之某些實施例的IC 200。其通常包含至少一IC晶粒102，其電氣耦合至具有一區域206之一基體204，該基體具有一或更多根據本發明之某些實施例的嵌式電感器。IC 200僅顯示一單一晶粒202，其可包含若干額外晶粒並可實行各種不同功能。例如，某些實施例中，其包含一或更多諸如下述之電路的電力轉換器電路，其使用一或更多來自該嵌式電感器區域206之電感器。
第3圖顯示一具有新奇電感器304之多相“降壓”類型切換式電力轉換器，該電感器304根據某些實施例來組配。該描繪之轉換器通常包含耦合至驅動器切換器(或切換器)S1 至SN 之一控制器(有時亦參照為一脈寬調變器)302，該等切換器依序耦合至電感器L1 至LN ，而電容器C用於產生一規律的DC輸出電壓Vout 。典型情況是，該描繪之轉換器用於將供應至切換器S1 至SN 之一DC電壓，Vin ，“降壓”至一較小、規律之DC電壓Vout 。
控制器302產生施用於該等切換器之觸發信號。每一個切換器產生一脈波列電壓信號，其範圍介於該施用之輸入值(Vin )及該低側參考電壓(VSS )之間。從每一個切換器產生之該脈波列信號施用於一相關聯電感器之一輸入。一施用之脈波列信號的該工作週期一般用於判定該電感器之該輸出產生的該電壓(Vout )大小。
該轉換器可操作來作為具有一單一驅動電感器之一單相轉換器，或作為具有多個電感器之一多相轉換器。由於一多相轉換器，故該等切換器(S1 至SN )之該等觸發信號於時間上會偏斜(相位位移)，藉此來自每一電感器之切換雜訊於時間上會分散。該多相方法可用於降低該輸出之該電壓漣波。該電容器C濾波來自該輸出DC電壓(Vout )之漣波、以及AC雜訊。
漣波是一種用於鑑定一電力轉換器(或轉換器)的特性。該漣波愈小愈好。一般而言，為了達到一給定漣波的限制，一多相設計中所使用之電感器會較其他類比單相實施態樣中所使用的小，這是因為該等交錯相位部分用來作為“撫平”該輸出信號。另一因素是暫態響應。暫態響應時間是該輸出電壓Vout 所需之必要時間，以回應來自該控制器之一改變或回應該負載電流中之一改變。按大小製作該等電感器時，典型會有一折衷方案存在於漣波及暫態響應之間。由於較大的電感器，故可增進漣波降低但暫態響應時間會增加。另一因素是轉換器效益，其為進入該輸出負載(未顯示)由該轉換器耗損之所有電力的百分比。由於該品質(Q)因素定義為一電感器之虛(電感性)阻抗與其實(電阻性)阻抗之比例，故效益會隨一較高電感器Q因素而增加。由於此皆為構想，故本文揭示以及以下章節說明之該等電感器結構可提供一種用於實施具有所欲電感器特性之單一及多重電感器的彈性解決方案。
第4A圖及第4B圖顯示根據某些實施例之電感器。其包含於共同端之一傳導層的一部分406耦合一起之分隔通孔404。其另一端中，耦合至傳導層部分402，以作為第一及第二電感器端子。
該等分隔通孔404及耦合傳導層部分406組成一單一電感器“匝”(儘管事實是該匝於該等端子之間處於開放狀態，但這並不需要)。該等通孔及耦合層部分共同定義一矩形橫截面核心區域(或電感器區域)。應值得指出由於該描繪之組態，該等電感器區域(迴圈橫截面)會與該基體中之該等傳導層垂直，此降低其對電感器效能之負面效應、以及該電感器對傳導層線跡中之信號的負面衝擊。
由於其較寬之耦合部分406，第4B圖之該電感器具有較第4A圖之該電感器大的一電感器迴圈區域，而因此實質相同之其他每個元件具有一較大的相關聯距離。然而，根據其電阻總量亦較大，故其品質因數可較高或較低。
第5圖顯示一電感器之另一實施例。如同第4A圖及第4B圖之該等電感器，其具有分隔通孔504，而非將其耦合一起之一單一傳導層，其使用多重傳導層部分506來於該等通孔之一共同端來將該等通孔耦合一起。其亦使用於其第一及第二電感器端子之其他端耦合之多重傳導層部分502。多重傳導層部分典型提供較少之電感器電阻，其形成一較高品質因數及較大的電流容量。對於電力轉換器應用以達到增加效率並能夠提供較大的負載需求而言此相當有用。
第6圖顯示安排於兩鄰近橫列之多個電感器，每一列具有四個電感器。雖然該描繪實施例中，將該等通孔耦合一起之該等端子部分及層部分由一單一層組成，但每一電感器可組配來作為第4A圖、第4B圖或第5圖之一電感器。
第7圖顯示第6圖之該等電感器，但具有由一傳導層部分702耦合之每一個電感器的一端子以形成一共同端子。該類組態可用於，例如，實施諸如第3圖之該電力轉換器的一電壓調節器中之電感器。
第8圖顯示安排於一單一橫列之多個電感器(該描繪實施例中為八個)的另一實施例。此不僅允許每一電感器具有較大的電感器區域，而且可提供對該等所有端子較方便的路由接達。
第9圖顯示第8圖之多個電感器，其具有耦合至一傳導層部分902之每一個電感器的一端子。該共同連接端子之組合可針對，例如，一多相電力轉換器來提供一共同輸出。
第10圖顯示根據其他實施例組配之多個電感器。其包含揷入交錯(或偏斜)電感器。如圖描繪，此允許其彼此更靠近放置，而相鄰電感器之其端子層部分並不沿著一共同線來設置。第11圖顯示多個電感器，每一電感器具有耦合至一共同層部分1102之一端子，以提供該等所有電感器之一共同端子。
應體認未特別呈現之其他實施例亦位於本發明之範疇中。例如，該等揭示電感器具有實質與一基體垂直之電感器區域時，應思考根據設計考量及/或製造偏好，其亦可具有一水平構件(亦即，轉向)。此外，該等描繪電感器以金屬鍍敷穿孔通孔來實施時，根據可用之材料及/或製造程序，亦可使用任何其他類型之通孔。其可從堆層、沉積、及/或填滿圓孔來形成(例如，從機械及雷射鑽孔、研磨、犧牲性型式來形成)，或其可從其他某些程序來形成。再者，該磁性材料之使用並不特別揭示，其不會因此減損本發明之範疇並可用於某些實施例中。例如，一磁性材料層可放置該等電感器之“下方”以增強其電感性。然而，由於程序限制或其他損害亦可不需使用該類材料。可預期本文揭示之該等電感器可用於高頻(例如，超過10 MHz)之切換應用，此無法使用一磁性材料。
參照第12圖，顯示一電腦系統之一範例。該描繪之系統一般包含耦合至一電力轉換器1204之一處理器1202、一無線介面1206、以及記憶體1208。操作時該處理器耦合至該轉換器1204以接收其電力。該無線介面1206耦合至一天線以透過該無線介面晶片1206將該處理器通訊地鏈接至一無線網路(未顯示)。該電力轉換器1204包含一基體1205，其包括根據本文揭示之某些實施例的電感器。
應注意該描繪之系統可以不同型式來實施。亦即，其可於一單一晶片模組、一電路板、或具有多個電路板之一底盤中來實施。同樣地，其可組成一或更多完整的電腦，或者其可組成一計算系統中可用之一構件。
本發明並不侷限於該等揭示之實施例，但可以該等後附申請專利範圍之精神及範疇中的修改及變化型態來實作。例如，應體認本發明可應用於使用所有類型之半導體積體電路(“IC”)晶片。該等IC晶片之範例包括但不侷限於處理器、控制器、晶片組構件、可程式化邏輯陣列(PLA)、記憶體晶片、網路晶片、等等。
此外，應體認雖然本發明並未侷限於該等示範之尺寸/模型/數值/範圍，但亦可給定。由於製造技術(例如，光刻)經過一段時間已趨於成熟，應期待可製造出較小尺寸之設備。再者，為了簡化圖形及說明並且不混淆本發明，該等圖式中不顯示對IC晶片及其他構件之習知電力/接地連接圖。另外，為了避免混淆本發明，並且有鑑於事實上，有關該類方塊圖安排之實施態樣的細節相當倚靠本發明可實施之平台，亦即，該類細節應於業界之熟於此技者所認知的範圍中，故元件安排可以方塊圖的型式來顯示。在此提出特定細節(例如，電路)來說明本發明之示範實施例，對業界之熟於此技者而言，相當明顯地本發明可在不具有、或具有該等特定細節之變化型態的情況下來實作。因此該說明視為舉例解說而非限制。
100、200．．．積體電路
102．．．半導體晶粒
104．．．封裝基體
107．．．傳導增長層
109．．．絕緣層
111．．．傳導核心層
113．．．絕緣核心
115．．．微通孔
117．．．金屬鍍敷穿孔
202．．．單一晶粒
204、1205．．．基體
206．．．區域
302．．．控制器
304．．．電感器
402、502、506、702、902．．．傳導層部分
404、504．．．分隔通孔
406．．．部分
1102．．．共同層部分
1202．．．處理器
1204．．．電力轉換器
1206．．．無線介面
1208．．．記憶體
1210．．．天線
第1A圖是一習知積體電路之圖形。
第1B圖是一來自第1A圖之該積體電路的一基體之一部分的截面圖。
第2圖是一根據某些實施例，具有嵌式基體電感器之一積體電路的圖形。
第3圖是一根據某些實施例，具有電感器之一電力轉換器的示意圖。
第4A圖是一根據某些實施例之一電感器的立體圖。
第4B圖是一根據某些實施例，具有一較寬電感性迴圈區域之一電感器的立體圖。
第5圖是一根據某些實施例，具有多個耦合傳導層之一電感器的立體圖。
第6圖是一根據某些實施例，安排於鄰近橫列之多個電感器的立體圖。
第7圖是一根據某些實施例，第6圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第8圖是一根據某些實施例，安排於一單一橫列之多個電感器的立體圖。
第9圖是一根據某些實施例，第8圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第10圖是一根據某些實施例，安排於具有交錯端子之一單一橫列的多個電感器之立體圖。
第11圖是一根據某些實施例，第10圖之多個電感器的立體圖，每一電感器具有耦合至一傳導層部分之一端子以形成一共同端子。
第12圖是一根據某些實施例，具有附帶電感器之一電力轉換器的一電腦系統之方塊圖。
102．．．半導體晶粒
200．．．積體電路
204．．．基體
206．．．區域

Claims (20)

  1. 一種具有積體式電感器的裝置，其包含：一基體，其包含一電感器，該電感器係由耦合在一起之分隔的第一及第二通孔所形成，以提供第一及第二電感器端子及定義出一形狀實質上為矩形的電感器區域，其中該等第一及第二通孔係藉著至少一傳導層部分而於其等各自的共同末端耦合在一起，以形成一電感器匝。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該至少一傳導層部分包含兩個或更多並列傳導層部分。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該定義之電感器區域係由該等第一及第二通孔以及將其等耦合在一起之該至少一傳導層部分來加以定界限。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該等第一及第二通孔包含金屬鍍敷穿孔。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該等金屬鍍敷穿孔實質上填以一傳導材料。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基體包含一磁性材料以增強該電感器之特性。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基體包含多個該種電感器。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該等多個電感器中之每一電感器之一端子耦合至供一多相電力轉換器電 路用之一共同端子。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該基體支撐含有該電力轉換器電路之至少一部分的一半導體晶粒。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該基體是一積體電路元件之一部分。
  11. 一種具有積體式電感器的裝置，其包含：一基體；以及一半導體晶粒，其包含具有多個驅動器切換器輸出之一多相電力轉換器電路的至少一部分；其中該基體包含多個電感器，此等電感器包括與該等多個驅動器切換器輸出中的每一個驅動器切換器相關聯之一分開的電感器，每一電感器由耦合在一起之分隔的第一及第二通孔之一分開組合來形成，以提供電感器端子及定義出一形狀實質上為矩形的電感器區域，而每一電感器之一端子耦合至其相關聯驅動器切換器之該驅動器切換器輸出，而每一電感器之另一端子耦合至一共同輸出端子，其中該等第一及第二通孔係藉著至少一傳導層部分而於其等各自的共同末端耦合在一起，以形成一電感器匝。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該等電感器中之每一個電感器定義彼此實質並列之電感器區域。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該等電感器區域之形狀實質上為矩形。
  14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該等電感器放置 成兩相鄰橫列，而該共同輸出端子耦合至包含來自該等兩橫列之相鄰端子的內部電感器端子。
  15. 如申請專利範圍第11項之裝置，進一步包含該等電感器之共同耦合之端子，其等實質上係沿著一共同線段排列對齊。
  16. 如申請專利範圍第11項之裝置，進一步包含該等電感器之共同耦合端子，其等是偏斜放置。
  17. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該等第一及第二通孔包含金屬鍍敷穿孔。
  18. 一種具有積體式電感器的系統，其包含：(a)一微處理器；(b)一電力轉換器，其耦合至該微處理器以提供一規律的直流電力供應，該電力轉換器包含：(i)一基體；及(ii)一半導體晶粒，其包含具有多個驅動器切換器輸出之一多相電力轉換器電路的至少一部分；(iii)該基體包含多個電感器，此等電感器包括與每一個驅動器切換器相關聯之一分開的電感器，每一電感器由耦合在一起之分隔的第一及第二通孔之一分開組合來形成，以提供電感器端子及定義出一形狀實質上為矩形的電感器區域，而來自每一電感器之一電感器端子耦合至其相關聯驅動器切換器之一輸出，而來自每一電感器之另一端子耦合至一共同端子而為該電力轉換器電路提供一輸出，其中該等第一及第二通孔係藉著 至少一傳導層部分而於其等各自的共同末端耦合在一起，以形成一電感器匝；(c)一天線；及(d)一無線介面，其耦合至該微處理器以及該天線，來將該微處理器通訊式地鏈接至一無線網路。
  19. 如申請專利範圍第18項之系統，其更包含耦合至該電力轉換器以對其提供電力之一電池組。
  20. 一種電力轉換器，其包含：一脈寬調變器(PWM)，其具有一輸出端子；一耦合至該輸出端子的切換器；一耦合至該切換器的電感器，該電感器係形成在一基體中且係由耦合在一起之分隔的第一及第二通孔所形成，以提供第一及第二電感器端子及定義出一形狀實質上為矩形的電感器區域，其中該等第一及第二通孔係藉著至少一傳導層部分而於其等各自的共同末端耦合在一起，以形成一電感器匝；以及一耦合至該電感器的電容器，該電容器提供一輸出電壓。
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